內(nèi)蒙古東北部大豆主產(chǎn)區(qū)近30 年大豆需水量時(shí)空變化特征分析*

王雅瑩，白音章，有 思，王海梅，王彥平**

（1.呼倫貝爾市氣象局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局，呼和浩特 010051；3.陳巴爾虎旗氣象局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021500）

當(dāng)前，極端天氣事件頻發(fā)，季節(jié)性干旱及降水分布不均已引起國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。干旱致使土壤水分缺失，農(nóng)作物水分供應(yīng)不足導(dǎo)致生長(zhǎng)速率降低、發(fā)育受阻、減產(chǎn)嚴(yán)重，特別是北方地區(qū)旱災(zāi)面積占比較高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由干旱引發(fā)的災(zāi)害占全國(guó)自然災(zāi)害的比例高達(dá)50%以上，因干旱導(dǎo)致的糧食作物受災(zāi)面積占播種總面積的9%以上，干旱已成為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及限制我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[1-3]。

內(nèi)蒙古東北部是重要的春播大豆產(chǎn)區(qū)，也是我國(guó)優(yōu)質(zhì)大豆主產(chǎn)區(qū)。作為重要的油料和經(jīng)濟(jì)作物，大豆在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。大豆對(duì)水分虧缺十分敏感，干旱對(duì)其品質(zhì)及產(chǎn)量均會(huì)造成嚴(yán)重影響[4-5]。李玖穎等[6]通過對(duì)黑龍江省近50 年大豆需水量和干旱時(shí)空分布特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，大豆各生育階段需水量總體呈下降趨勢(shì)，且易發(fā)生春旱和夏旱。宮麗娟等[7]利用水分盈虧量確定干旱等級(jí)，分析黑龍江省大豆各生育期干旱發(fā)生頻率和干旱強(qiáng)度，并對(duì)黑龍江省大豆干旱風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估和分區(qū)。目前，學(xué)界對(duì)黑龍江省大豆需水量和干旱時(shí)空變化特征研究較多，但對(duì)內(nèi)蒙古東北部大豆需水量及干旱等級(jí)的研究較少。因此，本文以內(nèi)蒙古東北部大豆主產(chǎn)區(qū)為研究對(duì)象，以大豆各生長(zhǎng)發(fā)育階段有效降雨量和需水量為依據(jù)，分析內(nèi)蒙古東北部大豆主產(chǎn)區(qū)需水量時(shí)空變化特征，旨在對(duì)合理利用水資源和農(nóng)業(yè)資源保障大豆安全生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)研區(qū)概況

本研究中的內(nèi)蒙古東北部指呼倫貝爾嶺東地區(qū)和興安盟地區(qū)，其境內(nèi)大興安嶺呈東北-西南橫跨呼倫貝爾市，地勢(shì)西高東低，是內(nèi)蒙古高原與松遼平原的分水嶺，也是我國(guó)重要的自然地理分界線。大興安嶺以西地區(qū)屬溫帶大陸性氣候，大興安嶺以東地區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候。嶺東地區(qū)地勢(shì)平坦、土壤肥沃、積溫高，是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，也是內(nèi)蒙古大豆種植主產(chǎn)區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究中選取1991—2020 年內(nèi)蒙古東北部的呼倫貝爾東部及興安盟大豆主產(chǎn)區(qū)共12 個(gè)具有代表性的氣象站（見圖1）的逐日氣象數(shù)據(jù)，包括日平均氣溫、日降水量、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均風(fēng)速和日日照時(shí)數(shù)等。發(fā)育期觀測(cè)數(shù)據(jù)包括播種日期、開花日期、成熟日期、各生育階段天數(shù)及株高等。

圖1 內(nèi)蒙古東北部大豆主產(chǎn)區(qū)及氣象站分布

1.3 研究方法

1.3.1 有效降雨量

對(duì)于旱田作物，有效降雨量指總降雨量能夠保存在作物根系中，用于滿足作物需要水分，不包括地表徑流和滲漏至作物根區(qū)以下的部分[8]。有效降雨量大小與降雨強(qiáng)度、土壤持水能力、雨前土壤持水量及作物種類等有關(guān)[9]。某次降雨的有效降雨量Pej計(jì)算公式為：

Pej=αj·Pj

式中：Pj為j 次降雨的降雨總量，mm；αj為有效利用系數(shù)。一般情況下，αj的取值如下：當(dāng)Pj≤5 mm 時(shí)，αj=1；5 mm＜Pj≤50 mm 時(shí)，αj=0.9；Pj＞50 mm 時(shí)，αj=0.75。

生育階段i 內(nèi)多次降雨的有效降雨量累積得到生育階段有效降雨量Pei。

式中：Pei為生育階段i 的有效降雨量，mm；j（j=1，2，…，n）表示某生育階段的降雨次數(shù)；Pej,i為生育階段i 的第j 次有效降雨量，mm。

1.3.2 作物需水量

本文采用單作物系數(shù)法[10]計(jì)算作物需水量，公式為：

ETC=KCETO

式中：ETC為實(shí)際作物需水量，mm；ETO為參考作物蒸散量，mm；KC為作物系數(shù)。

參考作物蒸散量ETO采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的作物系數(shù)法[11]，利用作物KC進(jìn)行修正，得到作物需水量。參考作物蒸散量ETO采用FAO 推薦的Penman-Monteith 公式[12]進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：Rn為作物表面上的凈輻射，MJ/m2·d；G 為土壤熱通量，MJ/m2·d； t 為2 m 高處的日平均空氣溫度，℃；U2為2 m 高處的平均風(fēng)速，m/s；es為飽和水氣壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa；es-ea為飽和水汽壓差，kPa；△為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線的斜率，kPa/℃；γ 為溫度計(jì)常數(shù)，kPa/℃。

運(yùn)用FAO 推薦的Penman-Monteith ETO公式的單作物系數(shù)法[13-14]，從FAO-56 表中查到大豆在標(biāo)準(zhǔn)條件下的作物系數(shù)分為生長(zhǎng)前期、中期和后期，分別用Kcini、Kcmid(Tab)和Kcend(Tab)表示，其中Kcini為0.4，Kcmid(Tab)為1.15，Kcend(Tab)為0.5。由于呼倫貝爾嶺東地區(qū)春季大氣蒸發(fā)量強(qiáng)度較弱，降雨量較少，對(duì)Kcini未進(jìn)行修正，對(duì)Kcmid和Kcend的修正公式如下:

式中：（1）為Kcend(Tab)≥0.45；（2）為Kcend(Tab)＜0.45；h 為生育期內(nèi)作物高度的平均值，m；RHmin為日最小相對(duì)濕度的平均值，%；Kcmid為修正后的大豆生長(zhǎng)中期作物系數(shù)；Kcend為修正后的大豆生長(zhǎng)后期作物系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用ArcMap 10.2 空間分析功能對(duì)有效降雨量和需水量進(jìn)行空間插值和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆全生育期和不同生育期有效降雨量時(shí)空分布特征

2.1.1 大豆全生育期有效降雨量時(shí)空分布特征

由表1 可知，1991—2020 年內(nèi)蒙古東北部大豆全生育期內(nèi)年均有效降雨量為376.06～451.90 mm，均值為409.53 mm。有效降雨量高值區(qū)主要集中在北部的鄂倫春自治旗、莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗、阿榮旗、扎蘭屯和阿爾山一帶，均大于410 mm；低值區(qū)主要集中在南部的科爾沁右翼中旗偏南一帶，均小于380 mm；興安盟中部一帶與有效降雨量均值接近。大豆全生育期內(nèi)有效降雨量氣候傾向率為-7.08～-12.05 mm/（10 a），均值為-10.03 mm/（10 a）。結(jié)果表明，內(nèi)蒙古東北部大豆全生育期內(nèi)年均有效降雨量由南向北呈先減后增趨勢(shì)，有效降雨量氣候傾向率均呈下降趨勢(shì)。

表1 1991—2020 年內(nèi)蒙古東北部大豆全生育期和不同生育期有效降雨量時(shí)空分布特征

2.1.2 大豆不同生育期有效降雨量時(shí)空分布特征

由表1 可知，大豆生長(zhǎng)前期年均有效降雨量為35.08～48.23 mm，均值為41.25 mm，由南向北呈逐漸升高趨勢(shì)；快速發(fā)育期年均有效降雨量為44.74～68.33 mm，均值為53.39 mm，表現(xiàn)為中、北部高，其余地區(qū)低的趨勢(shì)；生長(zhǎng)中期年均有效降雨量為236.81～289.26 mm，均值為267.38 mm，由南向北呈逐漸升高趨勢(shì)；生長(zhǎng)后期年均有效降雨量為36.28～54.27 mm，均值為47.51 mm，由南向北呈逐漸升高趨勢(shì)。結(jié)果表明，大豆生長(zhǎng)前期、中期和后期有效降雨量空間分布由南向北均呈逐漸升高趨勢(shì)，生長(zhǎng)中期有效降雨量占比最大，占平均有效降雨總量的65%。

大豆生長(zhǎng)前期和快速發(fā)育期，內(nèi)蒙古東北部大部分地區(qū)的有效降雨量氣候傾向率呈上升趨勢(shì)。生長(zhǎng)前期莫力達(dá)瓦達(dá)斡爾族自治旗、鄂倫春自治旗、胡爾勒、索倫、突泉和高力板的有效降雨量氣候傾向率分別為-0.60 、0.85、0.84、0.07、0.64和0.75 mm/（10 a），變化不明顯。大豆生長(zhǎng)中期有效降雨量氣候傾向率南北差異顯著，其中扎賚特旗下降速率最快，為-6.93 mm/（10 a）；其次為突泉，下降速率為-6.23 mm/（10 a）。大豆生長(zhǎng)后期有效降雨量氣候傾向率仍表現(xiàn)為南北差異顯著，其中阿爾山下降速率最快，為-10.88 mm/（10 a）；其次為科爾沁右翼中旗，為-9.25 mm/（10 a）。

2.2 大豆全生育期和不同生育期ETC時(shí)空分布特征

2.2.1 大豆全生育期ETC時(shí)空分布特征

由圖2（a）可知，1991—2020 年內(nèi)蒙古東北部大豆全生育期ETC為381.26～563.34 mm，平均ETC為477.07 mm。需水量區(qū)域特征明顯，表現(xiàn)為由南向北逐步遞減，由西向東逐步增加的趨勢(shì)。高值區(qū)集中于興安盟南部的突泉縣和科爾沁右翼中旗一帶，平均大豆ETC為552.96 mm，低值區(qū)集中于鄂倫春自治旗和阿爾山市一帶，平均大豆ETC為395.40 mm。

圖2 1991—2020 年內(nèi)蒙古東北部大豆全生育期ETC 和氣候傾向率空間分布

1991—2020 年，內(nèi)蒙古東北部大豆全生育期需水量氣候傾向率為-6.62～14.02 mm/（10 a），平均氣候傾向率為5.70 mm/（10 a），呈上升趨勢(shì)。其中呼倫貝爾南部的扎蘭屯市需水量氣候傾向率下降趨勢(shì)不明顯，興安盟的高力板、扎賚特旗和烏蘭浩特需水量氣候傾向率均呈下降趨勢(shì)（見圖2（b））。

2.2.2 大豆不同生育期ETC時(shí)空分布特征

大豆生長(zhǎng)前期ETC為45.79～72.06 mm，平均ETC為60.36 mm，自南向北呈遞減趨勢(shì)（見圖3（a））；大豆快速發(fā)育期ETC為48.71～67.88 mm，平均ETC為59.17 mm，自南向北呈遞減趨勢(shì)（見圖3（b））；大豆生長(zhǎng)中期ETC為244.88～349.24 mm，平均ETC為299.96 mm（見圖3（c））；大豆生長(zhǎng)后期ETC為41.98～74.62 mm，平均ETC為59.22 mm（見圖3（d））。

圖3 1991—2020 年內(nèi)蒙古東北部大豆各生育期ETC 和氣候傾向率時(shí)空分布

結(jié)果表明，大豆不同生育時(shí)期需水量高值區(qū)主要集中于興安盟東南部的科爾沁右翼中旗、突泉、科爾沁右翼前旗和烏蘭浩特一帶。

3 結(jié)論

（1）本研究分析了1991—2020 年內(nèi)蒙古東北部30 年間大豆全生育期及不同生育階段的有效降雨量及需水量時(shí)空變化特征。結(jié)果表明，1991—2020 年，內(nèi)蒙古東北部大豆生育期內(nèi)年均有效降雨量為376.06～451.90 mm，均值為409.53 mm，由南向北呈先減后增趨勢(shì)。生長(zhǎng)前期、中期和后期有效降雨量空間分布由南向北均呈逐漸升高趨勢(shì)，生長(zhǎng)中期有效降雨量占比最大，占平均有效降雨總量的65%。

（2）內(nèi)蒙古東北部大豆全生育期內(nèi)有效降雨量氣候傾向率為-7.08～-12.05 mm/（10 a），均值為-10.03 mm/（10 a），均呈下降趨勢(shì)。

（3）1991—2020 年，內(nèi)蒙古東北部大豆全生育期ETC為381.26～563.34 mm，平均ETC為477.07 mm。需水量區(qū)域特征明顯，表現(xiàn)為由南向北逐步遞減，由西向東逐步增加的趨勢(shì)。高值區(qū)集中于興安盟南部的突泉縣和科爾沁右翼中旗一帶，平均大豆ETC為552.96 mm，低值區(qū)集中于鄂倫春自治旗和阿爾山市一帶，平均大豆ETC為395.40 mm。

（4）1991—2020 年，內(nèi)蒙古東北部大豆全生育期需水量氣候傾向率為-6.62～14.02 mm/（10 a），均值為5.70 mm/（10 a），呈上升趨勢(shì)。其中呼倫貝爾南部的扎蘭屯市需水量氣候傾向率下降趨勢(shì)不明顯，興安盟的高力板、扎賚特旗和烏蘭浩特均呈下降趨勢(shì)。

（5）總體上，內(nèi)蒙古東北部大豆主產(chǎn)區(qū)降雨量少、需水量大，易發(fā)生干旱等氣象災(zāi)害，生產(chǎn)上應(yīng)適當(dāng)增加灌溉，保證大豆穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。