内蒙古不同地区作物生长季内水资源空间分布和旱情

　　干旱问题是全球共同面临的气候难题，全球每年因干旱造成的经济损失达 60 ～80 亿美元，超过气象灾害损失的 50%，严重制约着工农牧业的发展。我国干旱面积约占国土面积的 47%，1949 －1999年期间，平均每年受旱面积约 2159． 3 万 hm2，约占各种气象灾害面积的 60%，每年因旱灾损失粮食 100 亿kg。研究表明，气候变化将会影响全球的降水量、蒸发量，进而影响水资源时空分布和引起水资源数量的改变，我国北方干旱有进一步加重的趋势。内蒙古地区分布着8800 万 hm2可利用天然草场和667 万 hm2农田耕地，是我国重要的天然生态屏障，但受地理位置和气候条件的影响，内蒙古地区降水量不足，生态环境脆弱，干旱成为限制该区农牧业发展最重要的因子。

　　近年来，许多学者对我国干旱问题进行了相关的研究，白美兰等基于综合气象干旱指数( CI 指数) 计算方法，分析了内蒙古中东部地区春季和夏季干旱的时空分布特征; 程国栋等分析了近 50a 西北地区的气候和干旱的变化及其对农业经济的影响。而对于内蒙古地区降水和旱情空间分布的研究较少，而有关作物生长季阶段的旱情程度分析更加鲜见。文中拟采用历年自治区气象数据，研究分析内蒙古不同地区作物生长季内水资源空间分布和旱情状况，为合理布局农牧业、充分利用水资源和实现稳产提供参考依据。

　　1 材料和方法

　　1． 1 研究区概况和数据选取

　　内蒙古自治区处于我国北方内陆，经纬度 97． 2 ～126． 1°E，37． 4° ～53． 4°N，占全国总面积的 12． 1%。

　　全区大部地区海拔在 1000m 以上，属于温带大陆性气候。大兴安岭贯穿于内蒙古东部，是典型的林牧交错区，大兴安岭附近为森林覆盖区，大兴安岭以西主要分布着湿地草甸草原和温性草甸草原; 阴山山脉呈东西向横亘于内蒙古南部，阴山北麓为典型的农牧交错带区域;内蒙古西部分布着沙漠和荒漠，农业类型主要为依托灌溉的设施农业，如河套平原地区。

　　文中基础数据采用内蒙古 46 个气象站点 1961 －2010a 气象资料，站点分布在呼伦贝尔市、乌兰察布市、呼和浩特市、赤峰市、包头市、鄂尔多斯市、兴安盟、锡林格勒盟、通辽市、巴彦淖尔市和阿拉善盟等地区( 图1) 。

　　1． 2 研究方法

　　1． 2． 1 降水变率

　　降水量的相对变化率( 降水变率) 可以用来分析降水量的年际变化规律，公式为:【1】

　　
　　式中，n 为样本数; Xi为年降水量; x珋 为多年平均年降水量。

　　1． 2． 2 气候倾向率计算

　　用 Xi表示样本量为 n 的某一气候要素，用 t 表示 Xi所对应的时间，则 Xi与 t 之间的一元线性回归方程可以表示气候要素的趋势变化:Xi= at + b t = 1，2，3，……n式中: a 为回归系数，文中采用最小二乘法估算。以 a 的 10 倍作为气候要素气候倾向率。

　　1． 2． 3 干旱指标计算

　　作物生长季内降水量( R) 少于农作物需水量( E) 称之为干旱，文中干旱指标( K) 采用缺水量( E － R)与需水量( E) 百分比，即: K = ( E － R) /E就月尺度而言，旱情除了受当前月降水量和作物需水量的影响外，还受上一月水分盈余状况的影响，因此计算时用修订的降水量 R0:R0= Ri+ R'i － 1式中: Ri为第 i 月降水量，R'i － 1为第 i －1 月水分盈余量，且：【2】

　　
　　内蒙古地区 5 月份以前温度较低，降水多以积雪的形式存在，温度升高后，积雪融化，对土壤底墒有很好的补充作用，利于播种和牧草返青，故 5 月份获得的水分盈余量计算时为 1 －4 月份降水量与蒸发量之差。

　　而农业需水量( E) 主要受温度因子制约，故文中采用作物需水量受温度影响为主的计算方法，即:E = 0． 16∑t式中: ∑t 为生长季内日平均温度≥0℃的积温。

　　K 值越大表明干旱越严重，根据 K 值不同划分为不同的干旱程度等级: 不旱 ( K ≤0 ) 、轻旱 ( K ≤25% ) 、中旱( 25% ＜ K≤50% ) 、重旱( 50% ＜ K≤75% ) 、极旱( K ＞ 75% ) 。

　　1． 3 数据处理

　　计算了内蒙古 46 个站点 1961 －2010a 生长季内( 5 －9 月) 降水量、变异系数、气候倾向率、干旱指数。

　　采用 ArcGIS 软件反距离权重插值法( inverse distance weighted interpolation，IDW) 对气候要素进行了空间分析，研究和讨论内蒙古作物生长季的降水资源和旱情的空间分布特征。
　　
　　2 结果与分析

　　2． 1 生长季降水资源分布特征

　　如图 2a 所示，内蒙古地区作物生长季内( 5 －9 月) 降水为 28． 7 ～437． 0mm，平均为 255． 0mm，各月平均降水量分别为 22． 8mm、47． 3mm、84． 1mm、70． 3mm、30． 4mm，生长季降水占全年降水量的 80% 以上，东部地区的满洲里、巴林左旗、林西等地区生长季降水占全年降水量的 90%左右。

　　生长季降水分布空间差异大，降水等值线沿经向分布，由东向西，降水量递减( 图 2a) 。内蒙古东部地区呼伦贝尔市大部分地区、兴安盟、通辽市、赤峰市作物生长季内降水量大于 300mm，雨量相对充沛; 中部地区的锡林郭勒盟大部分地区、乌兰察布市、包头市、呼和浩特市、鄂尔多斯市降水量 200 ～ 300mm; 以此往西，降水量在 200mm 以下，阿拉善盟的中西部地区降水量小于 100mm。降水变率为 16 ～48%，平均为 25． 3%( 图 2b) 。降水变率空间分布与降水量分布降水量较大的东部和中部地区降水变率小，在 25%以下，西部地区降水变率大于 30%。【图2 略】

　　近 50 年，内蒙古生长季降水平均减少了 22． 5mm，气候倾向率为 －4． 5mm/10a，东部地区倾向率绝对值大于西部地区( 图 2c) 。呼伦贝尔市部分地区、通辽市生长季降水减少最多，气候倾向率小于 －10mm/10a，西部鄂尔多斯市、巴彦淖尔市、阿拉善盟的东部地区降水少幅增加，气候倾向率 0 ～ 10mm /10a。

　　2． 2 近 50 年生长季内月尺度旱情特征分析

　　1961 － 2010 年，生长季内干旱最严重的年份是 2000、2007a，自治区 46 个气象站点均出现了干旱，1998 年干旱程度最轻，也有 28 站出现旱情。近 50a，自治区重旱以上的站数超过 30% ( ≥14 站) 的年份有41 年，20 世纪 90 年代中期以后，出现干旱的气象站点基本保持在 40 站以上。5 月份是干旱最严重的月份，干旱站点最多( 41 站，多年平均值，下同) ，重旱以上的站数超过 30% 的年份有 49 年，基本为"十年十旱"。7 月份，发生干旱的站点平均为 39 站，这一时期，降水量较为充沛，主要以轻旱和中旱为主，重旱以上的站数超过 30%的年份有 29 年，约五年三遇。8 月份，干旱站点最少( 28 站) ，重旱以上的站数超过30% 的年份有 26 年，约两年一遇。是发生重旱以上干旱频率最小的月份，但干旱站点变率最大( 26． 9% )( 图 3) 。

　　2． 3 生长季内月尺度旱情空间分布

　　内蒙古地区生长季( 5 ～9 月) 均有不同程度的干旱( 图 4a) ，旱情等级基本沿经向分布，西部地区较东部地区干旱程度严重，西部的阿拉善盟是自治区旱情最严重的地区，常年处于重旱以上。5 ～9 月份，自治区仅有东部地区的索伦、扎兰屯、小二沟、阿尔山、博克图、图里河等 6 个气象站点不旱; 其余地区均有一定程度的干旱，重旱以上的区域位于内蒙古西部，面积占自治区面积的 37． 5%。

　　5 月: 内蒙古自治区属于干旱状态( 图 4b) ，为干旱最严重的月份。东部地区的呼伦贝尔市和兴安盟的大部分地区为轻旱和中旱; 以此往东至乌海市的大部分地区处于重旱，面积为 5． 3 ×105km2，占自治区面积的 45． 9%; 西部的阿拉善盟和巴彦淖尔的部分地区则处于极旱，面积为 3． 4 ×105km2，占自治区面积的 29． 5%。

　　6 月: 随着降水增多，自治区干旱有一定的缓解( 图 4c) 。东部的呼伦贝尔地区不旱的区域扩大; 赤峰、通辽和锡林郭勒盟的部分地区为轻旱和中旱; 巴彦淖尔市、包头市、乌兰察布市、呼和浩特市、鄂尔多斯市等地区为重旱，面积为 2． 6 ×105km2，占自治区面积的 22． 4%; 西部的阿拉善盟仍为极旱。7 月和 8 月: 此阶段为内蒙古雨季，降水量相对充沛，自治区干旱程度较轻，干旱区域较 6 月份相比进一步减少( 图 4d，图 4e) 。8 月份为干旱最轻的月份，不旱的区域包括内蒙古东部的呼伦贝尔、兴安盟、通辽、赤峰地区以及中部的阴山山脉南麓地区，面积占自治区面积的 45． 0%; 中部地区为轻旱和中旱，且南部的地区较北部地区干旱程度轻; 阿拉善盟东部地区处于重旱，西部地区处于极旱，是自治区旱情最严重的区域。9 月份: 旱情空间分布较 8 月份相似，通辽和赤峰地区不旱的区域面积略有增加( 图 4f) 。

　　3 讨论

　　降水空间分布差异是内蒙古东西部地区不同的植被景观和生态气候系统形成的重要因素。东部降水相对充沛，多分布森林和低地草甸类草原，向西至中部地区随着降水量减少，生态景观逐渐演变为荒漠草原和农牧交错区，西部地区则常年降水不足，分布着沙地和沙漠。旱涝的发生与降水变率密切相关，内蒙古地区生长季内降水变率大，表明降水量年际间差异大，更容易产生干旱，且降水量小的西部地区降水变率大，东部地区则相反。近 50 年，内蒙古地区有暖干化趋势，这与许多学者研究结果类似。5 月是生长季内干旱最严重的月份，基本为" 十年十旱" ，重旱以上的区域面积占自治区面积的 75．4% 。此时干旱对农牧业影响较大，若没有足够的降水，将会推迟草原区牧草返青日期，没有灌溉条件的农作区也因墒情不佳而无法播种。7 月和 8 月是内蒙古的雨季，不旱的区域包括内蒙古东部大部分地区，自治区中南部干旱程度较轻，但西部和北部地区仍然为中旱以上，降水量年际间变化大，特别是 8 月份，发生干旱的站点数变率 26． 9%，表明年际间干旱程度变化较大，中部如农牧交错带等地区仍然极易出现干旱。

　　9 月份多年平均降水量为 30． 4mm，但是旱情空间分布与 8 月份相似，主要得益于 8 月份水分盈余的额外补充。研究发现，9 月份获得的额外水分补充量为 29． 6mm，几乎与降水量等额，而 5 －7 月份获得的额外水分补充量仅分别为 4． 1mm，2． 4mm，6． 8mm。

　　需要指出的是，文中选取的干旱指标考虑了作物生长季≥0℃温度的影响，并未选取降水量与蒸散量比值作为指标，主要原因在于内蒙古地区旱季时降水量较少，实际蒸散量不会超过降水量，但是若用公式计算潜在蒸散量则会远远大于实际蒸散; 雨季时一部分降水会下渗和径流，参与更大尺度的水分循环，以降水能否平衡可能蒸散量为标准去衡量干旱，将会使许多旱情得不到反映。

　　内蒙古中东部地区草地资源丰富，是我国北方重要的自然资源和天然生态屏障，研究表明，草地生长中期降水量是驱动植被生长的主要因子。该地区降水资源较西部地区相对丰富，但是 5 月份降水不足仍会对草地返青日期的早晚造成较大的影响，进而影响整个生育期; 中部阴山北麓的农牧交错带生态环境脆弱，农田生产力低，多为雨养农业且缺乏灌溉条件，生长季内干旱程度将直接限制该区农业的发展，可以推广旱作节水技术( 如田间集雨)、间套作技术等来提高水分利用效率，实现粮食稳产，以减少降水资源不足的影响和规避年际变化带来的气候风险; 西部河套平原地区多为引黄河水灌溉的设施农业，受降水量影响较少，但是长期超负荷引水灌溉，势必会影响地下水位，破坏整个西部的生态平衡。

　　内蒙古地区农牧业生产易受干旱影响，生态环境脆弱。气候变化背景下，中国北方地区增暖趋势明显，旱情有加重的趋势，因此研究明确该地区降水资源分布规律和旱情空间分布，对规避气候风险和合理布局具有重要的意义。

　　4 结论

　　( 1) 内蒙古地区作物生长季内降水量不足，平均为 255． 0mm，占全年降水量的 80% 以上，空间分布不均匀，东部多西部少。生长季降水变率为 25． 3%，降水量大的东部地区降水变率小，西部地区降水变率大于 30%。内蒙古生长季降水有减少的趋势，东部地区降水量减少幅度大于西部地区。

　　( 2) 就时间尺度而言，内蒙古地区生长季均有不同程度的干旱，近 50a 自治区重旱以上的站数超过30% (≥14 站) 的年份有 41 年，重旱发生频率为"五年四遇"，5 月份旱情最严重，重旱以上的区域面积占自治区面积的 75． 4%，基本为"十年十旱"。

　　( 3) 就空间尺度而言，旱情等级空间分布呈经向分布特点，西部地区干旱程度重于东部地区，西部的阿拉善盟是自治区旱情最严重的地区，整个生长季均处于重旱以上。