近20年河北省几种高耗水作物的水分利用效率分析

史梦霞 张佳笑 石晓宇 褚庆全 陈 阜 雷永登

中国农业大学农学院 / 农业农村部农作制度重点实验室, 北京 100193

河北省是我国的农业大省之一, 长期以来过度的农业灌溉用水导致了其地下水位显著下降[1]。据统计, 河北省农业用水在总用水量中的占比高达72.4%, 地下水超采严重[2]。特别近年来一些高耗水的粮食作物和水果蔬菜等大面积种植, 使得地区农业用水日益短缺[3]。河北省是以种植冬小麦、夏玉米为主的粮食主产区, 国家统计局数据表明,1999—2018年间, 二者总种植面积占河北省粮食作物的80%以上; 其中夏玉米、冬小麦近20年平均种植面积依次为3.04×106hm2、2.43×106hm2, 分别占河北省粮食作物总种植面积的47%和37%。此外, 苹果、梨、葡萄、西瓜等水果的种植面积占河北省水果总种植面积的50%以上。在气候变化和区域水资源日益紧缺的严峻形势下, 如何提高农业灌溉用水的生产效率和经济效益, 对河北省农业可持续发展有十分重要的现实意义。

在区域有限的水资源限制下, 充分利用自然降水, 以及提高作物的水分利用效率, 成为解决地区水资源矛盾的重要途径[4-5]。目前国内对于作物需水量与作物系数的研究主要集中在大田作物与经济作物上[6], 例如, 崔秋利[7]基于FAO推荐的Penman-Monteith公式(P-M公式)估算了1957—2017年京津冀地区冬小麦、夏玉米的耗水量及水分利用效率,结果表明冬小麦、夏玉米的水分利用效率仍有20%~30%的提升空间。也有研究采用SIMETAW模型, 估算了北京地区主要作物的需水量, 结果表明,果树类作物需水量>粮经作物>蔬菜类作物[8]。段爱旺等[9]对1980—1988年我国主要粮食作物的水分利用效率进行了分析计算, 张瑞庆等[10]对北京上庄农田不同种植模式下的作物产量和水分利用效率进行了评价。然而, 以往研究多关注作物产量的水分利用效率, 关于作物的营养水分利用效率以及经济水分利用效率等方面的量化评估还比较欠缺。因此,有必要从灌溉水分利用效率、经济和营养水分利用效率等多个角度对作物的水分利用效率开展综合评价, 有助于河北省根据不同的目标需求来合理调整优化作物种植结构, 实现农业节水和社会经济的协调可持续发展。

鉴于河北省水资源短缺现状以及过去20年的水果与作物种植变化情况, 本研究基于河北省21个国家标准气象站点的1999—2018年气象数据, 采用FAO推荐的P-M公式和分段单值平均作物系数法,对河北省种植面积较大的冬小麦、夏玉米、苹果、梨、西瓜、葡萄等6种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、经济水分利用效率和营养水分利用效率等开展全面评估。研究结果可为河北省以及华北地区合理调整种植结构和优化作物生产布局提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

河北省地处华北平原, 包括石家庄、唐山、秦皇岛、保定、沧州等11个地市, 面积约18.9万平方千米, 水资源匮乏, 降水量时空分布不均。由于供水量不能满足农业用水总量的需求, 河北省农业灌溉用水多来自地下水。据统计, 河北省地下水年均超采量高达50亿立方米, 超采率高达23%[2], 农业水资源短缺形势十分严峻。因此选择河北省开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 数据来源

本研究使用的气象数据来自河北省21个国家标准气象站点1999—2018年的逐日气象资料, 包括日最高气温、最低气温、平均气温、降水量、日照时数、风速和相对湿度等。作物系数和生育期数据来自FAO-56, 并结合区域的气象条件进行了校正。作物价格数据来自EPS数据平台的世界农林数据库;100 g作物鲜质量中某营养素含量来自于《中国食物成分表(2002)》。作物产量数据来自国家统计局和河北省农业统计年鉴。

运用ArcGIS 10.5软件的反距离权重法进行空间插值分析, 采用Microsoft Excel 2013和SPSS 25软件进行数据统计分析。

1.3 研究方法

1.3.1 参考作物蒸散量 本研究采用FAO推荐的P-M公式[11]计算参考作物蒸散量:

式中,Rn为地表净辐射, MJ m‒2d‒1;G为土壤热通量,MJ m‒2d‒1;Tmean为日平均气温, ℃;U2为2 m高处风速, 单位为m s‒1;es为饱和水气压, 单位为kPa;ea为实际水气压, 单位为kPa;Δ为饱和水气压曲线斜率, 单位为kPa ℃‒1;γ为干湿表常数, 单位为kPa℃‒1。

1.3.2 有效降水量 有效降水量计算公式如下[12]:

式中,Pe,j表示某日的有效降水量, 单位为mm;Pj表示某日的降水量, 单位为mm;αj表示降水量的有效利用系数,αj的取值与Pj有关:Pj≤5 mm时,αj= 1; 5 mm 50 mm时,αj=0.75[13]。

某时期的有效降水量等于该时期内所有日的有效降水量之和:

式中,Pe,i表示某时期的有效降水量, 单位为mm,j(1,2,…,n)表示该时期内的日序列,Pe,j,i,i时期的第j日的有效降水量, 单位为mm。整个生育期的有效降水量Pe是全育期有效降水量的和:

1.3.3 作物系数 运用FAO-56推荐的分段单值平均法, 并结合区域气象条件, 对作物系数进行校正[11]。

式中,Kc(tap)为不同生长阶段在标准条件下的作物系数,U2表示2 m高度处的风速, RHmin为该生育阶段的日最低相对湿度的平均值,h是该生育阶段内作物的平均高度, 单位为m。

1.3.4 作物需水量 作物需水量为参考作物蒸散量与对应作物系数的乘积[11]:

式中, ETc,j, 某日的作物需水量;Kc,j, 某日对应的作物系数; ET0,j, 某日作物参考蒸散量, 由式(1)计算所得。

1.3.5 灌溉需水量 某时期的灌溉需水量与该时期的作物需水量和有效降水量有关, 作物灌溉需水量等于有效降水量与作物需水量的差值[14]:

式中, ETaw,i为i时期的灌溉需水量, ETc,i为i时期的作物需水量,Pe,i为i时期的有效降水量。作物全生育期内的灌溉需水量ETaw为所有时期的灌溉需水量之和:

1.3.6 降水耦合度 作物需水量与自然降水的耦合度, 反映作物对自然降水的利用程度, 数值上介于0~1之间[12]:

式中,λi表示第i阶段作物需水与自然降水的耦合度;Pi表示第i阶段内自然降水量, mm;ETc,i表示第i阶段内作物需水量, 单位为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产量与用水量关系的一种指标, 也是评价水分亏缺下植物生长适宜度的综合指标之一[16], 作物水分利用效率通常表示为产量与耗水量的比值[17]。

式中, WUE为水分利用效率, 单位为kg hm‒2mm–1;Y为作物产量, kg hm‒2; ETc为作物需水量, 单位为mm。

1.3.8 灌溉水分利用效率

式中, WUEI是灌溉水分利用效率, 单位为kg hm‒2mm‒1;Y为作物产量, 单位为kg hm‒2;I为总灌溉量,单位为mm[18]。

1.3.9 营养水分利用效率

式中, WUEN是营养水分利用效率, kg hm‒2mm–1;YN为作物营养当量产量, 单位为kg hm‒2; 其中,YN =目标作物营养当量/基准作物营养当量×目标作物产量Y; 作物营养当量 = ∑作物营养素密度/n, 其中n=20, 具体参考李俊颖等[19]基于作物营养当量修正产量比系数法的计算方法; 作物营养素密度=100 g食物鲜质量中某营养素含量/该营养素参考摄入量标准, 100 g作物中营养素含量及各营养素日均参考摄入量来自于《中国食物成分表(2002)》。本文研究的几种作物中苹果的生育期需水量最高, 因此以苹果为基准作物进行折算。

1.3.10 经济水分利用效率

式中, WUEE是经济水分利用效率, 单位为kg hm–2mm–1; YE为经济当量产量, 单位为kg hm–2; YE=目标作物市场价格/基准作物价格×目标作物产量Y。

2 结果与分析

2.1 6种作物的生育期与逐月Kc值

采用FAO-56[11]推荐的分段单值平均法计算作物系数(Kc), 将作物的生育期划分为初始生长期、快速发育期、中期和后期, 然后结合区域气象条件对Kc值进行了校正(详见公式5)。表1为校正后的河北省6种作物近20年平均的逐月Kc值。从作物全生育期Kc值来看, 从大到小依次为: 夏玉米、苹果和梨、西瓜、葡萄、冬小麦。

表1 6种作物的生育期与逐月Kc值Table 1 Growth periods and monthly Kc values of six crops

2.2 6种作物生育期内需水量、有效降水量以及灌溉需水量的时空分布

图1 是河北地区6种主要作物近20年的作物需水量、有效降水量以及灌溉需水量变化曲线。由图1(a)~(d)可知, 几种水果作物中, 苹果和梨的年均需水量在700 mm左右, 有效降水量远不能满足需水量, 生育期内需要补充大量灌溉水。

葡萄的年均需水量在600 mm左右, 生育期内有效降水量呈显著上升趋势(P<0.01); 西瓜的年需水量平均为400 mm, 相较于其他3种水果, 西瓜的年均需水量较少。由图1-(e)~(f)可知, 冬小麦的需水量历年变化量在350~470 mm之间, 有效降水量在100 mm左右, 2003年的有效降水量最大, 高达200 mm, 2001年有效降水最少, 仅有79 mm, 相应的, 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麦, 历年大都在300 mm左右, 有效降水量在200~400 mm之间,1999—2018年间生育期内有效降水量呈现显著上升趋势(P<0.01), 灌溉需水量呈显著下降趋势(P<0.01)。

对比不同作物类型, 水果作物的作物需水量整体高于粮食作物; 冬小麦的生育期内有效降水量最小, 西瓜次之; 灌溉需水量从大到小依次为: 苹果和梨、冬小麦、葡萄、西瓜、夏玉米。从需水量的变化趋势来看, 1999—2018年间, 6种作物生育期内有效降水量均呈上升趋势, 除冬小麦外的其他作物的灌溉需水量均呈下降趋势。

图2 是河北省6种作物近20年生育期内作物需水量、有效降水量以及灌溉需水量的空间分布情况。由图可知, 不同作物的作物需水量、有效降水量以及灌溉需水量等指标在空间上均呈现出不同的分布规律。几种作物的作物需水量空间分布均呈现出南部高于北部、西部高于东部的分布规律; 有效降水量东北部较高, 中部较低; 灌溉需水量呈现出东南部较高, 东北部较低的分布规律。

2.3 6种作物生育期内降水耦合度年际间变化特征

图3 反映了近20年河北省6种作物生育期内降水耦合度变化趋势。从图中可以看出, 不同作物的需水与降水的耦合度存在一定差异, 综合6种作物的降水耦合度, 由高到低排序为夏玉米>葡萄>苹果和梨>西瓜>冬小麦。1999—2018年间, 河北省夏玉米降水耦合度呈显著上升趋势(P<0.05) (图3-e)。

2.4 河北省6种作物的区域总灌溉需水量变化

图4 反映了近20年河北省6种作物的区域总灌溉需水量情况。区域总灌溉需水量是考虑整个河北省作物种植面积之后的某种作物的总灌溉需水量。河北省这6种作物总灌溉需水量在20年间不断变化,总灌溉需水量之和在2003年之前整体较高, 2003年达到20年间最低值。几种作物的区域总灌溉需水量从大到小依次为: 冬小麦、夏玉米、苹果、梨、西瓜、葡萄, 且冬小麦的总灌溉需水量远高于其他作物。

2.5 6种作物生育期内水分利用效率分析

由表2可知, 6种作物20年的平均作物水分利用效率(WUE)、灌溉水分利用效率(WUEI)、营养水分利用效率(WUEN)、经济水分利用效率(WUEE)存在较大差异。WUE从大到小依次为; 葡萄>西瓜>梨>苹果>夏玉米>冬小麦; WUEI从大到小依次为:葡萄>西瓜>夏玉米>梨>苹果>冬小麦; WUEN从大到小依次为: 葡萄>冬小麦>夏玉米>梨>西瓜>苹果;WUEE从大到小为: 葡萄>西瓜>苹果>梨>冬小麦>夏玉米。

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

综合来看, 葡萄的各种水分利用效率在6种作物中都居于首位。对比不同作物类型, 粮食作物的WUEN整体高于水果作物, 而WUE、WUEI、WUEE整体低于水果作物。

图5 反映了近20年河北省6种作物每五年平均的WUE、WUEI、WUEN、WUEE的年际间变化, 各种作物的WUE、WUEN、WUEE在20年间呈不断上升趋势, 仅葡萄和夏玉米的WUEI在不同年际间有所降低。4种水分利用效率对比来看, 20年间WUEE的增长幅度最大, 主要在2009年后大幅增长,WUEI在2014年后有所下降。

3 讨论

本研究结果表明, 水果类作物的需水量整体高于粮食作物, 需水量从大到小依次是苹果和梨、葡萄、冬小麦、西瓜、夏玉米, 这与现有文献中研究结果基本吻合。例如, 周立华等[20]研究了银北主要农作物、蔬菜、牧草、树木的需水规律, 结果表明苹果与梨生育期需水量接近, 且水果类作物明显高于其他粮食类作物。孔箐锌等[8]采用SIMETAW模型, 估算了北京地区主要作物的需水量, 结果表明,生育期内需水量从大到小依次为葡萄、苹果、冬小麦、西瓜、夏玉米。在作物水分利用效率计算方面,崔秋利等[7]的研究表明夏玉米水分利用效率高于冬小麦, 即消耗相同体积的水, 夏玉米能够获得更高的产量, 这与本文的计算结果是一致的。由于目前针对水果类作物水分利用效率的研究较少, 本文主要参考了王会肖等[21]采用的基于产量的作物水分利用效率计算方法, 暂未考虑水果与粮食作物的果实或籽粒含水量的差异及其对水分利用效率的影响。今后如果条件具备, 可以考虑基于不同水果和粮食作物的含水量实验室测定, 对作物水分利用效率做进一步的深入分析。

由于研究的时间尺度和作物生育期划分等方面的不同, 本研究中某些作物的需水量与其他文献中计算的也存在一定差异。水果作物中西瓜的需水量较小, 主要因为西瓜的生育期相比于其他几种水果较短。葡萄的水分利用效率在几种作物中最高, 主要由于其单产较高, 据统计, 近20年河北省葡萄的平均单产是苹果的1.5倍, 梨的2.6倍, 冬小麦和夏玉米的3.5倍左右。本研究重点分析了河北省几种典型高耗水作物的水分利用特征, 今后可以考虑更多的作物种类, 从而为河北地区调整优化作物布局提供更为全面可靠的依据。

本研究在计算作物需水量的基础上, 对河北省主要作物近20年的降水耦合度和水分利用效率进行了全面评估, 研究结果对于河北省根据不同的目标需求调整优化作物种植结构有一定参考价值。其中, 降水耦合度反映了作物对自然降水的利用程度,对区域作物合理利用降水资源, 减少灌溉用水量有重要意义。水资源是限制河北省农业发展的重要因素, 在考虑作物结构和布局调整时, 可以优先选择降水耦合度相对较高的作物, 最大程度减少灌溉水资源的消耗。从近20年6种作物的降水耦合度来看,夏玉米的降水耦合度最高, 其次为葡萄和西瓜, 因此适当扩大夏玉米种植面积是可行的。除此之外,葡萄和西瓜的几种水分利用效率都比较高, 且经济水分利用效率远远高于粮食作物, 因此进行作物种植优化调整时, 在保证冬小麦、夏玉米种植面积和粮食安全的前提下, 适当扩大葡萄、西瓜的种植, 有助于增加农业经济收入。

4 结论

本研究中的粮食作物的需水量和灌溉需水量整体低于水果作物。冬小麦生育期内有效降水远不能满足冬小麦生长的水分需求, 灌溉需水量最大。而夏玉米生育期内有效降水和需水量的耦合度较高,灌溉需水量较少。水果作物的生育期内需水量与灌溉需水量从大到小为苹果和梨、葡萄、西瓜。水分利用效率方面, 粮食作物的WUEN高于水果作物,而水果作物的WUE、WUEI、WUEE均高于粮食作物, 尤其WUEE远高于粮食作物, 最高可达到粮食作物的10倍左右, 1999—2018这20年间, 河北省6种作物的WUE、WUEN、WUEE均呈现不断增长的趋势。在我国粮食主产区水资源短缺和保障粮食安全的双重压力下, 提高作物的综合水分利用效率,对于区域农业可持续发展有重要意义。