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(xué)水科學(xué)研究院 北京 100875）

我國是農(nóng)業(yè)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(chǎn)和糧食安全具有重要的作用，灌溉農(nóng)田的糧食產(chǎn)量一般可占糧食總生產(chǎn)量的70%左右[1-2]。北方灌區(qū)農(nóng)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(qū)的水資源管理和灌區(qū)建設(shè)具有重要的作用[3-4]。尤其是在全球氣候變化背景下，灌區(qū)內(nèi)的降水和蒸發(fā)會發(fā)生一定的變化，從而改變灌區(qū)的水文循環(huán)過程和水量平衡，進(jìn)而引起灌區(qū)內(nèi)水資源管理的改變[5-6]。

汾河灌區(qū)是山西省最大的引水灌區(qū)，但是近些年由于農(nóng)業(yè)水價格高、水質(zhì)污染嚴(yán)重、沒有合理的灌溉計劃，使得灌溉面積逐漸減少，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)量增產(chǎn)幅度較小。同時由于周邊地區(qū)大量采用機井灌溉，使得灌區(qū)內(nèi)的地下水位大度降低，地下水漏斗逐年增加，灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)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(yán)重影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源的配置。

因此本文以汾河灌區(qū)為研究對象，利用灌區(qū)內(nèi)的長系列數(shù)據(jù)（1951—2014年），分析灌區(qū)內(nèi)的水量平衡，提出主要作物的灌溉計劃，為灌區(qū)的糧食穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料方法

1.1 灌區(qū)介紹

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

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 氣象數(shù)據(jù)

本研究選用汾河灌區(qū)內(nèi)的介休氣象站（海拔744m）和太原氣象站（海拔778 m）的氣象數(shù)據(jù)，原始?xì)庀髷?shù)據(jù)均來自于國家氣象局氣象信息中心，數(shù)據(jù)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(shù)、平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫、平均相對濕度和平均風(fēng)速等數(shù)據(jù)，除降水外其他數(shù)據(jù)用來計算作物需水量。

1.2.2 作物數(shù)據(jù)

冬小麥和春玉米是灌區(qū)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(jù)當(dāng)?shù)氐恼{(diào)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(jié)合冬小麥和春玉米播種時對溫度的要求，以及灌區(qū)多年的種植經(jīng)驗，本研究設(shè)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(jù)聯(lián)合糧農(nóng)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(jù)FAO推薦的玉米和小麥的作物系數(shù)（Kc）和研究區(qū)域的相關(guān)研究結(jié)果[4，11-12]，提出了兩種作物不同生長階段的作物系數(shù)。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(yīng)的作物系數(shù)

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(jìn)行計算，計算公式為[11，13]：

式中：ETc——作為需水量，mm；

Kc——作物系數(shù)，通過表1確定每天的作物系數(shù)；

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

1.3.2 有效降水量

汾河灌區(qū)總體地勢平坦，當(dāng)日降水量較小時，一般不會產(chǎn)生地表徑流，降水大都會儲存在田間[14]。結(jié)合國內(nèi)的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)[6]，當(dāng)日降水量小于3.0 mm時，日降水量不計入有效降水量；當(dāng)日降水量在3.0～50.0 mm時，日降水量作為有效降水量；當(dāng)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(jié)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(jié)果與Liu等[12]用蒸滲儀測量的結(jié)果一致。而在拔節(jié)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(dá)到最大，約在5.0～6.0 mm/d之間。進(jìn)入6月后，小麥從灌漿期進(jìn)入成熟期，這時需水量迅速下降。冬小麥生育期內(nèi)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(qū)內(nèi)的氣象條件比較均一，因此本研究對兩個氣象站的數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)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(fā)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(guān)鍵期，其次為生長期，苗期由于要經(jīng)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(dāng)?shù)乜刂仆寥浪趾妥魑镎趄v量，促進(jìn)同化物質(zhì)盡快轉(zhuǎn)移到籽粒上，避免作物貪青晚熟造成減產(chǎn)。

圖1 冬小麥生育期內(nèi)日需水量變化過程

2.2 春玉米需水量分析

研究區(qū)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(jìn)入拔節(jié)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(jìn)入灌漿期后，葉面積逐漸呈現(xiàn)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(nèi)的日需水量變化過程如圖2所示。

圖2 春玉米生育期內(nèi)日需水量變化過程

灌區(qū)內(nèi)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(nèi)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(guān)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(qū)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(jié)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(jié)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(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，所有數(shù)據(jù)也非常接近。因此，說明灌區(qū)內(nèi)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(jié)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(jié)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(jié)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?cè)彼考s為323 mm。由于開花灌漿期和生長期是小麥生長和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵期，缺水對于產(chǎn)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(jìn)行冬灌。同時冬灌存儲的水分也利于冬小麥在拔節(jié)期的生長發(fā)育。而在成熟期，雖然缺水31 mm，但是該階段適當(dāng)?shù)娜彼畷龠M(jìn)光合物質(zhì)盡快轉(zhuǎn)移到籽粒上，提高轉(zhuǎn)化效率，因此成熟期可不用灌水。分析結(jié)果表明，生產(chǎn)中要注重保證開花灌漿期和越冬期的灌溉，以保產(chǎn)和增產(chǎn)；在水資源充足的條件下可增加拔節(jié)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?cè)彼考s為220 mm。由于生長期和開花灌漿期對于春玉米產(chǎn)量的形成至關(guān)重要，因此首先要保障該生育期的灌溉用水，其次應(yīng)保障苗期的灌溉用水。在研究區(qū)，由于冬季和早春的降水量較少，土壤含水量較低，為了促進(jìn)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(dāng)控制土壤水分與限制玉米地上部生長，促進(jìn)根系生長，提高抗旱能力。在成熟期，適當(dāng)控制土壤水分，以促進(jìn)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(xiàn)和當(dāng)?shù)氐墓喔葘嵺`表明，灌溉主要在播種時、拔節(jié)期和灌漿期進(jìn)行[16]。

作物生育期的蒸散量一般包括土壤蒸發(fā)和作物蒸騰。大量研究發(fā)現(xiàn)土壤蒸發(fā)約占總蒸散量的30%[17]。如果進(jìn)行秸稈或者地膜覆蓋，土壤蒸發(fā)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(dāng)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(shù)也相應(yīng)的較少為2～3次和1～2次。由于采用覆蓋技術(shù)尤其是秸稈覆蓋技術(shù)，不會增加太多生產(chǎn)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(qū)推廣使用[19]。居英威也提出，在汾河灌區(qū)采用膜灌技術(shù)可節(jié)水25%～30%[16]。

3 結(jié)論

一是汾河灌區(qū)兩個氣象站的蒸散發(fā)和降水量數(shù)據(jù)接近，表明汾河灌區(qū)氣象條件比較均一。二是汾河灌區(qū)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(jié)灌漿期的灌溉用水。三是灌區(qū)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(jié)期的灌溉用水。