山西省小麦需水量空间变化规律分析研究

韩娜娜，王仰仁，周青云，金建华，叶澜涛，郑志伟

(天津农学院 水利工程学院， 天津 300384)

0 引 言

山西省位于黄河中游东岸，华北平原西面的黄土高原上，是我国的一个内陆省份。全省疆域轮廓呈东北斜向西南的平行四边形，南北间距较长，约为682 km。东西间距较短，约为385 km。境内地貌类型复杂多样，有山地、丘陵、台地、平原等。属于温带大陆性季风气候。山西省各地年平均气温介于4.2～14.2 ℃之间，总体分布趋势为由北向南升高，由盆地向高山降低；全省各地年降水量介于358～ 621 mm之间，季节分布不均，夏季6-8月降水相对集中，约占全年降水量的60%，且省内降水分布受地形影响较大。山西省现有耕地36 925万hm2，主要粮食作物有小麦、高粱、玉米、豆类和薯类。根据2010年《山西省农村统计年鉴》的资料统计，全省有冬小麦和春小麦，春小麦主要在山西的北部，如大同、朔州等地区，分布较少，但冬小麦的分布较广，种植面积较大，从南到北主要分布在大同、朔州、忻州、太原、晋中、吕梁、阳泉、长治、临汾、晋城、运城等，其中运城和临汾的播种面积分别占到全省小麦播种面积的47.7%和34.7%。

1 山西省小麦灌溉试验站情况

山西省最早于20世纪50年代建立了8个灌区试验站，开展了各种主要作物需水量与灌溉制度试验。随后全省一些灌区陆续成立了灌溉试验站，最多时在1981年曾达到50余个[1]。目前，经过调整、充实，稳定在20个左右，本次小麦试验成果分析主要参与的试验站有：大同御河、吕梁地区的文峪河、晋中地区的潇河和中心站、长治地区的黎城、临汾地区的霍泉和汾西、运城地区的鼓水、夹马口和红旗试验站。

2 分析方法

1995-2013年期间，各试验站进行了大量的灌溉制度试验和田间作物需水量试验。试验以控制作物生育期根系层土壤水分不同下限设置处理，单站年处理数一般在3～4个。对于田间作物需水量试验，则以作物根系层土壤水分不低于田间持水量的60%～65%，且产量较高，确定作物需水量与需水规律[2]。依此逐年求得了小麦的作物需水量和阶段需水量及其需水强度；以阶段需水强度为依据，求得各站多年平均的作物阶段需水强度；统计各年作物生育阶段起止日期，求其年平均值，作为该作物的生育期起止日期，并确定各生育阶段的天数，以此作为多年平均情况下的作物生育阶段，求取作物阶段需水量及其全生育期的需水量。

3 小麦作物需水量分析

3.1 小麦阶段需水量分析

根据1995年到2013年期间分布于全省的10个试验站作物需水量田间试验和灌溉制度试验的资料，分地市分析研究了春小麦、冬小麦作物的多年平均需水量及需水规律，详见表1和表2。

表1 春小麦阶段需水量表

表2 冬小麦阶段需水量表

由表1和表2可知，山西省主要是在北部地区种植春小麦，灌溉试验站仅1个。山西小麦以冬小麦为主，主要分布在山西的中部和南部地区，冬小麦灌溉试验站有9个。综合这9个冬小麦灌溉试验站的不同生育阶段需水量的资料，并与春小麦的试验资料进行对比分析，结果见图1。

图1 春小麦与冬小麦不同生育阶段平均作物需水量对照图

根据表1、表2和图1分析可得，春小麦比冬小麦少了一个越冬阶段，但是除了越冬阶段之外，其他阶段春小麦和冬小麦的阶段耗水量具有相似的变化规律，都表现出从播种到收获，阶段的需水量呈递增的趋势，且春小麦在后期抽穗-灌浆及灌浆-收获这两个阶段比冬小麦的作物需水量要大，平均要大10～23 mm左右。这主要是春小麦的收获时间大约是在7月中下旬，而冬小麦的收获时间大约是在6月上中旬，因此，在抽穗到收获阶段春小麦的作物需水量要比冬小麦大。

图2 山西不同地区冬小麦阶段需水量对比分析图

由图2可以看出，山西地区冬小麦的种植区域从北向南(晋中、吕梁、长治、临汾、运城)来看，除了长治地区，其他地区冬小麦从播种到收获表现出来的规律基本相似，长治地区冬小麦在返青到越冬及越冬到拔节阶段比其他地区需水量都大，这可能与长治黎城的试验站所在的位置有关，该试验站不像其他的试验站位于盆地之中，而是位于一个海拔相对较高，且处于风口处，因此风速较大，作物需水量也较大。但是山西的地形高低起伏较大，长治地区的漳北试验站代表了山西太行山地区一带冬小麦的情况。从拔节(第5个阶段)到收获阶段来看，晋中地区的阶段需水量最大，依次是长治、临汾、运城，基本上呈现出从南到北阶段需水量递减的变化规律。

3.2 全生育期小麦需水量分析

图3是山西晋中、吕梁、长治、临汾及运城地区冬小麦全生育期需水量，由图可以看出，这几个地区除了长治，其他的需水量都相差不大，主要原因还是长治黎城的灌溉试验站所处的位置，风速加大，加大了作物的耗水量，因此作物需水量较大。图3是根据一个地区统计各试验站得到的平均情况。另外由表2可以看出，即使在同一地区，冬小麦全生育期的需水量在不同试验站之间变化也较大，如晋中地区，有中心站和潇河站，生长天数相同，但是这两个站的冬小麦需水量差别较大，中心站为4 315.5 m3/hm2，潇河站为5 085 m3/hm2，两地区的气象条件相接近，主要原因可能是中心站的地下水埋深较浅，而在实际计算过程中，忽略了地下水的补给，所以中心站计算的值可能比实际情况偏小。临汾地区也有类似的情况，如霍泉和汾西，生长天数基本接近，由于汾西地区地下水埋深较浅，冬小麦的需水量也较小。

图3 冬小麦全生育期需水量

3.3 气象因子对小麦需水量的影响

根据各试验站邻近的气象站近50的资料进行分析，选取了影响小麦作物需水量较大的气象因子，如气温、风速、日照时数等进行了统计分析，分别计算了各地区小麦生育期内各气象因子的平均值，计算与分析结果见表3和图4。因为参考作物蒸发蒸腾量ET0采用彭曼蒙蒂斯公式计算，该公式综合考虑了太阳辐射和风速等因素的影响，因此，分析了参考作物蒸发蒸腾量和需水量之间的关系，见图5。

表3 山西不同地区小麦生育期内各气象因子值

图4 冬小麦生长天数与平均气温的关系

图5 小麦日平均需水量与日平均ET0的关系

山西地区自晋中、吕梁、长治、临汾到运城地区，基本上是从山西的北部到南部，冬小麦生育期内的平均气温自北向南逐渐增加，如晋中地区平均气温是5.7 ℃，而运城地区是10.2 ℃，随之而来的是各地区冬小麦的生长天数也相应的发生了变化，气温低的地区，生长的天数相对较长，如晋中地区平均生长天数为258 d，而运城地区则约为236 d，两地相差了20多d。山西南部运城地区收获的时间为5月底到6月上旬，而山西晋中地区则在6月下旬，这也正好解释了前面提到的在拔节到收获阶段，山西冬小麦作物需水量自北向南逐渐增大的原因。

图5分析了山西不同地区小麦全生育期内日平均需水量与日平均参考作物需水量(ET0)之间的关系图，因为ET0的结果已经包含了气温、日照时数、风速和湿度等气象因子对其的影响。小麦的日均需水量随着日平均气温的增大而增大，随着日平均日照时数的增加而增加，随着日平均风速的增大而增大，随着日平均湿度的增大而减小。图5可以看出，随着日均ET0的增大，小麦的日均需水量也增大。两者之间的相关性较好，相关系数的平方为0.958，相关程度非常密切。说明气温、日照时数、风速和湿度等气象因素对作物需水量的影响较大。

4 结 语

本文结合山西省小麦试验站多年需水量的试验数据及邻近气象站近50年的气象资料，分析了山西省小麦作物需水量在空间上的变化特点，上述作物需水量是以多年平均值表示的作物需水量，也可称为作物需水量均值。作物需水量均值直观明了，便于应用，其结果在工程规划设计及灌溉用水管理中得到广泛应用。但是试验年限毕竟系列较短，其作物需水量有可能偏丰或者偏枯，影响工程规划设计精度。今后可以结合气象资料和作物系数逐年计算作物需水量[3,4]，提高作物需水量的计算精度。

[1] 王仰仁,孙小平.山西农业节水理论与作物高效用水模式[M].北京：中国科学技术出社,2003.

[2] 陈玉民,郭国双.中国主要作物需水量与灌溉[M]. 北京：水利电力出版社,1995.

[3] 尹京川,马孝义,孙永胜，等. 基于BP神经网络与GIS可视化的作物需水量预测[J]. 2012,(7):13-16.

[4] 陶国通,王景雷,男纪琴，等.基于温度的作物需水量估算方法[J].应用生态学报，2014,25(7)：2 019-2 025.