华北平原种植结构变化对农业需水的影响

　　摘要：不同种植结构下的农田需水研究是调整农业种植结构、制定切实可行的区域灌溉方案的重要依据。为了定量估算华北平原种植结构变化对农业需水的影响,本文基于MODISNDVI数据和TM/ETM遥感影像提取了2002年和2012年华北平原主要作物类型及其种植面积,同时基于作物系数法计算了华北平原7种主要作物需水量,分析了华北平原种植结构变化对作物需水的影响。结果表明:2002—2012年,主要作物种植面积减少60.7万hm2。其中,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)。2002—2012年,华北平原主要作物的总需水量从742.7亿m3下降至695.5亿m3,共下降6.37%。其中,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),需水量增加的为林果(+11.24亿m3)和蔬菜(+10.71亿m3)。从空间分布来看,华北平原作物需水量整体呈减少趋势,仅在河北平原、鲁西北以及滨海平原靠近城市周边的区域呈增加趋势,其中滨海平原需水增加量最大。华北平原由于作物种植面积减小引起的作物需水减少量达44.7亿m3;由作物种植结构调整引起的作物需水减少量为2.5亿m3。种植规模的减小是华北平原作物需水量减少的主要原因。

　　关键词:华北平原;遥感提取;种植结构;种植面积;作物需水量

　　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(Triticumaestivum)-玉米(Zeamays)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。

　　1研究区概况

　　华北平原地形平坦,土层深厚,海拔多在100m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°C,多年平均降雨量为549.6mm,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,对保障粮食安全具有丽足轻重的作用。

　　2数据来源和处理方法

　　2.1本文使用的遥感数据

　　为2002年和2012年的Terra/MODISMOD13Ql产品的NDVI数据和LandsatTM/ETM的影像数据。其中,NDVI数据为16d合成,空间分辨率为250m。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30m。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(normaldifferencevegetationindex,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(harmonicanalysisoftime-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,幵进行剪枝,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LandsatTM/ETM数据,利用监督分类的方法对其种植面积进行提取。

　　2.2.2作物需要水量计算

　　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,幵通过FAO推荐的作物系数法[22]实现,从而得:ETC=ET01×kc1+ET02×kc2(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,把各类蔬菜合幵为同种作物类型,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。

　　3结果与分析

　　3.1华北平原主要作物种植结构的时空变化

　　3.1.1遥感分类结果验证

　　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。

　　3.1.2华北平原主要作物种植面积的时空变化分析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)。

　　3.2华北平原主要作物需要水量的时空变化

　　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(810~920mm)>水稻(780~880mm)>冬小麦-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)。

　　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,幵通过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(400~500mm)、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罗建美[5]计算的作物多年平均需水量中蔬菜(807mm)、果树(702mm)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(810~920mm)>水稻(780~880mm)>冬小麦-夏玉米(730~860mm)>林果(630~740mm)>棉花(680~770mm)>春玉米(470~620mm)。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。

　　参考文献

　　[1]王仕琴.地下水模型MODFLOW与GIS的整合研究[D].北京:地质大学(北京),2006WANGSQ.StudyofthecouplingofgroundwatermodelingsoftwareandGISforNorthChinaPlain[D].Beijing:ChinaUniversityofGeosciences,2006

　　[2]莫兴国,夏军,胡实,等.气候变化对华北农业水资源影响的研究进展[J].自然杂志,2016,38(3):189–192MOXG,XIAJ,HUS,etal.InfluencesofclimatechangesonagriculturalwaterresourcesinNorthChinaPlain[J].ChineseJournalofNature,2016,38(3):189–192

　　[3]ZHANGYC,LEIHM,ZHAOWG,etal.ComparisonofthewaterbudgetforthetypicalcroplandandpearorchardecosystemsintheNorthChinaPlain[J].AgriculturalWaterManagement,2018,198:53–64

　　[4]刘昌明,何希吾.21世纪水问题方略[M].北京:科学出版社,1998LIUCM,HEXW.China’s21stCenturyWaterIssuesStrategy[M].Beijing:Sciencepress,1998

　　张雅芳1,2,郭英2,沈彦俊2**,齐永青2,罗建美2,3,4