華北平原種植結構變化對農業需水的影響

　　摘要:不同種植結構下的農田需水研究是調整農業種植結構、制定切實可行的區域灌溉方案的重要依據。為了定量估算華北平原種植結構變化對農業需水的影響,本文基于MODISNDVI數據和TM/ETM遙感影像提取了2002年和2012年華北平原主要作物類型及其種植面積,同時基于作物系數法計算了華北平原7種主要作物需水量,分析了華北平原種植結構變化對作物需水的影響。結果表明:①2002—2012年,主要作物種植面積減少60.7萬hm2。其中,種植面積明顯減少的作物分別為冬小麥-夏玉米(−43.18萬hm2)、棉花(−32.43萬hm2)、水稻(−9.3萬hm2)和春玉米(−4.9萬hm2),種植面積增加的作物主要是林果(+16.61萬hm2)和蔬菜(+12.6萬hm2)。

　　2002—2012年,華北平原主要作物的總需水量從742.7億m3下降至695.5億m3,共下降6.37%。其中,需水量減少的作物類型為冬小麥-夏玉米(−35.41億m3)、棉花(−24.31億m3)、水稻(−7.48億m3)和春玉米(−2.1億m3)。需水量增加的為林果(+11.24億m3)和蔬菜(+10.71億m3)。從空間分布來看,華北平原作物需水量整體呈減少趨勢,僅在河北平原、魯西北以及濱海平原靠近城市周邊的區域呈增加趨勢,其中濱海平原需水增加量最大。③華北平原由于作物種植面積減小引起的作物需水減少量達44.7億m3;由作物種植結構調整引起的作物需水減少量為2.5億m3。種植規模的減小是華北平原作物需水量減少的主要原因。

　　關鍵詞:華北平原,遙感提取,種植結構,種植面積

　　華北平原東臨渤海,西抵太行山,北起燕山,南至黃河,地理位置為112°30′~119°30′E,34°46′~40°25′N,包括北京、天津、河北平原和黃河以北的豫北、魯西北平原區,面積約14.1萬km2[1]。華北平原是我國重要的糧食產區,農業用水需求量大而利用效率低[2]。

　　農業用水占總水量的70%以上,其中有75%以上來自地下水,該地區地下水超采現象十分嚴重[3],水資源短缺已成為威脅該區域農業生產、社會經濟發展的最大障礙[4]。自20世紀60年代以來華北平原經歷了從傳統的旱作農業向灌溉農業的轉變,隨著灌溉條件的改善,種植制度從兩年3熟、三年4熟或一年1熟為主逐漸形成了以小麥-玉米一年兩熟為主的高強度灌溉農業生產模式,低需水量作物大幅減少,蔬菜、水果等高需水量作物大幅增加,種植結構發生了巨大變化[5]。

　　種植結構轉變導致的超規模、高強度的生產模式是灌溉農業消耗地下水的根源所在。因此,明確該地區不同類型農田需水量,對開展節水農業、制定切實可行的區域灌溉方案、保護有限的地下水資源具有重要理論與實踐意義。作物需水量作為衡量農作物水分供應狀況的一種指標,是研究一個地區的農田水分平衡的重要參數[6]。

　　目前,國內外基于作物需水量估算的研究已取得較多成果。李春強等[7]利用河北省84個地面氣象站的資料,計算了河北省主要作物冬小麥和玉米1965—1999年的需水量,得出冬小麥和玉米的需水量在過去35年呈減少趨勢。遆晉松等[8]利用華北棉區47個氣象站點逐日氣象數據,通過SIMETAW模型分析1986—2015年棉花生育期需水量及變化趨勢。

　　結果表明,近30年來,棉花生育期需水量呈減小趨勢,6—8月棉花需水量最大。Luo等[9]利用CROPWAT模型模擬了黃淮海平原冬小麥、夏玉米、棉花、谷子和大豆的需水量,得出近50年來主要農作物生育期平均年需水量為114.68km3。白志杰等[10]基于統計數據結合作物模型和蒸發皿法估算了小麥、玉米、蔬菜、林果等作物的需水量,分析了雄安新區上游1986—2015年農業種植結構及農業需水的時空演變趨勢。

　　馮慧敏等[11]分析了華北平原糧食作物需水量對氣候變化的響應特征,結果表明糧食作物需水量與年均最高氣溫之間存在較強相關關系。AbdulKarim等[12]利用遙感和FAO56作物水分模型對位于印度卡納塔克邦的水稻作物需水量以及灌溉需水量進行了估算。Kumar[13]利用Penman-Monteith公式以及印度比哈爾邦Sabour區和Patna區的水稻、玉米、小麥、綠豆的作物系數估算了各作物在兩區的需水量,并根據作物在生育期的有效降雨量估算了不同作物的灌溉需水量。雖然以往對于作物需水量的研究較多,但是目前針對華北平原種植結構變化對農田需水量影響的研究較少。

　　因此,本文基于2002年和2012年的MODISNDVI數據和TM/ETM遙感影像提取了華北平原冬小麥-夏玉米、春玉米、棉花、林果、蔬菜、水稻7種種植模式的土地利用面積分布數據,同時基于作物系數法并結合農業氣象站提供的各地區作物生育階段數據,固定氣象要素不變,定量估算了華北平原種植結構及種植規模變化對作物需水的影響,該研究將為建立水資源可持續利用的作物種植結構調整等提供參考。

　　1研究區概況

　　華北平原地形平坦,土層深厚,海拔多在100m以下。華北平原屬暖溫帶季風型氣候區,年平均氣溫10~15℃,多年平均降雨量為549.6mm,降水時空分布不均,多集中在7—9月,占全年降雨量的75%[14],而春季和初夏降水稀少,普遍不能滿足農作物生長需要。華北平原以全國1/6的耕地產出占全國1/5的糧食[15],在我國的糧食生產中占重要地位。該地區主要糧食作物有小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)、水稻(Oryzasativa),經濟作物有棉花(Gossypiumspp)、蔬菜、林果等。華北平原已形成以種植業為主體的農業產業結構,對保障國家糧食安全具有舉足輕重的作用。

　　2數據來源和處理方法

　　2.1數據來源

　　本文使用的遙感數據為2002年和2012年的Terra/MODISMOD13Ql產品的NDVI數據和LandsatTM/ETM的影像數據。其中,NDVI數據為16天合成,空間分辨率為250m。TM/ETM數據是由7個波段反射率合成的遙感影像,空間分辨率為30m。對于受到云影響的部分TM/ETM影像數據,本研究主要選取了2002年和2012年的4月上旬影像。

　　氣象數據由中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)提供,為1998—2017年華北平原范圍內和周邊共57個氣象臺站的日值氣象資料,包括日最高氣溫、日最低氣溫、風速、日照時數、相對濕度和降水量6個氣象要素;農業氣象站觀測資料主要包括不同地區各作物播種、收獲日期以及不同發育期的起止日期;土地利用分類的驗證數據來自京津冀地區各省、市農村統計年鑒中的耕地面積和作物播種面積數據。

　　2.2數據處理方法

　　2.2.1作物種植面積提取

　　歸一化植被指數(NormalDifferenceVegetationIndex,NDVI)是表征植被生長狀況的主要指標之一,是遙感提取植被信息的重要指標,廣泛應用于植被分類研究[16-17]。對于冬小麥-夏玉米、春玉米、林果和棉花5類作物的提取,本文通過HANTS(HarmonicAnalysisofTime-Series,HANTS)濾波[18-19]去除噪聲后的NDVI數據構建NDVI時間序列曲線,依據不同植被生長曲線差異進行土地覆被分類樣本的選取[20],利用CART算法[21]構建決策樹,并進行剪枝,最后應用生成的決策樹文件進行分類。對于水稻和蔬菜兩類作物的提取,本文基于LandsatTM/ETM數據,利用監督分類的方法對其種植面積進行提取。

　　2.2.2作物需水量計算

　　本文將作物全年需水量計算分為作物生育期需水量和非生育期需水量兩部分分別進行估算,并通過FAO推薦的作物系數法[22]實現,從而得:ETC=ET01×kc1+ET02×kc2(1)式中,ETC為作物全年需水量,ET01為作物生育期多年平均參考蒸散,ET02為作物非生育期多年平均參考蒸散,kc1為作物生育期作物系數,kc2為作物非生育期作物系數。

　　對于越冬作物冬小麥而言,根據其生長發育特點,一般將其生育階段分為初始生長期、凍融期、越冬期、快速發育期、生育中期和成熟期,不越冬作物的生育階段一般分為初始生長期、快速發育期、生育中期、成熟期。本文參考《北方地區主要農作物灌溉用水定額》[6]確定華北平原除蔬菜以外的6種作物在不同地區各生育階段的作物系數及非生育期作物系數。由于蔬菜種類繁多、情況復雜,對其進行簡化處理,把各類蔬菜合并為同種作物類型,認為是一種除越冬期外常年都生長較為旺盛的作物[6]。

　　因《北方地區主要農作物灌溉用水定額》中缺少蔬菜的作物系數,而目前我國關于蔬菜需水量的研究多集中于單個蔬菜類型的研究,對于蔬菜作為一類型作物的研究較少,因此本研究中蔬菜的作物系數參考FAO-Cropwat中作物系數的數據。作物非生育期的作物系數kc2參照作物生長發育初期的作物系數kcini[22]計算,華北平原kcini參照《北方地區主要農作物灌溉用水定額》確定為0.345。

　　3結果與分析

　　3.1華北平原主要作物種植結構的時空變化

　　3.1.1遙感分類結果驗證

　　本文將華北平原區2002年和2012年遙感監測與農業統計數據中基于縣域的耕地面積及各種作物的種植面積進行相關分析,從而對本研究的分類結果進行精度評價。遙感監測與農業統計數據中縣域耕地面積的相關系數為0.78,遙感監測的各作物種植面積與農業統計數據的種植面積的相關系數均在0.76以上(置信水平均為95%),表明該方法在華北平原對作物提取的分類精度較高,分類結果能夠反映作物種植的時空變化。

　　3.1.2華北平原主要作物種植面積的時空變化分析

　　本文根據華北平原的區域水分特征,將華北平原分為河北平原北部(包含北京市和天津市)、河北平原南部、魯西北和豫北4個區域。小麥、玉米是華北平原主要糧食作物類型,冬小麥-夏玉米主要分布在豫北和魯西北的引黃灌溉區和太行山前平原水源條件較好的區域;春玉米主要分布在地下水資源短缺、灌溉成本較高的河北平原北部的廊坊、滄州北部一帶;棉花集中分布于河北平原南部和魯西北的主要產棉區,例如:邢臺、衡水、德州和聊城;水稻集中分布于天津、河北唐山地區和黃河沿岸;蔬菜主要分布在較為發達的城市周邊,林果分散分布于幾個產果區如石家莊、滄州、濱州和京津周邊地區。

　　河北平原北部冬小麥種植面積減少41.3萬hm2,單季玉米種植面積有所增加。一方面是因為該地區冬小麥主要靠提取地下水灌溉,地下水緊缺,灌溉成本較高,而玉米由于生長季短,且與降雨同期,灌溉次數少,對勞動力的時間和精力投入要求較低,使玉米種植面積增加;另一方面,該地區天津-廊坊一帶鄉鎮企業發達,許多農民由單一的從事傳統農業生產轉化為到本地鄉鎮企業工作并用閑余時間從事較為簡捷的農業活動,使得農民工作收入高于農業生產收入,導致農民放棄種植冬小麥,選擇種植單季玉米,使該地區出現許多冬小麥“撂荒”區[23]。

　　河北平原南部冬小麥和棉花的種植面積有所減少,但減少量不大;蔬菜總面積有少許增加,增加量為5.9萬hm2,增加明顯的區域主要分布在定州、清苑、饒陽等區縣,主要是因為保定市是河北省乃至全國重要的蔬菜生產供應基地,“十二五”期間是保定市蔬菜發展最快的階段,尤其是設施蔬菜高速增長已成為當地農民增收致富的支柱產業[24];林果種植面積增加明顯的區域主要分布在晉州、深州、饒陽、泊頭和滄縣等林果種植集中的周邊地區,主要原因是林果的經濟效益日益增長,且這些地區林果種植歷史悠久,慢慢呈現出規模化趨勢,種植技術較為成熟且易推廣。

　　豫北地區主要以種植糧食作物為主,野外調查發現,由于洪泛區荒地改造和荒地開墾,除焦作以外的其他區域冬小麥種植面積呈明顯增加趨勢。魯西北地區的水資源相對河北平原來說較為豐富,魯西北地區各縣緊鄰黃河,有充足的水資源進行農田灌溉,在樂陵—臨邑—陵縣一帶冬小麥種植面積呈現增加趨勢,但是由于復雜的種植技術以及低廉的收購價格,聊城和德州地區水稻和棉花的種植面積有所減少。

　　3.2華北平原主要作物需水量的時空變化

　　與2002年相比,2012年華北平原作物需水量的時空變化呈現出與作物種植結構時空變化相對應的特征。2002年,華北平原主要作物全年總需水量為743億m3,到2012年下降到696億m3,共下降6.37%。作物年需水強度由大到小依次是蔬菜(810~920mm)>水稻(780~880mm)>冬小麥-夏玉米(730~860mm)>林果(630~740mm)>棉花(680~770mm)>春玉米(470~620mm);2002年到2012年,需水量減少的作物類型為冬小麥-夏玉米(−35.41億m3)、棉花(−24.31億m3)、水稻(−7.48億m3)和春玉米(−2.1億m3),需水量增加的作物類型為林果(+11.24億m3)和蔬菜(+10.71億m3)。

　　從作物需水量的空間變化特征來看,華北平原需水量總體呈現下降趨勢,僅在部分河北平原大中城市(例如石家莊、保定、衡水)周邊、部分豫北平原黃河沿岸地區、魯西北樂陵—臨邑—陵縣一帶以及部分濱海平原地區需水量呈增加趨勢,其中濱海平原地區需水增加量最大。河北平原北部作物需水量減少33.4億m3,河北平原南部作物需水量減少12.23億m3,魯西北作物需水量減少3.51億m3,豫北作物需水量為增加趨勢,增加量為1.81億m3。

　　3.3種植結構變化對作物需水量的影響

　　整體上,河北平原北部作物需水量減少最大,作物年需水量從2002年的212億m3減少至2012年的178億m3。冬小麥-夏玉米的需水量減少32.96億m3,該地區冬小麥-夏玉米的年需水量減少對華北平原冬小麥-夏玉米需水減少總量的貢獻最大達64.44%,對該地區主要作物需水減少總量貢獻達98.45%。冬小麥-夏玉米種植面積的大幅縮減是該地區作物需水量減少的主要原因。

　　同時,該地區果蔬需水量呈增加趨勢,分別占華北平原果蔬需水增加總量的71.75%和55.39%,這主要與城市對于果蔬需求量的日益增長使得果蔬種植面積不斷增長有關。河北平原南部作物需水總量有少許下降,林果以及冬小麥-夏玉米的年需水量變化趨勢與河北平原北部地區一致,該地區蔬菜需水量增加81%,蔬菜需水量的增加主要與河北保定、石家莊一帶蔬菜種植基地的規模不斷擴大、蔬菜種植面積不斷增加有關。

　　同時,河北平原南部濱海一帶作物需水量增加較大,主要由于滄州市將一些低洼鹽堿地經土地整治開發成耕地,耕地面積的增加以及灌溉條件的改進[25-26]最終使得該地區作物需水量呈增加趨勢。魯西北地區作物需水量有少許下降,其中棉田需水量減少最大。

　　與2002年相比,2012年魯西北地區棉田需水減少量占華北平原棉田需水減少總量的73.54%,主要因為雖然在魯西北有非常悠久的棉花種植歷史,但較低的經濟效益及對勞動力成本的高要求使得當地農民放棄種植棉花,改種一年兩熟的冬小麥-夏玉米。豫北地區作物需水量有少許增加,主要由豫北整治后的黃泛區冬小麥種植面積增加導致,但在該地區由于水稻種植方式復雜,耗費人力成本較高但收益卻較低,所以該地區水稻種植面積大幅下降,需水量減少76%。

　　4討論與結論

　　種植結構變化對作物需水量影響的研究具有重要意義,是調整農業土地利用方式,實現區域節水的重要基礎。本文結合華北平原主要作物的物候特征及NDVI時間序列曲線提取了不同作物的生育期特征,并通過HANTS濾波和CART算法決策樹分類方法實現了華北平原2002年和2012年主要作物種植面積的提取,作物種植面積提取結果在縣域水平上精度較高,基于遙感數據提取的作物種植面積與基于統計數據的作物種植面積相關系數均在0.76以上(置信水平為95%),能反映華北平原2002—2012年種植結構的時空變化特征。

　　同時,結合作物系數法固定氣象要素不變計算了華北平原僅在種植結構調整背景下的作物需水量及時空變化特征,需水量計算結果與劉鈺等[27]作物需水量計算結果中的冬小麥(400~500mm)、夏玉米(230~400mm)、春玉米(430~500mm)、棉花(500~800mm)、水稻(700~950mm)的多年平均需水量及羅建美[5]作物需水量計算結果中的蔬菜(807mm)、果樹(702mm)多年平均需水量結果較為吻合。最后分析了華北平原種植結構變化對農業需水的影響。本研究主要結論如下:1)2002—2012年華北平原主要作物種植面積減少4.3%。糧食作物(小麥、玉米和水稻)種植面積顯著減少,經濟作物(林果和蔬菜)種植面積顯著增加。

　　結合作物系數法,計算了區域上華北平原的作物需水量。作物年需水強度由大到小依次是蔬菜(810~920mm)>水稻(780~880mm)>冬小麥-夏玉米(730~860mm)>林果(630~740mm)>棉花(680~770mm)>春玉米(470~620mm)。2002—2012年華北平原絕大多數區域作物需水量呈減少趨勢,僅在部分河北平原大中城市周邊、魯西北、豫北的引黃灌溉區以及濱海平原的部分區域呈增加趨勢,其中濱海平原及豫北的引黃灌溉區作物需水量增加最為明顯。

　　本文將區域作物種植結構與作物需水量相結合,分析了華北平原地區在不同種植結構下的作物需水量變化情況。結果表明,華北平原2002—2012年由種植結構變化引起的主要作物需水總量下降6.37%,其中作物種植強度變化對華北平原作物需水減少總量貢獻率為95%,作物需水強度變化對華北平原作物需水減少總量貢獻率為5%。因此,為了實現華北平原農業水資源的用水效率,一方面需要控制作物的總種植面積,另一方面需要縮減高需水作物的種植比例。

　　農業方向論文投稿刊物：《江西農業》雜志立足服務“三農”，致力于宣傳黨的農業農村政策，宣揚新理念、推廣新科技、培育新農民、探索新發展、推進新產業、建設新農村，為廣大基層農村工作者、農民朋友和農業產業化龍頭企業、農民專業合作社搭建學習交流的良好平臺，為農業增收、農民致富奔小康服務。

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