楊艷敏 ，楊永輝 ，王 璐 ，任丹丹 ，白志杰 ，馬樂新 ，李傳哲

（1.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，050021，石家莊；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，071000，保定；3.河北師范大學(xué)，050024，石家莊；4.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心 國家環(huán)境保護(hù)衛(wèi)星遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100094，北京；5.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100038，北京）

作為華北平原最大淡水湖泊濕地，白洋淀生態(tài)價(jià)值非常突出，在緩洪治澇、蓄水灌溉、調(diào)節(jié)小氣候和維護(hù)生態(tài)環(huán)境平衡等方面具有重要作用。 白洋淀水生態(tài)不僅關(guān)系保定市、河北省，更是京津冀區(qū)域乃至全國水生態(tài)保護(hù)的晴雨表。 作為雄安新區(qū)規(guī)劃的核心區(qū)域，白洋淀水問題極為突出。一方面，來水量減少。改革開放以后，農(nóng)田灌溉大力發(fā)展，用水量劇增；21 世紀(jì)以來城市化進(jìn)程不斷加快，地表水優(yōu)先供城市使用， 導(dǎo)致九條入淀河流“有河皆干”。另一方面，白洋淀地下水超采嚴(yán)重。 自20 世紀(jì)70 年代發(fā)展農(nóng)業(yè)以來， 灌溉需求主要通過開采地下水來滿足，地下水水位急劇下降，直接或間接導(dǎo)致白洋淀湖面萎縮。

作為用水大戶，白洋淀流域的農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的70%左右，因此，削減農(nóng)業(yè)用水量，恢復(fù)上游河道清水產(chǎn)流，是保證雄安新區(qū)水資源安全和綠色發(fā)展的關(guān)鍵。 本文從調(diào)整種植結(jié)構(gòu)的幾個(gè)方面開展研究，以期為提升雄安新區(qū)水安全保障能力提供借鑒。

一、農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀

1.農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)

白洋淀流域目前耕地面積84.9萬 hm2，有效灌溉面積達(dá) 71.3 萬 hm2，占總耕地面積的80.6%。 播種面積126.8 萬 hm2，其中小麥、玉米、蔬菜、水果分別占 32.4%、37.9%、13.1%和13.6%。 小麥和玉米多年平均播種面積 分 別 是 44.96 萬 hm2、44.82 萬hm2，是研究區(qū)主要的糧食作物；果樹以蘋果、梨、桃、葡萄和棗樹為主，占果樹種植面積的80%左右。 蔬菜主要包括25 種露地蔬菜，隨著人們生活需求提升，設(shè)施蔬菜面積比例快速增加。 此外區(qū)域還少量種植大豆、花生、棉花、紅薯、谷類等作物，這些作物主要在雨季生長，灌溉需水較少。

通過分析研究區(qū)農(nóng)作物空間分布特征，農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)在2000 年左右發(fā)生變化，由以糧食作物（小麥、玉米）為主轉(zhuǎn)變?yōu)榧Z食作物、蔬菜（包括設(shè)施蔬菜）、果樹并重；通過研究區(qū)農(nóng)作物播種面積趨勢分析及顯著性水平檢驗(yàn)， 表明近30 年農(nóng)作物播種總面積總體呈上升趨勢, 其中小麥播種面積略有下降, 玉米、 蔬菜播種面積顯著增加, 而果樹的種植比例在山區(qū)增加，在平原區(qū)減少。

2.農(nóng)業(yè)灌溉需水量

研究區(qū)多年平均灌溉需水量為22.52 億 m3, 小麥、玉米、蔬菜、果樹和其他作物分別占灌溉需水總量的58.6%、12.6%、5.8%、16.3%和 6.7%，小麥?zhǔn)茄芯繀^(qū)農(nóng)作物中耗水最多的。 豐水年、平水年、枯水年平均灌溉需水量分別為 12.80 億 m3、22.52 億 m3和26.20 億 m3。 從時(shí)間上看，小麥、玉米灌溉需水量變化均呈略有下降趨勢，而受播種面積增加影響， 蔬菜和果樹灌溉需水量顯著上升；從空間上看,灌溉需水總量在山區(qū)上升顯著, 而在平原區(qū)表現(xiàn)為下降。

3.農(nóng)民灌溉行為習(xí)慣

不同作物的實(shí)際灌溉用水量受諸多因素影響，農(nóng)戶灌溉行為習(xí)慣是其中最重要的因素，灌溉次數(shù)和灌溉用水量是實(shí)際用水量的決定性因素。本項(xiàng)目于2020 年對流域平原區(qū)灌溉制度和灌溉習(xí)慣進(jìn)行了入戶調(diào)查。 調(diào)查結(jié)果表明，灌溉用水量主要與灌溉時(shí)長和灌溉用井的產(chǎn)水量有關(guān)，從節(jié)水潛力上看，灌溉次數(shù)對節(jié)水方案的制定更具有參考意義。 小麥灌溉次數(shù)多在 3～5 次，86%的農(nóng)戶選擇 4 次灌溉；玉米灌溉次數(shù)為0～2 次，絕大多數(shù)農(nóng)戶僅在播種時(shí)灌水1 次； 花生灌溉次數(shù)與玉米大致相同，灌溉次數(shù)多為1～2 次，68%的農(nóng)戶會灌溉 2 次。

蔬菜灌溉次數(shù)分別為：菜椒最少灌溉4 次，85%的農(nóng)戶選擇灌溉5 次；大白菜灌溉次數(shù)一般在播種后，蓮座期和結(jié)球期灌溉3 次左右；圓白菜與大白菜相似， 一般灌溉次數(shù)在 3～4次；干辣椒耐旱，但獲得高產(chǎn)的水分需求也很大， 一般灌溉次數(shù)在 3～4次；花菜每次灌溉量不宜過多，灌溉次數(shù)為3～5 次，88%的農(nóng)戶選擇灌溉4 次；西瓜灌溉次數(shù)多為4 次，12%的農(nóng)戶會灌溉5 次； 蘋果灌溉次數(shù)較多，為 6～8 次。

所有作物實(shí)際灌溉用水量的范圍750～3 900 m3/hm2，其中大蒜和小麥最高，分別為 3900m3/hm2和 3600m3/hm2。玉米和大豆最低，分別為1050m3/hm2和750m3/hm2。值得注意的是蔬菜作物如菜椒（2700m3/hm2）、圓白菜（2300 m3/hm2）等生育期較短的作物灌溉用水量也相對較高。

二、農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力與季節(jié)休耕

過去30 年來，我國大力發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)，經(jīng)過多年推廣和實(shí)踐，水的利用效率有了很大提高，如單方水的冬小麥生產(chǎn)效率從1.19 kg 提高到1.45 kg， 而夏玉米則從1.35 kg提高到1.98 kg， 單方水的糧食生產(chǎn)效率從0.81 kg 提高到1.35 kg。 但 “節(jié)水”和“用水減少”有著根本區(qū)別，在全球能源和資源領(lǐng)域被稱為“杰維斯效應(yīng)”，即效率提高不等于用量減少，水資源虧缺的局面反而越來越嚴(yán)重。 以白洋淀上游為例，2014 年高耗水的水果、蔬菜種植面積與1990 年相比分別增加了6.5 倍和3.9 倍，實(shí)際耗水高達(dá)22.5億m3，種植面積增加是造成白洋淀和雄安新區(qū)水資源短缺的主要原因。

種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，減少高耗水作物種植，削減水資源總量消耗才是農(nóng)業(yè)節(jié)水的有效途徑。 2014 年以來，我國每年撥款70 億元人民幣， 鼓勵(lì)地下水超采區(qū)農(nóng)民進(jìn)行小麥休耕和糧飼輪作。 河北省每年實(shí)施200 萬畝（1畝=1/15 hm2，下同）季節(jié)性休耕，執(zhí)行“一季休耕、一季種植”，將種植冬小麥、夏玉米一年兩茬改為只種一茬玉米或其他雜糧作物。 目前休耕政策對地下水恢復(fù)產(chǎn)生顯著效果，但不同休耕制度的耗水機(jī)理、休耕期如何控草保墑以提升節(jié)水潛力、休耕制度和糧食安全之間的矛盾以及休耕制度的替代作物耗水機(jī)理等都需要深入研究，從而為下一步休耕政策制定提供科學(xué)支撐。

三、不同休耕制度的耗水機(jī)理

項(xiàng)目組對傳統(tǒng)小麥-玉米一年兩作制度（S0）和不同休耕制度包括一年一作小麥（SW）、一年一作玉米（SM）、兩年三作休小麥（SMWMF）、兩年三作休玉米（SMWFW）和全休（SF）進(jìn)行了長時(shí)間段模擬，分析了不同制度的耗水特征。 小麥-玉米一年兩作的年均蒸散量和灌溉用水量分別為835 mm 和330 mm；一年一作小麥的年均蒸散量和灌溉用水量分別為679 mm和305 mm；一年一作玉米的年均蒸散量和灌溉用水量分別為577 mm 和72 mm； 兩年三作休小麥的年均蒸散量和灌溉用水量分別為685 mm 和180 mm； 兩年三作休玉米的年均蒸散量和灌溉用水量分別為756 mm 和253 mm；全休的年均蒸散量為419 mm，同時(shí)可對水資源補(bǔ)充85 mm。

SW、SM、SWMFM、SWMWF、SF5種植制度下農(nóng)田年均蒸散量分別比S0 傳統(tǒng)種植制度下減少19%、31%、18%、9%、50%； 小麥休耕季裸土的蒸發(fā)量約為160 mm，而玉米季裸土的蒸發(fā)量約為240 mm；現(xiàn)行有關(guān)種植制度大多推薦采用兩年三作， 而一年一作小麥農(nóng)田的蒸散量與之相近，且略低。

現(xiàn)狀種植制度S0 平均灌溉需水量為 330 mm，SW、SM、SWMFM、SWMWF、SF 種植制度下農(nóng)田年均灌水量分別比S0 傳統(tǒng)種植制度下減少47%、78%、45.5%、23.3%、126%。

四、休耕期節(jié)水潛力提升技術(shù)

一年一作玉米即小麥休耕相對一年兩作能節(jié)省灌溉用水258 mm，這是在小麥休耕季地面裸露沒有任何措施情況下的節(jié)水效果。 為減少因前期地面裸露或后期（5 月份以后）雜草叢生產(chǎn)生的無效水消耗，可以通過覆蓋或耕作措施提升節(jié)水潛力。 在2018—2020 年度通過大田試驗(yàn)研究了白膜覆蓋、 黑膜覆蓋、 秸稈覆蓋、化學(xué)控草和淺耕等處理對節(jié)水效果的影響。結(jié)果表明，節(jié)水效果從大到小的順序依次為黑膜覆蓋、秸稈覆蓋、化學(xué)控草、淺耕、白膜覆蓋，對比休耕季沒有處理的節(jié)水量分別為177 mm、71 mm、62 mm、45 mm 和 8 mm。節(jié)水效果最差的是白膜覆蓋處理，主要原因是覆膜處理早期，保溫保濕作用促進(jìn)雜草生長， 并在后期頂出地膜，使地膜失去保水作用。 而黑膜作用恰好相反， 由于擋光作用抑制雜草生長， 同時(shí)由于地膜對水汽交換的阻斷抑制了土壤的蒸發(fā)， 節(jié)水效果非常顯著。 除黑膜覆蓋處理控草效果顯著以外，秸稈覆蓋、淺耕和化學(xué)控草對控草效果也較好，淺耕和除草劑（控草）也比對照的雜草量減少50%以上。

五、替代作物耗水機(jī)理

采用6 個(gè)自動(dòng)記錄大型蒸滲儀組合， 精確評估傳統(tǒng)種植小麥-玉米一年兩作和其替代種植模式如小麥-谷子、小麥-大豆、一年一作春玉米、綠豆-鮮食玉米、一年一作甘薯等種植制度中作物的耗水參數(shù)， 突破了常規(guī)觀測中因?yàn)槭侄尾煌?大型儀器不足帶來的觀測誤差的難題。 兩年觀測結(jié)果表明，6 種種植模式年耗水量 （包括休耕期） 從高到低分別為小麥-玉米（856 mm）、一年一作甘薯（792 mm）、小麥-大豆（760 mm）、小麥-谷子（757 mm）、綠豆-鮮食玉米（755 mm）、一年一作春玉米（713 mm）。 5 種替代種植模式比傳統(tǒng)的小麥-玉米一年兩作節(jié)省水資源64～143 mm， 其中以一年一作春玉米的耗水量最低。

六、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整建議

1.小麥休耕與糧食安全

根據(jù)不同休耕制度的節(jié)水量，估算了研究區(qū)需要休耕多少面積才能達(dá)到地下水水位不下降的目標(biāo)，3 個(gè)情景分別為現(xiàn)狀水資源、外調(diào)引水2 億m3和 5 億 m3。例如一年一作玉米（SM），3個(gè)情景下需要分別將58%、40%、15%的農(nóng)田從傳統(tǒng)種植制度（冬小麥-夏玉米）轉(zhuǎn)變?yōu)镾M 的種植制度，其結(jié)果是小麥產(chǎn)量相應(yīng)減少55%、41%、18%。顯然，情景1 和2 下的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整方案將影響當(dāng)?shù)匦←湹淖越o自足。 又如兩年三作休小麥（SMWMF），在3 個(gè)情景下分別需要將99%、69%和26%的農(nóng)田從傳統(tǒng)種植制度轉(zhuǎn)變?yōu)镾MWMF 種植制度，小麥產(chǎn)量相應(yīng)減少47.5%、35%和15.5%， 這一調(diào)整策略中情景1 會影響當(dāng)?shù)氐男←溩越o自足。

2020 年11 月國務(wù)院辦公廳發(fā)布了《關(guān)于防止耕地“非糧化”穩(wěn)定糧食生產(chǎn)的意見》（國辦發(fā)〔2020〕44 號），強(qiáng)調(diào)了糧食安全的重要性，白洋淀上游主要地區(qū)保定市在未來種植結(jié)構(gòu)調(diào)整中強(qiáng)調(diào)禁止耕地“非糧化”的政策,“到2021 年，全市糧食播種面積保持在1 010 萬畝以上，其中，小麥面積穩(wěn)定在414 萬畝以上，糧食總產(chǎn)量保持在400 萬噸以上”。 因此建議在實(shí)行休耕策略的同時(shí)， 配合調(diào)水方案，保證糧食供給安全。

2.加大調(diào)水力度，置換地下水源

休耕政策依靠國家補(bǔ)貼來推行，河北省休耕補(bǔ)貼是500 元/畝。一旦補(bǔ)貼停止，農(nóng)民將無法承擔(dān)與這些做法相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失。 北京以南的河北平原是我國糧食主產(chǎn)區(qū)，該區(qū)域地勢平坦，適合大機(jī)械化作業(yè)，在我國農(nóng)村勞動(dòng)力逐漸緊張的背景下，平原區(qū)糧食生產(chǎn)的作用越來越突出。 河北平原年均糧食總產(chǎn)量占全國的6%左右。保定-雄安所在區(qū)域?yàn)樘猩缴角捌皆弋a(chǎn)區(qū)，根據(jù)長期研究，該區(qū)域灌溉水利用效率遠(yuǎn)高于全國其他地區(qū)，每噸灌溉水生產(chǎn)糧食4～5kg。 如果用南水北調(diào)中線補(bǔ)給地下水支撐糧食生產(chǎn)， 則農(nóng)業(yè)的水資源補(bǔ)貼每0.5 kg 糧食低于0.12 元，且補(bǔ)貼的主要作物是小麥這一基本口糧， 通過增補(bǔ)地下水，適度補(bǔ)貼農(nóng)業(yè)，符合我國口糧安全國策。 因此建議加大“引江”和“引黃”調(diào)水力度，用地表水置換地下水，保證國家糧食安全。

3.休耕期采用保水控草措施提升節(jié)水潛力

小麥休耕相對于傳統(tǒng)的一年兩作節(jié)水258mm，如果在休耕期間對裸露的地面進(jìn)行處理， 如黑膜覆蓋、秸稈覆蓋、淺耕、化控等，將比單純休耕提升 50～180mm 的節(jié)水能力。 建議休耕季節(jié)進(jìn)行覆蓋或者耕作處理，進(jìn)一步提升節(jié)水潛力。