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

　　摘要：農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)不合理、高耗水作物種植比例偏大,造成白洋淀上游來(lái)水減少，加劇了淀區(qū)水資源短缺等問(wèn)題。分析了研究區(qū)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和耗水的時(shí)空變遷，并對(duì)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整中休耕的耗水機(jī)理和問(wèn)題開(kāi)展了深入研究，提出了種植結(jié)構(gòu)調(diào)整建議，為破解休耕制度與糧食安全之間的矛盾，保障雄安新區(qū)水安全提供科學(xué)支撐。

　　關(guān)鍵詞：種植結(jié)構(gòu)；調(diào)整；農(nóng)業(yè)耗水；休耕；糧食安全

　　作為華北平原最大淡水湖泊濕地，白洋淀生態(tài)價(jià)值非常突出，在緩洪治澇、蓄水灌溉、調(diào)節(jié)小氣候和維護(hù)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(guó)水生態(tài)保護(hù)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(wèn)題極為突出。一方面，來(lái)水量減少。改革開(kāi)放以后，農(nóng)田灌溉大力發(fā)展，用水量劇增；21世紀(jì)以來(lái)城市化進(jìn)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(yán)重。自20世紀(jì)70年代發(fā)展農(nóng)業(yè)以來(lái)，灌溉需求主要通過(guò)開(kāi)采地下水來(lái)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。

　　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(wàn)hm2，有效灌溉面積達(dá)71.3萬(wàn)hm2，占總耕地面積的80.6%。播種面積126.8萬(wàn)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(wàn)hm2、44.82萬(wàn)hm2，是研究區(qū)主要的糧食作物；果樹(shù)以蘋(píng)果、梨、桃、葡萄和棗樹(shù)為主，占果樹(shù)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(lèi)等作物，這些作物主要在雨季生長(zhǎng)，灌溉需水較少。

　　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(shù)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(shí)間上看，小麥、玉米灌溉需水量變化均呈略有下降趨勢(shì)，而受播種面積增加影響，蔬菜和果樹(shù)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。

　　二、農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力與季節(jié)休耕

　　過(guò)去30年來(lái)，我國(guó)大力發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)，經(jīng)過(guò)多年推廣和實(shí)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1.19kg提高到1.45kg，而夏玉米則從1.35kg提高到1.98kg，單方水的糧食生產(chǎn)效率從0.81kg提高到1.35kg。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(chēng)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(lái)越嚴(yán)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(shí)際耗水高達(dá)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。

　　三、不同休耕制度的耗水機(jī)理

　　項(xiàng)目組對(duì)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(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)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835mm和330mm；一年一作小麥的年均蒸散量和灌溉用水量分別為679mm和305mm；一年一作玉米的年均蒸散量和灌溉用水量分別為577mm和72mm；兩年三作休小麥的年均蒸散量和灌溉用水量分別為685mm和180mm；兩年三作休玉米的年均蒸散量和灌溉用水量分別為756mm和253mm；全休的年均蒸散量為419mm，同時(shí)可對(duì)水資源補(bǔ)充85mm。

　　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(duì)一年兩作能節(jié)省灌溉用水258mm，這是在小麥休耕季地面裸露沒(méi)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(wú)效水消耗，可以通過(guò)覆蓋或耕作措施提升節(jié)水潛力。在2018—2020年度通過(guò)大田試驗(yàn)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(duì)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(duì)比休耕季沒(méi)有處理的節(jié)水量分別為177mm、71mm、62mm、45mm和8mm。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(jìn)雜草生長(zhǎng)，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(zhǎng)，同時(shí)由于地膜對(duì)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(duì)控草效果也較好，淺耕和除草劑（控草）也比對(duì)照的雜草量減少50%以上。

　　五、替代作物耗水機(jī)理

　　采用6個(gè)自動(dòng)記錄大型蒸滲儀組合，精確評(píng)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(cè)中因?yàn)槭侄尾煌⒋笮蛢x器不足帶來(lái)的觀測(cè)誤差的難題。兩年觀測(cè)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（856mm）、一年一作甘薯（792mm）、小麥-大豆（760mm）、小麥-谷子（757mm）、綠豆-鮮食玉米（755mm）、一年一作春玉米（713mm）。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64~143mm，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(dá)到地下水水位不下降的目標(biāo)，3個(gè)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(gè)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(gè)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(huì)影響當(dāng)?shù)氐男←溩越o自足。

　　2.加大調(diào)水力度，置換地下水源

　　休耕政策依靠補(bǔ)貼來(lái)推行，河北省休耕補(bǔ)貼是500元/畝。一旦補(bǔ)貼停止，農(nóng)民將無(wú)法承擔(dān)與這些做法相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失。北京以南的河北平原是我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)，該區(qū)域地勢(shì)平坦，適合大機(jī)械化作業(yè)，在我國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力逐漸緊張的背景下，平原區(qū)糧食生產(chǎn)的作用越來(lái)越突出。河北平原年均糧食總產(chǎn)量占全國(guó)的6%左右。保定-雄安所在區(qū)域?yàn)樘猩缴角捌皆弋a(chǎn)區(qū)，根據(jù)長(zhǎng)期研究，該區(qū)域灌溉水利用效率遠(yuǎn)高于全國(guó)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(bǔ)給地下水支撐糧食生產(chǎn)，則農(nóng)業(yè)的水資源補(bǔ)貼每0.5kg糧食低于0.12元，且補(bǔ)貼的主要作物是小麥這一基本口糧，通過(guò)增補(bǔ)地下水，適度補(bǔ)貼農(nóng)業(yè)，符合我國(guó)口糧安全國(guó)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(duì)于傳統(tǒng)的一年兩作節(jié)水258mm，如果在休耕期間對(duì)裸露的地面進(jìn)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(jìn)行覆蓋或者耕作處理，進(jìn)一步提升節(jié)水潛力。

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