齊永青,羅建美,高 雅,閔雷雷,韓琳娜,沈彥俊,5**

(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/中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河北省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室石家莊 050022; 2.河北地質(zhì)大學(xué)土地科學(xué)與空間規(guī)劃學(xué)院 石家莊 050031; 3.河北省水文勘測研究中心 石家莊 050031;4.河北省水利工程局 石家莊 050021; 5.中國科學(xué)院大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院 北京 100049)

京津冀地區(qū)以不到全國1%的水資源量,承載著占全國約8%的人口和10%的GDP,水資源短缺及地下水超采問題已成為京津冀協(xié)同發(fā)展的“最短板”。京津冀平原生產(chǎn)了全國12%的小麥()和8%的玉米(),自然降水不能滿足小麥-玉米一年兩熟模式的水分需求,年均水分虧缺250 mm 以上,主要發(fā)生在小麥生長季。20世紀(jì)70年代以來,京津冀平原區(qū)開鑿了近100 萬眼灌溉機(jī)井,農(nóng)業(yè)用水量占平原區(qū)地下水開采量的70%以上,超出了區(qū)域地下水可開采規(guī)模,灌溉既是本地區(qū)農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的主要支撐條件,也是導(dǎo)致平原區(qū)地下水持續(xù)超采的主要原因。京津冀平原區(qū)灌溉高產(chǎn)農(nóng)業(yè)模式的建立在保障區(qū)域糧食安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面起到了不可替代的作用,也付出了巨大的水資源代價(jià)。

早在20世紀(jì)70年代,黃秉維等就指出靠開采地下水灌溉獲得農(nóng)業(yè)高產(chǎn)必不可持續(xù)的問題。近40年來,京津冀地區(qū)大規(guī)模農(nóng)業(yè)灌溉造成的水資源和生態(tài)環(huán)境問題持續(xù)加劇,形成了一方面付出高昂成本進(jìn)行跨流域調(diào)水,另一方面大量消耗本地水資源維持農(nóng)業(yè)高產(chǎn)并向外輸出的困局。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迫切需要“適水”轉(zhuǎn)型,不僅要提升節(jié)水能力,更要構(gòu)建與區(qū)域水資源條件相匹配的生產(chǎn)規(guī)模和種植結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)水資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)目標(biāo)。田間試驗(yàn)研究表明,減少高耗水的冬小麥在輪作體系中的占比,可明顯降低糧食生產(chǎn)的灌溉量,通過置換作物類型、優(yōu)化生育期等手段,一定程度上可彌補(bǔ)冬小麥休耕造成的產(chǎn)量損失; 作物模型模擬研究評估了不同輪作模式對地下水的影響,并提出了相應(yīng)的適水模式,但是現(xiàn)有研究數(shù)量較少,在京津冀平原適水農(nóng)業(yè)耗水-產(chǎn)糧的定量關(guān)系、格局優(yōu)化以及技術(shù)體系等方面的研究仍有明顯的不足,難以支持區(qū)域農(nóng)業(yè)適水轉(zhuǎn)型的實(shí)際需求。2014年以來,京津冀地區(qū)陸續(xù)實(shí)施了地下水超采綜合治理,在政策驅(qū)動(dòng)下,區(qū)域農(nóng)業(yè)加快了適水轉(zhuǎn)型,也對相關(guān)理論和技術(shù)體系提出了更為緊迫的需求。本文通過對京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與灌溉歷史的總結(jié),重點(diǎn)分析了近40年來京津冀三地農(nóng)業(yè)發(fā)展的特點(diǎn)、地下水超采狀況以及農(nóng)業(yè)灌溉對水資源可持續(xù)利用的影響; 對區(qū)域地下水超采治理與農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型政策進(jìn)行了分析,比較了不同輪作模式和種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的產(chǎn)糧能力、水資源效應(yīng),對京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)適水轉(zhuǎn)型的可行路線提出了建議。

1 京津冀地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與灌溉歷史

1.1 歷史時(shí)期的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與灌溉

京津冀是我國人類活動(dòng)和農(nóng)業(yè)開發(fā)歷史最悠久的地區(qū)之一,早在商代,太行山山前平原區(qū)就有農(nóng)耕活動(dòng); 到春秋戰(zhàn)國時(shí)期,除谷子()、小麥等旱地作物外,部分地區(qū)還生產(chǎn)水稻(),并建有配套的水利灌溉設(shè)施; 到了明代,小麥成為主栽作物,玉米也傳入本地區(qū)。清代中期隨著人口增長,京津冀地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模顯著擴(kuò)大,冬小麥-谷子、冬小麥-高粱()等一年兩熟制和糧棉(spp.)與豆菜間作混種模式普及,冀中、冀南平原形成棉花優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)。民國時(shí)期,在糧棉作物商品化的推動(dòng)下,京津冀地區(qū)農(nóng)作物種植區(qū)域和生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。小麥生產(chǎn)受品種改良、灌溉條件改善和商品化等因素的推動(dòng),種植區(qū)域由冀南平原為主擴(kuò)大到京津以南的大部分平原地區(qū),播種面積由1914年的118 萬hm增加到1937年的208 萬hm; 產(chǎn)量由55 萬t 增加到153 萬t。高粱主要在滄州、保定、天津、唐山等鹽堿地較多的區(qū)域種植。玉米種植區(qū)擴(kuò)大到冀東丘陵區(qū)、北京周邊和運(yùn)東低平原地區(qū)。在紡織業(yè)發(fā)展的促進(jìn)下,棉花種植區(qū)域由山前平原擴(kuò)大到黑龍港和冀東平原。

隨著耕地規(guī)模的擴(kuò)大,農(nóng)田灌溉體系也得到了相應(yīng)發(fā)展。明清時(shí)期主要通過疏浚河道、修建閘渠等工程措施,發(fā)展地表水灌溉。滏陽河流域磁縣的東西閘、南大渠、北大渠,永年縣的利民閘、惠民閘、濟(jì)民閘、潤民閘等建設(shè)于明代,產(chǎn)生了數(shù)百年的灌溉效益。清中期在懷安縣洋河盆地內(nèi)西洋河、東洋河、洪塘河一帶先后修建了30 余條灌渠,灌溉耕地面積4000 余hm。明清時(shí)期鑿井灌溉主要分布在山前平原淺層地下水條件較好的地區(qū)。民國時(shí)期,隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的引進(jìn),井灌得到了快速發(fā)展,河北農(nóng)礦廳發(fā)布《河北省各縣鑿井暫行辦法》支持灌溉井建設(shè),1930—1933年間共新增灌溉井76 382眼,其中超過2/3 集中于平漢鐵路(今京廣鐵路)沿線的太行山山前平原地區(qū)。受取水量和開鑿成本的影響,井灌主要保障棉花、煙草()等高價(jià)值經(jīng)濟(jì)作物和小麥的灌溉需求。

1.2 1949年以來的糧食作物生產(chǎn)

新中國成立以來,京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特別是糧食生產(chǎn)得到較快的發(fā)展。本文使用國家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站公布的京津冀地區(qū)各年度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),對1949年以來京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況進(jìn)行分析。新中國成立后到改革開放前,京津冀地區(qū)的糧食生產(chǎn)經(jīng)歷了3 個(gè)階段(圖1)。1949—1957年的糧食生產(chǎn)恢復(fù)階段,單產(chǎn)水平呈較快恢復(fù)性增長態(tài)勢,單產(chǎn)年增長7.25%,從649.3 kg·hm增加到1064.4 kg·hm; 1958—1964年的停滯徘徊階段,糧食作物種植面積出現(xiàn)滑坡,單產(chǎn)增長停滯,在900～1100 kg·hm區(qū)間波動(dòng);1965—1978年為持續(xù)增長階段,單產(chǎn)年增長速度達(dá)到4.89%,突破了2000 kg·hm。糧食總產(chǎn)量的階段性特征與單產(chǎn)變化基本一致,糧食總產(chǎn)量在波動(dòng)中提高,1949—1978年全區(qū)糧食產(chǎn)量從534.5 萬t 增加到1991.0 萬t。

圖1 京津冀地區(qū)1949—2018年糧食作物生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)量變化Fig.1 Changes of grain crops production in Beijing-Tianjin-Hebei region from 1949 to 2018

改革開放以后,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展,到2018年,糧食單產(chǎn)提高到5671.1 kg·hm,總產(chǎn)量達(dá)3944.7 萬t。伴隨糧食生產(chǎn)能力的快速提升,作物結(jié)構(gòu)也發(fā)生了顯著變化。20世紀(jì)50年代,小麥播種面積225.7 萬hm,占糧食作物播種面積的29.6%,總產(chǎn)量為159.3萬t,占糧食總產(chǎn)量的19.6%; 玉米播種面積為161.8萬hm,占比21.2%,年產(chǎn)量為188.5 萬t,占糧食總產(chǎn)量的23.2%; 谷子、高粱和薯類面積分別為140.3 萬hm、84.4 萬hm和65.5 萬hm,占糧食作物總播種面積的18.4%、11.1%和8.6%,產(chǎn)量分別為148.6 萬t、74.9 萬t 和153.4 萬t,占到糧食總產(chǎn)量的18.3%、9.2%和18.9%。隨著區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平提高和糧食需求的變化,小麥、玉米播種面積和產(chǎn)量占比持續(xù)提高,傳統(tǒng)的谷子、高粱和薯類等耐旱雜糧作物生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)量持續(xù)縮小,到1990年代,小麥、玉米播種面積分別達(dá)290.6 萬hm和265.1 萬hm,占糧食作物總播種面積的39.8%和36.3%; 產(chǎn)量分別達(dá)1229.2 萬t 和1226.9 萬t,分別占區(qū)域糧食產(chǎn)量的41.6%和41.5%,區(qū)域糧食生產(chǎn)形成了小麥、玉米占絕對主導(dǎo)地位的格局。進(jìn)入21世紀(jì),小麥和玉米占比進(jìn)一步擴(kuò)大,達(dá)糧食作物總播種面積和總產(chǎn)量的90%,尤其是玉米的播種面積和產(chǎn)量均超過小麥成為京津冀地區(qū)第一大糧食作物,近10年玉米年均播種面積達(dá)339.8 萬hm,占糧食作物總播種面積的51.3%,產(chǎn)量達(dá)1811.0 萬t,占糧食總產(chǎn)量的51.9%; 谷子、高粱和薯類等雜糧作物播種面積進(jìn)一步減少,分別為15.4 萬hm、1.8 萬hm和26.9 萬hm,僅為1950年代播種面積的10.9%、2.1%和41.1%。

1949年以來,特別是改革開放之后,京津冀地區(qū)糧食作物種植規(guī)模和產(chǎn)量組成快速單一化,耐旱雜糧占比較高的傳統(tǒng)兩年三熟旱作生產(chǎn)模式被小麥-玉米一年兩熟的灌溉豐產(chǎn)模式替代。區(qū)域糧食作物生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,一方面快速提高了區(qū)域糧食生產(chǎn)能力,滿足了本地區(qū)居民口糧和畜牧業(yè)飼料的需求,另一方面也對糧食作物生產(chǎn)的灌溉和田間管理技術(shù)體系、經(jīng)營模式和糧食消費(fèi)、畜牧業(yè)生產(chǎn)帶來了深刻的影響。

1.3 1949年以來的經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)

棉花是京津冀農(nóng)區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)作物之一。伴隨19世紀(jì)晚期紡織業(yè)的興起,京津冀地區(qū)棉花生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大,形成了以冀中南平原為主的棉花種植格局。1949年以來河北省棉花生產(chǎn)經(jīng)歷了波折起伏的發(fā)展過程。建國初期農(nóng)業(yè)生產(chǎn)快速恢復(fù),棉花種植面積由60 萬hm增加至120 萬hm左右,在農(nóng)作物播種總面積中的占比超過10%。從1958年“大躍進(jìn)”開始至1970年代末,植棉面積下降,保持在60萬hm左右的較低水平。家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制實(shí)施之后,棉花種植面積迅速回升,其中1984年棉田面積達(dá)109 萬hm,為當(dāng)年農(nóng)作物總播種面積的10.9%,總產(chǎn)108.9 萬t,創(chuàng)京津冀地區(qū)棉花高產(chǎn)紀(jì)錄。1990年代受病蟲害影響,棉花種植面積迅速下降,到2000年之后,京津冀棉區(qū)推廣抗蟲棉品種和配套病蟲害防治技術(shù),棉花種植面積逐漸恢復(fù)到65 萬hm以上。2010年之后,受宏觀政策、價(jià)格波動(dòng)以及成本增加影響,棉花生產(chǎn)規(guī)模持續(xù)萎縮,主產(chǎn)區(qū)由冀中南傳統(tǒng)棉區(qū)向河北東部濱海鹽堿地轉(zhuǎn)移,2018年減少至22.8 萬hm,僅占農(nóng)作物總播種面積的2.6%(圖2)。

圖2 京津冀地區(qū)1949—2018年棉花和油料作物生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)量變化Fig.2 Changes of cotton and oilseed crops production in Beijing-Tianjin-Hebei region from 1949 to 2018

京津冀地區(qū)油料作物主要有花生()、芝麻()、油葵()、胡麻()與油菜(),主要集中在河北省,北京和天津兩地的油料作物生產(chǎn)規(guī)模較小。1980年代以前,油料作物種植規(guī)模在30 萬hm左右,占農(nóng)作物總播種面積的3%; 家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制實(shí)施之后,油料作物規(guī)?？焖贁U(kuò)大,到1985年,京津冀地區(qū)油料作物播種面積達(dá)到83.1 萬hm,占農(nóng)作物總播種面積的8.4%;1986—2003年,油料作物種植規(guī)模穩(wěn)定在60 萬～70萬hm; 2004年后進(jìn)入持續(xù)萎縮期,2018年種植面積降低到37.1 萬hm,占農(nóng)作物總播種面積的比例由6%左右降低到4.2%(圖2)。油料作物總產(chǎn)量與播種面積基本同步,2003年產(chǎn)量達(dá)169.5 萬t 的峰值,之后緩慢降低,2018年油料作物總產(chǎn)量為122.4 萬t。

京津冀地區(qū)蔬菜與水果生產(chǎn)規(guī)模及產(chǎn)量的連續(xù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)始于1978年。蔬菜播種面積從改革開放初期約30 萬hm增加到2005年的132.3 萬hm,規(guī)模擴(kuò)大了3.4 倍,產(chǎn)量則從837.6 萬t 增加到7434.2 萬t,提高了7.9 倍; 2005年之后,生產(chǎn)規(guī)模快速回落,2010年后穩(wěn)定在85 萬hm左右,年產(chǎn)量約5500 萬t(圖3)。

果園面積從1978年的19.7 萬hm增加到2005年的122.8 萬hm,規(guī)模擴(kuò)大了5.2 倍,產(chǎn)量則從99.0萬t 增加到1022.4 萬t,為1978年的10.3 倍; 2005年之后,果園面積持續(xù)減少,到2018年,果園面積降至60.5 萬hm,得益于管理水平提高及品種更新的作用,水果單產(chǎn)從2005年的8.3 t·hm提高到2018年的17.2 t·hm,提高107.2%,總產(chǎn)量保持在1000 萬t 以上(圖3)。

圖3 1978—2018年京津冀地區(qū)蔬菜(a)、水果(b)播種面積與產(chǎn)量變化Fig.3 Changes of vegetables(a) and fruits(b) production in Beijing-Tianjin-Hebei region from 1978 to 2018

1.4 京津冀農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的差異化發(fā)展

京津冀三地的農(nóng)業(yè)處于不同發(fā)展階段,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和結(jié)構(gòu)差異明顯。1978年到2018年,京津冀農(nóng)作物總播種面積減少18.9%,其中北京市從69.1萬hm降至10.4 萬hm,天津市從70.0 萬hm降至42.9 萬hm,河北省從937.1 萬hm降至819.7 萬hm,分別減少85.0%、38.7%和12.5%(圖4)。河北省農(nóng)作物種植規(guī)模在京津冀地區(qū)的占比由87.1%提高到93.9%,重要性進(jìn)一步增強(qiáng); 北京市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模顯著縮減,僅占京津冀全區(qū)農(nóng)作物總播種面積的1.1%。河北省是京津冀三地糧食和農(nóng)產(chǎn)品供給的主要地區(qū),2018年生產(chǎn)了京津冀地區(qū)93.8%的糧食、99.1%的油料、92.9%的棉花、93.1%的蔬菜和91.7%的水果,河北省的農(nóng)業(yè)規(guī)模和產(chǎn)能在京津冀地區(qū)占有支配地位,承擔(dān)著為京津供給農(nóng)產(chǎn)品的功能。

圖4 京津冀三地1978年與2018年作物生產(chǎn)規(guī)模(a)與種植結(jié)構(gòu)(b) 對比Fig.4 Comparison of crop planting area(a) and structure(b) between 1978 and 2018 in Beijing,Tianjin and Hebei

近40年來,北京市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)?？s小約80%,糧食生產(chǎn)規(guī)模由56.1 萬hm減少到5.6 萬hm,已基本退出糧食生產(chǎn),轉(zhuǎn)變?yōu)槭卟?、水果生產(chǎn)為主的都市農(nóng)業(yè)模式; 天津市糧食生產(chǎn)規(guī)模明顯縮小,由60.1 萬hm減少到35.0 萬hm; 河北省糧食作物種植比例略有降低,但仍占據(jù)主體地位,蔬菜和水果生產(chǎn)規(guī)模和占比均有所上升,從1978年的2.4%和1.9%提高到2018年的9.3%和6.3%。京津冀地區(qū)主要農(nóng)作物規(guī)模、產(chǎn)量變化和地區(qū)差異,一方面反映了區(qū)域農(nóng)業(yè)政策的影響,全區(qū)域糧食作物生產(chǎn)始終保持了較高比例,河北省始終把糧食生產(chǎn)作為第一任務(wù)加以落實(shí); 另一方面蔬菜、水果產(chǎn)能的快速提升,則表現(xiàn)為市場引導(dǎo)的影響,農(nóng)戶通過增加高價(jià)值的“現(xiàn)金作物”比例獲得更高的生產(chǎn)效益。

2 京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用及其可持續(xù)性

2.1 農(nóng)業(yè)灌溉與地下水超采

灌溉條件的持續(xù)改善是農(nóng)業(yè)穩(wěn)定高產(chǎn)的重要支撐條件,京津冀地區(qū)灌溉條件的改善以地下水井灌能力的提升為主。在20世紀(jì)初期,京津冀地區(qū)是典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū),旱地面積占農(nóng)田面積的近90%,糧食作物以高粱、谷子、小麥和玉米為主,作物熟制主要為兩年三熟、三年四熟和一年一熟。1950年代以來,河北省灌溉機(jī)井?dāng)?shù)量增加了153 倍,有效灌溉面積由51.3 萬hm增加到299.7 萬hm,耕地灌溉比例由10.5%提高到了68.9%,旱作農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)楣喔绒r(nóng)業(yè),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力快速提升。農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的過程也是灌溉規(guī)模擴(kuò)大、地下水消耗增加的過程。

近20年來,京津冀地區(qū)用水總量穩(wěn)定下降,由2001年的269.0 億m下降到2018年的250.1 億m,其中農(nóng)業(yè)用水總量從188.5 億m減少為135.3 億m,下降28.2%,農(nóng)業(yè)用水占總水量的比例從70.1%減少為54.1%,但仍是京津冀地區(qū)水資源消耗的主體(圖5)。京津冀三地中,河北省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模最大,農(nóng)業(yè)用水量和占比也最大,2001年河北省農(nóng)業(yè)用水量為161.2 億m,占京津冀農(nóng)業(yè)總用水量的85.5%;2018年減少到121.1 億m,但受京津兩地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和用水規(guī)模萎縮的影響,河北省農(nóng)業(yè)用水占京津冀農(nóng)業(yè)總用水量的比例提高到89.5%。近20年來,北京市和天津市的現(xiàn)代化進(jìn)程明顯加速,總用水量呈增加趨勢,其中生活用水和生態(tài)用水增加明顯。北京市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模顯著變小,農(nóng)業(yè)用水量和用水比例快速降低,農(nóng)業(yè)用水量從2001年的17.4 億m減少到2018年的4.2 億m,占比則由44.7%下降到10.7%; 天津市農(nóng)業(yè)用水規(guī)?；痉€(wěn)定在10.0 億m左右,占比由2001年的52.7%下降到35.2%。

圖5 2001—2018年京津冀地區(qū)用水結(jié)構(gòu)變化Fig.5 Changes of water-use structure in Beijing-Tianjin-Hebei(BTH) region from 2001 to 2018

灌溉用水是農(nóng)業(yè)用水的最主要部門,河北省年均灌溉用水占農(nóng)業(yè)用水量90%以上。平原區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉主要依賴于開采地下水,占全區(qū)地下水開采量的70%以上,部分地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉耗水占比高達(dá)85%。以小麥、玉米為主的糧食生產(chǎn)占灌溉用水的75%以上,其中以依賴灌溉維持高產(chǎn)的冬小麥耗水最為主要,冀中南平原區(qū)小麥灌溉用水占農(nóng)業(yè)用水總量的50%～62%,以糧食生產(chǎn)為主的農(nóng)業(yè)地下水消耗規(guī)模已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了區(qū)域地下水可開采規(guī)模,農(nóng)業(yè)用水是導(dǎo)致京津冀地區(qū)地下水超采的主要原因。持續(xù)的地下水超采已對區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的影響。近20年京津冀地區(qū)年均超用水量約70 億m,在2014年南水北調(diào)通水之前,京津冀地區(qū)超用的水資源量幾乎全部來自地下水。據(jù)水利部統(tǒng)計(jì),近30年以來華北地區(qū)地下水超采累計(jì)虧空1800 億m左右,超采的面積達(dá)到18 萬km,以京津冀平原地區(qū)超采范圍最大,造成了區(qū)域性的地下水漏斗。以欒城站所代表的典型山前平原冬小麥-夏玉米輪作區(qū)域?yàn)槔?該站自1974年有觀測記錄以來,地下水埋深從10 m 左右持續(xù)下降,到2018年地下水埋深達(dá)到48 m。

2.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水資源可持續(xù)性的影響

京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模和強(qiáng)度對區(qū)域水資源可持續(xù)性具有顯著影響。20世紀(jì)90年代以來,節(jié)水灌溉比例和作物水分利用效率得到顯著提高。但是,小麥-玉米兩熟高產(chǎn)農(nóng)田的年均蒸散耗水量在700 mm 以上,果園的年均蒸散耗水量更高達(dá)760 mm,遠(yuǎn)高于降水量。為了滿足持續(xù)增長的農(nóng)產(chǎn)品需求,京津冀平原區(qū)需長期依靠地下水灌溉以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)目標(biāo)。據(jù)估算,1984—2008年間,河北省平原區(qū)用于糧食生產(chǎn)的凈地下水消耗為1130億m,獲得的糧食增產(chǎn)效益為1.9 億t,引起中南部平原區(qū)的地下水位下降7.4 m,對地下水位下降的貢獻(xiàn)率達(dá)80%。裴宏偉對區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)性進(jìn)行了評價(jià),結(jié)果表明,1950年代河北平原區(qū)農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用指數(shù)()約為0.64,水資源有較大利用潛力; 隨著灌溉強(qiáng)度的增加,1970年代農(nóng)業(yè)水資源開始進(jìn)入不可持續(xù)范圍(=-0.13); 2000年之后下降到-0.69,灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展和水資源供給不足的矛盾更為突出。

京津冀地區(qū)長期高強(qiáng)度、大規(guī)模的農(nóng)業(yè)灌溉是地下水過度消耗的重要因素,是治理地下水超采問題的關(guān)鍵所在。由于20世紀(jì)70年代以來小麥-玉米一年兩熟制的快速推廣,平原區(qū)的水資源進(jìn)入不可持續(xù)的狀態(tài)。大規(guī)模的灌溉農(nóng)業(yè)成為制約區(qū)域水資源可持續(xù)利用的主要癥結(jié); “以水換糧”的模式在解決京津冀地區(qū)乃至全國的糧食需求,保障“解決溫飽,實(shí)現(xiàn)小康”的社會(huì)發(fā)展目標(biāo)中起到了不可替代的作用,同時(shí)也積累了巨大的水資源安全與生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)?！耙运畵Q糧”模式已無法滿足京津冀地區(qū)“綠色發(fā)展” “建設(shè)生態(tài)文明社會(huì)”的發(fā)展需求,成為制約京津冀協(xié)同發(fā)展的核心資源限制要素。

3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適水轉(zhuǎn)型的政策與措施

3.1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與水資源調(diào)控政策與管理措施

2014年以來,中央一號(hào)文件連續(xù)7年持續(xù)關(guān)注以京津冀為主的華北平原地下水超采區(qū)的農(nóng)業(yè)水資源消耗問題,并出臺(tái)了一系列地下水壓采、農(nóng)業(yè)水資源管理和種植結(jié)構(gòu)適水調(diào)整政策,地下水超采綜合治理范圍也由2014年的河北省擴(kuò)大到了京津冀兩市一省共149 個(gè)縣區(qū)(其中河北省128 個(gè)縣區(qū)),治理面積約8.7 萬km。以河北省為例,在考慮南水北調(diào)的水資源置換效應(yīng)的情況下,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的地下水壓采總量目標(biāo)為35 億～38 億m,占河北省地下水壓采總量的70%,為達(dá)到“以水定地、以水定產(chǎn)”的農(nóng)業(yè)適水轉(zhuǎn)型目標(biāo),開展高效節(jié)水灌溉工程設(shè)施建設(shè),調(diào)減高耗水作物面積,實(shí)施輪作、休耕和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整,建立作物生育階段與天然降水相匹配的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)與種植制度等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與水資源管理政策陸續(xù)出臺(tái)。

以地下水超采綜合治理為主的農(nóng)業(yè)適水轉(zhuǎn)型政策與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)綜合節(jié)水政策具有明顯不同。一方面政策的調(diào)控手段更加多樣化,涉及到節(jié)水灌溉、用水計(jì)量與監(jiān)管、地下水壓采、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等多方面,農(nóng)業(yè)節(jié)水不僅重視輸配水和田間用水效率的提升和潛力挖掘,更加強(qiáng)調(diào)通過灌溉用水計(jì)量與監(jiān)管手段直接減少地下水開采量; 另一方面,政策目標(biāo)也從以農(nóng)業(yè)發(fā)展為中心的節(jié)水增效、節(jié)水增糧轉(zhuǎn)變?yōu)橐詤^(qū)域地下水資源可持續(xù)為中心的限水生產(chǎn)和適水發(fā)展,通過控制灌溉面積,減少高耗水農(nóng)作物,調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、休耕輪作等控制規(guī)模、降低強(qiáng)度措施,保障實(shí)現(xiàn)地下水開采量減少35 億～38 億m目標(biāo)。綜合來看,京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)和水資源可持續(xù)目標(biāo)在政策體系中優(yōu)先級(jí)的改變,既是地下水超采綜合治理的必然要求,也是區(qū)域農(nóng)業(yè)適水轉(zhuǎn)型必要性和緊迫性的集中體現(xiàn)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)政策向“水資源可持續(xù)”優(yōu)先的轉(zhuǎn)變,為區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理、水資源利用與節(jié)水技術(shù)體系以及區(qū)域糧食安全保障方式等方面將帶來深刻甚至根本性的影響。

3.2 適水輪作的理論體系與技術(shù)措施

近40年來,各類節(jié)水灌溉技術(shù)與田間減蒸降耗措施促進(jìn)了京津冀平原區(qū)作物水分利用效率的持續(xù)提高,但由于作物單產(chǎn)快速提升,導(dǎo)致高產(chǎn)農(nóng)田的實(shí)際耗水量仍呈增加趨勢,與美國中部高平原等大規(guī)模地下水灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)相似也存在著“越節(jié)水越耗水”地下水困局。因此,單純依靠節(jié)水灌溉來實(shí)現(xiàn)地下水可持續(xù)利用是不可行的,構(gòu)建與區(qū)域水資源條件相匹配的種植結(jié)構(gòu)與規(guī)模才是京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)適水轉(zhuǎn)型的可持續(xù)解決方案。

與大量小麥-玉米一年兩熟模式田間耗水量、水平衡及水分利用研究相比,適水輪作模式耗水機(jī)制與水資源效應(yīng)的研究已經(jīng)在降低高耗水作物種植比例、降低復(fù)種指數(shù)、提高休耕季土壤水蓄積能力等方面形成了共識(shí)。已有研究探討了利用耗水量低的作物結(jié)構(gòu)替換高耗水的小麥-玉米一年兩熟模式的可行性,并分析了潛在的節(jié)水特征。張敏等分析了糧-棉-薯、糧-棉-油、糧-油代替小麥-玉米一年兩熟模式的可能性,發(fā)現(xiàn)糧-棉-薯與糧-棉-油模式節(jié)水效果較好。郭步慶等、趙華甫等、劉明等研究了小麥-玉米一年兩熟、冬小麥-夏玉米-春玉米兩年三熟、春玉米一熟制下的水分效應(yīng),發(fā)現(xiàn)春玉米一熟模式能實(shí)現(xiàn)最小灌溉或零灌溉,但年產(chǎn)量顯著降低,而兩年三熟模式下降水量能較好地滿足作物生長需求。閆鵬等的田間試驗(yàn)結(jié)果則表明,提高灌溉管理水平的“適水”春玉米一熟模式較傳統(tǒng)春玉米一熟模式在耗水和產(chǎn)量的均衡效應(yīng)方面更優(yōu)。Yang等在欒城站開展了不同輪作模式的長期定位試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)深根和淺根作物輪作有利于提高土壤水分的利用效率,而且隨著復(fù)種指數(shù)的增加,不同輪作模式的年均蒸散耗水量增加: 棉花一年一熟模式(522.5 mm)＜糧棉薯四年五熟模式(560.6 mm)＜糧油二年三熟模式(615.0 mm)＜糧棉油三年五熟模式(647.4 mm)＜小麥-玉米一年兩熟模式(724.5 mm)。

田間試驗(yàn)與作物模型相結(jié)合,并與歷史氣候資料或氣候變化情景嵌套,可在中長期時(shí)間尺度上開展熟制、管理、水熱變化等要素對作物產(chǎn)量和耗水影響的研究。依托欒城站田間試驗(yàn),Sun 等研究表明,即使在小麥、玉米各灌溉一次的最小灌溉量下,小麥-玉米一年兩熟模式也會(huì)導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降;Xiao 等評估了不同小麥-玉米輪作模式的中長期耗水特征,發(fā)現(xiàn)山前平原區(qū)冬小麥-夏玉米-早播春玉米兩年三熟模式在適度灌溉的情況下灌溉需水量接近地下水采補(bǔ)平衡點(diǎn),而糧食總產(chǎn)量只下降13%。在此基礎(chǔ)上,作者團(tuán)隊(duì)建立種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型評估了不同情景下京津冀地區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量和耗水關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在保障主要農(nóng)產(chǎn)品自給的情況下,需要利用18%的南水北調(diào)中線來水量來扭轉(zhuǎn)地下水超采的形勢; 而在實(shí)現(xiàn)地下水采補(bǔ)平衡的情景下,小麥生產(chǎn)能力只能滿足京津冀地區(qū)75%的口糧需求。

4 結(jié)論與建議

20世紀(jì)以來,京津冀地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平與灌溉保障條件快速發(fā)展。民國時(shí)期,平原井灌區(qū)格局初步形成,灌溉目標(biāo)以優(yōu)先保障高價(jià)值農(nóng)作物的應(yīng)急抗旱為主。建國之后,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模穩(wěn)步提升,機(jī)電井逐漸替代傳統(tǒng)的大口淺井,灌溉活動(dòng)由抗旱應(yīng)急手段轉(zhuǎn)變?yōu)樽魑锷a(chǎn)的常規(guī)保障手段,特別是1970年代以后,井灌為主的灌溉體系基本覆蓋平原農(nóng)區(qū),地下水灌溉成為京津冀平原區(qū)農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)和持續(xù)高產(chǎn)的關(guān)鍵支撐條件,小麥、玉米占絕對優(yōu)勢的糧食作物結(jié)構(gòu)形成,蔬果等商品作物規(guī)模產(chǎn)能快速擴(kuò)大,農(nóng)業(yè)灌溉成為京津冀平原區(qū)地下水超采的主要原因,地下水灌溉的負(fù)面生態(tài)效應(yīng)持續(xù)加劇。2012年以來,農(nóng)業(yè)總用水量持續(xù)下降,但地下水超采的總體格局未發(fā)生扭轉(zhuǎn),在政策推動(dòng)下京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)進(jìn)入種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化、節(jié)水壓采、綠色轉(zhuǎn)型的階段。

近40年來,京津冀三地經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和城市化差異明顯,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也在規(guī)模和結(jié)構(gòu)方面發(fā)生了分化。1978—2018年,北京市、天津市的作物播種面積分別減少85.0%、38.7%,北京市已退出糧食生產(chǎn),轉(zhuǎn)變?yōu)楣邎@藝為主的城郊農(nóng)業(yè)模式,天津市也無法實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品自給。伴隨京津兩地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模萎縮和結(jié)構(gòu)變化,河北省的農(nóng)業(yè)規(guī)模和產(chǎn)能占比進(jìn)一步提高,2018年生產(chǎn)了京津冀地區(qū)93.8%的糧食、99.1%的油料、92.9%的棉花、93.1%的蔬菜和91.7%的水果。京津冀三地農(nóng)業(yè)的差異化發(fā)展,強(qiáng)化了河北省在京津冀一體化背景下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要性和基礎(chǔ)性功能,也在事實(shí)上加重了河北平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和資源節(jié)水壓力。

適水農(nóng)業(yè)不是單純水資源可持續(xù)的節(jié)水農(nóng)業(yè),而是區(qū)域農(nóng)業(yè)綠色生產(chǎn)升級(jí)轉(zhuǎn)型的目標(biāo),京津冀地區(qū)適水農(nóng)業(yè)體系的構(gòu)建,不能倒退為20世紀(jì)70年代之前低投入、低產(chǎn)出的低層次適水的歷史模式; 而是要構(gòu)建高技術(shù)條件保障、適宜穩(wěn)定產(chǎn)出、高效可持續(xù)用水、產(chǎn)出與效益穩(wěn)定的高層次的以農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化為特征的適水農(nóng)業(yè)模式?，F(xiàn)有田間試驗(yàn)和作物模型研究結(jié)果表明,在采取必要的節(jié)水灌溉措施和田間管理措施的前提下,通過優(yōu)化輪作模式,降低復(fù)種指數(shù),將京津冀平原小麥、玉米一年兩熟灌溉高產(chǎn)模式調(diào)整為兩年三熟或者三年四熟,減少高耗水的小麥在輪作體系中的占比,適度增加耐旱雜糧、薯類和油料作物或者在小麥休閑年份將夏玉米改為春玉米等措施,可以在相對較小的作物產(chǎn)量損失情景下,達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)年度耗水與水資源條件的平衡,從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的適水轉(zhuǎn)型。現(xiàn)有研究明確了通過壓縮高耗水作物構(gòu)建適水種植結(jié)構(gòu)的總體方向,但對于不同適水輪作模式在中長期時(shí)間尺度上的產(chǎn)糧能力與耗水強(qiáng)度的交互關(guān)系仍不明晰,限水灌溉和雨養(yǎng)/休耕等措施在保持生產(chǎn)穩(wěn)定性和提高降雨資源利用有效性方面的差異和生產(chǎn)決策依據(jù)有待進(jìn)一步明確,以支撐構(gòu)建適水、安全的區(qū)域糧食生產(chǎn)新模式; 降水的年際波動(dòng)對糧食生產(chǎn)穩(wěn)定性的影響、水資源消耗的累積效應(yīng)等問題尚待進(jìn)一步查明,實(shí)用高效的田間管理與生產(chǎn)技術(shù)支撐體系也需不斷完善。從政策層面看,協(xié)同實(shí)現(xiàn)地下水超采治理和糧食穩(wěn)定生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)京津冀地區(qū)水安全和綠色轉(zhuǎn)型、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求,必須要進(jìn)一步健全京津冀一體化條件下的農(nóng)業(yè)綜合規(guī)劃與產(chǎn)業(yè)發(fā)展體系,政策的制定要強(qiáng)調(diào)長期目標(biāo)和短期措施的協(xié)同,在保障區(qū)域糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)穩(wěn)定的前提下,有序高效地推進(jìn)京津冀地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的適水轉(zhuǎn)型。