地下水超采区农业种植结构与作物耗水时空演变研究

孟 建 姚旭擎 杨晓琳 罗建美 沈彦俊

(1.河北农业大学园艺学院, 保定 071001； 2.中国农业大学农学院, 北京 100193；3.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心, 石家庄 050022)

0 引言

华北平原是我国水资源最贫乏、水供需矛盾最突出的地区[1]。华北地区水资源安全问题事关首都水安全、京津冀协同发展战略实施和雄安新区建设，具有十分重要的意义。地处海河流域的河北省是水资源严重超采最为典型的区域。受人类农业生产活动等因素影响[2]，自20世纪80年代以来，河北省地表水资源量和地下水资源量均呈现衰减趋势，而社会总供水量一直保持较高水平，致使地下水位快速下降，形成了世界最大的连片地下水降落漏斗区[3-4]。根据《河北省地下水超采综合治理规划》，以2010年为基准年，河北省地下水超采量为5.97×109m3，其中农村超采4.17×109m3，农业灌溉超采占农村超采的80%，河北省超采区面积占全省平原面积的92%以上，超采面积和超采量均为全国超采总面积和超采总量的1/3，已累计超采1.50×1011m3[5]。经济社会用水大大超过水资源承载能力，地下水大量超采，生态赤字严重，对保障国家水安全和区域可持续发展构成严重威胁。

2014—2016年，国家在河北省开展地下水超采综合治理试点，实施了“节、引、蓄、调、管”等综合措施。截止2017年底，年压减地下水超采量达2.66×109m3，地下水超采治理取得阶段性成效，深层地下水位埋深趋于稳定或下降速率减缓，但下降态势并未根本扭转，年超采量仍高达3.31×109m3[6]，河北平原灌溉用水强度仍处于“极严重不适应”或“严重不适应”状态[7]。随着灌溉条件的改善，华北平原低需水作物大幅减少，蔬菜和水果等高需水作物大面积增加，种植结构发生了巨大变化，逐渐形成以冬小麦和蔬菜、水果为主的高强度灌溉农业生产模式。种植规模扩大、种植结构变化和作物产量提高导致的高灌溉强度生产模式是农田灌溉消耗地下水量居高不下的根本原因[8]，水资源严重不足已成为制约农业可持续发展的主要瓶颈[9]，通过农业节水来缓解水资源危机的战略已成为共识[10]。2017年河北省用占全国0.5%的水资源、4.8%的耕地面积，生产了占全国5.6%的粮食、7.3%的蔬菜、5.4%的水果，地下水耗竭的资源型障碍与农产品相对过剩生产的矛盾极为突出，建立适水种植制度刻不容缓[11-12]。因此，结合区域水资源状况和消费需求，明确该区域灌溉需水结构和不同作物灌溉需水量，制定区域节水型种植制度方案，对于实现区域水资源安全意义重大。

农业用水估算是节水农业灌溉管理的核心，作物需水量是衡量区域农田水分平衡的重要参数[13]。目前，国内外学者对于作物需水量估算已经做了大量研究。利用Penman-Monteith 公式和作物系数，KUMAR[14]计算出印度比哈尔邦小麦、玉米、水稻和绿豆的需水量和灌溉需水量，刘小刚等[15]计算出1958—2013年河南省冬小麦和夏玉米的需水量分别为350～535 mm和243～368 mm，尹海霞等[16]计算出1967—2009年黑河流域中游地区春小麦和玉米的需水量平均每10年分别下降6 mm和8 mm，聂堂哲等[17]计算出1960—2015年黑龙江省水稻需水量为244～740 mm，平均值为490.52 mm。LUO等[18]利用CROPWAT模型模拟得出，1961—2010年间黄淮海平原主要农作物生育期平均年区域总需水量为1.15×1011m3。白志杰等[19]利用作物模型和蒸发皿法估算了1986—2015年雄安新区上游小麦、玉米、蔬菜、水果等灌溉需水量变化，认为需水总量随农业播种总面积和蔬菜、水果需水的增加而增加。陶国通等[20]基于温度的作物系数计算模型，建立了冬小麦作物需水量预测模型。

在作物需水量方面前人已经做了大量研究，但结合河北省水资源变化，研究长时间尺度种植结构变化对区域灌溉需水的影响较少。本研究基于该地区1980—2017年水资源和种植结构的演变，研究不同作物长时间序列的灌溉需水量变化以及水分亏缺指数，以期为建立立足水资源禀赋的农业种植结构提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

气象数据来源于国家气象科学数据共享平台，主要为1980—2017年邢台市、石家庄市、秦皇岛市、保定市、霸州市、饶阳县、泊头市、黄骅市、唐山市、遵化市、乐亭县、安阳市、北京市、北京市朝阳区、北京市延庆区、北京市密云区、天津市、天津市宝坻区、天津市塘沽区、德州市陵城区、惠民县等河北平原及其周边21个气象站的气象数据，包括平均气温、最高气温、最低气温、风速、日照时数、相对湿度和降水量等日值数据，用于计算作物需水量。

各作物播种面积、产量数据来源于1980—2017年《河北农村统计年鉴》和1980—2017年国家统计局数据。水资源数据来源于1980—2017年《河北省水资源公报》、《河北省水资源评价》和《海河流域水资源评价》。

1.2 研究方法

1.2.1需水量计算

参照作物蒸散量(ET0)采用FAO推荐的估算作物需水量的经典方法Penmen-Monteith(P-M)公式进行测算[21-22]，计算式为

(1)

式中Rn——作物表面净辐射量，MJ/(m2·d)

G——土壤热通量密度，MJ/(m2·d)

T——2 m高处日平均空气温度，℃

u2——2 m高处日平均风速，m/s

es——饱和水汽压，kPa

ea——实际水汽压，kPa

Δ——饱和水汽压与温度关系曲线斜率，kPa/K

γ——湿度计常数，kPa/K

不同作物需水量采用作物系数法进行计算，计算式为

ETc=KcET0

(2)

式中ETc——作物生育期需水量，mm

Kc——作物系数，本研究中蔬菜的生育期作物系数参考FAO-CROPWAT中的作物系数，其他作物的生育期作物系数参考《北方地区主要农作物灌溉用水定额》[13]

1.2.2作物灌溉需水量和水分亏缺指数计算

作物生育期灌溉需水量计算式为

Wi=ETc-P

(3)

式中Wi——作物生育期灌溉需水量，mm

P——作物生育期内有效降水量，mm

当ETc>P时，ETc-P为正值，当ETc≤P时，取值为0。

本文将3～50 mm的日降水量视为有效降水量；当日降水量小于3 mm时由于冠层截留对土壤影响小，不计作有效降水量；当日降水量大于50 mm时，取日降水量的80%作为有效降水量[23]。

水分亏缺指数(CWDI)计算式为

CWDI=Wi/ETc

(4)

1.2.3农产品年盈余量估算

农产品年盈余量计算式为

(5)

式中Q——农产品年盈余量，t

Sc——农产品年供给量，t

Ru——城镇居民人均年均消费量，kg/人

Rr——农村居民人均年均消费量，kg/人

Pu——城镇常住人口数，人

Pr——农村常住人口数，人

Lp——产后损失率，%

Gd——种子用量占产量的比例，%

2 结果与分析

2.1 水资源利用与作物种植结构变化

2.1.1水资源变化

由图1可知，1956—2017年河北省水资源总量变化波动较大，2001年以后，水资源总量相对处于较低水平，仅2012年和2016年水资源总量高于1956—2017年的平均值(1.87×1010m3)，其余年份均低于平均水平。地表水资源量和地下水资源量变化趋势与水资源总量变化趋势基本一致。与1956—2017年均值相比，1956—1979年年均水资源总量、地表水资源量和地下水资源量分别偏多23.01%、39.04%和11.82%，1980—2000年年均水资源总量、地表水资源量和地下水资源量分别偏少8.19%、10.50%和6.21%，2001—2017年年均水资源总量、地表水资源量和地下水资源量分别偏少22.36%、42.15%和9.01%。

图1 1956—2017年河北省水资源量变化趋势Fig.1 Annual changing trend of water resources in Hebei Province during 1956—2017

2.1.2用水量年际间变化

地下水供水量(地下水开采量)包含浅层地下水开采量与深层地下水开采量。由图2可知，20世纪80年代地下水开采量较为平稳，90年代地下水开采量大幅度增加，1999年达到最高，为1.76×1010m3，21世纪以来地下水开采量持续下降，至2017年降低至1.15×1010m3。地表水供水量呈现先降低后增加的趋势，1980年地表水供水量最高，为8.27×109m3，而后逐年下降，至2003年达到最低，为3.37×109m3，从2004年开始地表水供水量逐年提高，至2017年达到5.95×109m3。地表及地下水总供水量呈现稳中有降，2017年为1.75×1010m3，比1980—2017年系列均值减少11.95%。

图2 1980—2017年河北省用水结构变化趋势 Fig.2 Annual changing trend of water consumption structure in Hebei Province during 1980—2017

农田灌溉量呈现持续降低趋势，2017年比1980年减少38.16%。农田灌溉量占社会用水总量的比例由1980年的84.39%降低至2017年的62.95%。灌溉需水总量与农田灌溉量变化趋势一致，总体呈降低趋势，降水偏少年份的灌溉不能满足作物生长水分需求，致使部分年份灌溉需水总量高于农田灌溉量，作物灌溉需水仍是社会用水的主体。灌溉需水总量变化及作物灌溉需水量构成见2.2.2节。

2.1.3地下水埋深变化

连续多年超量开采地下水致使河北平原形成许多深、浅层地下水降落漏斗。深层地下水降落漏斗主要位于中东部平原，形成了以沧州复合漏斗、冀枣衡漏斗等为代表的深层地下水位降落漏斗，漏斗封闭面积约2.39×104hm2。虽然近年来农田灌溉量有所降低(最低的2017年为1.14×1010m3)，但仍高于年地下水可开采量(1.10×1010m3)，致使水位持续下降。如图3所示，1980—2017年，河北平原区平均浅层地下水埋深和典型深层地下水降落漏斗区地下水埋深均呈逐年下降趋势。其中，浅层地下水埋深由1980年的5.85 m下降至2017年的17.47 m，平均每年下降0.31 m；邢台中东部平原、衡水和沧州平原区深层地下水埋深分别由1980年的11.20、17.17、19.06 m下降至2014年的62.16、65.94、70.52 m，地下水埋深年均下降1.50、1.43、1.51 m。2015年受实施地下水超采综合治理影响，邢台中东部平原和沧州漏斗中心水埋深逐步趋于稳定并有所回升，但衡水漏斗中心水埋深仍以年均1.51 m的速率下降。至2017年河北省深层地下水降落漏斗区地下水位仍处于60.34～70.46 m。

图3 1980—2017年河北省地下水埋深变化趋势Fig.3 Changing trend of groundwater level depth in Hebei Province during 1980—2017

2.1.4种植结构与作物产量年际间变化

由图4可知，1980—2017年间，研究区主要种植作物有：冬小麦、玉米、蔬菜、水果、棉花、油料、薯类、大豆、谷子、水稻等。年均种植面积由大到小依次为玉米(2.57×106hm2，29.59%)、冬小麦(2.47×106hm2，28.40%)、水果(8.17×105hm2，9.41%)、棉花(5.83×105hm2，6.72%)、蔬菜(5.83×105hm2，6.71%)、油料(5.37×105hm2，6.18%)、谷子(3.63×105hm2，4.18%)、薯类(3.51×105hm2，4.04%)、大豆(3.00×105hm2，3.46%)、水稻(1.13×105hm2，1.31%)。

图4 1980—2017年河北省主要农作物种植面积Fig.4 Planting area of main crops in Hebei Province during 1980—2017

1980—2017年间，玉米种植面积持续增加，蔬菜和水果的种植面积均呈现先增加后降低趋势。2016年玉米种植面积最大，为3.70×106hm2，比1980年增加了57.89%；2005年蔬菜种植面积最大，为1.10×106hm2，比种植面积最小的1980年增加了416.91%；2005年水果种植面积最大，为1.22×106hm2，比种植面积最小的1980年增加了405.30%；2006—2017年蔬菜和水果种植面积呈现降低趋势，至2017年蔬菜和水果的种植面积降低至7.49×105、6.31×105hm2，但仍远高于1980年水平。与1980年相比，2017年玉米、蔬菜和水果的种植面积分别增加了51.40%、250.25%和161.16%。

由图5可知，1980—2017年间，冬小麦、玉米和水果产量均呈增加趋势，由1980年的3.84×106、6.63×106、1.26×106t增加到2017年的1.50×107、2.04×107、1.37×107t，分别增长了291.70%、207.01%、983.43%；蔬菜产量呈先增加后降低趋势，先由1980年的5.32×106t增加到2005年的6.47×107t，而后又降低至2017年的5.06×107t，比1980年增长了851.56%。

图5 1980—2017年河北省主要农作物产量Fig.5 Yield of main crops in Hebei Province during 1980—2017

2.2 主要农作物需水量与水分亏缺指数

2.2.1主要农作物需水量

由图6可知，1980—2017年蔬菜、水稻、水果、棉花、薯类、冬小麦、油料、大豆、玉米和谷子的需水量分别为750.56～893.09 mm、698.25～832.60 mm、653.93～773.28 mm、506.30～634.23 mm、481.42～594.37 mm、401.66～504.60 mm、406.26～510.68 mm、335.28～429.74 mm、309.72～399.54 mm和269.94～345.77 mm。同一作物年际间的需水量呈现降低趋势，与1980—1989年相比，1990—1999年、2000—2009年和2010—2017年蔬菜需水量分别降低了2.11%、1.72%和2.68%，水稻需水量分别降低了2.74%、2.95%和3.20%，水果需水量分别降低了1.85%、2.05%和3.02%，棉花需水量分别降低了1.65%、3.20%和4.40%，薯类需水量分别降低了1.84%、3.30%和4.12%，冬小麦需水量分别降低了3.12%、0.28%和0.14%，油料需水量分别降低了2.12%、3.32%和3.80%，大豆需水量分别降低了1.59%、3.40%和4.70%，玉米需水量分别降低了1.56%、3.66%和4.87%，谷子需水量分别降低了1.63%、3.32%和4.57%。

图6 1980—2017年河北省主要作物生育期需水量Fig.6 Water requirement of main crops in Hebei Province during 1980—2017

2.2.2主要农作物水分亏缺指数及灌溉需水量

由图7可知，冬小麦生育期内有效降水量为66.59～253.53 mm，年均仅为125.52 mm，需水与降水耦合度最差，水分亏缺指数最高，为0.72，年均灌溉需水量为324.42 mm；蔬菜生育期内有效降水量和灌溉需水量分别为225.61～593.13 mm和197.96～649.08 mm，水分亏缺指数仅次于冬小麦，为0.47；水稻、水果、棉花、薯类、油料、大豆、玉米和谷子的灌溉需水量分别为138.61～639.68 mm、50.57～513.64 mm、0～453.77 mm、0～413.91 mm、0～348.75 mm、0～278.56 mm、0～248.36 mm和0～194.60 mm，水分亏缺指数分别为0.46、0.36、0.28、0.24、0.21、0.18、0.14和0.09。

图7 1980—2017年河北省主要作物生育期灌溉需水量与年均水分亏缺指数Fig.7 Water requirement and water deficit index of main crops in Hebei Province during 1980—2017

由图8可知，各作物的年灌溉需水总量由大到小依次为冬小麦(4.88×109～9.85×109m3，年均8.01×109m3)、蔬菜(6.26×108～5.66×109m3，年均2.21×109m3)、水果(3.40×108～5.16×109m3，年均2.09×109m3)、玉米(0～6.03×109m3，年均1.21×109m3)、谷子(0～6.75×109m3，年均1.06×109m3)、棉花(0～2.54×109m3，年均8.84×108m3)、油料(0～2.10×109m3，年均5.07×108m3)、薯类(0～1.74×109m3，年均4.88×108m3)、水稻(1.66×108～9.94×108m3，年均4.04×108m3)、大豆(0～1.28×109m3，年均2.23×108m3)。主要作物年灌溉需水总量合计为6.71×109～3.93×1010m3，年均灌溉需水总量为1.71×1010m3。其中冬小麦、蔬菜和水果是灌溉需水总量最大的作物，分别占年总灌溉需水量的28.12%～82.34%、4.70%～29.09%和3.94%～18.32%，年均占比分别为46.87%、12.94%和12.24%。

图8 河北省主要作物年灌溉需水总量Fig.8 Annual irrigation water requirement of crops in Hebei Province during 1980—2017

从各作物灌溉需水总量占主要作物灌溉总需水量合计值的比例看，1980—2017年间，种植面积仅次于玉米的冬小麦生育期内有效降水量最少，灌溉需水总量占比最高；水稻、棉花、薯类、油料、大豆、谷子灌溉需水总量占比均随种植面积降低而下降；玉米灌溉需水总量占比随年际间生育期内降水量大幅变化而变化；蔬菜和水果灌溉需水总量占比均随着种植面积变化而变化，蔬菜和水果灌溉需水总量占比分别由1980年(最低值)的4.70%和3.94%增加到最高的29.09%(2003年)和18.32%(2004年)，而后分别下降至2017年的18.45%和11.20%。1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年和2010—2017年年均冬小麦、蔬菜和水果三大作物的灌溉需水总量占比之和分别为66.03%、74.06%、82.80%和86.40%，其中蔬菜和水果占比之和分别为14.39%、21.84%、36.07%和29.04%。与1980—1989年相比，2010—2017年蔬菜种植面积和灌溉需水总量分别增加了186.01%和143.75%，水果种植面积和灌溉需水总量分别增加了59.98%和18.91%，其他作物灌溉需水总量均有所降低(水稻、棉花、薯类、冬小麦、油料、大豆、玉米和谷子灌溉需水总量降幅分别为50.72%、68.40%、70.85%、3.34%、51.75%、88.94%、27.50%和91.57%)，蔬菜和水果种植面积增加成为农业灌溉需水总量保持高位运行的主导因子。

2.3 河北省深层地下水降落漏斗区种植结构变化

由表1可知，深层地下水降落漏斗区高灌溉需水作物冬小麦、蔬菜和水果种植面积及占全省种植总面积的比例均呈增加趋势。深层地下水降落漏斗区冬小麦和蔬菜的种植面积分别由1982—1986年年均7.99×105、4.67×104hm2增加到2012—2016年年均8.80×105、2.14×105hm2，占全省冬小麦和蔬菜播种面积的比例分别由32.86%、18.99%增加到36.43%、28.66%；水果种植面积由1992—1996年年均2.67×105hm2增加到2012—2016年年均2.91×105hm2，占全省水果种植面积的比例由27.45%提高到40.92%。可见，深层地下水降落漏斗区高灌溉需水作物面积增加和所占全省高灌溉需水作物总面积的比例提高，加剧了水资源的紧缺形势。其中：沧州深层地下水降落漏斗区冬小麦和蔬菜的种植面积分别由1982—1986年年均3.47×105、1.48×104hm2增加到2012—2016年年均3.87×105、9.01×104hm2，占全省冬小麦和蔬菜播种面积的比例分别由14.25%、5.99%增加到16.02%、12.05%，水果种植面积由1992—1996年年均1.47×105hm2增加到2012—2016年年均1.65×105hm2，占全省水果种植面积的比例由15.12%提高到23.15%。衡水地下水降落漏斗区冬小麦和蔬菜的种植面积分别由1982—1986年年均2.42×105、1.58×104hm2增加到2012—2016年年均2.76×105、8.36×104hm2，占全省冬小麦和蔬菜播种面积的比例分别由9.96%、6.38%增加到11.42%、11.18%，1992—2006年间水果种植阶段面积基本稳定在7.14×104～7.97×104hm2，占全省水果种植面积的比例由8.17%提高到10.28%。邢台中东部平原深层地下水降落漏斗区冬小麦和蔬菜的种植面积分别由1982—1986年年均的2.10×105、1.62×104hm2增加到2012—2016年年均2.17×105、4.06×104hm2，占全省冬小麦和蔬菜播种面积的比例分别由8.65%、6.54%调整为8.99%、5.43%，水果种植面积由1992—1996年年均4.56×104hm2增加到2012—2016年年均5.21×104hm2，占全省水果种植面积的比例由4.70%下降到4.30%。

表1 深层地下水降落漏斗区高耗水作物播种面积变化Tab.1 Changes of planting area of staple crops in deep groundwater funnel area

2.4 主要农产品供需与适水种植

由表2可知，2017年北京市和天津市城乡人口共为3.73×107人，占京津冀地区人口总数的33.14%。粮食、蔬菜和水果的需求量分别占京津冀地区需求总量的34.14%、35.15%和35.89%，而粮食、蔬菜和水果的生产量仅占京津冀地区总生产量的6.21%、7.77%和8.86%。从满足本省(市)需求考虑，北京市和天津市粮食、蔬菜和水果的需求缺口分别达到8.97×106、1.32×106、6.82×105t，河北省粮食、蔬菜和水果盈余量分别为1.61×107、4.03×107、1.01×107t。故此，以下将京津冀作为一个整体来分析主要农产品供需现状。

表2 2017年京津冀地区人口和粮食蔬菜水果供需结构Tab.2 Supply and demand structure of grain, vegetable and fruit in Beijing-Tianjin-Hebei region

由表3可知，以京津冀地区生产满足京津冀地区居民消费需求为基准，除水稻和大豆外，其他主要农产品供应均存在较大盈余量。粮食作物盈余量为7.13×106t，盈余量占供给量的17.47%。其中冬小麦、玉米和薯类的盈余量分别达到3.77×106、6.50×106、9.99×105t，盈余量占相应供应量的比例分别为23.98%、29.72%和73.44%。高耗水作物蔬菜和水果的盈余量分别为3.90×107、9.38×106t，盈余量占京津冀总供应量的比例分别为71.05%和62.65%。蔬菜和水果种植规模的迅猛增加，致使区域蔬菜和林果产品出现大量盈余的同时，也加剧了水资源紧缺矛盾。从保障国家粮食安全角度分析，粮食种植规模不宜作大面积调整。据此估算，在京津供应量现状下，河北省蔬菜和水果的种植面积分别减少至1.72×105、1.97×105hm2，既可以满足京津冀地区对蔬菜和水果的消费需求，又可以使蔬菜和水果的灌溉需水量分别减少2.19×109、1.12×109m3(蔬菜和水果的灌溉需水量分别按1980—2017年年均值380.36、257.70 mm测算)。

表3 京津冀地区主要农产品供需现状Tab.3 Supply and demand status of main agricultural products in Beijing-Tianjin-Hebei region

3 讨论

降水量减少、种植高耗水作物和农业灌溉用水占比偏高是造成地下水超采形势严峻的主要原因[25-26]。20世纪60年代中期以来，河北省降水量每10年减少7.6 mm[25]，本研究表明，2001—2017年河北省年均地表水资源量、地下水资源量和水资源总量分别较1956—2017年年均值减少了42.15%、9.01%、22.36%。1980—2017年间，河北省年社会总用水量为1.74×1010～2.26×1010m3，其中年农田灌溉量为1.14×1010～1.85×1010m3，年地下水开采量为1.15×1010～1.76×1010m3，年地下水开采量超过年地下水可开采量(1.10×1010m3)，是地下水位持续降低的主要原因。

利用作物系数法计算主要作物需水量，计算出的1980—2017年研究区主要作物年需水量，与康绍忠等[27]计算出的蔬菜和果树的需水量、SUN等[28]用作物系数法估算出的河北省曲周县冬小麦-夏玉米年需水量(784～868 mm)、聂堂哲等[29]计算出的黑龙江省玉米年需水量(302～487 mm)、李玖颖等[30]计算出的黑龙江省大豆年需水量(336～465 mm)、LIU等[31]用大型蒸渗仪观测的京津冀平原区栾城县冬小麦-夏玉米年需水量(800～900 mm)、ZHANG等[32]利用农田水量平衡估算出的冬小麦-夏玉米1979—2009年平均需水量(810 mm)、刘钰等[33]计算出的稻谷(700～950 mm)和棉花(500～800 mm)的需水量结果较为一致。

1980—2017年间，河北省作物种植总面积增加了1.39×107hm2。1980—2017年间冬小麦、蔬菜和水果对灌溉需水总量的贡献率达到72.05%。与1980—1989年相比，2010—2017年蔬菜种植面积和灌溉需水量分别增加了186.01%和143.75%，水果种植面积和灌溉需水量分别增加了59.98%和18.91%，其他作物灌溉需水量均呈下降趋势，蔬菜和水果种植面积增加成为农业灌溉总需水量保持高位运行的主导因素，这与白志杰等[19]在雄安新区研究得出的蔬菜、水果播种面积的增加是导致农田灌溉需水量增加的主要因素的结果一致，也与王道波等[34]得出的蔬菜种植面积扩大是导致河北平原大部分地区2000年农田用水量较前几年有增加趋势的主要原因的研究结果较为一致。

另外，以满足京津冀地区农产品消费需求为标准，粮食作物盈余量占供给量的17.47%，其中冬小麦、玉米和薯类的盈余量分别为2017年供应量的23.98%、29.72%、73.44%。这与河北省17%的粮食、24%的冬小麦和26%的玉米净输向京津冀以外地区的调查数据基本吻合[35]。高耗水作物蔬菜和水果的盈余量分别为2017年京津冀地区供应量的71.05%和62.65%。

4 结论

(1)受农业生产活动和降水量变化等因素影响，2001—2017年河北省水资源总量、地表水资源量和地下水资源量比1956—2017年年均值分别减少22.36%、42.15%和9.01%。自20世纪90年代起，河北省地下水开采量大幅度增加，2001年之后，受地表水用量和降水量的影响，地下水开采量逐年下降，但仍高于地下水可开采量，农田灌溉用水占比依然高达62.95%。1980—2014年邢台中东部平原、衡水和沧州平原区深层地下水埋深以每年平均1.43～1.51 m的速度下降，自2015年实施地下水超采综合治理以来，邢台中东部平原和沧州漏斗区略有回升，但衡水漏斗区中心水埋深年均下降速率仍达1.51 m。深层地下水降落漏斗区高灌溉需水作物种植面积占全省高灌溉需水作物种植总面积的比例大幅提高、区域水资源不足和高灌溉需水作物面积快速增加是导致深层地下水漏斗区水位持续降低的重要原因。

(2)1980—2017年，河北省主要农作物种植总面积增加了21.68%，其中蔬菜和水果的种植面积分别增加了250.25%和161.16%。蔬菜和水果的种植面积均呈现先增加、后降低趋势，均在2005年达到最大，分别比1980年增加了416.91%和405.30%。蔬菜产量与其种植面积变化趋势保持一致，水果产量呈现先增加、后趋于稳定的趋势。

(3)利用Penman-Monteith 公式和作物系数法，计算出1980—2017年河北平原主要种植模式需水量。需水量由大到小依次为蔬菜(750.56～893.09 mm)、水稻(698.25～832.60 mm)、水果(653.93～773.28 mm)、棉花(506.30～634.23 mm)、薯类(481.42～594.37 mm)、冬小麦(401.66～504.60 mm)、油料(406.26～510.68 mm)、大豆(335.28～429.74 mm)、玉米(309.72～399.54 mm)、谷子(269.94～345.77 mm)。

(4)河北省主要农作物中冬小麦生育期内有效降水量最少(125.52 mm)，水分亏缺指数最高(0.72)，灌溉需水量(324.42 mm)仅次于蔬菜和水稻；蔬菜灌溉需水量最高(380.36 mm)，水分亏缺指数为0.47；水果灌溉需水量和水分亏缺指数分别为257.70 mm和0.36，低于冬小麦、蔬菜和水稻，但高于其他作物。冬小麦、蔬菜和水果灌溉需水总量较大，分别占作物总灌溉需水量的46.87%、12.94%和12.24%。

(5)与1980—1989年相比，2010—2017年蔬菜和水果种植面积分别增加了186.01%和59.98%，灌溉需水量相应分别增加了143.75%和18.91%，其他作物灌溉需水量下降了3.34%～91.57%，蔬菜和水果种植规模的增加是灌溉需水总量高位运行的主要原因。河北省蔬菜和水果的种植面积分别缩减至1.72×105、1.97×105hm2，既满足京津冀地区消费需求，又能使年灌溉需水总量减少3.31×109m3，是降低区域作物灌溉需水量和解决地下水严重超采的有效途径。