桑干河流域大同地區春玉米灌溉需水量時空變化研究特征

郭書婷

(內蒙古師范大學地理科學學院，內蒙古 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域，但該區域屬于半干旱地區和資源性缺水地區[2]，降水較少且加上長期的大規模發展種植業，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律進行分析，國內不少學者對作物灌溉需水量以及灌溉制度優化做了大量研究工作。張雷等[3]對鮮食甜玉米需水量、需水規律及節水灌溉制度進行研究，發現甜玉米需水量較小，需水強度呈現抽雄吐絲期>灌漿乳熟期>拔節期>苗期的規律。李志等[4]通過對蘇北地區冬小麥灌水量的研究，確定蘇北地區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作物的灌溉制度進行優化，以達到高產節水目的。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律進行研究，發現枯水年、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。杜斌等[7]在內蒙古河套地區進行大田試驗，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，較傳統灌溉分別節水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，但是研究區域大部分在山西省中南部區；而且通過對文獻的查閱，發現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，本文的研究區域為桑干河流域大同段，本文選取大同地區選取3個標準氣象站點60a氣象數據，計算且分析1960—2020年大同地區春玉米生育期內ETC、Pe、I，找出其變化規律，為該地區春玉米制定合理的灌溉制度提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

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℃，年均日照時數為2811h，無霜期125d左右。多年平均降水量455mm左右，年均蒸發量為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確定

1.2.1 參考作物蒸發蒸騰量

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

式中，ETo為參考作物蒸發蒸騰量，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，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為參考作物蒸發蒸騰量，mm;Kc為作物系數。

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]。根據大同地區氣候條件以及文獻查詢確定各階段的作物系數和日期如表1[11]所示。

表1 作物系數

1.2.4 灌溉需水量

本文采用農田水量平衡法計算作物灌溉需水量[12]。

農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為作物生育期內某時段的需水量，mm；Pe為時段內有效降水量，mm；I為時段內灌溉水量，mm。

根據文獻查找，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；P為一次降雨量，mm；當P≤5mm時，α=0；當5mm100mm時，α=0.6。

1.3 數據來源

研究區所采用的3個站點1960—2020年60a逐日氣象數據來源于中國氣象數據網，分別是大同、靈丘、天鎮站，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、日照時數等。

1.4 數據處理

采用Excel進行數據整理計算與分析，且應用Arcgis采用克里金插值法對研究區域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;最小年份出現在1964年為883mm，最大年份出現在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下降趨勢。

圖2 1960—2020年大同地區年均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1960—2020年春玉米生育期內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ETC、Pe、I變化

由表2可以得到，大同地區春玉米生育期多年平均需水量在448.72mm，變化范圍在399～500.8mm。春玉米生育期內需水量呈現先上升后減小趨勢，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。春玉米生育期內的有效降雨量平均最大值在7月，為85.64mm，其也表現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，春玉米生育期內灌溉需水量呈現趨勢與需水量變化規律一致,其最大灌溉需水量在6月,為68.6mm。圖4是大同地區春玉米生育期內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，沒有持續下降或上升趨勢，這是由于年與年之間的降水量、日照時數、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，根據灌溉需水量繪制出大同地區多年以及生育期內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，大同地區由西北到東南，氣候特征不一樣，西北區域的平均風速更高，降水量更少，氣候更干燥，春玉米的蒸散量更大；而東南地區山區面積大，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，使得此區域的春玉米灌溉需水量更小。正是由于上述原因，大同地區春玉米多年的灌溉需水量的空間分布呈現由東南到西北遞增趨勢。

圖6～10是大同地區春玉米生育期內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，分析發現天鎮站5月的降水量相對更低，因此灌溉需水量更大。

圖5 大同地區多年灌溉需水量空間分布圖

圖6 大同地區5月灌溉需水量空間分布圖

圖7 大同地區6月灌溉需水量空間分布圖

圖8 大同地區7月灌溉需水量空間分布圖

圖9 大同地區8月灌溉需水量空間分布圖

圖10 大同地區9月灌溉需水量空間分布圖

3 結論

通過對大同地區多年的ET0計算與分析，以及對大同地區春玉米生育期內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1960—2020年的ET0，年均ET0主要在883～1108mm變化，60a平均ET0為998mm，且呈現下降趨勢；進一步用克里金法插值，大同地區的年均ET0空間分布特點為由東南低西北高。

1950—2020年大同地區春玉米生育期內需水量范圍為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；大同地區春玉米生育期內需水量、有效降雨量均呈現先上升后減小趨勢。

根據農田水量平衡公式，計算得出大同地區春玉米灌溉需水量，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，呈現規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。