區(qū)域農(nóng)業(yè)開(kāi)采量與年降水量的互逆效應(yīng)

區(qū)域農(nóng)業(yè)開(kāi)采量與年降水量的互逆效應(yīng)

中國(guó)北方大部分地區(qū)都是半干旱農(nóng)業(yè)區(qū)，年平均降水量為534mm。a、水面蒸發(fā)量大于1200mm。a、氣候降水難以滿足作物生長(zhǎng)和水分的需求。例如在山東禹城實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,大氣降水僅能滿足冬小麥生育期作物耗水量的33.8%、春玉米58.8%和冬小麥-夏大豆55.1%。地下水灌溉是確保華北平原農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的關(guān)鍵所在。在華北平原中、西部地區(qū),農(nóng)業(yè)用水占總用水量的70%以上,其中地下水是主要供水源(表1),以至農(nóng)業(yè)需耗地下水開(kāi)采量(簡(jiǎn)稱(chēng)農(nóng)業(yè)開(kāi)采量)對(duì)年降水量變化具有較強(qiáng)的響應(yīng)性。吳凱等、孫明等、楊永輝等和賈金生等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究闡明了不同降水量條件下大田作物需耗水規(guī)律和機(jī)理,但是如何研判一個(gè)區(qū)域農(nóng)業(yè)開(kāi)采量的合理性、可靠性及其節(jié)水潛力仍然是水資源評(píng)價(jià)及規(guī)劃中重要科學(xué)難題。因此,探討農(nóng)業(yè)開(kāi)采量對(duì)降水量變化的響應(yīng)規(guī)律,對(duì)研究如何增強(qiáng)水資源緊缺地區(qū)農(nóng)業(yè)供水安全性和農(nóng)業(yè)(用水大戶)合理、高效地利用地下水資源具有重要意義。1地下水位及灌溉量農(nóng)田作物需耗水量(Wcp)一般由地下水毛細(xì)供水量(U)、降水供給量(P,指作物生長(zhǎng)消耗降水供給的水量)、人工供給量(Q,即灌溉量)和消耗土壤含水量(ΔW)組成,表達(dá)式為Wcp=U+P+Q±ΔW(1)Wcp=U+Ρ+Q±ΔW(1)實(shí)際上,農(nóng)田作物需耗水量中包括農(nóng)田蒸散和灌溉滲漏兩部分的水量消耗。后者部分儲(chǔ)存在土壤中,另一部分入滲補(bǔ)給淺層地下水。對(duì)于式(1)來(lái)講,由于研究區(qū)內(nèi)淺層地下水位埋深較大,以至U=0。另外,時(shí)間較長(zhǎng)的均衡期內(nèi),ΔW≈0(Taylor,1983)。于是,有Wcp≈P+Q≈P+I+Q開(kāi)(2)Wcp≈Ρ+Q≈Ρ+Ι+Q開(kāi)(2)即華北平原的作物需耗水量主要由降水供給量(P)和以開(kāi)采地下水為主的灌溉量(Q)組成,地表水灌溉量(I)占有限量。從表1可見(jiàn),在多數(shù)研究分區(qū)的Q中Q開(kāi)占80%以上,所以降水量變化不僅引起降水對(duì)農(nóng)田作物需耗水的供給量改變,而且還引起灌溉量的改變,并主要表現(xiàn)在農(nóng)業(yè)開(kāi)采量(Q開(kāi))的變化上。因此,在遴選研究樣本過(guò)程中,考慮到降水量、開(kāi)采量及地下水位埋深的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在由點(diǎn)源到面應(yīng)用均化的局限性,以及降水和開(kāi)采對(duì)淺層地下水位變化影響的地域?qū)?yīng)性和時(shí)效不對(duì)稱(chēng)性的問(wèn)題;還考慮到Wcp值大小與灌溉面積、種植結(jié)構(gòu)和用水水平密切相關(guān)性。為了最大限度地減小上述問(wèn)題的不確定性影響,本文采用邢臺(tái)、邯鄲和石家莊所轄平原區(qū)的農(nóng)田區(qū)淺層地下水(指潛水及微承壓水)開(kāi)采量及對(duì)應(yīng)區(qū)年降水量和區(qū)域平均年末淺層地下水位埋深(主要指潛水)作為主要研究依據(jù),選用海河平原農(nóng)田區(qū)地下水開(kāi)采量及相應(yīng)范圍的農(nóng)業(yè)大田灌溉量和降水量作為研究背景資料。另外,考慮到灌溉面積的相對(duì)穩(wěn)定性(表2),主要選取1986-2000年系列相關(guān)數(shù)據(jù)。2農(nóng)業(yè)科學(xué)院的收獲規(guī)律2.1農(nóng)業(yè)開(kāi)采量和灌溉量從圖1(a)可見(jiàn),1986-2000年期間華北平原農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水開(kāi)采量和農(nóng)田實(shí)際灌溉量與年降水量之間呈互逆變化過(guò)程。在1986、1989、1992、1997年和1999年降水偏枯年份,農(nóng)業(yè)開(kāi)采量和灌溉量都呈現(xiàn)峰值;而在1987-1988、1990、1994-1996和1998年降水偏豐年份,開(kāi)采量和灌溉量呈現(xiàn)谷值。在邯鄲、邢臺(tái)和石家莊平原農(nóng)業(yè)區(qū),不僅農(nóng)業(yè)開(kāi)采量與對(duì)應(yīng)區(qū)年降水量密切互動(dòng),而且區(qū)內(nèi)平均年末淺層地下水位埋深也呈逆向動(dòng)態(tài)變化規(guī)律(圖1(b)～圖1(d))。降水量增大,開(kāi)采量減小,降水對(duì)淺層地下水補(bǔ)給增多,淺層地下水位埋深變小;降水量減小,開(kāi)采量增大,降水對(duì)淺層地下水補(bǔ)給減少,淺層地下水位埋深變大。2.2年開(kāi)采量、年降水量的變化率圖2表明,隨著年降水量的增大,農(nóng)田作物需耗水從降水中獲取的供給量相應(yīng)增大,而農(nóng)田灌溉量減小(圖2(a)),農(nóng)田區(qū)淺層地下水開(kāi)采量也隨之減小(圖1(a))。在1986-2000年期間,華北農(nóng)田區(qū)的灌溉量與降水量之間變化率為-0.174,開(kāi)采量與降水量之間變化率為-0.191,均衡點(diǎn)的年降水量518.2mm、年灌溉量473.8mm和年開(kāi)采量391.4mm(圖2(a))。在邯鄲農(nóng)業(yè)區(qū),開(kāi)采量與降水量的變化率為-0.331,均衡點(diǎn)的年降水量和年開(kāi)采量分別為511.1mm和281.7mm;邢臺(tái)農(nóng)業(yè)區(qū),年開(kāi)采量與年降水量的變化率為-0.336,均衡點(diǎn)的年降水量和開(kāi)采量分別為487.3mm和302.3mm;石家莊農(nóng)業(yè)區(qū),年開(kāi)采量與年降水量的變化率為-0.354,均衡點(diǎn)的年降水量和年開(kāi)采量分別為479.2mm和354.4mm(圖2(b))。換言之,在地下水灌溉面積和用水水平穩(wěn)定前提下,年降水量每增加(或減少)100mm,則引起邯鄲、邢臺(tái)和石家莊農(nóng)業(yè)年開(kāi)采量減小(或增大)28.4～40.1mm(相當(dāng)于1.1億～1.9億m3),華北平原農(nóng)田地下水開(kāi)年采量減少(或增大)19.1～19.2mm(相當(dāng)于11.6億～11.7億m3),具體結(jié)果如表3所示。在1986-2000年期間,華北平原年降水量的極大-極小差率達(dá)-32.5%～+39.7%、年開(kāi)采量極差率-11.2%～+13.1%,其中邯鄲平原年降水量極差率-47.4%～+51.1%和農(nóng)業(yè)開(kāi)采量極差率-24.6%～+33.8%、邢臺(tái)平原-42.3%～+39.9%和-18.1%～+27.7%,石家莊平原-39.9%～+74.7%和-33.8%～+18.9%。3均衡降水與年降水量的關(guān)系圖2中均衡點(diǎn)的年開(kāi)采量和年降水量是一個(gè)區(qū)域性的、15年(中尺度)期間作物需耗水閾值,它基本反映出一個(gè)地區(qū)農(nóng)田作物需耗水量大小和農(nóng)業(yè)消耗地下水的水平,其量值的大小與各分區(qū)氣候條件和實(shí)際灌溉面積有關(guān)(表4),弱化了種植結(jié)構(gòu)或用水水平等方面局部隨機(jī)性變化影響。就是說(shuō),在用水水平和種植結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定前提下,包括引水工程,一個(gè)地區(qū)農(nóng)業(yè)開(kāi)采量的大小取決于當(dāng)?shù)亟邓驼舭l(fā)等水熱氣候條件及灌溉面積。研究表明,由于各研究分區(qū)的氣候條件不同,所以它們的作物需耗水量(Wcp)也各不相同(表5),隨降水量增大而減小(圖3),以至各分區(qū)的均衡點(diǎn)開(kāi)采量及其對(duì)應(yīng)降水量也因Wcp不同而變化。圖3是華北平原各三級(jí)區(qū)的單位面積農(nóng)田經(jīng)濟(jì)灌溉定額和1998年農(nóng)業(yè)大田(水澆地)實(shí)際灌溉量與1986-2000年系列分區(qū)區(qū)域平均年降水量之間關(guān)系,它反映無(wú)論是研究區(qū)的農(nóng)田作物極限需耗水量(指經(jīng)濟(jì)灌溉定額),還是單位面積灌溉量都與當(dāng)?shù)啬杲邓砍拭芮胸?fù)相關(guān)關(guān)系。從邯鄲、邢臺(tái)和石家莊分區(qū)來(lái)看,均衡點(diǎn)降水量由511.2mm降至479.2mm,則單位面積實(shí)際均衡農(nóng)業(yè)開(kāi)采量(開(kāi)采模數(shù))從2.83×1012?mm3/hm2·a增至3.54×1012?mm3/hm2·a(圖3中Δ點(diǎn)),介于農(nóng)田作物極限需耗水量與1998年單位面積實(shí)際灌溉量之間(詳見(jiàn)圖3、表4和表5)。當(dāng)然,不同作物的需耗水量各不相同。由懋正等研究表明,在石家莊山前平原冬小麥的需耗水量351.9～491.5mm和夏玉米386.6～521.0mm。吳凱等在1986-1995年期間的山東禹城實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,冬小麥生育期作物需耗水量平均485.5mm,夏大豆生育期作物需耗水量平均362.5mm,春玉米生育期作物需耗水量平均413.8mm,夏玉米生育期作物需耗水量平均397.9mm。本文研究結(jié)果,在邯鄲、邢臺(tái)和石家莊平原,以種植小麥、玉米、棉花和豆類(lèi)為主,所以若以冬小麥和夏玉米的作物需耗水量值作為基數(shù),則邯鄲、邢臺(tái)和石家莊農(nóng)業(yè)區(qū)開(kāi)采地下水供給水量占相應(yīng)作物的需耗水量的58.2%～88.9%。隨著降水量的增大,作物消耗降水供給水量增多,其中偏豐水年份占62.6%～80.2%,而偏枯水年份降水供給作物需耗水量?jī)H占15.2%～32.1%,因此農(nóng)業(yè)開(kāi)采量隨降水量增大而減小。1986-1995年農(nóng)田實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果是冬小麥農(nóng)田需耗水量413.8mm,夏玉米397.9mm,以至在相同降水量條件下,種植夏玉米所消耗的降水供給量小于冬小麥。4農(nóng)業(yè)開(kāi)采量評(píng)估農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水開(kāi)采量對(duì)年降水量變化的響應(yīng)規(guī)律及其研究方法,具有如下應(yīng)用意義:(1)在枯水年份不僅農(nóng)業(yè)開(kāi)采量顯著增大,而且地下水對(duì)農(nóng)業(yè)(糧食)安全的保障作用與責(zé)任更加顯著,所以在地下水資源規(guī)劃與利用中,應(yīng)采取“豐限枯?！钡霓r(nóng)業(yè)區(qū)地下水開(kāi)采對(duì)策,需要更加重視連續(xù)枯水期地下水對(duì)農(nóng)業(yè)安全保障的地下水資源儲(chǔ)備,適度限制豐水年份農(nóng)業(yè)對(duì)地下水的開(kāi)采數(shù)量,以便進(jìn)一步增強(qiáng)連續(xù)干旱年份期間地下水對(duì)農(nóng)業(yè)用水的供給安全保障能力。(2)可借鑒圖2～圖3的表達(dá)方式和內(nèi)涵,研判和率定農(nóng)業(yè)開(kāi)采量的利用水平、合理性和節(jié)水潛力,以及檢核相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料的可靠性。如果數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入圖2(a)中右上限區(qū)或左下限區(qū),為異常點(diǎn),需要查明原因;若在左上限區(qū)或右下限區(qū),屬于正常值,其中左上限區(qū)是偏枯水年份農(nóng)業(yè)開(kāi)采量狀況,右下限區(qū)表示偏水年份農(nóng)業(yè)開(kāi)采量狀況。若數(shù)據(jù)點(diǎn)落在趨勢(shì)線上方,表明農(nóng)業(yè)開(kāi)采量尚有節(jié)水潛力;數(shù)據(jù)點(diǎn)在趨勢(shì)線下方,表明該農(nóng)業(yè)區(qū)高效用水。在上述分析基礎(chǔ)上,通過(guò)圖3檢核實(shí)際農(nóng)業(yè)開(kāi)采量的節(jié)水潛力大小,評(píng)價(jià)實(shí)際農(nóng)業(yè)開(kāi)采量的合理性和現(xiàn)狀利用水平。如果實(shí)際開(kāi)采量落在區(qū)域平均、單位面積地下水可開(kāi)采量趨勢(shì)線與經(jīng)濟(jì)灌溉定額趨勢(shì)線之間,表明該區(qū)農(nóng)業(yè)開(kāi)采量處于合理狀態(tài)。實(shí)際開(kāi)采量愈接近經(jīng)濟(jì)灌溉定額趨勢(shì)線,表明該地區(qū)農(nóng)業(yè)開(kāi)采量愈高效,節(jié)水潛力愈小;相反,農(nóng)業(yè)開(kāi)采量偏高,節(jié)水潛力愈大。如果實(shí)際開(kāi)采量落在區(qū)域平均、單位面積地下水可開(kāi)采量趨勢(shì)線之上或經(jīng)濟(jì)灌溉定額趨勢(shì)線之下,都屬于異常情況,需要查明原因。(3)根據(jù)降水預(yù)測(cè)成果,利用圖2方法可推測(cè)未來(lái)年份的農(nóng)業(yè)開(kāi)采量,指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。圖2中趨勢(shì)線,應(yīng)是預(yù)測(cè)理論值。(4)為評(píng)估未來(lái)不同氣候條件下