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，由干旱引發(fā)的災(zāi)害占全國自然災(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，大豆在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。大豆對水分虧缺十分敏感，干旱對其品質(zhì)及產(chǎn)量均會造成嚴(yán)重影響[4-5]。李玖穎等[6]通過對黑龍江省近50 年大豆需水量和干旱時空分布特征進(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，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，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，并對黑龍江省大豆干旱風(fēng)險進(jìn)行了評估和分區(qū)。目前，學(xué)界對黑龍江省大豆需水量和干旱時空變化特征研究較多，但對內(nèi)蒙古東北部大豆需水量及干旱等級的研究較少。因此，本文以內(nèi)蒙古東北部大豆主產(chǎn)區(qū)為研究對象，以大豆各生長發(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)需水量時空變化特征，旨在對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，地勢西高東低，是內(nèi)蒙古高原與松遼平原的分水嶺，也是我國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)地勢平坦、土壤肥沃、積溫高，是我國重要的糧食生產(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)速和日日照時數(shù)等。發(fā)育期觀測數(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，αj=1；5 mm＜Pj≤50 mm 時，αj=0.9；Pj＞50 mm 時，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]計算作物需水量，公式為：

ETC=KCETO

式中：ETC為實際作物需水量，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)行計算，計算公式如下：

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 為溫度計常數(shù)，kPa/℃。

運用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Kcini未進(jìn)行修正，對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為日最小相對濕度的平均值，%；Kcmid為修正后的大豆生長中期作物系數(shù)；Kcend為修正后的大豆生長后期作物系數(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空分布特征

2.1.1 大豆全生育期有效降雨量時空分布特征

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，有效降雨量氣候傾向率均呈下降趨勢。

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空分布特征

2.1.2 大豆不同生育期有效降雨量時空分布特征

由表1 可知，大豆生長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；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；生長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；生長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。結(jié)果表明，大豆生長前期、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，生長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。生長前期莫力達(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時空分布特征

2.2.1 大豆全生育期ETC時空分布特征

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。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。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（見圖2（b））。

2.2.2 大豆不同生育期ETC時空分布特征

大豆生長前期ETC為45.79～72.06 mm，平均ETC為60.36 mm，自南向北呈遞減趨勢（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（見圖3（b））；大豆生長中期ETC為244.88～349.24 mm，平均ETC為299.96 mm（見圖3（c））；大豆生長后期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 和氣候傾向率時空分布

結(jié)果表明，大豆不同生育時期需水量高值區(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。生長前期、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，生長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。

（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。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。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。

（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)。