基于SIMETAW模型的不同地区燕麦需水量研究

王冲，林倩，石晓宇，李硕，揭晓婧，褚庆全*

(中国农业大学农学院，农业农村部农作制度重点实验室，北京 100193；2. 烟台市农业技术推广中心， 山东 烟台 264001)

作物需水量能够直观反映作物需水情况[1]，是作物充分灌溉的理论基础[2]，研究作物需水的时空变化特征能为优化作物布局提供依据，因此加强作物需水特征研究刻不容缓[3]。SIMETAW模型是由美国加州大学戴维斯分校研究开发的农业水资源管理与规划模型，多数学者利用SIMETAW模型对作物需水量计算展开了大量研究：刘洋[4]计算了辽宁阜新地区不同年型下的玉米(ZeamaysL.)蒸散量、需水量、降水耦合度等指标，并分析了气候变化对玉米水分需求的影响；基于1960—2006年气象资料，史金丽[5]对河西走廊地区的春小麦、春玉米、马铃薯(SolanumtuberosumL.)的蒸散量进行了模拟，认为不同分区下作物蒸散量的差异达到显著水平；刘洋等[6]基于1951—2009年的标准气象资料计算了辽宁阜新地区花生(Arachishypogaea)的蒸散量、有效降水量及灌溉需水量，表明有效降水量呈下降趋势，而灌溉需水量呈升高趋势。前人对水稻(Oryzasativa)、小麦(TriticumaestivumL.)、玉米等大宗作物需水量的研究较多，均认为作物生育期需水量发生了变化，且不同地区的变化存在空间差异[7-11]。

燕麦(AvenaL.)是世界八大谷类作物中营养价值较高的粮饲兼用作物，具有耐寒、耐旱、耐贫瘠等生长习性[12]，包括皮燕麦和裸燕麦两大类。国外以种植皮燕麦为主，消费方式多为饲用，我国以种植裸燕麦为主，消费方式多为食用。我国90%的春燕麦种植于年降水量200～400 mm的干旱半干旱区，其水分需求与所处环境不相适应[13]。与玉米、高粱(SorghumbicolorL.)、小麦等作物相比，燕麦被认为是耗水量相对较大的禾谷类作物[14]。华北燕麦区、北方燕麦区、西南燕麦区是我国的三个优势产区[15-17]，其中燕麦主要分布在我国华北地区，种植面积占我国燕麦总播种面积的80%以上[18]，对东北地区而言，在小麦种植面积逐年下降的前提下，燕麦对东北地区种植结构调整的作用不断上升[19]。但近年来受气候变化的影响，温度升高和降水减少的叠加效应导致华北和东北地区的干旱程度不断加深[20-21]，水分供应不足成为制约我国华北和东北地区燕麦生产和布局的重要因素，严重影响着当地燕麦的正常生长，探讨燕麦生育期需水情况及空间分布显得尤为重要。

为了解早播和晚播燕麦需水特征，解决农作物需水问题，本文基于华北和东北地区15个气象台站1960—2014年的标准气象数据，采用SIMETAW模型测算出近55年来燕麦生育期需水量，解析了该区域燕麦生育期需水量和有效降水量的空间分布特点，并进一步比较了早播和晚播燕麦生育期的降水耦合度，以期为华北和东北燕麦种植区布局结构的调整和水资源的合理配置提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

华北地区选取内蒙古自治区、河北省、山西省，其中，内蒙古自治区选取乌兰浩特、乌拉盖、赤峰、多伦、阿巴嘎旗、察哈尔右翼前旗、呼和浩特7个站点，河北省选取丰宁、张家口2个站点，山西省选取右玉、大同2个站点。燕麦是内蒙古自治区农牧交错带的传统优势作物；河北省独特的气候条件和优良的土壤环境适合燕麦的生长；山西省的忻州盆地、大同盆地、吕梁及太行山区是该省燕麦的主要种植区[18]。东北地区包括黑龙江省、吉林省、辽宁省，其中，黑龙江省选取嫩江、哈尔滨2个站点，吉林省选取白城1个站点，辽宁省选取沈阳1个站点。燕麦主要种植在黑龙江省的西北部地区[22]，吉林省进行燕麦生产不但增加粮食产量，还一定程度地减少春季扬尘天气[23]，辽宁省的中部及西部地区是燕麦的种植聚集区[24]。

1.2 数据来源

该研究所用的华北和东北地区具有代表性的15个标准气象站点1960—2014年的逐日气象数据来源于网站信息公开的国家气象局。气象要素主要包括降水量、日照时数、平均相对湿度、大气压强、平均风速、日最低气温、日平均气温、日最高气温等，各气象台站的地理特征数值主要包括经度、纬度、海拔高度等。作物参数来源于国家燕麦荞麦产业技术体系的不同生态区的田间试验数据，主要包括播种面积、密度、播种日期、收获日期等。

1.3 计算方法

利用SIMETAW模型分别计算早播和晚播燕麦生育期需水量, SIMETAW模型的校正与正确使用方法见参考文献[25-26]。

1.3.1参考作物蒸散量 采用FAO推荐的Penman-Monteith公式[27]计算。

(1)

式中，ET0为参考作物蒸散量(mm)，Δ为水汽压对温度的斜率(kPa·℃-1)，Rn为到达作物表面的净辐射(MJ·m-2·d-1)，G为土壤热通量密度(MJ·m-2·d-1)，γ为干湿球常数(kPa·℃-1)，T为作物冠层2 m高处的空气湿度(℃)，u2为作物冠层2米高处的风速(m·s-1)，es为饱和水汽压(kPa)，ea为实际水汽压(kPa)。

1.3.2作物需水量 某时段作物供水充分情况下，作物系数与参考作物蒸散量的乘积称为作物需水量，公式如下。

ETc=Kc×ET0

(2)

式中，ETc为逐日作物需水量(mm)，Kc为作物系数，ET0为参考作物蒸散量(mm)。

1.3.3有效降水量 作物旱作条件下，除去地表渗漏和径流到作物根部以下以及淋洗盐分深层渗漏部分的降雨量外，其余用来满足作物蒸散所需的降雨量[28]称为有效降水量，本文利用联合国粮农组织推荐的比较作物需水量和降水量值大小的方法[27]确定有效降水量，公式如下。

(3)

式中，ETri为日有效降水量(mm)，ET为日降水量(mm)，ETr为作物全生育期有效降水量(mm)，n为生育期按旬分组的数量。

1.3.4缺水量 相同生长阶段下，作物需水量与有效降水量之差即为缺水量。若结果为正值，表明有效降水量没有达到作物需水要求，若结果为负值，表明有效降水量满足作物需水要求，若结果为零值，表明水分供需平衡。

ETaw=ETc-ETr

(4)

式中，ETaw为缺水量(mm)。

1.3.5水分盈亏指数

不考虑灌溉条件下，水分盈亏指数(I)为作物生育期有效降水量与需水量的差值占作物需水量的比值[29]，高于0表示水分盈余，低于 0表示水分亏缺，等于 0表示水分供需平衡。

(5)

1.3.6降水耦合度 了解作物需水与自然降水的耦合度，能够更好地利用自然降水满足作物需水量，对高产高效节水种植制度有重要意义。降水耦合度指在一定时间、一定地区内，自然降水对某作物生育期需水的满足程度，取值介于0～1之间，计算公式如下。

(6)

式中，λi代表第i阶段(月)的作物需水与自然降水的耦合度，Pi代表第i阶段(月)内自然降水量(mm)，ETci代表第i阶段(月)内作物需水量(mm)。

全生育期作物需水与自然降水的耦合度(λ)等于各阶段(各月)耦合度的以其需水模数(ETci/ETc)为权重的加权平均值。

(7)

2 结果与分析

2.1 燕麦生育期需水量和有效降水量分布特征

华北和东北地区的早(晚)播燕麦1960—2014年生育期需水量和有效降水量平均值如图1所示，研究区域各站点早播燕麦生育期需水量在305.13～362.88 mm之间，平均值为334.73 mm，晚播燕麦在279.60～348.92 mm之间，平均值为319.13 mm。早播和晚播燕麦生育期需水量空间分布不同，绝大多数站点早播燕麦生育期需水量明显高于晚播燕麦(阿巴嘎旗、呼和浩特和张家口除外)。早播燕麦生育期需水量的高值区(>340 mm)主要分布在白城、多伦、嫩江、察哈尔右翼前旗、赤峰，低值区(<320 mm)主要分布在丰宁、右玉、乌兰浩特、张家口；而嫩江、察哈尔右翼前旗、阿巴嘎旗、大同、哈尔滨(>330 mm)为晚播燕麦生育期需水量的高值区，沈阳、右玉、丰宁、白城为晚播燕麦生育期需水量的低值区(<310 mm)。

早播和晚播燕麦生育期有效降水量波动范围分别为84.24～224.43 mm和120.02～236.30 mm，平均值分别为132.70 mm和173.07 mm，且早(晚)播燕麦生育期有效降水量大于平均值的站点比重均为47%。早(晚)播燕麦生育期有效降水量空间分布特征相似，均呈现明显的经向和纬向分布，表现为由北向南递减，由东向西递减，高值区主要位于嫩江、沈阳、哈尔滨、丰宁等地，低值区主要集中在察哈尔右翼前旗、张家口、阿巴嘎旗等地。上述研究结果表明，在不考虑灌溉条件的前提下，燕麦生育期有效降水量均不能满足燕麦的需水要求，从降水量与需水量的空间分布来看，降水量低值区大多是燕麦需水量的高值区，因此，各地区应结合当地燕麦的需水和降水特征，积极采取相应措施以充分利用自然降水。

2.2 燕麦生育期水分盈亏指数比较分析

研究区域各站点均表现出不同程度的水分亏缺(表1)，早播燕麦生育期缺水量在130.67～258.48 mm之间，平均值为202.03 mm；水分盈亏指数波动范围在-0.75～-0.37之间，平均值为 -0.60，察哈尔右翼前旗、阿巴嘎旗、张家口水分亏缺最为严重，水分盈亏指数分别为-0.75、-0.75、-0.72，而嫩江、沈阳、哈尔滨水分亏缺程度较小，其值分别为-0.37、-0.46、-0.49；晚播燕麦生育期缺水量在89.84～219.54 mm之间，平均值为144.49 mm，水分盈亏指数在-0.65～-0.30之间，平均值为-0.46，与早播燕麦相比，晚播燕麦水分亏缺程度较小，说明晚播燕麦能充分利用有效降水量，提高降水资源的利用率。在空间分布上，与早播燕麦分布类似，晚播燕麦水分亏缺最严重的地区在阿巴嘎旗、察哈尔右翼前旗、张家口，水分亏缺指数分别为-0.65、-0.60、-0.59，丰宁、嫩江、哈尔滨、沈阳水分亏缺程度较小，其值均不小于-0.35。通过水分盈亏指数的分析得出，各区域站点燕麦的水分盈亏指数均小于0，表现出燕麦生长期间所需的水分不足，遭遇不同程度的干旱胁迫，且不同地点的燕麦受到的水分亏缺大小不同。

表1 1960—2014年华北和东北地区燕麦生育期缺水量与水分盈亏指数Table 1 Water deficit and moisture loss index of oat during growing season in North and Northeast China from 1960 to 2014

2.3 燕麦生育期降水耦合度分析

分析早(晚)播燕麦全生育期平均降水耦合度发现，晚播燕麦的降水耦合度高于早播燕麦，早播燕麦介于0.26～0.68之间，晚播燕麦介于0.38～0.78之间(图2)。从生长季内不同月份看，早播燕麦生育期在4—7月，各月份站点平均降水耦合度7月> 4月> 6月> 5月，表明在5—6月时自然降水对燕麦需水的满足程度较小，在基本成熟期时(7月)自然降水对燕麦需水的满足程度达到最大，晚播燕麦生育期基本在5—8月，虽然生长前期阶段(5—6月)燕麦需水少，但降水耦合度低，自然降水不能满足燕麦的需水，在生长后期阶段(7—8月)降水耦合度升高，一定程度上可满足燕麦对水分的需求。从区域上看，东北地区燕麦的降水耦合度高于华北地区。其中，早播燕麦降水耦合度，东北地区在0.41～0.68之间，华北在0.26～0.50之间，而晚播燕麦降水耦合度，东北地区在0.50～0.78之间，华北在0.38～0.72之间，说明东北地区的燕麦对自然降水利用率较高，再通过调整作物布局结构，可达到对水资源的优化利用。从各站点看，15个站点早播和晚播燕麦的降水耦合度相差不大，表现出东高西低、北高南低的空间特征，如高值区的哈尔滨、嫩江、沈阳的早(晚)播燕麦降水耦合度均达到了0.50以上，而低值区的张家口、察哈尔右翼前旗、阿巴嘎旗的降水耦合度在0.40左右。上述结果表明，由于降水时期与燕麦需水阶段的不匹配造成了生长前期阶段的降水耦合度较低，使部分降水不能充分利用，在生长后期阶段自然降水量升高和需水量降低的双重效应导致了燕麦降水耦合度升高。虽然燕麦整体降水耦合度不高，但晚播燕麦全生育期降水耦合度大于早播燕麦，能更大限度地利用降水资源，因此华北和东北地区可适当推迟燕麦播期，提高降水耦合度，充分利用自然降水。

图2 1960—2014年华北和东北地区燕麦生育期多年逐月平均降水耦合度Fig.3 Average coupled rainfall degree of oat during growing season in North and Northeast China from 1960 to 2014

3 讨论

燕麦主要分布在我国东北、华北、西北、西南等高寒冷凉、气候干旱、土壤贫瘠的地区，其中农业气候因子的异常变化加剧了华北和东北地区的生态脆弱性，过去60年间东北地区的平均气温以每10年增加0.33 ℃的速率不断上升[30]，可利用降水量表现出下降的趋势[31]，而华北地区是我国降水量减少最多的区域[32]。燕麦被认为是水分利用率较低的作物[33]，华北和东北地区一系列的干旱问题成为限制燕麦生长的重要因素，如何有效利用当地的自然降水来满足燕麦的需水要求成为本研究的重点内容。本文对比了研究区域燕麦生育期需水量和有效降水量的空间分布，降水量低值区多数是需水量高值区，表明该区域水分亏缺比较严重，进一步利用缺水量和水分盈亏指数分析了研究区域有效降水量对燕麦生育期需水的盈亏状况，各站点均受到干旱胁迫的影响，生育期降水量均不能满足燕麦的用水需求，该指标可定量评估降水对作物需水的满足程度[34]。燕麦大多种植在水资源不足或生态环境脆弱的条件下，在华北和东北地区积极发展燕麦产业的过程中，应充分考虑当地的光、温、水等气候资源，加强节水农作制的推广，规划燕麦布局以合理分配水资源。

燕麦的不同生长阶段对水分需求不同，分蘖期至抽穗期耗水量最大，约占全生育阶段需水量的70%，其次是灌浆期至成熟期，占总需水量的20%左右[35]。燕麦对干旱较为敏感，在需水量较大的生育阶段必需具有足够的水分，才得以避免干旱缺水对燕麦可能造成的胁迫，保证燕麦的正常发育。本文对燕麦的降水耦合度进行了探讨，深入了解降水对燕麦不同时期需水的满足情况，为研究区域燕麦合理利用水资源提供参考。华北和东北地区7、8月份自然降水较多，早播燕麦的生育期基本在4—7月，晚播燕麦在5—8月。对早播燕麦而言，生育期内5月份需水量较大，但降水远远不能满足需水要求，导致降水耦合度较低，各站点平均降水耦合度约为0.28；7月份基本达到成熟期时，降水量增加，而生长需水减少，致使耦合度较高，基本在0.90以上。对晚播燕麦而言，6月份是生育期需水较大的时期，但降水耦合度较低，各站点平均降水耦合度约为0.45；8月份达到成熟期时，需水量较少，但降水量大，导致降水耦合度较高，接近于1.00。上述研究表明，当燕麦处于拔节期或孕穗期时，需水较多，自然降水却少，降水耦合度低；当处于基本成熟期时，需水较少，自然降水却多，造成水资源不能充分利用。为避免燕麦需水较多的生长阶段与当地降水集中时间的不匹配，华北和东北地区可适当推迟燕麦播期，提高降水耦合度，充分利用自然降水。

燕麦的生长状况和发育进程受播期的影响，适时播种可充分利用当地的自然降水和光热资源，减轻低温干旱对燕麦生长前期的危害[36]，燕麦的适宜播期应由需水较大的灌浆期与此时的气候条件共同决定[37]，气候温暖的地区适宜早播，而气候冷凉的地区适宜晚播，有助于提高燕麦的结实率。本文中研究区域的气候条件以冷凉为主，近年来干旱程度不断加剧，且晚播燕麦的降水耦合度高于早播燕麦，为了适应当地的气候条件，应适当推迟燕麦播期，达到需水量与降水量时期的一致性，减轻干旱胁迫的影响，从而有效利用自然降水，提高降水耦合度。这一结论与李凤霞等[38]的结论一致，其研究表明在没有灌溉条件的地区燕麦不宜早播，若适时晚播可及时遇到较大的降水，对燕麦生长发育起到积极的作用。在气候干旱的华北和东北地区，为了使燕麦生长过程中得到充足的水分，在土壤墒情允许的条件下，应适当推迟燕麦播期，更好地利用自然降水，为当地节水农业的推广提供参考依据。