基于農(nóng)業(yè)灌溉需水量計(jì)算的黃河三角洲作物結(jié)構(gòu)優(yōu)化

曹 丹，易 秀，陳小兵

(1.長安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710061；2.中國科學(xué)院海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 煙臺(tái) 264003)

黃河三角洲是黃河攜帶大量泥沙在渤海凹陷處沉積形成的沖積平原[1]，以利津?yàn)轫旤c(diǎn)，北到徒駭河口，南到小清河口，呈扇狀三角形，是我國三大河口三角洲之一。習(xí)近平總書記在《在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上的講話》中指出，黃河流域是我國重要的生態(tài)屏障和經(jīng)濟(jì)地帶，在我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位，下游的黃河三角洲要做好保護(hù)工作，促進(jìn)河流生態(tài)系統(tǒng)健康，提高生物多樣性。黃河三角洲地區(qū)后備土地資源豐富、開發(fā)潛力大[2]，同時(shí)也是我國重要的濕地生態(tài)保護(hù)區(qū)[3]。但該地區(qū)降水量時(shí)空分布不均，作為客水的黃河水存在著斷流、浪費(fèi)、污染等問題，淺層地下水礦化度過高難以直接利用[4]，境內(nèi)居民生活用水存在安全隱患，濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也易受到水資源短缺的破壞，農(nóng)業(yè)與工業(yè)爭奪水資源，其中農(nóng)業(yè)用水占比最重，占總用水量的70%以上[5]。水資源短缺已成為限制該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大障礙。

為更好地保障黃河流域經(jīng)濟(jì)與自然的和諧發(fā)展，需做好區(qū)域水資源的協(xié)調(diào)管理，使其既能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要以提供人口不斷增長所必需的糧食產(chǎn)量，又能減少農(nóng)業(yè)用水以保證生態(tài)用水，促進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展。關(guān)于如何高效利用黃河流域水資源，已有諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究闡述[6-9]。針對(duì)黃河三角洲地區(qū)水資源短缺的現(xiàn)狀，近年來有學(xué)者對(duì)其存在問題和解決措施進(jìn)行了探討[10-12]，但是這些研究大多是針對(duì)工程技術(shù)或政策法規(guī)，對(duì)調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)以合理分配水資源的研究較少。有學(xué)者根據(jù)不同作物的需水特性進(jìn)行了適當(dāng)?shù)墓?jié)水灌溉管理研究[13-16]，但黃河三角洲地區(qū)這方面的研究還比較欠缺，特別是對(duì)淋洗需水量的計(jì)算鮮有涉及。本文以位于黃河三角洲地區(qū)的東營市墾利區(qū)為例，通過計(jì)算當(dāng)?shù)刂饕魑锶诘男杷?、有效降水量及淋洗需水量，分析幾種作物的耗水能力，結(jié)合各作物的種植面積和單位面積產(chǎn)量，對(duì)該地區(qū)的作物種植結(jié)構(gòu)和灌溉方法提出合理的調(diào)整建議。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

東營市墾利區(qū)位于山東省北部黃河三角洲地區(qū)，區(qū)內(nèi)土壤母質(zhì)為黃河沖積物，質(zhì)地較輕，養(yǎng)分貧乏，鹽堿偏重[17]。0～15 cm土層中度鹽漬化土壤和鹽土面積最大，分別占43.37%和30.16%，其次為重度鹽漬化和輕度鹽漬化土壤[18]。研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年氣溫偏高，冬季出現(xiàn)階段性寒冷，春季溫暖濕潤，溫度回升快，夏季出現(xiàn)階段性酷熱；多年平均降水量約為550 mm，時(shí)空分布不均，6—8月為豐水期，早春、晚秋以及冬季雨量很少，甚至為0[19]。受海水倒灌、頻繁的旱澇氣候變化等因素影響，墾利區(qū)地下水位較淺、礦化度較高[20]，不能直接用于農(nóng)灌和人畜引用。境內(nèi)可利用的地表水資源主要有自然降水(自產(chǎn)徑流)和黃河客水水源(入境黃河水)兩部分[21]，降水量的時(shí)空分布不均以及黃河來水的斷流、污染等加劇了當(dāng)?shù)氐乃Y源供需矛盾[22]。墾利區(qū)種植的主要糧食作物有冬小麥、夏玉米和水稻，經(jīng)濟(jì)作物以棉花為主。冬小麥和夏玉米在輕度鹽堿地上輪作，中度鹽堿地可種植部分棉花，重度鹽堿地種植水稻以洗鹽壓堿，成為鹽堿改良帶[23]。根據(jù)《墾利年鑒》(2017)，墾利區(qū)2016年農(nóng)作物中玉米種植面積最大，約占30%，與棉花、水稻和小麥分別位居前4位，總共約占全部種植面積的89%。本文采用的氣象數(shù)據(jù)來源于墾利區(qū)氣象站2014年資料，包括墾利區(qū)逐日氣溫、降水量、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等氣象要素；標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)來自聯(lián)合國糧農(nóng)組織編寫的CropWaterRequirements。

2 灌溉需水量計(jì)算

本文主要研究的是灌溉水量與作物需水之間的供需關(guān)系，因此只考慮凈灌溉水量，不考慮灌溉用水在運(yùn)輸、配送等過程中的損失量。凈灌溉需水量可通過下式推算[24]：

(1)

式中：Dmin為凈灌溉需水量，mm；ETc為作物需水量，mm；LR為淋洗需水量，%。

凈灌溉需水量(下文稱灌溉需水量)由有效降水量和補(bǔ)充灌溉需水量組成，必須符合作物的需水規(guī)律，因此本文分別計(jì)算研究區(qū)主要作物生育期內(nèi)的總需水量、有效降水量和淋洗需水量，從而得出合理的補(bǔ)充灌溉需水量。

2.1 作物需水量

作物需水量ETc是灌溉用水的重要依據(jù)，多年來，各國極為重視對(duì)其的研究[25-29]。Penman-Monteith(P-M)方程是目前最常用的參考作物蒸散量計(jì)算方法，適用于各種應(yīng)用場合和氣候條件下的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行。研究表明，采用P-M方程估算蒸散量精度最高，穩(wěn)定性最好[30-31]。

本文采用P-M方程計(jì)算研究區(qū)逐日參考作物蒸散量，通過作物系數(shù)法，利用式(2)計(jì)算各階段及整個(gè)生育期內(nèi)的作物需水量：

ETc=KcET0

(2)

式中：Kc為作物系數(shù)，表示作物在不同生長階段所需的水分條件差異，一般通過田間試驗(yàn)獲取[32]；ET0為參考作物蒸散量，mm。

根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(Flood and Agriculture Origanziation of United Nations, FAO)提供的標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)[33]，如表1所示，本文主要統(tǒng)計(jì)研究區(qū)玉米、棉花、水稻、小麥4種作物的需水量，表1中Kcini、Kcmid和Kcend分別表示生長初期、生育中期和生育后期的Kc。

表1 FAO推薦的標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)

快速發(fā)育期和發(fā)育后期每個(gè)日序的作物系數(shù)由下式計(jì)算：

(3)

式中：Kci為第i天的作物系數(shù)；Lsi為第i天所處生育階段的長度，d；Kcni為第i天所處生育階段的下一個(gè)生育階段的作物系數(shù)；Kcpi為第i天所處生育階段的前一個(gè)生育階段的作物系數(shù)；∑Lpi為第i天所處生育階段之前所有生育階段的總長度，d。

研究區(qū)主要作物的初始生長期、快速發(fā)育期、生育中期和生育后期起止日期如表2所示。

表2 作物生育階段起止日期

2.2 有效降水量

農(nóng)業(yè)用水領(lǐng)域內(nèi)，有效降水量即為自然降水中實(shí)際補(bǔ)充到植物根層土壤中的凈水量[34]。有效降水量與氣象條件、地形特征、土壤特性、水文地質(zhì)以及耕作制度等因素有關(guān)，是制定作物灌溉制度、灌溉排水規(guī)劃、灌溉用水管理等的重要依據(jù)[35]。一般用有效降水系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算有效降水量[36]，即：

Pe=αPa

(4)

式中：Pe為有效降水量，mm/d；Pa為實(shí)際降水量，mm/d；α為有效降水系數(shù)。當(dāng)Pa<3 mm時(shí)，α=0；當(dāng)3 mm≤Pa<50 mm時(shí)，α=1；當(dāng)50 mm≤Pa<150 mm時(shí)，α=0.8；當(dāng)Pa≥150 mm時(shí)，α=0.70。

2.3 淋洗需水量

研究區(qū)內(nèi)輕度及中度鹽漬化土壤分布廣泛，灌溉會(huì)給土壤帶來大量鹽分，當(dāng)土壤中的鹽分積累到一定濃度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生鹽害問題，妨礙作物生長，導(dǎo)致作物產(chǎn)量顯著降低。因此，灌溉除了提供保證作物正常生長需要的水量外，還需要提供一些水量保證土壤鹽分的淋洗。淋洗需水量定義為為避免產(chǎn)量下降所需的最小淋洗水量比，該參數(shù)主要由所種植的作物類型、灌溉水水質(zhì)和土壤性質(zhì)決定。相對(duì)均一鹽分條件下可利用下式估算LR[37]：

(5)

式中：Dd為排出水量，mm；Di為灌溉水量，mm；σi為灌溉水的電導(dǎo)率，dS/m；σd為通過作物根區(qū)底部排水的電導(dǎo)率,dS/m。根層中容許的最高鹽濃度由種植作物的耐鹽閾值σe決定。在田間灌溉實(shí)踐中，σd與σe存在以下關(guān)系[38]：

σd=5σe-σi

(6)

研究區(qū)主要引黃河水灌溉，根據(jù)黃河山東段水質(zhì)監(jiān)測報(bào)告[39]，研究區(qū)境內(nèi)引黃灌溉水的平均電導(dǎo)率約為0.9 dS/m。根據(jù)美國鹽土實(shí)驗(yàn)室的作物耐鹽性資料[40]，研究區(qū)4種主要作物的耐鹽閾值σe及相應(yīng)的σd值如表3所示。

表3 作物耐鹽性閾值

2.4 水分盈虧指數(shù)

作物水分盈虧指數(shù)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測的重要指標(biāo)，反映了作物正常發(fā)育及生產(chǎn)對(duì)水分的需求[41]。計(jì)算公式如下：

(7)

式中I為水分虧缺指數(shù)。I>0表示農(nóng)田水分供應(yīng)充足，作物水分有盈余；I<0表示農(nóng)田水分供應(yīng)不足，作物水分虧缺。

3 結(jié)果與討論

3.1 計(jì)算結(jié)果

研究區(qū)4種作物全生育期的用水供需對(duì)比如表4所示，各生育階段的水分盈虧情況如表5所示。玉米對(duì)鹽分最敏感，淋洗需水量最大，但其蒸散量較少，生育期與自然降水的時(shí)間分布耦合度較高，因此水分虧缺程度最低，補(bǔ)充灌溉需水量也最低，屬于低耗水作物；水稻的鹽分敏感性僅次于玉米，屬于中度鹽敏感作物，淋洗需水量也相對(duì)較多，且水田種植的生理特點(diǎn)決定了其具有較高的作物需水量，因此最終補(bǔ)充灌溉需水量最多；小麥和棉花的耐鹽性相對(duì)較高，淋洗需水量不高，但冬小麥生育期主要在降水較少的春秋季節(jié)，作物需水與自然降水的耦合度較低，補(bǔ)充灌溉需水量僅次于水稻，棉花生育期內(nèi)需水量較高，僅次于水稻。

表4 墾利區(qū)主要作物灌溉需水量

表5 作物不同生育階段的水分盈虧指數(shù)

3.2 討論

李應(yīng)林等[42]采用196個(gè)氣象站1961—2000年的實(shí)測氣象資料和作物系數(shù)，對(duì)我國主要旱地作物多年平均生育期需水量進(jìn)行了估算，其中墾利區(qū)所處位置的估算結(jié)果為冬小麥600～700 mm、夏玉米300～400 mm、棉花約500 mm，均低于本文計(jì)算結(jié)果，原因是其研究范圍過大，不能準(zhǔn)確反映墾利區(qū)當(dāng)?shù)胤N植作物的具體需水情況。尹春艷[43]利用墾利區(qū)2013年9月至2014年9月的氣象數(shù)據(jù)和打漁張灌區(qū)實(shí)測作物系數(shù)估算作物生育期需水量，結(jié)果為冬小麥791 mm、夏玉米615 mm、棉花847 mm，與本文計(jì)算結(jié)果相近；計(jì)算的補(bǔ)充灌溉需水量結(jié)果為冬小麥442 mm、夏玉米133 mm、棉花353 mm，與本文計(jì)算結(jié)果相差較大。龔元石等[44]建立了農(nóng)田土壤水分模型，利用華北平原1951—1990年氣象資料和實(shí)測作物系數(shù)模擬計(jì)算土壤水分變化，估算得到的作物多年平均灌溉需水量為冬小麥200～250 mm、夏玉米0～50 mm、棉花150～200 mm，與本文計(jì)算結(jié)果相差較大。與本研究相比，尹春艷[43]的補(bǔ)充灌溉需水量估算中包含了地下水的利用量，龔元石等[44]的估算基于180～240 mm的土壤最大有效水量，且二者的研究均沒有考慮到淋洗需水量，因此估算結(jié)果顯著低于本文計(jì)算結(jié)果。另外，以上幾位學(xué)者的估算中均采用了實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算得到的作物系數(shù)值，與本文采用的FAO標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)值相比精確度更高。龔元石等[44]建立的模型只在作物關(guān)鍵需水期缺水時(shí)實(shí)施模擬灌水，與本研究相比，其灌溉需水量偏小。

根據(jù)表4，墾利區(qū)自然降水與作物需水耦合度較低，在不引水灌溉的情況下，作物普遍處于水分虧缺狀態(tài)，自然降水的補(bǔ)給量無法滿足作物對(duì)水分的需求。加大黃河引水灌溉又勢必會(huì)加劇當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活及生態(tài)3方對(duì)水資源需求的矛盾。為此，可開發(fā)地下微咸水資源，用微咸水或咸水淡水交替灌溉來替代淡水灌溉[45-47]，該方法適用于棉花等耐鹽作物，在一定程度上可緩解當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)田用水壓力，但長期使用會(huì)加重土壤的鹽分積累，需要采取進(jìn)一步的水鹽監(jiān)測和調(diào)控措施。除此之外，要提高農(nóng)業(yè)用水效率，還可以從擴(kuò)大低耗水作物種植面積、種植具有多種功能價(jià)值的耐鹽堿作物、耕種改良土壤等方面著手[48-53]，根據(jù)本文研究結(jié)果，參照作物的耗水特性，適當(dāng)調(diào)整作物的種植規(guī)模，以縮減農(nóng)業(yè)用水。

4 結(jié) 論

a.墾利區(qū)地下水礦化度高，不適于農(nóng)畜直接利用，境內(nèi)可利用的地表水資源主要是自然降水和黃河客水水源，而降水時(shí)空分布不均，黃河客水時(shí)有斷流且污染頻發(fā)，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水資源短缺。

b.玉米耗水量小而高產(chǎn)，應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大其種植比例；棉花的種植面積僅次于玉米，但單位面積產(chǎn)量低、收益小，且需水、耗水較多，應(yīng)盡量減少其種植面積；水稻和小麥產(chǎn)量高而耗水量大，應(yīng)在保留優(yōu)質(zhì)種種植面積的基礎(chǔ)上合理壓縮其種植比例，或調(diào)整種植制度，將玉米、小麥輪作改為一年種植春、夏兩季玉米。

c.種植棉花和水稻具有脫鹽抑鹽、改良土壤等效應(yīng)，可在鹽堿土壤上種植，兼用排水回用或微咸水進(jìn)行灌溉；種植水稻能將重度鹽堿地改良為中、輕度鹽堿地，在此基礎(chǔ)上可搭配玉米、小麥等高產(chǎn)糧食作物進(jìn)行輪作。