桑干河流域大同地區(qū)春玉米灌溉需水量時空變化研究特征

郭書婷

(內(nèi)蒙古師范大學地理科學學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022)

玉米是我國主要的糧食作物之一[1]。在山西的糧食作物中，玉米的播種面積占比基本保持在50%左右。桑干河流域大同段是山西玉米主要種植區(qū)域，但該區(qū)域?qū)儆诎敫珊档貐^(qū)和資源性缺水地區(qū)[2]，降水較少且加上長期的大規(guī)模發(fā)展種植業(yè)，水資源短缺問題尤為顯著，因此這也決定了山西省需要建立合理的灌溉制度。建立合理的灌溉制度需要對作物灌溉需水規(guī)律進行分析，國內(nèi)不少學者對作物灌溉需水量以及灌溉制度優(yōu)化做了大量研究工作。張雷等[3]對鮮食甜玉米需水量、需水規(guī)律及節(jié)水灌溉制度進行研究，發(fā)現(xiàn)甜玉米需水量較小，需水強度呈現(xiàn)抽雄吐絲期>灌漿乳熟期>拔節(jié)期>苗期的規(guī)律。李志等[4]通過對蘇北地區(qū)冬小麥灌水量的研究，確定蘇北地區(qū)冬小麥在不同水文年型下的灌溉需水量。李想等[5]通過DSSAT模型對黑河中游主要農(nóng)作物的灌溉制度進行優(yōu)化，以達到高產(chǎn)節(jié)水目的。梁永輝等[6]基于CERES-Maize模型對新疆膜下滴灌玉米的灌溉制度和需水規(guī)律進行研究，發(fā)現(xiàn)枯水年、平水年、豐水年玉米抽雄期灌溉量分別為180mm、180mm、120mm，灌漿期均灌溉120mm，其余各生育期灌溉量都為60mm時最優(yōu)。杜斌等[7]在內(nèi)蒙古河套地區(qū)進行大田試驗，并運用Penmn-Monteith公式和水量平衡法對膜下滴灌向日葵和玉米系數(shù)進行修正，得出了全生育期玉米、向日葵耗水量分別為445mm、340mm，較傳統(tǒng)灌溉分別節(jié)水12.7%和4.5%的結論。雖然近些年有不少學者對山西省玉米做了大量的研究工作，但是研究區(qū)域大部分在山西省中南部區(qū)；而且通過對文獻的查閱，發(fā)現(xiàn)不同降雨等氣象條件的差異會引起作物需水量和灌溉需水量的變化。

鑒于此，本文的研究區(qū)域為桑干河流域大同段，本文選取大同地區(qū)選取3個標準氣象站點60a氣象數(shù)據(jù)，計算且分析1960—2020年大同地區(qū)春玉米生育期內(nèi)ETC、Pe、I，找出其變化規(guī)律，為該地區(qū)春玉米制定合理的灌溉制度提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大同位于山西省北部，見圖1，地理坐標為E112°34′～114°33′,N39°03′～40°44′，海拔為1000～1500m，屬中溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫為6.4℃，7月最高平均為21.9℃，1月最低平均為-11.8℃，年均日照時數(shù)為2811h，無霜期125d左右。多年平均降水量455mm左右，年均蒸發(fā)量為1561mm，約為降水量的3.5倍。

圖1 大同市地理位置

1.2 計算方法和相關系數(shù)確定

1.2.1 參考作物蒸發(fā)蒸騰量

本文采用FAO-56推薦的Penman-Monteith公式計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量[8]：

式中，ETo為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm·d-1；Rn為凈輻射，MJ·m-2·d-1；G為土壤熱通量，MJ·m-2·d-1；u2為2m高度處風速，m·s-1；es為平均飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa·℃-1；γ為濕度計常數(shù)，kPa·℃-1。

1.2.2 作物需水量

本研究采用FAO-56推薦的方法計算作物需水量，計算公式：

ETc=Kc×ET0

式中，ETo為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm;Kc為作物系數(shù)。

1.2.3 作物生長階段

本研究作物生長階段的確定采用FAO-56推薦方法，將作物生長發(fā)育階段劃分為以下4個階段:生長初期為從玉米種植日起到地面覆蓋率達到10%為止;快速發(fā)育期為從覆蓋率達到10%有效全面覆蓋為止;生長中期為從完全覆蓋到開始成熟為止;生長后期為開始成熟開始到玉米完全成熟為止[9]。本文中將玉米生育期劃分為播種期-七葉期，七葉期-抽雄期，抽雄期-乳熟期，乳熟期-成熟期[10]。根據(jù)大同地區(qū)氣候條件以及文獻查詢確定各階段的作物系數(shù)和日期如表1[11]所示。

表1 作物系數(shù)

1.2.4 灌溉需水量

本文采用農(nóng)田水量平衡法計算作物灌溉需水量[12]。

農(nóng)田里有地壟和保護行，因此徑流量可以忽略，且一般地下水位較深(一般在30m以下)，地下水補給量可以忽略不計，另外由于土壤水分變化不明顯，ΔW也可忽略不計，因此作物生長所需水分主要由農(nóng)田灌溉水和降水來供應，水量平衡方程式可以簡化為[13]：

I=ETc-Pe

(1)

式中，ETc為作物生育期內(nèi)某時段的需水量，mm；Pe為時段內(nèi)有效降水量，mm；I為時段內(nèi)灌溉水量，mm。

根據(jù)文獻查找，式中有效降雨量Pe計算公式為[14]：

Pe=αP

式中，Pe為有效降雨量，mm；α為有效降雨系數(shù)；P為一次降雨量，mm；當P≤5mm時，α=0；當5mm100mm時，α=0.6。

1.3 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)所采用的3個站點1960—2020年60a逐日氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，分別是大同、靈丘、天鎮(zhèn)站，具體包括最高氣溫、最低氣溫、平均相對濕度、降水量、平均風速、日照時數(shù)等。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel進行數(shù)據(jù)整理計算與分析，且應用Arcgis采用克里金插值法對研究區(qū)域ET0以及灌溉需水量做空間分析。

2 結果與分析

2.1 年均ET0變化過程

圖2為山西大同地區(qū)1960—2020年3個站點年均ET0變化趨勢，由圖2可知，年均ET0主要在883～1108mm變化，60a平均ET0為998mm;最小年份出現(xiàn)在1964年為883mm，最大年份出現(xiàn)在1972年為1108mm。60a的整體變化趨勢不大，但進一步線性回歸分析近年來呈現(xiàn)下降趨勢。

圖2 1960—2020年大同地區(qū)年均ET0變化趨勢

2.2 ET0的空間變化特征

在各氣象站點ET0多年平均值計算的基礎上，應用ArcGIS的克里金空間插值方法，繪制了大同地區(qū)年際ET0的空間分布特征如圖3所示。由圖3可以看出，研究區(qū)域的年均ET0分布特點為由東南到西北遞增趨勢，其最大值出現(xiàn)在北部，年均1035mm，最小值為933mm,在靈丘附近，其主要原因是北部年均風速偏高，致使平均相對濕度偏小。

圖3 年均ET0的空間分布特征

2.3 ETC、Pe、I變化

表2為大同地區(qū)1960—2020年春玉米生育期內(nèi)ETC、Pe、I的變化，其平均值分別為448.72mm、250.2mm、215.02mm。

表2 1960—2020年春玉米生育期內(nèi)ETC、Pe、I變化

由表2可以得到，大同地區(qū)春玉米生育期多年平均需水量在448.72mm，變化范圍在399～500.8mm。春玉米生育期內(nèi)需水量呈現(xiàn)先上升后減小趨勢，在7月需水量最大,平均值為128.2mm，其他月份需水量表現(xiàn)為6月>8月>5月>9月，其中6月和8月需水量相差不大，分別為111.5mm和110.4mm。春玉米生育期內(nèi)的有效降雨量平均最大值在7月，為85.64mm，其也表現(xiàn)為先增大后減小趨勢。

春玉米生育期灌溉需水量多年平均值為215.02mm，變化范圍在82.2～382.25mm，春玉米生育期內(nèi)灌溉需水量呈現(xiàn)趨勢與需水量變化規(guī)律一致,其最大灌溉需水量在6月,為68.6mm。圖4是大同地區(qū)春玉米生育期內(nèi)各月灌溉需水量分布柱狀圖，總體來看，1965年整個生長季灌溉需水量最多，主要集中在6—8月；1988年整個生長季灌溉需水量最小，主要灌溉需水量集中在6月。春玉米生長季灌溉需水量表現(xiàn)為6月>7月>8月>5月>9月，這是由于6—8月是春玉米的生長旺盛時期，對水分的需求量更大，而6月降水量少，但日照時數(shù)長、氣溫偏高，春玉米的水分流失更快，因此灌溉需求力度更大；雖然7月、8月需水量也較大，但是其降水量也大，因此灌溉需水量小于6月。從1960—2020年來看，灌溉需水量的年際變化波動較大，沒有持續(xù)下降或上升趨勢，這是由于年與年之間的降水量、日照時數(shù)、氣溫等氣象要素變化較大，從而會影響灌溉需水量。

圖4 大同地區(qū)春玉米生長季各月灌溉需水量分布圖

2.4 春玉米灌溉需水量的空間變化

本文在計算大同地區(qū)3個站點60a春玉米灌溉需水量的基礎上，利用Arcgis通過應用克里金插值法，根據(jù)灌溉需水量繪制出大同地區(qū)多年以及生育期內(nèi)各月灌溉需水量的空間分布圖，如圖5～10。

由圖5可以看出，大同地區(qū)灌溉需水量的多少呈帶狀分布，但分布并不均勻，總體來看，由東南向西北遞增趨勢，在大同西北地區(qū)春玉米灌溉需水量明顯增加，在大同站點周圍春玉米灌溉需水量達到最大等級，其大于236mm，而靈丘站點周圍則是最小等級。究其原因，大同地區(qū)由西北到東南，氣候特征不一樣，西北區(qū)域的平均風速更高，降水量更少，氣候更干燥，春玉米的蒸散量更大；而東南地區(qū)山區(qū)面積大，氣溫相對低，降水量較多，有山脈的阻擋，風速較小，因此氣候相對濕潤，春玉米的蒸散蒸騰作用相對較小，使得此區(qū)域的春玉米灌溉需水量更小。正是由于上述原因，大同地區(qū)春玉米多年的灌溉需水量的空間分布呈現(xiàn)由東南到西北遞增趨勢。

圖6～10是大同地區(qū)春玉米生育期內(nèi)不同月的灌溉需水量的空間分布圖，由圖中可以得出，其空間變化規(guī)律與多年灌溉需水空間分布特征大致相同，分布特征均是由東南到西北遞減趨勢。但在5月春玉米生育期灌溉需水量空間分布圖可以看出，天鎮(zhèn)站的灌溉需水量與大同站在一個等級，灌溉需水量均大于44.1mm，分析發(fā)現(xiàn)天鎮(zhèn)站5月的降水量相對更低，因此灌溉需水量更大。

圖5 大同地區(qū)多年灌溉需水量空間分布圖

圖6 大同地區(qū)5月灌溉需水量空間分布圖

圖7 大同地區(qū)6月灌溉需水量空間分布圖

圖8 大同地區(qū)7月灌溉需水量空間分布圖

圖9 大同地區(qū)8月灌溉需水量空間分布圖

圖10 大同地區(qū)9月灌溉需水量空間分布圖

3 結論

通過對大同地區(qū)多年的ET0計算與分析，以及對大同地區(qū)春玉米生育期內(nèi)作物需水量以及灌溉需水量研究，得出以下結論。

利用Penman-Monteith公式計算得到的研究區(qū)1960—2020年的ET0，年均ET0主要在883～1108mm變化，60a平均ET0為998mm，且呈現(xiàn)下降趨勢；進一步用克里金法插值，大同地區(qū)的年均ET0空間分布特點為由東南低西北高。

1950—2020年大同地區(qū)春玉米生育期內(nèi)需水量范圍為399～500.8mm，平均值為448.72mm;有效降雨量為108.24～444.24mm，平均值為250.2mm；大同地區(qū)春玉米生育期內(nèi)需水量、有效降雨量均呈現(xiàn)先上升后減小趨勢。

根據(jù)農(nóng)田水量平衡公式，計算得出大同地區(qū)春玉米灌溉需水量，進一步分析得出其空間分布特征。春玉米生育期灌溉需水量多年平均值為215.02mm，變化范圍在82.2～382.25mm，呈現(xiàn)規(guī)律為先增大后減小趨勢；其空間分布特征呈帶狀分布，但分布并不均勻，總體來看，由東南向西北遞增趨勢，且在生育期各月的灌溉需水量空間分布特征與多年的大體一致。