晉東南地區(qū)冬小麥作物需水量特征研究

關(guān)鍵詞：冬小麥；作物需水；降水；補(bǔ)充灌溉水量

中圖分類號(hào)：Ｓ５１２．１＋ １；Ｓ５０７．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０９．０２２

引用格式：索巖松，張燕，白寅虎．晉東南地區(qū)冬小麥作物需水量特征研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（９）：１５０－１５５．

０引言

受日照、降水等氣象因素的影響，在黃河流域晉東南地區(qū)只能種植季節(jié)性作物。其中，冬小麥便是晉東南地區(qū)生活必需的主要支柱作物之一［１］ ，冬小麥多年平均播種面積占晉東南地區(qū)糧食作物播種面積的三分之一［２］ 。在實(shí)施黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略背景下，合理利用水資源成為關(guān)注的重點(diǎn)。尤其是在水資源日益匱乏的當(dāng)下，作物需水量是制定冬小麥灌溉制度的重要參數(shù)，因此尋求黃河流域內(nèi)晉東南地區(qū)作物的需水量對(duì)水資源的合理利用尤為重要，不僅能為當(dāng)?shù)刂贫ü喔戎贫忍峁├碚撘罁?jù)，且有利于合理配置有限的水資源。

針對(duì)作物需水量的計(jì)算目前研究比較廣泛，而聯(lián)合國推薦的作物系數(shù)法是最權(quán)威、我國使用最普遍的方法之一［３］ 。作物需水量根據(jù)地區(qū)的不同，會(huì)隨著氣候的變化而變化，而降水量是氣候變化主要的指標(biāo)之一［４］ 。近年來，利用氣象數(shù)據(jù)結(jié)合降水量推算作物需水量的研究眾多。張秋平等［５］ 根據(jù)降水量與作物需水量的耦合關(guān)系，推算出不同水文年各階段北京早稻的灌溉需水量，并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，推算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合。張鳳怡等［６］ 利用６０ ａ 的氣象數(shù)據(jù)和作物系數(shù)法研究了遼寧省春玉米、大豆和水稻生育期需水與降水耦合關(guān)系，結(jié)果表明在生長(zhǎng)中期耦合度最高，快速生長(zhǎng)期次之，初期和成熟期普遍較低。吳婕等［７］ 針對(duì)河西內(nèi)陸區(qū)向日葵、辣椒等作物進(jìn)行了耗水與降水的耦合性分析，結(jié)果表明耦合度均遠(yuǎn)小于１，并求出作物的灌溉需水量。康文欽等［８］ 以武川縣春小麥為研究對(duì)象，對(duì)各生育期進(jìn)行了需水特征與降水特征的耦合，結(jié)果表明降水無法滿足作物需水，并求出該縣春小麥的需水量。黃航行等［９］ 、李大馳等［１０］ 分析了民勤地區(qū)和榆林地區(qū)參考作物需水量的年際變化特征，結(jié)果表明參考作物需水量呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。馬雪晴等［１１］利用近６０ａ的氣象數(shù)據(jù)，采用ＦＡＯ－５６ 推薦的作物系數(shù)法，推算全國小麥主產(chǎn)區(qū)的時(shí)空變化，結(jié)果表明小麥生育期內(nèi)降水量、需水量呈波動(dòng)增加。王電龍等［１２］ 研究了降水對(duì)華北地區(qū)冬小麥灌溉需水的影響，發(fā)現(xiàn)豐水年華北地區(qū)冬小麥作物補(bǔ)水占比大多數(shù)為０．５０ ～０．７５；金華星等［１３］ 利用１９６１—２０１３年的氣象數(shù)據(jù)，采用作物系數(shù)法研究了滁州市冬小麥整個(gè)生育期的需水量和降水量變化特征，發(fā)現(xiàn)需水量年際變化逐漸增大。

以上研究都是針對(duì)不同地區(qū)不同作物需水量的研究，而針對(duì)黃河流域內(nèi)晉東南地區(qū)冬小麥作物各生育期的需水量研究相對(duì)比較少。因此，本文主要以黃河流域內(nèi)晉東南地區(qū)冬小麥為研究對(duì)象，利用陽城縣１９６０—２０１９年的氣象資料，分析了不同保證率下該區(qū)冬小麥各生育期需水與降水的關(guān)系，從而求出各生育期的補(bǔ)充灌溉水量，以期為當(dāng)?shù)刂贫ǘ←湽喔戎贫群秃侠砝命S河流域水資源提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

１材料與方法

１．１研究區(qū)概況

陽城縣位于山西省東南部，位于東經(jīng)１１２°００′—１１２°３７′、北緯３５°１２′—３５°４０′，屬暖溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)，多年平均氣溫１１．７ ℃，降水主要集中在７—９ 月，多年平均降水量６２７ ｍｍ，多年平均日照２ ５７１．３ｈ?？偢孛娣e３．６４ 萬ｈｍ^２，陽城縣境內(nèi)水系隸屬于黃河水系。

１．２數(shù)據(jù)來源與處理

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（ｈｔｔｐ：／／ ｄａｔａ．ｃｍａ．ｃｎ）。氣象資料的時(shí)間范圍為１９６０年１月１日到２０１９年１２月３１日，主要包括降水量、日照時(shí)間、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、風(fēng)速、平均水氣壓、相對(duì)濕度等。

１．３計(jì)算方法

１．３．１參考作物的蒸發(fā)蒸騰量

本研究通過Ｃａｌｃｕｌａｔｏｒ軟件計(jì)算參考作物的蒸發(fā)蒸騰量。

１．３．２作物需水量

實(shí)際作物需水量采用單作物系數(shù)法進(jìn)行逐日計(jì)算，通過彭曼公式計(jì)算出參考作物蒸發(fā)蒸騰量ＥＴ，ＥＴ與相應(yīng)作物的作物系數(shù)Ｋｃ相乘即可得到實(shí)際作物需水量ＥＴ。計(jì)算公式如下：

ＥＴ ＝Ｋ ×ＥＴ （１）

根據(jù)ＦＡＯ推薦的小麥作物系數(shù)并結(jié)合相關(guān)研究成果［１４］，生育期劃分及作物系數(shù)確定結(jié)果見表１。

１．３．３降水量

降水量采用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括１９６０年１月１日到２０１９年１２月３１日的降水量數(shù)據(jù)。按照Ｐｅａｒｓｏｎ－Ⅲ分布原則，利用水文頻率計(jì)算軟件ＣｕｒｖｅＦｉｔｔｉｎｇ 分別確定濕潤(rùn)年、平水年、干旱年、極枯水年（保證率分別為２５％、５０％、７５％、９５％）４ 種典型灌溉年份的降水量。

１．３．４氣候傾向率

氣候傾向率是表征氣象要素多年變化趨勢(shì)的指標(biāo)，一般利用氣象要素時(shí)間序列回歸直線斜率的１０ 倍表示［１５］ ，以ａ ×１０ 表示氣象要素每１０ａ的氣候傾向率。氣候傾向率為正值表示該氣象要素呈增大趨勢(shì)，為負(fù)值表示該氣象要素呈減小趨勢(shì)。線性擬合方程形式為

Ｙ ＝ａｔ＋ｂ （２）

式中：Ｙ 為需水量或降水量，ｔ 為時(shí)間，ａ、ｂ 為回歸系數(shù)。

１．３．５作物需水量與降水量的耦合度

將某一生育階段的降水量Ｐ 與作物需水量ＥＴ的比值定義為該階段耦合度，其反映某一階段的降水對(duì)作物需水的滿足程度。耦合度一般為０～１．０［５－８］，其計(jì)算公式為

２結(jié)果與分析

２．１冬小麥的需水特征

２．１．１冬小麥需水年際變化情況

近６０ ａ 冬小麥全生育期需水量最大值發(fā)生在１９６６ 年，其值為６９２．１０ ｍｍ；需水量最小值發(fā)生在１９６３年，其值為４８２．５１ ｍｍ，兩者相差２０９．５９ ｍｍ。用線性方程進(jìn)行擬合，可以看出需水量呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但趨勢(shì)不是很明顯，需水量以０．５９３ ｍｍ／ （１０ ａ）的傾向率增大，如圖１ 所示。

多年平均冬小麥全生育期需水總量為５８６．０９ｍｍ，其中：播種—越冬期、越冬—返青期、返青—拔節(jié)期、拔節(jié)—抽穗期、抽穗—灌漿期、灌漿—成熟期冬小麥需水量分別為１１９．２４、５４．６４、９３．１９、９１．２２、１４７．５２、８０．２８ ｍｍ，占比分別為０．２０、０．０９、０．１６、０．１６、０．２５、０．１４；生育期需水量最大占比為抽穗—灌漿期，其次為播種—越冬期，最小占比為越冬—返青期（見表２）。

冬小麥不同生育期需水量氣候傾向率見表２。從表２ 中看出，隨著生育期的發(fā)展，冬小麥需水量年際變化呈現(xiàn)先降低后增加再降低的趨勢(shì)，其中：播種—越冬期、越冬—返青期和灌漿—成熟期氣候傾向率為負(fù)值，表明這３ 個(gè)生育期年際變化呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)；其余生育期為正值，呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，拔節(jié)—抽穗期氣候傾向率最大，為２．３０ ｍｍ／ （１０ ａ），抽穗—灌漿期氣候傾向率為０．０７ ｍｍ／ （１０ ａ），該生育期年際變化最小。

２．１．２需水保證率和典型

需水年型采用經(jīng)驗(yàn)頻率法來確定冬小麥全生育期內(nèi)不同水文年型即不同需水保證率所對(duì)應(yīng)的需水量，見表３。

從表３中可知，冬小麥全生育期在不同年型即不同保證率的需水量差別比較大，最大值為極枯水年７２５．１９ｍｍ，最小值為濕潤(rùn)年５３１．０８ ｍｍ。其中：極枯水年比濕潤(rùn)年、平水年及干旱年需水量分別高出１９４．１１、１３６．１０、８２．９０ ｍｍ，干旱年比濕潤(rùn)年及平水年需水量分別高出１１１．２１、５３．２０ ｍｍ，平水年比濕潤(rùn)年需水量高出５８．０１ ｍｍ。同一水文年型抽穗—灌漿期需水量最大，其次為播種—越冬期。

２．２冬小麥生育期降水特征

２．２．１全生育期內(nèi)降水年際變化情況

冬小麥的生育期只是從９ 月２５ 日開始到第二年的６ 月１２ 日為止，其余時(shí)段的降水對(duì)冬小麥補(bǔ)充灌溉量的影響不大，因此不宜用年降水量保證率來估算冬小麥的灌溉需水量。本研究利用陽城縣近６０ａ 冬小麥從播種到成熟這一時(shí)段的歷史降水資料來分析。其中冬小麥全生育期內(nèi)降水年際變化趨勢(shì)如圖１ 所示，作物各生育期多年平均降水量及占比見表２。

從圖１ 可知，近６０ ａ 作物全生育期降水總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中：冬小麥全生育期內(nèi)降水量最大值為１９９０年３８２．７ ｍｍ，最小值為１９６６ 年１０３．５ ｍｍ；用線性方程進(jìn)行擬合，表明降水氣候傾向率為９．８２７ ｍｍ／ （１０ ａ）。從表２ 中可知：多年平均冬小麥全生育期降水總量為２１３．６６ ｍｍ，其中：播種—越冬期、越冬—返青期、返青—拔節(jié)期、拔節(jié)—抽穗期、抽穗—灌漿期和灌漿—成熟期冬小麥降水量分別為７１．４４、１６．７６、２３．６０、２９．３１、４２．７９、２９．７６ ｍｍ，占比分別為０．３４、０．０７、０．１１、０．１４、０．２０、０．１４。降水在生育期內(nèi)從越冬—返青期之后呈先增加后減少的趨勢(shì)，在抽穗—灌漿期達(dá)到最大，灌漿—成熟期減少。

冬小麥不同生育期降水量氣候傾向率結(jié)果見表２。從表２ 看出，降水在冬小麥生育期內(nèi)僅拔節(jié)—抽穗期氣候傾向率為負(fù)值，表明降水在該生育期內(nèi)年際變化呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，以０．３６ ｍｍ／ （１０ ａ）的傾向率遞減，其余生育期氣候傾向率為正值。

２．２．２降水保證率和典型降水年型

采用經(jīng)驗(yàn)頻率法來確定冬小麥全生育期內(nèi)不同水文年型即不同降水保證率所對(duì)應(yīng)的降水量（見表４）。從表４ 看出，不同年型冬小麥全生育期的降水量差別比較大，其中，降水量最大的為濕潤(rùn)年３１５．９０ ｍｍ，最小的為極枯水年２６．９０ ｍｍ。濕潤(rùn)年比平水年、干旱年、極枯水年降水量分別高出１３８．７０、２３４．７０、２８９．００ｍｍ，平水年比干旱年及極枯水年降水量分別高出９６．００、１５０． ３０ ｍｍ，干旱年比極枯水年降水量高出５４．３０ ｍｍ。

２．２．３作物需水量與降水量的耦合情況

耦合度反映某一階段的降水對(duì)作物需水的滿足程度，計(jì)算結(jié)果見表５。從表５ 看出，４ 種水文年型的自然降水均無法滿足冬小麥生長(zhǎng)對(duì)水分的需求。因此，該區(qū)種植冬小麥必須輔以灌溉來滿足需水要求。不同水文年型所需補(bǔ)充的灌溉水量占比不同，分別為濕潤(rùn)年５７％、平水年６７％、干旱年７２％、極枯水年８２％。

該區(qū)冬小麥全生育期內(nèi)降水與需水的耦合度分別為濕潤(rùn)年０．４３、平水年０．３３、干旱年０．２８、極枯水年０．１８。隨著保證率的提高，冬小麥各生育期降水與作物需水的耦合度逐漸減??；同一水文年型下，冬小麥降水與作物需水的耦合度均在播種—越冬期為最大，尤其是在濕潤(rùn)年達(dá)到０．９１，在灌漿—成熟期次之，分別為濕潤(rùn)年０．６２、平水年０．２９、干旱年０．１０、極枯水年０．０１。

２．２．４作物補(bǔ)充灌溉水量

按照公式計(jì)算可得作物補(bǔ)充灌溉水量，計(jì)算結(jié)果見表６。從表６ 可知：該區(qū)冬小麥不同水文年型的補(bǔ)充灌溉水量分別為濕潤(rùn)年２６１．７４ｍｍ、平水年４２７．４６ ｍｍ、干旱年５５４．３４ｍｍ、極枯水年６７４．６６ ｍｍ。不同水文年型冬小麥的補(bǔ)充灌溉水量差別較大，其中極枯水年與濕潤(rùn)年相比高出４１２．９２ｍｍ、與平水年相比高出２４７．２０ｍｍ、與干旱年相比高出１２０．３２ ｍｍ；干旱年與濕潤(rùn)年相比高出２９２．５９ｍｍ、與平水年相比高出１２６．８８ｍｍ；平水年與濕潤(rùn)年相比高出１６５．７２ｍｍ。濕潤(rùn)年冬小麥生育期內(nèi)需水量最大占比為拔節(jié)—抽穗期，其次為抽穗—灌漿期，最小占比為播種—越冬期；其余典型水文年型冬小麥生育期內(nèi)需水量最大占比為抽穗—灌漿期，其次為拔節(jié)—抽穗期，最小占比為越冬—返青期。

３討論

利用陽城縣１９６０年１月１日到２０１９年１２月３１日的氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同保證率下黃河流域晉東南地區(qū)冬小麥各個(gè)生育階段的需水量，分析了冬小麥需水量和降水量的年際變化情況。研究結(jié)果與趙俊芳等［１６］ 、鐘文軍等［１７］ 、李萍等［１８］ 、馬芳等［１９］ 、齊月等［２０］ 的研究結(jié)果（降水量與冬小麥需水量呈增加趨勢(shì)）一致，本地區(qū)需水量、降水量分別以０．５９３、９．８２７ ｍｍ／ （１０ ａ）的傾向率增加，主要是氣候變暖導(dǎo)致的；而與曹紅霞等［２１］ 研究的關(guān)中地區(qū)冬小麥需水量無一致變化趨勢(shì)，這可能是采用的數(shù)據(jù)較短且研究地區(qū)的氣候不同所導(dǎo)致的。本研究進(jìn)一步研究了冬小麥各生育期內(nèi)的需水和降水氣候傾向率，結(jié)果表明冬小麥在拔節(jié)—抽穗期需水氣候傾向率最大為２．３０ ｍｍ／ （１０ ａ），而該生育期降水以０．３６ ｍｍ／（１０ ａ）的氣候傾向率遞減。將來為保證當(dāng)?shù)囟←湹男杷瑧?yīng)首先考慮拔節(jié)—灌漿期的需水要求。

耦合度反映某一階段的降水對(duì)作物需水的滿足程度。該區(qū)冬小麥耦合度相對(duì)高的生育期為播種—越冬期和灌漿—成熟期，這主要是受氣象條件影響，該區(qū)冬小麥在播種—越冬期和灌漿—成熟期處于雨季末期和第二年的雨季起點(diǎn)，降水比其他生育階段多；其他生育期降水較少，耦合度也相應(yīng)較小。在返青—拔節(jié)期和抽穗—灌漿期兩個(gè)生育階段需水量相對(duì)較大，而此時(shí)降水較少、耦合度較小，因此為了保證冬小麥產(chǎn)量，在缺水的情況下，可以適當(dāng)在這兩個(gè)關(guān)鍵生育期給予補(bǔ)充灌溉。

作物需水量是指導(dǎo)農(nóng)業(yè)灌溉的重要指標(biāo)，本研究以黃河流域晉東南地區(qū)為研究區(qū)域，根據(jù)晉東南地區(qū)的實(shí)際情況，采用前人修訂后的作物系數(shù)和聯(lián)合國推薦的彭曼公式，利用多年的氣象數(shù)據(jù)推算出該地區(qū)冬小麥在不同水文年型的需水量，因此所計(jì)算的結(jié)果更符合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，提高了計(jì)算的準(zhǔn)確度，結(jié)果可參考性更強(qiáng)。本研究結(jié)果表明４ 種水文年型自然降水均無法滿足冬小麥生長(zhǎng)對(duì)水分的需求，這與王春澤等［２２］ 、職微微等［２３］ 的研究結(jié)果相一致，并且進(jìn)一步細(xì)化了該區(qū)冬小麥在各生育期的補(bǔ)充灌溉需水量。濕潤(rùn)年型，需特別關(guān)注冬小麥在拔節(jié)—抽穗期需水；其他水文年型，冬小麥補(bǔ)充灌溉水量在抽穗—灌漿期占比較大，其次為拔節(jié)—抽穗期，最小占比為越冬—返青期。因此，為了保證該地區(qū)冬小麥高產(chǎn)，在節(jié)水灌溉的前提下需特別關(guān)注抽穗—灌漿期的補(bǔ)充灌溉用水。

本研究可為制定當(dāng)?shù)囟←湽喔戎贫群秃侠砝卯?dāng)?shù)氐乃Y源提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)，也可為相關(guān)性研究提供參考。但是在計(jì)算中未考慮農(nóng)藝措施的不同及特殊地帶如地下水淺埋地區(qū)地下水毛管上升對(duì)作物補(bǔ)充灌溉需水量的影響，今后會(huì)結(jié)合田間試驗(yàn)做進(jìn)一步的細(xì)化研究。

４結(jié)論

１）近６０ ａ 來，黃河流域晉東南地區(qū)冬小麥全生育期需水量氣候傾向率為０．５９３ ｍｍ／ （１０ ａ），需水量多年平均值為５８６．０９ ｍｍ；降水量氣候傾向率為９．８２７ｍｍ／ （１０ ａ），降水量多年平均值為２１３．６６ ｍｍ；冬小麥在拔節(jié)—抽穗期需水氣候傾向率最大，為２．３０ ｍｍ／（１０ ａ），而該生育期降水以０．３６ ｍｍ／ （１０ ａ）的氣候傾向率遞減。

２）４ 種典型灌溉年份（２５％、５０％、７５％、９５％保證率）下，冬小麥全生育期降水與需水的耦合度依次為０．４３、０．３３、０．２８、０．１８。隨著保證率的提高，冬小麥每個(gè)生育期內(nèi)降水與作物需水的耦合度均在逐漸減??；同一水文年型，降水與冬小麥需水的耦合度均在播種—越冬期為最大，尤其是在濕潤(rùn)年達(dá)到０．９１；在灌漿—成熟期次之，分別為濕潤(rùn)年０．６２、平水年０．２９、干旱年０．１０、極枯水年０．０１。

３）４ 種典型灌溉年份自然降水均無法滿足冬小麥生長(zhǎng)對(duì)水分的需求，需補(bǔ)充灌溉水量依次為２６１．７４、４２７．４５、５５４．３４、６７４．６６ ｍｍ。濕潤(rùn)年型，需特別關(guān)注拔節(jié)—抽穗期補(bǔ)水，需灌溉補(bǔ)水量８４．００ ｍｍ；其他水文年型，應(yīng)特別關(guān)注抽穗—灌漿期的補(bǔ)水，其中平水年應(yīng)補(bǔ)充灌溉１１６．８７ ｍｍ、干旱年應(yīng)補(bǔ)充灌溉１４２．５５ ｍｍ、極枯水年應(yīng)補(bǔ)充灌溉１７１．５４ ｍｍ。