职微微 李平春 李梦娜 祁云蛟 陈 阜 雷永登*

(1.中国农业大学 农学院,北京 100193;2.农业农村部农作制度重点实验室,北京 100193)

2001—2021年，我国因干旱导致的作物受灾面积达农作物总播种面积的9%以上，且旱灾仍呈加剧发展趋势[1]。《中国水资源公报》[2]发布的数据显示，农业用水占我国总用水量的61%，农田灌溉用水是主要的农业用水。“十年九旱”是山西省常态，区域有效降水和灌溉水资源不足，是限制其农业经济发展的重要因素[3]。统计显示，农田灌溉用水占山西省总用水量的58%，而有效灌溉面积仅占总耕地面积的27%，充分且高效地利用自然降水及灌溉水对于减轻山西省农业灌溉用水压力意义重大[4]。研究作物生育期水分亏缺是确定灌溉用水的重要基础[5-6]。分析作物生育期水分供需特征及水分生态适应性规律，可有效提高作物的水分利用效率，促进干旱缺水地区农业水资源高效可持续利用[7-10]。

作物水分亏缺指数可较好地反映气候及土壤状况对作物的综合影响，能够真实地表现出作物的水分亏缺情况[11]。进一步分析作物生育期内的水分生态适应性对有效保持水土、克服水分亏缺具有重要意义[12]。为此，王龙昌等[13]对黄土丘陵区旱地作物的水分生态适应性进行了系统的评价，结果表明，谷子的水分生态适应性优于马铃薯。虽然对于作物干旱指标的研究已较为普遍，但是针对山西省典型粮食作物的水分生态适应性定量评价和对比研究鲜有报道。本研究基于1980—2018年山西省28个国家标准气象站点的逐日气象资料，采用Penman-Monteith公式，分析典型粮食作物的水分消耗情况,在此基础上定量计算作物生育期内的水分亏缺及生态适应性指数，旨在探究山西省粮食作物的水分供需及水分生态适应性特征，以期为优化山西省粮食作物种植结构提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

山西省地处中纬度地带， 34°34′～40°44′ N，110°14′～114°33′ E，总面积为15.67×106hm2，属于温带大陆性季风气候，疆域轮廓呈东北斜向西南的平行四边形，山地、丘陵面积占全省总面积的80%[14]。山西省年降水量大约在400～650 mm，为典型的半干旱地区[15]。

1.2 数据来源

平均气温、降水量、相对湿度和日照时数等来自山西省28个国家标准气象站点1980—2018年的逐日气象资料；作物系数参考FAO-56《Irrigation and Drainage Paper》[16]并结合当地气象数据进行校正；该研究涉及到的粮食作物为玉米、谷子和马铃薯，其生育期数据参考中国气象数据共享网的中国农作物生长发育数据集及相关文献[17-18]。

1.3 研究方法

采用Penman-Monteith公式及分段单值平均法[16,19]，计算3种粮食作物的需水量(ETc)并结合区域的气象条件，对作物系数(Kc)进行校正；作物生育期内的有效降水量(Pe)以及灌溉需水量(IR)的计算参考相关研究的核算方式；采用气象以及农业用水等研究中常用的水分亏缺指数(CWDI)和水分生态适应性指数(WEAI)定量分析3种典型粮食作物的水分生态适应性。

1.3.1有效降水量

有效降水量的计算采用美国农业部土壤保持局推荐的方法[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给，为作物生育期内需水量与有效降水量的差值[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水分亏缺指数

作物水分亏缺指数是常用的表征作物水分亏缺程度的指标，能够真实地反映出作物的水分亏缺情况[22]：

(3)

式(3)中：CWDI，水分亏缺指数；ETc，作物需水量, mm；Pe，有效降水量，mm。

1.3.4水分生态适应性指数

水分生态适应性指数可反映作物水分生态适宜性的强弱，是评价旱地作物生态适应性的重要指标[23]。

(4)

式(4)中：WEAI，作物水分生态适应性指数；Raj，第a种作物第j生长期内的降水量，mm；ETaj，第a种作物在第j生长期内的需水量，mm；Waj，第a种作物在第j生长期内的权重系数的计算方法如下：

(5)

式(5)中：∑ETa，第a种作物在各生长期需水量之和，mm。

1.4 统计方法

采用R语言计算作物的有效降水量、灌溉需水量、水分亏缺指数及水分生态适应性指数；采用ArcGIS 10.4中的反距离权重法进行空间插值分析；采用Microsoft Excel 2013进行数据的后期整理与作图。

2 结果与分析

2.1 典型粮食作物水分供需特征

2.1.1典型粮食作物Kc系数

由表1可知，校正后晋南地区的马铃薯全生育期的Kc最高，在该地区Kc最低的为谷子。整体来看，山西省典型粮食作物全生育期的Kc由高到低表现为：马铃薯>玉米>谷子。

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

2.1.2典型粮食作物生育期内的水分供需特征

由表2可知，1980—2018年，玉米和谷子在生育期内作物需水量方面的表现基本一致：晋中地区(太原、吕梁、阳泉和晋中市)2种作物的需水量较低，均值分别为285.72 和285.67 mm，其他地区玉米和谷子的需水量较晋中地区分别高25.86和21.28 mm。马铃薯的作物需水量在晋南(临汾、运城市)及晋东南地区(长治和晋城市)处于较低值，分别为271.31和290.22 mm，其他地区均较高。

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

谷子和玉米生育期内的有效降水量及作物需水量在山西省各地区有较好的耦合度，而马铃薯生育期内的需水量及有效降水量的耦合度较差。3种粮食作物生育期内的有效降水量由高到低为：玉米(146.58 mm)>谷子(145.44 mm)>马铃薯(109.89 mm)，谷子和玉米生育期内的有效降水量在山西省各地区均高于马铃薯，马铃薯生育期内的需水量较高而有效降水量又不及谷子和玉米，因此，马铃薯在山西省各地区的种植均需补充灌溉用水。

由于谷子及玉米生育期内的需水量与有效降水量有较好的空间耦合性，因此，在运城市谷子和玉米生长季所需补充的灌溉用水量均高于马铃薯，分别需要补充272.22和270.04 mm。马铃薯生长季的有效降水、需水耦合度远不及谷子和玉米，因此，在山西省大部分地区，马铃薯种植补充的灌溉需水量均远高于玉米和谷子，尤其是在太原、忻州和朔州以及吕梁市。3种粮食作物生育期内所需补充的灌溉用水量由高到低为：马铃薯(248.96 mm)>玉米(239.26 mm)>谷子(237.23 mm)。

综上，3种作物的需水量与有效降水均有一定的耦合度，除在运城市，玉米及谷子的灌溉需水量分别为270.04和272.22 mm，高于马铃薯的灌溉需水量(244.41 mm)，其他地区均低于马铃薯。马铃薯生育期内的有效降水无法满足其全生育期生长的需求，在全省大部分地区均需要补充大量的灌溉用水。

2.1.3典型粮食作物水分亏缺指数

由表3可知，1980—2018年，山西省典型粮食作物生育期内水分亏缺指数最高和最低的分别是运城市的马铃薯(0.85)和阳泉市的谷子(0.73)。3种粮食作物的水分亏缺指数在全省由高到低为：马铃薯(0.78)>玉米(0.76)>谷子(0.75)。马铃薯在晋南和晋东南及吕梁地区，水分亏缺指数较高，其他地区，玉米的水分亏缺指数均稍高于谷子和马铃薯，谷子的水分亏缺指数在山西省各地方均保持较低且稳定的状态。

表3 1980—2018年山西省典型粮食作物水分亏缺指数Table 3 Water deficit index of typical grain crops in Shanxi Province from 1980 to 2018

2.2 典型粮食作物水分生态适应性指数

由表4可知，3种作物水分生态适应性指数在全省由高到低表现为：谷子(1.22)>玉米(1.07)>马铃薯(0.77)。谷子在山西省的水分生态适应指数均高于玉米和马铃薯，马铃薯的水分生态适应性指数最低，尤其在运城市，马铃薯水分生态适应性指数仅为0.50，且在山西全省马铃薯的水分生态适应性均低于另外2种作物，谷子和玉米的水分生态适应性在山西省大部分区域相差较小。阳泉、长治和晋城市谷子的水分生态适应性指数较高，晋南地区马铃薯的水分生态适应性较低，而玉米在山西省各地方的水分生态适应性指数较稳定，处于三者中值。

表4 1980—2018年山西省典型粮食作物水分生态适应性指数Table 4 Water ecological adaptability index of typicalgrain crops in Shanxi Province from 1980 to 2018

3 讨 论

玉米是山西省播种面积占比最大的作物[24]，谷子是该省特色粮食作物[25]，马铃薯作为主粮化战略作物，且是山西省传统农作物之一[26]，因此，本研究选取这3种典型粮食作物，对其在山西省各区域的水分供需特征进行定量分析，并在此基础上进一步量化评价了作物水分亏缺度和水分生态适应性。

山西省属于湿润半湿润气候向半干旱气候的过渡地带，各地降水差异明显，总趋势为晋南向晋北递减[27]，1978—2019年，晋北降水略有增加，晋北以南地区降水在减少[28]。由于周计伟[27]分析的是山西省全年自然降水情况，而本研究是关于3种作物生育期内的降水量在山西省各地的表现情况，因此，本研究关于山西省各地作物生育期内的有效降水分布情况与其研究存在一定差异。在作物系数方面，FAO-56《Irrigation and Drainage Paper》[16]公布的作物Kc为无水分胁迫、高管理水平等理想条件下的参考值[16]，因此，本研究结合山西省气象数据，对3种作物生育期内的Kc进行了校正，结果均小于参考值，这与史梦霞等[29]研究结果基本吻合。根据河北省当地气象条件对夏玉米的Kc进行校正，结果表明，1999—2018年，河北省夏玉米全生育期Kc为0.85，其结果同样低于FAO-56《Irrigation and Drainage Paper》[16]公布的参考值。在作物水分供需方面，刘钰[19]对中国主要作物灌溉需水量空间分布特征进行分析，得出玉米灌溉需水量要小于马铃薯，这与本研究的结果一致。本研究结果表明，山西省3种作物的水分亏缺指数由高到低表现为：马铃薯(0.78)>玉米(0.76)>谷子(0.75)，因马铃薯种植需要补充大量的灌溉用水，所以其水分亏缺情况比玉米和谷子严重。水分生态适应性方面，3种作物的水分生态适应性指数由高到低表现为：谷子>玉米>马铃薯，王龙昌[7]对黄土丘陵区旱地作物的水分生态适应性进行定量评价，结果表明，谷子的水分生态适应性指数高于马铃薯，与本研究结果基本一致。

高耗水作物播种面积大且灌溉用水占比高是导致农业水资源短缺的主要原因[30]。玉米在山西省播种面积占比最大，且在大部分地区的水分亏缺度较高，因此适当减少玉米的播种面积有助于减轻农业灌溉用水的压力。谷子的灌溉需水量及水分亏缺指数在山西省各地均保持较低且稳定的状态，水分生态适应性最高，因此可以考虑适当增大谷子的播种面积。马铃薯灌溉需水量较高，且在晋南地区水分亏缺较严重，为0.85，明显高于晋北、晋中及晋东南地区的均值0.78，水分生态适应性差，为此应严格控制缺水地区马铃薯的种植面积。因未获取山西省所有作物的生育期数据，本研究仅重点分析了该省3种典型粮食作物的水分生态适应性，今后可以考虑更多类别的粮食及经济作物，从而为山西省种植结构调整提供更加全面的参考。

4 结 论

山西省3种作物在生育期内的有效降水无法满足3种作物生长发育的需求。马铃薯生育期内所需补充的灌溉用水量最大，为248.96 mm，高于玉米239.26 mm及谷子237.23 mm。3种作物的水分亏缺指数由高到低为：马铃薯(0.78)>玉米(0.76)>谷子(0.75)；除晋南、晋东南地区，其他地区的作物水分亏缺指数均表现为玉米最高，谷子最低。山西省3种作物的水分生态适应性指数由高到低为：谷子(1.22)>玉米(1.07)>马铃薯(0.77)，各地谷子的水分生态适应性指数均较高。为缓解山西省农业干旱缺水现状、提高作物种植的水分生态适应性，应适当减少玉米的种植范围，增加谷子的播种面积，同时应适当控制吕梁市马铃薯的种植规模。