1957―2017年京津冀主要作物水分利用效率及节水潜力分析

2020-05-18崔秋利

灌溉排水学报 2020年2期

崔秋利

（河南中天招标代理有限公司，郑州 450000）

0 引言

水资源短缺以及农业用水效率不高制约着京津冀一体化国家战略的实施。合理量化主要农作物的节水潜力对于指导京津冀地区农业节水发展，促进京津冀一体化战略实施具有一定指导意义。节水潜力可以分为“资源型”节水潜力和“效率型”潜力。“资源型”节水潜力通常指通过对供水进行改造和调整以减少水分蒸发和深层渗漏可节约的水量[1]；“效率型”节水潜力通常指通过提高作物水分利用效率（WUE）可节约的水量。提高主要农作物的水分利用效率已成为解决该地区水资源矛盾的一条重要途径[2-4]。

目前大量学者对作物水分利用效率进行了研究。商彦蕊等[5]分析了石家庄地区主要农作物的理论灌溉需水量和实际灌溉水量，指出以现有的作物种植结构和产量水平为前提，石家庄冬小麦、夏玉米和棉花3种主要农作物的灌溉节水潜力为3亿～9亿m3。丁志宏等[6]分析了海河流域“工程型”、“结构型”和“效率型”节水潜力，三者分别为43.83亿、12.46亿和7.49亿m3。房全孝等[7]指出华北地区小麦-玉米二熟制水分敏感期为孕穗期，播前灌溉的产量效应差异明显。以往节水潜力的计算大多依赖于现状条件，对于主要作物WUE的长期变化趋势以及各种措施条件下未来WUE可达的上限值关注较少。

本研究基于灌溉条件下的作物需水量以及雨养条件下的有效降水估算了1957—2017年京津冀地区冬小麦和夏玉米耗水量及水分利用效率，结合国内外相关研究提出未来海河流域冬小麦及夏玉米水分利用效率可以达到的上限值，估算了京津冀地区“效率型”节水潜力的范围，并提出提高水分利用效率的措施。研究对于指导京津冀地区农业节水实践具有一定意义。

1 方法与数据

1.1 冬小麦、夏玉米耗水量计算

首先计算冬小麦和夏玉米逐年消耗的水资源量。对于灌溉区，单位面积冬小麦或夏玉米生育期内消耗的水资源量用逐日参考作物蒸散量（ET0）乘以作物系数（Kc）的方法进行估算。

式中：Cwu为灌溉区单位面积冬小麦或夏玉米生育期内所消耗的水资源量（mm）；ET0为参考作物蒸散量（mm/d）；Kc为作物系数，为作物生长阶段的函数。作物生长阶段划分为生育初期，快速生长期，生育中期和生育末期4个阶段。生育初期和生育中期，Kc为常量，二者分别等于Kcini和Kcmid，快速生育期，Kc从Kcini到Kcmid线性变化，生育末期Kc由Kcmid线性变化为Kcend。冬小麦和夏玉米各生育期长度以及作物系数初始值来源于FAO，考虑到不同年份不同区域气象条件不同，本研究对各年、各地区生育中期和生育末期的作物系数值进行了修正。

参考作物蒸散量通过 FAO 推荐的Penman-Monteith公式[8]进行计算。

冬小麦和夏玉米生育中期、生育末期作物系数的修正方法[6]为：

式中：Kcmid为作物生育中期的作物系数；Kcend为作物生育末期的作物系数；Kctable为FAO作物系数表中推荐的作物生育中期或生育末期的作物系数值；u2指的是生长中期或末期作物表面以上 2 m高度处的日平均风速（m/s），用于1 m/s

对于雨养区，单位面积冬小麦和夏玉米生育期内所消耗的水资源量通过有效降水与作物需水量之间的较小值估算。有效降水的计算参考了美国环保部土壤保持局推荐的方法[9-10]，该方法在国内得到了广泛应用[11-13]。有效降水逐旬进行计算，计算式为：

式中：Pe为旬有效降水量（mm）；P为旬降水量（mm）。

1.2 冬小麦、夏玉米水分利用效率及“效率型”节水潜力

本研究旨在讨论作物水分利用效率提高所引起的作物需水量的减少，并未考虑充分利用灌溉水和降水对应的“资源型”节水潜力。作物水分利用效率通常表示为产量与耗水量的比值[14]。对于冬小麦或夏玉米，其水分利用效率计算式：

式中：WUEi表示作物i的水分利用效率（kg/m3）；Cwuij表示j地区灌溉条件下作物i的耗水量（mm），本研究采用作物需水量估算；Aij表示j地区作物i的播种面积（hm2）；βij表示j地区作物i的灌溉面积占比。灌溉面积与雨养面积来源于Portmann等[15]整理的数据库，灌溉面积由灌溉面积占二者之和的比例获得。对于河北地区，冬小麦和夏玉米的灌溉面积占比分别取1.0和0.75；对于京津地区，冬小麦和夏玉米的灌溉面积分别取1.0和0.76。

“效率型”节水潜力指通过提高水分利用效率（WUE）带来的节水潜力，其计算式为：

式中：ΔW表示节水潜力（m3）；Y表示总产量（kg）；WUE表示水分利用效率（kg/m3）；WUEP表示潜在水分利用效率（kg/m3）。潜在水分利用效率参考了国内外相关文献。

1.3 数据来源

气象数据来源于气象数据共享网（http://data.cmn.cn/），数据包括了 1957―2017年逐日最高气温，最低气温，2 m高处的风速，平均相对湿度及日照时间。作物生育期参数和作物系数的初始值来自联合国粮农组织（FAO）。农业统计数据以省划分，通过中国农业农村部种植管理司下属的中国农业种植网（http://zzys.agri.gov.cn/nongqing.aspx）以及各省市统计年鉴获得，数据包括 1957—2017年各省冬小麦及夏玉米的统计单产，播种面积以及总产量。各作物灌溉面积数据来源于 Portmann等[15]整理的MIRCA2000数据库，数据于2013年更新。

2 结果与分析

2.1 冬小麦、夏玉米耗水量变化趋势

冬小麦、夏玉米耗水量及产量的变化趋势见图1。

图1 冬小麦、夏玉米耗水量及产量（1957―2017）Fig.1 Water consumption of winter wheat and summer maize(1957―2017)

由图 1可以看出，1957—2017年冬小麦耗水量总体无显著变化趋势（r=0.108，P>0.05），多年平均耗水量约 152.94亿 m3。冬小麦耗水量曾在 1961—1981年出现剧烈波动，其中，1961年冬小麦耗水量达到极小值101.72亿m3，1961—1978年快速上升，1978年达到极大值206.4亿m3，之后逐渐下降至正常水平。冬小麦耗水量与产量相关性不高（r=0.18）。1957—2017年夏玉米耗水量呈显著上升趋势（r=0.936，P<0.001），2017年夏玉米耗水量达到最大值（124.68亿m3），相比较2017年上升了103%。夏玉米耗水量的上升趋势可以用其播种面积的逐年扩大来解释，而研究期内冬小麦播种面积呈先增加后减少趋势[16]。

研究期内，冬小麦和夏玉米的产量均呈显著增长趋势。2017年冬小麦产量为1 573万t，较1957年上升了82.4%，2017年夏玉米产量为2 188万t，较1957年上升了68.0%。冬小麦、夏玉米产量的上升幅度均远高于冬小麦、夏玉米耗水量的变化幅度。说明研究期内冬小麦和夏玉米的水分利用效率提高了。

2.2 冬小麦、夏玉米WUE变化趋势

冬小麦、夏玉米WUE的变化趋势见图2。从图2可以看出，冬小麦和夏玉米的WUE均呈线性增长趋势。冬小麦年均变化幅度为0.018 kg/m3。夏玉米年变化幅度为0.024 kg/m3。2017年冬小麦WUE为1.12 kg/m3，比2007年上升了83.5%；夏玉米水分利用效率为1.76 kg/m3，比2007年上升了28.6%。另外，夏玉米水分利用效率自1957—2017年均高于冬小麦，说明消耗相同体积的水，夏玉米能够获得更高的产量。

图2 1957―2017冬小麦、夏玉米水分利用效率Fig.2 WUE of winter wheat and summer maize (1957―2017)

2.3 不同地区冬小麦、夏玉米WUE的差异

以2013—2017年为例分析了各地区冬小麦、夏玉米WUE的差异，结果见图3。由图3可以看出，冬小麦水分利用效率河北（1.07 kg/m3）>北京（0.81 kg/m3）>天津（0.80 kg/m3）；3个地区的标准差分别为0.05，0.03和0.02 kg/m3。其中河北水分利用效率高于京津冀地区平均值（1.06 kg/m3），北京和天津地区低于平均值。对于夏玉米，水分利用效率北京（1.81 kg/m3）>河北（1.65 kg/m3）>天津（1.48 kg/m3）；3个地区的标准差分别为0.09、0.18和0.13 kg/m3。其中北京和河北水分利用效率高于京津冀地区平均值（1.64 kg/m3），天津地区低于平均值。

图3 各地区水分利用效率的比较Fig.3 Comparison of water use efficiency in different regions

2.4 冬小麦、夏玉米“效率型”节水潜力

尽管我国京津冀地区冬小麦和夏玉米水分利用效率得到了显著提高，其仍然低于世界发达国家[11]，主要体现在灌溉管理方式上。本研究依据国内外大量关于冬小麦和夏玉米水分利用效率的试验研究，认为二者还有20%～30%的提升空间，可通过优化生育期内的灌溉方式，减少无效的地面蒸发等方式提高水分利用效率。

表1 冬小麦、夏玉米“效率型”节水潜力分析Table 1 Efficiency-based water-saving potential of winter wheat and summer maize

本研究假设未来一段时间内产量不变的前提下冬小麦和夏玉米水分利用效率分别提高20%和30%，估算了冬小麦和夏玉米可节约的水资源量，结果如表1所示。由表1可知，2017年冬小麦、夏玉米的WUE分别为1.06 kg/m3和1.64 kg/m3。冬小麦WUE整体提高20%（增长至1.27 kg/m3），此时冬小麦可节约水量24.2亿 m3，其中，河北、北京、天津分别可节约水量21.1亿、0.5亿和2.6亿m3。如果提升30%（增长至1.38 kg/m3），冬小麦可节约水量33.6亿m3，其中，河北、北京、天津分别可节约水量 30.1亿、0.6亿和2.9亿m3。夏玉米WUE整体提高20%（至1.97 kg/m3），此时夏玉米可节约水量19.4亿m3，其中，河北、北京、天津分别可节约水量17.4亿、0. 2亿和1.8亿m3。如果提升30%（增长至2.13 kg/m3），夏玉米可节约水量26.8亿m3。其中，河北、北京、天津分别可节约水量24.1亿、0.4亿和2.3亿m3。因此，在产量不变的前提下，如果冬小麦和夏玉米水分利用效率提高20%～30%，京津冀地区可节约水量43.6亿～60.4亿m3。尽管冬小麦的产量低于夏玉米，冬小麦与夏玉米相比具有更高的节水潜力。通过提高作物水分利用效率节约的水资源量可以有效减少地下水的开采，缓解京津冀地区的水资源供需矛盾。

3 讨论

3.1 本研究与其他研究的对比

段爱旺等[17]根据20世纪80年代我国4 422个站点的10种作物的耗水量和产量数据，用加权平均法得到了全国灌溉农田粮食作物的平均水分利用效率约为1.1 kg/m3。本研究计算了2008—2015年京津冀地区冬小麦和夏玉米的水分利用效率，二者分别为1.06 kg/m3和1.64 kg/m3，平均水分利用效率为1.32 kg/m3，高于其研究，主要因为近年来冬小麦和夏玉米水分利用效率均有显著增长。Fan等[18]基于多元回归分析估算了地面沟灌和微灌条件下的水分利用效率，指出小麦水分利用效率的取值范围为0.54～1.73 kg/m3，均值为 1.13 kg/m3,冬小麦距离最大水分利用效率还有30.4%的空间，本研究结果与其接近。Wang等[19]指出华北地区冬小麦耗水量达到343.8 mm时水分利用效率达到最大值，为1.29 kg/m3，低于本研究对最大水分利用效率的估计，主要因为其基于栾城试验站1984—1996年的观测数据，到近5 a冬小麦水分利用效率有了显著提高。Sun等[20]指出华北平原冬小麦水分利用效率的取值范围为 0.97～1.83 kg/m3。Zhang等[21]指出华北平原冬小麦WUE的取值范围为0.93～1.51 kg/m3，指出可以通过减少灌溉的方式提高冬小麦的水分利用效率。刘增进等[22]认为北方冬小麦WUE介于0.87～1.72 kg/m3。闫永銮等[23]研究了冬小麦拔节期水分胁迫以及复水条件下的水分利用效率，结果介于1.15～1.68 kg/m3。肖俊夫等[24]研究了不同灌水处理对冬小麦水分利用效率的影响，结果显示WUE介于1.38～1.51 kg/m3。以上研究说明本文提出的WUE提高30%，其达到1.38 kg/m3是可行的。

李小利等[25]研究指出华北地区滴灌施肥条件下夏玉米水分利用效率范围为1.747～2.518 kg/m3。孟毅等[26]研究指出麦秆覆盖条件下，夏玉米水分利用效率为2.0～2.48 kg/m3。其证实了本研究假设未来夏玉米水分利用效率提高20%～30%（1.97～2.13 kg/m3）是可行的。Saseendran等[27]研究了美国中部平原半干旱环境下灌溉对玉米WUE的影响，结果表明WUE最大为1.62 kg/m3，其最大值低于本研究，主要因为该地区夏玉米的生育期长度约为140 d，长于我国华北平原，与本研究相比，较长的生育期长度使得夏玉米耗水量增多，WUE降低。

3.2 提高水分利用效率的措施

作物水分利用效率表示产量与耗水量的比值。首先可以通过提高作物单产来提高水分利用效率。例如，改进作物的品种，长期以来，正是因为冬小麦、夏玉米品种的不断改善[28]，使得其产量长期处于增长状态。其次，可以通过优化田间管理减少无效水的消耗。例如，通过改变耕作方式改善土壤的物理化学特性，通过优化灌溉制度提高灌溉水的利用效率，或者通过覆膜和秸秆覆盖的方式减少地面蒸发，从而减少株间土壤的耗水量。Hou等[29]基于宁夏南部3 a的田间试验指出不耕作与深耕交替可改善土壤的物理化学特性，提高冬小麦产量 9.6%～10.7%和提高水分利用效率7.2%～7.7%。Olk等[30]研究指出覆膜以及增加灌溉水量可以增加玉米的水分利用效率。李双双等[13]分析了华北平原冬小麦与夏玉米轮作条件下灌溉、腾发量、作物生长及WUE之间的关系，指出可通过覆膜的方式减少土壤蒸发，而且可通过减少灌水频率和灌水量的方式提高其水分利用效率。孟毅等[26]研究指出通过秸秆覆盖的方式减少地面蒸发及增加地表温度，覆盖量4 120 kg/hm2时夏玉米水分利用效率最优。

3.3 研究存在的不足

本研究仅考虑了冬小麦和夏玉米水分利用效率提高所带来的“效率型”节水潜力，对于提高灌溉渠系水以及降水的利用带来的“资源型”节水潜力本研究暂时并未考虑，“资源型”节水潜力在农业节水中的意义同样不可忽视。

对于灌溉面积与雨养面积的区分，由于未找到京津冀地区雨养面积和灌溉面积的调查资料，本研究采用了Portmann等[15]整理的数据库，该数据库于2013年更新。近年来随着我国京津冀地区灌溉面积的扩大，实际的灌溉面积占比会大于该调查值，进而引起估算的作物耗水量和水分利用效率偏低，结果可能会造成估算的节水潜力偏大。

1970年以前，华北一些地区用水车灌溉，取用地下水量较少，灌溉面积占比可能低于当前，同时存在灌溉能力不足的问题。当前京津冀的许多区域仍然存在灌水不足的问题，冬小麦很多情况下只能灌一水，特别是井灌区属于明显的非充分灌溉。本研究假设灌溉区冬小麦全部为充分灌溉状态，按此确定用水量会导致估算的作物耗水量和水分利用效率偏高，结果可能会造成估算的节水潜力偏小。