黃土高原東部主要作物需水量空間分布規(guī)律

陳 偉,陳 麗,孫從建,鄭振婧,李曉明

(山西師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,山西 臨汾 041000)

水資源是干旱、半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要限制性資源，在當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展中占有重要地位[1-2]。由于氣候干燥、降水不足、作物對(duì)水分的依賴(lài)性強(qiáng)等因素，水資源成為影響農(nóng)作物產(chǎn)量與品質(zhì)的主要環(huán)境因素[3-5]。作物需水量作為區(qū)域農(nóng)田水分循環(huán)系統(tǒng)中的重要因素及節(jié)水農(nóng)業(yè)研究中的重要參數(shù)[6]，其定量化研究是進(jìn)行區(qū)域水資源優(yōu)化配置及可持續(xù)利用的重要環(huán)節(jié)。

黃土高原東部為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，干旱嚴(yán)重，降水年際變率大、水資源相對(duì)匱乏，是北方旱作農(nóng)業(yè)的典型代表區(qū)域，長(zhǎng)期的干旱缺水嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，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(fù)雜，在緯度和海拔的影響下形成了復(fù)雜的氣候生態(tài)環(huán)境和多種作物并存的種植模式[7]。區(qū)域中部的河谷地區(qū)是我國(guó)優(yōu)質(zhì)冬小麥種植區(qū)，域內(nèi)山地、丘陵區(qū)是我國(guó)重要的小雜糧生產(chǎn)基地[8-9]。近年來(lái)，農(nóng)戶(hù)盲目追求經(jīng)濟(jì)效益，一味提高產(chǎn)量，導(dǎo)致區(qū)域種植模式與水資源稟賦脫節(jié)，加劇了區(qū)域水資源的供需矛盾，致使區(qū)域生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化[10-12]。查明區(qū)域不同作物耗水規(guī)律及水份盈虧特征，對(duì)于作物科學(xué)灌溉、種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化、糧食生產(chǎn)安全、生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有十分重要的意義，其已成為研究者關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)。

有關(guān)學(xué)者對(duì)于作物耗水量分析已開(kāi)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(qū)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(jié)果表明冬小麥—夏玉米生育期需水量呈下降的趨勢(shì);王志成等[15]分析了阿克蘇河灌區(qū)作物需水量對(duì)氣候變化的敏感性，發(fā)現(xiàn)其灌區(qū)多年平均作物需水量呈顯著上升趨勢(shì)，除氣候變化因素外，種植結(jié)構(gòu)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(nóng)作物，對(duì)于小雜糧的研究相對(duì)較少，對(duì)于黃土高原東部地區(qū)的作物需水規(guī)律的研究嚴(yán)重不足，查明不同作物的需水規(guī)律對(duì)于區(qū)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(nóng)業(yè)種植區(qū)，針對(duì)黃土高原東部境內(nèi)作物種植種類(lèi)多樣的特點(diǎn)，選取以冬小麥、玉米為代表的常規(guī)作物以及分布范圍廣、產(chǎn)量相對(duì)較高、以谷子、高粱為代表的小雜糧作物為研究對(duì)象，對(duì)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(dāng)?shù)厮Y源利用效率、合理布局作物種植結(jié)構(gòu)、保護(hù)生態(tài)平衡提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)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(cè)，整體為西北東南走向的狹長(zhǎng)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(fēng)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(nèi)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(fā)生水土流失。區(qū)域內(nèi)冬小麥、玉米相對(duì)多分布在海拔低、地勢(shì)平緩的區(qū)域，其中北部由于冬春季氣溫偏低，冬小麥越冬、拔節(jié)期多受低溫冷害影響，冬小麥種植農(nóng)業(yè)氣候條件差，轉(zhuǎn)而大量種植抗旱耐瘠的小雜糧作物，以適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂驐l件和現(xiàn)代社會(huì)對(duì)食品種類(lèi)及營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)整的需求。雜糧作物區(qū)域內(nèi)均有分布，太行山區(qū)、呂梁山區(qū)、以及北部高寒冷涼山區(qū)種植更加廣泛。本文按照相對(duì)位置，研究區(qū)以忻州、臨汾與長(zhǎng)治為界劃分為北部、中部、南部，忻州及以北稱(chēng)為北部。臨汾與長(zhǎng)治及以南稱(chēng)為南部，其余地區(qū)為中部(圖1)。

圖1 黃土高原東部地形、主要河流及地區(qū)

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選取山西省境內(nèi)25個(gè)氣象站點(diǎn)逐日氣象要素，包括最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、平均風(fēng)速、降水量、日照時(shí)數(shù)和平均水氣壓，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。作物種植和生長(zhǎng)狀況來(lái)源于農(nóng)業(yè)氣象站，具體作物種植期見(jiàn)表1。

表1 黃土高原東部4類(lèi)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(nóng)業(yè)用水量的重要組成部分[19]。作物需水量(在整個(gè)生育期內(nèi)棵間蒸發(fā)量與葉面蒸騰量的總和)的獲取方法主要有實(shí)測(cè)土壤水分法及作物系數(shù)法兩種，由于實(shí)測(cè)法觀測(cè)難度大、誤差大，目前作物系數(shù)法被廣泛推廣使用[15,20]。本文選用FAO(聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織)推薦的P-M模型(ET0)和作物系數(shù)(Kc)(表2)計(jì)算作物需水量[21]，具體如下:

表2 4類(lèi)作物生長(zhǎng)期作物系數(shù)

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(duì)應(yīng)的作物系數(shù)，統(tǒng)一采用FAO-56推薦的分段單值方法計(jì)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(shù);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(fēng)速;ea為飽和水汽壓;ed為實(shí)際水汽壓。

2.2.2 作物灌溉需水量 根據(jù)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(bǔ)給、土壤深層滲漏量可以忽略不計(jì)[22-23]，灌溉需水量可由作物需水量和有效降水計(jì)算獲得(旱作種植條件下，自然降水中補(bǔ)充到植物根系分布層、并被植物吸收的部分，用于滿(mǎn)足作物蒸散需要的那部分降雨量[24]，受土壤性質(zhì)、地面覆蓋、地形、一次降水量、降水強(qiáng)度及降水延續(xù)時(shí)間等因素影響，小量級(jí)的降水只能濕潤(rùn)地表，一般認(rèn)為一次降水在5 mm以上可以稱(chēng)作有效降水[25])。計(jì)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(shù)，一次降水在5～50 mm時(shí)，入滲系數(shù)約為0.9，一次降水量>50 mm時(shí)，入滲系數(shù)0.8。

2.2.3 作物水分盈虧指數(shù) 作物水分盈虧指數(shù)是以生育期需水量為需水指標(biāo)，以有效降水為供水指標(biāo)來(lái)表征作物水分虧缺程度[26-27]，其體現(xiàn)為農(nóng)作物某時(shí)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(guān)系，可以較好地表征農(nóng)田的濕潤(rùn)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(tài);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(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)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(shù)據(jù)，計(jì)算得出區(qū)域參照作物需水量和有效降水量。區(qū)域內(nèi)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(shì)，大同的參照作物需水量最小，為978.76 mm，晉中、陽(yáng)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(qū)是參照作物需水量的相對(duì)低值區(qū)，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(qū)域內(nèi)年均有效降水量區(qū)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(shì)，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(qū)有效降水量整體呈周邊多、中間少的趨勢(shì)。

3.2 研究區(qū)作物需水量(ETc)時(shí)空分布特征

3.2.1 研究區(qū)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(qū)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(duì)優(yōu)勢(shì)[28]。其中冬小麥、玉米、谷子、高粱等作物需水量最大的地區(qū)分別位于陽(yáng)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(qū)為呂梁，分別為575.99 、444.16 mm,293.39 mm和420.12 mm。整體而言，區(qū)域北部、中部的呂梁山區(qū)及南部長(zhǎng)治地區(qū)為作物需水量的低值區(qū)，主要作物需水量較大地區(qū)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(jié)變化特征 為進(jìn)一步分析不同作物需水量的年內(nèi)變化，本研究計(jì)算了4類(lèi)作物需水量的季節(jié)變化特征(圖4)。研究區(qū)主要作物需水量在生長(zhǎng)期內(nèi)呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律，冬小麥生長(zhǎng)期較其他作物長(zhǎng)，年內(nèi)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(zhǎng)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(wěn)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(zhǎng)日期短，需水量較少的特點(diǎn)。

圖4 黃土高原東部作物需水量年內(nèi)分配

3.3 研究區(qū)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(shì)。冬小麥灌溉需水量最多的地區(qū)為太原，該地區(qū)平均灌溉需水量289.69 mm。玉米灌溉需水量表現(xiàn)為北部灌溉需水量多于南部，忻州灌溉需水量最大，該地區(qū)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(qū)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(qū)域中、北部大于南部的空間分布特征，大同地區(qū)平均灌溉需水量最多為250.99 mm。曹昌林等對(duì)粒用高粱的需水量研究發(fā)現(xiàn)從降水量來(lái)看，山西省降水基本能夠滿(mǎn)足高粱的水分所需，但由于降水的不確定性，導(dǎo)致了降雨與需水的不吻合性，需在高粱生長(zhǎng)期間進(jìn)行少量灌溉[29]。區(qū)域內(nèi)4類(lèi)作物灌溉需水量最多的地區(qū)為大同，作物需水量整體由北向南遞減，呂梁和區(qū)域南部地區(qū)為相對(duì)作物灌溉需水量低值區(qū)。

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(qū)灌溉需水量由北向南呈遞減趨勢(shì)，灌溉需水量最多的地區(qū)為北部大同、忻州，南部晉城、運(yùn)城等地灌溉需水量相對(duì)較少。因此，山西北部選取作物種植品種時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮低耗水作物。

3.4 研究區(qū)主要作物水分盈虧(CWDI)特征分析

根據(jù)作物水分盈虧指數(shù)，本研究計(jì)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(qū)冬小麥作物水分盈虧指數(shù)相對(duì)較大，水分盈虧指數(shù)為0.29～0.48，水分盈虧指數(shù)最大的地區(qū)為太原，最小地區(qū)為晉城。玉米水分盈虧指數(shù)為0.16～0.43，大同水分盈虧指數(shù)最大，晉城水分盈虧指數(shù)最小。谷子水分盈虧指數(shù)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(shù)最大，晉城水分盈虧指數(shù)最小。高粱水分盈虧指數(shù)為0.14～0.46，大同水分盈虧指數(shù)最大，運(yùn)城水分盈虧指數(shù)最小。4類(lèi)作物水分盈虧指數(shù)由南向北呈遞增趨勢(shì)。張祖光研究結(jié)果顯示山西省玉米生育期內(nèi)總降水與總需水耦合度從北至南依次遞增，與本文結(jié)論一致[30]。

圖6 黃土高原東部作物水分盈虧指數(shù)空間分布

4類(lèi)作物的水分盈虧指數(shù)東南部相對(duì)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(qū)可以通過(guò)調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，適當(dāng)擴(kuò)大谷子、高粱種植面積，緩解農(nóng)業(yè)用水壓力。北部是水分盈虧指數(shù)高值區(qū)，不適宜大規(guī)模推廣作物種植業(yè)，應(yīng)實(shí)行退耕還牧。

4 結(jié) 論

(1) 黃土高原東部4類(lèi)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(jié)約39.99%、較玉米節(jié)約30.58%;高粱年均作物需水量較冬小麥節(jié)約14.01%、較玉米節(jié)約0.53%。作物需水量呈現(xiàn)由南向北遞減的趨勢(shì)，冬小麥作物需水量高值出現(xiàn)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(lèi)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(yáng)泉和南部灌溉需求較小。

(3) 黃土高原東部4類(lèi)作物水分盈虧指數(shù)為-0.23～0.48，谷子是水分盈虧指數(shù)唯一出現(xiàn)負(fù)值的作物。區(qū)域南部作物缺水程度小于北部，中部地區(qū)冬小麥缺水嚴(yán)重，玉米、谷子、高粱區(qū)域北部缺水最為嚴(yán)重。