陰山北麓旱作區(qū)主要作物需水量及需水規(guī)律分析

康文欽　石曉華　段海文　李蕾　張?zhí)m英　景宇鵬

摘? ? 要：為分析陰山北麓旱作區(qū)主要作物需水量和離水規(guī)律，根據(jù)陰山北麓地區(qū)作物和氣候資料，計算該地區(qū)主要作物的需水量，并對不同作物水分利用情況進行評價。結(jié)果表明：陰山北麓旱作區(qū)主要栽培作物在不同生育階段對水分的需求量不同，各作物需水量大小依次為：向日葵>玉米>多年生苜蓿>馬鈴薯>莜麥>春小麥，并分析作物需水與作物生長的關系。考慮到作物在該地區(qū)產(chǎn)量和種植面積的優(yōu)勢，應優(yōu)先考慮馬鈴薯的種植。玉米和多年生苜蓿是陰山北麓旱作區(qū)重要的飼草料作物，由于該地區(qū)熱量和水分不足，推廣大面積種植受到制約。綜上所述，基于水資源高效利用的優(yōu)化作物布局，能夠促進該地區(qū)水資源合理利用和農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

關鍵詞：陰山北麓旱作區(qū)；作物需水量；作物需水規(guī)律

中圖分類號： S532;S512.1+2;S274? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? DOI 編碼：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

陰山北麓旱作區(qū)（40°42'N～43°54'N，107°30'E～113°42'E）屬于典型的農(nóng)牧交錯地帶，其貫穿內(nèi)蒙古中部，是陰山山地向蒙古高原的過渡地帶，行政單元包括武川、固陽、達茂旗、鑲黃旗、太仆寺旗、多倫縣、商都縣、察右后旗、察右中旗、化德縣、五原、烏拉特中旗、臨河、烏拉特后旗等旗縣。該地處于中溫帶干旱和半干旱大陸性季風氣候區(qū)，大陸性季風氣候特點顯著，春多風干燥，夏多雨炎熱，秋天高氣爽，冬干燥寒冷，四季分明，年均氣溫1.3～3.9 ℃，多年平均降水量僅為 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%，年蒸發(fā)量達2 400～2 800 mm，無霜期90～120 d[1-2]。該地區(qū)水資源嚴重缺乏、熱量資源也不足，原生植被主要是典型草原和荒漠草原，一般只能種植生長季較短且耐寒耐旱的作物，如馬鈴薯、莜麥、春小麥、向日葵、玉米、飼草料作物等。總體來說，陰山北麓地區(qū)氣候干旱、寒冷多風、土壤貧瘠、經(jīng)營粗放、種植結(jié)構(gòu)單一、生產(chǎn)能力低而不穩(wěn)[3-4]。

有關學者對于作物耗水量分析已開展部分研究，如陳博等[5]研究華北平原近50年冬小麥—夏玉米需水量，結(jié)果表明，作物隨生育時期推移，需水量呈下降趨勢；郭偉等[6]分析了氣候變暖條件下山西省玉米和小麥等作物的需水量變化，指出需水量變化在一定程度上可以預測作物產(chǎn)量的變化；王志成等[7]研究了阿克蘇河灌區(qū)作物需水量對氣候變化的敏感性，結(jié)果表明，其灌區(qū)多年平均作物需水量呈明顯上升趨勢，同時還指出需水量變化除受氣候變化影響外，種植結(jié)構(gòu)的改變也是重要原因；陳偉等[8]分析了黃土高原東部主要作物需水量空間分布規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，冬小麥缺水較嚴重，玉米、谷子、高粱缺水非常嚴重，并指出了解作物需水量空間分布對于確定作物灌溉用水量及合理布局種植結(jié)構(gòu)具有重要意義，明確不同作物的需水規(guī)律對于該區(qū)域水資源合理利用具有重要指導意義。然而，對于陰山北麓地區(qū)的研究主要集中在作物需水方面的研究，而有關陰山北麓旱作區(qū)主要栽培作物需水量和需水規(guī)律的分析較少。因此，本研究對比分析陰山北麓旱作區(qū)主要作物的需水特征，并在此基礎上考慮當?shù)刈魑锂a(chǎn)量和種植面積進行適應性評價，篩選適宜當?shù)貧夂驐l件的作物優(yōu)先種植，以期為提高當?shù)厮Y源利用效率、合理布局作物種植結(jié)構(gòu)、促進農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 作物需水量的計算模式

作物需水量是指作物在取得高產(chǎn)潛力的條件下為滿足植株蒸騰、棵間蒸發(fā)、組成植株體所需要的水量。作物需水量不僅受到氣候條件的影響，還受作物生物學特性和土壤水分供應的影響。因此，同一地區(qū)不同作物的需水量不同，同一種作物在不同地區(qū)的需水量也不同。

式中，Rn為冠層表面凈輻射[MJ/（m2·d）]；G為土壤熱通量[MJ/（m2·d]）]，G=0；T為平均氣溫（℃）；Δ為飽和水汽壓溫度曲線的斜率（kPa·℃-1）；ea為實際水汽壓（kPa）；es為飽和水汽壓（kPa）；γ為濕度計常數(shù)（kPa·℃-1）；μ2為高度2.0 m處風速（m·s-1）。

對大部分作物而言， Kc值在出苗時較低 ，當作物達到發(fā)育高峰時 ， Kc值增加到最大值 ，之后隨著作物成熟 ， Kc值逐漸下降[10]。作物系數(shù)Kc會因作物種類、生長階段、生長季節(jié)、風速和空氣濕度不同而不同。

2 陰山北麓旱作區(qū)主要作物需水量及需水規(guī)律

2.1 春小麥需水量和需水規(guī)律

由表1可知，內(nèi)蒙古武川春小麥全生育期需水量為378. 2 mm，春小麥在不同生育階段需水量為28.2～166.5 mm，其中需水量在播種至拔節(jié)期為 166.5 mm，占全生育期需水量的 44.0%，是春小麥需水最大的時期；需水量在拔節(jié)至抽穗期為109.7 mm，占全生育期需水量的 29.0%；春小麥開始進入拔節(jié)期，需水量明顯增加，這一階段是春小麥生長需水的關鍵期，如果這一時期土壤干燥缺水，干旱會影響壯苗的培育，直接影響小麥的產(chǎn)量[11]。在拔節(jié)至灌漿期，小麥營養(yǎng)生長與生殖生長同步進行，莖、葉、穗生長迅速，葉片表面蒸騰作用強烈，水分不足會降低成穗率和穗粒數(shù)[12]。

2.2 玉米需水量和需水規(guī)律

玉米植株高大，生長期間需要產(chǎn)生大量的有機物質(zhì)，因此整個生育期的需水量比較多。內(nèi)蒙古四子王旗和達爾罕茂明安聯(lián)合旗春玉米需水量為 417.9～433.3 mm，不同生育階段春玉米需水量不同，對缺水的響應也不同。一般來說，苗期需水量較小，中后期需水量大[13]。玉米苗期需水量少，較耐旱，由于葉面積小，農(nóng)田蒸散主要是棵間土壤蒸發(fā)。拔節(jié)期以后，玉米進入營養(yǎng)生長和生殖生長并行期，植株生長速度加快，干物質(zhì)積累急劇增加，需水強度逐漸增大，到抽雄期達到峰值，此時對水分非常敏感，是玉米需水的關鍵時期[14]。拔節(jié)期至抽雄期的天數(shù)占整個生育期的比例為50% 以下，而需水量占總需水量的 55%以上。灌漿期是玉米莖葉光合產(chǎn)物和積累的營養(yǎng)物質(zhì)向籽粒輸送的時期，需要的水分也比較多。玉米蠟熟后，葉片蒸騰作用減弱，植株開始衰老，需水量顯著降低[15]。

2.3 馬鈴薯需水量和需水規(guī)律

馬鈴薯全生育期需水量較高，約418 mm[10]。馬鈴薯不同生育期需水量明顯不同。在芽條生長期，芽條只有依靠種薯塊莖內(nèi)的水分才能正常生長，待到根系發(fā)育并吸收土壤中水分才能正常出苗；苗期需水量約占整個生育期的10%～15%，塊莖形成期需約占23%～28%，塊莖膨大期約占45%～50%，是整個生育期中需水量最大的時期，而淀粉積累期需水量約占整個生育期的10%[16]（表2）。內(nèi)蒙古武川縣馬鈴薯在塊莖形成期和塊莖膨大期需水量較多，在生產(chǎn)上應保證這個時期的供水[17]。

2.4 莜麥需水和需水規(guī)律

內(nèi)蒙古武川地區(qū)不同年份作物耗水量不同，莜麥耗水量顯著高于小麥[18]。莜麥除偏豐水年外所有年份生長期耗水量均大于同期降雨量，表明莜麥生長期降水不能滿足其耗水量需求，降水與需水不匹配，筱麥喜濕，每制造1 g干物質(zhì)需水量約為583 g。筱麥籽粒蛋白質(zhì)含量高，需要更多的土壤水分才能保證播后出苗。分蘗至抽穗期需水量約為整個生育期的60%，尤其是抽穗前12～15 d需水量最大。孕穗期是筱麥需水的關鍵時期，開花灌漿所需水分較前期減少，但仍需增加較多的水分以減少花梢，使籽粒飽滿。由此可見，莜麥籽粒產(chǎn)量最敏感的需水時期是孕穗期，其次是開花至灌漿期，這些階段缺水，籽粒產(chǎn)量會大幅度降低。莜麥處于成熟期時，籽粒自然脫水，需水量比較少，應注意排水防澇[19]。

2.5 向日葵需水和需水規(guī)律

向日葵是陰山北麓的主要油料作物，其生物產(chǎn)量、水分利用效率、熱能產(chǎn)值和經(jīng)濟效益等方面優(yōu)勢明顯，但是向日葵的需水量和土壤耗水量較大，干旱年份不宜種植[20]。向日葵不同生育階段對水分的需求量不同，初期和后期較小，中期最大。而且，向日葵需水量與有效降水量的耦合度在豐水年最高，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，向日葵在現(xiàn)蕾至開花階段需水量最高，為172.9 mm，占總需水量（451.3 mm ）的38.31%，其次是開花至灌漿期，為127.8 mm，占總需水量28.32%[21]。

2.6 飼草料作物需水量

牧草需水量隨著牧草品種及生長階段的不同而不同。一般來說，生育期前后需水量較少， 生育期中期需水量較多。牧草整個生育期一般有 2個需水關鍵期： ①需水臨界期，缺水對牧草生長和產(chǎn)量影響最大的生長階段；②需水最大效率期，牧草對水分利用效率最高的生長階段。不同牧草的需水關鍵期是不同的。水利部牧區(qū)水科所曾對陰山北麓干旱荒漠草原地區(qū)（包頭市達爾罕茂明安聯(lián)合旗和烏蘭察布市四子王旗）多年生紫花苜蓿不同生長階段的需水量進行了研究。結(jié)果表明，豆科牧草需水臨界期一般在分枝早期，需水最大效率期在孕蕾至初花期[13]，達茂旗和四子王旗多年生紫花苜蓿需水量為400.4～419.0 mm。

3 陰山北麓地區(qū)主要作物產(chǎn)量和種植面積

陰山北麓地區(qū)主要作物產(chǎn)量和種植面積數(shù)據(jù)來源于2018年內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)經(jīng)濟基礎資料數(shù)據(jù)[22]。由圖1和圖2可知，馬鈴薯種植面積最大，達183 717 hm2，產(chǎn)量最高，達691 770 t；飼料作物種植面積較小；高耗水作物向日葵種植面積偏大，水分生產(chǎn)效益較低；馬鈴薯耗水量較少，較適宜干旱冷涼氣候，在陰山北麓旱作區(qū)產(chǎn)量最高，經(jīng)濟效益也高，具有絕對優(yōu)勢。

4 討論與結(jié)論

近些年，陰山北麓地區(qū)作物需水方面的研究已取得了一些成果，而有關陰山北麓旱作區(qū)主要栽培作物需水量和需水規(guī)律間的對比分析較少。目前我國在作物需水量試驗方法還不統(tǒng)一 ，因而所得試驗資料的可比性和重復性較差，而且陰山北麓地區(qū)主要作物的需水量研究只有有限的試驗資料。本研究對馬鈴薯、莜麥、玉米、春小麥、向日葵、飼草料作物需水量和需水規(guī)律的對比分析，結(jié)果表明，各作物在不同的生育階段對水分的需求量不同，各作物需水量大小依次為：向日葵>玉米>多年生苜蓿>馬鈴薯>莜麥>春小麥。這與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐基本比較相符 ，具有一定的實用性。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中，當供水量不足時，應把有限的水盡量用于作物需水關鍵期，在需水較少的苗期和成熟期可減少灌溉用水量。在作物成熟期限制供水，不僅可使作物充分利用根區(qū)積蓄的有效水分 ，提高水分利用的有效性，而且可以加快作物生理成熟。

考慮到陰山北麓地區(qū)馬鈴薯種植面積最大，產(chǎn)量最高，而且經(jīng)濟效益較好，耗水量較少，應當優(yōu)先考慮種植馬鈴薯，適度擴大生產(chǎn)，同時大幅度提高單位面積綜合生產(chǎn)能力，從而提高收入。高耗水作物向日葵在陰山北麓地區(qū)種植面積偏大，水分生產(chǎn)效益較低。玉米和多年生苜蓿是陰山北麓旱作區(qū)重要的飼草料作物，由于該地區(qū)熱量和水分不足，大面積推廣種植受到制約。在熱量條件較好的小氣候條件下，采用膜下滴灌等先進技術(shù)可降低種植的氣候災害風險，因地制宜推廣種植飼草料作物[23]。

參考文獻：

[1] 夏虹， 范錦龍， 武建軍. 陰山北麓農(nóng)牧交錯帶植被變化對降水的響應[J]. 生態(tài)學雜志， 2007， 26（5）： 639-644.

[2] 那木汗， 阿如旱， 蘇德蘇日古格. 基于Logistic回歸模型的陰山北麓農(nóng)牧交錯區(qū)耕地資源潛力研究[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報（自然科學版）， 2022， 43（4）： 19-24.

[3] 潘志華， 安萍莉， 劉亞玲， 等. 北方農(nóng)牧交錯帶生態(tài)系統(tǒng)自然環(huán)境變化研究——以武川縣為例[J]. 中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃， 2003， 24（5）： 37-41.

[4] 高旺盛. 北方農(nóng)牧交錯帶農(nóng)業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)力研究方法分析[J]. 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學與綜合研究， 2002， 18（4）： 279-282.

[5] 陳博， 歐陽竹， 程維新， 等. 近50a華北平原冬小麥-夏玉米耗水規(guī)律研究[J]. 自然資源學報， 2012， 27（7）： 1186-1199.

[6] 郭偉， 楊愛琴， 賀潔穎， 等. 山西省玉米小麥需水量的變化特征及對氣候變暖的響應[J]. 中國農(nóng)學通報， 2015， 31（30）： 273-278.

[7] 王志成， 李稚， 張輝， 等. 阿克蘇河流域灌區(qū)土地利用變化對蒸散耗水的影響[J]. 灌溉排水學報， 2018， 37（6）： 79-85.

[8] 陳偉， 陳麗， 孫從建， 等. 黃土高原東部主要作物需水量空間分布規(guī)律[J]. 水土保持研究， 2020， 27（5）： 166-171， 176.

[9] 鄭潤橋， 費良軍， 介飛龍， 等. 區(qū)域灌溉需水量時空變化特征及其影響因素研究——以魯西北地區(qū)為例[J]. 灌溉排水學報， 2022， 41（4）： 84-92.

[10] 滿蘇爾·沙比提， 買買提·阿扎提. 渭干河——庫車河三角洲綠洲主要作物不同生育期需水量估算[J]. 干旱區(qū)研究， 2009， 26（1）： 102-108.

[11] 劉桂芳. 黃河中下游過渡區(qū)近20年來縣域土地利用變化研究——以河南省孟州市為例[D]. 開封： 河南大學， 2009.

[12] 鐘兆站， 趙聚寶， 郁小川， 等. 中國北方主要旱地作物需水量的計算與分析[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象， 2000， 21（2）： 1-4， 52.

[13] 胡雨琴， 佘國英， 王桂林. 陰山北麓干旱荒漠草原人工飼草料作物節(jié)水灌溉制度[J]. 內(nèi)蒙古水利， 2004（2）： 19-21.

[14] 高迎娟， 馬吉暉， 江虹， 等. 通化市玉米需水量的計算及分析[J]. 吉林氣象， 2003（3）： 31-33.

[15] 李春梅. 我國半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與水資源可持續(xù)利用研究[D]. 北京： 中國氣象科學研究院， 2003.

[16] 趙鴻， 任麗雯， 趙福年， 等. 馬鈴薯對土壤水分脅迫響應的研究進展[J]. 干旱氣象， 2018， 36（4）： 537-543.

[17] 康文欽， 杜磊， 于利峰， 等. 陰山北麓地區(qū)降水特性和作物需水耦合關系分析——以武川縣為例[J]. 北方農(nóng)業(yè)學報， 2020， 48（5）： 83-89.

[18] 趙凌玉， 潘志華， 安萍莉， 等. 北方農(nóng)牧交錯帶作物耗水特征及其與氣溫和降水的關系——以內(nèi)蒙古呼和浩特市武川縣為例[J]. 資源科學， 2012， 34（3）： 401-408.

[19] 董關水， 朱家昌. 旱作莜麥的氣象條件及適宜種植區(qū)域[J]. 氣象， 1994， 20（11）： 47-50.

[20] 段玉， 妥德寶， 趙沛義， 等. 陰山北麓旱作區(qū)主要作物熱能值及結(jié)構(gòu)調(diào)整研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境， 2013， 27（8）： 153-157.

[21] 段佩利， 秦麗杰. 不同降水年型下長嶺縣向日葵需水規(guī)律研究[J]. 中國農(nóng)學通報， 2014， 30（6）： 135-139.

[22] 內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)廳. 2018年內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)經(jīng)濟基礎資料[M]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)廳， 2018.

[23] 秦尚云， 安文正. 馬鈴薯——陰山北麓丘陵區(qū)的優(yōu)勢作物[J]. 中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃， 2004， 25（6）： 33-36.

收稿日期：2023-04-24

基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計劃項目（2021GG0065、2022YFDZ0067、2022YFHH0022）;鄂爾多斯市科技計劃項目（2021YY社156-56）;鄂爾多斯市科技合作重大專項（2021EEDSCXQDFZ004，2021ZD社17-18）;鄂爾多斯市揭榜掛帥（JBGS-2021-001）

作者簡介：康文欽（1984—），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，助理研究員，博士，主要從事植物營養(yǎng)學研究。

通訊作者簡介：景宇鵬（1983—），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，副研究員，博士，主要從事土壤改良與培肥研究。