近20年河北省幾種高耗水作物的水分利用效率分析

史夢霞 張佳笑 石曉宇 褚慶全 陳 阜 雷永登

中國農業大學農學院 / 農業農村部農作制度重點實驗室, 北京 100193

河北省是我國的農業大省之一, 長期以來過度的農業灌溉用水導致了其地下水位顯著下降[1]。據統計, 河北省農業用水在總用水量中的占比高達72.4%, 地下水超采嚴重[2]。特別近年來一些高耗水的糧食作物和水果蔬菜等大面積種植, 使得地區農業用水日益短缺[3]。河北省是以種植冬小麥、夏玉米為主的糧食主產區, 國家統計局數據表明,1999—2018年間, 二者總種植面積占河北省糧食作物的80%以上; 其中夏玉米、冬小麥近20年平均種植面積依次為3.04×106hm2、2.43×106hm2, 分別占河北省糧食作物總種植面積的47%和37%。此外, 蘋果、梨、葡萄、西瓜等水果的種植面積占河北省水果總種植面積的50%以上。在氣候變化和區域水資源日益緊缺的嚴峻形勢下, 如何提高農業灌溉用水的生產效率和經濟效益, 對河北省農業可持續發展有十分重要的現實意義。

在區域有限的水資源限制下, 充分利用自然降水, 以及提高作物的水分利用效率, 成為解決地區水資源矛盾的重要途徑[4-5]。目前國內對于作物需水量與作物系數的研究主要集中在大田作物與經濟作物上[6], 例如, 崔秋利[7]基于FAO推薦的Penman-Monteith公式(P-M公式)估算了1957—2017年京津冀地區冬小麥、夏玉米的耗水量及水分利用效率,結果表明冬小麥、夏玉米的水分利用效率仍有20%~30%的提升空間。也有研究采用SIMETAW模型, 估算了北京地區主要作物的需水量, 結果表明,果樹類作物需水量>糧經作物>蔬菜類作物[8]。段愛旺等[9]對1980—1988年我國主要糧食作物的水分利用效率進行了分析計算, 張瑞慶等[10]對北京上莊農田不同種植模式下的作物產量和水分利用效率進行了評價。然而, 以往研究多關注作物產量的水分利用效率, 關于作物的營養水分利用效率以及經濟水分利用效率等方面的量化評估還比較欠缺。因此,有必要從灌溉水分利用效率、經濟和營養水分利用效率等多個角度對作物的水分利用效率開展綜合評價, 有助于河北省根據不同的目標需求來合理調整優化作物種植結構, 實現農業節水和社會經濟的協調可持續發展。

鑒于河北省水資源短缺現狀以及過去20年的水果與作物種植變化情況, 本研究基于河北省21個國家標準氣象站點的1999—2018年氣象數據, 采用FAO推薦的P-M公式和分段單值平均作物系數法,對河北省種植面積較大的冬小麥、夏玉米、蘋果、梨、西瓜、葡萄等6種主要高耗水作物生育期的需水量、有效降水量、灌溉需水量、降水耦合度以及水分利用效率、灌溉水分利用效率、經濟水分利用效率和營養水分利用效率等開展全面評估。研究結果可為河北省以及華北地區合理調整種植結構和優化作物生產布局提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

河北省地處華北平原, 包括石家莊、唐山、秦皇島、保定、滄州等11個地市, 面積約18.9萬平方千米, 水資源匱乏, 降水量時空分布不均。由于供水量不能滿足農業用水總量的需求, 河北省農業灌溉用水多來自地下水。據統計, 河北省地下水年均超采量高達50億立方米, 超采率高達23%[2], 農業水資源短缺形勢十分嚴峻。因此選擇河北省開展作物需水量和水分利用效率研究, 有很好的典型性和迫切性。

1.2 數據來源

本研究使用的氣象數據來自河北省21個國家標準氣象站點1999—2018年的逐日氣象資料, 包括日最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、降水量、日照時數、風速和相對濕度等。作物系數和生育期數據來自FAO-56, 并結合區域的氣象條件進行了校正。作物價格數據來自EPS數據平臺的世界農林數據庫;100 g作物鮮質量中某營養素含量來自于《中國食物成分表(2002)》。作物產量數據來自國家統計局和河北省農業統計年鑒。

運用ArcGIS 10.5軟件的反距離權重法進行空間插值分析, 采用Microsoft Excel 2013和SPSS 25軟件進行數據統計分析。

1.3 研究方法

1.3.1 參考作物蒸散量 本研究采用FAO推薦的P-M公式[11]計算參考作物蒸散量:

式中,Rn為地表凈輻射, MJ m?2d?1;G為土壤熱通量,MJ m?2d?1;Tmean為日平均氣溫, ℃;U2為2 m高處風速, 單位為m s?1;es為飽和水氣壓, 單位為kPa;ea為實際水氣壓, 單位為kPa;Δ為飽和水氣壓曲線斜率, 單位為kPa ℃?1;γ為干濕表常數, 單位為kPa℃?1。

1.3.2 有效降水量 有效降水量計算公式如下[12]:

式中,Pe,j表示某日的有效降水量, 單位為mm;Pj表示某日的降水量, 單位為mm;αj表示降水量的有效利用系數,αj的取值與Pj有關:Pj≤5 mm時,αj= 1; 5 mm 50 mm時,αj=0.75[13]。

某時期的有效降水量等于該時期內所有日的有效降水量之和:

式中,Pe,i表示某時期的有效降水量, 單位為mm,j(1,2,…,n)表示該時期內的日序列,Pe,j,i,i時期的第j日的有效降水量, 單位為mm。整個生育期的有效降水量Pe是全育期有效降水量的和:

1.3.3 作物系數 運用FAO-56推薦的分段單值平均法, 并結合區域氣象條件, 對作物系數進行校正[11]。

式中,Kc(tap)為不同生長階段在標準條件下的作物系數,U2表示2 m高度處的風速, RHmin為該生育階段的日最低相對濕度的平均值,h是該生育階段內作物的平均高度, 單位為m。

1.3.4 作物需水量 作物需水量為參考作物蒸散量與對應作物系數的乘積[11]:

式中, ETc,j, 某日的作物需水量;Kc,j, 某日對應的作物系數; ET0,j, 某日作物參考蒸散量, 由式(1)計算所得。

1.3.5 灌溉需水量 某時期的灌溉需水量與該時期的作物需水量和有效降水量有關, 作物灌溉需水量等于有效降水量與作物需水量的差值[14]:

式中, ETaw,i為i時期的灌溉需水量, ETc,i為i時期的作物需水量,Pe,i為i時期的有效降水量。作物全生育期內的灌溉需水量ETaw為所有時期的灌溉需水量之和:

1.3.6 降水耦合度 作物需水量與自然降水的耦合度, 反映作物對自然降水的利用程度, 數值上介于0~1之間[12]:

式中,λi表示第i階段作物需水與自然降水的耦合度;Pi表示第i階段內自然降水量, mm;ETc,i表示第i階段內作物需水量, 單位為mm。

1.3.7 作物水分利用效率 作物水分利用效率是衡量作物產量與用水量關系的一種指標, 也是評價水分虧缺下植物生長適宜度的綜合指標之一[16], 作物水分利用效率通常表示為產量與耗水量的比值[17]。

式中, WUE為水分利用效率, 單位為kg hm?2mm–1;Y為作物產量, kg hm?2; ETc為作物需水量, 單位為mm。

1.3.8 灌溉水分利用效率

式中, WUEI是灌溉水分利用效率, 單位為kg hm?2mm?1;Y為作物產量, 單位為kg hm?2;I為總灌溉量,單位為mm[18]。

1.3.9 營養水分利用效率

式中, WUEN是營養水分利用效率, kg hm?2mm–1;YN為作物營養當量產量, 單位為kg hm?2; 其中,YN =目標作物營養當量/基準作物營養當量×目標作物產量Y; 作物營養當量 = ∑作物營養素密度/n, 其中n=20, 具體參考李俊穎等[19]基于作物營養當量修正產量比系數法的計算方法; 作物營養素密度=100 g食物鮮質量中某營養素含量/該營養素參考攝入量標準, 100 g作物中營養素含量及各營養素日均參考攝入量來自于《中國食物成分表(2002)》。本文研究的幾種作物中蘋果的生育期需水量最高, 因此以蘋果為基準作物進行折算。

1.3.10 經濟水分利用效率

式中, WUEE是經濟水分利用效率, 單位為kg hm–2mm–1; YE為經濟當量產量, 單位為kg hm–2; YE=目標作物市場價格/基準作物價格×目標作物產量Y。

2 結果與分析

2.1 6種作物的生育期與逐月Kc值

采用FAO-56[11]推薦的分段單值平均法計算作物系數(Kc), 將作物的生育期劃分為初始生長期、快速發育期、中期和后期, 然后結合區域氣象條件對Kc值進行了校正(詳見公式5)。表1為校正后的河北省6種作物近20年平均的逐月Kc值。從作物全生育期Kc值來看, 從大到小依次為: 夏玉米、蘋果和梨、西瓜、葡萄、冬小麥。

表1 6種作物的生育期與逐月Kc值Table 1 Growth periods and monthly Kc values of six crops

2.2 6種作物生育期內需水量、有效降水量以及灌溉需水量的時空分布

圖1 是河北地區6種主要作物近20年的作物需水量、有效降水量以及灌溉需水量變化曲線。由圖1(a)~(d)可知, 幾種水果作物中, 蘋果和梨的年均需水量在700 mm左右, 有效降水量遠不能滿足需水量, 生育期內需要補充大量灌溉水。

葡萄的年均需水量在600 mm左右, 生育期內有效降水量呈顯著上升趨勢(P<0.01); 西瓜的年需水量平均為400 mm, 相較于其他3種水果, 西瓜的年均需水量較少。由圖1-(e)~(f)可知, 冬小麥的需水量歷年變化量在350~470 mm之間, 有效降水量在100 mm左右, 2003年的有效降水量最大, 高達200 mm, 2001年有效降水最少, 僅有79 mm, 相應的, 2003年的灌溉需水量最小, 2001年灌溉需水量最大。夏玉米的需水量低于冬小麥, 歷年大都在300 mm左右, 有效降水量在200~400 mm之間,1999—2018年間生育期內有效降水量呈現顯著上升趨勢(P<0.01), 灌溉需水量呈顯著下降趨勢(P<0.01)。

對比不同作物類型, 水果作物的作物需水量整體高于糧食作物; 冬小麥的生育期內有效降水量最小, 西瓜次之; 灌溉需水量從大到小依次為: 蘋果和梨、冬小麥、葡萄、西瓜、夏玉米。從需水量的變化趨勢來看, 1999—2018年間, 6種作物生育期內有效降水量均呈上升趨勢, 除冬小麥外的其他作物的灌溉需水量均呈下降趨勢。

圖2 是河北省6種作物近20年生育期內作物需水量、有效降水量以及灌溉需水量的空間分布情況。由圖可知, 不同作物的作物需水量、有效降水量以及灌溉需水量等指標在空間上均呈現出不同的分布規律。幾種作物的作物需水量空間分布均呈現出南部高于北部、西部高于東部的分布規律; 有效降水量東北部較高, 中部較低; 灌溉需水量呈現出東南部較高, 東北部較低的分布規律。

2.3 6種作物生育期內降水耦合度年際間變化特征

圖3 反映了近20年河北省6種作物生育期內降水耦合度變化趨勢。從圖中可以看出, 不同作物的需水與降水的耦合度存在一定差異, 綜合6種作物的降水耦合度, 由高到低排序為夏玉米>葡萄>蘋果和梨>西瓜>冬小麥。1999—2018年間, 河北省夏玉米降水耦合度呈顯著上升趨勢(P<0.05) (圖3-e)。

2.4 河北省6種作物的區域總灌溉需水量變化

圖4 反映了近20年河北省6種作物的區域總灌溉需水量情況。區域總灌溉需水量是考慮整個河北省作物種植面積之后的某種作物的總灌溉需水量。河北省這6種作物總灌溉需水量在20年間不斷變化,總灌溉需水量之和在2003年之前整體較高, 2003年達到20年間最低值。幾種作物的區域總灌溉需水量從大到小依次為: 冬小麥、夏玉米、蘋果、梨、西瓜、葡萄, 且冬小麥的總灌溉需水量遠高于其他作物。

2.5 6種作物生育期內水分利用效率分析

由表2可知, 6種作物20年的平均作物水分利用效率(WUE)、灌溉水分利用效率(WUEI)、營養水分利用效率(WUEN)、經濟水分利用效率(WUEE)存在較大差異。WUE從大到小依次為; 葡萄>西瓜>梨>蘋果>夏玉米>冬小麥; WUEI從大到小依次為:葡萄>西瓜>夏玉米>梨>蘋果>冬小麥; WUEN從大到小依次為: 葡萄>冬小麥>夏玉米>梨>西瓜>蘋果;WUEE從大到小為: 葡萄>西瓜>蘋果>梨>冬小麥>夏玉米。

表2 6種作物的20年平均水分利用效率Table 2 Average water use efficiency of six crops for 20 years

綜合來看, 葡萄的各種水分利用效率在6種作物中都居于首位。對比不同作物類型, 糧食作物的WUEN整體高于水果作物, 而WUE、WUEI、WUEE整體低于水果作物。

圖5 反映了近20年河北省6種作物每五年平均的WUE、WUEI、WUEN、WUEE的年際間變化, 各種作物的WUE、WUEN、WUEE在20年間呈不斷上升趨勢, 僅葡萄和夏玉米的WUEI在不同年際間有所降低。4種水分利用效率對比來看, 20年間WUEE的增長幅度最大, 主要在2009年后大幅增長,WUEI在2014年后有所下降。

3 討論

本研究結果表明, 水果類作物的需水量整體高于糧食作物, 需水量從大到小依次是蘋果和梨、葡萄、冬小麥、西瓜、夏玉米, 這與現有文獻中研究結果基本吻合。例如, 周立華等[20]研究了銀北主要農作物、蔬菜、牧草、樹木的需水規律, 結果表明蘋果與梨生育期需水量接近, 且水果類作物明顯高于其他糧食類作物。孔箐鋅等[8]采用SIMETAW模型, 估算了北京地區主要作物的需水量, 結果表明,生育期內需水量從大到小依次為葡萄、蘋果、冬小麥、西瓜、夏玉米。在作物水分利用效率計算方面,崔秋利等[7]的研究表明夏玉米水分利用效率高于冬小麥, 即消耗相同體積的水, 夏玉米能夠獲得更高的產量, 這與本文的計算結果是一致的。由于目前針對水果類作物水分利用效率的研究較少, 本文主要參考了王會肖等[21]采用的基于產量的作物水分利用效率計算方法, 暫未考慮水果與糧食作物的果實或籽粒含水量的差異及其對水分利用效率的影響。今后如果條件具備, 可以考慮基于不同水果和糧食作物的含水量實驗室測定, 對作物水分利用效率做進一步的深入分析。

由于研究的時間尺度和作物生育期劃分等方面的不同, 本研究中某些作物的需水量與其他文獻中計算的也存在一定差異。水果作物中西瓜的需水量較小, 主要因為西瓜的生育期相比于其他幾種水果較短。葡萄的水分利用效率在幾種作物中最高, 主要由于其單產較高, 據統計, 近20年河北省葡萄的平均單產是蘋果的1.5倍, 梨的2.6倍, 冬小麥和夏玉米的3.5倍左右。本研究重點分析了河北省幾種典型高耗水作物的水分利用特征, 今后可以考慮更多的作物種類, 從而為河北地區調整優化作物布局提供更為全面可靠的依據。

本研究在計算作物需水量的基礎上, 對河北省主要作物近20年的降水耦合度和水分利用效率進行了全面評估, 研究結果對于河北省根據不同的目標需求調整優化作物種植結構有一定參考價值。其中, 降水耦合度反映了作物對自然降水的利用程度,對區域作物合理利用降水資源, 減少灌溉用水量有重要意義。水資源是限制河北省農業發展的重要因素, 在考慮作物結構和布局調整時, 可以優先選擇降水耦合度相對較高的作物, 最大程度減少灌溉水資源的消耗。從近20年6種作物的降水耦合度來看,夏玉米的降水耦合度最高, 其次為葡萄和西瓜, 因此適當擴大夏玉米種植面積是可行的。除此之外,葡萄和西瓜的幾種水分利用效率都比較高, 且經濟水分利用效率遠遠高于糧食作物, 因此進行作物種植優化調整時, 在保證冬小麥、夏玉米種植面積和糧食安全的前提下, 適當擴大葡萄、西瓜的種植, 有助于增加農業經濟收入。

4 結論

本研究中的糧食作物的需水量和灌溉需水量整體低于水果作物。冬小麥生育期內有效降水遠不能滿足冬小麥生長的水分需求, 灌溉需水量最大。而夏玉米生育期內有效降水和需水量的耦合度較高,灌溉需水量較少。水果作物的生育期內需水量與灌溉需水量從大到小為蘋果和梨、葡萄、西瓜。水分利用效率方面, 糧食作物的WUEN高于水果作物,而水果作物的WUE、WUEI、WUEE均高于糧食作物, 尤其WUEE遠高于糧食作物, 最高可達到糧食作物的10倍左右, 1999—2018這20年間, 河北省6種作物的WUE、WUEN、WUEE均呈現不斷增長的趨勢。在我國糧食主產區水資源短缺和保障糧食安全的雙重壓力下, 提高作物的綜合水分利用效率,對于區域農業可持續發展有重要意義。