桑干河流域大同地区春玉米灌溉需水量时空变化研究特征

郭书婷

(内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022)

玉米是我国主要的粮食作物之一[1]。在山西的粮食作物中，玉米的播种面积占比基本保持在50%左右。桑干河流域大同段是山西玉米主要种植区域，但该区域属于半干旱地区和资源性缺水地区[2]，降水较少且加上长期的大规模发展种植业，水资源短缺问题尤为显著，因此这也决定了山西省需要建立合理的灌溉制度。建立合理的灌溉制度需要对作物灌溉需水规律进行分析，国内不少学者对作物灌溉需水量以及灌溉制度优化做了大量研究工作。张雷等[3]对鲜食甜玉米需水量、需水规律及节水灌溉制度进行研究，发现甜玉米需水量较小，需水强度呈现抽雄吐丝期>灌浆乳熟期>拔节期>苗期的规律。李志等[4]通过对苏北地区冬小麦灌水量的研究，确定苏北地区冬小麦在不同水文年型下的灌溉需水量。李想等[5]通过DSSAT模型对黑河中游主要农作物的灌溉制度进行优化，以达到高产节水目的。梁永辉等[6]基于CERES-Maize模型对新疆膜下滴灌玉米的灌溉制度和需水规律进行研究，发现枯水年、平水年、丰水年玉米抽雄期灌溉量分别为180mm、180mm、120mm，灌浆期均灌溉120mm，其余各生育期灌溉量都为60mm时最优。杜斌等[7]在内蒙古河套地区进行大田试验，并运用Penmn-Monteith公式和水量平衡法对膜下滴灌向日葵和玉米系数进行修正，得出了全生育期玉米、向日葵耗水量分别为445mm、340mm，较传统灌溉分别节水12.7%和4.5%的结论。虽然近些年有不少学者对山西省玉米做了大量的研究工作，但是研究区域大部分在山西省中南部区；而且通过对文献的查阅，发现不同降雨等气象条件的差异会引起作物需水量和灌溉需水量的变化。

鉴于此，本文的研究区域为桑干河流域大同段，本文选取大同地区选取3个标准气象站点60a气象数据，计算且分析1960—2020年大同地区春玉米生育期内ETC、Pe、I，找出其变化规律，为该地区春玉米制定合理的灌溉制度提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大同位于山西省北部，见图1，地理坐标为E112°34′～114°33′,N39°03′～40°44′，海拔为1000～1500m，属中温带大陆性季风气候，年均气温为6.4℃，7月最高平均为21.9℃，1月最低平均为-11.8℃，年均日照时数为2811h，无霜期125d左右。多年平均降水量455mm左右，年均蒸发量为1561mm，约为降水量的3.5倍。

图1 大同市地理位置

1.2 计算方法和相关系数确定

1.2.1 参考作物蒸发蒸腾量

本文采用FAO-56推荐的Penman-Monteith公式计算参考作物蒸发蒸腾量[8]：

式中，ETo为参考作物蒸发蒸腾量，mm·d-1；Rn为净辐射，MJ·m-2·d-1；G为土壤热通量，MJ·m-2·d-1；u2为2m高度处风速，m·s-1；es为平均饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；Δ为饱和水汽压曲线斜率，kPa·℃-1；γ为湿度计常数，kPa·℃-1。

1.2.2 作物需水量

本研究采用FAO-56推荐的方法计算作物需水量，计算公式：

ETc=Kc×ET0

式中，ETo为参考作物蒸发蒸腾量，mm;Kc为作物系数。

1.2.3 作物生长阶段

本研究作物生长阶段的确定采用FAO-56推荐方法，将作物生长发育阶段划分为以下4个阶段:生长初期为从玉米种植日起到地面覆盖率达到10%为止;快速发育期为从覆盖率达到10%有效全面覆盖为止;生长中期为从完全覆盖到开始成熟为止;生长后期为开始成熟开始到玉米完全成熟为止[9]。本文中将玉米生育期划分为播种期-七叶期，七叶期-抽雄期，抽雄期-乳熟期，乳熟期-成熟期[10]。根据大同地区气候条件以及文献查询确定各阶段的作物系数和日期如表1[11]所示。

表1 作物系数

1.2.4 灌溉需水量

本文采用农田水量平衡法计算作物灌溉需水量[12]。

农田里有地垄和保护行，因此径流量可以忽略，且一般地下水位较深(一般在30m以下)，地下水补给量可以忽略不计，另外由于土壤水分变化不明显，ΔW也可忽略不计，因此作物生长所需水分主要由农田灌溉水和降水来供应，水量平衡方程式可以简化为[13]：

I=ETc-Pe

(1)

式中，ETc为作物生育期内某时段的需水量，mm；Pe为时段内有效降水量，mm；I为时段内灌溉水量，mm。

根据文献查找，式中有效降雨量Pe计算公式为[14]：

Pe=αP

式中，Pe为有效降雨量，mm；α为有效降雨系数；P为一次降雨量，mm；当P≤5mm时，α=0；当5mm100mm时，α=0.6。

1.3 数据来源

研究区所采用的3个站点1960—2020年60a逐日气象数据来源于中国气象数据网，分别是大同、灵丘、天镇站，具体包括最高气温、最低气温、平均相对湿度、降水量、平均风速、日照时数等。

1.4 数据处理

采用Excel进行数据整理计算与分析，且应用Arcgis采用克里金插值法对研究区域ET0以及灌溉需水量做空间分析。

2 结果与分析

2.1 年均ET0变化过程

图2为山西大同地区1960—2020年3个站点年均ET0变化趋势，由图2可知，年均ET0主要在883～1108mm变化，60a平均ET0为998mm;最小年份出现在1964年为883mm，最大年份出现在1972年为1108mm。60a的整体变化趋势不大，但进一步线性回归分析近年来呈现下降趋势。

图2 1960—2020年大同地区年均ET0变化趋势

2.2 ET0的空间变化特征

在各气象站点ET0多年平均值计算的基础上，应用ArcGIS的克里金空间插值方法，绘制了大同地区年际ET0的空间分布特征如图3所示。由图3可以看出，研究区域的年均ET0分布特点为由东南到西北递增趋势，其最大值出现在北部，年均1035mm，最小值为933mm,在灵丘附近，其主要原因是北部年均风速偏高，致使平均相对湿度偏小。

图3 年均ET0的空间分布特征

2.3 ETC、Pe、I变化

表2为大同地区1960—2020年春玉米生育期内ETC、Pe、I的变化，其平均值分别为448.72mm、250.2mm、215.02mm。

表2 1960—2020年春玉米生育期内ETC、Pe、I变化

由表2可以得到，大同地区春玉米生育期多年平均需水量在448.72mm，变化范围在399～500.8mm。春玉米生育期内需水量呈现先上升后减小趋势，在7月需水量最大,平均值为128.2mm，其他月份需水量表现为6月>8月>5月>9月，其中6月和8月需水量相差不大，分别为111.5mm和110.4mm。春玉米生育期内的有效降雨量平均最大值在7月，为85.64mm，其也表现为先增大后减小趋势。

春玉米生育期灌溉需水量多年平均值为215.02mm，变化范围在82.2～382.25mm，春玉米生育期内灌溉需水量呈现趋势与需水量变化规律一致,其最大灌溉需水量在6月,为68.6mm。图4是大同地区春玉米生育期内各月灌溉需水量分布柱状图，总体来看，1965年整个生长季灌溉需水量最多，主要集中在6—8月；1988年整个生长季灌溉需水量最小，主要灌溉需水量集中在6月。春玉米生长季灌溉需水量表现为6月>7月>8月>5月>9月，这是由于6—8月是春玉米的生长旺盛时期，对水分的需求量更大，而6月降水量少，但日照时数长、气温偏高，春玉米的水分流失更快，因此灌溉需求力度更大；虽然7月、8月需水量也较大，但是其降水量也大，因此灌溉需水量小于6月。从1960—2020年来看，灌溉需水量的年际变化波动较大，没有持续下降或上升趋势，这是由于年与年之间的降水量、日照时数、气温等气象要素变化较大，从而会影响灌溉需水量。

图4 大同地区春玉米生长季各月灌溉需水量分布图

2.4 春玉米灌溉需水量的空间变化

本文在计算大同地区3个站点60a春玉米灌溉需水量的基础上，利用Arcgis通过应用克里金插值法，根据灌溉需水量绘制出大同地区多年以及生育期内各月灌溉需水量的空间分布图，如图5～10。

由图5可以看出，大同地区灌溉需水量的多少呈带状分布，但分布并不均匀，总体来看，由东南向西北递增趋势，在大同西北地区春玉米灌溉需水量明显增加，在大同站点周围春玉米灌溉需水量达到最大等级，其大于236mm，而灵丘站点周围则是最小等级。究其原因，大同地区由西北到东南，气候特征不一样，西北区域的平均风速更高，降水量更少，气候更干燥，春玉米的蒸散量更大；而东南地区山区面积大，气温相对低，降水量较多，有山脉的阻挡，风速较小，因此气候相对湿润，春玉米的蒸散蒸腾作用相对较小，使得此区域的春玉米灌溉需水量更小。正是由于上述原因，大同地区春玉米多年的灌溉需水量的空间分布呈现由东南到西北递增趋势。

图6～10是大同地区春玉米生育期内不同月的灌溉需水量的空间分布图，由图中可以得出，其空间变化规律与多年灌溉需水空间分布特征大致相同，分布特征均是由东南到西北递减趋势。但在5月春玉米生育期灌溉需水量空间分布图可以看出，天镇站的灌溉需水量与大同站在一个等级，灌溉需水量均大于44.1mm，分析发现天镇站5月的降水量相对更低，因此灌溉需水量更大。

图5 大同地区多年灌溉需水量空间分布图

图6 大同地区5月灌溉需水量空间分布图

图7 大同地区6月灌溉需水量空间分布图

图8 大同地区7月灌溉需水量空间分布图

图9 大同地区8月灌溉需水量空间分布图

图10 大同地区9月灌溉需水量空间分布图

3 结论

通过对大同地区多年的ET0计算与分析，以及对大同地区春玉米生育期内作物需水量以及灌溉需水量研究，得出以下结论。

利用Penman-Monteith公式计算得到的研究区1960—2020年的ET0，年均ET0主要在883～1108mm变化，60a平均ET0为998mm，且呈现下降趋势；进一步用克里金法插值，大同地区的年均ET0空间分布特点为由东南低西北高。

1950—2020年大同地区春玉米生育期内需水量范围为399～500.8mm，平均值为448.72mm;有效降雨量为108.24～444.24mm，平均值为250.2mm；大同地区春玉米生育期内需水量、有效降雨量均呈现先上升后减小趋势。

根据农田水量平衡公式，计算得出大同地区春玉米灌溉需水量，进一步分析得出其空间分布特征。春玉米生育期灌溉需水量多年平均值为215.02mm，变化范围在82.2～382.25mm，呈现规律为先增大后减小趋势；其空间分布特征呈带状分布，但分布并不均匀，总体来看，由东南向西北递增趋势，且在生育期各月的灌溉需水量空间分布特征与多年的大体一致。