2020, Vol. 28
2. 中国科学院农业水资源重点实验室/河北省节水农业重点实验室/中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050022;
3. 中国科学院大学 北京 100049;
4. 河北地质大学土地资源与城乡规划学院 石家庄 050031
2. Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences/Hebei Laboratory of Water-Saving Agriculture/Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4. College of Land Resources and Rural-Urban Planning, Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031, China
华北平原东临渤海, 西抵太行山, 北起燕山, 南至黄河, 地理位置为112°30′~119°30′E, 34°46′~40°25′N, 包括北京、天津、河北平原和黄河以北的豫北、鲁西北平原区, 面积约14.1万km2[1]。华北平原是我国重要的粮食产区, 农业用水需求量大而利用效率低[2]。农业用水占总水量的70%以上, 其中有75%以上来自地下水, 该地区地下水超采现象十分严重[3], 水资源短缺已成为威胁该区域农业生产、社会经济发展的最大障碍[4]。自20世纪60年代以来华北平原经历了从传统的旱作农业向灌溉农业的转变, 随着灌溉条件的改善, 种植制度从两年3熟、三年4熟或一年1熟为主逐渐形成了以小麦(Triticum aestivum)-玉米(Zea mays)一年两熟为主的高强度灌溉农业生产模式, 低需水量作物大幅减少, 蔬菜、水果等高需水量作物大幅增加, 种植结构发生了巨大变化[5]。种植结构转变导致的超规模、高强度的生产模式是灌溉农业消耗地下水的根源所在。因此, 明确该地区不同类型农田需水量, 对开展节水农业、制定切实可行的区域灌溉方案、保护有限的地下水资源具有重要理论与实践意义。
作物需水量作为衡量农作物水分供应状况的一种指标, 是研究一个地区的农田水分平衡的重要参数[6]。目前, 国内外基于作物需水量估算的研究已取得较多成果。李春强等[7]利用河北省84个地面气象站的资料, 计算了河北省主要作物冬小麦和玉米1965—1999年的需水量, 得出冬小麦和玉米的需水量在过去35年呈减少趋势。遆晋松等[8]利用华北棉区47个气象站点逐日气象数据, 通过SIMETAW模型分析1986—2015年棉花(Gossypium spp.)生育期需水量及变化趋势, 结果表明, 近30年来, 棉花生育期需水量呈减小趋势, 6—8月棉花需水量最大。Luo等[9]利用CROPWAT模型模拟了黄淮海平原冬小麦、夏玉米、棉花、谷子(Setaria italica)和大豆(Glycine max)的需水量, 得出近50年来主要农作物生育期平均年需水量为114.68 km3。白志杰等[10]基于统计数据结合作物模型和蒸发皿法估算了小麦、玉米、蔬菜、林果等作物的需水量, 分析了雄安新区上游1986—2015年农业种植结构及农业需水的时空演变趋势。冯慧敏等[11]分析了华北平原粮食作物需水量对气候变化的响应特征, 结果表明粮食作物需水量与年均最高气温之间存在较强相关关系。Abdul Karim等[12]利用遥感和FAO56作物水分模型对位于印度卡纳塔克邦的水稻(Oryza sativa)作物需水量以及灌溉需水量进行了估算。Kumar[13]利用Penman-Monteith公式以及印度比哈尔邦Sabour区和Patna区的水稻、玉米、小麦、绿豆(Vigna radiata)的作物系数估算了各作物在两区的需水量, 并根据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。虽然以往对于作物需水量的研究较多, 但是目前针对华北平原种植结构变化对农田需水量影响的研究较少。因此, 本文基于2002年和2012年的MODIS NDVI数据和TM/ETM遥感影像提取了华北平原冬小麦-夏玉米、春玉米、棉花、林果、蔬菜、水稻7种种植模式的土地利用面积分布数据, 同时基于作物系数法并结合农业气象站提供的各地区作物生育阶段数据, 固定气象要素不变, 定量估算了华北平原种植结构及种植规模变化对作物需水的影响, 该研究将为建立水资源可持续利用的作物种植结构调整等提供参考。
1 研究区概况华北平原地形平坦, 土层深厚, 海拔多在100 m以下(图 1)。华北平原属暖温带季风型气候区, 年平均气温10~15 ℃, 多年平均降雨量为549.6 mm, 降水时空分布不均, 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, 普遍不能满足农作物生长需要。华北平原以全国1/6的耕地产出占全国1/5的粮食[15], 在我国的粮食生产中占重要地位。该地区主要粮食作物有小麦、玉米、水稻, 经济作物有棉花、蔬菜、林果等。华北平原已形成以种植业为主体的农业产业结构, 对保障国家粮食安全具有举足轻重的作用。
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图 1 华北平原地理位置和气象站点分布图 Fig. 1 Location of the North China Plain and distribution of meteorological stations |
本文使用的遥感数据为2002年和2012年的Terra/MODIS MOD13Ql产品的NDVI数据和Landsat TM/ETM的影像数据。其中, NDVI数据为16 d合成, 空间分辨率为250 m。TM/ETM数据是由7个波段反射率合成的遥感影像, 空间分辨率为30 m。对于受到云影响的部分TM/ETM影像数据, 本研究主要选取了2002年和2012年的4月上旬影像。两组数据均由NASA(http://reverb.echo.nasa.gov)免费提供。气象数据由中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)提供, 为1998—2017年华北平原范围内和周边共57个气象台站的日值气象资料, 包括日最高气温、日最低气温、风速、日照时数、相对湿度和降水量6个气象要素; 农业气象站观测资料主要包括不同地区各作物播种、收获日期以及不同发育期的起止日期; 土地利用分类的验证数据来自京津冀地区各省、市农村统计年鉴中的耕地面积和作物播种面积数据。
2.2 数据处理方法 2.2.1 作物种植面积提取归一化植被指数(normal difference vegetation index, NDVI)是表征植被生长状况的主要指标之一, 是遥感提取植被信息的重要指标, 广泛应用于植被分类研究[16-17]。对于冬小麦-夏玉米、春玉米、林果和棉花5类作物的提取, 本文通过HANTS (harmonic analysis of time-series, HANTS)滤波[18-19]去除噪声后的NDVI数据构建NDVI时间序列曲线(图 2), 依据不同植被生长曲线差异进行土地覆被分类样本的选取[20], 利用CART算法[21]构建决策树, 并进行剪枝, 最后应用生成的决策树文件进行分类。对于水稻和蔬菜两类作物的提取, 本文基于Landsat TM/ETM数据, 利用监督分类的方法对其种植面积进行提取。
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图 2 华北平原主要作物归一化植被指数(NDVI)时间序列曲线 Fig. 2 Time series curves of normal difference vegetation index (NDVI) of the main crops in the North China Plain |
本文将作物全年需水量计算分为作物生育期需水量和非生育期需水量两部分分别进行估算, 并通过FAO推荐的作物系数法[22]实现, 从而得:
| $ {\rm{ETC}} = {\rm{ET}}{{\rm{O}}_1} \times {k_{{\rm{cl}}}} + {\rm{ET}}{{\rm{O}}_2} \times {k_{{\rm{c}}2}} $ | (1) |
式中: ETC为作物全年需水量, ET01为作物生育期多年平均参考蒸散, ET02为作物非生育期多年平均参考蒸散, kc1为作物生育期作物系数, kc2为作物非生育期作物系数。对于越冬作物冬小麦而言, 根据其生长发育特点, 一般将其生育阶段分为初始生长期、冻融期、越冬期、快速发育期、生育中期和成熟期, 不越冬作物的生育阶段一般分为初始生长期、快速发育期、生育中期、成熟期。本文参考《北方地区主要农作物灌溉用水定额》[6]确定华北平原除蔬菜以外的6种作物在不同地区各生育阶段的作物系数及非生育期作物系数。由于蔬菜种类繁多、情况复杂, 对其进行简化处理, 把各类蔬菜合并为同种作物类型, 认为是一种除越冬期外常年都生长较为旺盛的作物[6]。因《北方地区主要农作物灌溉用水定额》中缺少蔬菜的作物系数, 而目前我国关于蔬菜需水量的研究多集中于单个蔬菜类型的研究, 对于蔬菜作为一类型作物的研究较少, 因此本研究中蔬菜的作物系数参考FAO-Cropwat中作物系数的数据。作物非生育期的作物系数kc2参照作物生长发育初期的作物系数kcini[22]计算, 华北平原kcini参照《北方地区主要农作物灌溉用水定额》确定为0.345。作物生育期结合农业气象站提供的各作物发育期名称和日期确定, 最终作物生育期的确定如表 1所示。本文采用FAO推荐的Penman-Monteith方法[22]计算作物的参考蒸散ET0, 计算公式为:
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表 1 华北平原主要作物生育期 Table 1 Growth periods of main crops in the North China Plain |
| $ {\rm{E}}{{\rm{T}}_0} = \frac{{0.408\mathit{\Delta} \left( {{R_{\rm{n}}} - G} \right) + \gamma \frac{{900}}{{T + 273}}{\mu _2}\left( {{e_{\rm{s}}} - {e_{\rm{a}}}} \right)}}{{\mathit{\Delta} + \gamma \left( {1 + 0.34{\mu _2}} \right)}} $ | (2) |
式中: ET0为参考作物蒸散量(mm·d-1), Rn为作物表面净辐射(MJ·m-2·d-1), G为土壤热通量(MJ·m-2·d-1), T 为2 m高度处日平均气温(℃), μ2为2 m高度处日平均风速(m·s-1), es为饱和水汽压(kPa), ea为实际水汽压(kPa),
本文将华北平原区2002年和2012年遥感监测与农业统计数据中基于县域的耕地面积及各种作物的种植面积进行相关分析, 从而对本研究的分类结果进行精度评价。如图 3a所示, 遥感监测与农业统计数据中县域耕地面积的相关系数为0.78, 由图 3b-3f可知, 遥感监测的各作物种植面积与农业统计数据的种植面积的相关系数均在0.76以上(置信水平均为95%), 表明该方法在华北平原对作物提取的分类精度较高, 分类结果能够反映作物种植的时空变化。
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图 3 2002年和2012年河北地区遥感监测主要农作物种植面积与各县农业统计数据的对比 Fig. 3 Comparison of the planting area of main crops monitored by remote sensing and the agricultural statistical data of each county in Hebei in 2002 and 2012 |
本文根据华北平原的区域水分特征, 将华北平原分为河北平原北部(包含北京市和天津市)、河北平原南部、鲁西北和豫北4个区域。小麦、玉米是华北平原主要粮食作物类型, 冬小麦-夏玉米主要分布在豫北和鲁西北的引黄灌溉区和太行山前平原水源条件较好的区域; 春玉米主要分布在地下水资源短缺、灌溉成本较高的河北平原北部的廊坊、沧州北部一带; 棉花集中分布于河北平原南部和鲁西北的主要产棉区, 例如:邢台、衡水、德州和聊城; 水稻集中分布于天津、河北唐山地区和黄河沿岸; 蔬菜主要分布在较为发达的城市周边, 林果分散分布于几个产果区如石家庄、沧州、滨州和京津周边地区(图 4)。
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图 4 2002年和2012年华北平原主要农作物空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of main crops in the North China Plain in 2002 and 2012 |
2002年冬小麦-夏玉米、春玉米、棉花、林果、蔬菜、水稻7种主要作物的种植面积占华北平原总面积的70.29%, 到2012年下降至65.96%。根据以上分类结果提取2002年和2012年的土地利用转移矩阵(表 2)。可知, 从2002年到2012年主要作物的种植面积共减少60.7万hm2。其中, 主要粮食作物类型(小麦、玉米、水稻)的种植面积均有所减少, 共减少57.4万hm2; 主要经济作物类型中林果、蔬菜的种植面积分别增加16.6万hm2和12.6万hm2; 棉花的种植面积减少32.4万hm2, 减少率为28.3%。5种种植面积明显减少的作物分别为冬小麦-夏玉米(-43.18万hm2)、棉花(-32.43万hm2)、水稻(-9.3万hm2)和春玉米(-4.9万hm2), 种植面积增加的作物主要是林果(+16.61万hm2)和蔬菜(+12.6万hm2)。
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表 2 2002年和2012年华北平原主要作物种植面积转移矩阵 Table 2 Transferring matrix of main crops planting areas in the North China Plain in 2002 and 2012 |
河北平原北部冬小麦种植面积减少41.3万hm2, 单季玉米种植面积有所增加。一方面是因为该地区冬小麦主要靠提取地下水灌溉, 地下水紧缺, 灌溉成本较高, 而玉米由于生长季短, 且与降雨同期, 灌溉次数少, 对劳动力的时间和精力投入要求较低, 使玉米种植面积增加; 另一方面, 该地区天津-廊坊一带乡镇企业发达, 许多农民由单一的从事传统农业生产转化为到本地乡镇企业工作并用闲余时间从事较为简捷的农业活动, 使得农民工作收入高于农业生产收入, 导致农民放弃种植冬小麦, 选择种植单季玉米, 使该地区出现许多冬小麦“撂荒”区[23]。河北平原南部冬小麦和棉花的种植面积有所减少, 但减少量不大。蔬菜总面积有少许增加, 增加量为5.9万hm2, 增加明显的区域主要分布在定州、清苑、饶阳等区县, 主要是因为保定市是河北省乃至全国重要的蔬菜生产供应基地, “十二五”期间是保定市蔬菜发展最快的阶段, 尤其是设施蔬菜高速增长已成为当地农民增收致富的支柱产业[24]。林果种植面积增加明显的区域主要分布在晋州、深州、饶阳、泊头和沧县等林果种植集中的周边地区, 主要原因是林果的经济效益日益增长, 且这些地区林果种植历史悠久, 慢慢呈现出规模化趋势, 种植技术较为成熟且易推广。豫北地区主要以种植粮食作物为主, 野外调查发现, 由于洪泛区荒地改造和荒地开垦, 除焦作以外的其他区域冬小麦种植面积呈明显增加趋势。鲁西北地区的水资源相对河北平原来说较为丰富, 鲁西北地区各县紧邻黄河, 有充足的水资源进行农田灌溉, 在乐陵—临邑—陵县一带冬小麦种植面积呈现增加趋势, 但是由于复杂的种植技术以及低廉的收购价格, 聊城和德州地区水稻和棉花的种植面积有所减少。
3.2 华北平原主要作物需水量的时空变化与2002年相比, 2012年华北平原作物需水量的时空变化呈现出与作物种植结构时空变化相对应的特征。2002年, 华北平原主要作物全年总需水量为743亿m3, 2012年下降到696亿m3, 下降6.37%(表 3)。作物年需水强度由大到小依次是蔬菜(810~920 mm) > 水稻(780~880 mm) > 冬小麦-夏玉米(730~860 mm) > 林果(630~740 mm) > 棉花(680~770 mm) > 春玉米(470~620 mm); 2002年到2012年, 需水量减少的作物类型为冬小麦-夏玉米(-35.41亿m3)、棉花(-24.31亿m3)、水稻(-7.48亿m3)和春玉米(-2.1亿m3), 需水量增加的作物类型为林果(+11.24亿m3)和蔬菜(+10.71亿m3)。从作物需水量的空间变化特征来看, 华北平原需水量总体呈现下降趋势, 仅在部分河北平原大中城市(例如石家庄、保定、衡水)周边、部分豫北平原黄河沿岸地区、鲁西北乐陵—临邑—陵县一带以及部分滨海平原地区需水量呈增加趋势, 其中滨海平原地区需水增加量最大。河北平原北部作物需水量减少33.4亿m3, 河北平原南部作物需水量减少12.23亿m3, 鲁西北作物需水量减少3.51亿m3, 豫北作物需水量为增加趋势, 增加量为1.81亿m3(图 5)。
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表 3 华北平原2002年和2012年主要作物需水量的变化 Table 3 Changes in crop water requirement of main crops in the North China Plain in 2002 and 2012 |
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图 5 华北平原2002年和2012年主要作物需水量及其变化量的空间分布 Fig. 5 Spatial distribution of evapotranspiration of main crops and its change in the North China Plain in 2002 and 2012 |
整体上, 河北平原北部作物需水量减少最大, 作物年需水量从2002年的212亿m3减少至2012年的178亿m3。冬小麦-夏玉米的需水量减少32.96亿m3, 该地区冬小麦-夏玉米的年需水量减少对华北平原冬小麦-夏玉米需水减少总量的贡献最大达64.44%, 对该地区主要作物需水减少总量贡献达98.45%。冬小麦-夏玉米种植面积的大幅缩减是该地区作物需水量减少的主要原因。同时, 该地区果蔬需水量呈增加趋势, 分别占华北平原果蔬需水增加总量的71.75%和55.39%, 这主要与城市对于果蔬需求量的日益增长使得果蔬种植面积不断增长有关。河北平原南部作物需水总量略有下降, 林果以及冬小麦-夏玉米的年需水量变化趋势与河北平原北部地区一致, 该地区蔬菜需水量增加81.00%, 蔬菜需水量的增加主要与河北保定、石家庄一带蔬菜种植基地的规模不断扩大、蔬菜种植面积不断增加有关。同时, 河北平原南部滨海一带作物需水量增加较大, 主要由于沧州市将一些低洼盐碱地经土地整治开发为耕地, 耕地面积的增加以及灌溉条件的改进[25-26]最终使得该地区作物需水量呈增加趋势。鲁西北地区作物需水量有少许下降, 其中棉田需水量减少最大。与2002年相比, 2012年鲁西北地区棉田需水减少量占华北平原棉田需水减少总量的73.54%, 主要因为虽然在鲁西北有非常悠久的棉花种植历史, 但较低的经济效益及对劳动力成本的高要求使得当地农民放弃种植棉花, 改种一年两熟的冬小麦-夏玉米。豫北地区作物需水量有少许增加, 主要由豫北整治后的黄泛区冬小麦种植面积增加导致, 但在该地区由于水稻种植方式复杂, 耗费人力成本较高但收益却较低, 所以该地区水稻种植面积大幅下降, 需水量减少76%。
种植结构变化对华北平原作物需水量的影响主要体现在以下两个方面:一是耕地面积保持不变, 仅作物种植类型调整, 作物需水强度变化引起的作物需水量的变化; 二是由耕地类型与非耕地类型相互转化, 作物的种植强度变化引起的作物需水量的变化。从2002年到2012年华北平原耕地面积保持不变的区域占华北平原主要作物种植面积的百分比由79.7%增加到84.9%, 在耕地面积保持不变的区域有5.8%的水稻、冬小麦-夏玉米、棉花的种植区转变为蔬菜、林果和春玉米种植区, 水稻、冬小麦-夏玉米等高需水作物种植面积的减少使该区域作物需水量从2002年的594.4亿m3减少到2012年的591.9亿m3; 其次, 由耕地类型转化为其他用地类型的面积共199.7万hm2, 需水量共减少149.2亿m3。由其他用地类型转换为耕地类型的面积共139万hm2, 需水量共增加104.5亿m3。因此, 在华北平原由作物种植结构调整引起的作物需水量减少了2.5亿m3, 由耕地类型与非耕地类型相互转换引起的作物需水量减少了44.7亿m3。
4 结论种植结构变化对作物需水量影响的研究具有重要意义, 是调整农业土地利用方式, 实现区域节水的重要基础。本文结合华北平原主要作物的物候特征及NDVI时间序列曲线提取了不同作物的生育期特征, 并通过HANTS滤波和CART算法决策树分类方法实现了华北平原2002年和2012年主要作物种植面积的提取, 作物种植面积提取结果在县域水平上精度较高, 基于遥感数据提取的作物种植面积与基于统计数据的作物种植面积相关系数均在0.76以上(置信水平为95%), 能反映华北平原2002—2012年种植结构的时空变化特征。同时, 结合作物系数法固定气象要素不变计算了华北平原仅在种植结构调整背景下的作物需水量及时空变化特征, 需水量计算结果与刘钰等[27]作物需水量计算结果中的冬小麦(400~500 mm)、夏玉米(230~400 mm)、春玉米(430~500 mm)、棉花(500~800 mm)、水稻(700~950 mm)的多年平均需水量及罗建美[5]计算的作物多年平均需水量中蔬菜(807 mm)、果树(702 mm)较为吻合。最后分析了华北平原种植结构变化对农业需水的影响。本研究主要结论如下:
1) 2002—2012年华北平原主要作物种植面积减少4.3%。粮食作物(小麦、玉米和水稻)种植面积显著减少, 经济作物(林果和蔬菜)种植面积显著增加。
2) 结合作物系数法, 计算了区域上华北平原的作物需水量。作物年需水强度由大到小依次是蔬菜(810~920 mm) > 水稻(780~880 mm) > 冬小麦-夏玉米(730~860 mm) > 林果(630~740 mm) > 棉花(680~770 mm) > 春玉米(470~620 mm)。2002—2012年华北平原绝大多数区域作物需水量呈减少趋势, 仅在部分河北平原大中城市周边、鲁西北、豫北的引黄灌溉区以及滨海平原的部分区域呈增加趋势, 其中滨海平原及豫北的引黄灌溉区作物需水量增加最为明显。
3) 本文将区域作物种植结构与作物需水量相结合, 分析了华北平原地区在不同种植结构下的作物需水量变化情况。结果表明, 华北平原2002—2012年由种植结构变化引起的主要作物需水总量下降6.37%, 其中作物种植强度变化对华北平原作物需水减少总量贡献率为95%, 作物需水强度变化对华北平原作物需水减少总量贡献率为5%。因此, 为了实现华北平原农业水资源的用水效率, 一方面需要控制作物的总种植面积, 另一方面需要缩减高需水作物的种植比例。
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