山西省小麥需水量空間變化規律分析研究

韓娜娜，王仰仁，周青云，金建華，葉瀾濤，鄭志偉

(天津農學院 水利工程學院， 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，是我國的一個內陸省份。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，約為682 km。東西間距較短，約為385 km。境內地貌類型復雜多樣，有山地、丘陵、臺地、平原等。屬于溫帶大陸性季風氣候。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，季節分布不均，夏季6-8月降水相對集中，約占全年降水量的60%，且省內降水分布受地形影響較大。山西省現有耕地36 925萬hm2，主要糧食作物有小麥、高粱、玉米、豆類和薯類。根據2010年《山西省農村統計年鑒》的資料統計，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，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、長治、臨汾、晉城、運城等，其中運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站情況

山西省最早于20世紀50年代建立了8個灌區試驗站，開展了各種主要作物需水量與灌溉制度試驗。隨后全省一些灌區陸續成立了灌溉試驗站，最多時在1981年曾達到50余個[1]。目前，經過調整、充實，穩定在20個左右，本次小麥試驗成果分析主要參與的試驗站有：大同御河、呂梁地區的文峪河、晉中地區的瀟河和中心站、長治地區的黎城、臨汾地區的霍泉和汾西、運城地區的鼓水、夾馬口和紅旗試驗站。

2 分析方法

1995-2013年期間，各試驗站進行了大量的灌溉制度試驗和田間作物需水量試驗。試驗以控制作物生育期根系層土壤水分不同下限設置處理，單站年處理數一般在3～4個。對于田間作物需水量試驗，則以作物根系層土壤水分不低于田間持水量的60%～65%，且產量較高，確定作物需水量與需水規律[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度；以階段需水強度為依據，求得各站多年平均的作物階段需水強度；統計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，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1995年到2013年期間分布于全省的10個試驗站作物需水量田間試驗和灌溉制度試驗的資料，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種植春小麥，灌溉試驗站僅1個。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，冬小麥灌溉試驗站有9個。綜合這9個冬小麥灌溉試驗站的不同生育階段需水量的資料，并與春小麥的試驗資料進行對比分析，結果見圖1。

圖1 春小麥與冬小麥不同生育階段平均作物需水量對照圖

根據表1、表2和圖1分析可得，春小麥比冬小麥少了一個越冬階段，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律，都表現出從播種到收獲，階段的需水量呈遞增的趨勢，且春小麥在后期抽穗-灌漿及灌漿-收獲這兩個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間大約是在7月中下旬，而冬小麥的收獲時間大約是在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 山西不同地區冬小麥階段需水量對比分析圖

由圖2可以看出，山西地區冬小麥的種植區域從北向南(晉中、呂梁、長治、臨汾、運城)來看，除了長治地區，其他地區冬小麥從播種到收獲表現出來的規律基本相似，長治地區冬小麥在返青到越冬及越冬到拔節階段比其他地區需水量都大，這可能與長治黎城的試驗站所在的位置有關，該試驗站不像其他的試驗站位于盆地之中，而是位于一個海拔相對較高，且處于風口處，因此風速較大，作物需水量也較大。但是山西的地形高低起伏較大，長治地區的漳北試驗站代表了山西太行山地區一帶冬小麥的情況。從拔節(第5個階段)到收獲階段來看，晉中地區的階段需水量最大，依次是長治、臨汾、運城，基本上呈現出從南到北階段需水量遞減的變化規律。

3.2 全生育期小麥需水量分析

圖3是山西晉中、呂梁、長治、臨汾及運城地區冬小麥全生育期需水量，由圖可以看出，這幾個地區除了長治，其他的需水量都相差不大，主要原因還是長治黎城的灌溉試驗站所處的位置，風速加大，加大了作物的耗水量，因此作物需水量較大。圖3是根據一個地區統計各試驗站得到的平均情況。另外由表2可以看出，即使在同一地區，冬小麥全生育期的需水量在不同試驗站之間變化也較大，如晉中地區，有中心站和瀟河站，生長天數相同，但是這兩個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，而在實際計算過程中，忽略了地下水的補給，所以中心站計算的值可能比實際情況偏小。臨汾地區也有類似的情況，如霍泉和汾西，生長天數基本接近，由于汾西地區地下水埋深較淺，冬小麥的需水量也較小。

圖3 冬小麥全生育期需水量

3.3 氣象因子對小麥需水量的影響

根據各試驗站鄰近的氣象站近50的資料進行分析，選取了影響小麥作物需水量較大的氣象因子，如氣溫、風速、日照時數等進行了統計分析，分別計算了各地區小麥生育期內各氣象因子的平均值，計算與分析結果見表3和圖4。因為參考作物蒸發蒸騰量ET0采用彭曼蒙蒂斯公式計算，該公式綜合考慮了太陽輻射和風速等因素的影響，因此，分析了參考作物蒸發蒸騰量和需水量之間的關系，見圖5。

表3 山西不同地區小麥生育期內各氣象因子值

圖4 冬小麥生長天數與平均氣溫的關系

圖5 小麥日平均需水量與日平均ET0的關系

山西地區自晉中、呂梁、長治、臨汾到運城地區，基本上是從山西的北部到南部，冬小麥生育期內的平均氣溫自北向南逐漸增加，如晉中地區平均氣溫是5.7 ℃，而運城地區是10.2 ℃，隨之而來的是各地區冬小麥的生長天數也相應的發生了變化，氣溫低的地區，生長的天數相對較長，如晉中地區平均生長天數為258 d，而運城地區則約為236 d，兩地相差了20多d。山西南部運城地區收獲的時間為5月底到6月上旬，而山西晉中地區則在6月下旬，這也正好解釋了前面提到的在拔節到收獲階段，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小麥全生育期內日平均需水量與日平均參考作物需水量(ET0)之間的關系圖，因為ET0的結果已經包含了氣溫、日照時數、風速和濕度等氣象因子對其的影響。小麥的日均需水量隨著日平均氣溫的增大而增大，隨著日平均日照時數的增加而增加，隨著日平均風速的增大而增大，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。兩者之間的相關性較好，相關系數的平方為0.958，相關程度非常密切。說明氣溫、日照時數、風速和濕度等氣象因素對作物需水量的影響較大。

4 結 語

本文結合山西省小麥試驗站多年需水量的試驗數據及鄰近氣象站近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，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，便于應用，其結果在工程規劃設計及灌溉用水管理中得到廣泛應用。但是試驗年限畢竟系列較短，其作物需水量有可能偏豐或者偏枯，影響工程規劃設計精度。今后可以結合氣象資料和作物系數逐年計算作物需水量[3,4]，提高作物需水量的計算精度。

[1] 王仰仁,孫小平.山西農業節水理論與作物高效用水模式[M].北京：中國科學技術出社,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神經網絡與GIS可視化的作物需水量預測[J]. 2012,(7):13-16.

[4] 陶國通,王景雷,男紀琴，等.基于溫度的作物需水量估算方法[J].應用生態學報，2014,25(7)：2 019-2 025.