晋东南地区冬小麦作物需水量特征研究

关键词：冬小麦；作物需水；降水；补充灌溉水量

中图分类号：Ｓ５１２．１＋ １；Ｓ５０７．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０９．０２２

引用格式：索岩松，张燕，白寅虎．晋东南地区冬小麦作物需水量特征研究［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（９）：１５０－１５５．

０引言

受日照、降水等气象因素的影响，在黄河流域晋东南地区只能种植季节性作物。其中，冬小麦便是晋东南地区生活必需的主要支柱作物之一［１］ ，冬小麦多年平均播种面积占晋东南地区粮食作物播种面积的三分之一［２］ 。在实施黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略背景下，合理利用水资源成为关注的重点。尤其是在水资源日益匮乏的当下，作物需水量是制定冬小麦灌溉制度的重要参数，因此寻求黄河流域内晋东南地区作物的需水量对水资源的合理利用尤为重要，不仅能为当地制定灌溉制度提供理论依据，且有利于合理配置有限的水资源。

针对作物需水量的计算目前研究比较广泛，而联合国推荐的作物系数法是最权威、我国使用最普遍的方法之一［３］ 。作物需水量根据地区的不同，会随着气候的变化而变化，而降水量是气候变化主要的指标之一［４］ 。近年来，利用气象数据结合降水量推算作物需水量的研究众多。张秋平等［５］ 根据降水量与作物需水量的耦合关系，推算出不同水文年各阶段北京早稻的灌溉需水量，并通过试验进行验证，推算结果与试验结果吻合。张凤怡等［６］ 利用６０ ａ 的气象数据和作物系数法研究了辽宁省春玉米、大豆和水稻生育期需水与降水耦合关系，结果表明在生长中期耦合度最高，快速生长期次之，初期和成熟期普遍较低。吴婕等［７］ 针对河西内陆区向日葵、辣椒等作物进行了耗水与降水的耦合性分析，结果表明耦合度均远小于１，并求出作物的灌溉需水量。康文钦等［８］ 以武川县春小麦为研究对象，对各生育期进行了需水特征与降水特征的耦合，结果表明降水无法满足作物需水，并求出该县春小麦的需水量。黄航行等［９］ 、李大驰等［１０］ 分析了民勤地区和榆林地区参考作物需水量的年际变化特征，结果表明参考作物需水量呈波动上升趋势。马雪晴等［１１］利用近６０ａ的气象数据，采用ＦＡＯ－５６ 推荐的作物系数法，推算全国小麦主产区的时空变化，结果表明小麦生育期内降水量、需水量呈波动增加。王电龙等［１２］ 研究了降水对华北地区冬小麦灌溉需水的影响，发现丰水年华北地区冬小麦作物补水占比大多数为０．５０ ～０．７５；金华星等［１３］ 利用１９６１—２０１３年的气象数据，采用作物系数法研究了滁州市冬小麦整个生育期的需水量和降水量变化特征，发现需水量年际变化逐渐增大。

以上研究都是针对不同地区不同作物需水量的研究，而针对黄河流域内晋东南地区冬小麦作物各生育期的需水量研究相对比较少。因此，本文主要以黄河流域内晋东南地区冬小麦为研究对象，利用阳城县１９６０—２０１９年的气象资料，分析了不同保证率下该区冬小麦各生育期需水与降水的关系，从而求出各生育期的补充灌溉水量，以期为当地制定冬小麦灌溉制度和合理利用黄河流域水资源提供理论基础和依据。

１材料与方法

１．１研究区概况

阳城县位于山西省东南部，位于东经１１２°００′—１１２°３７′、北纬３５°１２′—３５°４０′，属暖温带半湿润气候区，多年平均气温１１．７ ℃，降水主要集中在７—９ 月，多年平均降水量６２７ ｍｍ，多年平均日照２ ５７１．３ｈ。总耕地面积３．６４ 万ｈｍ^２，阳城县境内水系隶属于黄河水系。

１．２数据来源与处理

气象数据来源于中国气象数据网（ｈｔｔｐ：／／ ｄａｔａ．ｃｍａ．ｃｎ）。气象资料的时间范围为１９６０年１月１日到２０１９年１２月３１日，主要包括降水量、日照时间、日平均气温、日最高气温、日最低气温、风速、平均水气压、相对湿度等。

１．３计算方法

１．３．１参考作物的蒸发蒸腾量

本研究通过Ｃａｌｃｕｌａｔｏｒ软件计算参考作物的蒸发蒸腾量。

１．３．２作物需水量

实际作物需水量采用单作物系数法进行逐日计算，通过彭曼公式计算出参考作物蒸发蒸腾量ＥＴ，ＥＴ与相应作物的作物系数Ｋｃ相乘即可得到实际作物需水量ＥＴ。计算公式如下：

ＥＴ ＝Ｋ ×ＥＴ （１）

根据ＦＡＯ推荐的小麦作物系数并结合相关研究成果［１４］，生育期划分及作物系数确定结果见表１。

１．３．３降水量

降水量采用历史数据进行分析，包括１９６０年１月１日到２０１９年１２月３１日的降水量数据。按照Ｐｅａｒｓｏｎ－Ⅲ分布原则，利用水文频率计算软件ＣｕｒｖｅＦｉｔｔｉｎｇ 分别确定湿润年、平水年、干旱年、极枯水年（保证率分别为２５％、５０％、７５％、９５％）４ 种典型灌溉年份的降水量。

１．３．４气候倾向率

气候倾向率是表征气象要素多年变化趋势的指标，一般利用气象要素时间序列回归直线斜率的１０ 倍表示［１５］ ，以ａ ×１０ 表示气象要素每１０ａ的气候倾向率。气候倾向率为正值表示该气象要素呈增大趋势，为负值表示该气象要素呈减小趋势。线性拟合方程形式为

Ｙ ＝ａｔ＋ｂ （２）

式中：Ｙ 为需水量或降水量，ｔ 为时间，ａ、ｂ 为回归系数。

１．３．５作物需水量与降水量的耦合度

将某一生育阶段的降水量Ｐ 与作物需水量ＥＴ的比值定义为该阶段耦合度，其反映某一阶段的降水对作物需水的满足程度。耦合度一般为０～１．０［５－８］，其计算公式为

２结果与分析

２．１冬小麦的需水特征

２．１．１冬小麦需水年际变化情况

近６０ ａ 冬小麦全生育期需水量最大值发生在１９６６ 年，其值为６９２．１０ ｍｍ；需水量最小值发生在１９６３年，其值为４８２．５１ ｍｍ，两者相差２０９．５９ ｍｍ。用线性方程进行拟合，可以看出需水量呈现增大趋势，但趋势不是很明显，需水量以０．５９３ ｍｍ／ （１０ ａ）的倾向率增大，如图１ 所示。

多年平均冬小麦全生育期需水总量为５８６．０９ｍｍ，其中：播种—越冬期、越冬—返青期、返青—拔节期、拔节—抽穗期、抽穗—灌浆期、灌浆—成熟期冬小麦需水量分别为１１９．２４、５４．６４、９３．１９、９１．２２、１４７．５２、８０．２８ ｍｍ，占比分别为０．２０、０．０９、０．１６、０．１６、０．２５、０．１４；生育期需水量最大占比为抽穗—灌浆期，其次为播种—越冬期，最小占比为越冬—返青期（见表２）。

冬小麦不同生育期需水量气候倾向率见表２。从表２ 中看出，随着生育期的发展，冬小麦需水量年际变化呈现先降低后增加再降低的趋势，其中：播种—越冬期、越冬—返青期和灌浆—成熟期气候倾向率为负值，表明这３ 个生育期年际变化呈现递减趋势；其余生育期为正值，呈现递增趋势，拔节—抽穗期气候倾向率最大，为２．３０ ｍｍ／ （１０ ａ），抽穗—灌浆期气候倾向率为０．０７ ｍｍ／ （１０ ａ），该生育期年际变化最小。

２．１．２需水保证率和典型

需水年型采用经验频率法来确定冬小麦全生育期内不同水文年型即不同需水保证率所对应的需水量，见表３。

从表３中可知，冬小麦全生育期在不同年型即不同保证率的需水量差别比较大，最大值为极枯水年７２５．１９ｍｍ，最小值为湿润年５３１．０８ ｍｍ。其中：极枯水年比湿润年、平水年及干旱年需水量分别高出１９４．１１、１３６．１０、８２．９０ ｍｍ，干旱年比湿润年及平水年需水量分别高出１１１．２１、５３．２０ ｍｍ，平水年比湿润年需水量高出５８．０１ ｍｍ。同一水文年型抽穗—灌浆期需水量最大，其次为播种—越冬期。

２．２冬小麦生育期降水特征

２．２．１全生育期内降水年际变化情况

冬小麦的生育期只是从９ 月２５ 日开始到第二年的６ 月１２ 日为止，其余时段的降水对冬小麦补充灌溉量的影响不大，因此不宜用年降水量保证率来估算冬小麦的灌溉需水量。本研究利用阳城县近６０ａ 冬小麦从播种到成熟这一时段的历史降水资料来分析。其中冬小麦全生育期内降水年际变化趋势如图１ 所示，作物各生育期多年平均降水量及占比见表２。

从图１ 可知，近６０ ａ 作物全生育期降水总体呈现增加趋势，其中：冬小麦全生育期内降水量最大值为１９９０年３８２．７ ｍｍ，最小值为１９６６ 年１０３．５ ｍｍ；用线性方程进行拟合，表明降水气候倾向率为９．８２７ ｍｍ／ （１０ ａ）。从表２ 中可知：多年平均冬小麦全生育期降水总量为２１３．６６ ｍｍ，其中：播种—越冬期、越冬—返青期、返青—拔节期、拔节—抽穗期、抽穗—灌浆期和灌浆—成熟期冬小麦降水量分别为７１．４４、１６．７６、２３．６０、２９．３１、４２．７９、２９．７６ ｍｍ，占比分别为０．３４、０．０７、０．１１、０．１４、０．２０、０．１４。降水在生育期内从越冬—返青期之后呈先增加后减少的趋势，在抽穗—灌浆期达到最大，灌浆—成熟期减少。

冬小麦不同生育期降水量气候倾向率结果见表２。从表２ 看出，降水在冬小麦生育期内仅拔节—抽穗期气候倾向率为负值，表明降水在该生育期内年际变化呈现递减的趋势，以０．３６ ｍｍ／ （１０ ａ）的倾向率递减，其余生育期气候倾向率为正值。

２．２．２降水保证率和典型降水年型

采用经验频率法来确定冬小麦全生育期内不同水文年型即不同降水保证率所对应的降水量（见表４）。从表４ 看出，不同年型冬小麦全生育期的降水量差别比较大，其中，降水量最大的为湿润年３１５．９０ ｍｍ，最小的为极枯水年２６．９０ ｍｍ。湿润年比平水年、干旱年、极枯水年降水量分别高出１３８．７０、２３４．７０、２８９．００ｍｍ，平水年比干旱年及极枯水年降水量分别高出９６．００、１５０． ３０ ｍｍ，干旱年比极枯水年降水量高出５４．３０ ｍｍ。

２．２．３作物需水量与降水量的耦合情况

耦合度反映某一阶段的降水对作物需水的满足程度，计算结果见表５。从表５ 看出，４ 种水文年型的自然降水均无法满足冬小麦生长对水分的需求。因此，该区种植冬小麦必须辅以灌溉来满足需水要求。不同水文年型所需补充的灌溉水量占比不同，分别为湿润年５７％、平水年６７％、干旱年７２％、极枯水年８２％。

该区冬小麦全生育期内降水与需水的耦合度分别为湿润年０．４３、平水年０．３３、干旱年０．２８、极枯水年０．１８。随着保证率的提高，冬小麦各生育期降水与作物需水的耦合度逐渐减小；同一水文年型下，冬小麦降水与作物需水的耦合度均在播种—越冬期为最大，尤其是在湿润年达到０．９１，在灌浆—成熟期次之，分别为湿润年０．６２、平水年０．２９、干旱年０．１０、极枯水年０．０１。

２．２．４作物补充灌溉水量

按照公式计算可得作物补充灌溉水量，计算结果见表６。从表６ 可知：该区冬小麦不同水文年型的补充灌溉水量分别为湿润年２６１．７４ｍｍ、平水年４２７．４６ ｍｍ、干旱年５５４．３４ｍｍ、极枯水年６７４．６６ ｍｍ。不同水文年型冬小麦的补充灌溉水量差别较大，其中极枯水年与湿润年相比高出４１２．９２ｍｍ、与平水年相比高出２４７．２０ｍｍ、与干旱年相比高出１２０．３２ ｍｍ；干旱年与湿润年相比高出２９２．５９ｍｍ、与平水年相比高出１２６．８８ｍｍ；平水年与湿润年相比高出１６５．７２ｍｍ。湿润年冬小麦生育期内需水量最大占比为拔节—抽穗期，其次为抽穗—灌浆期，最小占比为播种—越冬期；其余典型水文年型冬小麦生育期内需水量最大占比为抽穗—灌浆期，其次为拔节—抽穗期，最小占比为越冬—返青期。

３讨论

利用阳城县１９６０年１月１日到２０１９年１２月３１日的气象数据，计算出不同保证率下黄河流域晋东南地区冬小麦各个生育阶段的需水量，分析了冬小麦需水量和降水量的年际变化情况。研究结果与赵俊芳等［１６］ 、钟文军等［１７］ 、李萍等［１８］ 、马芳等［１９］ 、齐月等［２０］ 的研究结果（降水量与冬小麦需水量呈增加趋势）一致，本地区需水量、降水量分别以０．５９３、９．８２７ ｍｍ／ （１０ ａ）的倾向率增加，主要是气候变暖导致的；而与曹红霞等［２１］ 研究的关中地区冬小麦需水量无一致变化趋势，这可能是采用的数据较短且研究地区的气候不同所导致的。本研究进一步研究了冬小麦各生育期内的需水和降水气候倾向率，结果表明冬小麦在拔节—抽穗期需水气候倾向率最大为２．３０ ｍｍ／ （１０ ａ），而该生育期降水以０．３６ ｍｍ／（１０ ａ）的气候倾向率递减。将来为保证当地冬小麦的需水，应首先考虑拔节—灌浆期的需水要求。

耦合度反映某一阶段的降水对作物需水的满足程度。该区冬小麦耦合度相对高的生育期为播种—越冬期和灌浆—成熟期，这主要是受气象条件影响，该区冬小麦在播种—越冬期和灌浆—成熟期处于雨季末期和第二年的雨季起点，降水比其他生育阶段多；其他生育期降水较少，耦合度也相应较小。在返青—拔节期和抽穗—灌浆期两个生育阶段需水量相对较大，而此时降水较少、耦合度较小，因此为了保证冬小麦产量，在缺水的情况下，可以适当在这两个关键生育期给予补充灌溉。

作物需水量是指导农业灌溉的重要指标，本研究以黄河流域晋东南地区为研究区域，根据晋东南地区的实际情况，采用前人修订后的作物系数和联合国推荐的彭曼公式，利用多年的气象数据推算出该地区冬小麦在不同水文年型的需水量，因此所计算的结果更符合当地的实际情况，提高了计算的准确度，结果可参考性更强。本研究结果表明４ 种水文年型自然降水均无法满足冬小麦生长对水分的需求，这与王春泽等［２２］ 、职微微等［２３］ 的研究结果相一致，并且进一步细化了该区冬小麦在各生育期的补充灌溉需水量。湿润年型，需特别关注冬小麦在拔节—抽穗期需水；其他水文年型，冬小麦补充灌溉水量在抽穗—灌浆期占比较大，其次为拔节—抽穗期，最小占比为越冬—返青期。因此，为了保证该地区冬小麦高产，在节水灌溉的前提下需特别关注抽穗—灌浆期的补充灌溉用水。

本研究可为制定当地冬小麦灌溉制度和合理利用当地的水资源提供理论基础和依据，也可为相关性研究提供参考。但是在计算中未考虑农艺措施的不同及特殊地带如地下水浅埋地区地下水毛管上升对作物补充灌溉需水量的影响，今后会结合田间试验做进一步的细化研究。

４结论

１）近６０ ａ 来，黄河流域晋东南地区冬小麦全生育期需水量气候倾向率为０．５９３ ｍｍ／ （１０ ａ），需水量多年平均值为５８６．０９ ｍｍ；降水量气候倾向率为９．８２７ｍｍ／ （１０ ａ），降水量多年平均值为２１３．６６ ｍｍ；冬小麦在拔节—抽穗期需水气候倾向率最大，为２．３０ ｍｍ／（１０ ａ），而该生育期降水以０．３６ ｍｍ／ （１０ ａ）的气候倾向率递减。

２）４ 种典型灌溉年份（２５％、５０％、７５％、９５％保证率）下，冬小麦全生育期降水与需水的耦合度依次为０．４３、０．３３、０．２８、０．１８。随着保证率的提高，冬小麦每个生育期内降水与作物需水的耦合度均在逐渐减小；同一水文年型，降水与冬小麦需水的耦合度均在播种—越冬期为最大，尤其是在湿润年达到０．９１；在灌浆—成熟期次之，分别为湿润年０．６２、平水年０．２９、干旱年０．１０、极枯水年０．０１。

３）４ 种典型灌溉年份自然降水均无法满足冬小麦生长对水分的需求，需补充灌溉水量依次为２６１．７４、４２７．４５、５５４．３４、６７４．６６ ｍｍ。湿润年型，需特别关注拔节—抽穗期补水，需灌溉补水量８４．００ ｍｍ；其他水文年型，应特别关注抽穗—灌浆期的补水，其中平水年应补充灌溉１１６．８７ ｍｍ、干旱年应补充灌溉１４２．５５ ｍｍ、极枯水年应补充灌溉１７１．５４ ｍｍ。