張雅芳, 郭 英, 沈彥俊**, 齊永青, 羅建美,3,4

華北平原種植結(jié)構(gòu)變化對農(nóng)業(yè)需水的影響*

張雅芳1,2, 郭 英2, 沈彥俊2**, 齊永青2, 羅建美2,3,4

(1. 河北師范大學資源與環(huán)境科學學院 石家莊 050024; 2. 中國科學院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點實驗室/中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心 石家莊 050022; 3. 中國科學院大學 北京 100049; 4. 河北地質(zhì)大學土地資源與城鄉(xiāng)規(guī)劃學院 石家莊 050031)

不同種植結(jié)構(gòu)下的農(nóng)田需水研究是調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、制定切實可行的區(qū)域灌溉方案的重要依據(jù)。為了定量估算華北平原種植結(jié)構(gòu)變化對農(nóng)業(yè)需水的影響, 本文基于MODIS NDVI數(shù)據(jù)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(shù)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(jié)構(gòu)變化對作物需水的影響。結(jié)果表明: 2002—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(qū)域呈增加趨勢, 其中濱海平原需水增加量最大。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(jié)構(gòu)調(diào)整引起的作物需水減少量為2.5億m3。種植規(guī)模的減小是華北平原作物需水量減少的主要原因。

華北平原; 遙感提取; 種植結(jié)構(gòu); 種植面積; 作物需水量

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(qū), 面積約14.1萬km2[1]。華北平原是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū), 農(nóng)業(yè)用水需求量大而利用效率低[2]。農(nóng)業(yè)用水占總水量的70%以上, 其中有75%以上來自地下水, 該地區(qū)地下水超采現(xiàn)象十分嚴重[3], 水資源短缺已成為威脅該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會經(jīng)濟發(fā)展的最大障礙[4]。自20世紀60年代以來華北平原經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的旱作農(nóng)業(yè)向灌溉農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化[5]。種植結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變導致的超規(guī)模、高強度的生產(chǎn)模式是灌溉農(nóng)業(yè)消耗地下水的根源所在。因此, 明確該地區(qū)不同類型農(nóng)田需水量, 對開展節(jié)水農(nóng)業(yè)、制定切實可行的區(qū)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(nóng)作物水分供應(yīng)狀況的一種指標, 是研究一個地區(qū)的農(nóng)田水分平衡的重要參數(shù)[6]。目前, 國內(nèi)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(qū)47個氣象站點逐日氣象數(shù)據(jù), 通過SIMETAW模型分析1986—2015年棉花(spp.)生育期需水量及變化趨勢, 結(jié)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(nóng)作物生育期平均年需水量為114.68km3。白志杰等[10]基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)合作物模型和蒸發(fā)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(qū)上游1986—2015年農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)及農(nóng)業(yè)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(yīng)特征, 結(jié)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(guān)關(guān)系。Abdul Karim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(qū)和Patna區(qū)的水稻、玉米、小麥、綠豆()的作物系數(shù)估算了各作物在兩區(qū)的需水量, 并根據(jù)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(jié)構(gòu)變化對農(nóng)田需水量影響的研究較少。因此, 本文基于2002年和2012年的MODIS NDVI 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù), 同時基于作物系數(shù)法并結(jié)合農(nóng)業(yè)氣象站提供的各地區(qū)作物生育階段數(shù)據(jù), 固定氣象要素不變, 定量估算了華北平原種植結(jié)構(gòu)及種植規(guī)模變化對作物需水的影響, 該研究將為建立水資源可持續(xù)利用的作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等提供參考。

1 研究區(qū)概況

華北平原地形平坦, 土層深厚, 海拔多在100 m以下(圖1)。華北平原屬暖溫帶季風型氣候區(qū), 年平均氣溫10~15 ℃, 多年平均降雨量為549.6 mm, 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(nóng)作物生長需要。華北平原以全國1/6的耕地產(chǎn)出占全國1/5的糧食[15], 在我國的糧食生產(chǎn)中占重要地位。該地區(qū)主要糧食作物有小麥、玉米、水稻, 經(jīng)濟作物有棉花、蔬菜、林果等。華北平原已形成以種植業(yè)為主體的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu), 對保障國家糧食安全具有舉足輕重的作用。

圖1 華北平原地理位置和氣象站點分布圖

Fig. l Location of the North China Plain and distribution of meteorological stations

2 數(shù)據(jù)來源和處理方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文使用的遙感數(shù)據(jù)為2002年和2012年的Terra/MODIS MOD13Ql產(chǎn)品的NDVI數(shù)據(jù)和Landsat TM/ETM的影像數(shù)據(jù)。其中, NDVI數(shù)據(jù)為16 d合成, 空間分辨率為250 m。TM/ETM數(shù)據(jù)是由7個波段反射率合成的遙感影像, 空間分辨率為30 m。對于受到云影響的部分TM/ETM影像數(shù)據(jù), 本研究主要選取了2002年和2012年的4月上旬影像。兩組數(shù)據(jù)均由NASA(http://reverb.echo.nasa.gov)免費提供。氣象數(shù)據(jù)由中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)提供, 為1998—2017年華北平原范圍內(nèi)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(shù)、相對濕度和降水量6個氣象要素; 農(nóng)業(yè)氣象站觀測資料主要包括不同地區(qū)各作物播種、收獲日期以及不同發(fā)育期的起止日期; 土地利用分類的驗證數(shù)據(jù)來自京津冀地區(qū)各省、市農(nóng)村統(tǒng)計年鑒中的耕地面積和作物播種面積數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

2.2.1 作物種植面積提取

歸一化植被指數(shù)(normal difference vegetation index, 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(yīng)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 (harmonic analysis of time-series, HANTS)濾波[18-19]去除噪聲后的NDVI數(shù)據(jù)構(gòu)建NDVI時間序列曲線(圖2), 依據(jù)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(gòu)建決策樹, 并進行剪枝, 最后應(yīng)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Landsat TM/ETM數(shù)據(jù), 利用監(jiān)督分類的方法對其種植面積進行提取。

圖2 華北平原主要作物歸一化植被指數(shù)(NDVI)時間序列曲線

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(shù)法[22]實現(xiàn), 從而得:

ETCET01×c1ET02×c2(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,c1為作物生育期作物系數(shù),c2為作物非生育期作物系數(shù)。對于越冬作物冬小麥而言, 根據(jù)其生長發(fā)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(fā)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(fā)育期、生育中期、成熟期。本文參考《北方地區(qū)主要農(nóng)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(qū)各生育階段的作物系數(shù)及非生育期作物系數(shù)。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(qū)主要農(nóng)作物灌溉用水定額》中缺少蔬菜的作物系數(shù), 而目前我國關(guān)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(shù)參考FAO-Cropwat中作物系數(shù)的數(shù)據(jù)。作物非生育期的作物系數(shù)c2參照作物生長發(fā)育初期的作物系數(shù)cini[22]計算, 華北平原cini參照《北方地區(qū)主要農(nóng)作物灌溉用水定額》確定為0.345。作物生育期結(jié)合農(nóng)業(yè)氣象站提供的各作物發(fā)育期名稱和日期確定, 最終作物生育期的確定如表1所示。本文采用FAO推薦的Penman-Monteith方法[22]計算作物的參考蒸散ET0, 計算公式為:

式中: ET0為參考作物蒸散量(mm·d-1),n為作物表面凈輻射(MJ·m-2·d-1),為土壤熱通量(MJ·m-2·d-1),為2 m 高度處日平均氣溫(℃),2為2 m高度處日平均風速(m·s-1),s為飽和水汽壓(kPa),a為實際水汽壓(kPa),為飽和水汽壓曲線斜率(kPa·℃-1),為干濕表常數(shù)(kPa·℃-1)。

表1 華北平原主要作物生育期

3 結(jié)果與分析

3.1 華北平原主要作物種植結(jié)構(gòu)的時空變化

3.1.1 遙感分類結(jié)果驗證

本文將華北平原區(qū)2002年和2012年遙感監(jiān)測與農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)中基于縣域的耕地面積及各種作物的種植面積進行相關(guān)分析, 從而對本研究的分類結(jié)果進行精度評價。如圖3a所示, 遙感監(jiān)測與農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)中縣域耕地面積的相關(guān)系數(shù)為0.78, 由圖3b-3f可知, 遙感監(jiān)測的各作物種植面積與農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的種植面積的相關(guān)系數(shù)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(jié)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(jù)華北平原的區(qū)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(qū)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(qū)和太行山前平原水源條件較好的區(qū)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(chǎn)棉區(qū), 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(qū)和黃河沿岸; 蔬菜主要分布在較為發(fā)達的城市周邊, 林果分散分布于幾個產(chǎn)果區(qū)如石家莊、滄州、濱州和京津周邊地區(qū)(圖4)。

圖3 2002年和2012年河北地區(qū)遙感監(jiān)測主要農(nóng)作物種植面積與各縣農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的對比

2002年冬小麥-夏玉米、春玉米、棉花、林果、蔬菜、水稻7種主要作物的種植面積占華北平原總面積的70.29%, 到2012年下降至65.96%。根據(jù)以上分類結(jié)果提取2002年和2012年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表2)?？芍? 從2002年到2012年主要作物的種植面積共減少60.7萬hm2。其中, 主要糧食作物類型(小麥、玉米、水稻)的種植面積均有所減少, 共減少57.4萬hm2; 主要經(jīng)濟作物類型中林果、蔬菜的種植面積分別增加16.6萬hm2和12.6萬hm2; 棉花的種植面積減少32.4萬hm2, 減少率為28.3%。5種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)。

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(qū)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(shù)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(qū)天津-廊坊一帶鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)達, 許多農(nóng)民由單一的從事傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)化為到本地鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)工作并用閑余時間從事較為簡捷的農(nóng)業(yè)活動, 使得農(nóng)民工作收入高于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)收入, 導致農(nóng)民放棄種植冬小麥, 選擇種植單季玉米, 使該地區(qū)出現(xiàn)許多冬小麥“撂荒”區(qū)[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(qū)域主要分布在定州、清苑、饒陽等區(qū)縣, 主要是因為保定市是河北省乃至全國重要的蔬菜生產(chǎn)供應(yīng)基地, “十二五”期間是保定市蔬菜發(fā)展最快的階段, 尤其是設(shè)施蔬菜高速增長已成為當?shù)剞r(nóng)民增收致富的支柱產(chǎn)業(yè)[24]。林果種植面積增加明顯的區(qū)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(qū), 主要原因是林果的經(jīng)濟效益日益增長, 且這些地區(qū)林果種植歷史悠久, 慢慢呈現(xiàn)出規(guī)?；厔? 種植技術(shù)較為成熟且易推廣。豫北地區(qū)主要以種植糧食作物為主, 野外調(diào)查發(fā)現(xiàn), 由于洪泛區(qū)荒地改造和荒地開墾, 除焦作以外的其他區(qū)域冬小麥種植面積呈明顯增加趨勢。魯西北地區(qū)的水資源相對河北平原來說較為豐富, 魯西北地區(qū)各縣緊鄰黃河, 有充足的水資源進行農(nóng)田灌溉, 在樂陵—臨邑—陵縣一帶冬小麥種植面積呈現(xiàn)增加趨勢, 但是由于復雜的種植技術(shù)以及低廉的收購價格, 聊城和德州地區(qū)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(xiàn)出與作物種植結(jié)構(gòu)時空變化相對應(yīng)的特征。2002年, 華北平原主要作物全年總需水量為743億m3, 2012年下降到696億m3, 下降6.37%(表3)。作物年需水強度由大到小依次是蔬菜(810~920 mm)>水稻(780~880 mm)>冬小麥-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(xiàn)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(qū)、魯西北樂陵—臨邑—陵縣一帶以及部分濱海平原地區(qū)需水量呈增加趨勢, 其中濱海平原地區(qū)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(圖5)。

3.3 種植結(jié)構(gòu)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(qū)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(qū)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(qū)作物需水量減少的主要原因。同時, 該地區(qū)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(guān)。河北平原南部作物需水總量略有下降, 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(qū)一致, 該地區(qū)蔬菜需水量增加81.00%, 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(guī)模不斷擴大、蔬菜種植面積不斷增加有關(guān)。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(jīng)土地整治開發(fā)為耕地, 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(qū)作物需水量呈增加趨勢。魯西北地區(qū)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(qū)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(jīng)濟效益及對勞動力成本的高要求使得當?shù)剞r(nóng)民放棄種植棉花, 改種一年兩熟的冬小麥-夏玉米。豫北地區(qū)作物需水量有少許增加, 主要由豫北整治后的黃泛區(qū)冬小麥種植面積增加導致, 但在該地區(qū)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(qū)水稻種植面積大幅下降, 需水量減少76%。

種植結(jié)構(gòu)變化對華北平原作物需水量的影響主要體現(xiàn)在以下兩個方面: 一是耕地面積保持不變, 僅作物種植類型調(diào)整, 作物需水強度變化引起的作物需水量的變化; 二是由耕地類型與非耕地類型相互轉(zhuǎn)化, 作物的種植強度變化引起的作物需水量的變化。從2002年到2012年華北平原耕地面積保持不變的區(qū)域占華北平原主要作物種植面積的百分比由79.7%增加到84.9%, 在耕地面積保持不變的區(qū)域有5.8%的水稻、冬小麥-夏玉米、棉花的種植區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槭卟?、林果和春玉米種植區(qū), 水稻、冬小麥-夏玉米等高需水作物種植面積的減少使該區(qū)域作物需水量從2002年的594.4億m3減少到2012年的591.9 億m3; 其次, 由耕地類型轉(zhuǎn)化為其他用地類型的面積共199.7萬hm2, 需水量共減少149.2億m3。由其他用地類型轉(zhuǎn)換為耕地類型的面積共139萬hm2, 需水量共增加104.5億m3。因此, 在華北平原由作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整引起的作物需水量減少了2.5億m3, 由耕地類型與非耕地類型相互轉(zhuǎn)換引起的作物需水量減少了44.7億m3。

圖4 2002年和2012年華北平原主要農(nóng)作物空間分布

表2 2002年和2012年華北平原主要作物種植面積轉(zhuǎn)移矩陣

圖5 華北平原2002年和2012年主要作物需水量及其變化量的空間分布

表3 華北平原2002年和2012年主要作物需水量的變化

4 結(jié)論

種植結(jié)構(gòu)變化對作物需水量影響的研究具有重要意義, 是調(diào)整農(nóng)業(yè)土地利用方式, 實現(xiàn)區(qū)域節(jié)水的重要基礎(chǔ)。本文結(jié)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(xiàn)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(jié)果在縣域水平上精度較高, 基于遙感數(shù)據(jù)提取的作物種植面積與基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的作物種植面積相關(guān)系數(shù)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(jié)構(gòu)的時空變化特征。同時, 結(jié)合作物系數(shù)法固定氣象要素不變計算了華北平原僅在種植結(jié)構(gòu)調(diào)整背景下的作物需水量及時空變化特征, 需水量計算結(jié)果與劉鈺等[27]作物需水量計算結(jié)果中的冬小麥(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羅建美[5]計算的作物多年平均需水量中蔬菜(807 mm)、果樹(702 mm)較為吻合。最后分析了華北平原種植結(jié)構(gòu)變化對農(nóng)業(yè)需水的影響。本研究主要結(jié)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(jīng)濟作物(林果和蔬菜)種植面積顯著增加。

2)結(jié)合作物系數(shù)法, 計算了區(qū)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(810~920 mm)>水稻(780~880 mm)>冬小麥-夏玉米(730~860 mm)>林果(630~740 mm)>棉花(680~770 mm)>春玉米(470~620 mm)。2002—2012年華北平原絕大多數(shù)區(qū)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(qū)以及濱海平原的部分區(qū)域呈增加趨勢, 其中濱海平原及豫北的引黃灌溉區(qū)作物需水量增加最為明顯。

3)本文將區(qū)域作物種植結(jié)構(gòu)與作物需水量相結(jié)合, 分析了華北平原地區(qū)在不同種植結(jié)構(gòu)下的作物需水量變化情況。結(jié)果表明, 華北平原2002—2012年由種植結(jié)構(gòu)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(xiàn)華北平原農(nóng)業(yè)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。

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Impact of planting structure changes on agricultural water requirement in North China Plain*

ZHANG Yafang1,2, GUO Ying2, SHEN Yanjun2**, QIYongqing2, LUO Jianmei2,3,4

(1. College of Resources and Environmental Sciences, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050024, China; 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)

Evaluating farmland water requirements under different planting structures is an important basis for adjusting the agricultural planting structure and formulating feasible regional irrigation schemes. In order to quantitatively estimate the impact of planting structure changes on agricultural water requirement in the North China Plain (NCP), this paper extracted the main crop types and their planting areas based on MODIS NDVI data and TM/ETM remote sensing images from 2002 and 2012. The water demand of seven main crops in the NCP was calculated based on the crop coefficient method and the influence of planting structure change on crop water requirements in NCP was analyzed. The results showed that firstly: from 2002 to 2012, the main crop planting area decreased by 60.7×104hectares. Among them, the planting area of the four crops was significantly reduced: winter wheat-summer maize (?4.318×105hm2), cotton (?3.243×105hm2), rice (?9.3×104hm2),and spring corn (?4.9×104hm2). The crops for which planting area increased were: forest fruit (+1.661×105hm2) and vegetables (+1.26×105hm2). Secondly, from 2002 to 2012, the total water demand for major crops in the NCP decreased from 74.27 billion m3to 69.55 billion m3(a decrease of 6.37%). Among this, the types of crop with reduced water demand were as follows: winter wheat-summer maize (-3.54billion m3), cotton (-2.43 billion m3), rice (-0.75 billion m3), and spring maize (-0.21 billion m3).On the other hand, fruit trees and vegetables both caused an increase in water demand 1.12 billion m3and 1.07 billion m3, respectively. Spatially, crop water demand in the NCP showed an overall decreasing trend, with only the Hebei Plain, northwest Shandong Province, and the coastal plain near the urban periphery displaying increasing water demand. The largest increase in water demand occurred in the coastal plain. Finally, the reduction of crop water demand in the NCP caused by reduction of crop planting area amounted to 4.47 billion m3, while that caused by planting structure adjustments only amounted to 0.25 billion m3. Hence, the reduction of the planting scale is the main reason for the decrease in crop water demand in the NCP.

North China Plain; Remote sensing extraction; Planting structure; Planting area; Crop water requirement

TP79

* 國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFC0401403)和河北省自然科學基金面上項目(D2019503028)資助

沈彥俊, 主要從事生態(tài)水文、環(huán)境遙感與應(yīng)用等方面的研究。E-mail: yjshen@sjziam.ac.cn

張雅芳, 主要從事生態(tài)水文與GIS應(yīng)用等方面的研究。E-mail: 2605977606@qq.com

2019-07-03

2019-09-22

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2016YFC0401403) and the Natural Science Foundation of Hebei Province (D2019503028).

, E-mail: yjshen@sjziam.ac.cn

Jul. 3, 2019;

Sep. 22, 2019

10.13930/j.cnki.cjea.190490

張雅芳, 郭英, 沈彥俊, 齊永青, 羅建美. 華北平原種植結(jié)構(gòu)變化對農(nóng)業(yè)需水的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報(中英文), 2020, 28(1): 8-16

ZHANG Y F, GUO Y, SHEN Y J, QI Y Q, LUO J M. Impact of planting structure changes on agricultural water requirement in North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(1): 8-16