寧夏灌區(qū)壓減水稻面積對水環(huán)境的影響

鄭 方，馬力文，趙 慧

（1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750002）

寧夏灌區(qū)水稻以高產(chǎn)和上乘的品質(zhì)而著稱。8世紀(jì)初，即唐代中葉，已有大面積水稻栽培［1］。目前水稻面積已達(dá)8.11 萬hm2［2］。高如嵩等［3］評價(jià)，“銀川平原氣候生態(tài)條件綜合評價(jià)結(jié)果幾乎全部為1級，這在全國是罕見的。寧夏大米素以品質(zhì)優(yōu)良而著稱，明顯受惠于優(yōu)越的氣候因素。確實(shí)是一塊既利于稻米高產(chǎn)又利于優(yōu)質(zhì)的不可多得的寶地。”水稻的潛在生產(chǎn)力和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力以新疆為高，寧夏次之。寧夏引黃灌區(qū)是全國少有的水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)區(qū)［4］。

寧夏水資源嚴(yán)重短缺。全區(qū)人均占有水資源量僅為黃河流域的1/3、全國的1/12，人均水資源可利用量僅有670 m3，為全國平均值的1/3［5，6］。有研究者指出，為了節(jié)約水資源，需壓縮水稻等高耗水作物種植面積［7-9］。也有研究者從生態(tài)的角度，對壓減水稻種植面積并不認(rèn)可［10，11］。維持一定的水稻面積，能夠下滲補(bǔ)充地下水，有效地保持一定高度的地下水位，還可以維持灌區(qū)湖泊的水域面積。大面積的水稻種植，通過蒸騰作用產(chǎn)生大量水蒸氣，可提高周圍地區(qū)空氣濕度，調(diào)節(jié)區(qū)域氣候，有利于維持較舒適的人居環(huán)境。產(chǎn)生上述兩種對立意見的根源，在于并不清楚壓減水稻，改種節(jié)水的小麥或玉米對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的影響程度。因此，本研究不考慮改種對糧食產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)收入的影響，僅從水分蒸散量的改變引起環(huán)境濕度、地下水位的改變程度出發(fā)，用實(shí)際數(shù)據(jù)分析壓減水稻面積，改種春小麥、玉米對生態(tài)環(huán)境帶來的可能影響。

1 材料與方法

1.1 資料來源

氣象資料來自寧夏灌區(qū)銀川市、石嘴山市、吳忠市和中衛(wèi)市有水稻種植的縣轄區(qū)內(nèi)的11 個(gè)氣象觀測站，包括2000—2018 年逐日氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)，以及站點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、海拔等地理信息數(shù)據(jù)。

土壤水分觀測數(shù)據(jù)來自寧夏永寧縣2007—2014年逐旬1~100 cm 土壤水分以及土壤容重實(shí)測值。

1.2 研究方法

1.2.1 作物蒸散量 作物蒸散是作物蒸騰與棵間蒸發(fā)到空氣中的水分，是維持空氣濕潤的水分源泉之一，作物蒸散量ETc可用彭曼公式估算［12］。

式中，ETc為作物蒸散量（mm），是指作物蒸騰與棵間蒸發(fā)到空氣中的水在單位面積（每平方米）水平面上積聚的深度；ET0為潛在蒸散量（mm），即大氣蒸發(fā)能力；Kc是聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）推薦的作物主要生育階段蒸散系數(shù)（表1），表示作物在水分充分滿足情況下向空中釋放水分的能力。利用寧夏多年作物發(fā)育期觀測資料，將Kc內(nèi)插到生長期內(nèi)的每一天。

表1 主要作物的Kc

潛在蒸散量ET0是在一定氣象條件下，水分不受限制時(shí)，生長均勻且完全覆蓋地表的綠草地冠層能達(dá)到的最大蒸發(fā)蒸騰量，稱為參考作物蒸散。采用FAO 推薦的彭曼公式估算［12］。

式中，ET0為潛在蒸散量（mm）；T為日平均氣溫（℃）；U2為2 m 高處平均風(fēng)速（m/s）；Rn為作物表面凈輻射［MJ/（m2·d）］；G為土壤熱通量密度［MJ/（m2·d）］；VPD為水氣壓差（kPa）；Δ 為飽和水氣壓曲線斜率（kPa/℃）；γ 為干濕表常數(shù)。

1.2.2 作物實(shí)際蒸散量 通過簡易農(nóng)田土壤水分平衡方程，對照2007—2014 年寧夏永寧農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測實(shí)驗(yàn)站春小麥、玉米農(nóng)田土壤水分監(jiān)測結(jié)果，可計(jì)算出春小麥和玉米逐年實(shí)際蒸散量。

式中，ET為實(shí)際蒸散量（mm）；v1、v2分別為作物生育期開始和結(jié)束時(shí)1 m土層內(nèi)的土壤貯水量（mm）；可由土壤重量含水量與土壤容重的乘積來確定；r為徑流系數(shù)；∑R為某時(shí)段累計(jì)降水量；P為灌溉量。

土壤貯水量v是一定深度土層內(nèi)貯存的水分。

第二，加大對客源地廣告投放力度，在本縣境內(nèi)的105,316國道沿線及高速公路進(jìn)出口處設(shè)立相應(yīng)的旅游交通標(biāo)示牌，進(jìn)一步樹立和宣傳永修旅游的整體品牌形象。同時(shí)以周邊省會(huì)城市辦事處為依托，開辟和發(fā)展廬山西海旅游新市場和新客源，建立好輻射網(wǎng)絡(luò)，打響廬山西海。

式中，v為土壤貯水量（mm）；ρ為土壤容重；h為測定土層厚度（cm）；w為重量含水量。因2014 年之后觀測地點(diǎn)改變，對比數(shù)據(jù)僅有8 年。

1.2.3 空氣濕度 空氣絕對濕度是每立方米濕空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量，即水蒸氣密度。

式中，ρw為水蒸氣密度（g/m3）；e為蒸汽壓（Pa）；RW為水的氣體常數(shù)為461.52 J/（kg·K）；T為立方體的平均溫度（K）；m為空氣中的水的質(zhì)量（g）；V為立方體的體積（m3）。

空氣相對濕度是指水在空氣中的蒸汽壓與同溫度同壓強(qiáng)下水的飽和蒸汽壓的比值，用空氣的絕對濕度與相同溫度下可能達(dá)到的最大絕對濕度之比來表示。

1.2.4 地下水位變化量 為了進(jìn)一步分析不同種植模式對地下水位的影響，定義單位面積（m2）地下補(bǔ)給量為灌溉水和自然降水的滲漏量減去排水量，計(jì)算式參考前人的研究成果［10］并進(jìn)行了改進(jìn)。

式中，NWU是單位面積上的凈地下水補(bǔ)給量（mm）；P是作物生育期的灌溉量（mm）；R是作物生育期的降水量（mm）；α為滲漏系數(shù)，取值0.245［11］；n為作物生育期的天數(shù)；Dr為地表排水量，寧夏灌區(qū)降雨多集中在7—9 月，占全年降雨量的70% 左右，而此期間水稻需水量較低，多余的水從水溝排出，最終流入黃河。根據(jù)文獻(xiàn)［13］，水稻全生育期內(nèi)的排水量約為9.4 mm。

為了進(jìn)一步計(jì)算不同種植模式對地下水位的影響，計(jì)算地下水位的變化量。

式中，Δh為地下水位變化量（mm）；Δf為作物種植面積的變化量（m2）；M為灌區(qū)耕地總面積（m2）；NWUj是單位面積凈地下水補(bǔ)給量的變化量（mm）；j為作物種類，j1、j2、j3分別為小麥、玉米、水稻；η為給水度，Kendy 等［14，15］研究認(rèn)為，η取值一般為0.12~0.21，土壤的滲漏越小，取值也越小，因灌區(qū)土壤性質(zhì)為沙壤土，故取值為0.2。

2 結(jié)果與分析

2.1 2011 年以來灌區(qū)逐年各作物蒸散量

FAO 推薦的方法計(jì)算作物蒸散量主要是針對半濕潤氣候條件下的平均值（最小相對濕度為45%，平均風(fēng)速≤2 m/s），不同區(qū)域使用時(shí)，需要根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥馈夂蚝妥魑锔叨冗M(jìn)行調(diào)整。寧夏灌區(qū)水稻田土壤達(dá)到濕潤條件，但小麥、玉米土壤未達(dá)到持續(xù)濕潤條件，在灌溉時(shí)和非灌溉時(shí)土壤濕度呈鋸齒形波動(dòng)，實(shí)際蒸散量比彭曼公式推算數(shù)據(jù)要小一些。永寧農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測實(shí)驗(yàn)站農(nóng)田作物實(shí)際蒸散量與彭曼公式推算值對比結(jié)果見表2。

表2 農(nóng)田作物實(shí)際蒸散量與推算蒸散量對比

由表2 可見，在以永寧為代表的寧夏灌區(qū)，作物實(shí)際蒸散量年際間差別較大。通過表2，按照彭曼公式推算的90% 對灌區(qū)春小麥和玉米的蒸散量進(jìn)行核減，多站平均值見表3。

表3 灌區(qū)逐年各作物蒸散量（單位：mm）

按照上述算法，1 hm2小麥、玉米和水稻全生育期蒸散發(fā)的水量為3 661、5 283、7 510 m3。

2.2 灌區(qū)壓減水稻面積對蒸散發(fā)的水量的影響

假設(shè)減少1.00 萬hm2水稻，按照全部改種玉米、全部改種小麥、小麥玉米各0.50 萬hm23 個(gè)方案推算，向空氣中輸送的蒸散發(fā)的水量見表4。

表4 不同作物的蒸散發(fā)的水量與改種后的減少量

利用2011—2018 年灌區(qū)水稻、小麥和玉米逐年的面積分別乘以相應(yīng)的蒸散量即可得到各作物向空中蒸散發(fā)輸送的水量。灌區(qū)小麥、玉米、水稻平均每年向空氣中輸送的水量分別為2.93×108、7.88×108、6.03×108m3，三大作物向空氣中蒸散發(fā)輸送的水量總和為16.64×108m3（表5）。

表5 2011 年以來灌區(qū)三大作物種植面積和蒸散發(fā)的水量

假設(shè)按照10%、20%、30% 的比例壓減水稻面積，壓減的面積一半用于種植玉米、一半用于種植小麥。按照2011—2018 年平均值計(jì)算，若水稻面積被壓減10%，灌區(qū)三大作物向空氣中蒸散發(fā)輸送的水量總和為16.39×108m3，即比不壓縮減少2.5×107m3。同理水稻面積壓縮20% 和30%，輸送的蒸散發(fā)水量分別比不壓縮減少4.9×107和7.4×107m3（圖1）。

圖1 壓減水稻水分蒸散發(fā)量情況

按照10%、20% 和30% 壓減后，三大作物的蒸散發(fā)水量總和分別比不壓縮減少了1.48%、2.91% 和4.39%（圖2）。

圖2 壓減水稻蒸散發(fā)水量減少情況

2.3 灌區(qū)壓減水稻面積對空氣相對濕度的影響

按照集中連片1 萬hm2面積的3.032×107m3水量蒸散到1 km 近地層，在風(fēng)速為0 且沒有其他熱量交換的假設(shè)下，按照寧夏4—9 月平均氣溫和近地層高度的氣溫直減率6.5 ℃，同時(shí)按照寧夏4—9 月30年平均氣溫，推算得到寧夏灌區(qū)4—9 月飽和絕對空氣濕度，換算成常用的空氣相對濕度值。得出：在1萬hm2集中連片的水稻種植區(qū)域，在1 km 近地層高度范圍內(nèi)，靜風(fēng)且沒有其他熱量交換的條件下，4—9月平均氣溫約為17 ℃，飽和空氣濕度為14.34 g/m3，每日減少的絕對空氣濕度平均為1.66 g/m3，減少的相對空氣濕度平均為11.6%。

2.4 灌區(qū)壓減水稻面積對地下水位的影響

按照寧夏普遍采取的節(jié)水灌溉模式，全生育期灌溉定額水稻為1 500 mm、玉米為660 mm、小麥為540 mm［11］，水稻全生育期多余水分排水量按照9.4 mm計(jì)算［13］，壓減10% 的水稻面積，其中一半改種玉米，一半改種小麥時(shí)地下水位下降29.3 mm；壓減20% 時(shí)下降58.6 mm；壓減30%時(shí)下降87.8 mm（圖3）。

圖3 壓減水稻地下水位下降情況

3 小結(jié)與討論

通過彭曼公式推算了灌區(qū)水稻、玉米和小麥農(nóng)田水分蒸散量，利用永寧農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測實(shí)驗(yàn)站2007—2014 年的土壤水分觀測數(shù)據(jù)和農(nóng)田土壤水分平衡方程計(jì)算玉米和小麥田實(shí)際蒸散量，對利用彭曼公式推算的蒸散量進(jìn)行了校正。按照減少的水稻面積，其中一半改種玉米、一半改種小麥的假設(shè)，計(jì)算得出減少1.00 萬hm2水稻，所減少的蒸散發(fā)水量是3.032×107m3；推算了壓減10%、20%、30% 的水稻面積所減少的蒸散水量，分別比不壓減少向空氣中輸送2.5×107、4.9×107和7.4×107m3水量。

按照絕對濕度的計(jì)算方法，假設(shè)在1.00 萬hm2集中連片的水稻上改種玉米和小麥，則在4—9 月空氣絕對濕度減少1.66 g/m3，相對濕度減少11.6%。

灌區(qū)自然降水較少，維持一定的水稻面積對維持地下水位有一定的作用，按照壓減水稻種植面積，也就減少了地下水補(bǔ)給量的思路，減少10%、20%、30% 水稻面積改種玉米和小麥，其地下水位將分別降低29.3、58.6 和87.8 mm。

壓減水稻面積對降低空氣濕度、降低地下水位作用明顯，不利于寧夏灌區(qū)生態(tài)的維持。但分析仍然有以下缺陷。

1）彭曼公式的準(zhǔn)確性雖然已經(jīng)過多位學(xué)者證明，經(jīng)過校正，提高了彭曼公式推算的準(zhǔn)確性。但用于校正彭曼公式時(shí)所用的永寧農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測實(shí)驗(yàn)站資料序列較短，校正的精度不夠，且推算結(jié)果沒有進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

2）空氣濕度的推算并不符合實(shí)際情況。空氣濕度的推算建立在1 萬hm2面域上至1 km 高度的立方體內(nèi)處于靜風(fēng)條件且沒有其他熱量交換的假設(shè)下，這不符合實(shí)際情況，更不可能將此虛擬的立方體封閉起來。

3）對地下水位的變化趨勢進(jìn)行了推算，但定額灌溉量、滲漏系數(shù)、排水量以及給水度取值均取自其他學(xué)者的研究成果，沒有對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，這也是研究的缺陷之一。