山西省冬小麥需水量與氣象因素的關聯性

摘要：為了對冬小麥灌溉進行科學指導，綜合分析了山西省冬小麥需水量、缺水量和水分盈虧指數的年際變化，采用改進的灰色關聯分析法對山西省冬小麥需水量與各氣象因素間的關聯度進行分析。結果顯示，1973—2020年，山西省冬小麥需水量為460.25～600.76 mm，缺水量為247.59～493.41 mm，水分盈虧指數為0.53～0.89。中部地區最高氣溫、水面蒸發量、日照時間與冬小麥需水量的關聯度排前三位，分別為0.907、0.874和0.861；南部地區最高氣溫、日照時間、風速與冬小麥需水量的關聯度排前三位，分別為0.889、0.873和0.864；全域范圍內，水面蒸發量、降水量和日照時間與冬小麥需水量的關聯度排前三位，分別為0.892、0.887和0.851，表明這三者對冬小麥需水量的影響最明顯。

關鍵詞：冬小麥；需水量；氣象因素；關聯性分析；山西省

中圖分類號：S512.1+1；S162.5+3" " " " "文獻標識碼：A" " 文章編號：0439-8114（2025）02-0001-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2025.02.001 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： To provide scientific guidance for winter wheat irrigation， the inter-annual variations of water requirement， water deficit and water profit and loss index of winter wheat in Shanxi Province were comprehensively analyzed， and the correlation between water requirement of winter wheat and various meteorological factors in Shanxi Province was analyzed by the improved grey correlation analysis method. The results showed that from 1973 to 2020， the water requirement for winter wheat in Shanxi Province was 460.25～600.76 mm， the water deficit was 247.59～493.41 mm， and the water profit and loss index was 0.53～0.89. The maximum air temperature， water surface evaporation and sunshine duration ranked the top three in the correlation with winter wheat water demand in the central region， with correlation degrees of 0.907， 0.874 and 0.861， respectively. The maximum air temperature， sunshine duration and wind speed ranked the top three in the correlation with winter wheat water demand in the southern region， with correlation degrees of 0.889， 0.873 and 0.864， respectively. The water surface evaporation， precipitation and sunshine duration ranked the top three in the correlation with winter wheat water demand across the entire region， with correlation degrees of 0.892， 0.887 and 0.851， respectively. These three factors had the most significant impact on the water demand of winter wheat.

小麥（Triticum aestivum L.）作為中國主要的糧食作物，其高質量生產是促進經濟發展的重要基礎。特定氣候和農業管理條件可使冬小麥獲得更高的產量，且能保護土壤、增強其抗蟲害能力［1］。其中，需水量顯著影響冬小麥的生長。冬小麥需水量是指在適宜的生育水平下，整個生育期的葉片蒸騰量和植株之間蒸騰耗水的總和［2］。需水量的確定是冬小麥灌溉時間和灌溉水量的重要依據，但這些因素會隨著氣候變化受到影響。氣溫的升高、降水的變化以及極端天氣的頻發都會直接或間接地改變冬小麥的需水量，從而影響其生長和產量［3］。因此，在農業灌溉管理中，準確了解冬小麥的需水量及其對氣候變化的響應，對優化灌溉策略、提高水資源利用效率具有重要意義，也有助于增強農業生產的適應性，保障糧食生產的穩定性。較多學者對小麥需水量展開了研究。莫昱晨等［4］利用Penman-Monteith公式和作物系數法對黃淮海流域的冬小麥和夏玉米的需水量進行了測定，具有一定的實際意義。王志東等［5］基于Penman-Monteith公式與GIS空間分析功能對新疆維吾爾自治區作物需水量與毛灌溉需水量的時空分布特征展開了分析，驗證了其時空差異。廖晉一等［6］以河北省為例，通過Sentinel-1A雷達影像反演灌區的土壤墑情以修正作物系數，進而確定其需水量。上述研究雖提供了重要的參考數據，但在考慮氣候變化對農業生態系統整體影響方面有所不足。為了彌補這一不足，本研究綜合分析山西省冬小麥需水量、缺水量和水分盈虧指數的變化，采用方差改進的灰色關聯分析方法探究山西省氣象因素與冬小麥需水量之間的關聯性，旨在為農業灌溉管理提供科學依據，確保糧食安全和農業可持續發展。

1 研究區概況

山西省面積為15.67萬km2，位于黃河中游東岸。地形為狹長的平行四邊形，太行山、呂梁山分列東西，山區占80.1%，平原、河谷占19.9%［7］。大部分地區海拔在1 500 m以上。氣候為中溫帶和暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，南北溫差大，年降水量377.6～600.2 mm，集中于夏季［8，9］。河流屬自產外流型，跨黃河、海河兩大水系。土壤以褐土為主，生物資源豐富。山西省南部和中部部分地區土壤肥沃，水熱條件優越，主要種植冬小麥［10］，北部因緯度高，農業氣候條件較差，冬小麥種植受到阻礙。因此，以山西省中部和南部的冬小麥為主要研究對象。圖1為山西省主要河流和氣象站點的分布情況。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

采用1973—2020年的逐日氣象數據，涵蓋了多個關鍵氣象指標，數據主要來源于中國氣象數據網。所選用的氣象數據可分析氣候變化對某些特定區域的影響，揭示長時間氣象變化趨勢［11，12］。在山西省境內，氣象站點的布設綜合考慮了各種因素，以確保站點的均勻分布，詳見圖1。冬小麥生長期資料來自山西省氣象局和灌溉所，記錄了冬小麥在各生長階段的氣候需求和生長特征。作物系數數據主要來源于山西省灌溉研究所。為了反映不同季節對作物生長和需水量的影響，采用氣象季節定義劃分季節。

2.2 研究方法

2.2.1 冬小麥需水量指標構建 準確計算冬小麥需水量對農業生產和水資源管理至關重要，其計算方法主要包括實測法和作物系數法。盡管前者可以直接測量土壤中水分含量，但由于觀測難度較大、操作復雜且準確率較低，實用性受到限制。后者通過結合作物生長周期的不同階段與氣象數據，利用標準化的作物系數來估算需水量。這種方法相對簡便且準確性較高，有助于優化農業灌溉管理，適用于大規模區域的農業需水量評估［13-15］。因此，本研究選擇作物系數法計算冬小麥需水量。此外，僅觀察冬小麥需水量的變化具有一定的局限性，無法全面反映復雜的氣候變化對農業生態系統的整體影響。因此，為了更精準地分析冬小麥需水量，引入了缺水量指標和水分盈虧指數。首先，利用Penman-Monteith公式計算冬小麥需水量，如式（1）所示。

式中，ETC、ET0分別表示冬小麥需水量和參照作物需水量；KC表示冬小麥作物系數；[Δ]主要反映溫度變化對水氣壓的影響；Rn表示作物表面吸收和散失的凈能量；G表示土壤熱通量，可表征土壤表層的熱交換；ea表示飽和水汽壓，即空氣在特定溫度下的最大水汽含量；ed表示實際水汽壓，即空氣中實際存在的水汽含量［16，17］；Ta表示在2 m高度處的日平均氣溫，反映了冬小麥生長環境的溫度條件；γ表示干濕表常數，主要用于修正濕度對蒸發的影響；μ表示在2 m高度處的風速。冬小麥的作物系數和生長期見表1。

冬小麥缺水量指冬小麥生長期內逐日需水量與有效降水量的差值，其計算式如式（2）所示。

式中，I為缺水量，當其取值為0時，說明在整個生長期內，水分供給達到了平衡狀態，沒有出現缺水情況；Pe表示實際降水中能夠被冬小麥有效利用的部分；α表示土壤的水分入滲能力；P表示實際降水量。冬小麥水分盈虧指數計算式如式（3）所示。

式中，CWDI表示水分盈虧指數，取值范圍為" " -1～1，當其取值為0時，表明冬小麥需水量和有效降水量保持平衡。

2.2.2 關聯分析方法 灰色關聯分析因對樣本數量和統計規律無特殊要求而備受關注，被廣泛應用于社會、管理、經濟、農業、工業、交通等領域。其通過線性插值將相鄰點連接，將離散數據轉化為連續折線，以便準確分析數據間的關聯性，因此適用于冬小麥需水量與氣象因素的關聯性分析。傳統關聯度雖能體現整體關聯性，但無法反映結果間的相互影響與抵消，難以體現序列間的波動性［18，19］。為此，本研究利用方差概念，提出改進的關聯度分析方法，以更好地反映數據波動性，提高評價結果的準確性。假設原始數據序列為X0、Xi，序列元素為[x0k]、[xik]，序列均值為[x0]、[xi]，則有式（4）。

式中，[ξx0（k），xi（k）]表示序列[X0]和[Xi]的方差關聯系數；[δ]表示分辨系數；[Δ]表示序列[X0]和[Xi]的方差。序列[X0]和[Xi]的方差灰色關聯度如式（5）所示。

式中，[n]表示序列元素的總數；[εX0，Xi]表示序列[X0]和[Xi]的方差灰色關聯度，取值范圍為0～1，值越大，表明數據序列關聯性越大［20］。方差概念的引入，能夠較好地解釋氣象因素數據的波動性，對提升評估結果的準確性具有較大幫助。

3 結果與分析

3.1 冬小麥需水量、缺水量和水分盈虧指數變化

由圖2可知，1973—2020年山西省冬小麥的需水量為460.25～600.76 mm，缺水量為247.59～493.41 mm，水分盈虧指數為0.53～0.89。可以看出，研究期間冬小麥的需水量和缺水量均存在較大變化，反映了氣候條件對作物生長的影響。1973年，各項指標均最低，該年的降水量較為異常。水分盈虧指數反映了實際水分供給與作物需水量之間的關系，其年際波動明顯。1973—2020年，水分盈虧指數有80%的時間集中在0.6～0.8，表明大部分年份中冬小麥的水分供需狀況相對穩定，缺水情況不算嚴重，但一些年份也存在明顯的水分盈虧。此外，1973年的降水量異常高，導致當年的作物需水量和缺水量較低，同時水分盈虧指數也達到最低值。

3.2 冬小麥需水量與各氣象因素的相關性

由表2可知，全域范圍內，冬小麥需水量與各氣象因素的關聯度均在0.700以上，因此均存在一定的關聯性。其中，水面蒸發量、降水量、日照時間與冬小麥需水量的關聯度分別為0.892、0.887和0.851，排前三位，表明這3個氣象要素對冬小麥的水分需求影響較顯著。在中部地區，最高氣溫、水面蒸發量、日照時間與冬小麥需水量的關聯度分別為0.907、0.874和0.861，排前三位。在南部地區，最高氣溫、日照時間、風速與冬小麥需水量的關聯度分別為0.889、0.873和0.864，排前三位，由此可知冬小麥需水量主要受這三者的影響。不同區域的關聯度排序結果顯示，不同氣候條件下冬小麥水分供需關系具有復雜的變化規律，不同氣象因素在不同區域對冬小麥生長水分需求的影響存在明顯差異。

圖3為山西省冬小麥需水量與降水量、水面蒸發量和日照時間的相關關系。冬小麥需水量與降水量擬合直線的截距為431.13±62.35，斜率為-0.07±0.10（圖3a），表明二者之間存在一定的負相關性，冬小麥需水量隨降水量增加有所減少，即每增加1 mm的降水量，需水量減少0.07 mm，反映了降水量對需水量的抑制作用。冬小麥需水量與水面蒸發量擬合直線的截距為272.40±26.76，斜率為0.20±0.04（圖3b），表明需水量隨水面蒸發量的升高而增加，水面蒸發量每上升1 mm，需水量增加0.20 mm，表明冬小麥的需水量隨著水面蒸發量的增加而增加。這意味著在蒸發量較大的條件下，冬小麥為了維持生長，需要更多的水分。水面蒸發量是影響作物需水量的重要氣象因素。蒸發量的增加意味著更高的溫度或更干燥的空氣條件，會增加作物的蒸騰率，從而增加對水分的需求。因此，這進一步驗證了最高氣溫對需水量有顯著促進作用，氣溫越高需水量越大，也反映了較高溫度下冬小麥的蒸騰作用更強。冬小麥需水量與日照時間擬合直線的截距為3.91±0.13，斜率為0.000 3（圖3c），表明二者間存在正相關關系，斜率雖然較小，但仍表明較長的日照時間會導致需水量增加。日照時間越長，需水量越高，但關系不如水面蒸發量對需水量影響明顯。由此可知，冬小麥需水量主要受水面蒸發量和日照時間的正相關影響，受降水量的負相關影響，特別是水面蒸發量的變化對需水量影響最明顯。

3.3 冬小麥生育期作物系數的年際變化

圖4為1981—2020年山西省冬小麥生育期作物系數的年際變化，體現出冬小麥需水量與氣象因素的關聯性。由圖4可知，隨著田間管理措施的改善，冬小麥作物系數明顯上升，需水量也隨之增加。20世紀80年代冬小麥在充分供水條件下的作物系數均值為0.75，90年代上升至0.81，2001—2010年增加至0.82，2011年之后增長至0.86。1981—2020年作物系數增長了11.59%，多年平均值為0.80。這一變化趨勢表明，隨著氣象條件的波動和農業技術的進步，冬小麥對水資源的需求發生了明顯變化。一般情況下，作物系數在穩定的氣候環境下保持相對穩定。作物系數的上升反映了農業技術和管理水平的提升，同時也從側面反映了氣象因素對冬小麥生長的影響。結合氣象因素和冬小麥需水量，作物系數的變化顯示出現代農業技術在提高作物產量和水資源利用效率方面的積極作用。

4 結論

為了實現對山西省冬小麥的科學灌溉，本研究從冬小麥需水量與氣象因素之間的關聯角度出發，創新性地綜合了需水量、缺水量和水分盈虧指數，并提出方差改進的灰色關聯分析方法。結果顯示，1973—2020年，山西省冬小麥作物需水量為460.25～600.76 mm，缺水量為247.59～493.41 mm，水分盈虧指數為0.53～0.89，水分盈虧指數有80%的時間集中在0.6～0.8。該結果表明，冬小麥在山西省種植的需水量和缺水量存在較大波動，而水分盈虧指數在長時間尺度上表現出一定的穩定性，但在年際間會有波動，表明大部分年份內水分供應相對均衡。山西省全域范圍內，水面蒸發量、降水量和日照時間與冬小麥需水量的關聯度分別為0.892、0.887和0.851，排前三位，表明這三者是影響冬小麥需水量的重要氣象因素。中部地區，最高氣溫、水面蒸發量和日照時間與冬小麥需水量的關聯度分別為0.907、0.874和0.861，表明該區域的需水量受最高氣溫影響最大，高溫會增加蒸騰作用，進而增加需水量。南部地區，最高氣溫、日照時間和風速與冬小麥需水量的關聯度分別為0.889、0.873和0.864，風速在南部地區對需水量的影響比中部地區更明顯，風速的增加會加速水分的蒸發，從而提高需水量。冬小麥需水量與水面蒸發量、日照時間呈正相關，與降水量呈負相關，表明在氣溫和光照較高的年份需水量增加，而降水量較多時需水量減少。由此可知，山西省冬小麥生長期內氣象條件差異明顯，尤其是水面蒸發量、日照時間和降水量等關鍵氣象因素的變化直接影響了冬小麥的蒸騰作用和水分供需平衡，導致需水量和缺水量的波動較大。

本研究所提方法能夠通過缺水量指標和水分盈虧指標實現對冬小麥的需水量分析，具有有效性。基于上述數據分析，為了有效緩解冬小麥種植中的缺水問題，提高農業生產的穩定性，建議在冬小麥缺水嚴重的地區采取以下政策措施：調整種植結構，在嚴重缺水地區改種需水量較小的作物如玉米和谷子；優化灌溉管理，根據需水量和氣象因素變化科學制定灌溉計劃，特別是在高溫和長時間日照下應加大灌溉力度；引進抗旱品種，推廣種植抗旱性較強的冬小麥品種，提高作物對氣候變化的適應能力；加強氣象監測和預警，利用現代氣象監測手段及時預警極端天氣事件，提前采取防范措施，減少對冬小麥生長的不利影響。本研究的局限在于，未探討冬小麥需水量在一年中的微觀變化，未來將從此點出發進行深入分析。本研究的主要創新點在于首次綜合了需水量指標、缺水量指標和水分盈虧指數，并提出方差改進的灰色關聯分析方法。同時，通過這一創新方法，系統地分析了氣象因素對山西省冬小麥需水量的影響，以期為山西省冬小麥灌溉提供更精確的指導。

參考文獻：

［1］ 欒 青，郭建平，馬雅麗，等.山西省主要糧食作物氣候資源利用率評估［J］.生態學雜志，2021，40（5）：1386-1396.

［2］ WANG Y， ZHANG X， SHI J， et al. Climate change and its effect on winter wheat yield in the main winter wheat production areas of China［J］. Chinese journal of eco-agriculture， 2022， 30（5）： 723-734.

［3］ 王 潔，姚懷柱，梁 森，等.江蘇省冬小麥需水量時空變化特征及氣候影響因素分析［J］.節水灌溉，2024（5）：107-114.

［4］ 莫昱晨，鮑振鑫，宋曉猛，等.1961—2017年黃淮海流域主要農作物需水量和缺水量時空演變研究［J］.華北水利水電學院學報，2022，43（1）：49-60.

［5］ 王志東，程 銳，宋 妮，等.基于GF-1衛星數據和P-M方法的灌溉需水量空間格局研究［J］.灌溉排水學報，2021，40（6）：105-112.

［6］ 廖晉一，雷 波，蘇 濤，等.基于遙感修正作物系數的冬小麥需水量預測［J］.節水灌溉，2023（3）：48-52.

［7］ 鐘 融，任永康，王培如，等.晉南地區冬小麥生育期氣候變化特征及其對產量的影響［J］.生態學雜志，2022，37（1）：123-128.

［8］ 張 銳，張高斌，黃明斌.黃土高原晉南旱塬長時間序列冬小麥產量與水量平衡要素動態變化［J］.水土保持研究，2023，30（2）：142-148.

［9］ 馬明明，李迎春，薛 澄，等.中國冬小麥品質時空變異特征及關鍵氣象因子分析［J］.麥類作物學報，2023，43（1）：113-123.

［10］ 莊若南，李雨農，張占魁，等.麥收期連陰雨對信陽市小麥籽粒品質和產量影響分析［J］.氣象與環境科學，2024，47（1）：81-87.

［11］ 姬興杰，胡莉婷，胡學旭.中國小麥主產省不同筋型冬小麥品質形成的氣候條件分析［J］.麥類作物學報，2023，43（3）：379-390.

［12］ 李炳軍，張一帆.不同生育期氣候變化對河南省冬小麥產量影響的量化分析［J］.江蘇農業科學，2022，50（12）：238-246.

［13］ 付 華，李 猛，劉興舟，等.氣象因子與玉米產量及其構成因素的相關性分析［J］.作物研究，2023，37（4）：343-348.

［14］ 崔紅艷.基于CROPWAT 8.0的白城市農作物水足跡分析［J］.吉林農業科學，2021，46（4）：105-109.

［15］ ZHAO F， LEI J， WANG R， et al. Environmental determination of spring wheat yield in a climatic transition zone under global warming［J］. International journal of biometeorology， 2022， 66（3）： 481-491.

［16］ 叢 鑫，張立志，徐征和，等.水氮互作對冬小麥水肥利用效率與經濟效益的影響［J］.農業機械學報，2021，52（3）：315-324.

［17］ 宋鑫玥，劉勝堯，賈宋楠，等.條帶種植模式下微噴帶對冬小麥產量和耗水特性的影響［J］.灌溉排水學報，2021，40（1）：15-21.

［18］ 花佳程，朱永華，王振龍，等.淮北平原冬小麥作物系數的變化規律研究［J］.灌溉排水學報，2021，40（2）：118-124.

［19］ 李世峰，任海建，徐 云，等.近60年江蘇沿江地區冬小麥適宜播種期的變化［J］.上海農業學報，2021，37（1）：123-128.

［20］ 王正昌，滿建國，鄭冬曉.湖北省冬小麥生長季內農業氣候資源時空變化特征［J］.湖北農業科學，2022，61（S1）：121-127.

收稿日期：2024-08-23

基金項目：陽泉市氣象局科學技術研究項目“基于人影作業效果分析對盂縣人影作業最佳模式”（YQKYBFW20230004）

作者簡介：侯 洋（1987-），男，山西陽泉人，工程師，主要從事氣象方面的研究，（電話）13753338173（電子信箱）houyang_235@163.com。