黃土高原東部主要作物需水量空間分布規律

陳 偉,陳 麗,孫從建,鄭振婧,李曉明

(山西師范大學 地理科學學院,山西 臨汾 041000)

水資源是干旱、半干旱地區農業發展的主要限制性資源，在當地農業發展中占有重要地位[1-2]。由于氣候干燥、降水不足、作物對水分的依賴性強等因素，水資源成為影響農作物產量與品質的主要環境因素[3-5]。作物需水量作為區域農田水分循環系統中的重要因素及節水農業研究中的重要參數[6]，其定量化研究是進行區域水資源優化配置及可持續利用的重要環節。

黃土高原東部為溫帶大陸性季風氣候，干旱嚴重，降水年際變率大、水資源相對匱乏，是北方旱作農業的典型代表區域，長期的干旱缺水嚴重制約了當地的農業生產，甚至威脅到了黃土高原東部的糧食安全。黃土高原東部地形復雜，在緯度和海拔的影響下形成了復雜的氣候生態環境和多種作物并存的種植模式[7]。區域中部的河谷地區是我國優質冬小麥種植區，域內山地、丘陵區是我國重要的小雜糧生產基地[8-9]。近年來，農戶盲目追求經濟效益，一味提高產量，導致區域種植模式與水資源稟賦脫節，加劇了區域水資源的供需矛盾，致使區域生態環境進一步惡化[10-12]。查明區域不同作物耗水規律及水份盈虧特征，對于作物科學灌溉、種植結構優化、糧食生產安全、生態環境保護具有十分重要的意義，其已成為研究者關注的熱點和焦點。

有關學者對于作物耗水量分析已開展部分研究，如郭偉等[13]分析了氣候變化條件下黃土高原地區玉米、冬小麥等作物的需水量變化;陳博等[14]分析華北平原近50 a冬玉米—夏玉米需水量，結果表明冬小麥—夏玉米生育期需水量呈下降的趨勢;王志成等[15]分析了阿克蘇河灌區作物需水量對氣候變化的敏感性，發現其灌區多年平均作物需水量呈顯著上升趨勢，除氣候變化因素外，種植結構的改變也是重要原因。然而，這些研究多集中于冬小麥、玉米等主要農作物，對于小雜糧的研究相對較少，對于黃土高原東部地區的作物需水規律的研究嚴重不足，查明不同作物的需水規律對于區域水資源合理利用具有重要意義。因此，本文選取黃土高原東部典型農業種植區，針對黃土高原東部境內作物種植種類多樣的特點，選取以冬小麥、玉米為代表的常規作物以及分布范圍廣、產量相對較高、以谷子、高粱為代表的小雜糧作物為研究對象，對比分析黃土高原東部主要作物的需水、灌溉需水特征，以期為提高當地水資源利用效率、合理布局作物種植結構、保護生態平衡提供一定的理論依據。

1 研究區概況

黃土高原東部地處黃河中游東岸，太行山、呂梁山分列東西兩側，整體為西北東南走向的狹長平行四邊形[16]。黃土高原東部由北向南分屬中溫帶和暖溫帶大陸性季風氣候，秋季短暫，平均氣溫介于4.2～14.2℃，降水量約為377.6～600.2 mm，降水主要集中于6—8月份，各地年內氣溫和降水分布不均，年際差異大[17-18]。黃土高原東部坡耕地占總耕地面積的34.93%，極易發生水土流失。區域內冬小麥、玉米相對多分布在海拔低、地勢平緩的區域，其中北部由于冬春季氣溫偏低，冬小麥越冬、拔節期多受低溫冷害影響，冬小麥種植農業氣候條件差，轉而大量種植抗旱耐瘠的小雜糧作物，以適應當地氣候條件和現代社會對食品種類及營養結構調整的需求。雜糧作物區域內均有分布，太行山區、呂梁山區、以及北部高寒冷涼山區種植更加廣泛。本文按照相對位置，研究區以忻州、臨汾與長治為界劃分為北部、中部、南部，忻州及以北稱為北部。臨汾與長治及以南稱為南部，其余地區為中部(圖1)。

圖1 黃土高原東部地形、主要河流及地區

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

本文選取山西省境內25個氣象站點逐日氣象要素，包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、平均風速、降水量、日照時數和平均水氣壓，數據來源于中國氣象數據網。作物種植和生長狀況來源于農業氣象站，具體作物種植期見表1。

表1 黃土高原東部4類作物種植期

2.2 研究方法

2.2.1 作物需水量的確定 作物需水量是農業用水量的重要組成部分[19]。作物需水量(在整個生育期內棵間蒸發量與葉面蒸騰量的總和)的獲取方法主要有實測土壤水分法及作物系數法兩種，由于實測法觀測難度大、誤差大，目前作物系數法被廣泛推廣使用[15,20]。本文選用FAO(聯合國糧農組織)推薦的P-M模型(ET0)和作物系數(Kc)(表2)計算作物需水量[21]，具體如下:

表2 4類作物生長期作物系數

ETC=ET0×Kc

(1)

(2)

式中:ETC為作物需水量;ET0為參照作物需水量;Kc為不同作物對應的作物系數，統一采用FAO-56推薦的分段單值方法計算;Δ為飽和水氣壓與溫度曲線的斜率;Rn為參考作物冠層表面凈輻射;γ為干濕表常數;G為土壤熱通量;Ta為2 m高處的日平均氣溫;μ為2 m高處的風速;ea為飽和水汽壓;ed為實際水汽壓。

2.2.2 作物灌溉需水量 根據水量平衡方程，由于地下水位低于作物可利用高度，地下水補給、土壤深層滲漏量可以忽略不計[22-23]，灌溉需水量可由作物需水量和有效降水計算獲得(旱作種植條件下，自然降水中補充到植物根系分布層、并被植物吸收的部分，用于滿足作物蒸散需要的那部分降雨量[24]，受土壤性質、地面覆蓋、地形、一次降水量、降水強度及降水延續時間等因素影響，小量級的降水只能濕潤地表，一般認為一次降水在5 mm以上可以稱作有效降水[25])。計算公式如下:

I=ETc-Pe

(3)

Pe=αP

(4)

式中:I為灌溉需水量;Pe為同期有效降水;α為入滲系數，一次降水在5～50 mm時，入滲系數約為0.9，一次降水量>50 mm時，入滲系數0.8。

2.2.3 作物水分盈虧指數 作物水分盈虧指數是以生育期需水量為需水指標，以有效降水為供水指標來表征作物水分虧缺程度[26-27]，其體現為農作物某時段累積水分盈虧的程度，能夠表明作物供水量和需水量的關系，可以較好地表征農田的濕潤程度與旱澇狀況[24]。其公式如下:

CWDI=(ETc-Pe)/ETc

(5)

式中:CWDI>0，表示作物需水量大于有效降水量，水分處于虧缺狀態;CWDI =0，表示作物需水量和有效降水量持平，水分供給平衡;CWDI<0，表示作物需水量小于有效降水量，水分盈余。

3 結果與分析

3.1 研究區參照作物需水量(ET0)及有效降水(Pe)空間分布特征

本文利用黃土高原東部降水量等數據，計算得出區域參照作物需水量和有效降水量。區域內年均參照作物需水量分布特征如圖2A所示，參照作物需水量整體呈南多北少趨勢，大同的參照作物需水量最小，為978.76 mm，晉中、陽泉、臨汾、晉城的參照作物需水量整體偏大，均大于1 060 mm;中部呂梁地區是參照作物需水量的相對低值區，為984.1 mm。

圖2 黃土高原東部參照作物蒸散量及年均有效降水量空間分布

圖2B為黃土高原東部有效降水量空間分布圖，由圖可知，區域內年均有效降水量區域差異性較大，緯度地帶性特征明顯，整體呈由南向北呈遞減趨勢，南部年均有效降水量大于390 mm，北部年均有效降水量小于320 mm，其中南部晉城年均有效降水量最多，為457 mm，北部的大同年均有效降水量最少，為298 mm，年均有效降水量差額在160 mm以上。中部地區有效降水量整體呈周邊多、中間少的趨勢。

3.2 研究區作物需水量(ETc)時空分布特征

3.2.1 研究區作物需水量空間分布特征 黃土高原東部主要作物需水量空間分布如圖3所示。區域冬小麥、玉米、谷子、高粱作物需水量為293.39～656.77 mm，平均作物需水量由多到少依次為冬小麥、玉米、高粱、谷子，分別為613.35 mm,530.24 mm,527.45 mm和368.08 mm。劉濤等研究表明，基于作物需水量，谷子抗旱能力相較冬小麥等具有絕對優勢[28]。其中冬小麥、玉米、谷子、高粱等作物需水量最大的地區分別位于陽泉、晉中、晉中、晉城，需水量分別為656.77 mm,564.57 mm,392.39 mm,590.67 mm。冬小麥、玉米、谷子、高粱作物需水量最小的地區為呂梁，分別為575.99 、444.16 mm,293.39 mm和420.12 mm。整體而言，區域北部、中部的呂梁山區及南部長治地區為作物需水量的低值區，主要作物需水量較大地區空間差異明顯。

圖3 黃土高原東部作物需水量空間分布

3.2.2 作物需水量季節變化特征 為進一步分析不同作物需水量的年內變化，本研究計算了4類作物需水量的季節變化特征(圖4)。研究區主要作物需水量在生長期內呈現先增后減的規律，冬小麥生長期較其他作物長，年內分布較均勻;玉米、谷子、高粱作物的需水主要集中在夏季和秋季，需水量分別占總需水量的77.55%,97.52%和94.01%。冬小麥作物需水量在9月份到次年3月份較小，需水量為25～60 mm;而在冬小麥快速生長的4—6月，月需水量均大于110 mm，占全部作物需水量的60%以上；5月份作物需水量最多，為150 mm。玉米作物需水量5—7月逐月增多，7月份作物需水量為137.36 mm;8—9月作物需水量緩慢下降，約為127 mm;10月份迅速減少。谷子、高粱作物需水量較多的月份集中在6月、7月、8月份，9月份作物需水量急劇減少。谷子需水量6月、7月、8月份期較穩定，作物需水量為100～105 mm，后期急劇下降維持在10 mm以上。高粱作物需水量呈單峰形，7月份作物需水量最多，為135 mm,9月份作物需水量最少，為30 mm。比較而言，谷子、高梁較冬小麥和玉米具有生長日期短，需水量較少的特點。

圖4 黃土高原東部作物需水量年內分配

3.3 研究區灌溉需水量(I)空間分布特征

圖5為黃土高原東部主要作物灌溉需水量空間分布圖，黃土高原東部主要作物灌溉水量整體呈北部大于中南部的趨勢。冬小麥灌溉需水量最多的地區為太原，該地區平均灌溉需水量289.69 mm。玉米灌溉需水量表現為北部灌溉需水量多于南部，忻州灌溉需水量最大，該地區平均灌溉需水量為227.05 mm。谷子灌溉需水量由北向南遞減，并且在呂梁和南部地區谷子生育期間存在水分盈余，所需灌溉需水量微弱。高粱灌溉需水量整體呈區域中、北部大于南部的空間分布特征，大同地區平均灌溉需水量最多為250.99 mm。曹昌林等對粒用高粱的需水量研究發現從降水量來看，山西省降水基本能夠滿足高粱的水分所需，但由于降水的不確定性，導致了降雨與需水的不吻合性，需在高粱生長期間進行少量灌溉[29]。區域內4類作物灌溉需水量最多的地區為大同，作物需水量整體由北向南遞減，呂梁和區域南部地區為相對作物灌溉需水量低值區。

圖5 黃土高原東部作物灌溉需水量空間分布

綜上所述，黃土高原東部地區灌溉需水量由北向南呈遞減趨勢，灌溉需水量最多的地區為北部大同、忻州，南部晉城、運城等地灌溉需水量相對較少。因此，山西北部選取作物種植品種時應優先考慮低耗水作物。

3.4 研究區主要作物水分盈虧(CWDI)特征分析

根據作物水分盈虧指數，本研究計算了黃土高原東部主要作物水分盈虧程度。圖6為作物水分盈虧特征分布圖，由圖可知，研究區冬小麥作物水分盈虧指數相對較大，水分盈虧指數為0.29～0.48，水分盈虧指數最大的地區為太原，最小地區為晉城。玉米水分盈虧指數為0.16～0.43，大同水分盈虧指數最大，晉城水分盈虧指數最小。谷子水分盈虧指數為-0.23～0.19，谷子是唯一水分盈余的作物，大同水分盈虧指數最大，晉城水分盈虧指數最小。高粱水分盈虧指數為0.14～0.46，大同水分盈虧指數最大，運城水分盈虧指數最小。4類作物水分盈虧指數由南向北呈遞增趨勢。張祖光研究結果顯示山西省玉米生育期內總降水與總需水耦合度從北至南依次遞增，與本文結論一致[30]。

圖6 黃土高原東部作物水分盈虧指數空間分布

4類作物的水分盈虧指數東南部相對較低，種植小麥、玉米較為適宜，中部種植小麥、玉米缺水量較大的地區可以通過調整種植結構，適當擴大谷子、高粱種植面積，緩解農業用水壓力。北部是水分盈虧指數高值區，不適宜大規模推廣作物種植業，應實行退耕還牧。

4 結 論

(1) 黃土高原東部4類作物需水量由多到少依次為冬小麥、玉米、高粱、谷子，年均需水量分別為613.35 mm,530.24 mm,527.45 mm和368.08 mm，谷子年均作物需水量較冬小麥節約39.99%、較玉米節約30.58%;高粱年均作物需水量較冬小麥節約14.01%、較玉米節約0.53%。作物需水量呈現由南向北遞減的趨勢，冬小麥作物需水量高值出現在4月、5月、6月，玉米、高粱、谷子作物需水量集中在6月、7月、8月。

(2) 黃土高原東部4類作物的灌溉需水量為0～289.69 mm，北部大于南部，作物灌溉需水量由多到少依次為冬小麥、玉米、高粱、谷子，谷子在呂梁、陽泉和南部灌溉需求較小。

(3) 黃土高原東部4類作物水分盈虧指數為-0.23～0.48，谷子是水分盈虧指數唯一出現負值的作物。區域南部作物缺水程度小于北部，中部地區冬小麥缺水嚴重，玉米、谷子、高粱區域北部缺水最為嚴重。