職微微 李平春 李夢娜 祁云蛟 陳 阜 雷永登*

(1.中國農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院,北京 100193;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)作制度重點實驗室,北京 100193)

2001—2021年，我國因干旱導致的作物受災(zāi)面積達農(nóng)作物總播種面積的9%以上，且旱災(zāi)仍呈加劇發(fā)展趨勢[1]?！吨袊Y源公報》[2]發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，農(nóng)業(yè)用水占我國總用水量的61%，農(nóng)田灌溉用水是主要的農(nóng)業(yè)用水。“十年九旱”是山西省常態(tài)，區(qū)域有效降水和灌溉水資源不足，是限制其農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的重要因素[3]。統(tǒng)計顯示，農(nóng)田灌溉用水占山西省總用水量的58%，而有效灌溉面積僅占總耕地面積的27%，充分且高效地利用自然降水及灌溉水對于減輕山西省農(nóng)業(yè)灌溉用水壓力意義重大[4]。研究作物生育期水分虧缺是確定灌溉用水的重要基礎(chǔ)[5-6]。分析作物生育期水分供需特征及水分生態(tài)適應(yīng)性規(guī)律，可有效提高作物的水分利用效率，促進干旱缺水地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源高效可持續(xù)利用[7-10]。

作物水分虧缺指數(shù)可較好地反映氣候及土壤狀況對作物的綜合影響，能夠真實地表現(xiàn)出作物的水分虧缺情況[11]。進一步分析作物生育期內(nèi)的水分生態(tài)適應(yīng)性對有效保持水土、克服水分虧缺具有重要意義[12]。為此，王龍昌等[13]對黃土丘陵區(qū)旱地作物的水分生態(tài)適應(yīng)性進行了系統(tǒng)的評價，結(jié)果表明，谷子的水分生態(tài)適應(yīng)性優(yōu)于馬鈴薯。雖然對于作物干旱指標的研究已較為普遍，但是針對山西省典型糧食作物的水分生態(tài)適應(yīng)性定量評價和對比研究鮮有報道。本研究基于1980—2018年山西省28個國家標準氣象站點的逐日氣象資料，采用Penman-Monteith公式，分析典型糧食作物的水分消耗情況,在此基礎(chǔ)上定量計算作物生育期內(nèi)的水分虧缺及生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)，旨在探究山西省糧食作物的水分供需及水分生態(tài)適應(yīng)性特征，以期為優(yōu)化山西省糧食作物種植結(jié)構(gòu)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山西省地處中緯度地帶， 34°34′～40°44′ N，110°14′～114°33′ E，總面積為15.67×106hm2，屬于溫帶大陸性季風氣候，疆域輪廓呈東北斜向西南的平行四邊形，山地、丘陵面積占全省總面積的80%[14]。山西省年降水量大約在400～650 mm，為典型的半干旱地區(qū)[15]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

平均氣溫、降水量、相對濕度和日照時數(shù)等來自山西省28個國家標準氣象站點1980—2018年的逐日氣象資料；作物系數(shù)參考FAO-56《Irrigation and Drainage Paper》[16]并結(jié)合當?shù)貧庀髷?shù)據(jù)進行校正；該研究涉及到的糧食作物為玉米、谷子和馬鈴薯，其生育期數(shù)據(jù)參考中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)的中國農(nóng)作物生長發(fā)育數(shù)據(jù)集及相關(guān)文獻[17-18]。

1.3 研究方法

采用Penman-Monteith公式及分段單值平均法[16,19]，計算3種糧食作物的需水量(ETc)并結(jié)合區(qū)域的氣象條件，對作物系數(shù)(Kc)進行校正；作物生育期內(nèi)的有效降水量(Pe)以及灌溉需水量(IR)的計算參考相關(guān)研究的核算方式；采用氣象以及農(nóng)業(yè)用水等研究中常用的水分虧缺指數(shù)(CWDI)和水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)(WEAI)定量分析3種典型糧食作物的水分生態(tài)適應(yīng)性。

1.3.1有效降水量

有效降水量的計算采用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的方法[20]：

(1)

式(1)中：Pe，有效降水量，mm/d；P，日自然降水量，mm/d。

1.3.2灌溉需水量

作物灌溉需水量的一部分可以由降水供給，為作物生育期內(nèi)需水量與有效降水量的差值[21]：

(2)

式(2)中：IR，灌溉需水量，mm；ETc，作物需水量，mm；Pe，有效降水量，mm。

1.3.3水分虧缺指數(shù)

作物水分虧缺指數(shù)是常用的表征作物水分虧缺程度的指標，能夠真實地反映出作物的水分虧缺情況[22]：

(3)

式(3)中：CWDI，水分虧缺指數(shù)；ETc，作物需水量, mm；Pe，有效降水量，mm。

1.3.4水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)

水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)可反映作物水分生態(tài)適宜性的強弱，是評價旱地作物生態(tài)適應(yīng)性的重要指標[23]。

(4)

式(4)中：WEAI，作物水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)；Raj，第a種作物第j生長期內(nèi)的降水量，mm；ETaj，第a種作物在第j生長期內(nèi)的需水量，mm；Waj，第a種作物在第j生長期內(nèi)的權(quán)重系數(shù)的計算方法如下：

(5)

式(5)中：∑ETa，第a種作物在各生長期需水量之和，mm。

1.4 統(tǒng)計方法

采用R語言計算作物的有效降水量、灌溉需水量、水分虧缺指數(shù)及水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)；采用ArcGIS 10.4中的反距離權(quán)重法進行空間插值分析；采用Microsoft Excel 2013進行數(shù)據(jù)的后期整理與作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型糧食作物水分供需特征

2.1.1典型糧食作物Kc系數(shù)

由表1可知，校正后晉南地區(qū)的馬鈴薯全生育期的Kc最高，在該地區(qū)Kc最低的為谷子。整體來看，山西省典型糧食作物全生育期的Kc由高到低表現(xiàn)為：馬鈴薯>玉米>谷子。

表1 山西省典型糧食作物的KcTable 1 Kc of typical grain crops in Shanxi Province

2.1.2典型糧食作物生育期內(nèi)的水分供需特征

由表2可知，1980—2018年，玉米和谷子在生育期內(nèi)作物需水量方面的表現(xiàn)基本一致：晉中地區(qū)(太原、呂梁、陽泉和晉中市)2種作物的需水量較低，均值分別為285.72 和285.67 mm，其他地區(qū)玉米和谷子的需水量較晉中地區(qū)分別高25.86和21.28 mm。馬鈴薯的作物需水量在晉南(臨汾、運城市)及晉東南地區(qū)(長治和晉城市)處于較低值，分別為271.31和290.22 mm，其他地區(qū)均較高。

表2 1980—2018年山西省典型糧食作物的水分供需情況Table 2 Water supply and demand of typical grain crops in Shanxi Province from 1980 to 2018 mm

谷子和玉米生育期內(nèi)的有效降水量及作物需水量在山西省各地區(qū)有較好的耦合度，而馬鈴薯生育期內(nèi)的需水量及有效降水量的耦合度較差。3種糧食作物生育期內(nèi)的有效降水量由高到低為：玉米(146.58 mm)>谷子(145.44 mm)>馬鈴薯(109.89 mm)，谷子和玉米生育期內(nèi)的有效降水量在山西省各地區(qū)均高于馬鈴薯，馬鈴薯生育期內(nèi)的需水量較高而有效降水量又不及谷子和玉米，因此，馬鈴薯在山西省各地區(qū)的種植均需補充灌溉用水。

由于谷子及玉米生育期內(nèi)的需水量與有效降水量有較好的空間耦合性，因此，在運城市谷子和玉米生長季所需補充的灌溉用水量均高于馬鈴薯，分別需要補充272.22和270.04 mm。馬鈴薯生長季的有效降水、需水耦合度遠不及谷子和玉米，因此，在山西省大部分地區(qū)，馬鈴薯種植補充的灌溉需水量均遠高于玉米和谷子，尤其是在太原、忻州和朔州以及呂梁市。3種糧食作物生育期內(nèi)所需補充的灌溉用水量由高到低為：馬鈴薯(248.96 mm)>玉米(239.26 mm)>谷子(237.23 mm)。

綜上，3種作物的需水量與有效降水均有一定的耦合度，除在運城市，玉米及谷子的灌溉需水量分別為270.04和272.22 mm，高于馬鈴薯的灌溉需水量(244.41 mm)，其他地區(qū)均低于馬鈴薯。馬鈴薯生育期內(nèi)的有效降水無法滿足其全生育期生長的需求，在全省大部分地區(qū)均需要補充大量的灌溉用水。

2.1.3典型糧食作物水分虧缺指數(shù)

由表3可知，1980—2018年，山西省典型糧食作物生育期內(nèi)水分虧缺指數(shù)最高和最低的分別是運城市的馬鈴薯(0.85)和陽泉市的谷子(0.73)。3種糧食作物的水分虧缺指數(shù)在全省由高到低為：馬鈴薯(0.78)>玉米(0.76)>谷子(0.75)。馬鈴薯在晉南和晉東南及呂梁地區(qū)，水分虧缺指數(shù)較高，其他地區(qū)，玉米的水分虧缺指數(shù)均稍高于谷子和馬鈴薯，谷子的水分虧缺指數(shù)在山西省各地方均保持較低且穩(wěn)定的狀態(tài)。

表3 1980—2018年山西省典型糧食作物水分虧缺指數(shù)Table 3 Water deficit index of typical grain crops in Shanxi Province from 1980 to 2018

2.2 典型糧食作物水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)

由表4可知，3種作物水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)在全省由高到低表現(xiàn)為：谷子(1.22)>玉米(1.07)>馬鈴薯(0.77)。谷子在山西省的水分生態(tài)適應(yīng)指數(shù)均高于玉米和馬鈴薯，馬鈴薯的水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)最低，尤其在運城市，馬鈴薯水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)僅為0.50，且在山西全省馬鈴薯的水分生態(tài)適應(yīng)性均低于另外2種作物，谷子和玉米的水分生態(tài)適應(yīng)性在山西省大部分區(qū)域相差較小。陽泉、長治和晉城市谷子的水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)較高，晉南地區(qū)馬鈴薯的水分生態(tài)適應(yīng)性較低，而玉米在山西省各地方的水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)較穩(wěn)定，處于三者中值。

表4 1980—2018年山西省典型糧食作物水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)Table 4 Water ecological adaptability index of typicalgrain crops in Shanxi Province from 1980 to 2018

3 討 論

玉米是山西省播種面積占比最大的作物[24]，谷子是該省特色糧食作物[25]，馬鈴薯作為主糧化戰(zhàn)略作物，且是山西省傳統(tǒng)農(nóng)作物之一[26]，因此，本研究選取這3種典型糧食作物，對其在山西省各區(qū)域的水分供需特征進行定量分析，并在此基礎(chǔ)上進一步量化評價了作物水分虧缺度和水分生態(tài)適應(yīng)性。

山西省屬于濕潤半濕潤氣候向半干旱氣候的過渡地帶，各地降水差異明顯，總趨勢為晉南向晉北遞減[27]，1978—2019年，晉北降水略有增加，晉北以南地區(qū)降水在減少[28]。由于周計偉[27]分析的是山西省全年自然降水情況，而本研究是關(guān)于3種作物生育期內(nèi)的降水量在山西省各地的表現(xiàn)情況，因此，本研究關(guān)于山西省各地作物生育期內(nèi)的有效降水分布情況與其研究存在一定差異。在作物系數(shù)方面，F(xiàn)AO-56《Irrigation and Drainage Paper》[16]公布的作物Kc為無水分脅迫、高管理水平等理想條件下的參考值[16]，因此，本研究結(jié)合山西省氣象數(shù)據(jù)，對3種作物生育期內(nèi)的Kc進行了校正，結(jié)果均小于參考值，這與史夢霞等[29]研究結(jié)果基本吻合。根據(jù)河北省當?shù)貧庀髼l件對夏玉米的Kc進行校正，結(jié)果表明，1999—2018年，河北省夏玉米全生育期Kc為0.85，其結(jié)果同樣低于FAO-56《Irrigation and Drainage Paper》[16]公布的參考值。在作物水分供需方面，劉鈺[19]對中國主要作物灌溉需水量空間分布特征進行分析，得出玉米灌溉需水量要小于馬鈴薯，這與本研究的結(jié)果一致。本研究結(jié)果表明，山西省3種作物的水分虧缺指數(shù)由高到低表現(xiàn)為：馬鈴薯(0.78)>玉米(0.76)>谷子(0.75)，因馬鈴薯種植需要補充大量的灌溉用水，所以其水分虧缺情況比玉米和谷子嚴重。水分生態(tài)適應(yīng)性方面，3種作物的水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)由高到低表現(xiàn)為：谷子>玉米>馬鈴薯，王龍昌[7]對黃土丘陵區(qū)旱地作物的水分生態(tài)適應(yīng)性進行定量評價，結(jié)果表明，谷子的水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)高于馬鈴薯，與本研究結(jié)果基本一致。

高耗水作物播種面積大且灌溉用水占比高是導致農(nóng)業(yè)水資源短缺的主要原因[30]。玉米在山西省播種面積占比最大，且在大部分地區(qū)的水分虧缺度較高，因此適當減少玉米的播種面積有助于減輕農(nóng)業(yè)灌溉用水的壓力。谷子的灌溉需水量及水分虧缺指數(shù)在山西省各地均保持較低且穩(wěn)定的狀態(tài)，水分生態(tài)適應(yīng)性最高，因此可以考慮適當增大谷子的播種面積。馬鈴薯灌溉需水量較高，且在晉南地區(qū)水分虧缺較嚴重，為0.85，明顯高于晉北、晉中及晉東南地區(qū)的均值0.78，水分生態(tài)適應(yīng)性差，為此應(yīng)嚴格控制缺水地區(qū)馬鈴薯的種植面積。因未獲取山西省所有作物的生育期數(shù)據(jù)，本研究僅重點分析了該省3種典型糧食作物的水分生態(tài)適應(yīng)性，今后可以考慮更多類別的糧食及經(jīng)濟作物，從而為山西省種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供更加全面的參考。

4 結(jié) 論

山西省3種作物在生育期內(nèi)的有效降水無法滿足3種作物生長發(fā)育的需求。馬鈴薯生育期內(nèi)所需補充的灌溉用水量最大，為248.96 mm，高于玉米239.26 mm及谷子237.23 mm。3種作物的水分虧缺指數(shù)由高到低為：馬鈴薯(0.78)>玉米(0.76)>谷子(0.75)；除晉南、晉東南地區(qū)，其他地區(qū)的作物水分虧缺指數(shù)均表現(xiàn)為玉米最高，谷子最低。山西省3種作物的水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)由高到低為：谷子(1.22)>玉米(1.07)>馬鈴薯(0.77)，各地谷子的水分生態(tài)適應(yīng)性指數(shù)均較高。為緩解山西省農(nóng)業(yè)干旱缺水現(xiàn)狀、提高作物種植的水分生態(tài)適應(yīng)性，應(yīng)適當減少玉米的種植范圍，增加谷子的播種面積，同時應(yīng)適當控制呂梁市馬鈴薯的種植規(guī)模。