汾河灌區主要作物需水量及灌溉水量分析

李海軍，劉海軍，張志郡

（1.山西省汾河流域管理局 山西 太原 030024；2.北京師范大學水科學研究院 北京 100875）

我國是農業大國，水資源和土地資源的時空分布不均。灌溉對我國的糧食生產和糧食安全具有重要的作用，灌溉農田的糧食產量一般可占糧食總生產量的70%左右[1-2]。北方灌區農作物需水期降水量偏少，需要引水灌溉，因此確定合理的灌溉水量對于灌區的水資源管理和灌區建設具有重要的作用[3-4]。尤其是在全球氣候變化背景下，灌區內的降水和蒸發會發生一定的變化，從而改變灌區的水文循環過程和水量平衡，進而引起灌區內水資源管理的改變[5-6]。

汾河灌區是山西省最大的引水灌區，但是近些年由于農業水價格高、水質污染嚴重、沒有合理的灌溉計劃，使得灌溉面積逐漸減少，農業總產量增產幅度較小。同時由于周邊地區大量采用機井灌溉，使得灌區內的地下水位大度降低，地下水漏斗逐年增加，灌區農業生產環境有惡化趨勢[7-8]。在氣候變化背景下，每年的土壤含水量變化極大，這嚴重影響了農業生產和水資源的配置。

因此本文以汾河灌區為研究對象，利用灌區內的長系列數據（1951—2014年），分析灌區內的水量平衡，提出主要作物的灌溉計劃，為灌區的糧食穩產增產提供數據支撐。

1 材料方法

1.1 灌區介紹

汾河灌區位于山西省中部的太原盆地，灌區地跨三個地市，即太原市、晉中市和呂梁市。灌區東西寬約20 km，南北長約140 km，全灌區總耕地面積10.5萬hm2，設計灌溉面積約10萬hm2。灌區的主要農作物包括春玉米、冬小麥等。灌區年灌溉引水量約2億m3，畝次灌水定額約100 m3[10]。

1.2 數據來源

1.2.1 氣象數據

本研究選用汾河灌區內的介休氣象站（海拔744m）和太原氣象站（海拔778 m）的氣象數據，原始氣象數據均來自于國家氣象局氣象信息中心，數據以日為單位，時間序列介休站為1954—2014年，太原站為1951—2014年。包括降水、平均氣壓、日照時數、平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、平均相對濕度和平均風速等數據，除降水外其他數據用來計算作物需水量。

1.2.2 作物數據

冬小麥和春玉米是灌區主要種植的作物[10]，因此本文主要分析這兩種作物的需水量。根據當地的調研和氣候資料，冬小麥一般在9月25日～10月10日播種，次年六月中下旬收獲，生長期約260 d。春玉米一般在4月中旬播種，9月中下旬收獲，生長期約為150 d。結合冬小麥和春玉米播種時對溫度的要求，以及灌區多年的種植經驗，本研究設定10月1日為冬小麥播種時間，次年的6月20日為收獲時間；4月20日為春玉米的播種時間，9月20日為春玉米的收獲時間。根據聯合糧農組織FAO 56對作物生長階段的劃分[11]，將冬小麥和春玉米的生長階段劃分為苗期、生長期、開花灌漿期和成熟期，其中冬小麥的苗期包括越冬階段。同時，根據FAO推薦的玉米和小麥的作物系數（Kc）和研究區域的相關研究結果[4，11-12]，提出了兩種作物不同生長階段的作物系數。冬小麥和春玉米各個生長階段的日期見表1。

表1 冬小麥和春玉米生長階段劃分及對應的作物系數

1.3 計算方法

1.3.1 作物需水量

作物需水量采用FAO 56提出的方法進行計算，計算公式為[11，13]：

式中：ETc——作為需水量，mm；

Kc——作物系數，通過表1確定每天的作物系數；

ETo——參考作物蒸散發，與氣象條件有關，通過Penman-Monteith公式計算得出。

1.3.2 有效降水量

汾河灌區總體地勢平坦，當日降水量較小時，一般不會產生地表徑流，降水大都會儲存在田間[14]。結合國內的研究結果發現[6]，當日降水量小于3.0 mm時，日降水量不計入有效降水量；當日降水量在3.0～50.0 mm時，日降水量作為有效降水量；當日降水量大于50.0 mm時，以日降水量的0.8倍作為有效降水量。

2 結果和分析

2.1 冬小麥需水量分析

冬小麥的生長周期從10月初至次年的6月中下旬，約260 d左右。期間在返青之前（約次年3月底之前），日需水量一般小于1.0 mm/d，該結果與Liu等[12]用蒸滲儀測量的結果一致。而在拔節期，由于溫度和輻射等增加，葉面積也迅速增加，這時作物需水量也快速增加，在開花期和灌漿前期需水量一般達到最大，約在5.0～6.0 mm/d之間。進入6月后，小麥從灌漿期進入成熟期，這時需水量迅速下降。冬小麥生育期內的日需水量過程如圖1所示。

圖1顯示基于兩個氣象站得到的作物需水量過程高度一致，表明汾河灌區內的氣象條件比較均一，因此本研究對兩個氣象站的數據統一進行分析。數據分析顯示，冬小麥多年平均總需水量約為470 mm左右。冬小麥在苗期、生長期、開花灌漿期和成熟期的需水量分別約占總需水量的25%、20%、45%和10%，各個生長階段的日均需水量分別為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為1.8 mm/d。成熟期日需水量較大，是由于該階段的潛在蒸散發能力較強。從日需水量可以看出，開花灌漿期是作物需水的關鍵期，其次為生長期，苗期由于要經歷較長時間的越冬過程，因此日需水量較小。而在成熟期，要適當地控制土壤水分和作物蒸騰量，促進同化物質盡快轉移到籽粒上，避免作物貪青晚熟造成減產。

圖1 冬小麥生育期內日需水量變化過程

2.2 春玉米需水量分析

研究區春玉米的生長日期一般在5月初至9月底，約150 d左右。在苗期，玉米的植株較小，需水量也較小，一般在2.5 mm/d。而進入拔節期后，葉面積迅速增加，這時日需水量從3.0 mm/d增加到約5.0 mm/d。進入灌漿期后，葉面積逐漸呈現減小趨勢。到成熟期后需水量從3.0 mm/d下降到約1.0 mm/d左右。春玉米生育期內的日需水量變化過程如圖2所示。

圖2 春玉米生育期內日需水量變化過程

灌區內兩個氣象站計算得到的春玉米日需水量變化過程和高度一致。計算得到春玉米生育期內總需水量約為510 mm，該值與趙春林在充分供水條件下（灌水量261～304 mm）得到的春玉米耗水量505.5～506.2 mm一致[15]。在春玉米總需水量中，苗期、生長期、開花灌漿期和成熟期的需水量分別占總需水量的15%、38%、3%6和11%，各階段的日需水量分別約為2.4 mm/d、3.9 mm/d、4.3 mm/d和2.3 mm/d，生育期日需水量為3.3 mm/d。可以看出，作物需水最關鍵的時期為開花灌漿期，其次為生長期，成熟期和苗期的日需水量較小。

2.3 灌區灌溉水量分析

分別計算了冬小麥和春玉米不同生育階段的需水量和有效降水量，并計算了不同生長階段兩者的差值，計算結果分別見表2和表3。從表中可以看出，冬小麥整個生長季節的需水量太原站和介休站分別為467 mm和475 mm，有效降水量分別為140 mm和155 mm，水分虧缺量分別為327 mm和320 mm。兩站之間的需水量、有效降水量和水分虧缺量相差極小。同理，比較兩個站玉米生育期的數據發現，所有數據也非常接近。因此，說明灌區內的氣象條件總體比較均一，空間變化小。

表2 冬小麥不同生長階段需水量、有效降水量和水分平衡在太原站計算結果 單位/mm

表3 夏玉米不同生長階段需水量、有效降水量和水分平衡在太原站計算結果 單位/mm

對于冬小麥，缺水量最大的生長時期為開花灌漿期，其次為生長期（即拔節期），然后分別為苗期和成熟期，各階段兩站平均缺水量分別為160 mm、74 mm、59 mm和31 mm，總缺水量約為323 mm。由于開花灌漿期和生長期是小麥生長和產量形成的關鍵期，缺水對于產量的影響極大，因此首先要保障這兩個生育期的灌溉水量。苗期生長過程中，缺水量要小于灌漿期和快速生長期，但是此時土壤缺水會顯著影響作物的越冬以及冬前分蘗，為了增強冬小麥的越冬能力，一般需要進行冬灌。同時冬灌存儲的水分也利于冬小麥在拔節期的生長發育。而在成熟期，雖然缺水31 mm，但是該階段適當的缺水會促進光合物質盡快轉移到籽粒上，提高轉化效率，因此成熟期可不用灌水。分析結果表明，生產中要注重保證開花灌漿期和越冬期的灌溉，以保產和增產；在水資源充足的條件下可增加拔節期的灌溉。

在春玉米生長階段，作物缺水最多的時間為生長階段（83 mm），其次為開花灌漿期（50 mm），然后分別為苗期（45 mm）和成熟期的（40 mm），總缺水量約為220 mm。由于生長期和開花灌漿期對于春玉米產量的形成至關重要，因此首先要保障該生育期的灌溉用水，其次應保障苗期的灌溉用水。在研究區，由于冬季和早春的降水量較少，土壤含水量較低，為了促進春玉米出苗，可將苗期的灌溉提前至播種前，提高出苗率。而在苗期，通過適當控制土壤水分與限制玉米地上部生長，促進根系生長，提高抗旱能力。在成熟期，適當控制土壤水分，以促進玉米成熟，該階段一般不需要灌溉。因此，在春玉米生長階段，一般可灌水3次，每次灌溉水量約60 mm，分別在播前、生長期和灌漿期，總灌溉水量約180 mm。大量的研究文獻和當地的灌溉實踐表明，灌溉主要在播種時、拔節期和灌漿期進行[16]。

作物生育期的蒸散量一般包括土壤蒸發和作物蒸騰。大量研究發現土壤蒸發約占總蒸散量的30%[17]。如果進行秸稈或者地膜覆蓋，土壤蒸發量會減少50%[17-18]，冬小麥和春玉米總的蒸散量分別降低70 mm和75 mm，相當于一次的灌溉水量。這樣冬小麥和夏玉米的灌溉水量則分別減少為200 mm和100 mm，灌溉次數也相應的較少為2～3次和1～2次。由于采用覆蓋技術尤其是秸稈覆蓋技術，不會增加太多生產成本，且田間操作簡單，僅是將前季的作物秸稈保留在田間即可，因此可在灌區推廣使用[19]。居英威也提出，在汾河灌區采用膜灌技術可節水25%～30%[16]。

3 結論

一是汾河灌區兩個氣象站的蒸散發和降水量數據接近，表明汾河灌區氣象條件比較均一。二是汾河灌區多年冬小麥平均需水量約470 mm，生育期有效降水量約150 mm，缺水量約320 mm；建議生育期灌水3～4次，尤其要保障拔節灌漿期的灌溉用水。三是灌區多年春玉米平均需水量約為510 mm，生育期有效降水量約為290 mm，缺水量約220 mm；建議生育期灌溉2～3次，尤其保障拔節期的灌溉用水。