鲁中地区冬小麦水分盈亏及灌溉需水量的时空变化特征

环海军，杨再强，刘 岩，夏福华

(1.山东省淄博市气象局，山东 淄博 255048；2. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044)



鲁中地区冬小麦水分盈亏及灌溉需水量的时空变化特征

环海军1，杨再强2，刘 岩1，夏福华1

(1.山东省淄博市气象局，山东 淄博 255048；2. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏 南京 210044)

利用1980—2014年鲁中地区气象资料和冬小麦生育期资料，采用Penman-Monteith模型和单作物系数计算冬小麦各生育阶段需水量，利用美国农业土壤保持局推荐方法计算有效降水量、水分盈亏指数(CWSDI)和灌溉需水量，对冬小麦不同生育阶段的需水量、有效降水量、水分盈亏指数及灌溉需水量时空变化进行分析。结果表明：近35 a来，鲁中平原地区冬小麦全生育期需水量呈弱的减少趋势，山区呈增加趋势；拔节—乳熟期是需水量最大的阶段，呈减少趋势，强度中心在中部地区。有效降水量全生育期呈减少趋势，拔节—乳熟期呈增加趋势，强度中心在中部地区；除平原地区的越冬期外，其它生育阶段有效降水量呈减少趋势。CWSDI全生育期呈减少趋势，乳熟—成熟期减少幅度最大，自中部向南北两边递减。为满足冬小麦需水要求，全生育期平均灌溉需水量515 mm，呈上升趋势，强度中心在西部地区，拔节—乳熟期是灌溉需水量最大的阶段，呈减少趋势，返青—拔节期是增加趋势最明显的阶段。

冬小麦；需水量与有效降水；水分盈亏指数；灌溉需水量

引 言

近50 a来干旱有增强趋势[1-2]，农业旱涝主要由作物生育期降水异常和需水变化引起[3]，因此不少学者针对农作物生长期有效降水和需水量的变化规律进行了研究，庞艳梅等[4]研究表明，近50 a四川省玉米全生育期有效降水量和需水量呈下降趋势；李勇等[5]研究表明，长江中下游早稻和单季稻生育期有效降水量呈增加趋势，而需水量呈减少趋势；高晓容等[6]研究表明，东北玉米4个生育阶段及全生育期的需水量没有显著变化；张建平等[7]研究表明，未来气候变化情景下，东北三省玉米需水量距平百分率大多表现为增加趋势，未来水资源可能更趋于短缺状况。同时也有不少学者结合降水和作物需水量对农业旱涝的评估指标进行研究[3,8-15]，目前评估指标主要有2类：一是降水量指标，如降水距平百分率、Z指数、标准化干旱指数等；二是反映水分供需变化的指标，包括综合气象干旱指数CI、相对湿润度指数、作物水分盈亏指数和灌溉需水量等。张磊等[8]基于标准化降水指数分析了近51 a山东临沂市的旱涝时空特征；张建军等[9]对安徽省夏玉米生长季干旱时空特征进行了分析；赵海燕等[10]对干旱指数在山西逐日监测中的适用性进行了研究；王晓东等[3]研究表明，淮河流域小麦水分盈亏指数多年变化趋势不显著，空间分布呈明显的纬向分布；胡玮等[11]研究表明，京津冬小麦全生育期需水量为291～381 mm，较多的地区为沧州市和衡水市一带；刘钰等[12]对中国主要作物灌溉需水量的空间分布特征进行了研究；Doll等[13-14]对国外不同地区不同作物的灌溉需水量进行了研究；王卫光等[15]的研究表明，未来水稻灌溉需水量减少的区域主要分布在太湖流域、汉江流域东部和洞庭湖流域北部。目前多数研究主要针对作物全生育期水分盈亏及灌溉需水量的时空变化，研究结果因区域和作物不同而出现差异，同时对各生育阶段的研究也相对较少。

鲁中地区干旱发生较为频繁，尤其在春季。目前针对鲁中地区冬小麦水分盈亏和灌溉需水量方面的研究较少，本文分析该区域冬小麦全生育期和各生育阶段水分盈亏及灌溉需水量的变化规律，明确冬小麦不同生育阶段灌溉需水量，以期为冬小麦水分管理和区域种植区划提供技术支撑，在农业生产中具有现实意义。

1 研究区概况及资料方法

1.1 研究区概况及资料

鲁中地区地处暖温带大陆性季风气候区，多数地区处在亚湿润气候大区的指标范围。受季风影响，气候变化具有明显的季节性。冬季盛行偏北风，雨雪稀少，寒冷干燥；春季气温回升快，少雨多风，干旱发生频繁；夏季高温高湿，降水集中；秋季降水锐减，秋高气爽。主要种植作物为小麦、玉米，干旱是影响其产量的主要气象灾害之一。

1980—2014年逐日气象资料来源于鲁中地区平原和山区有代表性的气象站，站点分布见图1，资料包括平均气温、最高气温、最低气温、日照时数、实际水汽压、平均风速、平均相对湿度、经纬度和作物生育期。降水资料缺测时利用附近站点进行线性插补，气温资料缺测用5 d滑动平均进行插补，空间区域平均采用站点数据数值平均法。将冬小麦生育期分为6个阶段：全生育期、播种—越冬前、越冬期间、返青—拔节期、拔节—乳熟期、乳熟—成熟期，各生育期出现时间按多年实测生育期平均值确定。

图1 研究区域及各站点分布

1.2 冬小麦农田蒸散计算方法

(1)式中，ET为作物需水量(单位：mm·d-1)，Kc为作物系数，ET0为逐日参考作物蒸散量(单位：mm·d-1)。其中，Kc采用分段表示：初始生长期Kcini=0.7(越冬期为0.4)、生育期中期Kcmid=1.15、生长末期(从叶片开始变黄至收获)Kcend=0.4。利用FAO推荐模型，根据当地气候条件，对生育中期作物系数进行修正，即

(2)

式中，U2为2 m高度处的日平均风速(单位：m·s-1)，由10 m处风速换算得到，RHmin为日最低相对湿度的平均值(单位：%)，h为生育期阶段作物的平均高度(单位

(3)

式中，△为温度随饱和水汽压变化的斜率(单位：kPa·℃-1)；Rnet为净辐射(单位：MJ·m-2·d-1)；G为土壤热通量密度(单位：MJ·m-2·d-1)，计算步长为1 d时其值忽略为0；γ为干湿表常数，本文γ=0.067 kPa·℃-1；T为日平均气温(单位：℃)；es为饱和水汽压(单位：kPa)；ea为实际水汽压(单位：kPa)。

1.3 冬小麦水分盈亏指数计算

水分盈亏指数(Crop Water Surplus Deficit Index, CWSDI)表征了冬小麦各生育期的水分盈亏程度，以生育阶段的农田蒸散(ET)为需水量，以有效降水量(Pe)为供水指标，通过下式计算：

(4)式中，Pe为日有效降水量(单位：mm·d-1)，是实际补充到小麦根层土壤中的净水量，根据日总降水量P(单位：mm· d-1)，采用美国农业部土壤保持局推荐的有效降水量分析法计算，见公式(5)。

CWSDI可以较好地表征农田湿润程度和作物旱涝状况，CWSDI>0表示该生育阶段水分盈余，CWSDI=0表示水分收支平衡，CWSDI<0表示该生育阶段水分亏缺。

(5)

1.4 灌溉需水量计算

灌溉需水量是生育期内作物需要灌溉进行补充的水分，为需水量与有效降水量的差额，即：

(6)

式中，Is是灌溉需水量(单位：mm)，N为生育期日数(单位：d)。

1.5 数据处理软件及方法

气象数据处理及分析采用Spass16.0、MATLAB7.0和VB编程实现，利用气候倾向率表述时间变化趋势，Mann-Kendall法和经验正交函数(EOF)分解法[17]分别进行突变检验和空间分解。

2 结果与分析

2.1 冬小麦生育期需水量及有效降水量时空变化

2.1.1 时间变化

鲁中地区冬小麦各生育期35 a平均需水量和有效降水量见图2。由图可知，拔节—乳熟期是冬小麦需水量的高峰期，平原为279.5 mm，山区为285.4 mm，山区略高于平原；拔节—乳熟期也是有效降水量最大的阶段，其次是播种—越冬前阶段，山区各生育阶段有效降水量多于平原地区；返青—拔节期的有效降水量与需水量匹配不一致，该阶段冬小麦需水量自返青后急剧增大，而有效降水量增加较缓。

由图3可知，1980—2014年间，平原地区冬小麦全生育期需水量呈弱减少趋势，最多为656.8 mm(1982年)，最少为 559.6 mm(2003年)；山区冬小麦全生育期作物需水量整体呈增加趋势，最多为674.5 mm(2001年)，最少为558.3 mm(2003年)。

图2 1980—2014年鲁中地区冬小麦各生育期平均需水量和有效降水量变化

平原地区冬小麦全生育期35 a平均需水量为606.6 mm，山区为611.9 mm。平原和山区冬小麦全生育期有效降水量均呈减少趋势，波动幅度较大；平原地区小麦全生育期35 a平均有效降水量为88.9 mm，山区为99.3 mm。通过对平原和山区冬小麦全生育期需水量和有效降水量进行M-K突变检验(图略)，无突变现象发生。

图4是冬小麦拔节—乳熟期需水量和有效降水量的变化。可以看出，平原和山区拔节—乳熟期需水量呈减少趋势，山区较平原减少趋势强，最大值出现在1982年，平原和山区分别为314.8 mm、319.6 mm，最小值出现在1998年，平原和山区分别为250.8 mm，254.1 mm，无突变发生；平原和山区拔节—乳熟期有效降水量随时间变化均呈增加趋势，山区增加趋势较平原明显，1996年前2种地形变化趋势基本一致，1996年后山区增加幅度较平原大，无突变发生。

图3 1980—2014年鲁中地区冬小麦全生育期需水量(a)和有效降水量(b)的年变化

图4 冬小麦拔节—乳熟需水量(a)和有效降水量(b)的年际变化

平原和山区冬小麦返青—拔节期需水量呈明显增加趋势，气候倾向率分别为3.8 mm·(10 a)-1、5.5 mm·(10 a)-1，其它生育期除山区越冬期外，需水量均呈减少趋势(图略)；其它生育期除平原越冬期外，有效降水量呈减少趋势，其中冬小麦返青—拔节期、乳熟—成熟期是减少趋势较明显的阶段(图略)。

2.1.2 空间变化

鲁中地区冬小麦全生育期、拔节—乳熟期需水量和有效降水量的EOF分解第一特征向量见图5。全生育期需水量和有效降水量的EOF分解第一特征向量方差贡献率分别为60%、91%。鲁中各地区冬小麦全生育期需水量、有效降水量主要空间变化规律一致，强度中心在中部地区，需水量第一特征向量相应的时间系数(图略)呈增加趋势，而有效降水量第一特征向量相应的时间系数(图略)呈减少趋势，故中部地区有水分亏缺增加的趋势。全生育期需水量第二特征向量方差贡献率为18%，平原和山区存在空间变化的不一致性，相应时间系数(图略)呈减少趋势。

图5 冬小麦全生育期(a, b)和拔节—乳熟期(c, d)需水量(a, c)及有效降水量(b, d)的EOF分解第一特征向量

鲁中各地区拔节—乳熟期的需水量和有效降水量第一特征向量贡献率分别为71%、90%，其主要空间变化规律一致，强度中心在中部地区。需水量随时间变化呈减少趋势，有效降水量随时间变化呈增加趋势。

2.2 冬小麦生育期水分盈亏指数时空变化

2.2.1 时间变化

CWSDI反映作物生长对灌溉的依赖程度，CWSDI越小说明灌溉需水量越大。鲁中地区冬小麦CWSDI在返青—拔节、拔节—乳熟2个阶段最小，均为-0.9，在越冬期间最大，说明在鲁中地区拔节—乳熟期是灌溉需水量的主要阶段。

图6为冬小麦全生育期及拔节—乳熟期CWSDI随时间的变化规律。可以看出，冬小麦全生育期CWSDI呈减少趋势，山区较平原地区减小幅度大；拔节—乳熟期CWSDI呈增加趋势，平原和山区最大值均出现在2008年，分别为-0.75、-0.78，最小值出现在2001年，平原和山区均为-0.97。对其它各生育期的CWSDI分析可知，平原地区除越冬期CWSDI呈增加趋势外，其它生育期呈减少趋势，其中乳熟—成熟期降幅最大；山区在其它生育阶段CWSDI均呈减少趋势，其中乳熟—成熟期降幅最大，与平原地区一致。

2.2.2 空间变化

鲁中地区冬小麦全生育期、拔节—乳熟期CWSDI的EOF分解第一特征向量见图7，其第一特征向量方差贡献率均为90%，鲁中各地区冬小麦全生育期CWSDI主要空间变化表现为全区一致型，呈减少趋势，强度中心在中部地区，说明中部地区全生育期水分亏缺减少趋势明显，北部平原全生育期水分亏缺减少趋势较弱。拔节—乳熟阶段，鲁中CWSDI主要空间变化表现为全区一致型，强度中心在中部地区，依次向南北递减，但空间变化幅度较小，随时间变化呈增加趋势。

2.3 冬小麦生育期灌溉需水量时空变化

2.3.1 时间变化

鲁中地区冬小麦全生育期及拔节—乳熟期的灌溉需水量的年际变化见图8。可以看出，鲁中地区冬小麦全生育期灌溉需水量随时间变化呈增加趋势，山区较平原明显，平原地区35a全生育期平均灌溉需水量为517.7 mm，山区为512.6 mm；拔节—乳熟期灌溉需水量呈减少趋势，平原较山区减少幅度大，35 a平原平均灌溉需水量为251.3 mm，山区为255.7 mm。对其它生育期灌溉需水量分析可知，越冬期间是灌溉需水量最少的阶段。平原地区灌溉需水量在返青—拔节、乳熟—成熟期呈增加趋势，在其它生育阶段呈减少趋势；山区其他生育期灌溉需水量呈增加趋势，其中，返青—拔节期增加幅度最大，气候倾向率为5.6 mm·(10 a)-1。

图6 1980—2014年鲁中地区冬小麦全生育期(a)及拔节—乳熟期(b)CWSDI的年际变化

图7 冬小麦全生育期(a)及拔节—乳熟期(b)CWSDI的EOF分解第一特征向量

图8 冬小麦全生育期(a)及拔节—乳熟期(b)灌溉需水量年际变化

2.3.2 空间变化

冬小麦全生育期、拔节—乳熟期灌溉需水量的EOF分解第一特征向量见图9，其第一特征向量方差贡献率分别为77%、84%。鲁中全生育期灌溉需水量第一特征向量表现为全区一致型，相应的时间系数呈增加趋势(图略)，强度中心在鲁中西部地区，东北地区和北部地区变化强度最小；拔节—乳熟期灌溉需水量空间变化强度中心在中南部地区，相应的时间系数呈减少趋势(图略)。

图9 冬小麦全生育期(a)、拔节—乳熟期(b)灌溉需水量的EOF分解第一特征向量

3 结论与讨论

(1)鲁中地区冬小麦全生育期平均有效降水量仅占需水量的15.4%，远不能满足作物的生长需求；全生育期需水量平原地区呈弱减少趋势，山区呈增加趋势，主要空间变化规律一致，但在第二特征向量上平原和山区空间变化存在不一致性。各生育期阶段需水量时间变化规律不一致，拔节—乳熟期是需水量最多的阶段，呈减少趋势，强度中心在中部地区。

(2)鲁中地区冬小麦全生育阶段有效降水量呈减少趋势，拔节—乳熟期是有效降水量最多的阶段，呈增加趋势。除平原地区越冬期外，其它生育阶段有效降水量呈减少趋势。各地各生育阶段有效降水量主要空间变化规律一致，变化强度中心在中部地区。

(3)鲁中地区冬小麦CWSDI在返青—拔节期、拔节—乳熟期2个阶段最小。全生育期CWSDI呈减少趋势，乳熟—成熟期减少幅度最大，该阶段水分亏缺有增加趋势；拔节—乳熟期CWSDI呈增加趋势，该阶段水分亏缺有减少趋势。各生育阶段CWSDI主要空间分布规律一致，变化强度中心在中部地区。

(4)鲁中地区全生育期灌溉需水量呈上升趋势，山区较平原明显，全生育期平均灌溉需水量515 mm，其中平原地区为517.7 mm，山区为512.6 mm。拔节—乳熟期是灌溉需水量最大的阶段，呈减少趋势，而返青—拔节期灌溉需水量呈明显增加趋势，冬小麦返青后要及时进行灌溉补充，促进冬小麦转化升级和生殖生长。各生育期灌溉需水量主要空间变化规律一致，全生育期的空间变化强度中心在西部地区，拔节—乳熟期的空间变化强度中心在中南部地区。

本文采用有效降水量消除无效降水引起的误差，对作物生育阶段水分亏缺的计算比较精确，但分析灌溉需水量时未考虑底墒，这将在以后研究中完善。由于冬小麦关键生育期缺水一直是影响冬小麦产量的重要因素，所以在全球气候变暖的大趋势下，确定冬小麦各生育阶段的水分变化和灌溉需水量尤为重要，为合理安排灌溉时间和灌溉量提供科学依据。

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HUAN Haijun1, YANG Zaiqiang2, LIU Yan1, XIA Fuhua1

(1.ZiboMeteorologicalBureauofShandongProvince,Zibo255048,China； 2.CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China)

Based on meteorological observations and data of growth period of winter wheat from 1980 to 2014 in the middle area of Shandong Province, the water demand in different growth stages of winter wheat was calculated by Penman-Monteith model and single crop coefficient, and the effective precipitation, crop water surplus deficit index (CWSDI) and irrigation water requirement were calculated by the recommended method of the United States Department of Agriculture Soil Conservation Board firstly, then the temporal and spatial characteristics of water demand, effective precipitation, CWSDI and irrigation water requirement in different growth stages of winter wheat were analyzed. The results show that water demand during the whole growth period had a slight shrinking tendency in the plain area but an increasing trend in the mountain area during the recent 35 years. During jointing-milk stage water demand was most and it presented decreasing trend, and the change center was in the middle area. The effective precipitation during the whole growth period had a decreasing trend, while during jointing-milk stage it had an increasing trend, and the change center was in the middle area. Except for over wintering stage in the plain area, it had a decreasing trend during the other stages. The CWSDI during the whole growth period had a decreasing trend, and it had a maximum amplitude during the milk-mature stage. It decreased from the middle to both sides. In order to meet the need of water demand of winter wheat, the averaged total supplementary irrigation amount was 515 mm, and it had an increasing trend and the change center was in the western area. During the jointing-milk stage water requirement was most and it showed a decreasing trend, and there was a significant increasing trend during the returning green-jointing stage.

winter wheat; water demand and effective precipitation; crop water surplus deficit index; irrigation water requirement

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0866

2015-04-28；改回日期：2015-06-20

山东省气象局青年科研基金项目“鲁中地区土壤水分变化规律及预报技术研究”(2015SDQN14)资助

环海军(1987-)，男，汉族，江苏南通人，研究生，工程师，研究方向为农业气象. E-mail:324380521@qq.com

杨再强，E-mail: yzq@nuist.edu.cn

1006-7639(2016)-05-0866-07 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-05-0866

P49

A

环海军，杨再强，刘 岩，等.鲁中地区冬小麦水分盈亏及灌溉需水量的时空变化特征[J].干旱气象，2016，34(5)：866-872, [HUAN Haijun, YANG Zaiqiang, LIU Yan, et al. Spatial and Temporal Variation of Crop Water Surplus or Deficit and Irrigation Water Requirement for Winter Wheat in Middle Shandong Province[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(5):866-872],