地下水超采區(qū)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)與作物耗水時空演變研究

孟 建 姚旭擎 楊曉琳 羅建美 沈彥俊

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院, 保定 071001； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 北京 100193；3.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心, 石家莊 050022)

0 引言

華北平原是我國水資源最貧乏、水供需矛盾最突出的地區(qū)[1]。華北地區(qū)水資源安全問題事關(guān)首都水安全、京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略實施和雄安新區(qū)建設(shè)，具有十分重要的意義。地處海河流域的河北省是水資源嚴重超采最為典型的區(qū)域。受人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動等因素影響[2]，自20世紀80年代以來，河北省地表水資源量和地下水資源量均呈現(xiàn)衰減趨勢，而社會總供水量一直保持較高水平，致使地下水位快速下降，形成了世界最大的連片地下水降落漏斗區(qū)[3-4]。根據(jù)《河北省地下水超采綜合治理規(guī)劃》，以2010年為基準年，河北省地下水超采量為5.97×109m3，其中農(nóng)村超采4.17×109m3，農(nóng)業(yè)灌溉超采占農(nóng)村超采的80%，河北省超采區(qū)面積占全省平原面積的92%以上，超采面積和超采量均為全國超采總面積和超采總量的1/3，已累計超采1.50×1011m3[5]。經(jīng)濟社會用水大大超過水資源承載能力，地下水大量超采，生態(tài)赤字嚴重，對保障國家水安全和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成嚴重威脅。

2014—2016年，國家在河北省開展地下水超采綜合治理試點，實施了“節(jié)、引、蓄、調(diào)、管”等綜合措施。截止2017年底，年壓減地下水超采量達2.66×109m3，地下水超采治理取得階段性成效，深層地下水位埋深趨于穩(wěn)定或下降速率減緩，但下降態(tài)勢并未根本扭轉(zhuǎn)，年超采量仍高達3.31×109m3[6]，河北平原灌溉用水強度仍處于“極嚴重不適應(yīng)”或“嚴重不適應(yīng)”狀態(tài)[7]。隨著灌溉條件的改善，華北平原低需水作物大幅減少，蔬菜和水果等高需水作物大面積增加，種植結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，逐漸形成以冬小麥和蔬菜、水果為主的高強度灌溉農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。種植規(guī)模擴大、種植結(jié)構(gòu)變化和作物產(chǎn)量提高導(dǎo)致的高灌溉強度生產(chǎn)模式是農(nóng)田灌溉消耗地下水量居高不下的根本原因[8]，水資源嚴重不足已成為制約農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸[9]，通過農(nóng)業(yè)節(jié)水來緩解水資源危機的戰(zhàn)略已成為共識[10]。2017年河北省用占全國0.5%的水資源、4.8%的耕地面積，生產(chǎn)了占全國5.6%的糧食、7.3%的蔬菜、5.4%的水果，地下水耗竭的資源型障礙與農(nóng)產(chǎn)品相對過剩生產(chǎn)的矛盾極為突出，建立適水種植制度刻不容緩[11-12]。因此，結(jié)合區(qū)域水資源狀況和消費需求，明確該區(qū)域灌溉需水結(jié)構(gòu)和不同作物灌溉需水量，制定區(qū)域節(jié)水型種植制度方案，對于實現(xiàn)區(qū)域水資源安全意義重大。

農(nóng)業(yè)用水估算是節(jié)水農(nóng)業(yè)灌溉管理的核心，作物需水量是衡量區(qū)域農(nóng)田水分平衡的重要參數(shù)[13]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對于作物需水量估算已經(jīng)做了大量研究。利用Penman-Monteith 公式和作物系數(shù)，KUMAR[14]計算出印度比哈爾邦小麥、玉米、水稻和綠豆的需水量和灌溉需水量，劉小剛等[15]計算出1958—2013年河南省冬小麥和夏玉米的需水量分別為350～535 mm和243～368 mm，尹海霞等[16]計算出1967—2009年黑河流域中游地區(qū)春小麥和玉米的需水量平均每10年分別下降6 mm和8 mm，聶堂哲等[17]計算出1960—2015年黑龍江省水稻需水量為244～740 mm，平均值為490.52 mm。LUO等[18]利用CROPWAT模型模擬得出，1961—2010年間黃淮海平原主要農(nóng)作物生育期平均年區(qū)域總需水量為1.15×1011m3。白志杰等[19]利用作物模型和蒸發(fā)皿法估算了1986—2015年雄安新區(qū)上游小麥、玉米、蔬菜、水果等灌溉需水量變化，認為需水總量隨農(nóng)業(yè)播種總面積和蔬菜、水果需水的增加而增加。陶國通等[20]基于溫度的作物系數(shù)計算模型，建立了冬小麥作物需水量預(yù)測模型。

在作物需水量方面前人已經(jīng)做了大量研究，但結(jié)合河北省水資源變化，研究長時間尺度種植結(jié)構(gòu)變化對區(qū)域灌溉需水的影響較少。本研究基于該地區(qū)1980—2017年水資源和種植結(jié)構(gòu)的演變，研究不同作物長時間序列的灌溉需水量變化以及水分虧缺指數(shù)，以期為建立立足水資源稟賦的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺，主要為1980—2017年邢臺市、石家莊市、秦皇島市、保定市、霸州市、饒陽縣、泊頭市、黃驊市、唐山市、遵化市、樂亭縣、安陽市、北京市、北京市朝陽區(qū)、北京市延慶區(qū)、北京市密云區(qū)、天津市、天津市寶坻區(qū)、天津市塘沽區(qū)、德州市陵城區(qū)、惠民縣等河北平原及其周邊21個氣象站的氣象數(shù)據(jù)，包括平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、風(fēng)速、日照時數(shù)、相對濕度和降水量等日值數(shù)據(jù)，用于計算作物需水量。

各作物播種面積、產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于1980—2017年《河北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》和1980—2017年國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)。水資源數(shù)據(jù)來源于1980—2017年《河北省水資源公報》、《河北省水資源評價》和《海河流域水資源評價》。

1.2 研究方法

1.2.1需水量計算

參照作物蒸散量(ET0)采用FAO推薦的估算作物需水量的經(jīng)典方法Penmen-Monteith(P-M)公式進行測算[21-22]，計算式為

(1)

式中Rn——作物表面凈輻射量，MJ/(m2·d)

G——土壤熱通量密度，MJ/(m2·d)

T——2 m高處日平均空氣溫度，℃

u2——2 m高處日平均風(fēng)速，m/s

es——飽和水汽壓，kPa

ea——實際水汽壓，kPa

Δ——飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線斜率，kPa/K

γ——濕度計常數(shù)，kPa/K

不同作物需水量采用作物系數(shù)法進行計算，計算式為

ETc=KcET0

(2)

式中ETc——作物生育期需水量，mm

Kc——作物系數(shù)，本研究中蔬菜的生育期作物系數(shù)參考FAO-CROPWAT中的作物系數(shù)，其他作物的生育期作物系數(shù)參考《北方地區(qū)主要農(nóng)作物灌溉用水定額》[13]

1.2.2作物灌溉需水量和水分虧缺指數(shù)計算

作物生育期灌溉需水量計算式為

Wi=ETc-P

(3)

式中Wi——作物生育期灌溉需水量，mm

P——作物生育期內(nèi)有效降水量，mm

當ETc>P時，ETc-P為正值，當ETc≤P時，取值為0。

本文將3～50 mm的日降水量視為有效降水量；當日降水量小于3 mm時由于冠層截留對土壤影響小，不計作有效降水量；當日降水量大于50 mm時，取日降水量的80%作為有效降水量[23]。

水分虧缺指數(shù)(CWDI)計算式為

CWDI=Wi/ETc

(4)

1.2.3農(nóng)產(chǎn)品年盈余量估算

農(nóng)產(chǎn)品年盈余量計算式為

(5)

式中Q——農(nóng)產(chǎn)品年盈余量，t

Sc——農(nóng)產(chǎn)品年供給量，t

Ru——城鎮(zhèn)居民人均年均消費量，kg/人

Rr——農(nóng)村居民人均年均消費量，kg/人

Pu——城鎮(zhèn)常住人口數(shù)，人

Pr——農(nóng)村常住人口數(shù)，人

Lp——產(chǎn)后損失率，%

Gd——種子用量占產(chǎn)量的比例，%

2 結(jié)果與分析

2.1 水資源利用與作物種植結(jié)構(gòu)變化

2.1.1水資源變化

由圖1可知，1956—2017年河北省水資源總量變化波動較大，2001年以后，水資源總量相對處于較低水平，僅2012年和2016年水資源總量高于1956—2017年的平均值(1.87×1010m3)，其余年份均低于平均水平。地表水資源量和地下水資源量變化趨勢與水資源總量變化趨勢基本一致。與1956—2017年均值相比，1956—1979年年均水資源總量、地表水資源量和地下水資源量分別偏多23.01%、39.04%和11.82%，1980—2000年年均水資源總量、地表水資源量和地下水資源量分別偏少8.19%、10.50%和6.21%，2001—2017年年均水資源總量、地表水資源量和地下水資源量分別偏少22.36%、42.15%和9.01%。

圖1 1956—2017年河北省水資源量變化趨勢Fig.1 Annual changing trend of water resources in Hebei Province during 1956—2017

2.1.2用水量年際間變化

地下水供水量(地下水開采量)包含淺層地下水開采量與深層地下水開采量。由圖2可知，20世紀80年代地下水開采量較為平穩(wěn)，90年代地下水開采量大幅度增加，1999年達到最高，為1.76×1010m3，21世紀以來地下水開采量持續(xù)下降，至2017年降低至1.15×1010m3。地表水供水量呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，1980年地表水供水量最高，為8.27×109m3，而后逐年下降，至2003年達到最低，為3.37×109m3，從2004年開始地表水供水量逐年提高，至2017年達到5.95×109m3。地表及地下水總供水量呈現(xiàn)穩(wěn)中有降，2017年為1.75×1010m3，比1980—2017年系列均值減少11.95%。

圖2 1980—2017年河北省用水結(jié)構(gòu)變化趨勢 Fig.2 Annual changing trend of water consumption structure in Hebei Province during 1980—2017

農(nóng)田灌溉量呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢，2017年比1980年減少38.16%。農(nóng)田灌溉量占社會用水總量的比例由1980年的84.39%降低至2017年的62.95%。灌溉需水總量與農(nóng)田灌溉量變化趨勢一致，總體呈降低趨勢，降水偏少年份的灌溉不能滿足作物生長水分需求，致使部分年份灌溉需水總量高于農(nóng)田灌溉量，作物灌溉需水仍是社會用水的主體。灌溉需水總量變化及作物灌溉需水量構(gòu)成見2.2.2節(jié)。

2.1.3地下水埋深變化

連續(xù)多年超量開采地下水致使河北平原形成許多深、淺層地下水降落漏斗。深層地下水降落漏斗主要位于中東部平原，形成了以滄州復(fù)合漏斗、冀棗衡漏斗等為代表的深層地下水位降落漏斗，漏斗封閉面積約2.39×104hm2。雖然近年來農(nóng)田灌溉量有所降低(最低的2017年為1.14×1010m3)，但仍高于年地下水可開采量(1.10×1010m3)，致使水位持續(xù)下降。如圖3所示，1980—2017年，河北平原區(qū)平均淺層地下水埋深和典型深層地下水降落漏斗區(qū)地下水埋深均呈逐年下降趨勢。其中，淺層地下水埋深由1980年的5.85 m下降至2017年的17.47 m，平均每年下降0.31 m；邢臺中東部平原、衡水和滄州平原區(qū)深層地下水埋深分別由1980年的11.20、17.17、19.06 m下降至2014年的62.16、65.94、70.52 m，地下水埋深年均下降1.50、1.43、1.51 m。2015年受實施地下水超采綜合治理影響，邢臺中東部平原和滄州漏斗中心水埋深逐步趨于穩(wěn)定并有所回升，但衡水漏斗中心水埋深仍以年均1.51 m的速率下降。至2017年河北省深層地下水降落漏斗區(qū)地下水位仍處于60.34～70.46 m。

圖3 1980—2017年河北省地下水埋深變化趨勢Fig.3 Changing trend of groundwater level depth in Hebei Province during 1980—2017

2.1.4種植結(jié)構(gòu)與作物產(chǎn)量年際間變化

由圖4可知，1980—2017年間，研究區(qū)主要種植作物有：冬小麥、玉米、蔬菜、水果、棉花、油料、薯類、大豆、谷子、水稻等。年均種植面積由大到小依次為玉米(2.57×106hm2，29.59%)、冬小麥(2.47×106hm2，28.40%)、水果(8.17×105hm2，9.41%)、棉花(5.83×105hm2，6.72%)、蔬菜(5.83×105hm2，6.71%)、油料(5.37×105hm2，6.18%)、谷子(3.63×105hm2，4.18%)、薯類(3.51×105hm2，4.04%)、大豆(3.00×105hm2，3.46%)、水稻(1.13×105hm2，1.31%)。

圖4 1980—2017年河北省主要農(nóng)作物種植面積Fig.4 Planting area of main crops in Hebei Province during 1980—2017

1980—2017年間，玉米種植面積持續(xù)增加，蔬菜和水果的種植面積均呈現(xiàn)先增加后降低趨勢。2016年玉米種植面積最大，為3.70×106hm2，比1980年增加了57.89%；2005年蔬菜種植面積最大，為1.10×106hm2，比種植面積最小的1980年增加了416.91%；2005年水果種植面積最大，為1.22×106hm2，比種植面積最小的1980年增加了405.30%；2006—2017年蔬菜和水果種植面積呈現(xiàn)降低趨勢，至2017年蔬菜和水果的種植面積降低至7.49×105、6.31×105hm2，但仍遠高于1980年水平。與1980年相比，2017年玉米、蔬菜和水果的種植面積分別增加了51.40%、250.25%和161.16%。

由圖5可知，1980—2017年間，冬小麥、玉米和水果產(chǎn)量均呈增加趨勢，由1980年的3.84×106、6.63×106、1.26×106t增加到2017年的1.50×107、2.04×107、1.37×107t，分別增長了291.70%、207.01%、983.43%；蔬菜產(chǎn)量呈先增加后降低趨勢，先由1980年的5.32×106t增加到2005年的6.47×107t，而后又降低至2017年的5.06×107t，比1980年增長了851.56%。

圖5 1980—2017年河北省主要農(nóng)作物產(chǎn)量Fig.5 Yield of main crops in Hebei Province during 1980—2017

2.2 主要農(nóng)作物需水量與水分虧缺指數(shù)

2.2.1主要農(nóng)作物需水量

由圖6可知，1980—2017年蔬菜、水稻、水果、棉花、薯類、冬小麥、油料、大豆、玉米和谷子的需水量分別為750.56～893.09 mm、698.25～832.60 mm、653.93～773.28 mm、506.30～634.23 mm、481.42～594.37 mm、401.66～504.60 mm、406.26～510.68 mm、335.28～429.74 mm、309.72～399.54 mm和269.94～345.77 mm。同一作物年際間的需水量呈現(xiàn)降低趨勢，與1980—1989年相比，1990—1999年、2000—2009年和2010—2017年蔬菜需水量分別降低了2.11%、1.72%和2.68%，水稻需水量分別降低了2.74%、2.95%和3.20%，水果需水量分別降低了1.85%、2.05%和3.02%，棉花需水量分別降低了1.65%、3.20%和4.40%，薯類需水量分別降低了1.84%、3.30%和4.12%，冬小麥需水量分別降低了3.12%、0.28%和0.14%，油料需水量分別降低了2.12%、3.32%和3.80%，大豆需水量分別降低了1.59%、3.40%和4.70%，玉米需水量分別降低了1.56%、3.66%和4.87%，谷子需水量分別降低了1.63%、3.32%和4.57%。

圖6 1980—2017年河北省主要作物生育期需水量Fig.6 Water requirement of main crops in Hebei Province during 1980—2017

2.2.2主要農(nóng)作物水分虧缺指數(shù)及灌溉需水量

由圖7可知，冬小麥生育期內(nèi)有效降水量為66.59～253.53 mm，年均僅為125.52 mm，需水與降水耦合度最差，水分虧缺指數(shù)最高，為0.72，年均灌溉需水量為324.42 mm；蔬菜生育期內(nèi)有效降水量和灌溉需水量分別為225.61～593.13 mm和197.96～649.08 mm，水分虧缺指數(shù)僅次于冬小麥，為0.47；水稻、水果、棉花、薯類、油料、大豆、玉米和谷子的灌溉需水量分別為138.61～639.68 mm、50.57～513.64 mm、0～453.77 mm、0～413.91 mm、0～348.75 mm、0～278.56 mm、0～248.36 mm和0～194.60 mm，水分虧缺指數(shù)分別為0.46、0.36、0.28、0.24、0.21、0.18、0.14和0.09。

圖7 1980—2017年河北省主要作物生育期灌溉需水量與年均水分虧缺指數(shù)Fig.7 Water requirement and water deficit index of main crops in Hebei Province during 1980—2017

由圖8可知，各作物的年灌溉需水總量由大到小依次為冬小麥(4.88×109～9.85×109m3，年均8.01×109m3)、蔬菜(6.26×108～5.66×109m3，年均2.21×109m3)、水果(3.40×108～5.16×109m3，年均2.09×109m3)、玉米(0～6.03×109m3，年均1.21×109m3)、谷子(0～6.75×109m3，年均1.06×109m3)、棉花(0～2.54×109m3，年均8.84×108m3)、油料(0～2.10×109m3，年均5.07×108m3)、薯類(0～1.74×109m3，年均4.88×108m3)、水稻(1.66×108～9.94×108m3，年均4.04×108m3)、大豆(0～1.28×109m3，年均2.23×108m3)。主要作物年灌溉需水總量合計為6.71×109～3.93×1010m3，年均灌溉需水總量為1.71×1010m3。其中冬小麥、蔬菜和水果是灌溉需水總量最大的作物，分別占年總灌溉需水量的28.12%～82.34%、4.70%～29.09%和3.94%～18.32%，年均占比分別為46.87%、12.94%和12.24%。

圖8 河北省主要作物年灌溉需水總量Fig.8 Annual irrigation water requirement of crops in Hebei Province during 1980—2017

從各作物灌溉需水總量占主要作物灌溉總需水量合計值的比例看，1980—2017年間，種植面積僅次于玉米的冬小麥生育期內(nèi)有效降水量最少，灌溉需水總量占比最高；水稻、棉花、薯類、油料、大豆、谷子灌溉需水總量占比均隨種植面積降低而下降；玉米灌溉需水總量占比隨年際間生育期內(nèi)降水量大幅變化而變化；蔬菜和水果灌溉需水總量占比均隨著種植面積變化而變化，蔬菜和水果灌溉需水總量占比分別由1980年(最低值)的4.70%和3.94%增加到最高的29.09%(2003年)和18.32%(2004年)，而后分別下降至2017年的18.45%和11.20%。1980—1989年、1990—1999年、2000—2009年和2010—2017年年均冬小麥、蔬菜和水果三大作物的灌溉需水總量占比之和分別為66.03%、74.06%、82.80%和86.40%，其中蔬菜和水果占比之和分別為14.39%、21.84%、36.07%和29.04%。與1980—1989年相比，2010—2017年蔬菜種植面積和灌溉需水總量分別增加了186.01%和143.75%，水果種植面積和灌溉需水總量分別增加了59.98%和18.91%，其他作物灌溉需水總量均有所降低(水稻、棉花、薯類、冬小麥、油料、大豆、玉米和谷子灌溉需水總量降幅分別為50.72%、68.40%、70.85%、3.34%、51.75%、88.94%、27.50%和91.57%)，蔬菜和水果種植面積增加成為農(nóng)業(yè)灌溉需水總量保持高位運行的主導(dǎo)因子。

2.3 河北省深層地下水降落漏斗區(qū)種植結(jié)構(gòu)變化

由表1可知，深層地下水降落漏斗區(qū)高灌溉需水作物冬小麥、蔬菜和水果種植面積及占全省種植總面積的比例均呈增加趨勢。深層地下水降落漏斗區(qū)冬小麥和蔬菜的種植面積分別由1982—1986年年均7.99×105、4.67×104hm2增加到2012—2016年年均8.80×105、2.14×105hm2，占全省冬小麥和蔬菜播種面積的比例分別由32.86%、18.99%增加到36.43%、28.66%；水果種植面積由1992—1996年年均2.67×105hm2增加到2012—2016年年均2.91×105hm2，占全省水果種植面積的比例由27.45%提高到40.92%?？梢?，深層地下水降落漏斗區(qū)高灌溉需水作物面積增加和所占全省高灌溉需水作物總面積的比例提高，加劇了水資源的緊缺形勢。其中：滄州深層地下水降落漏斗區(qū)冬小麥和蔬菜的種植面積分別由1982—1986年年均3.47×105、1.48×104hm2增加到2012—2016年年均3.87×105、9.01×104hm2，占全省冬小麥和蔬菜播種面積的比例分別由14.25%、5.99%增加到16.02%、12.05%，水果種植面積由1992—1996年年均1.47×105hm2增加到2012—2016年年均1.65×105hm2，占全省水果種植面積的比例由15.12%提高到23.15%。衡水地下水降落漏斗區(qū)冬小麥和蔬菜的種植面積分別由1982—1986年年均2.42×105、1.58×104hm2增加到2012—2016年年均2.76×105、8.36×104hm2，占全省冬小麥和蔬菜播種面積的比例分別由9.96%、6.38%增加到11.42%、11.18%，1992—2006年間水果種植階段面積基本穩(wěn)定在7.14×104～7.97×104hm2，占全省水果種植面積的比例由8.17%提高到10.28%。邢臺中東部平原深層地下水降落漏斗區(qū)冬小麥和蔬菜的種植面積分別由1982—1986年年均的2.10×105、1.62×104hm2增加到2012—2016年年均2.17×105、4.06×104hm2，占全省冬小麥和蔬菜播種面積的比例分別由8.65%、6.54%調(diào)整為8.99%、5.43%，水果種植面積由1992—1996年年均4.56×104hm2增加到2012—2016年年均5.21×104hm2，占全省水果種植面積的比例由4.70%下降到4.30%。

表1 深層地下水降落漏斗區(qū)高耗水作物播種面積變化Tab.1 Changes of planting area of staple crops in deep groundwater funnel area

2.4 主要農(nóng)產(chǎn)品供需與適水種植

由表2可知，2017年北京市和天津市城鄉(xiāng)人口共為3.73×107人，占京津冀地區(qū)人口總數(shù)的33.14%。糧食、蔬菜和水果的需求量分別占京津冀地區(qū)需求總量的34.14%、35.15%和35.89%，而糧食、蔬菜和水果的生產(chǎn)量僅占京津冀地區(qū)總生產(chǎn)量的6.21%、7.77%和8.86%。從滿足本省(市)需求考慮，北京市和天津市糧食、蔬菜和水果的需求缺口分別達到8.97×106、1.32×106、6.82×105t，河北省糧食、蔬菜和水果盈余量分別為1.61×107、4.03×107、1.01×107t。故此，以下將京津冀作為一個整體來分析主要農(nóng)產(chǎn)品供需現(xiàn)狀。

表2 2017年京津冀地區(qū)人口和糧食蔬菜水果供需結(jié)構(gòu)Tab.2 Supply and demand structure of grain, vegetable and fruit in Beijing-Tianjin-Hebei region

由表3可知，以京津冀地區(qū)生產(chǎn)滿足京津冀地區(qū)居民消費需求為基準，除水稻和大豆外，其他主要農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)均存在較大盈余量。糧食作物盈余量為7.13×106t，盈余量占供給量的17.47%。其中冬小麥、玉米和薯類的盈余量分別達到3.77×106、6.50×106、9.99×105t，盈余量占相應(yīng)供應(yīng)量的比例分別為23.98%、29.72%和73.44%。高耗水作物蔬菜和水果的盈余量分別為3.90×107、9.38×106t，盈余量占京津冀總供應(yīng)量的比例分別為71.05%和62.65%。蔬菜和水果種植規(guī)模的迅猛增加，致使區(qū)域蔬菜和林果產(chǎn)品出現(xiàn)大量盈余的同時，也加劇了水資源緊缺矛盾。從保障國家糧食安全角度分析，糧食種植規(guī)模不宜作大面積調(diào)整。據(jù)此估算，在京津供應(yīng)量現(xiàn)狀下，河北省蔬菜和水果的種植面積分別減少至1.72×105、1.97×105hm2，既可以滿足京津冀地區(qū)對蔬菜和水果的消費需求，又可以使蔬菜和水果的灌溉需水量分別減少2.19×109、1.12×109m3(蔬菜和水果的灌溉需水量分別按1980—2017年年均值380.36、257.70 mm測算)。

表3 京津冀地區(qū)主要農(nóng)產(chǎn)品供需現(xiàn)狀Tab.3 Supply and demand status of main agricultural products in Beijing-Tianjin-Hebei region

3 討論

降水量減少、種植高耗水作物和農(nóng)業(yè)灌溉用水占比偏高是造成地下水超采形勢嚴峻的主要原因[25-26]。20世紀60年代中期以來，河北省降水量每10年減少7.6 mm[25]，本研究表明，2001—2017年河北省年均地表水資源量、地下水資源量和水資源總量分別較1956—2017年年均值減少了42.15%、9.01%、22.36%。1980—2017年間，河北省年社會總用水量為1.74×1010～2.26×1010m3，其中年農(nóng)田灌溉量為1.14×1010～1.85×1010m3，年地下水開采量為1.15×1010～1.76×1010m3，年地下水開采量超過年地下水可開采量(1.10×1010m3)，是地下水位持續(xù)降低的主要原因。

利用作物系數(shù)法計算主要作物需水量，計算出的1980—2017年研究區(qū)主要作物年需水量，與康紹忠等[27]計算出的蔬菜和果樹的需水量、SUN等[28]用作物系數(shù)法估算出的河北省曲周縣冬小麥-夏玉米年需水量(784～868 mm)、聶堂哲等[29]計算出的黑龍江省玉米年需水量(302～487 mm)、李玖穎等[30]計算出的黑龍江省大豆年需水量(336～465 mm)、LIU等[31]用大型蒸滲儀觀測的京津冀平原區(qū)欒城縣冬小麥-夏玉米年需水量(800～900 mm)、ZHANG等[32]利用農(nóng)田水量平衡估算出的冬小麥-夏玉米1979—2009年平均需水量(810 mm)、劉鈺等[33]計算出的稻谷(700～950 mm)和棉花(500～800 mm)的需水量結(jié)果較為一致。

1980—2017年間，河北省作物種植總面積增加了1.39×107hm2。1980—2017年間冬小麥、蔬菜和水果對灌溉需水總量的貢獻率達到72.05%。與1980—1989年相比，2010—2017年蔬菜種植面積和灌溉需水量分別增加了186.01%和143.75%，水果種植面積和灌溉需水量分別增加了59.98%和18.91%，其他作物灌溉需水量均呈下降趨勢，蔬菜和水果種植面積增加成為農(nóng)業(yè)灌溉總需水量保持高位運行的主導(dǎo)因素，這與白志杰等[19]在雄安新區(qū)研究得出的蔬菜、水果播種面積的增加是導(dǎo)致農(nóng)田灌溉需水量增加的主要因素的結(jié)果一致，也與王道波等[34]得出的蔬菜種植面積擴大是導(dǎo)致河北平原大部分地區(qū)2000年農(nóng)田用水量較前幾年有增加趨勢的主要原因的研究結(jié)果較為一致。

另外，以滿足京津冀地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品消費需求為標準，糧食作物盈余量占供給量的17.47%，其中冬小麥、玉米和薯類的盈余量分別為2017年供應(yīng)量的23.98%、29.72%、73.44%。這與河北省17%的糧食、24%的冬小麥和26%的玉米凈輸向京津冀以外地區(qū)的調(diào)查數(shù)據(jù)基本吻合[35]。高耗水作物蔬菜和水果的盈余量分別為2017年京津冀地區(qū)供應(yīng)量的71.05%和62.65%。

4 結(jié)論

(1)受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動和降水量變化等因素影響，2001—2017年河北省水資源總量、地表水資源量和地下水資源量比1956—2017年年均值分別減少22.36%、42.15%和9.01%。自20世紀90年代起，河北省地下水開采量大幅度增加，2001年之后，受地表水用量和降水量的影響，地下水開采量逐年下降，但仍高于地下水可開采量，農(nóng)田灌溉用水占比依然高達62.95%。1980—2014年邢臺中東部平原、衡水和滄州平原區(qū)深層地下水埋深以每年平均1.43～1.51 m的速度下降，自2015年實施地下水超采綜合治理以來，邢臺中東部平原和滄州漏斗區(qū)略有回升，但衡水漏斗區(qū)中心水埋深年均下降速率仍達1.51 m。深層地下水降落漏斗區(qū)高灌溉需水作物種植面積占全省高灌溉需水作物種植總面積的比例大幅提高、區(qū)域水資源不足和高灌溉需水作物面積快速增加是導(dǎo)致深層地下水漏斗區(qū)水位持續(xù)降低的重要原因。

(2)1980—2017年，河北省主要農(nóng)作物種植總面積增加了21.68%，其中蔬菜和水果的種植面積分別增加了250.25%和161.16%。蔬菜和水果的種植面積均呈現(xiàn)先增加、后降低趨勢，均在2005年達到最大，分別比1980年增加了416.91%和405.30%。蔬菜產(chǎn)量與其種植面積變化趨勢保持一致，水果產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加、后趨于穩(wěn)定的趨勢。

(3)利用Penman-Monteith 公式和作物系數(shù)法，計算出1980—2017年河北平原主要種植模式需水量。需水量由大到小依次為蔬菜(750.56～893.09 mm)、水稻(698.25～832.60 mm)、水果(653.93～773.28 mm)、棉花(506.30～634.23 mm)、薯類(481.42～594.37 mm)、冬小麥(401.66～504.60 mm)、油料(406.26～510.68 mm)、大豆(335.28～429.74 mm)、玉米(309.72～399.54 mm)、谷子(269.94～345.77 mm)。

(4)河北省主要農(nóng)作物中冬小麥生育期內(nèi)有效降水量最少(125.52 mm)，水分虧缺指數(shù)最高(0.72)，灌溉需水量(324.42 mm)僅次于蔬菜和水稻；蔬菜灌溉需水量最高(380.36 mm)，水分虧缺指數(shù)為0.47；水果灌溉需水量和水分虧缺指數(shù)分別為257.70 mm和0.36，低于冬小麥、蔬菜和水稻，但高于其他作物。冬小麥、蔬菜和水果灌溉需水總量較大，分別占作物總灌溉需水量的46.87%、12.94%和12.24%。

(5)與1980—1989年相比，2010—2017年蔬菜和水果種植面積分別增加了186.01%和59.98%，灌溉需水量相應(yīng)分別增加了143.75%和18.91%，其他作物灌溉需水量下降了3.34%～91.57%，蔬菜和水果種植規(guī)模的增加是灌溉需水總量高位運行的主要原因。河北省蔬菜和水果的種植面積分別縮減至1.72×105、1.97×105hm2，既滿足京津冀地區(qū)消費需求，又能使年灌溉需水總量減少3.31×109m3，是降低區(qū)域作物灌溉需水量和解決地下水嚴重超采的有效途徑。