山西省典型糧食作物水分生態適應性研究

職微微 李平春 李夢娜 祁云蛟 陳 阜 雷永登*

(1.中國農業大學 農學院,北京 100193;2.農業農村部農作制度重點實驗室,北京 100193)

2001—2021年，我國因干旱導致的作物受災面積達農作物總播種面積的9%以上，且旱災仍呈加劇發展趨勢[1]。《中國水資源公報》[2]發布的數據顯示，農業用水占我國總用水量的61%，農田灌溉用水是主要的農業用水。“十年九旱”是山西省常態，區域有效降水和灌溉水資源不足，是限制其農業經濟發展的重要因素[3]。統計顯示，農田灌溉用水占山西省總用水量的58%，而有效灌溉面積僅占總耕地面積的27%，充分且高效地利用自然降水及灌溉水對于減輕山西省農業灌溉用水壓力意義重大[4]。研究作物生育期水分虧缺是確定灌溉用水的重要基礎[5-6]。分析作物生育期水分供需特征及水分生態適應性規律，可有效提高作物的水分利用效率，促進干旱缺水地區農業水資源高效可持續利用[7-10]。

作物水分虧缺指數可較好地反映氣候及土壤狀況對作物的綜合影響，能夠真實地表現出作物的水分虧缺情況[11]。進一步分析作物生育期內的水分生態適應性對有效保持水土、克服水分虧缺具有重要意義[12]。為此，王龍昌等[13]對黃土丘陵區旱地作物的水分生態適應性進行了系統的評價，結果表明，谷子的水分生態適應性優于馬鈴薯。雖然對于作物干旱指標的研究已較為普遍，但是針對山西省典型糧食作物的水分生態適應性定量評價和對比研究鮮有報道。本研究基于1980—2018年山西省28個國家標準氣象站點的逐日氣象資料，采用Penman-Monteith公式，分析典型糧食作物的水分消耗情況,在此基礎上定量計算作物生育期內的水分虧缺及生態適應性指數，旨在探究山西省糧食作物的水分供需及水分生態適應性特征，以期為優化山西省糧食作物種植結構提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

山西省地處中緯度地帶， 34°34′～40°44′ N，110°14′～114°33′ E，總面積為15.67×106hm2，屬于溫帶大陸性季風氣候，疆域輪廓呈東北斜向西南的平行四邊形，山地、丘陵面積占全省總面積的80%[14]。山西省年降水量大約在400～650 mm，為典型的半干旱地區[15]。

1.2 數據來源

平均氣溫、降水量、相對濕度和日照時數等來自山西省28個國家標準氣象站點1980—2018年的逐日氣象資料；作物系數參考FAO-56《Irrigation and Drainage Paper》[16]并結合當地氣象數據進行校正；該研究涉及到的糧食作物為玉米、谷子和馬鈴薯，其生育期數據參考中國氣象數據共享網的中國農作物生長發育數據集及相關文獻[17-18]。

1.3 研究方法

采用Penman-Monteith公式及分段單值平均法[16,19]，計算3種糧食作物的需水量(ETc)并結合區域的氣象條件，對作物系數(Kc)進行校正；作物生育期內的有效降水量(Pe)以及灌溉需水量(IR)的計算參考相關研究的核算方式；采用氣象以及農業用水等研究中常用的水分虧缺指數(CWDI)和水分生態適應性指數(WEAI)定量分析3種典型糧食作物的水分生態適應性。

1.3.1有效降水量

有效降水量的計算采用美國農業部土壤保持局推薦的方法[20]：

(1)

式(1)中：Pe，有效降水量，mm/d；P，日自然降水量，mm/d。

1.3.2灌溉需水量

作物灌溉需水量的一部分可以由降水供給，為作物生育期內需水量與有效降水量的差值[21]：

(2)

式(2)中：IR，灌溉需水量，mm；ETc，作物需水量，mm；Pe，有效降水量，mm。

1.3.3水分虧缺指數

作物水分虧缺指數是常用的表征作物水分虧缺程度的指標，能夠真實地反映出作物的水分虧缺情況[22]：

(3)

式(3)中：CWDI，水分虧缺指數；ETc，作物需水量, mm；Pe，有效降水量，mm。

1.3.4水分生態適應性指數

水分生態適應性指數可反映作物水分生態適宜性的強弱，是評價旱地作物生態適應性的重要指標[23]。

(4)

式(4)中：WEAI，作物水分生態適應性指數；Raj，第a種作物第j生長期內的降水量，mm；ETaj，第a種作物在第j生長期內的需水量，mm；Waj，第a種作物在第j生長期內的權重系數的計算方法如下：

(5)

式(5)中：∑ETa，第a種作物在各生長期需水量之和，mm。

1.4 統計方法

采用R語言計算作物的有效降水量、灌溉需水量、水分虧缺指數及水分生態適應性指數；采用ArcGIS 10.4中的反距離權重法進行空間插值分析；采用Microsoft Excel 2013進行數據的后期整理與作圖。

2 結果與分析

2.1 典型糧食作物水分供需特征

2.1.1典型糧食作物Kc系數

由表1可知，校正后晉南地區的馬鈴薯全生育期的Kc最高，在該地區Kc最低的為谷子。整體來看，山西省典型糧食作物全生育期的Kc由高到低表現為：馬鈴薯>玉米>谷子。

表1 山西省典型糧食作物的KcTable 1 Kc of typical grain crops in Shanxi Province

2.1.2典型糧食作物生育期內的水分供需特征

由表2可知，1980—2018年，玉米和谷子在生育期內作物需水量方面的表現基本一致：晉中地區(太原、呂梁、陽泉和晉中市)2種作物的需水量較低，均值分別為285.72 和285.67 mm，其他地區玉米和谷子的需水量較晉中地區分別高25.86和21.28 mm。馬鈴薯的作物需水量在晉南(臨汾、運城市)及晉東南地區(長治和晉城市)處于較低值，分別為271.31和290.22 mm，其他地區均較高。

表2 1980—2018年山西省典型糧食作物的水分供需情況Table 2 Water supply and demand of typical grain crops in Shanxi Province from 1980 to 2018 mm

谷子和玉米生育期內的有效降水量及作物需水量在山西省各地區有較好的耦合度，而馬鈴薯生育期內的需水量及有效降水量的耦合度較差。3種糧食作物生育期內的有效降水量由高到低為：玉米(146.58 mm)>谷子(145.44 mm)>馬鈴薯(109.89 mm)，谷子和玉米生育期內的有效降水量在山西省各地區均高于馬鈴薯，馬鈴薯生育期內的需水量較高而有效降水量又不及谷子和玉米，因此，馬鈴薯在山西省各地區的種植均需補充灌溉用水。

由于谷子及玉米生育期內的需水量與有效降水量有較好的空間耦合性，因此，在運城市谷子和玉米生長季所需補充的灌溉用水量均高于馬鈴薯，分別需要補充272.22和270.04 mm。馬鈴薯生長季的有效降水、需水耦合度遠不及谷子和玉米，因此，在山西省大部分地區，馬鈴薯種植補充的灌溉需水量均遠高于玉米和谷子，尤其是在太原、忻州和朔州以及呂梁市。3種糧食作物生育期內所需補充的灌溉用水量由高到低為：馬鈴薯(248.96 mm)>玉米(239.26 mm)>谷子(237.23 mm)。

綜上，3種作物的需水量與有效降水均有一定的耦合度，除在運城市，玉米及谷子的灌溉需水量分別為270.04和272.22 mm，高于馬鈴薯的灌溉需水量(244.41 mm)，其他地區均低于馬鈴薯。馬鈴薯生育期內的有效降水無法滿足其全生育期生長的需求，在全省大部分地區均需要補充大量的灌溉用水。

2.1.3典型糧食作物水分虧缺指數

由表3可知，1980—2018年，山西省典型糧食作物生育期內水分虧缺指數最高和最低的分別是運城市的馬鈴薯(0.85)和陽泉市的谷子(0.73)。3種糧食作物的水分虧缺指數在全省由高到低為：馬鈴薯(0.78)>玉米(0.76)>谷子(0.75)。馬鈴薯在晉南和晉東南及呂梁地區，水分虧缺指數較高，其他地區，玉米的水分虧缺指數均稍高于谷子和馬鈴薯，谷子的水分虧缺指數在山西省各地方均保持較低且穩定的狀態。

表3 1980—2018年山西省典型糧食作物水分虧缺指數Table 3 Water deficit index of typical grain crops in Shanxi Province from 1980 to 2018

2.2 典型糧食作物水分生態適應性指數

由表4可知，3種作物水分生態適應性指數在全省由高到低表現為：谷子(1.22)>玉米(1.07)>馬鈴薯(0.77)。谷子在山西省的水分生態適應指數均高于玉米和馬鈴薯，馬鈴薯的水分生態適應性指數最低，尤其在運城市，馬鈴薯水分生態適應性指數僅為0.50，且在山西全省馬鈴薯的水分生態適應性均低于另外2種作物，谷子和玉米的水分生態適應性在山西省大部分區域相差較小。陽泉、長治和晉城市谷子的水分生態適應性指數較高，晉南地區馬鈴薯的水分生態適應性較低，而玉米在山西省各地方的水分生態適應性指數較穩定，處于三者中值。

表4 1980—2018年山西省典型糧食作物水分生態適應性指數Table 4 Water ecological adaptability index of typicalgrain crops in Shanxi Province from 1980 to 2018

3 討 論

玉米是山西省播種面積占比最大的作物[24]，谷子是該省特色糧食作物[25]，馬鈴薯作為主糧化戰略作物，且是山西省傳統農作物之一[26]，因此，本研究選取這3種典型糧食作物，對其在山西省各區域的水分供需特征進行定量分析，并在此基礎上進一步量化評價了作物水分虧缺度和水分生態適應性。

山西省屬于濕潤半濕潤氣候向半干旱氣候的過渡地帶，各地降水差異明顯，總趨勢為晉南向晉北遞減[27]，1978—2019年，晉北降水略有增加，晉北以南地區降水在減少[28]。由于周計偉[27]分析的是山西省全年自然降水情況，而本研究是關于3種作物生育期內的降水量在山西省各地的表現情況，因此，本研究關于山西省各地作物生育期內的有效降水分布情況與其研究存在一定差異。在作物系數方面，FAO-56《Irrigation and Drainage Paper》[16]公布的作物Kc為無水分脅迫、高管理水平等理想條件下的參考值[16]，因此，本研究結合山西省氣象數據，對3種作物生育期內的Kc進行了校正，結果均小于參考值，這與史夢霞等[29]研究結果基本吻合。根據河北省當地氣象條件對夏玉米的Kc進行校正，結果表明，1999—2018年，河北省夏玉米全生育期Kc為0.85，其結果同樣低于FAO-56《Irrigation and Drainage Paper》[16]公布的參考值。在作物水分供需方面，劉鈺[19]對中國主要作物灌溉需水量空間分布特征進行分析，得出玉米灌溉需水量要小于馬鈴薯，這與本研究的結果一致。本研究結果表明，山西省3種作物的水分虧缺指數由高到低表現為：馬鈴薯(0.78)>玉米(0.76)>谷子(0.75)，因馬鈴薯種植需要補充大量的灌溉用水，所以其水分虧缺情況比玉米和谷子嚴重。水分生態適應性方面，3種作物的水分生態適應性指數由高到低表現為：谷子>玉米>馬鈴薯，王龍昌[7]對黃土丘陵區旱地作物的水分生態適應性進行定量評價，結果表明，谷子的水分生態適應性指數高于馬鈴薯，與本研究結果基本一致。

高耗水作物播種面積大且灌溉用水占比高是導致農業水資源短缺的主要原因[30]。玉米在山西省播種面積占比最大，且在大部分地區的水分虧缺度較高，因此適當減少玉米的播種面積有助于減輕農業灌溉用水的壓力。谷子的灌溉需水量及水分虧缺指數在山西省各地均保持較低且穩定的狀態，水分生態適應性最高，因此可以考慮適當增大谷子的播種面積。馬鈴薯灌溉需水量較高，且在晉南地區水分虧缺較嚴重，為0.85，明顯高于晉北、晉中及晉東南地區的均值0.78，水分生態適應性差，為此應嚴格控制缺水地區馬鈴薯的種植面積。因未獲取山西省所有作物的生育期數據，本研究僅重點分析了該省3種典型糧食作物的水分生態適應性，今后可以考慮更多類別的糧食及經濟作物，從而為山西省種植結構調整提供更加全面的參考。

4 結 論

山西省3種作物在生育期內的有效降水無法滿足3種作物生長發育的需求。馬鈴薯生育期內所需補充的灌溉用水量最大，為248.96 mm，高于玉米239.26 mm及谷子237.23 mm。3種作物的水分虧缺指數由高到低為：馬鈴薯(0.78)>玉米(0.76)>谷子(0.75)；除晉南、晉東南地區，其他地區的作物水分虧缺指數均表現為玉米最高，谷子最低。山西省3種作物的水分生態適應性指數由高到低為：谷子(1.22)>玉米(1.07)>馬鈴薯(0.77)，各地谷子的水分生態適應性指數均較高。為緩解山西省農業干旱缺水現狀、提高作物種植的水分生態適應性，應適當減少玉米的種植范圍，增加谷子的播種面積，同時應適當控制呂梁市馬鈴薯的種植規模。