河北省灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)時(shí)空變化與影響因素研究

袁再健，謝櫨樂(lè)，沈彥俊

(1 河北科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 河北 石家莊 050018；2 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所 農(nóng)業(yè)資源研究中心, 河北 石家莊 050021)

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河北省灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)時(shí)空變化與影響因素研究

袁再健1,2，謝櫨樂(lè)1，沈彥俊2*

(1 河北科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 河北 石家莊 050018；2 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所 農(nóng)業(yè)資源研究中心, 河北 石家莊 050021)

以河北省為研究區(qū)，采用能值法從省、地級(jí)市、縣域三種空間尺度，年與多年兩種時(shí)間尺度探討2001—2011年河北省灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)的時(shí)空變化特征及其影響因素。結(jié)果表明:近11年來(lái)，河北省灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)多年平均值為0.49，并且時(shí)間上總體呈下降趨勢(shì)；河北省灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)空間差異顯著，東南平原地區(qū)明顯高于西北山部地區(qū)，在河北省11個(gè)地級(jí)市中，衡水的灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)最大，承德最小；灌溉用水、降水、人力投入、農(nóng)藥化肥施用、機(jī)械動(dòng)力投入等是影響河北省灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)的主要因素，但各因子的影響程度差異較大，其中灌溉與降水的影響最為顯著，且灌溉用水、人力投入與灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)有正相關(guān)關(guān)系，而其他因子與分?jǐn)傁禂?shù)是負(fù)相關(guān)關(guān)系。

灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)； 能值法； 尺度; 時(shí)空變化； 影響因素

灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)表示農(nóng)作物增產(chǎn)與品質(zhì)改善中因灌溉措施增加的效益所占總效益的比值。在干旱和半干旱地區(qū)，灌溉是確保作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的重要措施；但傳統(tǒng)的灌溉方式對(duì)水資源浪費(fèi)較嚴(yán)重，因此有必要開(kāi)展作物灌溉效益研究。計(jì)算灌溉效益常采用分?jǐn)傁禂?shù)法，而求解灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)是該方法的關(guān)鍵[1]。灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)也是水利工程可行性評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，對(duì)缺水地區(qū)的農(nóng)業(yè)水資源管理具有重要實(shí)踐意義。

近年來(lái)，學(xué)者對(duì)灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)開(kāi)展了理論和試驗(yàn)研究。如時(shí)光宇與沈佩君[2]根據(jù)淠史杭灌區(qū)灌溉實(shí)驗(yàn)資料，分析了該地區(qū)不同降雨年型的灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)；候真與于翠松[3]依據(jù)農(nóng)作物歷年產(chǎn)量變化分析了山東引黃灌區(qū)的灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)；杜貞棟等[4]研究了膠東水庫(kù)灌區(qū)長(zhǎng)把梨、蘋(píng)果、黃杏3種果樹(shù)的灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)；羅乾等[5]采用能值理論初步分析了連云港市灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)。由于確定灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)常規(guī)方法(即灌溉試驗(yàn)法和統(tǒng)計(jì)法)存在局限性，蔡守華與張展羽[1]提出了利用作物水分生長(zhǎng)函數(shù)、產(chǎn)量函數(shù)及柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)來(lái)計(jì)算灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)。目前對(duì)灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)的研究大多在某一區(qū)域(如某灌區(qū))進(jìn)行，時(shí)間上多為某年或多年平均值，沒(méi)有統(tǒng)一的研究方法，也缺少對(duì)其影響因素的深入探討。

河北是中國(guó)的產(chǎn)糧大省，也是我國(guó)缺水最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。農(nóng)業(yè)用水占總用水量的70%左右，平原地區(qū)灌溉用水占農(nóng)業(yè)用水的81.7%[6]，而農(nóng)業(yè)開(kāi)采灌溉水量占地下水總開(kāi)采量的78.82%，地下水的嚴(yán)重超采導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降進(jìn)而引起該地區(qū)大面積沉降[7]。發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)、緩解地下水開(kāi)采強(qiáng)度迫在眉睫，本研究基于能值法，多尺度分析河北省近年來(lái)的灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)，可為進(jìn)一步研究華北平原灌溉效益、發(fā)展節(jié)水高效農(nóng)業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省位于東經(jīng)113°27′～119°50′、北緯36°05′～42°40′之間，總面積18.88×104km2。地勢(shì)西北高、東南低，從西北向東南呈半環(huán)狀逐級(jí)下降。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，光熱資源豐富，多年平均氣溫為16 ℃，多年平均降水量為530 mm，并且降水時(shí)空分配不均，其中70%左右的降水集中在6—9月，降水總體上自東南向西北逐漸降低。農(nóng)作物種類(lèi)繁多，主要有小麥、玉米、棉花、大豆、高粱、花生等。

1.2 研究方法

能值概念由著名生態(tài)學(xué)家H.T.Odum首創(chuàng)，能值實(shí)質(zhì)包含能量、產(chǎn)品或勞務(wù)形成過(guò)程中直接或間接投入的有效能總量，即為其所具有的能值[8]。能值分析是以能值為基準(zhǔn)，把生態(tài)或經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中不可比較、不同種類(lèi)的能量轉(zhuǎn)換成同一標(biāo)準(zhǔn)的能值來(lái)衡量與分析[9]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)能值分析是研究農(nóng)業(yè)系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中投入、產(chǎn)出過(guò)程的能值流，以能值為量綱，綜合分析系統(tǒng)的能量流、物質(zhì)流動(dòng)態(tài)流動(dòng)過(guò)程以及它們之間的相互關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的灌溉用水能值投入量和總能值投入量之比定義為灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)[5,10]?；?001—2011年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒、河北省經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒、河北省環(huán)境質(zhì)量公報(bào)以及水情簡(jiǎn)報(bào)等相關(guān)資料，采用能值法計(jì)算河北省灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)。具體公式[5，9，11]如下：

E=τ×B,

(1)

B=m×l,

(2)

Es=Rs×S,

(3)

ERC=P×S×ρ×G,

(4)

ERP=R×H×S×ρ×g,

(5)

ESS=SES×CSOM×EOM×S,

(6)

ε=EAW/EAT。

(7)

式中：E表示能值(sej)；τ表示能值轉(zhuǎn)換率(sej/J或sej/g)，計(jì)算過(guò)程中的能值轉(zhuǎn)換率τ來(lái)源于他人文獻(xiàn)[8，9，12-14](見(jiàn)表1)；B表示能量(J)；m表示物質(zhì)的質(zhì)量(g)；l表示能量折算系數(shù)；ES表示年太陽(yáng)能(J/a)；S表示種植面積(m2)；Rs表示單位面積年太陽(yáng)輻射量(J/(m2·a));ERC表示年雨水化學(xué)能(J/a)；P表示年降水量(m/a)；ρ表示雨水密度(kg/m3)；G表示雨水的吉布斯自由能(J/kg)；ERP表示年雨水勢(shì)能(J/a)；H表示海拔(m)；g表示重力加速度(m/s2)；ESS表示表層土年損耗能(J/a)；SES表示表層土年侵蝕量(g/(m2·a))；CSOM表示土壤有機(jī)質(zhì)含量(%)；EOM表示每克有機(jī)質(zhì)所含能量(J/g)；ε為灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)；EAW為農(nóng)業(yè)灌溉投入總能值(sej)，包括農(nóng)業(yè)灌溉水資源自身投入與灌溉設(shè)施投入；EAT為農(nóng)作物生產(chǎn)系統(tǒng)投入的總能值(sej)，包括可更新環(huán)境資源能值EAR(太陽(yáng)能、灌溉用水、雨水化學(xué)能等)、不可更新環(huán)境資源能值EAN(表層土損失)、不可更新工業(yè)輔助能值EAF(電力、農(nóng)業(yè)機(jī)械、農(nóng)藥、化肥等)以及可更新有機(jī)能值EARI(人力、種子等)。

表1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)能值轉(zhuǎn)換率Tab.1 Energy conversion rate of the agricultural production system

*河北省農(nóng)田灌溉用水主要來(lái)自地下水，這里的灌溉水能值轉(zhuǎn)換率采用地下水的能值轉(zhuǎn)換率[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 系統(tǒng)能值流計(jì)算

根據(jù)Odum[8]的能量系統(tǒng)符號(hào)語(yǔ)言，繪制了河北省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的能值流動(dòng)圖(圖1)，系統(tǒng)主要輸入能值包括可更新環(huán)境資源能值(EAR)、不可更新環(huán)境資源能值(EAN)、不可更新工業(yè)輔助能值(EAF)與可更新有機(jī)能值(EARI)，系統(tǒng)產(chǎn)出(EAY)主要是農(nóng)產(chǎn)品。

利用公式(1)與(2)得到全河北省(表2)、11個(gè)地級(jí)市、138個(gè)縣(域)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)能值?？梢钥闯觯?001年到2011年，盡管EAR中的太陽(yáng)能、雨水化學(xué)能及雨水勢(shì)能波動(dòng)不大，但EAR有顯著降低的趨勢(shì)，主要是因?yàn)镋AR中的灌溉用水化學(xué)能顯著降低；EAN的年際波動(dòng)不大；EAF呈顯著上升的趨勢(shì)，且其包括的每一項(xiàng)都在逐年上升；EARI呈顯著降低的趨勢(shì)，主要是因?yàn)槿肆ν度氲闹鹉觑@著減少；總能值投入與產(chǎn)出都呈顯著上升。總的來(lái)看，近11年來(lái)工業(yè)輔助能有顯著增長(zhǎng)，而可更新自然資源投入減少，表明河北省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)化石能源的消耗與依賴(lài)程度均大幅增加。

圖1 河北省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)能值流動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Energy flow diagram of the agricultural production system in Hebei province

表2 河北省2001—2011年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)能值投入產(chǎn)出表*Tab.2 Input-output of agricultural system energy in Hebei province from 2001 to 2011 sej

*(1)太陽(yáng)能、雨水化學(xué)能、雨水勢(shì)能實(shí)際上都是由太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化而來(lái)，所以只取其中最大的一項(xiàng)與灌溉水化學(xué)能之和作為可更新環(huán)境資源投入總量。(2)由于資料缺乏，考慮到河北省近年來(lái)灌溉設(shè)施投入狀況，灌溉設(shè)施投入能值取農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力能值投入的20%。

2.2 灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)的時(shí)空變化分析

在能值分析基礎(chǔ)上，利用公式(3)—(7)計(jì)算全省、11個(gè)地級(jí)市與138個(gè)縣域的農(nóng)業(yè)灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)(圖2—5)?？梢钥闯觯喔葘?duì)河北省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)極為重要，因灌溉增加的效益占總效益的50%左右(見(jiàn)圖2)，這與郭先平[15]、吳恒安和徐詠久[16]分別在冀東濱海平原區(qū)與邢臺(tái)分析的結(jié)果接近，他們分析的灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)分別是0.4與0.44。從時(shí)間上來(lái)看，河北省的灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)呈下降趨勢(shì)(見(jiàn)圖2、3)，表明灌溉在糧食產(chǎn)量中的貢獻(xiàn)有所下降，一方面是由于節(jié)水技術(shù)的實(shí)施(如作物節(jié)水品種的選用及灌溉條件的改善等)，另一方面由于化肥、機(jī)械等貢獻(xiàn)率有所上升(比如化肥的貢獻(xiàn)率上升了16.5%，由2001年的0.236上升到2011年的0.275)，但灌溉對(duì)作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)要遠(yuǎn)大于化肥、機(jī)械及其他項(xiàng)目。

圖2 河北省2001—2011年灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)Fig.2 Share coefficient of irrigation benefit in Hebei province from 2001 to 2011

圖3 河北省2001—2011年各地市灌溉 效益分?jǐn)傁禂?shù)年際變化Fig.3 Share coefficient of irrigation benefit for each city in Hebei province from 2001 to 2011

從空間上來(lái)看，11個(gè)地級(jí)市中，衡水市的灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)最大，石家莊市次之，承德市最小(圖4);各市灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)從大到小依次為：衡水>石家莊>邢臺(tái)>邯鄲>保定>廊坊>唐山>滄州>秦皇島>張家口>承德。從縣(域)尺度來(lái)看，各縣的灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)也差異明顯，總體呈現(xiàn)出東南平原高、西北山區(qū)較低的特點(diǎn)(圖5)，這主要是因?yàn)樯絽^(qū)灌溉條件有限，“靠天吃飯”現(xiàn)象普遍，而東南平原區(qū)灌溉條件便利。

圖4 河北省2001—2011各市年均灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)Fig.4 Average annual of share coefficient of irrigation benefit for each city in Hebei province from 2001 to 2011

圖5 河北省2001—2011各縣年均灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)Fig.5 Average annual of share coefficient of irrigation benefit for each county in Hebei province from 2001 to 2011

2.3 灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)影響因素分析

灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)受眾多因素的影響，如降水、氣溫等氣象條件，作物品種，管理措施等。本研究重點(diǎn)分析降水、化肥施用、機(jī)械動(dòng)力、灌溉用水、農(nóng)藥、人力投入等對(duì)灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)的影響，各個(gè)因素的單位均為常用物理單位，為消除不同變量帶來(lái)的單位以及數(shù)量級(jí)的影響，建立主成分回歸模型如下：

ε=-0.116+0.301Irr+0.132Lf-0.309P-0.158Fer-0.156Mp-0.142Pe(R2=0.994,F=667.91)

(7)

式中：Irr為灌溉用水量(km3)；Lf為人力投入(萬(wàn)人)；Fer為化肥施用(104t)，Mp為農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力(104kW)，Pe為農(nóng)藥投入(104t)。由此可見(jiàn)，以上6個(gè)因子對(duì)河北省灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)都有不同程度的影響，其中以灌溉、降水最為顯著，并且除灌溉用水與人力投入外，其他因子與灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這與劉寶和與張大林[17]、時(shí)光宇和沈佩君[2]、郭斯瑞等[18]的研究結(jié)論基本一致，即在干旱、半干旱地區(qū)水是作物增產(chǎn)的決定因素，并且水的因素歷年均對(duì)灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)“有高度顯著影響”，降水量與灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)呈極顯著的直線負(fù)相關(guān)，灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)與灌水量呈直線正相關(guān)。

3 結(jié)論

近11年來(lái)，農(nóng)藥、化肥的大量施用與農(nóng)業(yè)機(jī)械的大量使用促進(jìn)了河北省農(nóng)作物增產(chǎn)，但灌溉對(duì)作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)要大于化肥、機(jī)械及其他項(xiàng)目，全省灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)在0.47～0.53之間，并且總體上呈逐年下降的趨勢(shì)?？臻g上，在河北省11個(gè)地級(jí)市中，衡水的灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)最大，石家莊次之，承德市最?。粡目h(域)尺度上來(lái)看，灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)呈東南高、西北低的特點(diǎn)。

灌溉用水、降水、農(nóng)藥化肥施用、農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力、人力投入是影響河北省灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)的主要因素，但各因子的影響程度差異較大，其中灌溉與降水的影響最顯著，并且灌溉、人力投入與灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)是正相關(guān)關(guān)系，其余因子與灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)是負(fù)相關(guān)關(guān)系。

基于有限的數(shù)據(jù)，本文從較宏觀的空間尺度(省、市、縣)初步分析了灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)的時(shí)空變化與影響因素。下一步我們將通過(guò)中國(guó)科學(xué)院欒城生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站定位試驗(yàn)及大量農(nóng)戶(hù)問(wèn)卷調(diào)查，從更微觀的尺度研究華北地區(qū)灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)及其影響機(jī)制，進(jìn)而開(kāi)展該地區(qū)灌溉效益研究。

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〔責(zé)任編輯 程琴娟〕

Spatial-temporal change and influencing factors of the share coefficient of irrigation benefit in Hebei province

YUAN Zaijian1,2, XIE Luyue1, SHEN Yanjun2*

(1 School of Economics & Management, Hebei University of Science & Technology,Shijiazhuang 050018, Hebei, China;2 Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology,Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050021, Hebei, China)

Taking Hebei province as the study area, the spatial-temporal change and influencing factors of the share coefficient of irrigation benefit from 2001 to 2011 were discussed based on province, prefecture-level city and county spatial scales, year and years time scales. The results showed that, irrigation is extremely important in Hebei province, and the mean annual sharing coefficient of irrigation benefit is 0.49 with an overall decreasing trend in past 11 years. However, the share coefficient of irrigation benefit in southeastern plain is much higher than that in northwest mountain area with a significant spatial difference.Among the 11 prefecture-level cities, the share coefficient of irrigation benefit in Hengshui is the highest and Chengde is lowest. There are many factors affecting the share coefficient of irrigation benefit, such as irrigation water, precipitation, labor input, the application of pesticide and fertilizer, mechanical power input and so on.The influence of irrigation and precipitation on the coefficient is most significant, and irrigation and labor input have positive influence on the coefficient, while other factors have negative correlation with the coefficient in Hebei province.

share coefficient of irrigation benefit; energy methods; scale; spatial-temporal change; influencing factor

1672-4291(2015)03-0093-05

10.15983/j.cnki.jsnu.2015.03.434

2014-10-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41471027,40901130)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10457205)；河北省高等學(xué)校青年拔尖人才項(xiàng)目(BJ2014078)

袁再健，男，教授，博士，主要從事生態(tài)水文、水土保持以及GIS應(yīng)用研究。E-mail：selfsurpass@163.com

*通信作者：沈彥俊，男，研究員。E-mail：yjshen@sjziam.ac.cn

P641.8; S274

A