宁夏灌区压减水稻面积对水环境的影响

郑 方，马力文，赵 慧

（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，银川 750002；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，银川 750002）

宁夏灌区水稻以高产和上乘的品质而著称。8世纪初，即唐代中叶，已有大面积水稻栽培［1］。目前水稻面积已达8.11 万hm2［2］。高如嵩等［3］评价，“银川平原气候生态条件综合评价结果几乎全部为1级，这在全国是罕见的。宁夏大米素以品质优良而著称，明显受惠于优越的气候因素。确实是一块既利于稻米高产又利于优质的不可多得的宝地。”水稻的潜在生产力和现实生产力以新疆为高，宁夏次之。宁夏引黄灌区是全国少有的水稻高产优质生产区［4］。

宁夏水资源严重短缺。全区人均占有水资源量仅为黄河流域的1/3、全国的1/12，人均水资源可利用量仅有670 m3，为全国平均值的1/3［5，6］。有研究者指出，为了节约水资源，需压缩水稻等高耗水作物种植面积［7-9］。也有研究者从生态的角度，对压减水稻种植面积并不认可［10，11］。维持一定的水稻面积，能够下渗补充地下水，有效地保持一定高度的地下水位，还可以维持灌区湖泊的水域面积。大面积的水稻种植，通过蒸腾作用产生大量水蒸气，可提高周围地区空气湿度，调节区域气候，有利于维持较舒适的人居环境。产生上述两种对立意见的根源，在于并不清楚压减水稻，改种节水的小麦或玉米对农业生产和生态环境的影响程度。因此，本研究不考虑改种对粮食产量和经济收入的影响，仅从水分蒸散量的改变引起环境湿度、地下水位的改变程度出发，用实际数据分析压减水稻面积，改种春小麦、玉米对生态环境带来的可能影响。

1 材料与方法

1.1 资料来源

气象资料来自宁夏灌区银川市、石嘴山市、吴忠市和中卫市有水稻种植的县辖区内的11 个气象观测站，包括2000—2018 年逐日气温、降水、日照时数，以及站点的经度、纬度、海拔等地理信息数据。

土壤水分观测数据来自宁夏永宁县2007—2014年逐旬1~100 cm 土壤水分以及土壤容重实测值。

1.2 研究方法

1.2.1 作物蒸散量 作物蒸散是作物蒸腾与棵间蒸发到空气中的水分，是维持空气湿润的水分源泉之一，作物蒸散量ETc可用彭曼公式估算［12］。

式中，ETc为作物蒸散量（mm），是指作物蒸腾与棵间蒸发到空气中的水在单位面积（每平方米）水平面上积聚的深度；ET0为潜在蒸散量（mm），即大气蒸发能力；Kc是联合国粮农组织（FAO）推荐的作物主要生育阶段蒸散系数（表1），表示作物在水分充分满足情况下向空中释放水分的能力。利用宁夏多年作物发育期观测资料，将Kc内插到生长期内的每一天。

表1 主要作物的Kc

潜在蒸散量ET0是在一定气象条件下，水分不受限制时，生长均匀且完全覆盖地表的绿草地冠层能达到的最大蒸发蒸腾量，称为参考作物蒸散。采用FAO 推荐的彭曼公式估算［12］。

式中，ET0为潜在蒸散量（mm）；T为日平均气温（℃）；U2为2 m 高处平均风速（m/s）；Rn为作物表面净辐射［MJ/（m2·d）］；G为土壤热通量密度［MJ/（m2·d）］；VPD为水气压差（kPa）；Δ 为饱和水气压曲线斜率（kPa/℃）；γ 为干湿表常数。

1.2.2 作物实际蒸散量 通过简易农田土壤水分平衡方程，对照2007—2014 年宁夏永宁农业环境观测实验站春小麦、玉米农田土壤水分监测结果，可计算出春小麦和玉米逐年实际蒸散量。

式中，ET为实际蒸散量（mm）；v1、v2分别为作物生育期开始和结束时1 m土层内的土壤贮水量（mm）；可由土壤重量含水量与土壤容重的乘积来确定；r为径流系数；∑R为某时段累计降水量；P为灌溉量。

土壤贮水量v是一定深度土层内贮存的水分。

第二，加大对客源地广告投放力度，在本县境内的105,316国道沿线及高速公路进出口处设立相应的旅游交通标示牌，进一步树立和宣传永修旅游的整体品牌形象。同时以周边省会城市办事处为依托，开辟和发展庐山西海旅游新市场和新客源，建立好辐射网络，打响庐山西海。

式中，v为土壤贮水量（mm）；ρ为土壤容重；h为测定土层厚度（cm）；w为重量含水量。因2014 年之后观测地点改变，对比数据仅有8 年。

1.2.3 空气湿度 空气绝对湿度是每立方米湿空气中所含水蒸气的质量，即水蒸气密度。

式中，ρw为水蒸气密度（g/m3）；e为蒸汽压（Pa）；RW为水的气体常数为461.52 J/（kg·K）；T为立方体的平均温度（K）；m为空气中的水的质量（g）；V为立方体的体积（m3）。

空气相对湿度是指水在空气中的蒸汽压与同温度同压强下水的饱和蒸汽压的比值，用空气的绝对湿度与相同温度下可能达到的最大绝对湿度之比来表示。

1.2.4 地下水位变化量 为了进一步分析不同种植模式对地下水位的影响，定义单位面积（m2）地下补给量为灌溉水和自然降水的渗漏量减去排水量，计算式参考前人的研究成果［10］并进行了改进。

式中，NWU是单位面积上的净地下水补给量（mm）；P是作物生育期的灌溉量（mm）；R是作物生育期的降水量（mm）；α为渗漏系数，取值0.245［11］；n为作物生育期的天数；Dr为地表排水量，宁夏灌区降雨多集中在7—9 月，占全年降雨量的70% 左右，而此期间水稻需水量较低，多余的水从水沟排出，最终流入黄河。根据文献［13］，水稻全生育期内的排水量约为9.4 mm。

为了进一步计算不同种植模式对地下水位的影响，计算地下水位的变化量。

式中，Δh为地下水位变化量（mm）；Δf为作物种植面积的变化量（m2）；M为灌区耕地总面积（m2）；NWUj是单位面积净地下水补给量的变化量（mm）；j为作物种类，j1、j2、j3分别为小麦、玉米、水稻；η为给水度，Kendy 等［14，15］研究认为，η取值一般为0.12~0.21，土壤的渗漏越小，取值也越小，因灌区土壤性质为沙壤土，故取值为0.2。

2 结果与分析

2.1 2011 年以来灌区逐年各作物蒸散量

FAO 推荐的方法计算作物蒸散量主要是针对半湿润气候条件下的平均值（最小相对湿度为45%，平均风速≤2 m/s），不同区域使用时，需要根据当地土壤、气候和作物高度进行调整。宁夏灌区水稻田土壤达到湿润条件，但小麦、玉米土壤未达到持续湿润条件，在灌溉时和非灌溉时土壤湿度呈锯齿形波动，实际蒸散量比彭曼公式推算数据要小一些。永宁农业环境观测实验站农田作物实际蒸散量与彭曼公式推算值对比结果见表2。

表2 农田作物实际蒸散量与推算蒸散量对比

由表2 可见，在以永宁为代表的宁夏灌区，作物实际蒸散量年际间差别较大。通过表2，按照彭曼公式推算的90% 对灌区春小麦和玉米的蒸散量进行核减，多站平均值见表3。

表3 灌区逐年各作物蒸散量（单位：mm）

按照上述算法，1 hm2小麦、玉米和水稻全生育期蒸散发的水量为3 661、5 283、7 510 m3。

2.2 灌区压减水稻面积对蒸散发的水量的影响

假设减少1.00 万hm2水稻，按照全部改种玉米、全部改种小麦、小麦玉米各0.50 万hm23 个方案推算，向空气中输送的蒸散发的水量见表4。

表4 不同作物的蒸散发的水量与改种后的减少量

利用2011—2018 年灌区水稻、小麦和玉米逐年的面积分别乘以相应的蒸散量即可得到各作物向空中蒸散发输送的水量。灌区小麦、玉米、水稻平均每年向空气中输送的水量分别为2.93×108、7.88×108、6.03×108m3，三大作物向空气中蒸散发输送的水量总和为16.64×108m3（表5）。

表5 2011 年以来灌区三大作物种植面积和蒸散发的水量

假设按照10%、20%、30% 的比例压减水稻面积，压减的面积一半用于种植玉米、一半用于种植小麦。按照2011—2018 年平均值计算，若水稻面积被压减10%，灌区三大作物向空气中蒸散发输送的水量总和为16.39×108m3，即比不压缩减少2.5×107m3。同理水稻面积压缩20% 和30%，输送的蒸散发水量分别比不压缩减少4.9×107和7.4×107m3（图1）。

图1 压减水稻水分蒸散发量情况

按照10%、20% 和30% 压减后，三大作物的蒸散发水量总和分别比不压缩减少了1.48%、2.91% 和4.39%（图2）。

图2 压减水稻蒸散发水量减少情况

2.3 灌区压减水稻面积对空气相对湿度的影响

按照集中连片1 万hm2面积的3.032×107m3水量蒸散到1 km 近地层，在风速为0 且没有其他热量交换的假设下，按照宁夏4—9 月平均气温和近地层高度的气温直减率6.5 ℃，同时按照宁夏4—9 月30年平均气温，推算得到宁夏灌区4—9 月饱和绝对空气湿度，换算成常用的空气相对湿度值。得出：在1万hm2集中连片的水稻种植区域，在1 km 近地层高度范围内，静风且没有其他热量交换的条件下，4—9月平均气温约为17 ℃，饱和空气湿度为14.34 g/m3，每日减少的绝对空气湿度平均为1.66 g/m3，减少的相对空气湿度平均为11.6%。

2.4 灌区压减水稻面积对地下水位的影响

按照宁夏普遍采取的节水灌溉模式，全生育期灌溉定额水稻为1 500 mm、玉米为660 mm、小麦为540 mm［11］，水稻全生育期多余水分排水量按照9.4 mm计算［13］，压减10% 的水稻面积，其中一半改种玉米，一半改种小麦时地下水位下降29.3 mm；压减20% 时下降58.6 mm；压减30%时下降87.8 mm（图3）。

图3 压减水稻地下水位下降情况

3 小结与讨论

通过彭曼公式推算了灌区水稻、玉米和小麦农田水分蒸散量，利用永宁农业环境观测实验站2007—2014 年的土壤水分观测数据和农田土壤水分平衡方程计算玉米和小麦田实际蒸散量，对利用彭曼公式推算的蒸散量进行了校正。按照减少的水稻面积，其中一半改种玉米、一半改种小麦的假设，计算得出减少1.00 万hm2水稻，所减少的蒸散发水量是3.032×107m3；推算了压减10%、20%、30% 的水稻面积所减少的蒸散水量，分别比不压减少向空气中输送2.5×107、4.9×107和7.4×107m3水量。

按照绝对湿度的计算方法，假设在1.00 万hm2集中连片的水稻上改种玉米和小麦，则在4—9 月空气绝对湿度减少1.66 g/m3，相对湿度减少11.6%。

灌区自然降水较少，维持一定的水稻面积对维持地下水位有一定的作用，按照压减水稻种植面积，也就减少了地下水补给量的思路，减少10%、20%、30% 水稻面积改种玉米和小麦，其地下水位将分别降低29.3、58.6 和87.8 mm。

压减水稻面积对降低空气湿度、降低地下水位作用明显，不利于宁夏灌区生态的维持。但分析仍然有以下缺陷。

1）彭曼公式的准确性虽然已经过多位学者证明，经过校正，提高了彭曼公式推算的准确性。但用于校正彭曼公式时所用的永宁农业环境观测实验站资料序列较短，校正的精度不够，且推算结果没有进行实际验证。

2）空气湿度的推算并不符合实际情况。空气湿度的推算建立在1 万hm2面域上至1 km 高度的立方体内处于静风条件且没有其他热量交换的假设下，这不符合实际情况，更不可能将此虚拟的立方体封闭起来。

3）对地下水位的变化趋势进行了推算，但定额灌溉量、渗漏系数、排水量以及给水度取值均取自其他学者的研究成果，没有对这些数据进行验证，这也是研究的缺陷之一。