河北低平原区不同种植模式对水资源利用的影响

河北低平原区不同种植模式对水资源利用的影响

0植物种植模式对灌溉高效低生态保障机制的影响河北平原是中国最大的恢复地下水资源的地区之一。近年来,由于人类活动和气候变化的影响,河北东部平原已成为全世界超采地下水最严重,地下水位降落漏斗面积和地面沉降面积最大的地区。国家各级政府针对这种情况非常重视。国家“十二五”规划纲要明确提出,要实施地下水监测工程,严格控制地下水超采。水利部启动了六大措施实行水资源替代和地下水压采。河北省水利厅制定了《河北省地下水超采综合治理实施方案》等。在压采的主要措施中,调整作物种植结构是非常重要的一个方面。河北低平原区为中国主要的粮食主产区和棉花、牧草等的主要生产区,主要种植制度为冬小麦—夏玉米一年两作,棉花一年一作和其他的短季作物的主要种植模式。针对该区地下水压采和农业生产的现状,许多学者进行了冬小麦种植面积变化对水资源量的影响和不同种植模式耗水和经济效益的分析和研究。有学者提出改变现有的一年两熟的种植结构为两年三作的种植结构,压缩主要灌溉用水作物冬小麦,可以起到明显的节水效果,但是周年产量降低11%左右;同时,有些学者提出了利用节水替代模式耗水的概念,结果表明粮棉薯模式和粮油模式是较好的麦玉替代模式。但上述研究缺乏对种植模式调整对灌溉用水量、农田耗水和地下水影响的综合考虑。因此,笔者针对该区主要情况,研究不同种植模式改变对灌溉用水量和地下水平衡的分析。以期为该区的合理农业种植结构提供依据。1材料和方法1.1降水、土壤质地沧州市位于河北省东南部,属华北平原东部黑龙港河流域,东临渤海,北靠京津,南接山东。辖区气候资源丰富,特征较为统一,属暖温带半干旱半湿润季风气候,光照资源充足。降水年内分布不均,主要集中在6—9月。该区土壤类型为华北平原典型潮褐土,耕层以壤土为主,该区土壤质地比较均一。试验在中国科学院南皮生态农业试验站进行,该实验站位于河北沧州地区,北纬38°06′,东经116°40′,海拔10m。该地区最高气温31℃,最低气温-19℃,≥10℃积温4300℃,多年平均降水量572.5mm,平均日照时数2318h。耕地土壤为轻壤质潮土。田间持水量为0.34cm3/cm3,凋萎系数为0.10cm3/cm3。1.2计算1.2.1生态农业东北部作物耗水需水量利用参考作物蒸散量和作物系数法进行计算。参考作物蒸散量采用Penman-Monteith公式计算。作物系数是通过该区的前人主要研究成果与笔者在中国科学院南皮生态农业试验站得到的数据。同时,一些作物的耗水量是根据陈玉民等编著的《中国主要作物需水量与灌溉》获取得到。考虑到两年三作的种植模式,所以不同种植模式下的耗水量是在2年时间内作物的耗水量与休耕期土壤蒸发的和。ETi为第i季作物的耗水量,Ei为第j季休闲期土壤蒸发量,i+j=4。对与一年两作的种植方式,i=4,同时对应的j=0。对于两年三作的种植模式,i=3,同时对应的j=1;对于一年一作的种植模式,i=2,j=2。1.2.2灌溉1.2.3地下水变化式中,Δh是每年的地下水埋深变化情况(m),q是灌溉和降水及其引起的下渗量的差值,μ是给水度,其值为0.06。1.2.4水管理的效率1.3气温、降水和气温所用数据主要包括:(1)气象数据,主要为日最高气温、日最低气温、日平均气温、降水量风速和日照时数等气象要素;(2)农业统计数据,主要来源于《河北农村统计年鉴(1997—2011)》等。2结果与分析2.1种植面积分析通过1997—2011年的河北省农村统计年鉴资料分析可以看出,在沧州市夏玉米、冬小麦和棉花的播种面积占农作物总播种面积的77.22%,其中冬小麦为34.74%,玉米为32.72%,棉花为9.76%。再次为大豆,6.45%,花生,2.67%,青饲料1.20%,谷子1.26%,高粱1.00%。这些作物总共占总播种面积的89.80%。在总的农作物多年种植面积变化不大的情况下,不同作物在多年的种植面积出现了一些变化。通过线性回归分析发现,花生和青饲料的种植面积在15年间变化不大,其主要是由于这2种作物主要是一年一作种植模式。最主要的作物冬小麦种植面积呈现明显的下降趋势,以每年4.8千hm2的面积减小,夏玉米呈现明显的上升趋势,以每年11.58千hm2的面积在增加。大豆的种植面积以每年7.12千hm2的面积在减少,谷子的种植面积以每年1.23千hm2的面积在减少,棉花的种植面积在近15年终是稍微增加趋势,以每年5.43千hm2的面积在增加(图2)。这说明夏玉米种植面积的增加主要是由于与其同期的大豆和谷子的种植面积减少而引起的。2.2种主要作物生长季降水的变化从图3可以看出,从1984—2011年,该区的多年平均降水量548.1mm,其变异系数达到28.4%。在这个区域1984—1989的年均降水量为575.5mm,1990—2000年的年均降水量为548.9mm,2001—2011年的年均降水量为532.7mm,呈现稍微下降的趋势。在不同的年代其变异系数基本相差不大,分别为30.0%、32.0%和25.1%。说明该区降水在年际间的变异较大。针对该区3种主要作物冬小麦、夏玉米和棉花生长季的不同,因此分析在3种主要作物生长季的降水变化情况。从1984年到2011年,该区冬小麦季、夏玉米季和棉花季的多年平均降水量分别为115.2mm,397.4mm和502.0mm,其变异系数也分别为61.1%,35.3%和32.3%,这说明在这个区域冬小麦生长季的降水变异最大。在过去30年间,冬小麦季年降水量减少0.94mm,棉花季年降水量减少2.62mm,夏玉米季年降水量下降2.65mm。在3种主要作物的不同年代,降水的变化是不同的。对于冬小麦季,1984—1989的年均降水量为133.0mm,变异系数为57.6%,1990—2000年的年均降水量为107.9mm,变异系数为47.3%,2001—2011年的年均降水量为112.7mm,变异系数为78.7%。季降水量呈现稍微减少的趋势,而降水的变异系数呈现上升趋势。对于夏玉米季来说,1984—1989的年均降水量为449.7mm,变异系数为36.4%,1990—2000年的年均降水量为399.0mm,变异系数为42.8%,2001—2011年的年均降水量为367.2mm,变异系数为24.2%。降水量呈现明显的下降趋势,变异系数变化不是很大。对于棉花季来说,1984—1989的年均降水量为564.6mm,变异系数为38.0%,1990—2000年的年均降水量为488.6mm,变异系数为36.2%,2001—2011年的年均降水量为481.2mm,变异系数为24.4%。棉花生长季降水及其变异系数变化趋势与夏玉米季相似。2.3种植模式及其灌溉需水量在明确了该区主要作物种植情况和降水情况的基础上,考虑周年的变化情况,需要针对不同的种植模式进行分析。同时,考虑到现在节水灌溉的发展,冬小麦—夏玉米一年两作模式下的节水灌溉制度,即在少水年实施3水灌溉,平水年实施2水灌溉,多水年实施1次灌溉。因此,针对该区主要的种植作物及上述作物的种植收获时间及其之间的生育期搭配,选择以下12种模式进行分析(表1)。根据不同的作物形成的不同种植模式及其在不同水分年型下的灌溉需水量分析,结果如表2所示。结果表明:在不同的降水年型下,不同模式灌溉需水量呈现一致的变化趋势。在少水年份,降水均不能满足这12种种植模式的耗水,一年两作的种植模式的灌溉需水量大于两年三作的种植模式,一年一作的种植模式灌溉需水量最小。灌溉需水量最多的为冬小麦—夏玉米一年两作和冬小麦夏大豆一年两作的模式,在2年的时间内分别需要灌溉897mm和814mm。灌溉需水量最少的为一年一作的花生和牧草,分别为82mm和189mm。在平水年,不同的种植模式出现了明显的差异。冬小麦—夏玉米一年两作的种植模式下2年需要灌溉587mm,即每年灌溉297mm。这与当地的习惯每年需要灌溉3~4次水,每次80~90mm计算,总的灌溉量相当。其他种植模式显示,有冬小麦参加的模式,在平水年均需要一定的灌溉,而两年三作的模式在2年时间内需要灌溉280~325mm左右,比传统模式降低了一般的灌溉量。如果在考虑两年三作模式的休耕期的100mm降水,其会对土壤水分进行补充,同时土壤蒸发大约为120mm左右,则两年三作模式降低的灌溉水量更多。对于一年一作的种植模式来说,降水基本都能满足作物生长,并且有些盈余。在多水年,有冬小麦参加的一年两作模式均出现一定程度的亏水,而两年三作和一年一作的种植模式均能达到降水的盈余。2.4降水与需水的耦合利用不同降水年型降水与主要种植模式需水的耦合度分析,结果如表3所示。结果表明,在不同降水年型下不同种植模式需水与降水的匹配度差别较大。一年一作的花生种植模式降水与需水的耦合度最大,在少水年,平水年和多水年分别为0.89,1.31和1.74。冬小麦—夏玉米一年两作种植模式的降水与需水耦合度最小,在3中不同水分年型下分别为0.47,0.65和0.84。根据孙宏勇等研究,棉花—冬小麦—夏玉米两年三作种植模式的水分利用效率和经济水分利用效率最高,在这种模式下,不同降水年型下其降水和需水的匹配度分别为0.55,0.79和1.03。这说明在平水年降水稍微有些差距。2.5土壤供水量分析土壤水分供给是影响农田耗水的主要因素。中科院南皮生态农业试验站的秸秆显示,在冬小麦季能达到200mm左右,在不同的种植模式下有所差异。在冬小麦—夏玉米一年两作的种植模式下,冬小麦季土壤供水达到213mm,在春玉米—冬小麦—夏玉米两年三作的种植模式下,冬小麦季土壤供水可达222mm,而在棉花—冬小麦—夏玉米两年三作的种植模式下,土壤供水量为180mm。因此,在分析不同种植模式对地下水的影响时,有冬小麦的种植模式下考虑土壤水供应,按照200mm计算分析不同种植模式下灌溉需水量及对地下水的影响。不同种植模式在不同的降水年型对地下水的影响存在明显的差异。在不同的降水年型下,不同种植模式对地下水的影响趋势是一致的,在多水年对地下水的影响最小,在少水年对地下水的影响最大。从表4可知:有冬小麦的种植模式对地下水影响较大,冬小麦-夏玉米一年两作的种植模式对地下水影响最大,在平水年导致地下水下降1.25m,这与吕庆玉等的报道的结果基本一致。同时,利用节水灌溉模式的冬小麦-夏玉米种植模式,也能起到明显的节水、抑制地下水下降的效果。但两年三作的种植模式与冬小麦—大豆和冬小麦—谷子的种植模式对地下水的影响基本一致。再次,为一年一作的种植模式。其中一年一作的种植模式,花生和牧草的种植对地下水消耗较小,在平水年能够起到一定的回补地下水作用。2.6节水灌溉情况不同种植模式会生产不同的产量,并且因为投入的差异,形成不同的效益。因此,需要根据效益的分析结果选择模式的应用。表5显示了在沧州地区不同种植模式的产量、产值和水分经济利用效率的变化。由表5可知:产量最高的为冬小麦—夏玉米的一年两作种植模式,但是同时其投入也最高,这导致了产值不是最高,而由于同时其利用了大量的灌溉水分其水分经济利用效率为最低。而在节水灌溉情况下的冬小麦—夏玉米一年两作种植模式,在总效益稍微降低的情况下,明显的提高了水分经济利用效率。从效益来看,效益最高的为棉花一年一作的种植模式,其次为冬小麦—花生种植,在此为棉花—冬小麦—夏玉米两年三作的种植模式,而最低的为夏玉米、春玉米和花生的一年一作种植模式。从水分经济利用效率来看,由于棉花是经济作物,其价值较高,最高的为棉花的一年一作和两年三作的种植模式。水分经济利用效率最低的为冬小麦—夏玉米的传统模式。3强化节水改造河北低平原区的水资源短缺及农业缺水是该区可持续发展面临的最大问题,通过种植制度有效合理的调整可以充分地利用有限的水资源提高水分利用效率,促进农业的可持续发展。随着全球变化的影响,温度升高、降水变化及极端气候出现频率增加等的现象也在本区域存在。随着温度的升高会对农业种植结构出现一定的影响,应在此基础上提倡冬小麦—夏玉米的“双早双晚”种植技术。但是,降水的减少会对农业的可持续发展有一定的限制作用。因此,要根据气候变化发展合理的种植制度。在综合考虑水资源和粮食安全方面,棉花—冬小麦—夏玉米是水分利用效率、水分经济利用效益是最好的种植模式。这种模式在平水年份2年仍需要271mm的灌溉水,对地下水的利用会造成每年0.47m的地下水下降。在这种情况下,如何能够充分利用休闲期的降水为下季作物所利用,