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家戰(zhàn)略的實施。合理量化主要農(nóng)作物的節(jié)水潛力對于指導(dǎo)京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展，促進京津冀一體化戰(zhàn)略實施具有一定指導(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。“資源型”節(jié)水潛力通常指通過對供水進行改造和調(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)者對作物水分利用效率進行了研究。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)水潛力的計算大多依賴于現(xiàn)狀條件，對于主要作物WUE的長期變化趨勢以及各種措施條件下未來WUE可達的上限值關(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)合國內(nèi)外相關(guān)研究提出未來海河流域冬小麥及夏玉米水分利用效率可以達到的上限值，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。研究對于指導(dǎo)京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水實踐具有一定意義。

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 冬小麥、夏玉米耗水量計算

首先計算冬小麥和夏玉米逐年消耗的水資源量。對于灌溉區(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)，為作物生長階段的函數(shù)。作物生長階段劃分為生育初期，快速生長期，生育中期和生育末期4個階段。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度以及作物系數(shù)初始值來源于FAO，考慮到不同年份不同區(qū)域氣象條件不同，本研究對各年、各地區(qū)生育中期和生育末期的作物系數(shù)值進行了修正。

參考作物蒸散量通過 FAO 推薦的Penman-Monteith公式[8]進行計算。

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有效降水與作物需水量之間的較小值估算。有效降水的計算參考了美國環(huán)保部土壤保持局推薦的方法[9-10]，該方法在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用[11-13]。有效降水逐旬進行計算，計算式為：

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]。對于冬小麥或夏玉米，其水分利用效率計算式：

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)面積來源于Portmann等[15]整理的數(shù)據(jù)庫，灌溉面積由灌溉面積占二者之和的比例獲得。對于河北地區(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)水潛力指通過提高水分利用效率（WUE）帶來的節(jié)水潛力，其計算式為：

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內(nèi)外相關(guān)文獻。

1.3 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于氣象數(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，平均相對濕度及日照時間。作物生育期參數(shù)和作物系數(shù)的初始值來自聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）。農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)以省劃分，通過中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種植管理司下屬的中國農(nóng)業(yè)種植網(wǎng)（http://zzys.agri.gov.cn/nongqing.aspx）以及各省市統(tǒng)計年鑒獲得，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)來源于 Portmann等[15]整理的MIRCA2000數(shù)據(jù)庫，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

冬小麥、夏玉米耗水量及產(chǎn)量的變化趨勢見圖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顯著變化趨勢（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，其中，1961年冬小麥耗水量達到極小值101.72億m3，1961—1978年快速上升，1978年達到極大值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（r=0.936，P<0.001），2017年夏玉米耗水量達到最大值（124.68億m3），相比較2017年上升了103%。夏玉米耗水量的上升趨勢可以用其播種面積的逐年擴大來解釋，而研究期內(nèi)冬小麥播種面積呈先增加后減少趨勢[16]。

研究期內(nèi)，冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量均呈顯著增長趨勢。2017年冬小麥產(chǎn)量為1 573萬t，較1957年上升了82.4%，2017年夏玉米產(chǎn)量為2 188萬t，較1957年上升了68.0%。冬小麥、夏玉米產(chǎn)量的上升幅度均遠高于冬小麥、夏玉米耗水量的變化幅度。說明研究期內(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

冬小麥、夏玉米WUE的變化趨勢見圖2。從圖2可以看出，冬小麥和夏玉米的WUE均呈線性增長趨勢。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)達國家[11]，主要體現(xiàn)在灌溉管理方式上。本研究依據(jù)國內(nèi)外大量關(guān)于冬小麥和夏玉米水分利用效率的試驗研究，認(rèn)為二者還有20%～30%的提升空間，可通過優(yōu)化生育期內(nèi)的灌溉方式，減少無效的地面蒸發(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)未來一段時間內(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%（增長至1.27 kg/m3），此時冬小麥可節(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比

段愛旺等[17]根據(jù)20世紀(jì)80年代我國4 422個站點的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，主要因為近年來冬小麥和夏玉米水分利用效率均有顯著增長。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)冬小麥耗水量達到343.8 mm時水分利用效率達到最大值，為1.29 kg/m3，低于本研究對最大水分利用效率的估計，主要因為其基于欒城試驗站1984—1996年的觀測數(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，指出可以通過減少灌溉的方式提高冬小麥的水分利用效率。劉增進等[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。以上研究說明本文提出的WUE提高30%，其達到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。其證實了本研究假設(shè)未來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]研究了美國中部平原半干旱環(huán)境下灌溉對玉米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，主要因為該地區(qū)夏玉米的生育期長度約為140 d，長于我國華北平原，與本研究相比，較長的生育期長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。首先可以通過提高作物單產(chǎn)來提高水分利用效率。例如，改進作物的品種，長期以來，正是因為冬小麥、夏玉米品種的不斷改善[28]，使得其產(chǎn)量長期處于增長狀態(tài)。其次，可以通過優(yōu)化田間管理減少無效水的消耗。例如，通過改變耕作方式改善土壤的物理化學(xué)特性，通過優(yōu)化灌溉制度提高灌溉水的利用效率，或者通過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、作物生長及WUE之間的關(guān)系，指出可通過覆膜的方式減少土壤蒸發(fā)，而且可通過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時夏玉米水分利用效率最優(yōu)。

3.3 研究存在的不足

本研究僅考慮了冬小麥和夏玉米水分利用效率提高所帶來的“效率型”節(jié)水潛力，對于提高灌溉渠系水以及降水的利用帶來的“資源型”節(jié)水潛力本研究暫時并未考慮，“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，該數(shù)據(jù)庫于2013年更新。近年來隨著我國京津冀地區(qū)灌溉面積的擴大，實際的灌溉面積占比會大于該調(diào)查值，進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，同時存在灌溉能力不足的問題。當(dāng)前京津冀的許多區(qū)域仍然存在灌水不足的問題，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)果可能會造成估算的節(jié)水潛力偏小。

4 結(jié) 論

1）1957年以來，冬小麥、夏玉米WUE逐步提高，呈線性增長趨勢。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。