基于SIMETAW模型的不同地區燕麥需水量研究

王沖，林倩，石曉宇，李碩，揭曉婧，褚慶全*

(中國農業大學農學院，農業農村部農作制度重點實驗室，北京 100193；2. 煙臺市農業技術推廣中心， 山東 煙臺 264001)

作物需水量能夠直觀反映作物需水情況[1]，是作物充分灌溉的理論基礎[2]，研究作物需水的時空變化特征能為優化作物布局提供依據，因此加強作物需水特征研究刻不容緩[3]。SIMETAW模型是由美國加州大學戴維斯分校研究開發的農業水資源管理與規劃模型，多數學者利用SIMETAW模型對作物需水量計算展開了大量研究：劉洋[4]計算了遼寧阜新地區不同年型下的玉米(ZeamaysL.)蒸散量、需水量、降水耦合度等指標，并分析了氣候變化對玉米水分需求的影響；基于1960—2006年氣象資料，史金麗[5]對河西走廊地區的春小麥、春玉米、馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)的蒸散量進行了模擬，認為不同分區下作物蒸散量的差異達到顯著水平；劉洋等[6]基于1951—2009年的標準氣象資料計算了遼寧阜新地區花生(Arachishypogaea)的蒸散量、有效降水量及灌溉需水量，表明有效降水量呈下降趨勢，而灌溉需水量呈升高趨勢。前人對水稻(Oryzasativa)、小麥(TriticumaestivumL.)、玉米等大宗作物需水量的研究較多，均認為作物生育期需水量發生了變化，且不同地區的變化存在空間差異[7-11]。

燕麥(AvenaL.)是世界八大谷類作物中營養價值較高的糧飼兼用作物，具有耐寒、耐旱、耐貧瘠等生長習性[12]，包括皮燕麥和裸燕麥兩大類。國外以種植皮燕麥為主，消費方式多為飼用，我國以種植裸燕麥為主，消費方式多為食用。我國90%的春燕麥種植于年降水量200～400 mm的干旱半干旱區，其水分需求與所處環境不相適應[13]。與玉米、高粱(SorghumbicolorL.)、小麥等作物相比，燕麥被認為是耗水量相對較大的禾谷類作物[14]。華北燕麥區、北方燕麥區、西南燕麥區是我國的三個優勢產區[15-17]，其中燕麥主要分布在我國華北地區，種植面積占我國燕麥總播種面積的80%以上[18]，對東北地區而言，在小麥種植面積逐年下降的前提下，燕麥對東北地區種植結構調整的作用不斷上升[19]。但近年來受氣候變化的影響，溫度升高和降水減少的疊加效應導致華北和東北地區的干旱程度不斷加深[20-21]，水分供應不足成為制約我國華北和東北地區燕麥生產和布局的重要因素，嚴重影響著當地燕麥的正常生長，探討燕麥生育期需水情況及空間分布顯得尤為重要。

為了解早播和晚播燕麥需水特征，解決農作物需水問題，本文基于華北和東北地區15個氣象臺站1960—2014年的標準氣象數據，采用SIMETAW模型測算出近55年來燕麥生育期需水量，解析了該區域燕麥生育期需水量和有效降水量的空間分布特點，并進一步比較了早播和晚播燕麥生育期的降水耦合度，以期為華北和東北燕麥種植區布局結構的調整和水資源的合理配置提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

華北地區選取內蒙古自治區、河北省、山西省，其中，內蒙古自治區選取烏蘭浩特、烏拉蓋、赤峰、多倫、阿巴嘎旗、察哈爾右翼前旗、呼和浩特7個站點，河北省選取豐寧、張家口2個站點，山西省選取右玉、大同2個站點。燕麥是內蒙古自治區農牧交錯帶的傳統優勢作物；河北省獨特的氣候條件和優良的土壤環境適合燕麥的生長；山西省的忻州盆地、大同盆地、呂梁及太行山區是該省燕麥的主要種植區[18]。東北地區包括黑龍江省、吉林省、遼寧省，其中，黑龍江省選取嫩江、哈爾濱2個站點，吉林省選取白城1個站點，遼寧省選取沈陽1個站點。燕麥主要種植在黑龍江省的西北部地區[22]，吉林省進行燕麥生產不但增加糧食產量，還一定程度地減少春季揚塵天氣[23]，遼寧省的中部及西部地區是燕麥的種植聚集區[24]。

1.2 數據來源

該研究所用的華北和東北地區具有代表性的15個標準氣象站點1960—2014年的逐日氣象數據來源于網站信息公開的國家氣象局。氣象要素主要包括降水量、日照時數、平均相對濕度、大氣壓強、平均風速、日最低氣溫、日平均氣溫、日最高氣溫等，各氣象臺站的地理特征數值主要包括經度、緯度、海拔高度等。作物參數來源于國家燕麥蕎麥產業技術體系的不同生態區的田間試驗數據，主要包括播種面積、密度、播種日期、收獲日期等。

1.3 計算方法

利用SIMETAW模型分別計算早播和晚播燕麥生育期需水量, SIMETAW模型的校正與正確使用方法見參考文獻[25-26]。

1.3.1參考作物蒸散量 采用FAO推薦的Penman-Monteith公式[27]計算。

(1)

式中，ET0為參考作物蒸散量(mm)，Δ為水汽壓對溫度的斜率(kPa·℃-1)，Rn為到達作物表面的凈輻射(MJ·m-2·d-1)，G為土壤熱通量密度(MJ·m-2·d-1)，γ為干濕球常數(kPa·℃-1)，T為作物冠層2 m高處的空氣濕度(℃)，u2為作物冠層2米高處的風速(m·s-1)，es為飽和水汽壓(kPa)，ea為實際水汽壓(kPa)。

1.3.2作物需水量 某時段作物供水充分情況下，作物系數與參考作物蒸散量的乘積稱為作物需水量，公式如下。

ETc=Kc×ET0

(2)

式中，ETc為逐日作物需水量(mm)，Kc為作物系數，ET0為參考作物蒸散量(mm)。

1.3.3有效降水量 作物旱作條件下，除去地表滲漏和徑流到作物根部以下以及淋洗鹽分深層滲漏部分的降雨量外，其余用來滿足作物蒸散所需的降雨量[28]稱為有效降水量，本文利用聯合國糧農組織推薦的比較作物需水量和降水量值大小的方法[27]確定有效降水量，公式如下。

(3)

式中，ETri為日有效降水量(mm)，ET為日降水量(mm)，ETr為作物全生育期有效降水量(mm)，n為生育期按旬分組的數量。

1.3.4缺水量 相同生長階段下，作物需水量與有效降水量之差即為缺水量。若結果為正值，表明有效降水量沒有達到作物需水要求，若結果為負值，表明有效降水量滿足作物需水要求，若結果為零值，表明水分供需平衡。

ETaw=ETc-ETr

(4)

式中，ETaw為缺水量(mm)。

1.3.5水分盈虧指數

不考慮灌溉條件下，水分盈虧指數(I)為作物生育期有效降水量與需水量的差值占作物需水量的比值[29]，高于0表示水分盈余，低于 0表示水分虧缺，等于 0表示水分供需平衡。

(5)

1.3.6降水耦合度 了解作物需水與自然降水的耦合度，能夠更好地利用自然降水滿足作物需水量，對高產高效節水種植制度有重要意義。降水耦合度指在一定時間、一定地區內，自然降水對某作物生育期需水的滿足程度，取值介于0～1之間，計算公式如下。

(6)

式中，λi代表第i階段(月)的作物需水與自然降水的耦合度，Pi代表第i階段(月)內自然降水量(mm)，ETci代表第i階段(月)內作物需水量(mm)。

全生育期作物需水與自然降水的耦合度(λ)等于各階段(各月)耦合度的以其需水模數(ETci/ETc)為權重的加權平均值。

(7)

2 結果與分析

2.1 燕麥生育期需水量和有效降水量分布特征

華北和東北地區的早(晚)播燕麥1960—2014年生育期需水量和有效降水量平均值如圖1所示，研究區域各站點早播燕麥生育期需水量在305.13～362.88 mm之間，平均值為334.73 mm，晚播燕麥在279.60～348.92 mm之間，平均值為319.13 mm。早播和晚播燕麥生育期需水量空間分布不同，絕大多數站點早播燕麥生育期需水量明顯高于晚播燕麥(阿巴嘎旗、呼和浩特和張家口除外)。早播燕麥生育期需水量的高值區(>340 mm)主要分布在白城、多倫、嫩江、察哈爾右翼前旗、赤峰，低值區(<320 mm)主要分布在豐寧、右玉、烏蘭浩特、張家口；而嫩江、察哈爾右翼前旗、阿巴嘎旗、大同、哈爾濱(>330 mm)為晚播燕麥生育期需水量的高值區，沈陽、右玉、豐寧、白城為晚播燕麥生育期需水量的低值區(<310 mm)。

早播和晚播燕麥生育期有效降水量波動范圍分別為84.24～224.43 mm和120.02～236.30 mm，平均值分別為132.70 mm和173.07 mm，且早(晚)播燕麥生育期有效降水量大于平均值的站點比重均為47%。早(晚)播燕麥生育期有效降水量空間分布特征相似，均呈現明顯的經向和緯向分布，表現為由北向南遞減，由東向西遞減，高值區主要位于嫩江、沈陽、哈爾濱、豐寧等地，低值區主要集中在察哈爾右翼前旗、張家口、阿巴嘎旗等地。上述研究結果表明，在不考慮灌溉條件的前提下，燕麥生育期有效降水量均不能滿足燕麥的需水要求，從降水量與需水量的空間分布來看，降水量低值區大多是燕麥需水量的高值區，因此，各地區應結合當地燕麥的需水和降水特征，積極采取相應措施以充分利用自然降水。

2.2 燕麥生育期水分盈虧指數比較分析

研究區域各站點均表現出不同程度的水分虧缺(表1)，早播燕麥生育期缺水量在130.67～258.48 mm之間，平均值為202.03 mm；水分盈虧指數波動范圍在-0.75～-0.37之間，平均值為 -0.60，察哈爾右翼前旗、阿巴嘎旗、張家口水分虧缺最為嚴重，水分盈虧指數分別為-0.75、-0.75、-0.72，而嫩江、沈陽、哈爾濱水分虧缺程度較小，其值分別為-0.37、-0.46、-0.49；晚播燕麥生育期缺水量在89.84～219.54 mm之間，平均值為144.49 mm，水分盈虧指數在-0.65～-0.30之間，平均值為-0.46，與早播燕麥相比，晚播燕麥水分虧缺程度較小，說明晚播燕麥能充分利用有效降水量，提高降水資源的利用率。在空間分布上，與早播燕麥分布類似，晚播燕麥水分虧缺最嚴重的地區在阿巴嘎旗、察哈爾右翼前旗、張家口，水分虧缺指數分別為-0.65、-0.60、-0.59，豐寧、嫩江、哈爾濱、沈陽水分虧缺程度較小，其值均不小于-0.35。通過水分盈虧指數的分析得出，各區域站點燕麥的水分盈虧指數均小于0，表現出燕麥生長期間所需的水分不足，遭遇不同程度的干旱脅迫，且不同地點的燕麥受到的水分虧缺大小不同。

表1 1960—2014年華北和東北地區燕麥生育期缺水量與水分盈虧指數Table 1 Water deficit and moisture loss index of oat during growing season in North and Northeast China from 1960 to 2014

2.3 燕麥生育期降水耦合度分析

分析早(晚)播燕麥全生育期平均降水耦合度發現，晚播燕麥的降水耦合度高于早播燕麥，早播燕麥介于0.26～0.68之間，晚播燕麥介于0.38～0.78之間(圖2)。從生長季內不同月份看，早播燕麥生育期在4—7月，各月份站點平均降水耦合度7月> 4月> 6月> 5月，表明在5—6月時自然降水對燕麥需水的滿足程度較小，在基本成熟期時(7月)自然降水對燕麥需水的滿足程度達到最大，晚播燕麥生育期基本在5—8月，雖然生長前期階段(5—6月)燕麥需水少，但降水耦合度低，自然降水不能滿足燕麥的需水，在生長后期階段(7—8月)降水耦合度升高，一定程度上可滿足燕麥對水分的需求。從區域上看，東北地區燕麥的降水耦合度高于華北地區。其中，早播燕麥降水耦合度，東北地區在0.41～0.68之間，華北在0.26～0.50之間，而晚播燕麥降水耦合度，東北地區在0.50～0.78之間，華北在0.38～0.72之間，說明東北地區的燕麥對自然降水利用率較高，再通過調整作物布局結構，可達到對水資源的優化利用。從各站點看，15個站點早播和晚播燕麥的降水耦合度相差不大，表現出東高西低、北高南低的空間特征，如高值區的哈爾濱、嫩江、沈陽的早(晚)播燕麥降水耦合度均達到了0.50以上，而低值區的張家口、察哈爾右翼前旗、阿巴嘎旗的降水耦合度在0.40左右。上述結果表明，由于降水時期與燕麥需水階段的不匹配造成了生長前期階段的降水耦合度較低，使部分降水不能充分利用，在生長后期階段自然降水量升高和需水量降低的雙重效應導致了燕麥降水耦合度升高。雖然燕麥整體降水耦合度不高，但晚播燕麥全生育期降水耦合度大于早播燕麥，能更大限度地利用降水資源，因此華北和東北地區可適當推遲燕麥播期，提高降水耦合度，充分利用自然降水。

圖2 1960—2014年華北和東北地區燕麥生育期多年逐月平均降水耦合度Fig.3 Average coupled rainfall degree of oat during growing season in North and Northeast China from 1960 to 2014

3 討論

燕麥主要分布在我國東北、華北、西北、西南等高寒冷涼、氣候干旱、土壤貧瘠的地區，其中農業氣候因子的異常變化加劇了華北和東北地區的生態脆弱性，過去60年間東北地區的平均氣溫以每10年增加0.33 ℃的速率不斷上升[30]，可利用降水量表現出下降的趨勢[31]，而華北地區是我國降水量減少最多的區域[32]。燕麥被認為是水分利用率較低的作物[33]，華北和東北地區一系列的干旱問題成為限制燕麥生長的重要因素，如何有效利用當地的自然降水來滿足燕麥的需水要求成為本研究的重點內容。本文對比了研究區域燕麥生育期需水量和有效降水量的空間分布，降水量低值區多數是需水量高值區，表明該區域水分虧缺比較嚴重，進一步利用缺水量和水分盈虧指數分析了研究區域有效降水量對燕麥生育期需水的盈虧狀況，各站點均受到干旱脅迫的影響，生育期降水量均不能滿足燕麥的用水需求，該指標可定量評估降水對作物需水的滿足程度[34]。燕麥大多種植在水資源不足或生態環境脆弱的條件下，在華北和東北地區積極發展燕麥產業的過程中，應充分考慮當地的光、溫、水等氣候資源，加強節水農作制的推廣，規劃燕麥布局以合理分配水資源。

燕麥的不同生長階段對水分需求不同，分蘗期至抽穗期耗水量最大，約占全生育階段需水量的70%，其次是灌漿期至成熟期，占總需水量的20%左右[35]。燕麥對干旱較為敏感，在需水量較大的生育階段必需具有足夠的水分，才得以避免干旱缺水對燕麥可能造成的脅迫，保證燕麥的正常發育。本文對燕麥的降水耦合度進行了探討，深入了解降水對燕麥不同時期需水的滿足情況，為研究區域燕麥合理利用水資源提供參考。華北和東北地區7、8月份自然降水較多，早播燕麥的生育期基本在4—7月，晚播燕麥在5—8月。對早播燕麥而言，生育期內5月份需水量較大，但降水遠遠不能滿足需水要求，導致降水耦合度較低，各站點平均降水耦合度約為0.28；7月份基本達到成熟期時，降水量增加，而生長需水減少，致使耦合度較高，基本在0.90以上。對晚播燕麥而言，6月份是生育期需水較大的時期，但降水耦合度較低，各站點平均降水耦合度約為0.45；8月份達到成熟期時，需水量較少，但降水量大，導致降水耦合度較高，接近于1.00。上述研究表明，當燕麥處于拔節期或孕穗期時，需水較多，自然降水卻少，降水耦合度低；當處于基本成熟期時，需水較少，自然降水卻多，造成水資源不能充分利用。為避免燕麥需水較多的生長階段與當地降水集中時間的不匹配，華北和東北地區可適當推遲燕麥播期，提高降水耦合度，充分利用自然降水。

燕麥的生長狀況和發育進程受播期的影響，適時播種可充分利用當地的自然降水和光熱資源，減輕低溫干旱對燕麥生長前期的危害[36]，燕麥的適宜播期應由需水較大的灌漿期與此時的氣候條件共同決定[37]，氣候溫暖的地區適宜早播，而氣候冷涼的地區適宜晚播，有助于提高燕麥的結實率。本文中研究區域的氣候條件以冷涼為主，近年來干旱程度不斷加劇，且晚播燕麥的降水耦合度高于早播燕麥，為了適應當地的氣候條件，應適當推遲燕麥播期，達到需水量與降水量時期的一致性，減輕干旱脅迫的影響，從而有效利用自然降水，提高降水耦合度。這一結論與李鳳霞等[38]的結論一致，其研究表明在沒有灌溉條件的地區燕麥不宜早播，若適時晚播可及時遇到較大的降水，對燕麥生長發育起到積極的作用。在氣候干旱的華北和東北地區，為了使燕麥生長過程中得到充足的水分，在土壤墑情允許的條件下，應適當推遲燕麥播期，更好地利用自然降水，為當地節水農業的推廣提供參考依據。