白洋淀流域农业节水潜力及种植结构调整研究

　　摘要：农业种植结构不合理、高耗水作物种植比例偏大,造成白洋淀上游来水减少，加剧了淀区水资源短缺等问题。分析了研究区农业种植结构和耗水的时空变迁，并对种植结构调整中休耕的耗水机理和问题开展了深入研究，提出了种植结构调整建议，为破解休耕制度与粮食安全之间的矛盾，保障雄安新区水安全提供科学支撑。

　　关键词：种植结构；调整；农业耗水；休耕；粮食安全

　　作为华北平原最大淡水湖泊湿地，白洋淀生态价值非常突出，在缓洪治涝、蓄水灌溉、调节小气候和维护生态环境平衡等方面具有重要作用。白洋淀水生态不仅关系保定市、河北省，更是京津冀区域乃至全国水生态保护的晴雨表。作为雄安新区规划的核心区域，白洋淀水问题极为突出。一方面，来水量减少。改革开放以后，农田灌溉大力发展，用水量剧增；21世纪以来城市化进程不断加快，地表水优先供城市使用，导致九条入淀河流“有河皆干”。另一方面，白洋淀地下水超采严重。自20世纪70年代发展农业以来，灌溉需求主要通过开采地下水来满足，地下水水位急剧下降，直接或间接导致白洋淀湖面萎缩。

　　一、农业用水现状

　　1.农业种植结构白洋淀流域目前耕地面积84.9万hm2，有效灌溉面积达71.3万hm2，占总耕地面积的80.6%。播种面积126.8万hm2，其中小麦、玉米、蔬菜、水果分别占32.4%、37.9%、13.1%和13.6%。小麦和玉米多年平均播种面积分别是44.96万hm2、44.82万hm2，是研究区主要的粮食作物；果树以苹果、梨、桃、葡萄和枣树为主，占果树种植面积的80%左右。蔬菜主要包括25种露地蔬菜，随着人们生活需求提升，设施蔬菜面积比例快速增加。此外区域还少量种植大豆、花生、棉花、红薯、谷类等作物，这些作物主要在雨季生长，灌溉需水较少。

　　2.农业灌溉需水量

　　研究区多年平均灌溉需水量为22.52亿m3,小麦、玉米、蔬菜、果树和其他作物分别占灌溉需水总量的58.6%、12.6%、5.8%、16.3%和6.7%，小麦是研究区农作物中耗水最多的。丰水年、平水年、枯水年平均灌溉需水量分别为12.80亿m3、22.52亿m3和26.20亿m3。从时间上看，小麦、玉米灌溉需水量变化均呈略有下降趋势，而受播种面积增加影响，蔬菜和果树灌溉需水量显著上升；从空间上看,灌溉需水总量在山区上升显著,而在平原区表现为下降。

　　二、农业节水潜力与季节休耕

　　过去30年来，我国大力发展农业节水技术，经过多年推广和实践，水的利用效率有了很大提高，如单方水的冬小麦生产效率从1.19kg提高到1.45kg，而夏玉米则从1.35kg提高到1.98kg，单方水的粮食生产效率从0.81kg提高到1.35kg。但“节水”和“用水减少”有着根本区别，在全球能源和资源领域被称为“杰维斯效应”，即效率提高不等于用量减少，水资源亏缺的局面反而越来越严重。以白洋淀上游为例，2014年高耗水的水果、蔬菜种植面积与1990年相比分别增加了6.5倍和3.9倍，实际耗水高达22.5亿m3，种植面积增加是造成白洋淀和雄安新区水资源短缺的主要原因。

　　三、不同休耕制度的耗水机理

　　项目组对传统小麦-玉米一年两作制度（S0）和不同休耕制度包括一年一作小麦（SW）、一年一作玉米（SM）、两年三作休小麦（SMWMF）、两年三作休玉米（SMWFW）和全休（SF）进行了长时间段模拟，分析了不同制度的耗水特征。小麦-玉米一年两作的年均蒸散量和灌溉用水量分别为835mm和330mm；一年一作小麦的年均蒸散量和灌溉用水量分别为679mm和305mm；一年一作玉米的年均蒸散量和灌溉用水量分别为577mm和72mm；两年三作休小麦的年均蒸散量和灌溉用水量分别为685mm和180mm；两年三作休玉米的年均蒸散量和灌溉用水量分别为756mm和253mm；全休的年均蒸散量为419mm，同时可对水资源补充85mm。

　　四、休耕期节水潜力提升技术

　　一年一作玉米即小麦休耕相对一年两作能节省灌溉用水258mm，这是在小麦休耕季地面裸露没有任何措施情况下的节水效果。为减少因前期地面裸露或后期（5月份以后）杂草丛生产生的无效水消耗，可以通过覆盖或耕作措施提升节水潜力。在2018—2020年度通过大田试验研究了白膜覆盖、黑膜覆盖、秸秆覆盖、化学控草和浅耕等处理对节水效果的影响。结果表明，节水效果从大到小的顺序依次为黑膜覆盖、秸秆覆盖、化学控草、浅耕、白膜覆盖，对比休耕季没有处理的节水量分别为177mm、71mm、62mm、45mm和8mm。节水效果最差的是白膜覆盖处理，主要原因是覆膜处理早期，保温保湿作用促进杂草生长，并在后期顶出地膜，使地膜失去保水作用。而黑膜作用恰好相反，由于挡光作用抑制杂草生长，同时由于地膜对水汽交换的阻断抑制了土壤的蒸发，节水效果非常显著。除黑膜覆盖处理控草效果显著以外，秸秆覆盖、浅耕和化学控草对控草效果也较好，浅耕和除草剂（控草）也比对照的杂草量减少50%以上。

　　五、替代作物耗水机理

　　采用6个自动记录大型蒸渗仪组合，精确评估传统种植小麦-玉米一年两作和其替代种植模式如小麦-谷子、小麦-大豆、一年一作春玉米、绿豆-鲜食玉米、一年一作甘薯等种植制度中作物的耗水参数，突破了常规观测中因为手段不同、大型仪器不足带来的观测误差的难题。两年观测结果表明，6种种植模式年耗水量（包括休耕期）从高到低分别为小麦-玉米（856mm）、一年一作甘薯（792mm）、小麦-大豆（760mm）、小麦-谷子（757mm）、绿豆-鲜食玉米（755mm）、一年一作春玉米（713mm）。5种替代种植模式比传统的小麦-玉米一年两作节省水资源64~143mm，其中以一年一作春玉米的耗水量最低。

　　六、种植结构调整建议

　　1.小麦休耕与粮食安全

　　根据不同休耕制度的节水量，估算了研究区需要休耕多少面积才能达到地下水水位不下降的目标，3个情景分别为现状水资源、外调引水2亿m3和5亿m3。例如一年一作玉米（SM），3个情景下需要分别将58%、40%、15%的农田从传统种植制度（冬小麦-夏玉米）转变为SM的种植制度，其结果是小麦产量相应减少55%、41%、18%。显然，情景1和2下的种植结构调整方案将影响当地小麦的自给自足。又如两年三作休小麦（SMWMF），在3个情景下分别需要将99%、69%和26%的农田从传统种植制度转变为SMWMF种植制度，小麦产量相应减少47.5%、35%和15.5%，这一调整策略中情景1会影响当地的小麦自给自足。

　　2.加大调水力度，置换地下水源

　　休耕政策依靠补贴来推行，河北省休耕补贴是500元/亩。一旦补贴停止，农民将无法承担与这些做法相应的经济损失。北京以南的河北平原是我国粮食主产区，该区域地势平坦，适合大机械化作业，在我国农村劳动力逐渐紧张的背景下，平原区粮食生产的作用越来越突出。河北平原年均粮食总产量占全国的6%左右。保定-雄安所在区域为太行山山前平原高产区，根据长期研究，该区域灌溉水利用效率远高于全国其他地区，每吨灌溉水生产粮食4～5kg。如果用南水北调中线补给地下水支撑粮食生产，则农业的水资源补贴每0.5kg粮食低于0.12元，且补贴的主要作物是小麦这一基本口粮，通过增补地下水，适度补贴农业，符合我国口粮安全国策。因此建议加大“引江”和“引黄”调水力度，用地表水置换地下水，保证粮食安全。

　　3.休耕期采用保水控草措施提升节水潜力

　　小麦休耕相对于传统的一年两作节水258mm，如果在休耕期间对裸露的地面进行处理，如黑膜覆盖、秸秆覆盖、浅耕、化控等，将比单纯休耕提升50～180mm的节水能力。建议休耕季节进行覆盖或者耕作处理，进一步提升节水潜力。

　　参考文献：

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　　杨艳敏1，杨永辉1，王璐2，任丹丹3，白志杰4，马乐新1，李传哲5

《白洋淀流域农业节水潜力及种植结构调整研究》

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