作物需水量是农业用水量的重要组成部分^[19]。作物需水量(在整个生育期内棵间蒸发量与叶面蒸腾量的总和)的获取方法主要有实测土壤水分法及作物系数法两种,由于实测法观测难度大、误差大,目前作物系数法被广泛推广使用^[15,20]。本文选用FAO(联合国粮农组织)推荐的P-M模型(ET₀)和作物系数(K_c)(表2)计算作物需水量^[21],具体如下:

ET_C=ET₀×K_c(1)

ET₀=(0.408Δ(R_n-G)+900γμ(ea-ed)/(T_a+273))/(Δ+γ(1+0.34μ))(2)

式中:ET_C为作物需水量; ET₀为参照作物需水量; K_c为不同作物对应的作物系数,统一采用FAO-56推荐的分段单值方法计算; Δ为饱和水气压与温度曲线的斜率; R_n为参考作物冠层表面净辐射; γ为干湿表常数; G为土壤热通量; T_a为2 m高处的日平均气温; μ为2 m高处的风速; ea为饱和水汽压; ed为实际水汽压。

表1 黄土高原东部4类作物种植期

表2 4类作物生长期作物系数

根据水量平衡方程,由于地下水位低于作物可利用高度,地下水补给、土壤深层渗漏量可以忽略不计^[22-23],灌溉需水量可由作物需水量和有效降水计算获得(旱作种植条件下,自然降水中补充到植物根系分布层、并被植物吸收的部分,用于满足作物蒸散需要的那部分降雨量^[24],受土壤性质、地面覆盖、地形、一次降水量、降水强度及降水延续时间等因素影响,小量级的降水只能湿润地表,一般认为一次降水在5 mm以上可以称作有效降水^[25])。计算公式如下:

I=ET_c-P_e(3)

P_e=αP(4)

式中:I为灌溉需水量; Pe为同期有效降水; α为入渗系数,一次降水在5～50 mm时,入渗系数约为0.9,一次降水量>50 mm时,入渗系数0.8。

作物水分盈亏指数是以生育期需水量为需水指标,以有效降水为供水指标来表征作物水分亏缺程度^[26-27],其体现为农作物某时段累积水分盈亏的程度,能够表明作物供水量和需水量的关系,可以较好地表征农田的湿润程度与旱涝状况^[24]。其公式如下:

CWDI=(ET_c-P_e)/ET_c(5)

式中:CWDI>0,表示作物需水量大于有效降水量,水分处于亏缺状态; CWDI =0,表示作物需水量和有效降水量持平,水分供给平衡; CWDI<0,表示作物需水量小于有效降水量,水分盈余。

黄土高原东部主要作物需水量空间分布如图3所示。区域冬小麦、玉米、谷子、高粱作物需水量为293.39～656.77 mm,平均作物需水量由多到少依次为冬小麦、玉米、高粱、谷子,分别为613.35 mm,530.24 mm,527.45 mm和368.08 mm。刘涛等研究表明,基于作物需水量,谷子抗旱能力相较冬小麦等具有绝对优势^[28]。其中冬小麦、玉米、谷子、高粱等作物需水量最大的地区分别位于阳泉、晋中、晋中、晋城,需水量分别为656.77 mm,564.57 mm,392.39 mm,590.67 mm。冬小麦、玉米、谷子、高粱作物需水量最小的地区为吕梁,分别为575.99 、444.16 mm,293.39 mm和420.12 mm。整体而言,区域北部、中部的吕梁山区及南部长治地区为作物需水量的低值区,主要作物需水量较大地区空间差异明显。

为进一步分析不同作物需水量的年内变化,本研究计算了4类作物需水量的季节变化特征(图4)。研究区主要作物需水量在生长期内呈现先增后减的规律,冬小麦生长期较其他作物长,年内分布较均匀; 玉米、谷子、高粱作物的需水主要集中在夏季和秋季,需水量分别占总需水量的77.55%,97.52%和94.01%。冬小麦作物需水量在9月份到次年3月份较小,需水量为25～60 mm; 而在冬小麦快速生长的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,为150 mm。玉米作物需水量5—7月逐月增多,7月份作物需水量为137.36 mm; 8—9月作物需水量缓慢下降,约为127 mm; 10月份迅速减少。谷子、高粱作物需水量较多的月份集中在6月、7月、8月份,9月份作物需水量急剧减少。谷子需水量6月、7月、8月份期较稳定,作物需水量为100～105 mm,后期急剧下降维持在10 mm以上。高粱作物需水量呈单峰形,7月份作物需水量最多,为135 mm,9月份作物需水量最少,为30 mm。比较而言,谷子、高梁较冬小麦和玉米具有生长日期短,需水量较少的特点。

图3 黄土高原东部作物需水量空间分布

图5为黄土高原东部主要作物灌溉需水量空间分布图,黄土高原东部主要作物灌溉水量整体呈北部大于中南部的趋势。冬小麦灌溉需水量最多的地区为太原,该地区平均灌溉需水量289.69 mm。玉米灌溉需水量表现为北部灌溉需水量多于南部,忻州灌溉需水量最大,该地区平均灌溉需水量为227.05 mm。谷子灌溉需水量由北向南递减,并且在吕梁和南部地区谷子生育期间存在水分盈余,所需灌溉需水量微弱。高粱灌溉需水量整体呈区域中、北部大于南部的空间分布特征,大同地区平均灌溉需水量最多为250.99 mm。曹昌林等对粒用高粱的需水量研究发现从降水量来看,山西省降水基本能够满足高粱的水分所需,但由于降水的不确定性,导致了降雨与需水的不吻合性,需在高粱生长期间进行少量灌溉^[29]。区域内4类作物灌溉需水量最多的地区为大同,作物需水量整体由北向南递减,吕梁和区域南部地区为相对作物灌溉需水量低值区。

综上所述,黄土高原东部地区灌溉需水量由北向南呈递减趋势,灌溉需水量最多的地区为北部大同、忻州,南部晋城、运城等地灌溉需水量相对较少。因此,山西北部选取作物种植品种时应优先考虑低耗水作物。

图4 黄土高原东部作物需水量年内分配

图5 黄土高原东部作物灌溉需水量空间分布

图6 黄土高原东部作物水分盈亏指数空间分布

根据作物水分盈亏指数,本研究计算了黄土高原东部主要作物水分盈亏程度。图6为作物水分盈亏特征分布图,由图可知,研究区冬小麦作物水分盈亏指数相对较大,水分盈亏指数为0.29～0.48,水分盈亏指数最大的地区为太原,最小地区为晋城。玉米水分盈亏指数为0.16～0.43,大同水分盈亏指数最大,晋城水分盈亏指数最小。谷子水分盈亏指数为-0.23～0.19,谷子是唯一水分盈余的作物,大同水分盈亏指数最大,晋城水分盈亏指数最小。高粱水分盈亏指数为0.14～0.46,大同水分盈亏指数最大,运城水分盈亏指数最小。4类作物水分盈亏指数由南向北呈递增趋势。张祖光研究结果显示山西省玉米生育期内总降水与总需水耦合度从北至南依次递增,与本文结论一致^[30]。

4类作物的水分盈亏指数东南部相对较低,种植小麦、玉米较为适宜,中部种植小麦、玉米缺水量较大的地区可以通过调整种植结构,适当扩大谷子、高粱种植面积,缓解农业用水压力。北部是水分盈亏指数高值区,不适宜大规模推广作物种植业,应实行退耕还牧。