基于农业灌溉需水量计算的黄河三角洲作物结构优化

曹 丹，易 秀，陈小兵

(1.长安大学水利与环境学院，陕西 西安 710061；2.中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室，山东 烟台 264003)

黄河三角洲是黄河携带大量泥沙在渤海凹陷处沉积形成的冲积平原[1]，以利津为顶点，北到徒骇河口，南到小清河口，呈扇状三角形，是我国三大河口三角洲之一。习近平总书记在《在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上的讲话》中指出，黄河流域是我国重要的生态屏障和经济地带，在我国经济社会发展和生态安全方面具有十分重要的地位，下游的黄河三角洲要做好保护工作，促进河流生态系统健康，提高生物多样性。黄河三角洲地区后备土地资源丰富、开发潜力大[2]，同时也是我国重要的湿地生态保护区[3]。但该地区降水量时空分布不均，作为客水的黄河水存在着断流、浪费、污染等问题，浅层地下水矿化度过高难以直接利用[4]，境内居民生活用水存在安全隐患，湿地生态系统的稳定性也易受到水资源短缺的破坏，农业与工业争夺水资源，其中农业用水占比最重，占总用水量的70%以上[5]。水资源短缺已成为限制该区域农业生产和经济发展的一大障碍。

为更好地保障黄河流域经济与自然的和谐发展，需做好区域水资源的协调管理，使其既能满足农业生产发展的需要以提供人口不断增长所必需的粮食产量，又能减少农业用水以保证生态用水，促进黄河流域生态保护和高质量发展。关于如何高效利用黄河流域水资源，已有诸多学者对其进行了研究阐述[6-9]。针对黄河三角洲地区水资源短缺的现状，近年来有学者对其存在问题和解决措施进行了探讨[10-12]，但是这些研究大多是针对工程技术或政策法规，对调整作物种植结构以合理分配水资源的研究较少。有学者根据不同作物的需水特性进行了适当的节水灌溉管理研究[13-16]，但黄河三角洲地区这方面的研究还比较欠缺，特别是对淋洗需水量的计算鲜有涉及。本文以位于黄河三角洲地区的东营市垦利区为例，通过计算当地主要作物全生育期的需水量、有效降水量及淋洗需水量，分析几种作物的耗水能力，结合各作物的种植面积和单位面积产量，对该地区的作物种植结构和灌溉方法提出合理的调整建议。

1 研究区概况与数据来源

东营市垦利区位于山东省北部黄河三角洲地区，区内土壤母质为黄河冲积物，质地较轻，养分贫乏，盐碱偏重[17]。0～15 cm土层中度盐渍化土壤和盐土面积最大，分别占43.37%和30.16%，其次为重度盐渍化和轻度盐渍化土壤[18]。研究区属温带大陆性季风气候，全年气温偏高，冬季出现阶段性寒冷，春季温暖湿润，温度回升快，夏季出现阶段性酷热；多年平均降水量约为550 mm，时空分布不均，6—8月为丰水期，早春、晚秋以及冬季雨量很少，甚至为0[19]。受海水倒灌、频繁的旱涝气候变化等因素影响，垦利区地下水位较浅、矿化度较高[20]，不能直接用于农灌和人畜引用。境内可利用的地表水资源主要有自然降水(自产径流)和黄河客水水源(入境黄河水)两部分[21]，降水量的时空分布不均以及黄河来水的断流、污染等加剧了当地的水资源供需矛盾[22]。垦利区种植的主要粮食作物有冬小麦、夏玉米和水稻，经济作物以棉花为主。冬小麦和夏玉米在轻度盐碱地上轮作，中度盐碱地可种植部分棉花，重度盐碱地种植水稻以洗盐压碱，成为盐碱改良带[23]。根据《垦利年鉴》(2017)，垦利区2016年农作物中玉米种植面积最大，约占30%，与棉花、水稻和小麦分别位居前4位，总共约占全部种植面积的89%。本文采用的气象数据来源于垦利区气象站2014年资料，包括垦利区逐日气温、降水量、相对湿度、平均风速、日照时数等气象要素；标准作物系数来自联合国粮农组织编写的CropWaterRequirements。

2 灌溉需水量计算

本文主要研究的是灌溉水量与作物需水之间的供需关系，因此只考虑净灌溉水量，不考虑灌溉用水在运输、配送等过程中的损失量。净灌溉需水量可通过下式推算[24]：

(1)

式中：Dmin为净灌溉需水量，mm；ETc为作物需水量，mm；LR为淋洗需水量，%。

净灌溉需水量(下文称灌溉需水量)由有效降水量和补充灌溉需水量组成，必须符合作物的需水规律，因此本文分别计算研究区主要作物生育期内的总需水量、有效降水量和淋洗需水量，从而得出合理的补充灌溉需水量。

2.1 作物需水量

作物需水量ETc是灌溉用水的重要依据，多年来，各国极为重视对其的研究[25-29]。Penman-Monteith(P-M)方程是目前最常用的参考作物蒸散量计算方法，适用于各种应用场合和气候条件下的灌溉系统设计和运行。研究表明，采用P-M方程估算蒸散量精度最高，稳定性最好[30-31]。

本文采用P-M方程计算研究区逐日参考作物蒸散量，通过作物系数法，利用式(2)计算各阶段及整个生育期内的作物需水量：

ETc=KcET0

(2)

式中：Kc为作物系数，表示作物在不同生长阶段所需的水分条件差异，一般通过田间试验获取[32]；ET0为参考作物蒸散量，mm。

根据联合国粮食及农业组织(Flood and Agriculture Origanziation of United Nations, FAO)提供的标准作物系数[33]，如表1所示，本文主要统计研究区玉米、棉花、水稻、小麦4种作物的需水量，表1中Kcini、Kcmid和Kcend分别表示生长初期、生育中期和生育后期的Kc。

表1 FAO推荐的标准作物系数

快速发育期和发育后期每个日序的作物系数由下式计算：

(3)

式中：Kci为第i天的作物系数；Lsi为第i天所处生育阶段的长度，d；Kcni为第i天所处生育阶段的下一个生育阶段的作物系数；Kcpi为第i天所处生育阶段的前一个生育阶段的作物系数；∑Lpi为第i天所处生育阶段之前所有生育阶段的总长度，d。

研究区主要作物的初始生长期、快速发育期、生育中期和生育后期起止日期如表2所示。

表2 作物生育阶段起止日期

2.2 有效降水量

农业用水领域内，有效降水量即为自然降水中实际补充到植物根层土壤中的净水量[34]。有效降水量与气象条件、地形特征、土壤特性、水文地质以及耕作制度等因素有关，是制定作物灌溉制度、灌溉排水规划、灌溉用水管理等的重要依据[35]。一般用有效降水系数的经验值计算有效降水量[36]，即：

Pe=αPa

(4)

式中：Pe为有效降水量，mm/d；Pa为实际降水量，mm/d；α为有效降水系数。当Pa<3 mm时，α=0；当3 mm≤Pa<50 mm时，α=1；当50 mm≤Pa<150 mm时，α=0.8；当Pa≥150 mm时，α=0.70。

2.3 淋洗需水量

研究区内轻度及中度盐渍化土壤分布广泛，灌溉会给土壤带来大量盐分，当土壤中的盐分积累到一定浓度时，就会产生盐害问题，妨碍作物生长，导致作物产量显著降低。因此，灌溉除了提供保证作物正常生长需要的水量外，还需要提供一些水量保证土壤盐分的淋洗。淋洗需水量定义为为避免产量下降所需的最小淋洗水量比，该参数主要由所种植的作物类型、灌溉水水质和土壤性质决定。相对均一盐分条件下可利用下式估算LR[37]：

(5)

式中：Dd为排出水量，mm；Di为灌溉水量，mm；σi为灌溉水的电导率，dS/m；σd为通过作物根区底部排水的电导率,dS/m。根层中容许的最高盐浓度由种植作物的耐盐阈值σe决定。在田间灌溉实践中，σd与σe存在以下关系[38]：

σd=5σe-σi

(6)

研究区主要引黄河水灌溉，根据黄河山东段水质监测报告[39]，研究区境内引黄灌溉水的平均电导率约为0.9 dS/m。根据美国盐土实验室的作物耐盐性资料[40]，研究区4种主要作物的耐盐阈值σe及相应的σd值如表3所示。

表3 作物耐盐性阈值

2.4 水分盈亏指数

作物水分盈亏指数是农业生产监测的重要指标，反映了作物正常发育及生产对水分的需求[41]。计算公式如下：

(7)

式中I为水分亏缺指数。I>0表示农田水分供应充足，作物水分有盈余；I<0表示农田水分供应不足，作物水分亏缺。

3 结果与讨论

3.1 计算结果

研究区4种作物全生育期的用水供需对比如表4所示，各生育阶段的水分盈亏情况如表5所示。玉米对盐分最敏感，淋洗需水量最大，但其蒸散量较少，生育期与自然降水的时间分布耦合度较高，因此水分亏缺程度最低，补充灌溉需水量也最低，属于低耗水作物；水稻的盐分敏感性仅次于玉米，属于中度盐敏感作物，淋洗需水量也相对较多，且水田种植的生理特点决定了其具有较高的作物需水量，因此最终补充灌溉需水量最多；小麦和棉花的耐盐性相对较高，淋洗需水量不高，但冬小麦生育期主要在降水较少的春秋季节，作物需水与自然降水的耦合度较低，补充灌溉需水量仅次于水稻，棉花生育期内需水量较高，仅次于水稻。

表4 垦利区主要作物灌溉需水量

表5 作物不同生育阶段的水分盈亏指数

3.2 讨论

李应林等[42]采用196个气象站1961—2000年的实测气象资料和作物系数，对我国主要旱地作物多年平均生育期需水量进行了估算，其中垦利区所处位置的估算结果为冬小麦600～700 mm、夏玉米300～400 mm、棉花约500 mm，均低于本文计算结果，原因是其研究范围过大，不能准确反映垦利区当地种植作物的具体需水情况。尹春艳[43]利用垦利区2013年9月至2014年9月的气象数据和打渔张灌区实测作物系数估算作物生育期需水量，结果为冬小麦791 mm、夏玉米615 mm、棉花847 mm，与本文计算结果相近；计算的补充灌溉需水量结果为冬小麦442 mm、夏玉米133 mm、棉花353 mm，与本文计算结果相差较大。龚元石等[44]建立了农田土壤水分模型，利用华北平原1951—1990年气象资料和实测作物系数模拟计算土壤水分变化，估算得到的作物多年平均灌溉需水量为冬小麦200～250 mm、夏玉米0～50 mm、棉花150～200 mm，与本文计算结果相差较大。与本研究相比，尹春艳[43]的补充灌溉需水量估算中包含了地下水的利用量，龚元石等[44]的估算基于180～240 mm的土壤最大有效水量，且二者的研究均没有考虑到淋洗需水量，因此估算结果显著低于本文计算结果。另外，以上几位学者的估算中均采用了实测数据计算得到的作物系数值，与本文采用的FAO标准作物系数值相比精确度更高。龚元石等[44]建立的模型只在作物关键需水期缺水时实施模拟灌水，与本研究相比，其灌溉需水量偏小。

根据表4，垦利区自然降水与作物需水耦合度较低，在不引水灌溉的情况下，作物普遍处于水分亏缺状态，自然降水的补给量无法满足作物对水分的需求。加大黄河引水灌溉又势必会加剧当地生产、生活及生态3方对水资源需求的矛盾。为此，可开发地下微咸水资源，用微咸水或咸水淡水交替灌溉来替代淡水灌溉[45-47]，该方法适用于棉花等耐盐作物，在一定程度上可缓解当地的农田用水压力，但长期使用会加重土壤的盐分积累，需要采取进一步的水盐监测和调控措施。除此之外，要提高农业用水效率，还可以从扩大低耗水作物种植面积、种植具有多种功能价值的耐盐碱作物、耕种改良土壤等方面着手[48-53]，根据本文研究结果，参照作物的耗水特性，适当调整作物的种植规模，以缩减农业用水。

4 结 论

a.垦利区地下水矿化度高，不适于农畜直接利用，境内可利用的地表水资源主要是自然降水和黄河客水水源，而降水时空分布不均，黄河客水时有断流且污染频发，当地农业用水资源短缺。

b.玉米耗水量小而高产，应进一步扩大其种植比例；棉花的种植面积仅次于玉米，但单位面积产量低、收益小，且需水、耗水较多，应尽量减少其种植面积；水稻和小麦产量高而耗水量大，应在保留优质种种植面积的基础上合理压缩其种植比例，或调整种植制度，将玉米、小麦轮作改为一年种植春、夏两季玉米。

c.种植棉花和水稻具有脱盐抑盐、改良土壤等效应，可在盐碱土壤上种植，兼用排水回用或微咸水进行灌溉；种植水稻能将重度盐碱地改良为中、轻度盐碱地，在此基础上可搭配玉米、小麦等高产粮食作物进行轮作。