白志杰, 任丹丹, 楊艷敏, 胡玉昆**, 楊永輝**

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雄安新區(qū)上游農業(yè)種植結構及需水時空演變*

白志杰1,2, 任丹丹1,2, 楊艷敏1, 胡玉昆1**, 楊永輝1**

(1. 中國科學院農業(yè)水資源重點實驗室/河北省節(jié)水農業(yè)重點實驗室/中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農業(yè)資源研究中心 石家莊 050022; 2. 中國科學院大學 北京 100049)

本文利用作物模型模擬小麥、玉米灌溉需水量, 結合蒸發(fā)皿法估算蔬菜、果樹等其他作物需水量, 回溯雄安新區(qū)上游1986—2015年農業(yè)種植結構及農業(yè)需水的時空演變趨勢, 摸清不同作物的需水量比例及時間變化, 并推算了消除降水年際波動的1970—2015年農作物灌溉需水量, 探討單純人類活動下的農業(yè)需水量變化趨勢。結果表明, 1986—2015年, 研究區(qū)作物播種總面積總體呈上升趨勢, 耕地面積多年平均84.9萬hm2, 有效灌溉面積平均71.3萬hm2, 占總耕地面積的84%。其中小麥播種面積稍有下降, 玉米、蔬菜播種面積顯著增加, 果樹種植比例在山區(qū)增加、平原區(qū)減少。研究區(qū)多年平均灌溉需水量22.52×108m3, 小麥、玉米、蔬菜、果樹和其他作物分別占灌溉需水總量的58.6%、12.6%、5.8%、16.3%和6.7%, 受播種面積增加影響, 1970—2015年, 蔬菜和果樹需水顯著上升。從空間上來看, 灌溉需水總量在上游山區(qū)上升顯著, 而在平原區(qū)表現為下降; 排除降水的年際波動后, 研究區(qū)作物需水自1970年以來一直呈上升趨勢, 進入20世紀80年代中期, 雖然整體上升減緩, 但隨農業(yè)播種總面積增加和蔬菜、水果需水增加影響, 需水量整體呈緩慢上升趨勢。因此, 控制上游農業(yè)用水, 種植低耗水作物、減少耗水作物的種植面積, 是恢復雄安新區(qū)清水產流的關鍵。

雄安新區(qū); 農業(yè)種植結構; 灌溉需水量; 作物模型; 蒸發(fā)皿法

農業(yè)是用水大戶, 目前我國農業(yè)用水占總用水的70%左右[1-3], 世界上大多數干旱、半干旱、半濕潤地區(qū)的水資源短缺與農業(yè)用水有關。從流域尺度來看, 上游農業(yè)用水增加是造成流域內地表徑流量減少的主要原因[4-5], 由于上游徑流減少, 下游農業(yè)生產大量依靠超采地下水[6-8], 導致區(qū)域水問題突出。因此, 準確計算流域上游農業(yè)用水, 水資源和糧食產供需間的耦合調控, 是保障流域水資源安全和生態(tài)經濟協(xié)同發(fā)展的關鍵。白洋淀地處雄安新區(qū)規(guī)劃的核心范圍, 自1970年以來, 由于農業(yè)灌溉發(fā)展和上游城市擴張, 白洋淀來水逐漸減少且周圍地下水超采嚴重[9-11], 淀區(qū)周圍地下水位由20世紀60年代初的普遍高于淀區(qū)水位到80年代初西南方向漸漸低于淀區(qū)水位再到21世紀初普遍低于淀區(qū)水位, 形成白洋淀從獲取周圍地下水側向補給轉向周圍地下水側向滲漏[12], 直接和間接造成白洋淀湖面萎縮、長期靠外流域調水維持不干淀的被動局面。鑒于外流域調水無法有效緩解白洋淀流域來水逐年萎縮、地下水持續(xù)下降的事實, 摸清雄安新區(qū)上游農業(yè)需水的基本狀況及其演變規(guī)律, 優(yōu)化調整雄安新區(qū)上游農業(yè)用水結構, 削減地表和地下水消耗, 是提升雄安新區(qū)水資源保障能力, 實現雄安新區(qū)及京津冀綠色可持續(xù)發(fā)展的根本措施和必然選擇。

農業(yè)用水估算一直是農業(yè)灌溉和排水管理的核心, 以能量平衡為驅動的Penman-Monteith公式[13]是估算潛在蒸散發(fā)的經典方法, 1990年聯合國糧農組織(FAO)對Penman-Monteith公式進行了標準化修訂, 簡化了計算參考蒸散的Penman-Monteith公式所需各種參數, 發(fā)展了利用作物系數法估算需水量的通用方法, 建立了不同作物的參考系數[14], 為作物耗水估算提供了基礎理論支撐。然而，不同地區(qū)缺乏具體作物本地化的作物系數, 盡管蒸發(fā)皿蒸發(fā)和作物表面蒸散存在差異，但是采用蒸發(fā)皿法估算10 d或更長時間的潛在蒸散還是有一定保證的[13]。作物模型作為基于日尺度氣象數據進行作物生長和水分平衡模擬的工具, 經過各國的本地化參數校驗, 估算作物需水量的精度大大提高[15-17], 使得作物模型和FAO56算法進行作物需水研究的方法體系逐漸形成。Yang等[18]利用DSSAT模型模擬華北平原小麥()、玉米()等作物的灌溉需水量, 得出小麥灌溉需水量占灌溉需水總量40%以上; 馬林等[19]利用ETWatch系統(tǒng)估算了華北平原灌溉需水量的分布特征, 得出小麥和蔬菜播種面積較多的區(qū)域灌溉需水量較高。雖然這些研究已經對華北平原的灌溉需水量進行了估算, 但缺乏長時間系統(tǒng)的對種植結構變化、農業(yè)需水時空演變規(guī)律的研究，尤其是針對白洋淀流域灌溉需水的研究較少。

因此, 本研究利用作物模型進行雄安新區(qū)上游主要作物小麥、玉米需水模擬, 結合華北地區(qū)多年研究基礎上本地化的蒸發(fā)皿系數估算蔬菜、果樹等農田需水, 回溯雄安新區(qū)上游1970年特別是20世紀80年代中期以來農業(yè)種植結構及需水量的時空演變趨勢, 量化非氣象因素驅動的農業(yè)種植結構和灌溉行為對水資源影響, 為綠色雄安水城共融建設的水資源保障決策提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于白洋淀(雄安新區(qū)上游, 113°39′~ 116°18′E, 38°05′~40°09′N), 隸屬海河流域大清河水系, 地勢自西北向東南傾斜, 海拔跨度5~2 740 m (圖1)。研究區(qū)屬于半濕潤氣候, 年均氣溫7.3~ 12.7 ℃, 多年平均降水528 mm, 但降水主要集中在雨季, 非雨季農作物主要依靠灌溉彌補土壤墑情不足, 造成區(qū)域地表、地下水短缺。此外, 本研究以大清河流域山區(qū)和平原區(qū)分界限為基準, 將研究區(qū)分為山區(qū)和平原區(qū)兩部分。在研究區(qū)域中, 山區(qū)包括河北省淶源縣、淶水縣、易縣、唐縣、順平縣、阜平縣、曲陽縣、行唐縣、滿城區(qū)和山西省靈丘縣等10個縣, 平原區(qū)包括河北省安國縣、安新縣、定州市、高碑店、高陽縣、容城縣、徐水縣、望都縣、無極縣、蠡縣、博野縣、定興縣、新樂市、涿州市、保定市市轄區(qū)、清苑縣16個縣或市。

1.2 農業(yè)種植結構

1986—2015年間, 該區(qū)農田主要種植冬小麥、玉米、蔬菜和果樹類, 其中冬小麥、夏玉米多為一年兩作; 果樹以蘋果()、梨樹(spp.)、桃()、葡萄()和棗()為主, 占果樹種植面積的80%左右, 栽培期為4—10月。蔬菜主要包括25種露地蔬菜, 隨著人們生活需求的提升, 設施蔬菜急劇增加, 因此也應考慮在內。此外, 研究區(qū)域還少量種植大豆()、花生()、棉花(spp.)、紅薯()、谷類等作物, 這些作物主要在雨季生長, 灌溉需水較少。

圖1 研究區(qū)域邊界、氣象站、河流水系分布圖

1.3 數據來源

逐日氣象數據從中國氣象數據網(http://data.cma. cn/)和河北省氣象局獲取, 涵蓋區(qū)內26個氣象站, 數據包含作物模型和Penman-Monteith方法所需的日最高和最低氣溫、降水量、風速、太陽輻射和相對濕度。小麥、玉米、果樹(蘋果、桃樹、梨樹、葡萄和棗樹)以及25種蔬菜的耕作、播種和有效灌溉面積從河北省統(tǒng)計局農村處(1986—1993年)、中國知網(http://www.c nki.net/)(1994—2015年)統(tǒng)計年鑒和河北林業(yè)網(http://www.hebly.gov.cn/)收集。蔬菜和果樹的蒸發(fā)皿系數來自參考文獻[20-24](表1)。此外, 由于1985年以前基本統(tǒng)計數據缺乏和不完備, 1970—1985年各縣播種總面積、部分縣各作物播種面積、有效灌溉面積從各縣縣志中提取。

表1 研究區(qū)蔬菜和果樹的蒸發(fā)皿系數(Kp)

1.4 作物需水量計算方法

本研究利用DSSAT作物模型中的小麥、玉米模型模擬計算小麥、玉米的灌溉需水量, 利用FAO-56提供的蒸發(fā)皿法估算蔬菜、果樹需水量; 除這幾種主要作物外, 研究區(qū)內還有少量的大豆、棉花、花生、紅薯等作物, 生長季與玉米基本相同, 因此假定所有其他作物的蒸散量與玉米的蒸散量相等。此外, 根據相關文獻設定設施蔬菜的蒸散量為露地蔬菜蒸散量的50%[25]。

1.4.1 蒸發(fā)皿法

蒸發(fā)皿法用于估算蔬菜和果樹的蒸散量, 方程為:

ET=pi′ETpan(1)

式中: ET(mm?d-1)是蔬菜或果樹的蒸散量,pi是蒸發(fā)皿系數; ETpan(mm?d-1)是蒸發(fā)皿蒸發(fā)速率, 由Penman公式計算得出。

1.4.2 作物模型DSSAT

DSSAT模型[26]是一種基于天氣、土壤、作物品種和管理實踐的模型, 用于模擬作物生長和農業(yè)用水。其中CERES-Wheat和CERES-Maize模塊模擬了小麥和玉米從播種前一直到收獲后一段時間作物的光合作用、生物量形成和分配以及水與養(yǎng)分供應等物候過程。利用中國科學院欒城農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站大型稱重式蒸滲儀連續(xù)5年長期觀測的數據對CERES-Wheat和CERES-Maize模塊模擬的小麥、玉米蒸散量進行了校準, 使用15年(1987—2001年)該站作物生長過程中土壤和氣候數據進行了驗證[15,27]。

1.4.3 灌溉需水量計算

灌溉需水量(RIA)用來定義維持當前農業(yè)生產所需最低灌溉量。本文以縣為單元進行RIA的計算, 每個縣RIA計算如下:

RIA(,)=IRR(,)′LA(,)′PT(,)′10 (2)

式中:和分別代表農作物和縣; IRR(mm?d-1)是蒸散量ET(mm?d-1)與降水量(mm?d-1)之差; LA(hm2)是播種面積; PT是灌溉面積占耕地面積的百分比, 即有效灌溉面積比率。

因此, 雄安新區(qū)上游農作物小麥、玉米、蔬菜和果樹的總灌溉量RIAsum計算為:

除上述主要作物外, 大豆、花生、小米、薯類和芝麻等大部分其他作物主要是夏季作物, 并且在雨季生長。因此, 將其他作物的灌溉需求與玉米的灌溉需求結合計算, 公式為:

RIAoth=(RIAmaize′oth)/maize(4)

式中: RIAoth是所有其他作物的所需灌溉量(m3?d-1), RIAmaize是玉米的所需灌溉量(m3?d-1),maize是玉米的播種面積(hm2),oth是所有其他作物的播種面積(hm2)。研究區(qū)域總的灌溉需水量RIAtot(m3?d-1)計算如下:

RIAtot=RIAsum+RIAoth(5)

2 結果與分析

2.1 研究區(qū)農業(yè)種植結構時空演變趨勢

圖2為研究區(qū)1986—2015年農業(yè)種植結構的年際變化。研究區(qū)農作物耕地面積和有效灌溉面積變化并不顯著, 耕地面積多年平均84.9萬hm2, 其中, 有效灌溉面積平均71.3萬hm2, 占總耕地面積的84%(圖2a)。播種面積多年平均126.8萬hm2, 其中小麥、玉米、蔬菜、果樹和其他作物各占35.4%、35.1%、8.8%、8.5%和12.2%, 是研究區(qū)主要耗水作物。由于80%的降水發(fā)生在6月至9月, 冬小麥主要通過地下水灌溉補充所需水份。自1986年以來, 小麥的播種面積從42%下降到32%, 而玉米播種面積每年以0.5萬hm2的速度穩(wěn)步增加, 播種面積占比從32%增加到45%。隨著人們生活水平的提高, 蔬菜和果樹的播種面積也在增加, 蔬菜面積占比從4%增加到13%, 果樹從4%增加到10%。而其他作物的播種面積不斷下降, 從1986年的面積占比18%下降到2015年6%(圖2b), 可能是因為其他作物像大豆目前主要依靠進口, 而改種玉米、蔬菜或者果樹[28]。

圖2 1986—2015年研究區(qū)耕地面積、有效灌溉面積(a)和各作物播種面積(b)的變化

圖3為研究區(qū)各縣小麥、玉米、蔬菜、果樹、其他作物播種面積和播種總面積的變化趨勢和顯著性水平。通過非參數Sen方法和Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗方法[29-30]計算和檢測各縣農作物播種面積變化趨勢以及顯著性水平, 分別得出研究區(qū)顯著上升、顯著下降、不顯著上升、不顯著下降4種變化。發(fā)現研究區(qū)小麥播種面積在上游山區(qū)顯著下降, 而在平原區(qū)則上升和下降并存(圖3A); 上游各縣玉米播種面積呈上升趨勢, 但多未達顯著水平(圖3B); 蔬菜播種面積總體呈顯著上升趨勢(圖3C); 果樹面積變化有一定空間規(guī)律, 表現為上游山區(qū)大部分呈上升趨勢, 而平原部分呈下降或顯著下降的趨勢(圖3D); 其他作物整體呈顯著下降趨勢(圖3E); 而研究區(qū)播種總面積大部分地區(qū)呈上升或顯著上升趨勢, 只有少數縣呈下降趨勢(圖3F)。

圖3 1986—2015年研究區(qū)各縣作物種植面積和播種總面積變化趨勢及顯著性水平

2.2 研究區(qū)農作物灌溉需水量

圖4為研究區(qū)1986—2015年期間農作物年均灌溉需水量的變化。研究區(qū)30年間農作物灌溉需水量的最低、最高和平均值分別是9.57×108m3(1990年)、30.11×108m3(1997年)和22.52×108m3。小麥、玉米、蔬菜、果樹和其他作物的年均灌溉需水量變化范圍分別是6.12×108~18.99×108m3、0.04×108~7.27×108m3、0.29×108~2.68×108m3、1.00×108~5.45×108m3和0.01×108~4.68×108m3, 相應平均值分別為11.59×108m3、2.87×108m3、1.18×108m3、3.29×108m3和1.49×108m3, 分別占灌溉需水總量的58.6%、12.6%、5.8%、16.3%和6.7%。其中, 小麥灌溉需水量最高, 主要是因為小麥的耕作期持續(xù)了幾乎整個旱季(250 d左右)。特別是在降水量多的年份, 小麥的灌溉需水量可高達灌溉總需水量的68%, 因為雨季生長的玉米、蔬菜、果樹幾乎不需要灌溉, 而冬小麥需要較少的秋季灌溉。

研究區(qū)農作物灌溉需水量變化受降水量年際波動影響很大。1997年、1999年、2006年和2014年降水少的年份灌溉需水量分別是29.98×108m3、27.42×108m3、22.25×108m3和25.30×108m3, 年降水量僅分別為371.8 mm、382.02 mm、365.41 mm和345.5 mm。相反, 1988年、1990年、1995年和2008年等降水量多的年份灌溉需水量分別是14.05×108m3、9.56×108m3、15.88×108m3和11.25×108m3, 而年降水量高達809.68 mm、705.44 mm、757.77 mm和648.54 mm, 需水量遠低于干旱年份。

圖5為研究區(qū)1986—2015年間農作物年均灌溉需水量變化趨勢。通過Z-score將灌溉需水量進行標準化(縱軸), 利用最小二乘法(OLS)和檢驗[31-32]分別計算各作物灌溉需水量的趨勢變化()和顯著性(<0.05)。結果表明, 研究區(qū)30年間小麥和玉米的灌溉需水量均呈下降趨勢(小麥=-0.033 0,玉米=-0.007), 但下降趨勢并不顯著(小麥=0.120,玉米=0.763)。其中, 小麥灌溉需水量的下降程度比玉米大, 主要是由于小麥播種面積減少。夏玉米灌溉需水量變化波動較大, 主要與雨季降水波動有關。受蔬菜、果樹播種面積增加影響, 其灌溉需水量均呈顯著上升趨勢(蔬菜=0.058,果樹=0.072;蔬菜=0.003,果樹=0.000)。其他作物因播種面積下降, 其灌溉需水量呈顯著下降趨勢(其他=-0.077;其他=0.000)。從整體上來說, 雄安新區(qū)上游30年間農作物灌溉需水總量呈下降趨勢, 但沒有達到顯著水平。

圖4 1986—2015年研究區(qū)農作物灌溉需水量變化

圖5 1986—2015年研究區(qū)農作物灌溉需水量變化趨勢

2.3 研究區(qū)農作物灌溉需水量空間變化

圖6為研究區(qū)1986—2015年間各縣農作物灌溉需水量空間變化趨勢。同樣使用非參數Sen方法和Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗方法得出各縣農作物灌溉需水量變化趨勢以及顯著性水平。小麥灌溉需水量大部分地區(qū)呈下降或顯著下降趨勢, 而上升和個別顯著上升的縣分布在平原區(qū)(圖6A); 玉米灌溉需水量具有很大空間變化, 上升趨勢主要集中在研究區(qū)北部, 下降趨勢主要集中在研究區(qū)南部(圖6B); 蔬菜灌溉需水量大部分地區(qū)表現為顯著上升趨勢, 平原區(qū)部分地區(qū)表現為下降或顯著下降趨勢(圖6C); 沿太行山山麓, 果樹在平原區(qū)呈下降或顯著下降趨勢, 在山區(qū)則表現為上升或顯著上升的趨勢(圖6D); 而由于播種面積的顯著下降, 其他作物灌溉需水量也呈下降或顯著下降的趨勢(圖6E)。因為研究區(qū)氣候變化在空間上差異很小, 造成小麥、玉米、蔬菜、果樹和其他作物空間趨勢變化的主要原因是播種面積的變化。最后, 沿太行山山麓, 各縣灌溉需水總量在平原區(qū)主要表現為下降或顯著下降趨勢, 其中, 不顯著下降是平原區(qū)最主要的變化趨勢, 而山區(qū)則表現為上升或顯著上升的趨勢(圖6F)。

圖6 1986—2015年研究區(qū)各縣農作物灌溉需水量空間變化趨勢以及顯著性水平

2.4 農業(yè)種植結構和灌溉演變對灌溉需水量的影響

以上研究表明, 降水是農作物灌溉需水量年際波動的關鍵影響因素。為了消除降水年際波動對灌溉需水量的干擾, 清晰刻畫人類活動即灌溉、種植結構對灌溉需水的影響, 研究選取1986—2015年間最具代表性的降雨年型2015年,該年度年降水526 mm, 最接近研究區(qū)多年平均降水528 mm, 且80%的降水集中在6—9月, 符合研究區(qū)降水季節(jié)分布特征。研究以2015年降水數據為基準進一步得到僅播種面積和灌溉變化影響下1986—2015年的灌溉需水量。同時, 我們根據1970—1985年各縣播種總面積和個別縣各作物播種面積比例及有效灌溉比例, 推算研究區(qū)1970—1985年農作物灌溉需水量, 重建1970— 2015年雄安新區(qū)上游農業(yè)灌溉需水演變趨勢(圖7)。結果表明, 自1970年以來, 研究區(qū)農作物灌溉需水量急劇增加, 從1970年8.77×108m3到1986年的16.04×108m3, 增長了90.4%; 進入20世紀80年代中期后, 需水量及需水總量呈趨勢增長放緩, 主要受玉米、蔬菜、果樹播種面積增加影響, 農田灌溉需水量從1986年的16.04×108m3到1998年的20.86×108m3, 之后受我國整體糧食增產降低影響, 2004年達到階段內的低水平, 2005年后, 重新進入緩慢增長。因此, 人類活動影響下農業(yè)灌溉需水量仍呈緩慢上升趨勢。

3 結論與討論

農業(yè)是耗水大戶, 面對雄安新區(qū)嚴峻的水資源短缺和上游不斷下降的地下水漏斗, 優(yōu)化上游耗水結構和空間布局, 對于實現雄安新區(qū)及其所在流域水資源長期保障具有重要作用。本文利用作物模型和蒸發(fā)皿法, 估算了雄安新區(qū)上游20世紀70年代以來的農業(yè)灌溉需水量, 重建其時空演化趨勢。結果表明: 農業(yè)灌溉需水量變化受降水年際波動強烈影響, 以詳細計算1986—2015年的需水量為例, 1994—1996年是豐水年, 平均降水量達699 mm, 其需水深度較低, 在317.8~409.7 mm; 而1997—2001年是枯水年, 平均降水只有393 mm, 平均需水深度達540.87 mm, 而這5年也是保定市地下水水位下降最快的年份[32]。在消除降水年際波動的影響后, 農業(yè)用水總體呈現增加的趨勢, 20世紀80年代中期以后, 上升趨勢開始減緩, 這是由于70年代后期到80年代初, 是我國農業(yè)發(fā)展迅速的一個時間段, 無論播種面積和有效灌溉都在增加, 80年代后, 播種面積增加開始趨緩, 耗水量較大的蔬菜、果樹面積的增加, 成為農業(yè)需水增長的主要原因。

圖7 1970—2015年研究區(qū)農作物消除降水年際波動的灌溉需水模擬值變化

由于20世紀70年代尤其1985年以前的農業(yè)數據并不完整, 甚至缺乏, 因此, 關于70年代以來農業(yè)灌溉需水量的研究較少, 而這個時期是中國農業(yè)發(fā)展的關鍵時期, 農業(yè)對水資源變化的影響非常顯著。本文利用縣志中記載的播種面積、有效灌溉面積等數據恢復20世紀70年代以來在消除降水波動影響下的農業(yè)灌溉需水量, 但這種方法也存在不足: 首先, 統(tǒng)計數據沒有完全涉及每個縣市, 無法精確計算每個縣的農業(yè)灌溉需水量, 但本文重點討論的是農業(yè)灌溉需水量變化趨勢, 數據的缺乏對趨勢預測并沒有太大影響; 其次, 由于20世紀70年代電力和生產力發(fā)展水平的限制, 保證灌溉率不足, 導致本研究推算的70年代灌溉需水量偏高, 因此, 20世紀70年代農業(yè)灌溉需水量的增加趨勢比文中計算結果更加顯著, 這在未來進一步評估農業(yè)用水時要注意。

山區(qū)徑流減少導致了下游水資源的短缺, Tian等[33]研究了海河流域8個子流域的徑流變化趨勢, 發(fā)現徑流減少的時間突變點與農田面積的增加高度吻合, 由此證明人類農業(yè)生產活動是導致徑流減少的根本原因。本研究計算了唐河上游唐縣的農業(yè)灌溉需水量, 發(fā)現在20世紀80年代之前唐縣灌溉需水量平均0.19×108m3, 進入80年代, 由于播種面積迅速增加, 需水量平均高達0.33×108m3, 即使是2000年之后, 農業(yè)需水也仍呈增長趨勢, 這勢必導致唐河徑流的進一步減少。鑒于雄安新區(qū)上游山區(qū)灌溉需水總量仍呈上升趨勢, 未來山區(qū)來水減少的可能性更高, 因此, 有必要對雄安新區(qū)上游山區(qū)農業(yè)種植結構及耗水開展進一步研究。此外, 雄安新區(qū)上游平原區(qū)地下水水位總體呈下降趨勢, 1980—2006年地下水埋深下降幅度在8~25 m[34]。根據統(tǒng)計資料, 保定市由于農業(yè)用水而大量開采地下水, 平均每年超采7.94×108m3, 其中雄安新區(qū)地下水虧缺嚴重, 雄縣已經累計超采6.9×108m3。白洋淀作為雄安新區(qū)綠色發(fā)展的重要生態(tài)屏障, 每年需要調度補水2.55×108m3, 再加上雄安新區(qū)建設也需要大量水資源, 雄安新區(qū)供水安全將會面臨巨大挑戰(zhàn)。而農業(yè)用水嚴重制約了雄安新區(qū)以及上游水資源的可持續(xù)利用, 因此, 控制新區(qū)上游農業(yè)用水, 種植低耗水作物、減少耗水作物的種植面積, 成為恢復白洋淀和雄安新區(qū)清水產流的關鍵。

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Trend of agricultural plantation and irrigation requirements in the upper reaches of Xiong’an New Area*

BAI Zhijie1,2, REN Dandan1,2, YANG Yanmin1, HU Yukun1**, YANG Yonghui1**

(1. Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Laboratory of Water-Saving Agriculture / Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The agriculture is a major consumer of water. Since Xiong’an New Area is facing serious water shortage and groundwater declining, it is necessary to optimize the scale of upstream agriculture water use. By using crop models for simulating the irrigation requirements of wheat and maize, and taking the Pan-evaporation coefficient (p) approach to estimate the irrigation requirement of other crops, such as vegetables and fruit trees, our study reconstructed the spatial and temporal trend of agriculture plantation and irrigation requirement in the upper reaches of Xiong’an New Area from 1970. The proportion of irrigation requirements and time-dependent changes of different crops formed a clear trend. The results showed that the total planting area generally increased. There was no significant change in the area of cultivated land and the effective irrigated area. The average cultivated area for many years was 849 000 hm2, while the effective irrigated area averaged 713 000 hm2, accounting for 84% of the total cultivated land area. The planting area of wheat decreased slightly, the planting areas of maize and vegetables increased significantly, and the planting proportion of fruit trees increased in the mountain area and decreased in the plain area. The annual average irrigation requirement was 22.52×108m3, of which wheat, maize, vegetables, fruit trees, and other crops accounted for 58.6%, 12.6%, 5.8%, 16.3%, and 6.7% of the total irrigation requirement, respectively. The irrigation requirement of vegetables and fruit trees increased significantly, and was affected by the increase in planting area. Spatially, the total irrigation requirement increased significantly in the mountain area but decreased in the plain area. After elimination of the influence of annual precipitation fluctuation, the irrigation requirement showed a sharply increasing trend from 1970 to 2015, but slowed down in the mid-1980s. Owing to the increase of planting area and irrigation requirements of vegetables and fruit trees, the irrigation requirement showed a slow increasing tendency overall. Therefore, controlling the agricultural water use in the upper mountainous reaches of Xiong’an New Area, planting of low-water-consuming crops and reducing the planting area of water-consuming crops are keys to restoring water production for Xiong’an New Area. Finally, the sustainable utilization of regional water resources should be based on local natural conditions and the layout of agricultural production should be arranged in accordance with the spatial and temporal distribution of water resources to seek a coordinated development for the water-ecology-social economy of Xiong’an New Area.

Xiong’an New Area; Agricultural plantation; Crop irrigation requirement; Crop model; Pan-evaporation coefficient approach

HU Yukun, E-mail: huyk@sjziam.ac.cn; YANG Yonghui, E-mail: yonghui.yang@sjziam.ac.cn

Mar. 24, 2019;

Apr. 26, 2019

P339

2096-6237(2019)07-1067-11

10.13930/j.cnki.cjea.190323

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* 國家水專項課題(2018ZX07110001)、國家自然科學基金(41671021)和國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFD0300908-2)資助

胡玉昆, 主要從事農業(yè)用水與地下水模擬研究, E-mail: huyk@sjziam.ac.cn; 楊永輝, 主要從事水循環(huán)及其農業(yè)水資源等相關研究, E-mail: yonghui.yang@sjziam.ac.cn

白志杰, 研究方向為生態(tài)水文。E-mail: zjbai@sjziam.ac.cn

2019-03-24

2019-04-26

* This study was supported by the National Water Special Project of China (2018ZX07110001), the National Natural Science Foundation of China (41671021) and the National Key Research and Development Project of China (2017YFD0300908-2).