1957―2017年京津冀主要作物水分利用效率及節(jié)水潛力分析

崔秋利

（河南中天招標(biāo)代理有限公司，鄭州 450000）

0 引 言

水資源短缺以及農(nóng)業(yè)用水效率不高制約著京津冀一體化國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施。合理量化主要農(nóng)作物的節(jié)水潛力對(duì)于指導(dǎo)京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展，促進(jìn)京津冀一體化戰(zhàn)略實(shí)施具有一定指導(dǎo)意義。節(jié)水潛力可以分為“資源型”節(jié)水潛力和“效率型”潛力?！百Y源型”節(jié)水潛力通常指通過(guò)對(duì)供水進(jìn)行改造和調(diào)整以減少水分蒸發(fā)和深層滲漏可節(jié)約的水量[1]；“效率型”節(jié)水潛力通常指通過(guò)提高作物水分利用效率（WUE）可節(jié)約的水量。提高主要農(nóng)作物的水分利用效率已成為解決該地區(qū)水資源矛盾的一條重要途徑[2-4]。

目前大量學(xué)者對(duì)作物水分利用效率進(jìn)行了研究。商彥蕊等[5]分析了石家莊地區(qū)主要農(nóng)作物的理論灌溉需水量和實(shí)際灌溉水量，指出以現(xiàn)有的作物種植結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量水平為前提，石家莊冬小麥、夏玉米和棉花3種主要農(nóng)作物的灌溉節(jié)水潛力為3億～9億m3。丁志宏等[6]分析了海河流域“工程型”、“結(jié)構(gòu)型”和“效率型”節(jié)水潛力，三者分別為43.83億、12.46億和7.49億m3。房全孝等[7]指出華北地區(qū)小麥-玉米二熟制水分敏感期為孕穗期，播前灌溉的產(chǎn)量效應(yīng)差異明顯。以往節(jié)水潛力的計(jì)算大多依賴于現(xiàn)狀條件，對(duì)于主要作物WUE的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)以及各種措施條件下未來(lái)WUE可達(dá)的上限值關(guān)注較少。

本研究基于灌溉條件下的作物需水量以及雨養(yǎng)條件下的有效降水估算了1957—2017年京津冀地區(qū)冬小麥和夏玉米耗水量及水分利用效率，結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究提出未來(lái)海河流域冬小麥及夏玉米水分利用效率可以達(dá)到的上限值，估算了京津冀地區(qū)“效率型”節(jié)水潛力的范圍，并提出提高水分利用效率的措施。研究對(duì)于指導(dǎo)京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水實(shí)踐具有一定意義。

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 冬小麥、夏玉米耗水量計(jì)算

首先計(jì)算冬小麥和夏玉米逐年消耗的水資源量。對(duì)于灌溉區(qū)，單位面積冬小麥或夏玉米生育期內(nèi)消耗的水資源量用逐日參考作物蒸散量（ET0）乘以作物系數(shù)（Kc）的方法進(jìn)行估算。

式中：Cwu為灌溉區(qū)單位面積冬小麥或夏玉米生育期內(nèi)所消耗的水資源量（mm）；ET0為參考作物蒸散量（mm/d）；Kc為作物系數(shù)，為作物生長(zhǎng)階段的函數(shù)。作物生長(zhǎng)階段劃分為生育初期，快速生長(zhǎng)期，生育中期和生育末期4個(gè)階段。生育初期和生育中期，Kc為常量，二者分別等于Kcini和Kcmid，快速生育期，Kc從Kcini到Kcmid線性變化，生育末期Kc由Kcmid線性變化為Kcend。冬小麥和夏玉米各生育期長(zhǎng)度以及作物系數(shù)初始值來(lái)源于FAO，考慮到不同年份不同區(qū)域氣象條件不同，本研究對(duì)各年、各地區(qū)生育中期和生育末期的作物系數(shù)值進(jìn)行了修正。

參考作物蒸散量通過(guò) FAO 推薦的Penman-Monteith公式[8]進(jìn)行計(jì)算。

冬小麥和夏玉米生育中期、生育末期作物系數(shù)的修正方法[6]為：

式中：Kcmid為作物生育中期的作物系數(shù)；Kcend為作物生育末期的作物系數(shù)；Kctable為FAO作物系數(shù)表中推薦的作物生育中期或生育末期的作物系數(shù)值；u2指的是生長(zhǎng)中期或末期作物表面以上 2 m高度處的日平均風(fēng)速（m/s），用于1 m/s

對(duì)于雨養(yǎng)區(qū)，單位面積冬小麥和夏玉米生育期內(nèi)所消耗的水資源量通過(guò)有效降水與作物需水量之間的較小值估算。有效降水的計(jì)算參考了美國(guó)環(huán)保部土壤保持局推薦的方法[9-10]，該方法在國(guó)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[11-13]。有效降水逐旬進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算式為：

式中：Pe為旬有效降水量（mm）；P為旬降水量（mm）。

1.2 冬小麥、夏玉米水分利用效率及“效率型”節(jié)水潛力

本研究旨在討論作物水分利用效率提高所引起的作物需水量的減少，并未考慮充分利用灌溉水和降水對(duì)應(yīng)的“資源型”節(jié)水潛力。作物水分利用效率通常表示為產(chǎn)量與耗水量的比值[14]。對(duì)于冬小麥或夏玉米，其水分利用效率計(jì)算式：

式中：WUEi表示作物i的水分利用效率（kg/m3）；Cwuij表示j地區(qū)灌溉條件下作物i的耗水量（mm），本研究采用作物需水量估算；Aij表示j地區(qū)作物i的播種面積（hm2）；βij表示j地區(qū)作物i的灌溉面積占比。灌溉面積與雨養(yǎng)面積來(lái)源于Portmann等[15]整理的數(shù)據(jù)庫(kù)，灌溉面積由灌溉面積占二者之和的比例獲得。對(duì)于河北地區(qū)，冬小麥和夏玉米的灌溉面積占比分別取1.0和0.75；對(duì)于京津地區(qū)，冬小麥和夏玉米的灌溉面積分別取1.0和0.76。

“效率型”節(jié)水潛力指通過(guò)提高水分利用效率（WUE）帶來(lái)的節(jié)水潛力，其計(jì)算式為：

式中：ΔW表示節(jié)水潛力（m3）；Y表示總產(chǎn)量（kg）；WUE表示水分利用效率（kg/m3）；WUEP表示潛在水分利用效率（kg/m3）。潛在水分利用效率參考了國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)（http://data.cmn.cn/），數(shù)據(jù)包括了 1957―2017年逐日最高氣溫，最低氣溫，2 m高處的風(fēng)速，平均相對(duì)濕度及日照時(shí)間。作物生育期參數(shù)和作物系數(shù)的初始值來(lái)自聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）。農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以省劃分，通過(guò)中國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種植管理司下屬的中國(guó)農(nóng)業(yè)種植網(wǎng)（http://zzys.agri.gov.cn/nongqing.aspx）以及各省市統(tǒng)計(jì)年鑒獲得，數(shù)據(jù)包括 1957—2017年各省冬小麥及夏玉米的統(tǒng)計(jì)單產(chǎn)，播種面積以及總產(chǎn)量。各作物灌溉面積數(shù)據(jù)來(lái)源于 Portmann等[15]整理的MIRCA2000數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)于2013年更新。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥、夏玉米耗水量變化趨勢(shì)

冬小麥、夏玉米耗水量及產(chǎn)量的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 冬小麥、夏玉米耗水量及產(chǎn)量（1957―2017）Fig.1 Water consumption of winter wheat and summer maize(1957―2017)

由圖 1可以看出，1957—2017年冬小麥耗水量總體無(wú)顯著變化趨勢(shì)（r=0.108，P>0.05），多年平均耗水量約 152.94億 m3。冬小麥耗水量曾在 1961—1981年出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，其中，1961年冬小麥耗水量達(dá)到極小值101.72億m3，1961—1978年快速上升，1978年達(dá)到極大值206.4億m3，之后逐漸下降至正常水平。冬小麥耗水量與產(chǎn)量相關(guān)性不高（r=0.18）。1957—2017年夏玉米耗水量呈顯著上升趨勢(shì)（r=0.936，P<0.001），2017年夏玉米耗水量達(dá)到最大值（124.68億m3），相比較2017年上升了103%。夏玉米耗水量的上升趨勢(shì)可以用其播種面積的逐年擴(kuò)大來(lái)解釋，而研究期內(nèi)冬小麥播種面積呈先增加后減少趨勢(shì)[16]。

研究期內(nèi)，冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量均呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)。2017年冬小麥產(chǎn)量為1 573萬(wàn)t，較1957年上升了82.4%，2017年夏玉米產(chǎn)量為2 188萬(wàn)t，較1957年上升了68.0%。冬小麥、夏玉米產(chǎn)量的上升幅度均遠(yuǎn)高于冬小麥、夏玉米耗水量的變化幅度。說(shuō)明研究期內(nèi)冬小麥和夏玉米的水分利用效率提高了。

2.2 冬小麥、夏玉米WUE變化趨勢(shì)

冬小麥、夏玉米WUE的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，冬小麥和夏玉米的WUE均呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。冬小麥年均變化幅度為0.018 kg/m3。夏玉米年變化幅度為0.024 kg/m3。2017年冬小麥WUE為1.12 kg/m3，比2007年上升了83.5%；夏玉米水分利用效率為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年均高于冬小麥，說(shuō)明消耗相同體積的水，夏玉米能夠獲得更高的產(chǎn)量。

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

2.3 不同地區(qū)冬小麥、夏玉米WUE的差異

以2013—2017年為例分析了各地區(qū)冬小麥、夏玉米WUE的差異，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，冬小麥水分利用效率河北（1.07 kg/m3）>北京（0.81 kg/m3）>天津（0.80 kg/m3）；3個(gè)地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為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區(qū)平均值（1.06 kg/m3），北京和天津地區(qū)低于平均值。對(duì)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個(gè)地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為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區(qū)平均值（1.64 kg/m3），天津地區(qū)低于平均值。

圖3 各地區(qū)水分利用效率的比較Fig.3 Comparison of water use efficiency in different regions

2.4 冬小麥、夏玉米“效率型”節(jié)水潛力

盡管我國(guó)京津冀地區(qū)冬小麥和夏玉米水分利用效率得到了顯著提高，其仍然低于世界發(fā)達(dá)國(guó)家[11]，主要體現(xiàn)在灌溉管理方式上。本研究依據(jù)國(guó)內(nèi)外大量關(guān)于冬小麥和夏玉米水分利用效率的試驗(yàn)研究，認(rèn)為二者還有20%～30%的提升空間，可通過(guò)優(yōu)化生育期內(nèi)的灌溉方式，減少無(wú)效的地面蒸發(fā)等方式提高水分利用效率。

表1 冬小麥、夏玉米“效率型”節(jié)水潛力分析Table 1 Efficiency-based water-saving potential of winter wheat and summer maize

本研究假設(shè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)量不變的前提下冬小麥和夏玉米水分利用效率分別提高20%和30%，估算了冬小麥和夏玉米可節(jié)約的水資源量，結(jié)果如表1所示。由表1可知，2017年冬小麥、夏玉米的WUE分別為1.06 kg/m3和1.64 kg/m3。冬小麥WUE整體提高20%（增長(zhǎng)至1.27 kg/m3），此時(shí)冬小麥可節(jié)約水量24.2億 m3，其中，河北、北京、天津分別可節(jié)約水量21.1億、0.5億和2.6億m3。如果提升30%（增長(zhǎng)至1.38 kg/m3），冬小麥可節(jié)約水量33.6億m3，其中，河北、北京、天津分別可節(jié)約水量 30.1億、0.6億和2.9億m3。夏玉米WUE整體提高20%（至1.97 kg/m3），此時(shí)夏玉米可節(jié)約水量19.4億m3，其中，河北、北京、天津分別可節(jié)約水量17.4億、0. 2億和1.8億m3。如果提升30%（增長(zhǎng)至2.13 kg/m3），夏玉米可節(jié)約水量26.8億m3。其中，河北、北京、天津分別可節(jié)約水量24.1億、0.4億和2.3億m3。因此，在產(chǎn)量不變的前提下，如果冬小麥和夏玉米水分利用效率提高20%～30%，京津冀地區(qū)可節(jié)約水量43.6億～60.4億m3。盡管冬小麥的產(chǎn)量低于夏玉米，冬小麥與夏玉米相比具有更高的節(jié)水潛力。通過(guò)提高作物水分利用效率節(jié)約的水資源量可以有效減少地下水的開(kāi)采，緩解京津冀地區(qū)的水資源供需矛盾。

3 討 論

3.1 本研究與其他研究的對(duì)比

段愛(ài)旺等[17]根據(jù)20世紀(jì)80年代我國(guó)4 422個(gè)站點(diǎn)的10種作物的耗水量和產(chǎn)量數(shù)據(jù)，用加權(quán)平均法得到了全國(guó)灌溉農(nóng)田糧食作物的平均水分利用效率約為1.1 kg/m3。本研究計(jì)算了2008—2015年京津冀地區(qū)冬小麥和夏玉米的水分利用效率，二者分別為1.06 kg/m3和1.64 kg/m3，平均水分利用效率為1.32 kg/m3，高于其研究，主要因?yàn)榻陙?lái)冬小麥和夏玉米水分利用效率均有顯著增長(zhǎng)。Fan等[18]基于多元回歸分析估算了地面溝灌和微灌條件下的水分利用效率，指出小麥水分利用效率的取值范圍為0.54～1.73 kg/m3，均值為 1.13 kg/m3,冬小麥距離最大水分利用效率還有30.4%的空間，本研究結(jié)果與其接近。Wang等[19]指出華北地區(qū)冬小麥耗水量達(dá)到343.8 mm時(shí)水分利用效率達(dá)到最大值，為1.29 kg/m3，低于本研究對(duì)最大水分利用效率的估計(jì)，主要因?yàn)槠浠跈璩窃囼?yàn)站1984—1996年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，到近5 a冬小麥水分利用效率有了顯著提高。Sun等[20]指出華北平原冬小麥水分利用效率的取值范圍為 0.97～1.83 kg/m3。Zhang等[21]指出華北平原冬小麥WUE的取值范圍為0.93～1.51 kg/m3，指出可以通過(guò)減少灌溉的方式提高冬小麥的水分利用效率。劉增進(jìn)等[22]認(rèn)為北方冬小麥WUE介于0.87～1.72 kg/m3。閆永鑾等[23]研究了冬小麥拔節(jié)期水分脅迫以及復(fù)水條件下的水分利用效率，結(jié)果介于1.15～1.68 kg/m3。肖俊夫等[24]研究了不同灌水處理對(duì)冬小麥水分利用效率的影響，結(jié)果顯示W(wǎng)UE介于1.38～1.51 kg/m3。以上研究說(shuō)明本文提出的WUE提高30%，其達(dá)到1.38 kg/m3是可行的。

李小利等[25]研究指出華北地區(qū)滴灌施肥條件下夏玉米水分利用效率范圍為1.747～2.518 kg/m3。孟毅等[26]研究指出麥稈覆蓋條件下，夏玉米水分利用效率為2.0～2.48 kg/m3。其證實(shí)了本研究假設(shè)未來(lái)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]研究了美國(guó)中部平原半干旱環(huán)境下灌溉對(duì)玉米WUE的影響，結(jié)果表明WUE最大為1.62 kg/m3，其最大值低于本研究，主要因?yàn)樵摰貐^(qū)夏玉米的生育期長(zhǎng)度約為140 d，長(zhǎng)于我國(guó)華北平原，與本研究相比，較長(zhǎng)的生育期長(zhǎng)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產(chǎn)量與耗水量的比值。首先可以通過(guò)提高作物單產(chǎn)來(lái)提高水分利用效率。例如，改進(jìn)作物的品種，長(zhǎng)期以來(lái)，正是因?yàn)槎←湣⑾挠衩灼贩N的不斷改善[28]，使得其產(chǎn)量長(zhǎng)期處于增長(zhǎng)狀態(tài)。其次，可以通過(guò)優(yōu)化田間管理減少無(wú)效水的消耗。例如，通過(guò)改變耕作方式改善土壤的物理化學(xué)特性，通過(guò)優(yōu)化灌溉制度提高灌溉水的利用效率，或者通過(guò)覆膜和秸稈覆蓋的方式減少地面蒸發(fā)，從而減少株間土壤的耗水量。Hou等[29]基于寧夏南部3 a的田間試驗(yàn)指出不耕作與深耕交替可改善土壤的物理化學(xué)特性，提高冬小麥產(chǎn)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。李雙雙等[13]分析了華北平原冬小麥與夏玉米輪作條件下灌溉、騰發(fā)量、作物生長(zhǎng)及WUE之間的關(guān)系，指出可通過(guò)覆膜的方式減少土壤蒸發(fā)，而且可通過(guò)減少灌水頻率和灌水量的方式提高其水分利用效率。孟毅等[26]研究指出通過(guò)秸稈覆蓋的方式減少地面蒸發(fā)及增加地表溫度，覆蓋量4 120 kg/hm2時(shí)夏玉米水分利用效率最優(yōu)。

3.3 研究存在的不足

本研究?jī)H考慮了冬小麥和夏玉米水分利用效率提高所帶來(lái)的“效率型”節(jié)水潛力，對(duì)于提高灌溉渠系水以及降水的利用帶來(lái)的“資源型”節(jié)水潛力本研究暫時(shí)并未考慮，“資源型”節(jié)水潛力在農(nóng)業(yè)節(jié)水中的意義同樣不可忽視。

對(duì)于灌溉面積與雨養(yǎng)面積的區(qū)分，由于未找到京津冀地區(qū)雨養(yǎng)面積和灌溉面積的調(diào)查資料，本研究采用了Portmann等[15]整理的數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)于2013年更新。近年來(lái)隨著我國(guó)京津冀地區(qū)灌溉面積的擴(kuò)大，實(shí)際的灌溉面積占比會(huì)大于該調(diào)查值，進(jìn)而引起估算的作物耗水量和水分利用效率偏低，結(jié)果可能會(huì)造成估算的節(jié)水潛力偏大。

1970年以前，華北一些地區(qū)用水車灌溉，取用地下水量較少，灌溉面積占比可能低于當(dāng)前，同時(shí)存在灌溉能力不足的問(wèn)題。當(dāng)前京津冀的許多區(qū)域仍然存在灌水不足的問(wèn)題，冬小麥很多情況下只能灌一水，特別是井灌區(qū)屬于明顯的非充分灌溉。本研究假設(shè)灌溉區(qū)冬小麥全部為充分灌溉狀態(tài)，按此確定用水量會(huì)導(dǎo)致估算的作物耗水量和水分利用效率偏高，結(jié)果可能會(huì)造成估算的節(jié)水潛力偏小。

4 結(jié) 論

1）1957年以來(lái)，冬小麥、夏玉米WUE逐步提高，呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。夏玉米WUE高于冬小麥。

2）不同地區(qū)WUE顯著不同。以近5 a為例，冬小麥河北地區(qū)WUE最高，夏玉米北京地區(qū)WUE最高。

3）產(chǎn)量不變的前提下，如果冬小麥和夏玉米水分利用效率提高20%～30%，京津冀地區(qū)可節(jié)約水量43.6億～60.4億m3，冬小麥節(jié)水潛力高于夏玉米。