内蒙古东北部大豆主产区近30 年大豆需水量时空变化特征分析*

王雅莹，白音章，有 思，王海梅，王彦平**

（1.呼伦贝尔市气象局，内蒙古 呼伦贝尔 021008；2.内蒙古自治区气象局，呼和浩特 010051；3.陈巴尔虎旗气象局，内蒙古 呼伦贝尔 021500）

当前，极端天气事件频发，季节性干旱及降水分布不均已引起国内外广泛关注。干旱致使土壤水分缺失，农作物水分供应不足导致生长速率降低、发育受阻、减产严重，特别是北方地区旱灾面积占比较高。据统计，由干旱引发的灾害占全国自然灾害的比例高达50%以上，因干旱导致的粮食作物受灾面积占播种总面积的9%以上，干旱已成为影响农业生产及限制我国经济可持续发展的重要因素之一[1-3]。

内蒙古东北部是重要的春播大豆产区，也是我国优质大豆主产区。作为重要的油料和经济作物，大豆在国民经济中占有重要地位。大豆对水分亏缺十分敏感，干旱对其品质及产量均会造成严重影响[4-5]。李玖颖等[6]通过对黑龙江省近50 年大豆需水量和干旱时空分布特征进行研究发现，大豆各生育阶段需水量总体呈下降趋势，且易发生春旱和夏旱。宫丽娟等[7]利用水分盈亏量确定干旱等级，分析黑龙江省大豆各生育期干旱发生频率和干旱强度，并对黑龙江省大豆干旱风险进行了评估和分区。目前，学界对黑龙江省大豆需水量和干旱时空变化特征研究较多，但对内蒙古东北部大豆需水量及干旱等级的研究较少。因此，本文以内蒙古东北部大豆主产区为研究对象，以大豆各生长发育阶段有效降雨量和需水量为依据，分析内蒙古东北部大豆主产区需水量时空变化特征，旨在对合理利用水资源和农业资源保障大豆安全生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 调研区概况

本研究中的内蒙古东北部指呼伦贝尔岭东地区和兴安盟地区，其境内大兴安岭呈东北-西南横跨呼伦贝尔市，地势西高东低，是内蒙古高原与松辽平原的分水岭，也是我国重要的自然地理分界线。大兴安岭以西地区属温带大陆性气候，大兴安岭以东地区属温带季风气候。岭东地区地势平坦、土壤肥沃、积温高，是我国重要的粮食生产基地，也是内蒙古大豆种植主产区。

1.2 数据来源

本研究中选取1991—2020 年内蒙古东北部的呼伦贝尔东部及兴安盟大豆主产区共12 个具有代表性的气象站（见图1）的逐日气象数据，包括日平均气温、日降水量、日最高气温、日最低气温、日平均风速和日日照时数等。发育期观测数据包括播种日期、开花日期、成熟日期、各生育阶段天数及株高等。

图1 内蒙古东北部大豆主产区及气象站分布

1.3 研究方法

1.3.1 有效降雨量

对于旱田作物，有效降雨量指总降雨量能够保存在作物根系中，用于满足作物需要水分，不包括地表径流和渗漏至作物根区以下的部分[8]。有效降雨量大小与降雨强度、土壤持水能力、雨前土壤持水量及作物种类等有关[9]。某次降雨的有效降雨量Pej计算公式为：

Pej=αj·Pj

式中：Pj为j 次降雨的降雨总量，mm；αj为有效利用系数。一般情况下，αj的取值如下：当Pj≤5 mm 时，αj=1；5 mm＜Pj≤50 mm 时，αj=0.9；Pj＞50 mm 时，αj=0.75。

生育阶段i 内多次降雨的有效降雨量累积得到生育阶段有效降雨量Pei。

式中：Pei为生育阶段i 的有效降雨量，mm；j（j=1，2，…，n）表示某生育阶段的降雨次数；Pej,i为生育阶段i 的第j 次有效降雨量，mm。

1.3.2 作物需水量

本文采用单作物系数法[10]计算作物需水量，公式为：

ETC=KCETO

式中：ETC为实际作物需水量，mm；ETO为参考作物蒸散量，mm；KC为作物系数。

参考作物蒸散量ETO采用联合国粮农组织推荐的作物系数法[11]，利用作物KC进行修正，得到作物需水量。参考作物蒸散量ETO采用FAO 推荐的Penman-Monteith 公式[12]进行计算，计算公式如下：

式中：Rn为作物表面上的净辐射，MJ/m2·d；G 为土壤热通量，MJ/m2·d； t 为2 m 高处的日平均空气温度，℃；U2为2 m 高处的平均风速，m/s；es为饱和水气压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；es-ea为饱和水汽压差，kPa；△为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率，kPa/℃；γ 为温度计常数，kPa/℃。

运用FAO 推荐的Penman-Monteith ETO公式的单作物系数法[13-14]，从FAO-56 表中查到大豆在标准条件下的作物系数分为生长前期、中期和后期，分别用Kcini、Kcmid(Tab)和Kcend(Tab)表示，其中Kcini为0.4，Kcmid(Tab)为1.15，Kcend(Tab)为0.5。由于呼伦贝尔岭东地区春季大气蒸发量强度较弱，降雨量较少，对Kcini未进行修正，对Kcmid和Kcend的修正公式如下:

式中：（1）为Kcend(Tab)≥0.45；（2）为Kcend(Tab)＜0.45；h 为生育期内作物高度的平均值，m；RHmin为日最小相对湿度的平均值，%；Kcmid为修正后的大豆生长中期作物系数；Kcend为修正后的大豆生长后期作物系数。

1.4 数据分析

利用ArcMap 10.2 空间分析功能对有效降雨量和需水量进行空间插值和分析。

2 结果与分析

2.1 大豆全生育期和不同生育期有效降雨量时空分布特征

2.1.1 大豆全生育期有效降雨量时空分布特征

由表1 可知，1991—2020 年内蒙古东北部大豆全生育期内年均有效降雨量为376.06～451.90 mm，均值为409.53 mm。有效降雨量高值区主要集中在北部的鄂伦春自治旗、莫力达瓦达斡尔族自治旗、阿荣旗、扎兰屯和阿尔山一带，均大于410 mm；低值区主要集中在南部的科尔沁右翼中旗偏南一带，均小于380 mm；兴安盟中部一带与有效降雨量均值接近。大豆全生育期内有效降雨量气候倾向率为-7.08～-12.05 mm/（10 a），均值为-10.03 mm/（10 a）。结果表明，内蒙古东北部大豆全生育期内年均有效降雨量由南向北呈先减后增趋势，有效降雨量气候倾向率均呈下降趋势。

表1 1991—2020 年内蒙古东北部大豆全生育期和不同生育期有效降雨量时空分布特征

2.1.2 大豆不同生育期有效降雨量时空分布特征

由表1 可知，大豆生长前期年均有效降雨量为35.08～48.23 mm，均值为41.25 mm，由南向北呈逐渐升高趋势；快速发育期年均有效降雨量为44.74～68.33 mm，均值为53.39 mm，表现为中、北部高，其余地区低的趋势；生长中期年均有效降雨量为236.81～289.26 mm，均值为267.38 mm，由南向北呈逐渐升高趋势；生长后期年均有效降雨量为36.28～54.27 mm，均值为47.51 mm，由南向北呈逐渐升高趋势。结果表明，大豆生长前期、中期和后期有效降雨量空间分布由南向北均呈逐渐升高趋势，生长中期有效降雨量占比最大，占平均有效降雨总量的65%。

大豆生长前期和快速发育期，内蒙古东北部大部分地区的有效降雨量气候倾向率呈上升趋势。生长前期莫力达瓦达斡尔族自治旗、鄂伦春自治旗、胡尔勒、索伦、突泉和高力板的有效降雨量气候倾向率分别为-0.60 、0.85、0.84、0.07、0.64和0.75 mm/（10 a），变化不明显。大豆生长中期有效降雨量气候倾向率南北差异显著，其中扎赉特旗下降速率最快，为-6.93 mm/（10 a）；其次为突泉，下降速率为-6.23 mm/（10 a）。大豆生长后期有效降雨量气候倾向率仍表现为南北差异显著，其中阿尔山下降速率最快，为-10.88 mm/（10 a）；其次为科尔沁右翼中旗，为-9.25 mm/（10 a）。

2.2 大豆全生育期和不同生育期ETC时空分布特征

2.2.1 大豆全生育期ETC时空分布特征

由图2（a）可知，1991—2020 年内蒙古东北部大豆全生育期ETC为381.26～563.34 mm，平均ETC为477.07 mm。需水量区域特征明显，表现为由南向北逐步递减，由西向东逐步增加的趋势。高值区集中于兴安盟南部的突泉县和科尔沁右翼中旗一带，平均大豆ETC为552.96 mm，低值区集中于鄂伦春自治旗和阿尔山市一带，平均大豆ETC为395.40 mm。

图2 1991—2020 年内蒙古东北部大豆全生育期ETC 和气候倾向率空间分布

1991—2020 年，内蒙古东北部大豆全生育期需水量气候倾向率为-6.62～14.02 mm/（10 a），平均气候倾向率为5.70 mm/（10 a），呈上升趋势。其中呼伦贝尔南部的扎兰屯市需水量气候倾向率下降趋势不明显，兴安盟的高力板、扎赉特旗和乌兰浩特需水量气候倾向率均呈下降趋势（见图2（b））。

2.2.2 大豆不同生育期ETC时空分布特征

大豆生长前期ETC为45.79～72.06 mm，平均ETC为60.36 mm，自南向北呈递减趋势（见图3（a））；大豆快速发育期ETC为48.71～67.88 mm，平均ETC为59.17 mm，自南向北呈递减趋势（见图3（b））；大豆生长中期ETC为244.88～349.24 mm，平均ETC为299.96 mm（见图3（c））；大豆生长后期ETC为41.98～74.62 mm，平均ETC为59.22 mm（见图3（d））。

图3 1991—2020 年内蒙古东北部大豆各生育期ETC 和气候倾向率时空分布

结果表明，大豆不同生育时期需水量高值区主要集中于兴安盟东南部的科尔沁右翼中旗、突泉、科尔沁右翼前旗和乌兰浩特一带。

3 结论

（1）本研究分析了1991—2020 年内蒙古东北部30 年间大豆全生育期及不同生育阶段的有效降雨量及需水量时空变化特征。结果表明，1991—2020 年，内蒙古东北部大豆生育期内年均有效降雨量为376.06～451.90 mm，均值为409.53 mm，由南向北呈先减后增趋势。生长前期、中期和后期有效降雨量空间分布由南向北均呈逐渐升高趋势，生长中期有效降雨量占比最大，占平均有效降雨总量的65%。

（2）内蒙古东北部大豆全生育期内有效降雨量气候倾向率为-7.08～-12.05 mm/（10 a），均值为-10.03 mm/（10 a），均呈下降趋势。

（3）1991—2020 年，内蒙古东北部大豆全生育期ETC为381.26～563.34 mm，平均ETC为477.07 mm。需水量区域特征明显，表现为由南向北逐步递减，由西向东逐步增加的趋势。高值区集中于兴安盟南部的突泉县和科尔沁右翼中旗一带，平均大豆ETC为552.96 mm，低值区集中于鄂伦春自治旗和阿尔山市一带，平均大豆ETC为395.40 mm。

（4）1991—2020 年，内蒙古东北部大豆全生育期需水量气候倾向率为-6.62～14.02 mm/（10 a），均值为5.70 mm/（10 a），呈上升趋势。其中呼伦贝尔南部的扎兰屯市需水量气候倾向率下降趋势不明显，兴安盟的高力板、扎赉特旗和乌兰浩特均呈下降趋势。

（5）总体上，内蒙古东北部大豆主产区降雨量少、需水量大，易发生干旱等气象灾害，生产上应适当增加灌溉，保证大豆稳产高产。