白洋淀流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力及種植結(jié)構(gòu)調(diào)整研究

楊艷敏 ，楊永輝 ，王 璐 ，任丹丹 ，白志杰 ，馬樂新 ，李傳哲

（1.中國科學(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，050021，石家莊；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，071000，保定；3.河北師范大學(xué)，050024，石家莊；4.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心 國家環(huán)境保護衛(wèi)星遙感重點實驗室，100094，北京；5.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，100038，北京）

作為華北平原最大淡水湖泊濕地，白洋淀生態(tài)價值非常突出，在緩洪治澇、蓄水灌溉、調(diào)節(jié)小氣候和維護生態(tài)環(huán)境平衡等方面具有重要作用。 白洋淀水生態(tài)不僅關(guān)系保定市、河北省，更是京津冀區(qū)域乃至全國水生態(tài)保護的晴雨表。 作為雄安新區(qū)規(guī)劃的核心區(qū)域，白洋淀水問題極為突出。一方面，來水量減少。改革開放以后，農(nóng)田灌溉大力發(fā)展，用水量劇增；21 世紀(jì)以來城市化進程不斷加快，地表水優(yōu)先供城市使用， 導(dǎo)致九條入淀河流“有河皆干”。另一方面，白洋淀地下水超采嚴重。 自20 世紀(jì)70 年代發(fā)展農(nóng)業(yè)以來， 灌溉需求主要通過開采地下水來滿足，地下水水位急劇下降，直接或間接導(dǎo)致白洋淀湖面萎縮。

作為用水大戶，白洋淀流域的農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的70%左右，因此，削減農(nóng)業(yè)用水量，恢復(fù)上游河道清水產(chǎn)流，是保證雄安新區(qū)水資源安全和綠色發(fā)展的關(guān)鍵。 本文從調(diào)整種植結(jié)構(gòu)的幾個方面開展研究，以期為提升雄安新區(qū)水安全保障能力提供借鑒。

一、農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀

1.農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)

白洋淀流域目前耕地面積84.9萬 hm2，有效灌溉面積達 71.3 萬 hm2，占總耕地面積的80.6%。 播種面積126.8 萬 hm2，其中小麥、玉米、蔬菜、水果分別占 32.4%、37.9%、13.1%和13.6%。 小麥和玉米多年平均播種面積 分 別 是 44.96 萬 hm2、44.82 萬hm2，是研究區(qū)主要的糧食作物；果樹以蘋果、梨、桃、葡萄和棗樹為主，占果樹種植面積的80%左右。 蔬菜主要包括25 種露地蔬菜，隨著人們生活需求提升，設(shè)施蔬菜面積比例快速增加。 此外區(qū)域還少量種植大豆、花生、棉花、紅薯、谷類等作物，這些作物主要在雨季生長，灌溉需水較少。

通過分析研究區(qū)農(nóng)作物空間分布特征，農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)在2000 年左右發(fā)生變化，由以糧食作物（小麥、玉米）為主轉(zhuǎn)變?yōu)榧Z食作物、蔬菜（包括設(shè)施蔬菜）、果樹并重；通過研究區(qū)農(nóng)作物播種面積趨勢分析及顯著性水平檢驗， 表明近30 年農(nóng)作物播種總面積總體呈上升趨勢, 其中小麥播種面積略有下降, 玉米、 蔬菜播種面積顯著增加, 而果樹的種植比例在山區(qū)增加，在平原區(qū)減少。

2.農(nóng)業(yè)灌溉需水量

研究區(qū)多年平均灌溉需水量為22.52 億 m3, 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%，小麥?zhǔn)茄芯繀^(qū)農(nóng)作物中耗水最多的。 豐水年、平水年、枯水年平均灌溉需水量分別為 12.80 億 m3、22.52 億 m3和26.20 億 m3。 從時間上看，小麥、玉米灌溉需水量變化均呈略有下降趨勢，而受播種面積增加影響， 蔬菜和果樹灌溉需水量顯著上升；從空間上看,灌溉需水總量在山區(qū)上升顯著, 而在平原區(qū)表現(xiàn)為下降。

3.農(nóng)民灌溉行為習(xí)慣

不同作物的實際灌溉用水量受諸多因素影響，農(nóng)戶灌溉行為習(xí)慣是其中最重要的因素，灌溉次數(shù)和灌溉用水量是實際用水量的決定性因素。本項目于2020 年對流域平原區(qū)灌溉制度和灌溉習(xí)慣進行了入戶調(diào)查。 調(diào)查結(jié)果表明，灌溉用水量主要與灌溉時長和灌溉用井的產(chǎn)水量有關(guān)，從節(jié)水潛力上看，灌溉次數(shù)對節(jié)水方案的制定更具有參考意義。 小麥灌溉次數(shù)多在 3～5 次，86%的農(nóng)戶選擇 4 次灌溉；玉米灌溉次數(shù)為0～2 次，絕大多數(shù)農(nóng)戶僅在播種時灌水1 次； 花生灌溉次數(shù)與玉米大致相同，灌溉次數(shù)多為1～2 次，68%的農(nóng)戶會灌溉 2 次。

蔬菜灌溉次數(shù)分別為：菜椒最少灌溉4 次，85%的農(nóng)戶選擇灌溉5 次；大白菜灌溉次數(shù)一般在播種后，蓮座期和結(jié)球期灌溉3 次左右；圓白菜與大白菜相似， 一般灌溉次數(shù)在 3～4次；干辣椒耐旱，但獲得高產(chǎn)的水分需求也很大， 一般灌溉次數(shù)在 3～4次；花菜每次灌溉量不宜過多，灌溉次數(shù)為3～5 次，88%的農(nóng)戶選擇灌溉4 次；西瓜灌溉次數(shù)多為4 次，12%的農(nóng)戶會灌溉5 次； 蘋果灌溉次數(shù)較多，為 6～8 次。

所有作物實際灌溉用水量的范圍750～3 900 m3/hm2，其中大蒜和小麥最高，分別為 3900m3/hm2和 3600m3/hm2。玉米和大豆最低，分別為1050m3/hm2和750m3/hm2。值得注意的是蔬菜作物如菜椒（2700m3/hm2）、圓白菜（2300 m3/hm2）等生育期較短的作物灌溉用水量也相對較高。

二、農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力與季節(jié)休耕

過去30 年來，我國大力發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)，經(jīng)過多年推廣和實踐，水的利用效率有了很大提高，如單方水的冬小麥生產(chǎn)效率從1.19 kg 提高到1.45 kg， 而夏玉米則從1.35 kg提高到1.98 kg， 單方水的糧食生產(chǎn)效率從0.81 kg 提高到1.35 kg。 但 “節(jié)水”和“用水減少”有著根本區(qū)別，在全球能源和資源領(lǐng)域被稱為“杰維斯效應(yīng)”，即效率提高不等于用量減少，水資源虧缺的局面反而越來越嚴重。 以白洋淀上游為例，2014 年高耗水的水果、蔬菜種植面積與1990 年相比分別增加了6.5 倍和3.9 倍，實際耗水高達22.5億m3，種植面積增加是造成白洋淀和雄安新區(qū)水資源短缺的主要原因。

種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，減少高耗水作物種植，削減水資源總量消耗才是農(nóng)業(yè)節(jié)水的有效途徑。 2014 年以來，我國每年撥款70 億元人民幣， 鼓勵地下水超采區(qū)農(nóng)民進行小麥休耕和糧飼輪作。 河北省每年實施200 萬畝（1畝=1/15 hm2，下同）季節(jié)性休耕，執(zhí)行“一季休耕、一季種植”，將種植冬小麥、夏玉米一年兩茬改為只種一茬玉米或其他雜糧作物。 目前休耕政策對地下水恢復(fù)產(chǎn)生顯著效果，但不同休耕制度的耗水機理、休耕期如何控草保墑以提升節(jié)水潛力、休耕制度和糧食安全之間的矛盾以及休耕制度的替代作物耗水機理等都需要深入研究，從而為下一步休耕政策制定提供科學(xué)支撐。

三、不同休耕制度的耗水機理

項目組對傳統(tǒng)小麥-玉米一年兩作制度（S0）和不同休耕制度包括一年一作小麥（SW）、一年一作玉米（SM）、兩年三作休小麥（SMWMF）、兩年三作休玉米（SMWFW）和全休（SF）進行了長時間段模擬，分析了不同制度的耗水特征。 小麥-玉米一年兩作的年均蒸散量和灌溉用水量分別為835 mm 和330 mm；一年一作小麥的年均蒸散量和灌溉用水量分別為679 mm和305 mm；一年一作玉米的年均蒸散量和灌溉用水量分別為577 mm 和72 mm； 兩年三作休小麥的年均蒸散量和灌溉用水量分別為685 mm 和180 mm； 兩年三作休玉米的年均蒸散量和灌溉用水量分別為756 mm 和253 mm；全休的年均蒸散量為419 mm，同時可對水資源補充85 mm。

SW、SM、SWMFM、SWMWF、SF5種植制度下農(nóng)田年均蒸散量分別比S0 傳統(tǒng)種植制度下減少19%、31%、18%、9%、50%； 小麥休耕季裸土的蒸發(fā)量約為160 mm，而玉米季裸土的蒸發(fā)量約為240 mm；現(xiàn)行有關(guān)種植制度大多推薦采用兩年三作， 而一年一作小麥農(nóng)田的蒸散量與之相近，且略低。

現(xiàn)狀種植制度S0 平均灌溉需水量為 330 mm，SW、SM、SWMFM、SWMWF、SF 種植制度下農(nóng)田年均灌水量分別比S0 傳統(tǒng)種植制度下減少47%、78%、45.5%、23.3%、126%。

四、休耕期節(jié)水潛力提升技術(shù)

一年一作玉米即小麥休耕相對一年兩作能節(jié)省灌溉用水258 mm，這是在小麥休耕季地面裸露沒有任何措施情況下的節(jié)水效果。 為減少因前期地面裸露或后期（5 月份以后）雜草叢生產(chǎn)生的無效水消耗，可以通過覆蓋或耕作措施提升節(jié)水潛力。 在2018—2020 年度通過大田試驗研究了白膜覆蓋、 黑膜覆蓋、 秸稈覆蓋、化學(xué)控草和淺耕等處理對節(jié)水效果的影響。結(jié)果表明，節(jié)水效果從大到小的順序依次為黑膜覆蓋、秸稈覆蓋、化學(xué)控草、淺耕、白膜覆蓋，對比休耕季沒有處理的節(jié)水量分別為177 mm、71 mm、62 mm、45 mm 和 8 mm。節(jié)水效果最差的是白膜覆蓋處理，主要原因是覆膜處理早期，保溫保濕作用促進雜草生長， 并在后期頂出地膜，使地膜失去保水作用。 而黑膜作用恰好相反， 由于擋光作用抑制雜草生長， 同時由于地膜對水汽交換的阻斷抑制了土壤的蒸發(fā)， 節(jié)水效果非常顯著。 除黑膜覆蓋處理控草效果顯著以外，秸稈覆蓋、淺耕和化學(xué)控草對控草效果也較好，淺耕和除草劑（控草）也比對照的雜草量減少50%以上。

五、替代作物耗水機理

采用6 個自動記錄大型蒸滲儀組合， 精確評估傳統(tǒng)種植小麥-玉米一年兩作和其替代種植模式如小麥-谷子、小麥-大豆、一年一作春玉米、綠豆-鮮食玉米、一年一作甘薯等種植制度中作物的耗水參數(shù)， 突破了常規(guī)觀測中因為手段不同、 大型儀器不足帶來的觀測誤差的難題。 兩年觀測結(jié)果表明，6 種種植模式年耗水量 （包括休耕期） 從高到低分別為小麥-玉米（856 mm）、一年一作甘薯（792 mm）、小麥-大豆（760 mm）、小麥-谷子（757 mm）、綠豆-鮮食玉米（755 mm）、一年一作春玉米（713 mm）。 5 種替代種植模式比傳統(tǒng)的小麥-玉米一年兩作節(jié)省水資源64～143 mm， 其中以一年一作春玉米的耗水量最低。

六、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整建議

1.小麥休耕與糧食安全

根據(jù)不同休耕制度的節(jié)水量，估算了研究區(qū)需要休耕多少面積才能達到地下水水位不下降的目標(biāo)，3 個情景分別為現(xiàn)狀水資源、外調(diào)引水2 億m3和 5 億 m3。例如一年一作玉米（SM），3個情景下需要分別將58%、40%、15%的農(nóng)田從傳統(tǒng)種植制度（冬小麥-夏玉米）轉(zhuǎn)變?yōu)镾M 的種植制度，其結(jié)果是小麥產(chǎn)量相應(yīng)減少55%、41%、18%。顯然，情景1 和2 下的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整方案將影響當(dāng)?shù)匦←湹淖越o自足。 又如兩年三作休小麥（SMWMF），在3 個情景下分別需要將99%、69%和26%的農(nóng)田從傳統(tǒng)種植制度轉(zhuǎn)變?yōu)镾MWMF 種植制度，小麥產(chǎn)量相應(yīng)減少47.5%、35%和15.5%， 這一調(diào)整策略中情景1 會影響當(dāng)?shù)氐男←溩越o自足。

2020 年11 月國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《關(guān)于防止耕地“非糧化”穩(wěn)定糧食生產(chǎn)的意見》（國辦發(fā)〔2020〕44 號），強調(diào)了糧食安全的重要性，白洋淀上游主要地區(qū)保定市在未來種植結(jié)構(gòu)調(diào)整中強調(diào)禁止耕地“非糧化”的政策,“到2021 年，全市糧食播種面積保持在1 010 萬畝以上，其中，小麥面積穩(wěn)定在414 萬畝以上，糧食總產(chǎn)量保持在400 萬噸以上”。 因此建議在實行休耕策略的同時， 配合調(diào)水方案，保證糧食供給安全。

2.加大調(diào)水力度，置換地下水源

休耕政策依靠國家補貼來推行，河北省休耕補貼是500 元/畝。一旦補貼停止，農(nóng)民將無法承擔(dān)與這些做法相應(yīng)的經(jīng)濟損失。 北京以南的河北平原是我國糧食主產(chǎn)區(qū)，該區(qū)域地勢平坦，適合大機械化作業(yè)，在我國農(nóng)村勞動力逐漸緊張的背景下，平原區(qū)糧食生產(chǎn)的作用越來越突出。 河北平原年均糧食總產(chǎn)量占全國的6%左右。保定-雄安所在區(qū)域為太行山山前平原高產(chǎn)區(qū)，根據(jù)長期研究，該區(qū)域灌溉水利用效率遠高于全國其他地區(qū)，每噸灌溉水生產(chǎn)糧食4～5kg。 如果用南水北調(diào)中線補給地下水支撐糧食生產(chǎn)， 則農(nóng)業(yè)的水資源補貼每0.5 kg 糧食低于0.12 元，且補貼的主要作物是小麥這一基本口糧， 通過增補地下水，適度補貼農(nóng)業(yè)，符合我國口糧安全國策。 因此建議加大“引江”和“引黃”調(diào)水力度，用地表水置換地下水，保證國家糧食安全。

3.休耕期采用保水控草措施提升節(jié)水潛力

小麥休耕相對于傳統(tǒng)的一年兩作節(jié)水258mm，如果在休耕期間對裸露的地面進行處理， 如黑膜覆蓋、秸稈覆蓋、淺耕、化控等，將比單純休耕提升 50～180mm 的節(jié)水能力。 建議休耕季節(jié)進行覆蓋或者耕作處理，進一步提升節(jié)水潛力。