石津灌区主要农作物需水规律及缺水敏感期

连鹏达

(河北地质大学/河北省水资源可持续利用与开发重点实验室,河北 石家庄 050031)

石津灌区位于河北平原的中南部，石家庄、衡水以及邢台各有一部分区域，处于E114°50′～115°50′，N37°30′～38°10′，涵盖了3个市的14个县市，占地面积为4174.48km2。地区内由于经济发展迅速，公路交通极为方便，高速公路、省道和国道犬牙交错，路路相通，如307国道，黄石高速贯穿东西；大广高速，231省道横跨南北等。气候特征表现为四季分明，寒暑悬殊，雨量集中，干湿期明显，夏秋季长，春秋季短，属于暖温带大陆性季风。根据气象观测资料显示，年平均气温约13.3℃，多年平均降雨量约为464mm，年际年内降雨分配不均，全年降雨中的大部分集中在汛期7月上中旬—8月上中旬的30d，甚至更短的时间内，占年降雨量的70%～80%。区域内的农作物浇灌主要用到黄壁庄水库引水及地下水，黄壁庄水库位于河北鹿泉黄壁庄村附近的滹沱河干流上，其主要任务是防洪，兼顾城市用水、灌溉、发电等综合利用的大型水利枢纽工程，总库容12.10亿m3，可利用水量约为6亿m3。

在我国北方地区水资源的形势严峻，尤其在石津灌区，与农业灌溉相关的生态环境问题日趋严重，已成为制约经济社会全面可持续发展的重大战略问题，由于降水与河流径流量年内分配不均匀，与灌溉需水过程不协调，因此详细研究区内主要农作物冬小麦和夏玉米的需水规律对合理利用和分配现有水资源有着重要意义，不仅能提高水资源的利用效率，还能避免农作物减产和大面积长期旱情的发生。

1 主要农作物需水规律

石津灌区内种植的主要农作物是冬小麦以及夏玉米，占比在80%～90%，目前已知的作物需水研究表明，作物的蒸腾耗水是一个系统的传输过程，大气、土壤、作物是其3个组成部分，任何一部分的变化都会影响需水量的大小，影响因素极多，研究较复杂，目前对作物需水的研究主要是确定其它因素的情况下研究大气因素对需水量的影响，近年多数采用的方法是通过计算参照作物的需水来计算实际作物的需水量，该方法相对来说比较完善。文章运用了联合国粮食及农业组织推荐使用的Penman-Monteith公式计算分析了灌区内主要农作物小麦和玉米的ET0及需水量，通过研究其农作物长时间跨度的需水量，探讨其规律的变化，研究的时间长度为20a，即2000—2019年，其中所用到的逐日气象数据及降水数据，数据来源为中国气象数据网，包含24h降水量、平均相对湿度、平均2min风速、日照时数、平均水汽压、日平均气压、最小相对湿度、最大气压、最小气压、最大温度、日平均温度、最小温度等。

1.1 需水量的计算方法

文中计算冬小麦-夏玉米需水量所采用的是(FAO)Penman-Monteith公式，该方法首先计算的是参考作物蒸发蒸腾量，因为参考作物蒸发蒸腾量只受各项气候条件的影响，因此可以根据石津灌区实际的气象条件进行逐日计算。参考作物蒸发蒸腾量定义的是一个标准的、在满足水土条件下能获得完全收成的大面积作物的蒸发蒸腾量，石津灌区位于河北平原的中南部，降雨量充沛的同时气候也异常炎热，属于暖温带大陆性季风，地形平坦且大面积种植小麦及玉米，利用彭曼公式来进行计算是合理的。公式：

式中，ET0为参照作物需水量，mm·d-1；Δ为水汽压曲线斜率，kPa·℃-1；u2为2m高度处的风速，m·s-1；Rn为作物表面的净辐射，MJ·m-2·d-1；G为土壤热通量，MJ·m-2·d-1；γ为湿度计常数，kPa·℃-1；T为2m高度处的空气温度，℃；es为饱和水汽压；ea为实际水汽压；es-ea为饱和水汽压差，kPa。

利用气象数据计算得到参照作物的蒸发蒸腾量后，还需要计算实际作物需水量，此次文中用到的是分段单值平均系数法，公式：

式中，ETc为标准状态下实际作物需水量，mm·d-1；ET0为参照作物需水量，mm·d-1；Kc为作物系数,无量纲。

联合国粮食及农业组织(FAO)推荐的分段单值作物系数法，计算方法是把农作物全生育期拆分为4个阶段，作物系数Kc分为3个不同的值，4个阶段分别是初始生长期、快速发育期、生育中期、成熟期。

文中所用到的作物系数Kc是范逢源[7]及梁文清[4]依据气候、土壤、作物和灌溉条件对其进行修正后推荐使用的，作物系数Kc在全生育期各个分段内分别使用不同的值，数据更加精细和准确。研究区内的冬小麦其生育期基本可划分为6个阶段，即初始生长期、冻融期、越冬期、快速发育期、生育中期和成熟期，初始生长期是9月28日—11月28日，冻融期是11月29日—12月7日，越冬期是12月8日—次年3月21日，快速发育期是3月22日—4月30日，生育中期是5月1日—6月1日，成熟期是6月2—17日。夏玉米的生育期基本可划分为4个阶段，即初始生长期、快速发育期、生育中期和成熟期，初始生长期是6月18日—7月2日，快速发育期是7月3—30日，生育中期是7月31日—8月30日，成熟期是8月31日—9月23日。冬小麦及夏玉米各生育期的作物系数Kc值如表1、表2所示。

表1 冬小麦生育期的作物系数

表2 夏玉米生育期的作物系数

1.2 小麦和玉米生育期内的需水规律

利用文中彭曼公式计算后得到，2000—2019年冬小麦全生育周期内作物的需水量在460～610mm，平均为546mm，全生育期需水量最小的是2003年，需水量最大的是2005年，如图1所示；2000—2019年夏玉米在全生育期内的需水量在287～350mm，平均为316.4mm，生育周期内需水量最小的是2011年，需水量最大的是2014年，每年的需水量如图2所示。

图1 小麦各生育期需水量

图2 玉米各生育期需水量

从图中可知，2000—2019年的长时间序列中，冬小麦全生育期内需水量是保持相对稳定的，其中有16个年份的需水量在500～600mm，而在这之中又有12个年份的需水量在540～570mm，占全部计算值的60%。只有在2003年、2012年、2013年、2005年4个年份，小麦的需水量<500mm或>600mm；夏玉米全生育期内需水量上下变化幅度不大，需水量都集中在300mm左右，而在这之中需水量最大的年份与最小的仅相差63mm，需水量年际变化小，相对稳定。

从图中可知，小麦需水量最小和最大的年份分别是2003年和2005年，其值如表3、表4所示。

在表3中，2003年小麦的需水量最小为469.7mm，6个生育期中需水量皆小于平均水平，其中快速发育期需水量最大，为151.2mm。表4中可以看到，在2005年，小麦的需水量最大为604.2mm，越冬期、快速发育期和生育中期3个阶段需水量就达469.5mm，其中快速发育期需水最多，达到210.4mm，为计算值中最大。

表3 小麦2003年需水量

表4 小麦2005年需水量

玉米需水最小和最大的年份分别是2011年和2014年，其值如表5、表6所示。

表5 玉米2011年需水量

表6 玉米2014年需水量

表5中可以看到，在2011年玉米的需水量最小，为287.4mm，每个生育期的需水量都小于平均水平，其生育中期需水量最大，为103.1mm。表6中能够看到，需水量最大的年份是2014年，需水量为349.6mm，同样是生育中期需水最多，可达到126.7mm。

2 有效降水量

有效降水量是指全年或季节性总降雨中为作物生产直接或间接利用，及用作农田其它必须耗用的水量，包括作物截留的雨水、作物植株蒸腾、株间土壤蒸发掉的降水和淋洗等有助于作物生长和耕作作业的降水，是自然降水中实际补充到根层土壤中的净水量，同时也是制定作物灌溉制度、灌溉排水制度、灌溉用水管理等的重要依据。

2.1 计算方法

2.1.1 比值法

国内学者也研究出了一些计算有效降水量的公式，但是一般都限制较多，需要当地的各种参数，普适性较差。有关研究显示，选取的时间段越短，有效降水量的计算精度越高，为了满足当前的灌溉规划和设计要求，可以计算旬有效降水量，公式：

式中，Pe为旬有效降水量，mm；P为旬降水量，mm；ETc为旬作物需水量，mm。

2.1.2 美国农业部推荐方法

此计算有效降水量的方法是美国土壤保持局推荐的，也是目前公认的比较准确的方法之一(Smith，1992)。公式：

式中，Pe为日有效降水量，mm；P为日总降水量，mm。

国内外学者在计算有效降雨量时有多种方法，包括USDA-SCS法、水量平衡法和上述几种方法，但其它方法较为复杂，需要用到更多的土壤储水量等参数，所以本文采用比值法和美国农业部推荐方法进行逐日、逐旬的计算并对结果加以处理，以展现农作物生育期内的有效降水量。

2.2 农作物生育期内有效降水量

利用上述方法计算有效降水量，将2000—2019年20a间的冬小麦生育期内有效降水量和夏玉米生育期内有效降水量的计算结果整理如表7所示。

表7 农作物的有效需水量

从表中可以看出，整体上冬小麦生育期内降水量偏少，多年平均降水量约为149mm，经过计算后得到的有效降水量占总降水量的比例颇大，说明每次降水都能充分利用，多年平均有效降水量为125mm，占总降水量的83.96%，占比极高，是因为石津灌区处于华北平原，属于暖温带大陆性季风气候，在小麦的整个生育期内，不仅降水少次数少，而且单次降水量也很小，导致每次降水后不能形成地表径流而损失或排走，而是立刻下渗至地层之中被农作物所利用，所以有效降水量占比较高。

夏玉米生育期内的降水量较多，平均降水量为396mm，经过上述公式计算得到的有效降水量占总降水量的比例较冬小麦小，多年平均有效降水占比为53.8%，比冬小麦低30%左右，表明石津灌区受暖温带大陆性季风气候影响，在玉米全生育期内，不仅降水次数多，而且单次降水量也很大，导致在每次降水后因量大土壤饱和后降水形成地表径流而排走，所有降水不能全部下渗至地层中被农作物所利用，所以有效降水量占比较低。

3 主要农作物的缺水敏感期

为了精确确定主要农作物小麦和玉米的缺水敏感期，以指导地下水和地表水的使用，文中将冬小麦及夏玉米的全生育期分段计算，冬小麦以月份为单位被划分得到9个时段来进行处理，夏玉米以旬为单位被划分为9个阶段，将计算得到的农作物在各阶段内的平均需水及平均有效降水量加以处理，确定每个具体时段小麦及玉米是否缺水、缺水程度和缺水量，计算取得的结果整理后如表8、表9所示。

表8 各时段小麦的缺水量

表9 各时段玉米的缺水量

整体上来看，在小麦生育期内，降水与需水量的差距很大，满足比例不到1/4。分段分析，5月下旬需水最多为49.2mm，需水最少的为1月上旬10.1mm，有效降水量最多的为5月，达到29.6mm，降水量量最少的为1月，仅有1.8mm。从表8中可以看到，玉米的全部生育期内有效降水量分布不均匀且降水量很少，降水量分布趋势是先下降后上升，然后趋于稳定，12月—次年3月是降水最少的时间，也就是越冬期。缺水量的变化趋势与降水量变化趋势基本相同，缺水量最多的是5月，可达103.2mm，缺水量最少的为12月—次年1月，缺水量为31.3mm和31.8mm。

从上文中能得出，在小麦生育期内适宜对灌溉水源进行管理的时段为3月中旬到小麦成熟，在这段时间内缺水量均较大，是水量缺口比较大的时段，即越冬期结束到成熟的时间段内对水源进行精细化管理，以期最大化利用各种水资源。

整体上来看，在夏玉米生育期内，降水与需水量的差距不大，降水量较充足，对计算需水量的满足程度较高。分段分析，6月下旬需水最多为55.5mm，需水最少的为9月上旬28.5mm；有效降水量最多的为6月下旬34.2mm，降水量最少的为9月上旬12.7mm。从表中可以看到，全部时段内有效降水量较多，大部分时间有效降水量大于缺水量，也就是说有效降水量能满足超过1/2的计划需水量，有效降水量分布趋势是先上升后下降，6月下旬—9月中旬是一年中降水最多的时间，缺水量的变化趋势与降水量变化趋势不同，是先下降后上升,7月下旬—8月中旬是缺水量最低的时间也是一年中的汛期，缺水量最多的是9月下旬为21.4mm，缺水量最少的为8月上旬4.5mm。

从表中能得出的结论是，适宜对灌溉水源进行管理的时段只有6月下旬，在此段时间内旬缺水量大于20mm，是水量缺口相比较大的时段，即初始生长期。

4 结束语

水资源是支撑经济社会发展的重要战略资源，是维系良好生态环境的要素之一，也是抗旱和应急供水的重要水源。我国水资源的形势严峻，与之相关的生态环境问题日趋严重，已成为制约经济社会全面、和谐、可持续发展的重大战略问题。石津灌区地处华北平原，河北的中南部，水资源极度缺乏，如何用好现有的水资源是重中之重，对区域内主要农作物需水规律进行研究，根据农作物的需水规律和降水以及河流水库的年内水量分配进行综合分析，不仅能提高水资源的利用效率，缓解水资源的缺乏现状，还能精准掌握并对农作物的缺水敏感期进行适时适当的灌溉，有利于经济社会的和谐发展，也对地区内急剧下降的地下水位有着重要意义。