關鍵詞：冬小麥；作物需水；降水；補充灌溉水量

中圖分類號：Ｓ５１２．１＋ １；Ｓ５０７．１ 文獻標志碼：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］ 。在實施黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略背景下，合理利用水資源成為關注的重點。尤其是在水資源日益匱乏的當下，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晉東南地區(qū)作物的需水量對水資源的合理利用尤為重要，不僅能為當?shù)刂贫ü喔戎贫忍峁├碚撘罁?，且有利于合理配置有限的水資源。

針對作物需水量的計算目前研究比較廣泛，而聯(lián)合國推薦的作物系數(shù)法是最權威、我國使用最普遍的方法之一［３］ 。作物需水量根據地區(qū)的不同，會隨著氣候的變化而變化，而降水量是氣候變化主要的指標之一［４］ 。近年來，利用氣象數(shù)據結合降水量推算作物需水量的研究眾多。張秋平等［５］ 根據降水量與作物需水量的耦合關系，推算出不同水文年各階段北京早稻的灌溉需水量，并通過試驗進行驗證，推算結果與試驗結果吻合。張鳳怡等［６］ 利用６０ ａ 的氣象數(shù)據和作物系數(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系，結果表明在生長中期耦合度最高，快速生長期次之，初期和成熟期普遍較低。吳婕等［７］ 針對河西內陸區(qū)向日葵、辣椒等作物進行了耗水與降水的耦合性分析，結果表明耦合度均遠小于１，并求出作物的灌溉需水量?？滴臍J等［８］ 以武川縣春小麥為研究對象，對各生育期進行了需水特征與降水特征的耦合，結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，結果表明參考作物需水量呈波動上升趨勢。馬雪晴等［１１］利用近６０ａ的氣象數(shù)據，采用ＦＡＯ－５６ 推薦的作物系數(shù)法，推算全國小麥主產區(qū)的時空變化，結果表明小麥生育期內降水量、需水量呈波動增加。王電龍等［１２］ 研究了降水對華北地區(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，采用作物系數(shù)法研究了滁州市冬小麥整個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。

以上研究都是針對不同地區(qū)不同作物需水量的研究，而針對黃河流域內晉東南地區(qū)冬小麥作物各生育期的需水量研究相對比較少。因此，本文主要以黃河流域內晉東南地區(qū)冬小麥為研究對象，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系，從而求出各生育期的補充灌溉水量，以期為當?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和依據。

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１１２°００′—１１２°３７′、北緯３５°１２′—３５°４０′，屬暖溫帶半濕潤氣候區(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。總耕地面積３．６４ 萬ｈｍ^２，陽城縣境內水系隸屬于黃河水系。

１．２數(shù)據來源與處理

氣象數(shù)據來源于中國氣象數(shù)據網（ｈｔｔｐ：／／ ｄａｔａ．ｃｍａ．ｃｎ）。氣象資料的時間范圍為１９６０年１月１日到２０１９年１２月３１日，主要包括降水量、日照時間、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、風速、平均水氣壓、相對濕度等。

１．３計算方法

１．３．１參考作物的蒸發(fā)蒸騰量

本研究通過Ｃａｌｃｕｌａｔｏｒ軟件計算參考作物的蒸發(fā)蒸騰量。

１．３．２作物需水量

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

ＥＴ ＝Ｋ ×ＥＴ （１）

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

１．３．３降水量

降水量采用歷史數(shù)據進行分析，包括１９６０年１月１日到２０１９年１２月３１日的降水量數(shù)據。按照Ｐｅａｒｓｏｎ－Ⅲ分布原則，利用水文頻率計算軟件ＣｕｒｖｅＦｉｔｔｉｎｇ 分別確定濕潤年、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的指標，一般利用氣象要素時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，為負值表示該氣象要素呈減小趨勢。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作物需水的滿足程度。耦合度一般為０～１．０［５－８］，其計算公式為

２結果與分析

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。用線性方程進行擬合，可以看出需水量呈現(xiàn)增大趨勢，但趨勢不是很明顯，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，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值，表明這３ 個生育期年際變化呈現(xiàn)遞減趨勢；其余生育期為正值，呈現(xiàn)遞增趨勢，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

需水年型采用經驗頻率法來確定冬小麥全生育期內不同水文年型即不同需水保證率所對應的需水量，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，最小值為濕潤年５３１．０８ ｍｍ。其中：極枯水年比濕潤年、平水年及干旱年需水量分別高出１９４．１１、１３６．１０、８２．９０ ｍｍ，干旱年比濕潤年及平水年需水量分別高出１１１．２１、５３．２０ ｍｍ，平水年比濕潤年需水量高出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，其余時段的降水對冬小麥補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段的歷史降水資料來分析。其中冬小麥全生育期內降水年際變化趨勢如圖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，其中：冬小麥全生育期內降水量最大值為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。降水在生育期內從越冬—返青期之后呈先增加后減少的趨勢，在抽穗—灌漿期達到最大，灌漿—成熟期減少。

冬小麥不同生育期降水量氣候傾向率結果見表２。從表２ 看出，降水在冬小麥生育期內僅拔節(jié)—抽穗期氣候傾向率為負值，表明降水在該生育期內年際變化呈現(xiàn)遞減的趨勢，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

采用經驗頻率法來確定冬小麥全生育期內不同水文年型即不同降水保證率所對應的降水量（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年３１５．９０ ｍｍ，最小的為極枯水年２６．９０ ｍｍ。濕潤年比平水年、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作物需水的滿足程度，計算結果見表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對水分的需求。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充的灌溉水量占比不同，分別為濕潤年５７％、平水年６７％、干旱年７２％、極枯水年８２％。

該區(qū)冬小麥全生育期內降水與需水的耦合度分別為濕潤年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小；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，尤其是在濕潤年達到０．９１，在灌漿—成熟期次之，分別為濕潤年０．６２、平水年０．２９、干旱年０．１０、極枯水年０．０１。

２．２．４作物補充灌溉水量

按照公式計算可得作物補充灌溉水量，計算結果見表６。從表６ 可知：該區(qū)冬小麥不同水文年型的補充灌溉水量分別為濕潤年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充灌溉水量差別較大，其中極枯水年與濕潤年相比高出４１２．９２ｍｍ、與平水年相比高出２４７．２０ｍｍ、與干旱年相比高出１２０．３２ ｍｍ；干旱年與濕潤年相比高出２９２．５９ｍｍ、與平水年相比高出１２６．８８ｍｍ；平水年與濕潤年相比高出１６５．７２ｍｍ。濕潤年冬小麥生育期內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，計算出不同保證率下黃河流域晉東南地區(qū)冬小麥各個生育階段的需水量，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］ 的研究結果（降水量與冬小麥需水量呈增加趨勢）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，主要是氣候變暖導致的；而與曹紅霞等［２１］ 研究的關中地區(qū)冬小麥需水量無一致變化趨勢，這可能是采用的數(shù)據較短且研究地區(qū)的氣候不同所導致的。本研究進一步研究了冬小麥各生育期內的需水和降水氣候傾向率，結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?shù)囟←湹男杷?，應首先考慮拔節(jié)—灌漿期的需水要求。

耦合度反映某一階段的降水對作物需水的滿足程度。該區(qū)冬小麥耦合度相對高的生育期為播種—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，降水比其他生育階段多；其他生育期降水較少，耦合度也相應較小。在返青—拔節(jié)期和抽穗—灌漿期兩個生育階段需水量相對較大，而此時降水較少、耦合度較小，因此為了保證冬小麥產量，在缺水的情況下，可以適當在這兩個關鍵生育期給予補充灌溉。

作物需水量是指導農業(yè)灌溉的重要指標，本研究以黃河流域晉東南地區(qū)為研究區(qū)域，根據晉東南地區(qū)的實際情況，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，因此所計算的結果更符合當?shù)氐膶嶋H情況，提高了計算的準確度，結果可參考性更強。本研究結果表明４ 種水文年型自然降水均無法滿足冬小麥生長對水分的需求，這與王春澤等［２２］ 、職微微等［２３］ 的研究結果相一致，并且進一步細化了該區(qū)冬小麥在各生育期的補充灌溉需水量。濕潤年型，需特別關注冬小麥在拔節(jié)—抽穗期需水；其他水文年型，冬小麥補充灌溉水量在抽穗—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，在節(jié)水灌溉的前提下需特別關注抽穗—灌漿期的補充灌溉用水。

本研究可為制定當?shù)囟←湽喔戎贫群秃侠砝卯數(shù)氐乃Y源提供理論基礎和依據，也可為相關性研究提供參考。但是在計算中未考慮農藝措施的不同及特殊地帶如地下水淺埋地區(qū)地下水毛管上升對作物補充灌溉需水量的影響，今后會結合田間試驗做進一步的細化研究。

４結論

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，冬小麥每個生育期內降水與作物需水的耦合度均在逐漸減小；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，尤其是在濕潤年達到０．９１；在灌漿—成熟期次之，分別為濕潤年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對水分的需求，需補充灌溉水量依次為２６１．７４、４２７．４５、５５４．３４、６７４．６６ ｍｍ。濕潤年型，需特別關注拔節(jié)—抽穗期補水，需灌溉補水量８４．００ ｍｍ；其他水文年型，應特別關注抽穗—灌漿期的補水，其中平水年應補充灌溉１１６．８７ ｍｍ、干旱年應補充灌溉１４２．５５ ｍｍ、極枯水年應補充灌溉１７１．５４ ｍｍ。