阴山北麓旱作区主要作物需水量及需水规律分析

康文钦　石晓华　段海文　李蕾　张兰英　景宇鹏

摘    要：为分析阴山北麓旱作区主要作物需水量和离水规律，根据阴山北麓地区作物和气候资料，计算该地区主要作物的需水量，并对不同作物水分利用情况进行评价。结果表明：阴山北麓旱作区主要栽培作物在不同生育阶段对水分的需求量不同，各作物需水量大小依次为：向日葵>玉米>多年生苜蓿>马铃薯>莜麦>春小麦，并分析作物需水与作物生长的关系。考虑到作物在该地区产量和种植面积的优势，应优先考虑马铃薯的种植。玉米和多年生苜蓿是阴山北麓旱作区重要的饲草料作物，由于该地区热量和水分不足，推广大面积种植受到制约。综上所述，基于水资源高效利用的优化作物布局，能够促进该地区水资源合理利用和农牧业的可持续发展。

关键词：阴山北麓旱作区；作物需水量；作物需水规律

中图分类号： S532;S512.1+2;S274          文献标识码：A          DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2023.S.004

Analysis of Water Requirement and Water Requirement Law of Main Crops in Dryland Area at The Northern Foot of Yinshan Mountain

KANG Wenqin1，SHI Xiaohua2，DUAN Haiwen1，LI Lei3，ZHANG Lanying1，JING Yupeng1

（1. Inner Mongolia Academy of Agricultural & Animal Husbandry Sciences， Hohhot， Inner Mongolia 010031，China；2.Agricultural College，Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010010，China；3.Ordos Bureau of Soil and Water Conservation Supervision and Law Enforcement， Ordos， Inner Mongolia 017010，China）

Abstract： In order to analyze the water requirement and the rule of water requirement of main crops in the dry area at the north foot of Yinshan Mountain， according to crop and climate data， the water requirement of main crops in the north foot of Yinshan was calculated， and the water use of different crops was evaluated. The water requirement of main cultivated crops in different growth stages was different. The water requirement of each crop was sunflower > corn > perennial alfalfa > potato > naked oats > spring wheat.  The relationship between crop water demand and crop growth was analyzed. Considering the advantages of crop yield and planting area in this region， potato planting should be given priority. Maize and perennial alfalfa are important forage crops in the dry area at the north foot of Yinshan Mountain. Due to the lack of heat and water in this area， large-scale planting is restricted. In conclusion， optimizing crop layout based on efficient use of water resources can promote rational use of water resources and sustainable development of agriculture and animal husbandry in this region.

Key words： dryland area at the northern foot of Yinshan Mountain; water requirement of crop;water requirement law of crop

阴山北麓旱作区（40°42'N～43°54'N，107°30'E～113°42'E）属于典型的农牧交错地带，其贯穿内蒙古中部，是阴山山地向蒙古高原的过渡地带，行政单元包括武川、固阳、达茂旗、镶黄旗、太仆寺旗、多伦县、商都县、察右后旗、察右中旗、化德县、五原、乌拉特中旗、临河、乌拉特后旗等旗县。该地处于中温带干旱和半干旱大陆性季风气候区，大陆性季风气候特点显著，春多风干燥，夏多雨炎热，秋天高气爽，冬干燥寒冷，四季分明，年均气温1.3～3.9 ℃，多年平均降水量仅为 350 mm，降水少而且分布不均，主要集中于7—9月份，占全年降水量的 60%～70%，年蒸发量达2 400～2 800 mm，无霜期90～120 d[1-2]。该地区水资源严重缺乏、热量资源也不足，原生植被主要是典型草原和荒漠草原，一般只能种植生长季较短且耐寒耐旱的作物，如马铃薯、莜麦、春小麥、向日葵、玉米、饲草料作物等。总体来说，阴山北麓地区气候干旱、寒冷多风、土壤贫瘠、经营粗放、种植结构单一、生产能力低而不稳[3-4]。

有关学者对于作物耗水量分析已开展部分研究，如陈博等[5]研究华北平原近50年冬小麦—夏玉米需水量，结果表明，作物随生育时期推移，需水量呈下降趋势；郭伟等[6]分析了气候变暖条件下山西省玉米和小麦等作物的需水量变化，指出需水量变化在一定程度上可以预测作物产量的变化；王志成等[7]研究了阿克苏河灌区作物需水量对气候变化的敏感性，结果表明，其灌区多年平均作物需水量呈明显上升趋势，同时还指出需水量变化除受气候变化影响外，种植结构的改变也是重要原因；陈伟等[8]分析了黄土高原东部主要作物需水量空间分布规律，研究发现，冬小麦缺水较严重，玉米、谷子、高粱缺水非常严重，并指出了解作物需水量空间分布对于确定作物灌溉用水量及合理布局种植结构具有重要意义，明确不同作物的需水规律对于该区域水资源合理利用具有重要指导意义。然而，对于阴山北麓地区的研究主要集中在作物需水方面的研究，而有关阴山北麓旱作区主要栽培作物需水量和需水规律的分析较少。因此，本研究对比分析阴山北麓旱作区主要作物的需水特征，并在此基础上考虑当地作物产量和种植面积进行适应性评价，筛选适宜当地气候条件的作物优先种植，以期为提高当地水资源利用效率、合理布局作物种植结构、促进农牧业可持续发展提供参考。

1 作物需水量的计算模式

作物需水量是指作物在取得高产潜力的条件下为满足植株蒸腾、棵间蒸发、组成植株体所需要的水量。作物需水量不仅受到气候条件的影响，还受作物生物学特性和土壤水分供应的影响。因此，同一地区不同作物的需水量不同，同一种作物在不同地区的需水量也不同。

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·℃-1）；ea为实际水汽压（kPa）；es为饱和水汽压（kPa）；γ为湿度计常数（kPa·℃-1）；μ2为高度2.0 m处风速（m·s-1）。

对大部分作物而言， Kc值在出苗时较低 ，当作物达到发育高峰时 ， Kc值增加到最大值 ，之后随着作物成熟 ， Kc值逐渐下降[10]。作物系数Kc会因作物种类、生长阶段、生长季节、风速和空气湿度不同而不同。

2 阴山北麓旱作区主要作物需水量及需水规律

2.1 春小麦需水量和需水规律

由表1可知，内蒙古武川春小麦全生育期需水量为378. 2 mm，春小麦在不同生育阶段需水量为28.2～166.5 mm，其中需水量在播种至拔节期为 166.5 mm，占全生育期需水量的 44.0%，是春小麦需水最大的时期；需水量在拔节至抽穗期为109.7 mm，占全生育期需水量的 29.0%；春小麦开始进入拔节期，需水量明显增加，这一阶段是春小麦生长需水的关键期，如果这一时期土壤干燥缺水，干旱会影响壮苗的培育，直接影响小麦的产量[11]。在拔节至灌浆期，小麦营养生长与生殖生长同步进行，茎、叶、穗生长迅速，叶片表面蒸腾作用强烈，水分不足会降低成穗率和穗粒数[12]。

2.2 玉米需水量和需水规律

玉米植株高大，生长期间需要产生大量的有机物质，因此整个生育期的需水量比较多。内蒙古四子王旗和达尔罕茂明安联合旗春玉米需水量为 417.9～433.3 mm，不同生育阶段春玉米需水量不同，对缺水的响应也不同。一般来说，苗期需水量较小，中后期需水量大[13]。玉米苗期需水量少，较耐旱，由于叶面积小，农田蒸散主要是棵间土壤蒸发。拔节期以后，玉米进入营养生长和生殖生长并行期，植株生长速度加快，干物质积累急剧增加，需水强度逐渐增大，到抽雄期达到峰值，此时对水分非常敏感，是玉米需水的关键时期[14]。拔节期至抽雄期的天数占整个生育期的比例为50% 以下，而需水量占总需水量的 55%以上。灌浆期是玉米茎叶光合产物和积累的营养物质向籽粒输送的时期，需要的水分也比较多。玉米蜡熟后，叶片蒸腾作用减弱，植株开始衰老，需水量显著降低[15]。

2.3 马铃薯需水量和需水规律

马铃薯全生育期需水量较高，约418 mm[10]。马铃薯不同生育期需水量明显不同。在芽条生长期，芽条只有依靠种薯块茎内的水分才能正常生长，待到根系发育并吸收土壤中水分才能正常出苗；苗期需水量约占整个生育期的10%～15%，块茎形成期需约占23%～28%，块茎膨大期约占45%～50%，是整个生育期中需水量最大的时期，而淀粉积累期需水量约占整个生育期的10%[16]（表2）。内蒙古武川县马铃薯在块茎形成期和块茎膨大期需水量较多，在生产上应保证这个时期的供水[17]。

2.4 莜麦需水和需水规律

内蒙古武川地区不同年份作物耗水量不同，莜麦耗水量显著高于小麦[18]。莜麦除偏丰水年外所有年份生长期耗水量均大于同期降雨量，表明莜麦生长期降水不能满足其耗水量需求，降水与需水不匹配，筱麦喜湿，每制造1 g干物质需水量约为583 g。筱麦籽粒蛋白质含量高，需要更多的土壤水分才能保证播后出苗。分蘖至抽穗期需水量约为整个生育期的60%，尤其是抽穗前12～15 d需水量最大。孕穗期是筱麦需水的关键时期，开花灌浆所需水分较前期减少，但仍需增加较多的水分以减少花梢，使籽粒饱满。由此可见，莜麦籽粒产量最敏感的需水时期是孕穗期，其次是开花至灌浆期，这些阶段缺水，籽粒产量会大幅度降低。莜麦处于成熟期时，籽粒自然脱水，需水量比较少，应注意排水防涝[19]。

2.5 向日葵需水和需水规律

向日葵是阴山北麓的主要油料作物，其生物产量、水分利用效率、热能产值和经济效益等方面优势明显，但是向日葵的需水量和土壤耗水量较大，干旱年份不宜种植[20]。向日葵不同生育阶段对水分的需求量不同，初期和后期较小，中期最大。而且，向日葵需水量与有效降水量的耦合度在丰水年最高，平水年次之，枯水年最低[21]。越是干旱的年份向日葵需水量越大。有研究表明，向日葵在现蕾至开花阶段需水量最高，为172.9 mm，占總需水量（451.3 mm ）的38.31%，其次是开花至灌浆期，为127.8 mm，占总需水量28.32%[21]。

2.6 饲草料作物需水量

牧草需水量随着牧草品种及生长阶段的不同而不同。一般来说，生育期前后需水量较少， 生育期中期需水量较多。牧草整个生育期一般有 2个需水关键期： ①需水临界期，缺水对牧草生长和产量影响最大的生长阶段；②需水最大效率期，牧草对水分利用效率最高的生长阶段。不同牧草的需水关键期是不同的。水利部牧区水科所曾对阴山北麓干旱荒漠草原地区（包头市达尔罕茂明安联合旗和乌兰察布市四子王旗）多年生紫花苜蓿不同生长阶段的需水量进行了研究。结果表明，豆科牧草需水临界期一般在分枝早期，需水最大效率期在孕蕾至初花期[13]，达茂旗和四子王旗多年生紫花苜蓿需水量为400.4～419.0 mm。

3 阴山北麓地区主要作物产量和种植面积

阴山北麓地区主要作物产量和种植面积数据来源于2018年内蒙古自治区农牧业经济基础资料数据[22]。由图1和图2可知，马铃薯种植面积最大，达183 717 hm2，产量最高，达691 770 t；饲料作物种植面积较小；高耗水作物向日葵种植面积偏大，水分生产效益较低；马铃薯耗水量较少，较适宜干旱冷凉气候，在阴山北麓旱作区产量最高，经济效益也高，具有绝对优势。

4 讨论与结论

近些年，阴山北麓地区作物需水方面的研究已取得了一些成果，而有关阴山北麓旱作区主要栽培作物需水量和需水规律间的对比分析较少。目前我国在作物需水量试验方法还不统一 ，因而所得试验资料的可比性和重复性较差，而且阴山北麓地区主要作物的需水量研究只有有限的试验资料。本研究对马铃薯、莜麦、玉米、春小麦、向日葵、饲草料作物需水量和需水规律的对比分析，结果表明，各作物在不同的生育阶段对水分的需求量不同，各作物需水量大小依次为：向日葵>玉米>多年生苜蓿>马铃薯>莜麦>春小麦。这与农业生产实践基本比较相符 ，具有一定的实用性。在农业生产实践中，当供水量不足时，应把有限的水尽量用于作物需水关键期，在需水较少的苗期和成熟期可减少灌溉用水量。在作物成熟期限制供水，不仅可使作物充分利用根区积蓄的有效水分 ，提高水分利用的有效性，而且可以加快作物生理成熟。

考虑到阴山北麓地区马铃薯种植面积最大，产量最高，而且经济效益较好，耗水量较少，应当优先考虑种植马铃薯，适度扩大生产，同时大幅度提高单位面积综合生产能力，从而提高收入。高耗水作物向日葵在阴山北麓地区种植面积偏大，水分生产效益较低。玉米和多年生苜蓿是阴山北麓旱作区重要的饲草料作物，由于该地区热量和水分不足，大面积推广种植受到制约。在热量条件较好的小气候条件下，采用膜下滴灌等先进技术可降低種植的气候灾害风险，因地制宜推广种植饲草料作物[23]。

参考文献：

[1] 夏虹， 范锦龙， 武建军. 阴山北麓农牧交错带植被变化对降水的响应[J]. 生态学杂志， 2007， 26（5）： 639-644.

[2] 那木汗， 阿如旱， 苏德苏日古格. 基于Logistic回归模型的阴山北麓农牧交错区耕地资源潜力研究[J]. 内蒙古农业大学学报（自然科学版）， 2022， 43（4）： 19-24.

[3] 潘志华， 安萍莉， 刘亚玲， 等. 北方农牧交错带生态系统自然环境变化研究——以武川县为例[J]. 中国农业资源与区划， 2003， 24（5）： 37-41.

[4] 高旺盛. 北方农牧交错带农业系统生产力研究方法分析[J]. 农业系统科学与综合研究， 2002， 18（4）： 279-282.

[5] 陈博， 欧阳竹， 程维新， 等. 近50a华北平原冬小麦-夏玉米耗水规律研究[J]. 自然资源学报， 2012， 27（7）： 1186-1199.

[6] 郭伟， 杨爱琴， 贺洁颖， 等. 山西省玉米小麦需水量的变化特征及对气候变暖的响应[J]. 中国农学通报， 2015， 31（30）： 273-278.

[7] 王志成， 李稚， 张辉， 等. 阿克苏河流域灌区土地利用变化对蒸散耗水的影响[J]. 灌溉排水学报， 2018， 37（6）： 79-85.

[8] 陈伟， 陈丽， 孙从建， 等. 黄土高原东部主要作物需水量空间分布规律[J]. 水土保持研究， 2020， 27（5）： 166-171， 176.

[9] 郑润桥， 费良军， 介飞龙， 等. 区域灌溉需水量时空变化特征及其影响因素研究——以鲁西北地区为例[J]. 灌溉排水学报， 2022， 41（4）： 84-92.

[10] 满苏尔·沙比提， 买买提·阿扎提. 渭干河——库车河三角洲绿洲主要作物不同生育期需水量估算[J]. 干旱区研究， 2009， 26（1）： 102-108.

[11] 刘桂芳. 黄河中下游过渡区近20年来县域土地利用变化研究——以河南省孟州市为例[D]. 开封： 河南大学， 2009.

[12] 钟兆站， 赵聚宝， 郁小川， 等. 中国北方主要旱地作物需水量的计算与分析[J]. 中国农业气象， 2000， 21（2）： 1-4， 52.

[13] 胡雨琴， 佘国英， 王桂林. 阴山北麓干旱荒漠草原人工饲草料作物节水灌溉制度[J]. 内蒙古水利， 2004（2）： 19-21.

[14] 高迎娟， 马吉晖， 江虹， 等. 通化市玉米需水量的计算及分析[J]. 吉林气象， 2003（3）： 31-33.

[15] 李春梅. 我国半干旱地区农业结构调整与水资源可持续利用研究[D]. 北京： 中国气象科学研究院， 2003.

[16] 赵鸿， 任丽雯， 赵福年， 等. 马铃薯对土壤水分胁迫响应的研究进展[J]. 干旱气象， 2018， 36（4）： 537-543.

[17] 康文钦， 杜磊， 于利峰， 等. 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[J]. 北方农业学报， 2020， 48（5）： 83-89.

[18] 赵凌玉， 潘志华， 安萍莉， 等. 北方农牧交错带作物耗水特征及其与气温和降水的关系——以内蒙古呼和浩特市武川县为例[J]. 资源科学， 2012， 34（3）： 401-408.

[19] 董关水， 朱家昌. 旱作莜麦的气象条件及适宜种植区域[J]. 气象， 1994， 20（11）： 47-50.

[20] 段玉， 妥德宝， 赵沛义， 等. 阴山北麓旱作区主要作物热能值及结构调整研究[J]. 干旱区资源与环境， 2013， 27（8）： 153-157.

[21] 段佩利， 秦丽杰. 不同降水年型下长岭县向日葵需水规律研究[J]. 中国农学通报， 2014， 30（6）： 135-139.

[22] 内蒙古自治区农牧业厅. 2018年内蒙古自治区农牧业经济基础资料[M]. 呼和浩特：内蒙古自治区农牧业厅， 2018.

[23] 秦尚云， 安文正. 马铃薯——阴山北麓丘陵区的优势作物[J]. 中国农业资源与区划， 2004， 25（6）： 33-36.

收稿日期：2023-04-24

基金项目：内蒙古自治区科技计划项目（2021GG0065、2022YFDZ0067、2022YFHH0022）;鄂尔多斯市科技计划项目（2021YY社156-56）;鄂尔多斯市科技合作重大专项（2021EEDSCXQDFZ004，2021ZD社17-18）;鄂尔多斯市揭榜挂帅（JBGS-2021-001）

作者简介：康文钦（1984—），女，内蒙古呼和浩特人，助理研究员，博士，主要从事植物营养学研究。

通讯作者简介：景宇鹏（1983—），男，内蒙古呼和浩特人，副研究员，博士，主要从事土壤改良与培肥研究。