阴山北麓地区降水特性和作物需水耦合关系分析——以武川县为例

康文钦，杜 磊，于利峰，侯智惠，许洪滔，赵俊利，侯安宏

（内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031）

气候变化对农业生产带来多方面的影响，使农区水热资源时空分布发生变化，进而影响作物种植制度、产业结构、病虫害发生以及产量和品质，从而影响粮食安全，对农业生产可持续发展形成障碍[1]。在全球气候变暖的大背景下，农业生产耗水的研究成为一个重要议题[2]。旱作农业区作物种植模式是内蒙古主要的生产模式，主要依靠天然降水维持作物生长，生产能力低而不稳，生态环境极为脆弱[3]。解决旱作农业水资源短缺问题，实现农业生产可持续发展的一条重要路径是高效利用降水资源[4]。因此，分析降水特征与作物生育期需水特征，探讨降水与作物需水关系，是建立量水种植模型的关键，是科学高效利用降水资源、提高灌溉水利用效率的基础。

内蒙古阴山北麓地区处于干旱、半干旱过渡地带，气候冷凉，为典型的旱作农业区，具有对气候变化响应敏感和生态环境脆弱的特点，干旱缺水与水土流失并存是制约该区经济与社会可持续发展的瓶颈，也是导致该区生态脆弱的关键原因[5-6]。内蒙古阴山北麓地区种植结构单一，是马铃薯的主产区，武川县马铃薯种植面积占武川县粮食作物种植面积的63.4%[7]。武川县农业生产以旱作为主，农作物产量受降水量影响较明显，且当地地表径流少，地下水资源短缺。有关阴山北麓地区旱作马铃薯、春小麦需水量特征、补灌时期的研究较多，对于降水与需水的耦合分析研究相对较少，因此，本研究试图利用武川县2000—2019年逐日监测气象数据，分析武川县降水量特征和马铃薯、春小麦在各生育时期的需水特征，计算降水和主要作物需水的耦合程度，并提出应对策略，为旱作农业充分利用有限水资源和提高水分利用效率提供依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

武川县位于内蒙古自治区中部，北纬40°47′～41°23′、东经110°31′～111°53′，总面积4 885 km2，为典型的阴山北麓地区。武川县属于中温带大陆性季风气候区，日照充足，昼夜温差较大，年平均气温3.0℃，年极端最低气温-37.0℃，年极端最高气温36.2℃，最冷月为1月，平均气温-14.8℃，最热月为7月，平均气温18.8℃，≥0℃年积温平均为2 578.5℃，无霜期124 d。年蒸发量1 993～2 753 mm，降水量为250.0～360.0 mm，年平均降水量为354.1 mm，降水主要集中在6—9月，占年降水量的82%。

1.2 数据来源

本研究利用典型阴山北麓地区武川县2000—2019年逐日监测气象数据，该数据主要包括大气温度、日平均相对湿度、日平均风速、日照时数，并利用2000—2019年马铃薯和春小麦生育期的数据。

1.3 研究方法

1.3.1 作物需水量计算 马铃薯、春小麦需水量利用式（1）计算，利用已有文献获取2种作物的作物系数[8]，作物系数具体见表1。

作物需水量，计算公式为

式中，ETc为蒸腾量（mm/d）；kc为作物系数。

ET0为参考作物蒸腾量（mm）[9]，计算公式为

式中，Rn为冠层表面净辐射[MJ/（m2·d）]；G为土壤热通量[MJ/（m2·d）]，G=0；T为平均气温（℃）；Δ为饱和水汽压温度曲线的斜率（kPa/℃）；μ2为高度2.0 m 处风速（m/s）；es为饱和水汽压（kPa）；ea为实际水汽压（kPa）；γ为湿度计常数（kPa/℃）。

1.3.2 主要作物需水与降水的耦合度 有效降水量采用下式计算

式中，Pe为有效降水量（mm）；P为降水量（mm）。

作物在某个生育时期需水与降水的耦合度计算方法为

式中，λ为作物在某个生育时期作物需水与降水的耦合度，数值变化范围0～1，λ 越接近1，表明降水满足作物需水的程度越高；Pe为相应生育时期的有效降水量（mm）；ETc为相应生育时期的作物需水量（mm）。

1.3.3 马铃薯和春小麦生育时期 马铃薯生育时期分为发芽期、苗期、块茎形成期、块茎膨大期和淀粉积累期；春小麦生育时期分为播种期、苗期、拔节期、抽穗期、开花期和收获期。武川县当地马铃薯、春小麦生育时期见表2和表3。

表2 2000—2019年马铃薯生育时期

1.4 统计分析

借助Excel 2010 进行数据分析和作图。

2 结果与分析

2.1 主要作物生育期需水量与降水量

2.1.1 主要作物生育期需水量 由图1可知，马铃薯、春小麦全生育期需水量分别为337.70和315.30 mm，马铃薯需水量在整个生育期高于春小麦。

由表4可知，马铃薯在块茎膨大期需水量均值达108.64 mm，是其他生育时期的1.21～3.80 倍，占全生育期总需水量的32.17%，是马铃薯的需水量最大时期；马铃薯在苗期、块茎形成期、淀粉积累期需水量均值分别为76.54、70.21、47.22 mm，分别占总需水量的22.67%、20.79%和13.98%。

表3 2000—2019年春小麦生育时期

由表5可知，春小麦在不同生育时期需水量为30.40～80.60 mm，需水量在拔节期为80.60 mm，占全生育期需水量的25.56%，需水量在抽穗期为67.10 mm，占全生育期需水量的21.28%，拔节-抽穗期是春小麦需水量最大的时期，春小麦开始进入拔节-抽穗期，需水量明显增加，这一阶段是春小麦生长需水的关键期，如果水分不足将直接影响小麦的产量。

2.1.2 主要作物各月份降水量 由图2、图3可知，2000—2019年年均降水量为400.87 mm，年降水量呈现增加趋势（斜率为5.598 4），降水主要集中在4—9月，主要作物生育期4—9月降水量总和为353.59 mm，占全年降水量的88.21%，4—9月有效降水量总和只有138.38 mm，占4—9月总降水量的39.14%，因降水集中出现大面积土壤流失现象，能够被作物可利用的有效降水量有限。其中，7月降水量最高，月均降水量为95.29 mm。

表5 春小麦不同生育时期需水情况

2.2 主要作物各月份内降水与需水耦合程度

由表6可知，马铃薯需水与降水的耦合度在5月为0.33，在7月为0.45，在8月为0.34，马铃薯需水与降水耦合度在6月最小；春小麦的需水与降水的耦合度在5月为0.14，在7月为0.31；春小麦需水与降水的耦合度在6月为0.33，是马铃薯需水与降水的耦合度的1.14 倍，春小麦需水与降水耦合度在7月为0.31，在5月最小。在作物全生育期内，除春小麦8月外，降水均无法满足作物需水量（λ＜1），如果需要保证较高的产量，需要采取补灌等措施为作物补充生长所需的水分。

此外，马铃薯需水与降水的耦合度与月份呈3次多项式关系，决定系数（R2）为0.694 1（图4a）；春小麦需水与降水的耦合度与月份表现出良好的3次多项式关系，拟合程度较高，决定系数（R2）为0.934 3（图4b）。

3 结论与讨论

阴山北麓地区农作物所需水分主要来源于降水，2000—2019年年均降水量为400.87 mm，主要作物全生育期（4—9月）降水量为353.59 mm，4—9月有效降水量总和为138.38 mm，占4—9月总降水量的39.14%（图3），马铃薯、春小麦全生育期需水量分别为337.70和315.30 mm，马铃薯需水量在整个生育期高于春小麦。马铃薯在块茎膨大期需水量最大，均值达108.64 mm，占全生育期需水量的32.17%，马铃薯全生育期需水与降水的耦合度为0.33～0.58，降水无法满足作物需水量。春小麦拔节、抽穗期需水量最大，分别占各自全生育期需水量的25.56%和21.28%，春小麦的需水与降水的耦合度在4—7月为0.14～0.33，在作物全生育期内，除春小麦8月外，降水均无法满足作物需水量（λ＜1）。春小麦需水与降水的耦合度与月份表现出良好的3次多项式关系，拟合程度较高，决定系数（R2）为0.934 3。本研究结果表明不同作物在不同生育时期对水资源需求是不同的，不同作物在不同生育时期需水与当地降水的耦合度低，降水结构和时空差异是造成耦合度低的主要原因。为了提升阴山北麓旱作农业区作物生产需水与降水之间的匹配程度，一是选择种植与当地降水供给及其他资源条件相适应的农作物；二是通过对农作物需水关键期的确定，从而采取耕作或农艺措施加以调节；三是依据农作物关键生育时期对水资源的需求，采取精量补灌或其他农艺措施解决匹配程度不高的问题，推动旱作农业区水资源的高效利用和可持续发展。

表6 主要作物各月份内需水与降水的耦合度

水资源有效供给不足是限制旱作农业发展的突出因素，如何最大限度充分利用降水资源、科学高效利用降水是北方旱作农业面临的重大课题[10-12]。水资源供给和作物需求通过耦合反映匹配程度，在农业生产过程中解决作物关键需水时期水资源的供需矛盾，实施精准化生产控制是阴山北麓旱作区实现高质量、可持续发展的关键。解决旱作农业水资源严重不足的重要途径之一是在作物水分亏缺期，及时采用集雨补灌技术，此技术可对天然降水在时间和空间上进行调节，是提高水资源利用效率和解决降水与作物需水出现供需错位问题行之有效的措施[13-14]。通过灌溉措施补充作物土壤水分，特别是在作物需水关键期进行充分灌溉，提升土壤水分，以满足作物对水分的需求。沟垄覆盖种植技术能增加有效降水，抑制土壤蒸发，沟内侧渗的水分储存于垄下，可改善土壤水热状况，提高作物产量和水分利用效率[15-16]，建议采用集雨补灌和沟垄覆盖种植技术相结合的栽培技术。

此外，结合阴山北麓地区天然降水特性调整农业种植结构，种植作物生长期间需水量与天然降水时间吻合的作物，使作物需水期与有效降水期相适宜，从而达到充分利用雨水资源的目的，可减少农业用水，减少开采地下水资源。在此基础上，以作物经济效益、水分利用效益为目标函数，建立适合阴山北麓地区的农业节水种植结构势在必行。