汾河灌区主要作物需水量及灌溉水量分析

李海军，刘海军，张志郡

（1.山西省汾河流域管理局 山西 太原 030024；2.北京师范大学水科学研究院 北京 100875）

我国是农业大国，水资源和土地资源的时空分布不均。灌溉对我国的粮食生产和粮食安全具有重要的作用，灌溉农田的粮食产量一般可占粮食总生产量的70%左右[1-2]。北方灌区农作物需水期降水量偏少，需要引水灌溉，因此确定合理的灌溉水量对于灌区的水资源管理和灌区建设具有重要的作用[3-4]。尤其是在全球气候变化背景下，灌区内的降水和蒸发会发生一定的变化，从而改变灌区的水文循环过程和水量平衡，进而引起灌区内水资源管理的改变[5-6]。

汾河灌区是山西省最大的引水灌区，但是近些年由于农业水价格高、水质污染严重、没有合理的灌溉计划，使得灌溉面积逐渐减少，农业总产量增产幅度较小。同时由于周边地区大量采用机井灌溉，使得灌区内的地下水位大度降低，地下水漏斗逐年增加，灌区农业生产环境有恶化趋势[7-8]。在气候变化背景下，每年的土壤含水量变化极大，这严重影响了农业生产和水资源的配置。

因此本文以汾河灌区为研究对象，利用灌区内的长系列数据（1951—2014年），分析灌区内的水量平衡，提出主要作物的灌溉计划，为灌区的粮食稳产增产提供数据支撑。

1 材料方法

1.1 灌区介绍

汾河灌区位于山西省中部的太原盆地，灌区地跨三个地市，即太原市、晋中市和吕梁市。灌区东西宽约20 km，南北长约140 km，全灌区总耕地面积10.5万hm2，设计灌溉面积约10万hm2。灌区的主要农作物包括春玉米、冬小麦等。灌区年灌溉引水量约2亿m3，亩次灌水定额约100 m3[10]。

1.2 数据来源

1.2.1 气象数据

本研究选用汾河灌区内的介休气象站（海拔744m）和太原气象站（海拔778 m）的气象数据，原始气象数据均来自于国家气象局气象信息中心，数据以日为单位，时间序列介休站为1954—2014年，太原站为1951—2014年。包括降水、平均气压、日照时数、平均气温、最低气温、最高气温、平均相对湿度和平均风速等数据，除降水外其他数据用来计算作物需水量。

1.2.2 作物数据

冬小麦和春玉米是灌区主要种植的作物[10]，因此本文主要分析这两种作物的需水量。根据当地的调研和气候资料，冬小麦一般在9月25日～10月10日播种，次年六月中下旬收获，生长期约260 d。春玉米一般在4月中旬播种，9月中下旬收获，生长期约为150 d。结合冬小麦和春玉米播种时对温度的要求，以及灌区多年的种植经验，本研究设定10月1日为冬小麦播种时间，次年的6月20日为收获时间；4月20日为春玉米的播种时间，9月20日为春玉米的收获时间。根据联合粮农组织FAO 56对作物生长阶段的划分[11]，将冬小麦和春玉米的生长阶段划分为苗期、生长期、开花灌浆期和成熟期，其中冬小麦的苗期包括越冬阶段。同时，根据FAO推荐的玉米和小麦的作物系数（Kc）和研究区域的相关研究结果[4，11-12]，提出了两种作物不同生长阶段的作物系数。冬小麦和春玉米各个生长阶段的日期见表1。

表1 冬小麦和春玉米生长阶段划分及对应的作物系数

1.3 计算方法

1.3.1 作物需水量

作物需水量采用FAO 56提出的方法进行计算，计算公式为[11，13]：

式中：ETc——作为需水量，mm；

Kc——作物系数，通过表1确定每天的作物系数；

ETo——参考作物蒸散发，与气象条件有关，通过Penman-Monteith公式计算得出。

1.3.2 有效降水量

汾河灌区总体地势平坦，当日降水量较小时，一般不会产生地表径流，降水大都会储存在田间[14]。结合国内的研究结果发现[6]，当日降水量小于3.0 mm时，日降水量不计入有效降水量；当日降水量在3.0～50.0 mm时，日降水量作为有效降水量；当日降水量大于50.0 mm时，以日降水量的0.8倍作为有效降水量。

2 结果和分析

2.1 冬小麦需水量分析

冬小麦的生长周期从10月初至次年的6月中下旬，约260 d左右。期间在返青之前（约次年3月底之前），日需水量一般小于1.0 mm/d，该结果与Liu等[12]用蒸渗仪测量的结果一致。而在拔节期，由于温度和辐射等增加，叶面积也迅速增加，这时作物需水量也快速增加，在开花期和灌浆前期需水量一般达到最大，约在5.0～6.0 mm/d之间。进入6月后，小麦从灌浆期进入成熟期，这时需水量迅速下降。冬小麦生育期内的日需水量过程如图1所示。

图1显示基于两个气象站得到的作物需水量过程高度一致，表明汾河灌区内的气象条件比较均一，因此本研究对两个气象站的数据统一进行分析。数据分析显示，冬小麦多年平均总需水量约为470 mm左右。冬小麦在苗期、生长期、开花灌浆期和成熟期的需水量分别约占总需水量的25%、20%、45%和10%，各个生长阶段的日均需水量分别为0.6 mm/d、3.1 mm/d、5.0 mm/d和5.1 mm/d，生育期平均日需水量为1.8 mm/d。成熟期日需水量较大，是由于该阶段的潜在蒸散发能力较强。从日需水量可以看出，开花灌浆期是作物需水的关键期，其次为生长期，苗期由于要经历较长时间的越冬过程，因此日需水量较小。而在成熟期，要适当地控制土壤水分和作物蒸腾量，促进同化物质尽快转移到籽粒上，避免作物贪青晚熟造成减产。

图1 冬小麦生育期内日需水量变化过程

2.2 春玉米需水量分析

研究区春玉米的生长日期一般在5月初至9月底，约150 d左右。在苗期，玉米的植株较小，需水量也较小，一般在2.5 mm/d。而进入拔节期后，叶面积迅速增加，这时日需水量从3.0 mm/d增加到约5.0 mm/d。进入灌浆期后，叶面积逐渐呈现减小趋势。到成熟期后需水量从3.0 mm/d下降到约1.0 mm/d左右。春玉米生育期内的日需水量变化过程如图2所示。

图2 春玉米生育期内日需水量变化过程

灌区内两个气象站计算得到的春玉米日需水量变化过程和高度一致。计算得到春玉米生育期内总需水量约为510 mm，该值与赵春林在充分供水条件下（灌水量261～304 mm）得到的春玉米耗水量505.5～506.2 mm一致[15]。在春玉米总需水量中，苗期、生长期、开花灌浆期和成熟期的需水量分别占总需水量的15%、38%、3%6和11%，各阶段的日需水量分别约为2.4 mm/d、3.9 mm/d、4.3 mm/d和2.3 mm/d，生育期日需水量为3.3 mm/d。可以看出，作物需水最关键的时期为开花灌浆期，其次为生长期，成熟期和苗期的日需水量较小。

2.3 灌区灌溉水量分析

分别计算了冬小麦和春玉米不同生育阶段的需水量和有效降水量，并计算了不同生长阶段两者的差值，计算结果分别见表2和表3。从表中可以看出，冬小麦整个生长季节的需水量太原站和介休站分别为467 mm和475 mm，有效降水量分别为140 mm和155 mm，水分亏缺量分别为327 mm和320 mm。两站之间的需水量、有效降水量和水分亏缺量相差极小。同理，比较两个站玉米生育期的数据发现，所有数据也非常接近。因此，说明灌区内的气象条件总体比较均一，空间变化小。

表2 冬小麦不同生长阶段需水量、有效降水量和水分平衡在太原站计算结果 单位/mm

表3 夏玉米不同生长阶段需水量、有效降水量和水分平衡在太原站计算结果 单位/mm

对于冬小麦，缺水量最大的生长时期为开花灌浆期，其次为生长期（即拔节期），然后分别为苗期和成熟期，各阶段两站平均缺水量分别为160 mm、74 mm、59 mm和31 mm，总缺水量约为323 mm。由于开花灌浆期和生长期是小麦生长和产量形成的关键期，缺水对于产量的影响极大，因此首先要保障这两个生育期的灌溉水量。苗期生长过程中，缺水量要小于灌浆期和快速生长期，但是此时土壤缺水会显著影响作物的越冬以及冬前分蘖，为了增强冬小麦的越冬能力，一般需要进行冬灌。同时冬灌存储的水分也利于冬小麦在拔节期的生长发育。而在成熟期，虽然缺水31 mm，但是该阶段适当的缺水会促进光合物质尽快转移到籽粒上，提高转化效率，因此成熟期可不用灌水。分析结果表明，生产中要注重保证开花灌浆期和越冬期的灌溉，以保产和增产；在水资源充足的条件下可增加拔节期的灌溉。

在春玉米生长阶段，作物缺水最多的时间为生长阶段（83 mm），其次为开花灌浆期（50 mm），然后分别为苗期（45 mm）和成熟期的（40 mm），总缺水量约为220 mm。由于生长期和开花灌浆期对于春玉米产量的形成至关重要，因此首先要保障该生育期的灌溉用水，其次应保障苗期的灌溉用水。在研究区，由于冬季和早春的降水量较少，土壤含水量较低，为了促进春玉米出苗，可将苗期的灌溉提前至播种前，提高出苗率。而在苗期，通过适当控制土壤水分与限制玉米地上部生长，促进根系生长，提高抗旱能力。在成熟期，适当控制土壤水分，以促进玉米成熟，该阶段一般不需要灌溉。因此，在春玉米生长阶段，一般可灌水3次，每次灌溉水量约60 mm，分别在播前、生长期和灌浆期，总灌溉水量约180 mm。大量的研究文献和当地的灌溉实践表明，灌溉主要在播种时、拔节期和灌浆期进行[16]。

作物生育期的蒸散量一般包括土壤蒸发和作物蒸腾。大量研究发现土壤蒸发约占总蒸散量的30%[17]。如果进行秸秆或者地膜覆盖，土壤蒸发量会减少50%[17-18]，冬小麦和春玉米总的蒸散量分别降低70 mm和75 mm，相当于一次的灌溉水量。这样冬小麦和夏玉米的灌溉水量则分别减少为200 mm和100 mm，灌溉次数也相应的较少为2～3次和1～2次。由于采用覆盖技术尤其是秸秆覆盖技术，不会增加太多生产成本，且田间操作简单，仅是将前季的作物秸秆保留在田间即可，因此可在灌区推广使用[19]。居英威也提出，在汾河灌区采用膜灌技术可节水25%～30%[16]。

3 结论

一是汾河灌区两个气象站的蒸散发和降水量数据接近，表明汾河灌区气象条件比较均一。二是汾河灌区多年冬小麦平均需水量约470 mm，生育期有效降水量约150 mm，缺水量约320 mm；建议生育期灌水3～4次，尤其要保障拔节灌浆期的灌溉用水。三是灌区多年春玉米平均需水量约为510 mm，生育期有效降水量约为290 mm，缺水量约220 mm；建议生育期灌溉2～3次，尤其保障拔节期的灌溉用水。