山西省小麥需水量空間變化規(guī)律分析研究

韓娜娜，王仰仁，周青云，金建華，葉瀾濤，鄭志偉

(天津農(nóng)學(xué)院 水利工程學(xué)院， 天津 300384)

0 引 言

山西省位于黃河中游東岸，華北平原西面的黃土高原上，是我國的一個(gè)內(nèi)陸省份。全省疆域輪廓呈東北斜向西南的平行四邊形，南北間距較長(zhǎng)，約為682 km。東西間距較短，約為385 km。境內(nèi)地貌類型復(fù)雜多樣，有山地、丘陵、臺(tái)地、平原等。屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候。山西省各地年平均氣溫介于4.2～14.2 ℃之間，總體分布趨勢(shì)為由北向南升高，由盆地向高山降低；全省各地年降水量介于358～ 621 mm之間，季節(jié)分布不均，夏季6-8月降水相對(duì)集中，約占全年降水量的60%，且省內(nèi)降水分布受地形影響較大。山西省現(xiàn)有耕地36 925萬hm2，主要糧食作物有小麥、高粱、玉米、豆類和薯類。根據(jù)2010年《山西省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》的資料統(tǒng)計(jì)，全省有冬小麥和春小麥，春小麥主要在山西的北部，如大同、朔州等地區(qū)，分布較少，但冬小麥的分布較廣，種植面積較大，從南到北主要分布在大同、朔州、忻州、太原、晉中、呂梁、陽泉、長(zhǎng)治、臨汾、晉城、運(yùn)城等，其中運(yùn)城和臨汾的播種面積分別占到全省小麥播種面積的47.7%和34.7%。

1 山西省小麥灌溉試驗(yàn)站情況

山西省最早于20世紀(jì)50年代建立了8個(gè)灌區(qū)試驗(yàn)站，開展了各種主要作物需水量與灌溉制度試驗(yàn)。隨后全省一些灌區(qū)陸續(xù)成立了灌溉試驗(yàn)站，最多時(shí)在1981年曾達(dá)到50余個(gè)[1]。目前，經(jīng)過調(diào)整、充實(shí)，穩(wěn)定在20個(gè)左右，本次小麥試驗(yàn)成果分析主要參與的試驗(yàn)站有：大同御河、呂梁地區(qū)的文峪河、晉中地區(qū)的瀟河和中心站、長(zhǎng)治地區(qū)的黎城、臨汾地區(qū)的霍泉和汾西、運(yùn)城地區(qū)的鼓水、夾馬口和紅旗試驗(yàn)站。

2 分析方法

1995-2013年期間，各試驗(yàn)站進(jìn)行了大量的灌溉制度試驗(yàn)和田間作物需水量試驗(yàn)。試驗(yàn)以控制作物生育期根系層土壤水分不同下限設(shè)置處理，單站年處理數(shù)一般在3～4個(gè)。對(duì)于田間作物需水量試驗(yàn)，則以作物根系層土壤水分不低于田間持水量的60%～65%，且產(chǎn)量較高，確定作物需水量與需水規(guī)律[2]。依此逐年求得了小麥的作物需水量和階段需水量及其需水強(qiáng)度；以階段需水強(qiáng)度為依據(jù)，求得各站多年平均的作物階段需水強(qiáng)度；統(tǒng)計(jì)各年作物生育階段起止日期，求其年平均值，作為該作物的生育期起止日期，并確定各生育階段的天數(shù)，以此作為多年平均情況下的作物生育階段，求取作物階段需水量及其全生育期的需水量。

3 小麥作物需水量分析

3.1 小麥階段需水量分析

根據(jù)1995年到2013年期間分布于全省的10個(gè)試驗(yàn)站作物需水量田間試驗(yàn)和灌溉制度試驗(yàn)的資料，分地市分析研究了春小麥、冬小麥作物的多年平均需水量及需水規(guī)律，詳見表1和表2。

表1 春小麥階段需水量表

表2 冬小麥階段需水量表

由表1和表2可知，山西省主要是在北部地區(qū)種植春小麥，灌溉試驗(yàn)站僅1個(gè)。山西小麥以冬小麥為主，主要分布在山西的中部和南部地區(qū)，冬小麥灌溉試驗(yàn)站有9個(gè)。綜合這9個(gè)冬小麥灌溉試驗(yàn)站的不同生育階段需水量的資料，并與春小麥的試驗(yàn)資料進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見圖1。

圖1 春小麥與冬小麥不同生育階段平均作物需水量對(duì)照?qǐng)D

根據(jù)表1、表2和圖1分析可得，春小麥比冬小麥少了一個(gè)越冬階段，但是除了越冬階段之外，其他階段春小麥和冬小麥的階段耗水量具有相似的變化規(guī)律，都表現(xiàn)出從播種到收獲，階段的需水量呈遞增的趨勢(shì)，且春小麥在后期抽穗-灌漿及灌漿-收獲這兩個(gè)階段比冬小麥的作物需水量要大，平均要大10～23 mm左右。這主要是春小麥的收獲時(shí)間大約是在7月中下旬，而冬小麥的收獲時(shí)間大約是在6月上中旬，因此，在抽穗到收獲階段春小麥的作物需水量要比冬小麥大。

圖2 山西不同地區(qū)冬小麥階段需水量對(duì)比分析圖

由圖2可以看出，山西地區(qū)冬小麥的種植區(qū)域從北向南(晉中、呂梁、長(zhǎng)治、臨汾、運(yùn)城)來看，除了長(zhǎng)治地區(qū)，其他地區(qū)冬小麥從播種到收獲表現(xiàn)出來的規(guī)律基本相似，長(zhǎng)治地區(qū)冬小麥在返青到越冬及越冬到拔節(jié)階段比其他地區(qū)需水量都大，這可能與長(zhǎng)治黎城的試驗(yàn)站所在的位置有關(guān)，該試驗(yàn)站不像其他的試驗(yàn)站位于盆地之中，而是位于一個(gè)海拔相對(duì)較高，且處于風(fēng)口處，因此風(fēng)速較大，作物需水量也較大。但是山西的地形高低起伏較大，長(zhǎng)治地區(qū)的漳北試驗(yàn)站代表了山西太行山地區(qū)一帶冬小麥的情況。從拔節(jié)(第5個(gè)階段)到收獲階段來看，晉中地區(qū)的階段需水量最大，依次是長(zhǎng)治、臨汾、運(yùn)城，基本上呈現(xiàn)出從南到北階段需水量遞減的變化規(guī)律。

3.2 全生育期小麥需水量分析

圖3是山西晉中、呂梁、長(zhǎng)治、臨汾及運(yùn)城地區(qū)冬小麥全生育期需水量，由圖可以看出，這幾個(gè)地區(qū)除了長(zhǎng)治，其他的需水量都相差不大，主要原因還是長(zhǎng)治黎城的灌溉試驗(yàn)站所處的位置，風(fēng)速加大，加大了作物的耗水量，因此作物需水量較大。圖3是根據(jù)一個(gè)地區(qū)統(tǒng)計(jì)各試驗(yàn)站得到的平均情況。另外由表2可以看出，即使在同一地區(qū)，冬小麥全生育期的需水量在不同試驗(yàn)站之間變化也較大，如晉中地區(qū)，有中心站和瀟河站，生長(zhǎng)天數(shù)相同，但是這兩個(gè)站的冬小麥需水量差別較大，中心站為4 315.5 m3/hm2，瀟河站為5 085 m3/hm2，兩地區(qū)的氣象條件相接近，主要原因可能是中心站的地下水埋深較淺，而在實(shí)際計(jì)算過程中，忽略了地下水的補(bǔ)給，所以中心站計(jì)算的值可能比實(shí)際情況偏小。臨汾地區(qū)也有類似的情況，如霍泉和汾西，生長(zhǎng)天數(shù)基本接近，由于汾西地區(qū)地下水埋深較淺，冬小麥的需水量也較小。

圖3 冬小麥全生育期需水量

3.3 氣象因子對(duì)小麥需水量的影響

根據(jù)各試驗(yàn)站鄰近的氣象站近50的資料進(jìn)行分析，選取了影響小麥作物需水量較大的氣象因子，如氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，分別計(jì)算了各地區(qū)小麥生育期內(nèi)各氣象因子的平均值，計(jì)算與分析結(jié)果見表3和圖4。因?yàn)閰⒖甲魑镎舭l(fā)蒸騰量ET0采用彭曼蒙蒂斯公式計(jì)算，該公式綜合考慮了太陽輻射和風(fēng)速等因素的影響，因此，分析了參考作物蒸發(fā)蒸騰量和需水量之間的關(guān)系，見圖5。

表3 山西不同地區(qū)小麥生育期內(nèi)各氣象因子值

圖4 冬小麥生長(zhǎng)天數(shù)與平均氣溫的關(guān)系

圖5 小麥日平均需水量與日平均ET0的關(guān)系

山西地區(qū)自晉中、呂梁、長(zhǎng)治、臨汾到運(yùn)城地區(qū)，基本上是從山西的北部到南部，冬小麥生育期內(nèi)的平均氣溫自北向南逐漸增加，如晉中地區(qū)平均氣溫是5.7 ℃，而運(yùn)城地區(qū)是10.2 ℃，隨之而來的是各地區(qū)冬小麥的生長(zhǎng)天數(shù)也相應(yīng)的發(fā)生了變化，氣溫低的地區(qū)，生長(zhǎng)的天數(shù)相對(duì)較長(zhǎng)，如晉中地區(qū)平均生長(zhǎng)天數(shù)為258 d，而運(yùn)城地區(qū)則約為236 d，兩地相差了20多d。山西南部運(yùn)城地區(qū)收獲的時(shí)間為5月底到6月上旬，而山西晉中地區(qū)則在6月下旬，這也正好解釋了前面提到的在拔節(jié)到收獲階段，山西冬小麥作物需水量自北向南逐漸增大的原因。

圖5分析了山西不同地區(qū)小麥全生育期內(nèi)日平均需水量與日平均參考作物需水量(ET0)之間的關(guān)系圖，因?yàn)镋T0的結(jié)果已經(jīng)包含了氣溫、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速和濕度等氣象因子對(duì)其的影響。小麥的日均需水量隨著日平均氣溫的增大而增大，隨著日平均日照時(shí)數(shù)的增加而增加，隨著日平均風(fēng)速的增大而增大，隨著日平均濕度的增大而減小。圖5可以看出，隨著日均ET0的增大，小麥的日均需水量也增大。兩者之間的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)的平方為0.958，相關(guān)程度非常密切。說明氣溫、日照時(shí)數(shù)、風(fēng)速和濕度等氣象因素對(duì)作物需水量的影響較大。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合山西省小麥試驗(yàn)站多年需水量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及鄰近氣象站近50年的氣象資料，分析了山西省小麥作物需水量在空間上的變化特點(diǎn)，上述作物需水量是以多年平均值表示的作物需水量，也可稱為作物需水量均值。作物需水量均值直觀明了，便于應(yīng)用，其結(jié)果在工程規(guī)劃設(shè)計(jì)及灌溉用水管理中得到廣泛應(yīng)用。但是試驗(yàn)?zāi)晗蕻吘瓜盗休^短，其作物需水量有可能偏豐或者偏枯，影響工程規(guī)劃設(shè)計(jì)精度。今后可以結(jié)合氣象資料和作物系數(shù)逐年計(jì)算作物需水量[3,4]，提高作物需水量的計(jì)算精度。

[1] 王仰仁,孫小平.山西農(nóng)業(yè)節(jié)水理論與作物高效用水模式[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出社,2003.

[2] 陳玉民,郭國雙.中國主要作物需水量與灌溉[M]. 北京：水利電力出版社,1995.

[3] 尹京川,馬孝義,孫永勝，等. 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與GIS可視化的作物需水量預(yù)測(cè)[J]. 2012,(7):13-16.

[4] 陶國通,王景雷,男紀(jì)琴，等.基于溫度的作物需水量估算方法[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2014,25(7)：2 019-2 025.