泉濤,李紅軍,沈彥俊**,王卓然,閔雷雷,齊永青,張建永

(1.中國(guó)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(guó)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.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049;3.水利部信息中心 北京 100053;4.河北省石家莊市欒城區(qū)供水服務(wù)中心 石家莊 051430)

糧食安全和水資源安全是實(shí)現(xiàn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)[1]。河北省作為全國(guó)13 個(gè)糧食主產(chǎn)省之一,糧食產(chǎn)量連續(xù)10 年穩(wěn)定在3500 萬(wàn)t 以上,為國(guó)家糧食安全提供了重要保障[2]。然而,由于資源性缺水,河北省的水糧矛盾日益尖銳。長(zhǎng)期以來(lái),河北平原形成了冬小麥(Triticum aestivum)-夏玉米(Zea mays)一年兩熟的主要糧食生產(chǎn)種植制度,年耗水在700 mm 以上,而年降水量只有約500 mm,尤其是在小麥生育期,降水量?jī)H有150 mm 左右,遠(yuǎn)不能滿足冬小麥的用水需求[3-4],因此,抽取地下水補(bǔ)充灌溉成為保障糧食穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的關(guān)鍵。大范圍高強(qiáng)度農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引起的地下水超采導(dǎo)致河北平原地下水位逐年下降,形成了世界上最大的復(fù)合型地下水漏斗區(qū),引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1,5]。2014 年起河北省開(kāi)始實(shí)施地下水超采綜合治理,提出以節(jié)水為核心的壓采措施,力圖實(shí)現(xiàn)地下水的采補(bǔ)平衡。在農(nóng)業(yè)方面采取的主要措施包括季節(jié)性休耕、實(shí)施旱作雨養(yǎng)、推廣小麥節(jié)水品種和配套技術(shù),以及發(fā)展高效節(jié)水灌溉,旨在適當(dāng)壓減依靠地下水灌溉的冬小麥種植面積,降低農(nóng)業(yè)用水和提高水分利用效率。地下水壓采政策實(shí)施至今,河北平原地下水位持續(xù)下降的態(tài)勢(shì)得到初步遏制,部分地區(qū)地下水位止跌回升[6]。統(tǒng)計(jì)顯示,在此期間河北平原的冬小麥種植面積仍在增長(zhǎng),其總產(chǎn)量也一直保持穩(wěn)增狀態(tài)。地下水壓采目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)要在一定程度上減少冬小麥播種面積和耗水,而糧食安全的保障又需要穩(wěn)定其產(chǎn)量。在冬小麥單產(chǎn)水平和水分利用效率沒(méi)有較大幅度提升的條件下,冬小麥的種植面積及耗水發(fā)生了怎樣的變化,對(duì)該地區(qū)水資源安全、水糧目標(biāo)的協(xié)調(diào)產(chǎn)生了怎樣的影響,這些問(wèn)題的回顧和分析對(duì)于該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

冬小麥種植面積的增減直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)用水量的變化,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)僅反映了其面積總量的波動(dòng),更需要對(duì)冬小麥種植區(qū)域的時(shí)空變化進(jìn)行分析。遙感技術(shù)的發(fā)展可以利用遙感影像快速地獲取大范圍的作物信息,為作物面積監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐[7-8]。潘學(xué)鵬等[9]探討了將復(fù)種指數(shù)引入分類(lèi)回歸樹(shù)算法在提取華北平原冬小麥面積的可行性,反演了2000-2013年華北平原冬小麥種植面積。安塞等[10]利用時(shí)間序列諧波分析法建立了歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)時(shí)間序列曲線,基于作物的種植制度和物候信息,利用像元二分模型對(duì)混合像元進(jìn)行分解,提高了華北平原冬小麥面積的反演精度。郎婷婷[11]基于MODIS (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)數(shù)據(jù),使用Savitzky-Golay 濾波重構(gòu)了NDVI 時(shí)間序列曲線,建立分類(lèi)決策樹(shù),獲得了2016-2017 年京津冀地區(qū)冬小麥的種植面積。雷海梅[12]利用Sentinel-2、GF-1 等數(shù)據(jù)構(gòu)建隨機(jī)森林(Random Forest,RF)分類(lèi)器,借助谷歌地球引擎提取了黑龍港流域2017-2019 年冬小麥種植面積信息。范玲玲[13]基于冬小麥生育期物候曲線變化特征提出了一種自適應(yīng)時(shí)間對(duì)齊法,反演了1990 年、2000 年、2010 年、2019 年京津冀地區(qū)的冬小麥面積。學(xué)者們?cè)诙←湻N植區(qū)域遙感識(shí)別上開(kāi)展了大量研究,為河北平原地下水壓采前后冬小麥種植區(qū)域時(shí)空變化的研究提供了技術(shù)參考。在目前常用的作物遙感識(shí)別方法中,隨機(jī)森林算法具有處理多維數(shù)據(jù)能力強(qiáng)、訓(xùn)練和預(yù)測(cè)速度快、分類(lèi)準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)[14-15],在玉米、高粱(Sorghum bicolor)、大豆(Glycine max)、小麥等不同作物分類(lèi)中得到應(yīng)用[16-17]。

在農(nóng)田水循環(huán)中,蒸散(evapotranspiration,ET)是真正意義上的水資源消耗,只有降低蒸散才能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水,從根本上解決水資源匱乏的問(wèn)題[18-19]。李昊天等[20]和Zhang 等[21]基于長(zhǎng)時(shí)間序列的田間灌溉試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),河北太行山前平原冬小麥的蒸散呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。但區(qū)域尺度上冬小麥的耗水如何,需要對(duì)更大尺度上的蒸散數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。遙感反演蒸散為實(shí)現(xiàn)大尺度農(nóng)田水分管理提供了技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐,目前已有一些基于成熟算法或模型產(chǎn)生的蒸散產(chǎn)品,如MOD16 ET 產(chǎn)品、MTE ET 產(chǎn) 品、GLEAM ET 產(chǎn)品、PML_V2 產(chǎn)品、TSEB ET 產(chǎn)品等[22-24]。其中,TSEB ET 產(chǎn)品利用華北平原地面蒸散觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證,具有較高的估算精度和時(shí)空分辨率,可用于分析冬小麥耗水的時(shí)空變異[23-24]。

基于河北省地下水壓采政策實(shí)施后對(duì)農(nóng)業(yè)用水的約束,以及該地區(qū)協(xié)調(diào)水糧矛盾的需求,本研究以地下水壓采政策實(shí)施前后共11 年(2009-2019 年)為研究時(shí)段,對(duì)河北平原各年份冬小麥的種植分布進(jìn)行遙感反演,結(jié)合遙感蒸散和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),探明冬小麥真實(shí)耗水和水分利用效率的時(shí)空演變,進(jìn)而分析地下水壓采政策對(duì)冬小麥用水管理的影響,通過(guò)調(diào)研探索引起冬小麥耗水變化的驅(qū)動(dòng)力,以期為河北平原未來(lái)地下水壓采下農(nóng)業(yè)用水管理以及糧食安全的保障提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

本研究以河北平原為研究區(qū),河北平原(36°07′～39°47′N(xiāo),114°30′～118°01′E)地處華北地區(qū)中北部(圖1),包括石家莊、邯鄲、邢臺(tái)、保定、滄州、廊坊、衡水7 個(gè)地級(jí)市,面積約626 萬(wàn)hm2。該地區(qū)屬于溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候,多年平均降水量為508 mm,全年70%～80%的降水集中在6-9 月份。冬小麥-夏玉米一年兩熟是該地區(qū)最主要的種植制度,其中,冬小麥多年平均種植面積為214.35 萬(wàn)hm2,總產(chǎn)量保持在1320 萬(wàn)t。河北平原地區(qū)冬小麥的生育期大致為每年的10 月1 日到次年6月10 日,在此期間,多年平均降水僅有139 mm,因此需要抽取地下水灌溉保障其高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn),僅有少量地區(qū)為地表水灌區(qū)。

圖1 河北平原位置Fig.1 Location of the Hebei Plain

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究采用的NDVI 數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)NASA 的MODIS 數(shù)據(jù)系列MOD13Q1 植被指數(shù)數(shù)據(jù)集(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov),時(shí)間分辨率16 d,空間分辨率250 m,下載了2009-2019 年冬小麥生育期覆蓋研究區(qū)的所有影像,利用MRT (MODIS Reprojection Tool)工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、投影等預(yù)處理,獲得198 期NDVI 數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)選自1990-2021 年中國(guó)年度土地覆蓋數(shù)據(jù)集[25](http://doi.org/10.5281/zenodo.4417809),空間分辨率30 m,用于輔助提取耕地區(qū)域的NDVI。蒸散數(shù)據(jù)選自Zhang 等[23-24]在國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心發(fā)布的基于雙源能量平衡模型(TSEB)和數(shù)據(jù)融合的華北平原時(shí)空連續(xù)蒸散發(fā)數(shù)據(jù)集(https://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/data/4264 fa57-3b66-4977-876c-6e49d777fc81/),時(shí)間分辨率1 d,空間分辨率1 km,下載后重采樣為250 m 空間分辨率。實(shí)測(cè)蒸散數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站(以下簡(jiǎn)稱“欒城站”)(圖1)同期的渦度相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)[26](http://www.csdata.org/p/409/)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)自2009-2019 年的《河北省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》(https://data.cnki.net/yearBook)。

2 研究方法

2.1 基于隨機(jī)森林分類(lèi)方法的冬小麥種植區(qū)提取

NDVI 能夠表征植被的生長(zhǎng)狀況及其變化,是遙感進(jìn)行作物分類(lèi)的重要參考指標(biāo)[27]。河北平原主要的作物種類(lèi)包括小麥、玉米、棉花(Gossypiumspp.)、林果和少量蔬菜等。本研究通過(guò)土地利用數(shù)據(jù)對(duì)NDVI 數(shù)據(jù)進(jìn)行掩膜,獲得冬小麥生育期內(nèi)各類(lèi)作物的NDVI 時(shí)間序列數(shù)據(jù),對(duì)比發(fā)現(xiàn)冬小麥生育期內(nèi)其N(xiāo)DVI 序列具有明顯的“雙峰”特征(圖2),兩次峰值分別出現(xiàn)在冬小麥分蘗期和抽穗期,與其他作物存在明顯區(qū)別。基于此特征,選取冬小麥樣本點(diǎn),采用隨機(jī)森林分類(lèi)方法對(duì)冬小麥種植空間分布進(jìn)行提取。隨機(jī)森林分類(lèi)方法是一種非線性和非參數(shù)分類(lèi)器,對(duì)缺失值和異常值具有很高的容忍度,可以有效地處理多維特征的數(shù)據(jù)集[14-15]。本研究以每年冬小麥生育期內(nèi)的18 期NDVI 數(shù)據(jù)作為分類(lèi)特征變量,進(jìn)行2009-2019 年各年冬小麥種植空間分布的提取。

圖2 不同作物在冬小麥生育期內(nèi)的NDVI 序列曲線特征Fig.2 Change curves of NDVI for the main crops during the growth period of winter wheat

2.2 冬小麥水分利用效率的評(píng)價(jià)

水分利用效率定義為單位水量消耗所生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品數(shù)量,可用于評(píng)價(jià)作物生長(zhǎng)過(guò)程中水分利用效率的高低[28],其計(jì)算公式為:

式中: WUE 為冬小麥水分利用效率(kg·m-3),Y為來(lái)自統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的縣域冬小麥單產(chǎn)(kg·m-2),ET 為該縣冬小麥生育期的平均總蒸散量(mm)。

2.3 基于一元線性回歸的變化趨勢(shì)分析

利用一元線性回歸方程的斜率(slope)來(lái)表征冬小麥種植面積、蒸散、水分利用效率等參數(shù)的年際變化趨勢(shì),slope＞0 表現(xiàn)為增加趨勢(shì),slope＜0 則為減少趨勢(shì),計(jì)算公式為:式中: slope 為線性斜率值,n為年份總數(shù),i為年序號(hào),x為相應(yīng)變量的值。

3 結(jié)果與分析

3.1 冬小麥種植區(qū)時(shí)空變化分析

3.1.1 冬小麥種植區(qū)遙感提取精度檢驗(yàn)

本研究利用隨機(jī)森林分類(lèi)方法獲取了河北平原2009-2019 年各年的冬小麥種植空間分布。以研究區(qū)域內(nèi)95 個(gè)縣級(jí)行政區(qū)劃為統(tǒng)計(jì)單元,分別統(tǒng)計(jì)各縣(市、區(qū))在各年份的冬小麥種植面積,將其與農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,如圖3 所示。在縣級(jí)尺度上,本研究提取的冬小麥播種面積與農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)具有顯著的相關(guān)性(R2=0.86,P＜0.01)。以2009年、2014 年和2019 年遙感提取的冬小麥種植空間分布信息為例,利用谷歌地球歷史影像和高分辨率遙感影像選取冬小麥農(nóng)田樣本點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行精度評(píng)價(jià),其總體精度分別為91.33%、91.33%和90.33%,Kappa系數(shù)分別為0.80、0.80 和0.78?？梢?jiàn)利用隨機(jī)森林分類(lèi)方法獲得的河北平原冬小麥種植分布數(shù)據(jù)具有較好的精度。

圖3 2009—2019 年遙感監(jiān)測(cè)河北平原冬小麥面積與各縣農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較Fig.3 Comparison of winter wheat planting area from remote sensing and the agricultural statistical data of each county of the Hebei Plain from 2009 to 2019

3.1.2 冬小麥種植區(qū)時(shí)空變化

冬小麥種植面積的時(shí)空變化是其用水格局改變的主要原因。對(duì)遙感反演獲得的2009-2019 年河北平原冬小麥種植分布圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì),其間整個(gè)平原區(qū)冬小麥播種面積一直保持增長(zhǎng)趨勢(shì)(圖4),從2009年的206.76 萬(wàn)hm2增長(zhǎng)到2019 年的225.13 萬(wàn)hm2,累計(jì)增長(zhǎng)18.37 萬(wàn)hm2,增長(zhǎng)速率為1.70 萬(wàn)hm2·a-1,這與《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》中冬小麥播種面積的變化趨勢(shì)基本一致。在所有地市中,只有石家莊和保定的冬小麥種植面積表現(xiàn)為減少,其中石家莊為逐年持續(xù)減少,其間減少了7.17 萬(wàn)hm2。保定呈波動(dòng)式減少,2019 年較2009 年減少1.76 萬(wàn)hm2。邯鄲、邢臺(tái)、滄州、廊坊、衡水的冬小麥播種面積均有不同程度的增加。滄州為持續(xù)增加,從2009 年的19.49萬(wàn)hm2增加到2019 年的36.43 萬(wàn)hm2。衡水和邢臺(tái)分別增加5.14 萬(wàn)hm2和4.60 萬(wàn)hm2。邯鄲、廊坊兩地的冬小麥播種面積較為穩(wěn)定,其間增加的面積不足0.5 萬(wàn)hm2。

圖4 2009—2019 年河北平原各地區(qū)冬小麥面積年際變化Fig.4 Variations of winter wheat planting areas in different regions of the Hebei Plain from 2009 to 2019

2014 年河北省啟動(dòng)地下水超采綜合治理,之后河北平原冬小麥總種植面積仍以1.80 萬(wàn)hm2·a-1的速率增加,各地市則表現(xiàn)為有增有減。石家莊、衡水和邯鄲的冬小麥面積表現(xiàn)為明顯地逐年減少,2014-2019 年分別減少3.48 萬(wàn)hm2、1.79 萬(wàn)hm2和0.64 萬(wàn)hm2。邢臺(tái)、保定和廊坊的冬小麥面積基本保持穩(wěn)定且略有增加。滄州冬小麥的種植面積則表現(xiàn)為持續(xù)增加,其增速為2.06 萬(wàn)hm2·a-1。

利用遙感提取獲得的河北平原冬小麥種植空間分布圖,對(duì)2009-2019 年冬小麥種植區(qū)進(jìn)行年份累積,分析各地區(qū)的冬小麥累積種植年限,結(jié)果如圖5a所示。河北平原的西部太行山前平原、衡水和滄州南部是穩(wěn)定的冬小麥種植區(qū),2009-2019 年間累積種植10 年以上的冬小麥農(nóng)田主要分布在這些地區(qū)。累積種植年限在6 年以下的冬小麥種植區(qū)主要分布在保定、邢臺(tái)東部和滄州北部,其中邢臺(tái)東部多為棉改糧區(qū),滄州新增冬小麥播種面積較多。圖5b 對(duì)比了地下水壓采前后各縣冬小麥平均種植面積的變化,有50 個(gè)縣(市、區(qū))冬小麥面積減少,主要集中在石家莊、保定、邯鄲地區(qū),共減少14 萬(wàn)hm2。有45 個(gè)縣(市、區(qū))冬小麥面積增加,集中在邢臺(tái)、衡水、滄州地區(qū),共增加24.4 萬(wàn)hm2?？傮w上河北平原在壓采政策實(shí)施后冬小麥總種植面積凈增10.4 萬(wàn)hm2。

圖5 2009—2019 年河北平原冬小麥累積種植年限(a)與地下水壓采政策實(shí)施后冬小麥種植面積變化(b)Fig.5 Cumulative planting years from 2009 to 2019 (a) and planting area change after the implementation of the limiting groundwater exploitation policy (b) of winter wheat in the Hebei Plain

3.2 冬小麥耗水時(shí)空變化分析

3.2.1 TSEB ET 蒸散產(chǎn)品精度檢驗(yàn)

本研究利用2009-2019 年冬小麥生育期內(nèi)覆蓋河北平原的TSEB 蒸散產(chǎn)品評(píng)估河北平原冬小麥的耗水變化,并結(jié)合欒城站的渦度相關(guān)實(shí)測(cè)蒸散數(shù)據(jù)對(duì)其精度進(jìn)行檢驗(yàn),二者對(duì)比結(jié)果如圖6 所示。在日尺度上(圖6a),TSEB 蒸散產(chǎn)品與渦度相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯著相關(guān)(R2=0.86,P＜0.01),均方根誤差(RMSE)為0.86 mm·d-1?；诟呖臻g分辨率遙感影像對(duì)河北平原土地利用類(lèi)型的判讀表明,農(nóng)田中非耕地下墊面約占整個(gè)像素的15%,由于渦度相關(guān)觀測(cè)的是純麥田的蒸散,因此,TSEB 蒸散產(chǎn)品的數(shù)值略低于渦度相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)(二者擬合直線的斜率為0.84)。在月尺度上(圖6b),TSEB 蒸散產(chǎn)品與渦度相關(guān)數(shù)據(jù)的變化保持一致,只在冬小麥蒸散量最高的5 月略低于觀測(cè)值(均方根誤差RMSE 為14.48 mm·month-1)。TSEB 蒸散產(chǎn)品在河北平原對(duì)冬小麥蒸散的估算具有較好的精度,故可用于對(duì)其耗水的評(píng)估。

圖6 河北平原TSEB 蒸散產(chǎn)品的冬小麥蒸散值(TSEB ET)與渦度相關(guān)測(cè)定的冬小麥蒸散值在日尺度(a)和月尺度(b)上的比較Fig.6 Comparison of winter wheat evapotranspiration from TSEB dataset (TSEB ET) and that measured by eddy covariance system on daily (a) and monthly (b) scales in the Hebei Plain

3.2.2 冬小麥耗水的時(shí)空變化

河北平原地下水壓采要求節(jié)水優(yōu)先,把水資源消耗的強(qiáng)度控制在合理水平,對(duì)于農(nóng)業(yè)就是要控制其真實(shí)耗水,即蒸散。以河北平原每年的冬小麥種植區(qū)為掩膜,對(duì)相應(yīng)的冬小麥整個(gè)生育期蒸散信息進(jìn)行提取,獲得逐年冬小麥生育期蒸散分布數(shù)據(jù)。以2014 年作為河北實(shí)施地下水壓采政策的起始年,對(duì)2009-2014 年與2015-2019 年期間冬小麥生育期平均蒸散進(jìn)行比較(圖7)。生育期蒸散量較高的冬小麥分布在多年種植區(qū),與圖5a 基本一致,說(shuō)明這些地區(qū)水肥條件較好,適合冬小麥的生長(zhǎng)。對(duì)比壓采前后冬小麥生育期的蒸散,壓采后冬小麥生育期的耗水量整體有所增加。壓采前高于400 mm 蒸散的麥田面積較少(約22 萬(wàn)hm2),且主要分布在石家莊和邯鄲地區(qū)。壓采后5 年麥田的平均蒸散普遍高于400 mm,面積約136 萬(wàn)hm2。滄州北部、衡水東部以及邢臺(tái)東部冬小麥的蒸散量較低,但在壓采后的幾年內(nèi)其蒸散量也有所增加。2014 年地下水壓采政策實(shí)施后,河北平原降水普遍低于多年平均值,屬于偏枯年份,年平均降水較壓采前相比低24 mm,降水的減少導(dǎo)致小麥需水增加,促使灌溉增加,因此河北平原冬小麥蒸散整體上都有所增加,由此可見(jiàn),冬小麥的高耗水沒(méi)有得到控制。

圖7 地下水壓采政策實(shí)施前(2009—2014 年)、后(2015—2019 年)河北平原冬小麥種植區(qū)多年平均蒸散比較Fig.7 Comparison of mean annual evapotranspiration of winter wheat before (2009-2014) and after (2015-2019) the implementation of the limiting groundwater exploitation policy in the Hebei Plain

對(duì)河北平原各年份冬小麥生育期平均蒸散與總耗水量(平均蒸散×種植面積)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),其年際間耗水的變化如圖8 所示。2009-2019 年河北平原冬小麥生育期平均蒸散和總耗水量存在顯著的年際波動(dòng),且二者的變化較為一致。2009-2019 年河北平原冬小麥生育期多年平均蒸散為381.10 mm,平均耗水為81.82 億m3。壓采前2009-2014 年冬小麥生育期平均蒸散為366.29 mm,壓采后5 年平均蒸散為398.87 mm,增長(zhǎng)32.58 mm。由于冬小麥生育期平均蒸散和種植面積在壓采政策實(shí)施后均有增長(zhǎng),其生育期總耗水量增加了約10.9 億m3。

圖8 2009—2019 年河北平原冬小麥生育期平均蒸散和總耗水量年際變化Fig.8 Changes of evapotranspiration and total water consumption of winter wheat in Hebei Plain from 2009 to 2019

從本研究時(shí)段內(nèi)等間隔選取2009 年、2014 年和2019 年對(duì)各地市冬小麥耗水占總耗水量的比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖9 所示。11 年間河北平原冬小麥耗水分布格局發(fā)生了較大改變。2009 年石家莊、保定和邯鄲的冬小麥生育期耗水均占到冬小麥總耗水的20%左右,到2019 年其占比分別減少5.9%、2.9%和1.1%。滄州和衡水所占的份額分別增加7.5%和1.9%。邢臺(tái)和廊坊的冬小麥耗水比例基本維持不變。與同期河北平原冬小麥種植面積的空間變化相比,其耗水伴隨著種植面積在地域上都存在東部增加西部減少的變化格局。

圖9 2009 年、2014 年和2019 年河北平原各地區(qū)冬小麥耗水占總耗水量比例Fig.9 Ratio of water consumption of winter wheat for each region to that of the Hebei Plain in 2009,2014 and 2019

3.2.3 季節(jié)性休耕減蒸節(jié)水效果分析

季節(jié)性休耕是河北省地下水壓采政策的一項(xiàng)重要措施,旨在壓減冬小麥種植面積,減少地下水抽取。通過(guò)年際間冬小麥種植區(qū)提取結(jié)果的對(duì)比,本研究監(jiān)測(cè)到河北平原2017-2019 年休耕面積分別為16.37 萬(wàn)hm2、17.68 萬(wàn)hm2和16.16 萬(wàn)hm2,略高于政府要求的休耕任務(wù)。在這些休耕地上,政府支持種植二月蘭(Orychophragmus violaceus)、紫云英(Astragalus sinicus)、油菜(Brassica napus)等綠肥或油料作物,但要求不得抽取地下水澆灌,在下茬作物種植前將其翻耕入田作為綠肥。調(diào)研中發(fā)現(xiàn),大部分農(nóng)戶對(duì)休耕地基本不管理,任其長(zhǎng)滿雜草,最后將其作為綠肥?；趯?duì)休耕地的遙感識(shí)別,本研究對(duì)比了研究時(shí)段內(nèi)不同時(shí)期80 個(gè)休耕地與冬小麥農(nóng)田樣點(diǎn)NDVI 的數(shù)值,見(jiàn)圖10。休耕地上綠肥或雜草在NDVI 上與冬小麥具有顯著的同步,且數(shù)值相當(dāng)于同期冬小麥NDVI 的0.66,較高的植被量意味著更多的蒸散量。從遙感蒸散數(shù)據(jù)中提取獲得這些休耕地在冬小麥生育期內(nèi)總的蒸散量為326 mm,相對(duì)于壓采后5 年的冬小麥平均蒸散(398.87 mm),休耕地在耗水上減少了約73 mm,這與谷祥輝[29]的研究結(jié)果較接近。此外由于休耕期間不進(jìn)行灌溉,因此除減少蒸散耗水外,還具有2700 m3·hm-2的地下水壓采潛力[29-30]。

圖10 小麥區(qū)和休耕區(qū)NDVI 對(duì)比Fig.10 Comparison of NDVI from winter wheat and fallow farmland

3.3 冬小麥水分利用效率的時(shí)空變化

農(nóng)業(yè)作為用水大戶,發(fā)展節(jié)水以提高其用水效率,對(duì)于推進(jìn)地下水超采綜合治理具有重要意義?；诳h域的冬小麥產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),結(jié)合同期遙感蒸散,對(duì)2009-2019 年各縣的冬小麥水分利用效率進(jìn)行估算,以評(píng)估其用水效率的變化。圖11a 中,2009-2019 年河北平原冬小麥多年平均水分利用效率為1.67 kg·m-3,在空間上呈明顯的條帶狀分布,地區(qū)間差異顯著,自西南向東北逐漸遞減。冬小麥水分利用效率高于1.8 kg·m-3的縣共有22 個(gè),主要分布在西部的太行山前平原高產(chǎn)區(qū)。低于1.4 kg·m-3的縣共有8 個(gè),集中分布在滄州東部,與該地區(qū)冬小麥產(chǎn)量偏低有關(guān)。在2014 年地下水壓采政策實(shí)施后的5 年中,各縣冬小麥水分利用效率的變化趨勢(shì)如圖11b 所示。河北平原約2/3 縣的冬小麥水分利用效率在逐年提升,其余1/3 地區(qū)存在降低的變化。河北平原在發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè),提升冬小麥水分利用效率方面仍具有很大的空間。

圖11 2009—2019 年河北平原冬小麥水分利用效率(a)及壓采后水分利用效率變化斜率(b)Fig.11 Mean water use efficiency (WUE) of winter wheat from 2009 to 2019 (a) and the change slope of WUE of winter wheat for each county after the implementation of the limiting groundwater exploitation policy (b) in the Hebei Plain

4 討論

4.1 冬小麥種植面積變化驅(qū)動(dòng)分析

河北省是糧食主產(chǎn)省,冬小麥產(chǎn)量占全國(guó)小麥總產(chǎn)量的10%以上,其種植面積的波動(dòng)關(guān)系到國(guó)家糧食安全的保障。河北平原冬小麥總種植面積保持連續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì),但在空間上存在“東增西減”的變化,了解其驅(qū)動(dòng)因素對(duì)于保障糧食產(chǎn)量和協(xié)調(diào)水糧矛盾具有一定的指導(dǎo)意義。通過(guò)實(shí)地探訪、問(wèn)卷調(diào)查,結(jié)合文獻(xiàn)查閱,對(duì)影響河北平原冬小麥種植面積的因素進(jìn)行了調(diào)研,發(fā)現(xiàn)引起面積增減的原因因地而異。

冬小麥面積減少的縣市主要分布在河北平原西部和南部,其減少原因主要包括: 1)追求效益,農(nóng)民自發(fā)或政府引導(dǎo)調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),將冬小麥改種為經(jīng)濟(jì)作物。傳統(tǒng)糧食作物經(jīng)濟(jì)效益偏低,種糧收入不高[31],更多的農(nóng)戶、合作社傾向于種植收益更高的經(jīng)濟(jì)作物。同時(shí)政府也在加強(qiáng)引導(dǎo),發(fā)展經(jīng)濟(jì)作物種植,推動(dòng)產(chǎn)業(yè)富民。一些地方出現(xiàn)生姜、藥材、蔬菜、水果生產(chǎn)基地,如邯鄲大名縣常年種植花生(Arachis hypogaea)約3.33 萬(wàn)hm2,廊坊霸州市大面積種植觀賞樹(shù),邢臺(tái)柏鄉(xiāng)縣葡萄(Vitis vinifera)種植面積達(dá)2400 hm2等。2)城市化發(fā)展進(jìn)程的加快占用部分耕地[9],以及耕地非糧化也是造成冬小麥種植面積減少的一個(gè)重要原因。3)地下水壓采實(shí)施中部分地區(qū)推行季節(jié)性休耕,自2017 年起每年休耕的面積約為13.33 萬(wàn)hm2,其中衡水安平縣每年的休耕任務(wù)達(dá)9000 hm2[30],這在一定程度上導(dǎo)致了冬小麥種植面積的減少。

冬小麥面積增加的縣市多分布在河北平原的東部,調(diào)研發(fā)現(xiàn): 1)冬小麥生產(chǎn)全程機(jī)械化程度的提高,以及農(nóng)村勞動(dòng)力的短缺與老齡化,提升了冬小麥種植的可選擇性。目前除灌溉環(huán)節(jié)外,冬小麥的種植全程實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。農(nóng)村勞動(dòng)力的兼業(yè)化、老齡化以及勞動(dòng)力成本的增加導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者放棄一些勞動(dòng)力密集型作物,改種勞動(dòng)力投入更少的冬小麥,如邢臺(tái)南宮市部分產(chǎn)棉區(qū)改種冬小麥。2)小麥品種及配套技術(shù)的改進(jìn)提升了農(nóng)民的種糧積極性。如“渤海糧倉(cāng)”科技示范工程實(shí)施后對(duì)大面積中低產(chǎn)田和鹽堿荒地的改造,增加了河北東部冬小麥的種植面積[32]。3)國(guó)家對(duì)糧食安全的保障不斷加強(qiáng),各地為確保完成糧食生產(chǎn)任務(wù)將種糧責(zé)任分解到村、到地塊,并制定一系列政策鼓勵(lì)農(nóng)民種糧。近年來(lái)糧食安全黨政同責(zé)制度的落實(shí),更加保障了冬小麥種植面積的穩(wěn)定和增長(zhǎng)。

4.2 農(nóng)戶節(jié)水行為影響因素分析

本研究分析中發(fā)現(xiàn)河北平原冬小麥耗水在地下水壓采政策實(shí)施后并未降低,反而有所增加,除氣象因素的影響外,農(nóng)戶的用水行為也是一個(gè)重要原因。地下水超采綜合治理中提出要推廣抗旱節(jié)水品種和配套節(jié)水栽培技術(shù)。發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè),政府發(fā)揮著引導(dǎo)和推廣的作用,農(nóng)戶的主動(dòng)參與更為重要。本研究就農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者的節(jié)水意向開(kāi)展了調(diào)研,發(fā)現(xiàn)影響冬小麥節(jié)水灌溉推廣的主要原因包括: 1)土地破碎化及經(jīng)營(yíng)權(quán)不穩(wěn)定制約了現(xiàn)代高效灌溉技術(shù)的推廣。土地的規(guī)模化流轉(zhuǎn)雖然在推進(jìn),但絕大部分農(nóng)田仍歸農(nóng)戶經(jīng)營(yíng)。小塊的土地、差異化的種植和農(nóng)戶有限的投資能力限制了現(xiàn)代節(jié)水灌溉設(shè)備的應(yīng)用。即使是合作社,也會(huì)考慮節(jié)水設(shè)備投資在土地經(jīng)營(yíng)時(shí)限內(nèi)的回報(bào)率。2)農(nóng)戶節(jié)水動(dòng)力和壓力不足,自發(fā)性不高。相對(duì)于灌溉對(duì)冬小麥的增產(chǎn),灌溉費(fèi)用往往被農(nóng)戶忽略。一些規(guī)?；?jīng)營(yíng)土地的合作社、大戶采用了噴灌、滴灌等灌溉設(shè)施,其出發(fā)點(diǎn)是解決勞動(dòng)力不足或勞動(dòng)力費(fèi)用高的問(wèn)題,因此現(xiàn)代灌溉設(shè)備只是改變了灌溉方式,并未實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)水,這在其蒸散耗水上得到反映。同時(shí),調(diào)研中還發(fā)現(xiàn)了大戶噴灌比農(nóng)戶小畦灌至少多澆一水的現(xiàn)象。政府推廣節(jié)水不應(yīng)只停留在設(shè)施上的補(bǔ)貼與扶持,更應(yīng)關(guān)注節(jié)水灌溉制度的推廣與督導(dǎo)。

5 結(jié)論

本研究利用MODIS NDVI 數(shù)據(jù)提取了河北平原2009-2019 年冬小麥種植空間分布,結(jié)合TSEB 蒸散產(chǎn)品以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),分析了河北平原地下水壓采政策實(shí)施前后冬小麥種植面積、耗水特征以及水分利用效率的時(shí)空變化,并對(duì)產(chǎn)生這些變化的影響因素進(jìn)行了調(diào)研。研究發(fā)現(xiàn): 1) 2009-2019年河北平原冬小麥種植面積一直保持增長(zhǎng)趨勢(shì),其間增加了18.37 萬(wàn)hm2,在空間分布上表現(xiàn)為東部增加西部減少的特征。追求種植效益以及城市化是其面積減少的主要原因,保障糧食安全以及種植全程機(jī)械化程度的提高則增加了冬小麥的種植面積。2)地下水壓采政策實(shí)施后,冬小麥生育期的耗水量沒(méi)有降低,反而整體都有所增加。其間河北平原冬小麥多年平均水分利用效率為1.67 kg·m-3,在空間上自西南向東北逐漸遞減,地下水壓采政策實(shí)施后,2/3 地區(qū)的冬小麥水分利用效率在逐年提升。地塊的破碎化、流轉(zhuǎn)土地經(jīng)營(yíng)權(quán)不穩(wěn)定以及農(nóng)戶節(jié)水動(dòng)力和壓力不足導(dǎo)致冬小麥生產(chǎn)水分利用效率的偏低。3)相比于麥田,季節(jié)性休耕地能夠減少73 mm 的蒸散。河北平原面對(duì)水資源危機(jī)以及糧食安全保障的矛盾,加強(qiáng)農(nóng)業(yè)節(jié)水,真正降低蒸散耗水,進(jìn)一步提升水分利用效率,才能使其得到緩解。