華北平原不同種植模式作物耗水監(jiān)測(cè)與特點(diǎn)分析

蔣柯南, 龔道枝,2,3, 李曉婕,2,3, 毛麗麗,2,3, 韓衛(wèi)華, 趙瑞平, 陳 佩

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所, 北京 100081; 2.作物高效用水與抗災(zāi)減損國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081; 3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

1 研究背景

華北平原具有世界上最大的地下水漏斗群[1]。20世紀(jì)80年代至2014年華北平原西部淺層地下水水位下降了20～60 m[2](2015年數(shù)據(jù)),2018年地下水累計(jì)超采1 400×108m3[3],2021年末淺層地下水埋深為16.18 m,深層地下水埋深為46.38 m(河北省平原區(qū)數(shù)據(jù)),寧柏隆淺層地下水漏斗深達(dá)40.51 m,廊坊市文安縣深層地下水漏斗深達(dá)97.54 m[4]。近幾年華北平原地下水水位有回升趨勢(shì),但是地下水埋深過(guò)大造成的生態(tài)環(huán)境破壞和對(duì)糧食生產(chǎn)產(chǎn)生的可持續(xù)性影響仍需加以重視。華北平原地下水超采的主要原因是農(nóng)業(yè)集約度較高[5],高耗水的冬小麥-夏玉米一年兩熟的種植模式被大面積采用,該種植模式下年均水分虧空達(dá)200 mm,造成當(dāng)?shù)毓喔刃枰蕾?lài)于開(kāi)采地下水以滿足作物生長(zhǎng)需要,不利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

為了維護(hù)國(guó)家糧食安全,需要在穩(wěn)定糧食生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上適度壓縮地下水的開(kāi)采。針對(duì)不同類(lèi)型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的具體耗水量,目前已有多方面的調(diào)查研究:張雅芳等[6]基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)和遙感影像分析了華北平原種植結(jié)構(gòu)變化,發(fā)現(xiàn)2002—2012年河北省冬小麥-夏玉米的種植面積減少了43.18×104hm2,認(rèn)為種植規(guī)模的減小是當(dāng)?shù)刈魑锟傂杷拷档偷闹饕?Zhang等[7]通過(guò)研究指出,梨樹(shù)的耗水量高于玉米和小麥,華北平原的果樹(shù)種植面積不應(yīng)再持續(xù)增加。因此適度壓縮高耗水作物如冬小麥、水果、蔬菜[8-9]等的種植強(qiáng)度以及縮減種植面積、調(diào)整作物熟制和采取替代種植模式等,均為壓采地下水潛在的有效措施。

在不改變作物種類(lèi)的情況下提高用水效率,需要改變作物生長(zhǎng)時(shí)段以調(diào)整資源分配和效益成本比例。周寶元等[10]研究發(fā)現(xiàn)晚播小麥和晚收玉米的雙晚模式能夠降低冬小麥的需水量,該模式雖然會(huì)降低冬小麥產(chǎn)量,但是夏玉米產(chǎn)量會(huì)得到顯著提升,且玉米便于收獲和儲(chǔ)存,周年水分利用效率得到提高。陳素英等[11]研究了雨養(yǎng)條件下不同熟制的小麥-玉米模式的產(chǎn)量、耗水量與效益,發(fā)現(xiàn)春玉米一年一熟制與冬小麥-夏玉米模式的經(jīng)濟(jì)效益相近,而前者耗水量?jī)H為后者的66.1%。郭步慶等[12]的研究結(jié)果表明,四年三熟春玉米均不使用地下水灌溉,且單季產(chǎn)量較高;春玉米與小麥-玉米模式的輪作產(chǎn)量?jī)H降低了19%,但是小麥/玉米-春玉米兩年三熟制除了會(huì)使產(chǎn)量減少外,還會(huì)造成休閑期無(wú)效耗水量的增加[13]。因此,在穩(wěn)定產(chǎn)量和效益、在正確的時(shí)間使用適量的地下水以及評(píng)估農(nóng)業(yè)對(duì)地下水的影響程度以保持地下水可持續(xù)開(kāi)采是調(diào)整種植模式的核心思路。

在多種替代種植模式研究方面,目前的主要結(jié)論是:小麥-玉米一年兩熟制有較高的經(jīng)濟(jì)收益但會(huì)消耗大量的水資源儲(chǔ)量,在該種植模式中使用經(jīng)濟(jì)作物替換糧食作物,可以在經(jīng)濟(jì)損失較小的基礎(chǔ)上減少對(duì)地下水的開(kāi)采[14-15]。孫宏勇等[16]研究認(rèn)為,棉花-冬小麥-夏玉米兩年三熟種植模式比冬小麥-夏玉米種植模式的經(jīng)濟(jì)效益高,并且對(duì)地下水的影響更小。大量研究也表明,多種作物交替種植可以使不同作物對(duì)水分的時(shí)空利用產(chǎn)生互補(bǔ)效應(yīng),從而減少地下水的消耗并提高土壤含水量[17-18]。替代種植模式中糧食作物的產(chǎn)量也高于其在傳統(tǒng)種植模式中的產(chǎn)量[19]。Yang等[20]通過(guò)對(duì)欒城區(qū)6種灌溉作物歷時(shí)11年的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合模擬結(jié)果,論證了替代種植模式緩解地下水超采的可行性。但替代種植模式因涉及的作物品種多,生長(zhǎng)情況復(fù)雜,需要改變一定的種植技術(shù)和田間管理方式以及考慮作物產(chǎn)量、存儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)冉?jīng)濟(jì)因素,因此仍需要綜合比較和評(píng)價(jià)替代種植模式的經(jīng)濟(jì)效益、糧食產(chǎn)量和用水效率,以篩選出既能達(dá)到適水種植,又適宜當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)需求的種植模式。

上述研究結(jié)果為華北平原調(diào)整種植模式、節(jié)約農(nóng)業(yè)水資源奠定了理論基礎(chǔ),但是目前仍較缺乏對(duì)于改變冬小麥前茬作物的種植模式如何影響作物耗水、產(chǎn)量和水分利用效率以及環(huán)境因素對(duì)其影響等方面的研究。針對(duì)這一問(wèn)題,本文的研究?jī)?nèi)容為:(1)利用大型稱(chēng)重式蒸滲儀比較冬小麥-夏玉米、冬小麥-夏大豆和冬小麥-夏休閑3種種植模式下實(shí)際蒸散量的變化規(guī)律及其差異;(2)采用蒸散量與氣象因子、葉面積指數(shù)的關(guān)系曲線和估算公式以及FAO-56雙作物系數(shù)法,量化比較不同種植模式對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)特征;(3)直接測(cè)定并分析不同種植模式下作物周年的水量平衡組分和地下水采補(bǔ)量;(4)對(duì)比分析3種種植模式的產(chǎn)量、產(chǎn)值和水分利用效率。通過(guò)以上研究,將為華北平原尋找并推廣替代種植模式、優(yōu)化生產(chǎn)布局、減少地下水消耗、加強(qiáng)復(fù)雜種植模式應(yīng)對(duì)氣象因子變化的管理水平提供理論參考和數(shù)據(jù)支撐。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)站概況

試驗(yàn)在北京市順義區(qū)大孫各莊鎮(zhèn)國(guó)家農(nóng)業(yè)環(huán)境順義觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行(地理位置N40°05′、E116°55′,海拔20 m)。該基地位于華北平原北部,氣候?yàn)榈湫偷臏嘏瘞О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候,冬季受蒙古高壓控制,寒冷干燥;夏季受東南季風(fēng)的影響,炎熱多雨。年日照時(shí)數(shù)為2 684 h,年均氣溫為12.5 ℃,年均空氣相對(duì)濕度為50%,年均降水量為623.5 mm。土壤類(lèi)型為褐土,質(zhì)地為粉質(zhì)黏壤土,耕層全氮含量為0.109%,有機(jī)質(zhì)含量為14.4 g/kg,速效磷、速效鉀含量分別為24.5、106 mg/kg,pH為7.7。

2.2 試驗(yàn)處理和儀器布置

試驗(yàn)設(shè)置3種種植模式,分別為冬小麥-夏玉米(winter wheat-summer maize, WWSM)、冬小麥-夏大豆(winter wheat-summer soybean, WWSS)、冬小麥-夏休閑(winter wheat-summer fallow, WWSF)。試驗(yàn)中冬小麥品種為“中麥886”,夏玉米品種為“聯(lián)創(chuàng)808”,夏大豆品種為“中黃13”。試驗(yàn)地種植面積為300 m2,2021年10月24日每個(gè)處理均播種冬小麥,其前茬作物分別為夏玉米、夏大豆、夏休閑。2022年6月冬小麥?zhǔn)斋@測(cè)產(chǎn),再播種玉米、大豆,并進(jìn)行一個(gè)休閑處理,于2022年10月將夏玉米和夏大豆收獲測(cè)產(chǎn)。按照當(dāng)?shù)毓芾泶胧┻M(jìn)行灌溉和施肥:夏季作物均為雨養(yǎng)、冬小麥灌溉四水,分別是出苗水240 m3/hm2、返青水600 m3/hm2、拔節(jié)水600 m3/hm2和灌漿水640 m3/hm2;每種作物均施底肥復(fù)合肥600 kg/hm2、追肥450 kg/hm2。在各作物生長(zhǎng)期內(nèi)記錄作物生理指標(biāo)。每種種植模式在偏北部配置一臺(tái)大型稱(chēng)重式蒸滲儀(BSI-ZSY2021,西安碧水新環(huán)境技術(shù)有限公司),呈東西走向排列,蒸滲儀周?chē)N植相同作物并保持相同的農(nóng)作措施以減少蒸滲儀內(nèi)外環(huán)境差異。

2.3 數(shù)據(jù)測(cè)定

2.3.1 氣象資料 試驗(yàn)站氣象因子由HOBO自動(dòng)氣象站(Onset Computer Corp., USA)測(cè)定,包括降水量、風(fēng)速、2 m高度處氣溫、2 m高度處相對(duì)濕度、凈輻射、大氣壓和2 m高度處飽和水汽壓差。利用FAO-56中推薦的Penman-Monteith(PM)公式計(jì)算參考作物蒸散量ET0,表達(dá)式如下:

(1)

式中:ET0為參考作物蒸散量,mm/d;Rn為凈輻射,W/m2;G為土壤熱通量,W/m2;T為2 m高度處平均氣溫,℃;u2為2 m高度處風(fēng)速,m/s;VPD為水汽壓差,kPa;Δ為飽和水氣壓-溫度曲線斜率,kPa/℃;γ為濕度計(jì)常數(shù),kPa/℃。

2021年10月—2022年10月試驗(yàn)站的氣象因子和ET0隨時(shí)間的變化過(guò)程如圖1所示,當(dāng)?shù)叵募緝糨椛漭^強(qiáng)、氣溫較高、降雨主要集中在6—8月,冬季寒冷多風(fēng),空氣濕度全年變幅較大。在氣象因子綜合影響下,ET0冬季低且穩(wěn)定,7月達(dá)到峰值(圖1)。

圖1 2021年10月—2022年10月試驗(yàn)站氣象因子和ET0隨時(shí)間變化過(guò)程

2.3.2 蒸散量和滲漏量監(jiān)測(cè) 實(shí)際日蒸散量ETc由大型稱(chēng)重式蒸滲儀測(cè)定。蒸滲儀規(guī)格為2.0 m×2.0 m×2.3 m,主要結(jié)構(gòu)件有土箱、稱(chēng)重杠桿系統(tǒng)和自動(dòng)控制部分,自動(dòng)控制部分包括5TE傳感器、土壤溶液提取裝置、翻斗式滲漏量測(cè)量系統(tǒng)、排水系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理中心。土壤水分日滲漏量由翻斗式滲漏量測(cè)量系統(tǒng)記錄土體滲出水分得到。蒸滲儀每0.5 h測(cè)量一次數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)以Excel表格的形式保存在工控機(jī)內(nèi)。

2.3.3 作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量指標(biāo)觀測(cè) 每10～15 d記錄1次各作物的葉面積指數(shù)(leaf area index,LAI)和株高。冬小麥由于分蘗較多、植株密度大,選取40個(gè)莖稈測(cè)量葉面積和株高,并選取1 m長(zhǎng)的小麥行6行測(cè)定其莖稈數(shù),計(jì)算出平均植株莖稈密度。單葉面積采用卷尺測(cè)量有效長(zhǎng)度和寬度乘以葉形系數(shù)獲得,累加所有葉片計(jì)算植株總?cè)~面積,再根據(jù)植株莖稈密度計(jì)算LAI。夏玉米、夏大豆分別選取5個(gè)植株,用同樣的方法計(jì)算植株總?cè)~面積,再根據(jù)種植密度計(jì)算每個(gè)處理的LAI。根據(jù)作物植株生長(zhǎng)狀況記錄生育期。作物收獲時(shí)考種記產(chǎn),并匯總整個(gè)試驗(yàn)周期的農(nóng)作開(kāi)支與預(yù)計(jì)產(chǎn)值,得到種植模式的經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 作物蒸散模型參數(shù)確定及估算

2.4.1 作物蒸散數(shù)據(jù)的分組及與氣象因子的關(guān)系 將凈輻射、氣溫、水汽壓差等氣象因子和葉面積指數(shù)對(duì)蒸散的作用效應(yīng)相乘估算作物蒸散量。計(jì)算公式如下:

ETs=f(Rn)f(T)f(VPD)(LAIactive+k5)

(2)

式中:ETs為作物蒸散量的估計(jì)值,mm/d;Rn為凈輻射,W/m2;T為氣溫,℃;VPD為水汽壓差,kPa;LAIactive為有效葉面積指數(shù),m2/m2;k5為對(duì)于避免葉面積指數(shù)為零的調(diào)整參數(shù),m2/m2。

用于比較ET與氣象因子關(guān)系的子模型如下:

f(Rn)=k1ek2Rn

(3)

f(T)=1-k3(25-T)2

(4)

f(VPD)=1-k4·VPD

(5)

(6)

式中:k1、k2、k3、k4為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),為使大多數(shù)氣溫和水氣壓條件下子模型都為正數(shù),限制k3取值范圍為0～8.16×10-4,k4取值范圍為0～0.29。

為驗(yàn)證作物蒸散與單獨(dú)氣象因子的關(guān)系,使用公式(2)中的子模型來(lái)擬合實(shí)際蒸散與該氣象因子的關(guān)系,為減少環(huán)境因子的交互效應(yīng),需要控制其他因子不變或變化較小,使需要觀察規(guī)律的因子為正常范圍。

采用MATLAB 中自組織映射(self-organizing map, SOM)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類(lèi)工具箱將具有相似氣象因子和葉面積指數(shù)的日測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)分為兩類(lèi),表現(xiàn)為低蒸散型數(shù)據(jù)點(diǎn)和高蒸散型數(shù)據(jù)點(diǎn)兩類(lèi)。葉面積指數(shù)是作物發(fā)育中具有標(biāo)志性的參數(shù)之一,當(dāng)探究某一個(gè)氣象因子與蒸散的關(guān)系時(shí),SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)為除該因子外的其他氣象因子與LAI的組合。由于模型對(duì)初值敏感,使用MATLAB Sheffield遺傳算法工具箱結(jié)合多次邊界初步確定初值,之后根據(jù)參數(shù)物理意義確定其取值范圍,再使用MATLAB fmincon尋優(yōu)函數(shù)計(jì)算最終參數(shù)值。

對(duì)于非線性模型,因其不便于檢驗(yàn)回歸顯著性,故而將公式(2)兩邊取對(duì)數(shù),轉(zhuǎn)換成4因子的廣義線性模型,再計(jì)算F分布以檢驗(yàn)其回歸顯著性。

2.4.2 雙作物系數(shù)的確定及作物蒸散量估算 根據(jù)FAO-56中推薦的PM公式雙作物系數(shù)法估算不同種植模式的蒸散量。雙作物系數(shù)法將作物系數(shù)分為基礎(chǔ)作物系數(shù)Kcb和土壤蒸發(fā)系數(shù)Ke兩部分,再與參考作物蒸散量ET0相乘得到作物蒸散估計(jì)值,使用如下公式計(jì)算[21]:

ETc=(Ks·Kcb+Ke)·ET0

(7)

式中:ETc為實(shí)際作物蒸散量,mm;Kcb為基礎(chǔ)作物系數(shù);Ks為水分脅迫系數(shù);Ke為土壤蒸發(fā)系數(shù)。

基礎(chǔ)作物系數(shù)Kcb根據(jù)FAO-56推薦值,按照作物不同生長(zhǎng)期分段選取;水分脅迫系數(shù)Ks根據(jù)土壤含水量計(jì)算得出;土壤蒸發(fā)系數(shù)Ke通過(guò)水量平衡逐日遞推計(jì)算。選取均方根誤差(root mean square error,RMSE)、平均絕對(duì)誤差(mean absolute error,MAE)和納什效率系數(shù)(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient,NSE)[22]來(lái)比較雙作物系數(shù)法估算的ET與實(shí)際作物蒸散量ETc之間的差異。

2.5 不同水分利用效率指標(biāo)計(jì)算

本文使用水分利用效率(water use efficiency,WUE)表示單位耗水量生產(chǎn)的生物學(xué)產(chǎn)量,計(jì)算公式為:

(8)

式中:WUE為不同種植模式下作物的水分利用效率,kg/m3;Y為不同種植模式下作物的干物質(zhì)或者籽粒產(chǎn)量,kg/hm2。

第三象限包括“9”、“15”、“16”、“20”、“21”、“22”和“23”共7個(gè)感知指標(biāo)。游客對(duì)這7個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)同時(shí)低于重要性和滿意度的得分總體均值，暫時(shí)對(duì)游客來(lái)說(shuō)不那么重要，所以滿意度和期望值都不高。青秀山可將細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、裝潢環(huán)境作為次要改善項(xiàng)目，在相關(guān)需求上升時(shí)再適當(dāng)調(diào)整供給。

經(jīng)濟(jì)水分利用效率(economic water use efficiency,EWUE)表示單位耗水量產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn),計(jì)算公式為[23]:

(9)

式中:EWUE為各作物的總經(jīng)濟(jì)水分利用效率,元/m3;E為作物的總經(jīng)濟(jì)利潤(rùn),元/hm2,農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格參考《中國(guó)農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格調(diào)查年鑒》(2017版)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同種植模式作物實(shí)測(cè)蒸散與氣象因子的關(guān)系

SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類(lèi)將數(shù)據(jù)點(diǎn)分為兩類(lèi)后,冬季作物和夏季作物ET與單氣象因子的關(guān)系分別如圖2和圖3所示。

圖2 不同種植模式冬季作物實(shí)測(cè)蒸散量ET數(shù)據(jù)點(diǎn)的聚類(lèi)及其與氣象因子的關(guān)系

圖3 夏季作物實(shí)測(cè)蒸散量ET數(shù)據(jù)點(diǎn)的聚類(lèi)及其與氣象因子的關(guān)系

數(shù)據(jù)點(diǎn)的聚類(lèi)結(jié)果大致表現(xiàn)出低ET氣象狀況和高ET氣象狀況兩大類(lèi),代表了相近的氣象狀況和LAI發(fā)育階段的兩種組合方式。由圖2、3可見(jiàn),冬季作物蒸散數(shù)據(jù)分組中低ET部分與高ET部分均可與Rn和T分別呈較好的指數(shù)和二次函數(shù)擬合關(guān)系,而ET與VPD的關(guān)系中,兩組數(shù)據(jù)趨勢(shì)線比較接近,說(shuō)明VPD對(duì)冬季作物蒸散的影響較為均勻,較少受到其他氣象因子的交互作用影響。

以上結(jié)果表明,冬季作物與不同氣象因子的關(guān)系不同,可以與Rn選用指數(shù)函數(shù)關(guān)系進(jìn)行非線性尋優(yōu)、與T選用二次函數(shù)回歸、與VPD選用一次函數(shù)回歸。夏季作物蒸散數(shù)據(jù)分組中低ET數(shù)據(jù)點(diǎn)較少,且與高ET數(shù)據(jù)點(diǎn)混合更為均勻,說(shuō)明夏季作物蒸散受氣象因子和LAI的交互作用影響較大,難以區(qū)分。盡管如此,夏季作物ET對(duì)氣象因子變化的響應(yīng)與冬季作物較為一致,與Rn、T和VPD的關(guān)系均可分別用指數(shù)函數(shù)、二次函數(shù)和線性函數(shù)表征。

將實(shí)測(cè)ET值與氣象因子和有效葉面積指數(shù)進(jìn)行非線性擬合的結(jié)果如表1所示。由于非線性模型不便于直接進(jìn)行回歸顯著性檢驗(yàn),因此將公式兩邊取對(duì)數(shù),轉(zhuǎn)換成4因子的廣義線性模型再計(jì)算F分布并比較其顯著性。

表1 實(shí)測(cè)蒸散量與氣象因子和有效葉面積指數(shù)的函數(shù)關(guān)系擬合結(jié)果

由表1可看出,除夏休閑種植模式外各作物非線性擬合優(yōu)度均較好,回歸方程總體顯著,冬季作物擬合顯著性優(yōu)于夏季作物。3種種植模式的冬小麥各項(xiàng)擬合系數(shù)相近,夏季作物擬合系數(shù)差異較大。T和VPD的系數(shù)(k3和k4)較小,其變化對(duì)蒸散的影響也較小。

3.2 不同種植模式雙作物系數(shù)法ET估算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

圖4 FAO-56雙作物系數(shù)法估算的作物蒸散量與實(shí)測(cè)蒸散量對(duì)比

實(shí)測(cè)作物ET表明,3種種植模式的冬小麥最高日蒸散量均出現(xiàn)在4月下旬,夏季作物夏玉米和夏大豆的實(shí)測(cè)ET大致呈現(xiàn)單峰變化,夏休閑土壤蒸發(fā)前期較為穩(wěn)定,9月初土壤蒸發(fā)速率開(kāi)始下降。

雙作物系數(shù)法對(duì)冬小麥ET的估算精度高于夏季作物,夏休閑模式ET的估計(jì)值與實(shí)測(cè)值偏差最大。但在冬小麥越冬前和越冬后初期以及夏大豆前期,ET估計(jì)值略高于蒸滲儀實(shí)測(cè)值,這可能與雙作物系數(shù)法對(duì)于作物生育前期地面覆蓋度較低時(shí)的概化不準(zhǔn)確有關(guān)。

3.3 不同種植模式水量平衡比較

不同種植模式下水量平衡的各分量及凈地下水消耗量(net consumption of groundwater,Cn)的測(cè)量結(jié)果如表2～4所示。2021—2022年冬小麥季和夏玉米季降水量分別為48.4和357.3 mm,冬小麥按照當(dāng)?shù)貙?shí)際管理措施灌溉量為208 mm。表2～4中測(cè)量結(jié)果表明,蒸散量最高的是冬小麥-夏玉米種植模式,為980.77 mm,其次是冬小麥-夏大豆和冬小麥-夏休閑種植模式,分別為888.95和639.66 mm。周年滲漏量最多的是冬小麥-夏休閑種植模式,為153.24 mm;其次是冬小麥-夏大豆種植模式,為74.22 mm,且滲漏量全部產(chǎn)生于夏大豆生育初期和發(fā)育期;冬小麥-夏玉米種植模式滲漏量最少,僅為10.48 mm。周年土壤儲(chǔ)水變化量最大的是冬小麥-夏玉米種植模式,土壤儲(chǔ)水量減少了377.55 mm,其次是冬小麥-夏大豆和冬小麥-夏休閑種植模式。只有夏休閑時(shí)單季土壤儲(chǔ)水量增加了48.19 mm,其余種植模式的單季作物均消耗土壤水。冬小麥-夏玉米種植模式的凈地下水消耗量最大,為197.52 mm,其次是冬小麥-夏大豆種植模式,為133.78 mm,冬小麥-夏休閑種植模式凈地下水消耗最小,為54.76 mm,比冬小麥-夏玉米種植模式低72.28%。

表2 冬小麥-夏玉米種植模式各作物不同生育期水量平衡及凈地下水消耗量 mm

表3 冬小麥-夏大豆種植模式各作物不同生育期水量平衡及凈地下水消耗量 mm

表4 冬小麥-夏休閑種植模式冬小麥不同生育期和休閑期水量平衡及凈地下水消耗量 mm

3.4 不同種植模式的產(chǎn)量、產(chǎn)值和水分利用效率

試驗(yàn)種植周期內(nèi)不同種植模式下各作物產(chǎn)量、產(chǎn)值和水分利用效率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn),在2021年10月24日至2022年10月8日的完整種植周期內(nèi),夏玉米產(chǎn)量最高,為11 969.70 kg/hm2,冬小麥-夏玉米、冬小麥-夏大豆、冬小麥-夏休閑3種種植模式的總產(chǎn)值分別為19 943.29、13 493.06、2 363.43 元/hm2;冬小麥-夏玉米種植模式的水分利用效率WUE最大,為1.92 kg/m3,冬小麥-夏大豆和冬小麥-夏休閑種植模式的WUE接近,分別為1.01和1.00 kg/m3;冬小麥-夏玉米種植模式的經(jīng)濟(jì)水分利用效率EWUE最高,達(dá)到2.03 元/m3,冬小麥-夏大豆種植模式的經(jīng)濟(jì)水分利用效率為1.52元/m3,冬小麥-夏休閑種植模式的經(jīng)濟(jì)水分利用效率最低,為0.37 元/m3。

表5 試驗(yàn)種植周期不同種植模式下作物的產(chǎn)量、產(chǎn)值和水分利用效率

4 討 論

本文蒸散量ET與氣象因子關(guān)系的擬合結(jié)果表明,ET與凈輻射Rn的關(guān)系可以用指數(shù)函數(shù)表示、與氣溫T的關(guān)系可以用二次函數(shù)表示、與水汽壓差VPD的關(guān)系可以用一次函數(shù)表示,該結(jié)果與張永久等[24]的研究結(jié)論類(lèi)似。ET值采用蒸滲儀的測(cè)量和FAO-56雙作物系數(shù)法估算各有優(yōu)缺點(diǎn),蒸滲儀切斷了土壤水的上升與側(cè)向補(bǔ)充,占地面積小代表性不強(qiáng),但是蒸滲儀測(cè)定ET值屬于直接測(cè)量,具有精度高的優(yōu)點(diǎn);FAO-56雙作物系數(shù)法在土壤蒸發(fā)、植物覆蓋等假設(shè)上還有不足,在作物生長(zhǎng)前期估算精度較低[25],但是FAO-56雙作物系數(shù)法屬于半機(jī)理模型,包含大量的物理參數(shù),可以用于衡量作物的蒸散特點(diǎn)和環(huán)境的響應(yīng)。

夏初為地下水補(bǔ)充最快的時(shí)期,該時(shí)段玉米冠層發(fā)育快于大豆,耗水量也較大,雨季滲水較少,因此在玉米生育期中期土壤儲(chǔ)水量的消耗少于大豆。玉米生長(zhǎng)與降雨較高的耦合程度是冬小麥-夏玉米種植模式產(chǎn)量最高的原因。

華北平原承擔(dān)著國(guó)家糧食生產(chǎn)重任,冬小麥-夏玉米種植是華北平原的主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,其高產(chǎn)量和高經(jīng)濟(jì)水分利用效率使其具有經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)和糧食生產(chǎn)上的必要性。但華北平原地表水缺乏,地下水的開(kāi)發(fā)和利用也到達(dá)極限,該種植模式接近200 mm/a的凈地下水消耗不利于地下水的穩(wěn)定與生態(tài)安全。與之相比,冬小麥-夏大豆種植模式和冬小麥-夏休閑種植模式分別比冬小麥-夏玉米種植模式地下水凈消耗低32.27%和72.28%,其中冬小麥-夏休閑凈地下水消耗最低,可以作為局部緩解地下水超采的種植模式之一。

本文研究結(jié)果表明,FAO-56雙作物系數(shù)法和非線性擬合方法可以較好地估算不同種植模式下作物的蒸散量,可以將單獨(dú)或組合的氣象、LAI數(shù)據(jù)用于不同種植模式作物耗水研究與實(shí)際應(yīng)用中的估算;在地下水超采嚴(yán)重的地區(qū)可以考慮使用冬小麥-夏休閑種植模式以緩解地下水的開(kāi)采,減少地下水漏斗帶來(lái)的不良影響;在地下水相對(duì)豐富或者有其他地表水水源的區(qū)域采用冬小麥-夏玉米種植模式或者冬小麥-夏大豆種植模式,可以穩(wěn)定糧食產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)收入,維護(hù)糧食安全。因此需要在合理的區(qū)域種植模式配置下,使華北平原地下水達(dá)到總體平衡。

5 結(jié) 論

本研究針對(duì)華北平原地區(qū),利用大型稱(chēng)重式蒸滲儀和FAO-56雙作物系數(shù)法比較了3種不同作物種植模式的耗水、對(duì)地下水消耗的影響極其水分利用效率,得到以下結(jié)論:

(1)作物蒸散量ET與Rn、T和VPD分別呈指數(shù)函數(shù)、二次函數(shù)和一次函數(shù)關(guān)系,并且通過(guò)SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將LAI和氣象因子聚類(lèi)分組后可以更好地對(duì)ET與氣象因子的關(guān)系進(jìn)行表征,不同種植模式下基于ET與氣象因子的關(guān)系相乘的非線性估算公式有較好的擬合效果,為華北平原不同種植模式作物耗水估計(jì)與規(guī)劃提供了新的思路。

(2)以蒸滲儀實(shí)測(cè)ET作參照,FAO-56雙作物系數(shù)法能較準(zhǔn)確地估算ET,除休閑期外NSE均大于0.75,RMSE介于0.95～1.62 mm/d之間,表明FAO-56雙作物系數(shù)法可以較好地用于當(dāng)?shù)氐淖魑锖乃抗浪恪?/p>

(3)3種種植模式中,冬小麥-夏玉米種植模式的蒸散量最高,為980.77 mm,其次為冬小麥-夏大豆和冬小麥-夏休閑種植模式。冬小麥-夏玉米種植模式的凈地下水消耗量最大,為197.52 mm,其次為夏大豆-冬小麥(133.78 mm)、夏休閑-冬小麥(54.76 mm),可以根據(jù)區(qū)域地下水消耗程度,選擇合適的恢復(fù)性種植模式。

(4)夏玉米-冬小麥種植模式的WUE和EWUE最高,分別為1.92 kg/m3和2.03元/m3。雖然冬小麥-夏休閑模式比冬小麥-夏大豆模式的EWUE低,但兩種種植模式的WUE相當(dāng),可以考慮在地下水超采嚴(yán)重的地區(qū)使用冬小麥-夏休閑種植模式以緩解地下水的開(kāi)采。