河北低平原區(qū)不同種植模式對(duì)水資源利用的影響

河北低平原區(qū)不同種植模式對(duì)水資源利用的影響

0植物種植模式對(duì)灌溉高效低生態(tài)保障機(jī)制的影響河北平原是中國最大的恢復(fù)地下水資源的地區(qū)之一。近年來,由于人類活動(dòng)和氣候變化的影響,河北東部平原已成為全世界超采地下水最嚴(yán)重,地下水位降落漏斗面積和地面沉降面積最大的地區(qū)。國家各級(jí)政府針對(duì)這種情況非常重視。國家“十二五”規(guī)劃綱要明確提出,要實(shí)施地下水監(jiān)測工程,嚴(yán)格控制地下水超采。水利部啟動(dòng)了六大措施實(shí)行水資源替代和地下水壓采。河北省水利廳制定了《河北省地下水超采綜合治理實(shí)施方案》等。在壓采的主要措施中,調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)是非常重要的一個(gè)方面。河北低平原區(qū)為中國主要的糧食主產(chǎn)區(qū)和棉花、牧草等的主要生產(chǎn)區(qū),主要種植制度為冬小麥—夏玉米一年兩作,棉花一年一作和其他的短季作物的主要種植模式。針對(duì)該區(qū)地下水壓采和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)狀,許多學(xué)者進(jìn)行了冬小麥種植面積變化對(duì)水資源量的影響和不同種植模式耗水和經(jīng)濟(jì)效益的分析和研究。有學(xué)者提出改變現(xiàn)有的一年兩熟的種植結(jié)構(gòu)為兩年三作的種植結(jié)構(gòu),壓縮主要灌溉用水作物冬小麥,可以起到明顯的節(jié)水效果,但是周年產(chǎn)量降低11%左右;同時(shí),有些學(xué)者提出了利用節(jié)水替代模式耗水的概念,結(jié)果表明糧棉薯模式和糧油模式是較好的麥玉替代模式。但上述研究缺乏對(duì)種植模式調(diào)整對(duì)灌溉用水量、農(nóng)田耗水和地下水影響的綜合考慮。因此,筆者針對(duì)該區(qū)主要情況,研究不同種植模式改變對(duì)灌溉用水量和地下水平衡的分析。以期為該區(qū)的合理農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。1材料和方法1.1降水、土壤質(zhì)地滄州市位于河北省東南部,屬華北平原東部黑龍港河流域,東臨渤海,北靠京津,南接山東。轄區(qū)氣候資源豐富,特征較為統(tǒng)一,屬暖溫帶半干旱半濕潤季風(fēng)氣候,光照資源充足。降水年內(nèi)分布不均,主要集中在6—9月。該區(qū)土壤類型為華北平原典型潮褐土,耕層以壤土為主,該區(qū)土壤質(zhì)地比較均一。試驗(yàn)在中國科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站進(jìn)行,該實(shí)驗(yàn)站位于河北滄州地區(qū),北緯38°06′,東經(jīng)116°40′,海拔10m。該地區(qū)最高氣溫31℃,最低氣溫-19℃,≥10℃積溫4300℃,多年平均降水量572.5mm,平均日照時(shí)數(shù)2318h。耕地土壤為輕壤質(zhì)潮土。田間持水量為0.34cm3/cm3,凋萎系數(shù)為0.10cm3/cm3。1.2計(jì)算1.2.1生態(tài)農(nóng)業(yè)東北部作物耗水需水量利用參考作物蒸散量和作物系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。參考作物蒸散量采用Penman-Monteith公式計(jì)算。作物系數(shù)是通過該區(qū)的前人主要研究成果與筆者在中國科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站得到的數(shù)據(jù)。同時(shí),一些作物的耗水量是根據(jù)陳玉民等編著的《中國主要作物需水量與灌溉》獲取得到。考慮到兩年三作的種植模式,所以不同種植模式下的耗水量是在2年時(shí)間內(nèi)作物的耗水量與休耕期土壤蒸發(fā)的和。ETi為第i季作物的耗水量,Ei為第j季休閑期土壤蒸發(fā)量,i+j=4。對(duì)與一年兩作的種植方式,i=4,同時(shí)對(duì)應(yīng)的j=0。對(duì)于兩年三作的種植模式,i=3,同時(shí)對(duì)應(yīng)的j=1;對(duì)于一年一作的種植模式,i=2,j=2。1.2.2灌溉1.2.3地下水變化式中,Δh是每年的地下水埋深變化情況(m),q是灌溉和降水及其引起的下滲量的差值,μ是給水度,其值為0.06。1.2.4水管理的效率1.3氣溫、降水和氣溫所用數(shù)據(jù)主要包括:(1)氣象數(shù)據(jù),主要為日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫、降水量風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)等氣象要素;(2)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),主要來源于《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒(1997—2011)》等。2結(jié)果與分析2.1種植面積分析通過1997—2011年的河北省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒資料分析可以看出,在滄州市夏玉米、冬小麥和棉花的播種面積占農(nóng)作物總播種面積的77.22%,其中冬小麥為34.74%,玉米為32.72%,棉花為9.76%。再次為大豆,6.45%,花生,2.67%,青飼料1.20%,谷子1.26%,高粱1.00%。這些作物總共占總播種面積的89.80%。在總的農(nóng)作物多年種植面積變化不大的情況下,不同作物在多年的種植面積出現(xiàn)了一些變化。通過線性回歸分析發(fā)現(xiàn),花生和青飼料的種植面積在15年間變化不大,其主要是由于這2種作物主要是一年一作種植模式。最主要的作物冬小麥種植面積呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì),以每年4.8千hm2的面積減小,夏玉米呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì),以每年11.58千hm2的面積在增加。大豆的種植面積以每年7.12千hm2的面積在減少,谷子的種植面積以每年1.23千hm2的面積在減少,棉花的種植面積在近15年終是稍微增加趨勢(shì),以每年5.43千hm2的面積在增加(圖2)。這說明夏玉米種植面積的增加主要是由于與其同期的大豆和谷子的種植面積減少而引起的。2.2種主要作物生長季降水的變化從圖3可以看出,從1984—2011年,該區(qū)的多年平均降水量548.1mm,其變異系數(shù)達(dá)到28.4%。在這個(gè)區(qū)域1984—1989的年均降水量為575.5mm,1990—2000年的年均降水量為548.9mm,2001—2011年的年均降水量為532.7mm,呈現(xiàn)稍微下降的趨勢(shì)。在不同的年代其變異系數(shù)基本相差不大,分別為30.0%、32.0%和25.1%。說明該區(qū)降水在年際間的變異較大。針對(duì)該區(qū)3種主要作物冬小麥、夏玉米和棉花生長季的不同,因此分析在3種主要作物生長季的降水變化情況。從1984年到2011年,該區(qū)冬小麥季、夏玉米季和棉花季的多年平均降水量分別為115.2mm,397.4mm和502.0mm,其變異系數(shù)也分別為61.1%,35.3%和32.3%,這說明在這個(gè)區(qū)域冬小麥生長季的降水變異最大。在過去30年間,冬小麥季年降水量減少0.94mm,棉花季年降水量減少2.62mm,夏玉米季年降水量下降2.65mm。在3種主要作物的不同年代,降水的變化是不同的。對(duì)于冬小麥季,1984—1989的年均降水量為133.0mm,變異系數(shù)為57.6%,1990—2000年的年均降水量為107.9mm,變異系數(shù)為47.3%,2001—2011年的年均降水量為112.7mm,變異系數(shù)為78.7%。季降水量呈現(xiàn)稍微減少的趨勢(shì),而降水的變異系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。對(duì)于夏玉米季來說,1984—1989的年均降水量為449.7mm,變異系數(shù)為36.4%,1990—2000年的年均降水量為399.0mm,變異系數(shù)為42.8%,2001—2011年的年均降水量為367.2mm,變異系數(shù)為24.2%。降水量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì),變異系數(shù)變化不是很大。對(duì)于棉花季來說,1984—1989的年均降水量為564.6mm,變異系數(shù)為38.0%,1990—2000年的年均降水量為488.6mm,變異系數(shù)為36.2%,2001—2011年的年均降水量為481.2mm,變異系數(shù)為24.4%。棉花生長季降水及其變異系數(shù)變化趨勢(shì)與夏玉米季相似。2.3種植模式及其灌溉需水量在明確了該區(qū)主要作物種植情況和降水情況的基礎(chǔ)上,考慮周年的變化情況,需要針對(duì)不同的種植模式進(jìn)行分析。同時(shí),考慮到現(xiàn)在節(jié)水灌溉的發(fā)展,冬小麥—夏玉米一年兩作模式下的節(jié)水灌溉制度,即在少水年實(shí)施3水灌溉,平水年實(shí)施2水灌溉,多水年實(shí)施1次灌溉。因此,針對(duì)該區(qū)主要的種植作物及上述作物的種植收獲時(shí)間及其之間的生育期搭配,選擇以下12種模式進(jìn)行分析(表1)。根據(jù)不同的作物形成的不同種植模式及其在不同水分年型下的灌溉需水量分析,結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明:在不同的降水年型下,不同模式灌溉需水量呈現(xiàn)一致的變化趨勢(shì)。在少水年份,降水均不能滿足這12種種植模式的耗水,一年兩作的種植模式的灌溉需水量大于兩年三作的種植模式,一年一作的種植模式灌溉需水量最小。灌溉需水量最多的為冬小麥—夏玉米一年兩作和冬小麥夏大豆一年兩作的模式,在2年的時(shí)間內(nèi)分別需要灌溉897mm和814mm。灌溉需水量最少的為一年一作的花生和牧草,分別為82mm和189mm。在平水年,不同的種植模式出現(xiàn)了明顯的差異。冬小麥—夏玉米一年兩作的種植模式下2年需要灌溉587mm,即每年灌溉297mm。這與當(dāng)?shù)氐牧?xí)慣每年需要灌溉3~4次水,每次80~90mm計(jì)算,總的灌溉量相當(dāng)。其他種植模式顯示,有冬小麥參加的模式,在平水年均需要一定的灌溉,而兩年三作的模式在2年時(shí)間內(nèi)需要灌溉280~325mm左右,比傳統(tǒng)模式降低了一般的灌溉量。如果在考慮兩年三作模式的休耕期的100mm降水,其會(huì)對(duì)土壤水分進(jìn)行補(bǔ)充,同時(shí)土壤蒸發(fā)大約為120mm左右,則兩年三作模式降低的灌溉水量更多。對(duì)于一年一作的種植模式來說,降水基本都能滿足作物生長,并且有些盈余。在多水年,有冬小麥參加的一年兩作模式均出現(xiàn)一定程度的虧水,而兩年三作和一年一作的種植模式均能達(dá)到降水的盈余。2.4降水與需水的耦合利用不同降水年型降水與主要種植模式需水的耦合度分析,結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明,在不同降水年型下不同種植模式需水與降水的匹配度差別較大。一年一作的花生種植模式降水與需水的耦合度最大,在少水年,平水年和多水年分別為0.89,1.31和1.74。冬小麥—夏玉米一年兩作種植模式的降水與需水耦合度最小,在3中不同水分年型下分別為0.47,0.65和0.84。根據(jù)孫宏勇等研究,棉花—冬小麥—夏玉米兩年三作種植模式的水分利用效率和經(jīng)濟(jì)水分利用效率最高,在這種模式下,不同降水年型下其降水和需水的匹配度分別為0.55,0.79和1.03。這說明在平水年降水稍微有些差距。2.5土壤供水量分析土壤水分供給是影響農(nóng)田耗水的主要因素。中科院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站的秸稈顯示,在冬小麥季能達(dá)到200mm左右,在不同的種植模式下有所差異。在冬小麥—夏玉米一年兩作的種植模式下,冬小麥季土壤供水達(dá)到213mm,在春玉米—冬小麥—夏玉米兩年三作的種植模式下,冬小麥季土壤供水可達(dá)222mm,而在棉花—冬小麥—夏玉米兩年三作的種植模式下,土壤供水量為180mm。因此,在分析不同種植模式對(duì)地下水的影響時(shí),有冬小麥的種植模式下考慮土壤水供應(yīng),按照200mm計(jì)算分析不同種植模式下灌溉需水量及對(duì)地下水的影響。不同種植模式在不同的降水年型對(duì)地下水的影響存在明顯的差異。在不同的降水年型下,不同種植模式對(duì)地下水的影響趨勢(shì)是一致的,在多水年對(duì)地下水的影響最小,在少水年對(duì)地下水的影響最大。從表4可知:有冬小麥的種植模式對(duì)地下水影響較大,冬小麥-夏玉米一年兩作的種植模式對(duì)地下水影響最大,在平水年導(dǎo)致地下水下降1.25m,這與呂慶玉等的報(bào)道的結(jié)果基本一致。同時(shí),利用節(jié)水灌溉模式的冬小麥-夏玉米種植模式,也能起到明顯的節(jié)水、抑制地下水下降的效果。但兩年三作的種植模式與冬小麥—大豆和冬小麥—谷子的種植模式對(duì)地下水的影響基本一致。再次,為一年一作的種植模式。其中一年一作的種植模式,花生和牧草的種植對(duì)地下水消耗較小,在平水年能夠起到一定的回補(bǔ)地下水作用。2.6節(jié)水灌溉情況不同種植模式會(huì)生產(chǎn)不同的產(chǎn)量,并且因?yàn)橥度氲牟町?形成不同的效益。因此,需要根據(jù)效益的分析結(jié)果選擇模式的應(yīng)用。表5顯示了在滄州地區(qū)不同種植模式的產(chǎn)量、產(chǎn)值和水分經(jīng)濟(jì)利用效率的變化。由表5可知:產(chǎn)量最高的為冬小麥—夏玉米的一年兩作種植模式,但是同時(shí)其投入也最高,這導(dǎo)致了產(chǎn)值不是最高,而由于同時(shí)其利用了大量的灌溉水分其水分經(jīng)濟(jì)利用效率為最低。而在節(jié)水灌溉情況下的冬小麥—夏玉米一年兩作種植模式,在總效益稍微降低的情況下,明顯的提高了水分經(jīng)濟(jì)利用效率。從效益來看,效益最高的為棉花一年一作的種植模式,其次為冬小麥—花生種植,在此為棉花—冬小麥—夏玉米兩年三作的種植模式,而最低的為夏玉米、春玉米和花生的一年一作種植模式。從水分經(jīng)濟(jì)利用效率來看,由于棉花是經(jīng)濟(jì)作物,其價(jià)值較高,最高的為棉花的一年一作和兩年三作的種植模式。水分經(jīng)濟(jì)利用效率最低的為冬小麥—夏玉米的傳統(tǒng)模式。3強(qiáng)化節(jié)水改造河北低平原區(qū)的水資源短缺及農(nóng)業(yè)缺水是該區(qū)可持續(xù)發(fā)展面臨的最大問題,通過種植制度有效合理的調(diào)整可以充分地利用有限的水資源提高水分利用效率,促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。隨著全球變化的影響,溫度升高、降水變化及極端氣候出現(xiàn)頻率增加等的現(xiàn)象也在本區(qū)域存在。隨著溫度的升高會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的影響,應(yīng)在此基礎(chǔ)上提倡冬小麥—夏玉米的“雙早雙晚”種植技術(shù)。但是,降水的減少會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有一定的限制作用。因此,要根據(jù)氣候變化發(fā)展合理的種植制度。在綜合考慮水資源和糧食安全方面,棉花—冬小麥—夏玉米是水分利用效率、水分經(jīng)濟(jì)利用效益是最好的種植模式。這種模式在平水年份2年仍需要271mm的灌溉水,對(duì)地下水的利用會(huì)造成每年0.47m的地下水下降。在這種情況下,如何能夠充分利用休閑期的降水為下季作物所利用,