河套灌区种植结构变化对农田系统水量平衡的影

分类：论文范文 发表时间：2021-05-08 09:22

　　摘要：种植结构调整是灌区农业节水的重要措施。1990年以来，河套灌区种植结构发生了剧烈变化，小麦等粮食作物种植面积大幅减小，葵花等经济作物种植面积大幅增加，对灌区水循环系统带来显著影响。针对这一问题，系统解析了灌区种植结构变化对农田系统的影响机制，采用阿维里扬诺夫经验公式、修正的Penman公式（1948）、Penman-Monteith公式（1973）等分别计算了河套灌区1990—2013年潜水蒸发量、蒸散耗水量等各水量平衡要素的变化情况，并从多个时间尺度分析了种植结构的变化对灌区农田系统水量平衡要素的影响。结果表明，①种植结构变化对垂向水量平衡要素蒸发耗水量和潜水蒸发量影响最为显著，其通量值明显减小；其次是对灌溉水量和田间入渗量的影响；对水平向水量平衡要素地表排水量影响最小。②潜水蒸发量、蒸发耗水量、灌溉用水量和田间入渗量在丰、平、枯3种典型年均呈不同程度的减小趋势，而地表排水量在不同水平年变化差异较大。③月尺度上，5月灌溉水量和6月潜水蒸发量与经济作物种植比例增加显著相关。④农田系统总输入水量与总输出水量总体呈下降趋势，水循环通量减小，水循环强度减弱。1990—2005年水分蓄变量整体呈现负平衡的状态，2006—2013年土壤层水分蓄变量为正，但由于实际土壤层增厚、土壤含水率仍然呈下降趋势。

　　关键词：种植结构；农田系统；水循环；水量平衡；河套灌区

　　0引言

　　内蒙古河套灌区自秦汉时期就开始引水灌溉，是亚洲最大的一首制自流灌区，也是我国最重要的商品粮油基地之一[1]。从20世纪90年代以来，河套灌区小麦种植面积急速萎缩、葵花种植面积翻倍增长、玉米种植面积稳步增加，粮经比从7∶3变为目前的4∶6，种植结构发生了重大变化。目前国内外已经取得的研究表明，种植结构调整对提高区域水资源利用效率有重要意义[2-3]。高耗水、低效益的粮食作物种植面积逐步减小，低耗水、高效益的经济作物种植面积大幅增加时，灌溉需水量、农业用水量[4]及水资源消耗量[5]均表现出减小的态势，农业用水效率[6]和区域水资源利用效率[7]整体呈现增加的趋势。尤其是在水资源匮乏的农业灌区，种植结构调整已经成为深化农业节水[8]、缓解水资源紧缺[9]、解决水资源供需矛盾[10]的重要途径，是影响区域水循环过程的重要措施[2]。目前多数研究主要侧重于农田系统的用水项及耗水项分析，缺乏对农田系统整体水量平衡的定量解析。针对上述问题与需求，兹重点研究种植结构调整对农田水循环过程的影响，分析河套灌区种植结构变化对不同尺度农田系统水量平衡要素的影响，旨在为促进河套灌区种植结构优化及水资源合理开发利用提供一定参考。

　　1.材料与方法

　　1.1研究区概况

　　河套灌区位于内蒙古自治区西部，巴彦淖尔市南部，北纬40°19′—41°18′，东经106°20′—109°19′，如图1所示。灌区夏季高温干旱、冬季严寒少雪，年降雨量139～222mm，其中70%集中在7—9月，暴雨较多，有效降水少；而蒸发能力高达2400mm左右，是降水量的10倍以上，无霜期短、封冻期长，是典型的温带大陆性气候。河套灌区水资源量由过境的黄河水、当地地表水资源和地下水资源组成，其中引黄灌溉用水占总灌溉水量的82.3%，无论从气候特征还是水资源条件来讲，河套灌区都是没有引黄灌溉就没有农业的地区。灌区现已形成完整的引排水渠系，包括总干渠、干渠、分干渠、支渠等7级引水渠系和总干沟、干沟、分干沟和支沟4级排水系统，从三盛公水利枢纽控制引水，经引水渠系到田间，再通过排水沟汇集进入总排干，大部分排水量直接排入乌梁素海，再通过西山咀排入黄河。

　　1.2数据来源

　　气象资料来源于气象科学数据共享网及巴彦淖尔市气象局提供的1990—2013年日气象资料，包括磴口、杭后、临河、五原、前旗、中旗、后旗等气象站监测的降水量、最高气温、最低气温、平均气温、相对湿度、风速、日照时间等监测指标。引、排水及灌溉信息来源于内蒙古河套灌区管理总局监测资料，包括各引、排水断面1990—2013年月过程数据，井灌及地表水灌溉1990—2013年月过程数据。灌区作物信息来源于巴彦淖尔市农牧局统计资料，包括小麦、玉米、葵花和番茄等作物1990—2013年种植面积年过程数据和各灌域灌溉制度等。

　　2.种植结构调整对农田水循环系统的影响机制

　　2.1灌区农田水系统循环过程及其影响因素

　　灌区农田水系统是一个典型的“自然-社会”二元水循环结构，受自然、社会的双重驱动作用影响，农田水循环系统一方面遵循着蒸发蒸腾、入渗、产汇流等自然水循环机理与过程，另一方面又在人类活动的供水、用水、耗水、排水、补水过程中改变循环通量数量或产汇流方向。其中，人类活动对灌区水系统的影响主要表现在农田耕种、引水和排水等，例如灌区水循环中的取水-输水-用水过程不仅改变了水循环的蒸发、入渗、产流过程与通量，而且形成了完全逆于自然产汇流的过程，水由原来在河道中的汇流过程变成水量逐步分散的过程，农田排水由最末一级排水沟向干沟汇流的过程也完全受人工控制。但是，灌区水循环过程的改变仅是各循环通量数量和时空分布的变化，而水循环的转换机理仍然遵循自然水循环机理。

　　2.2种植结构变化对农田水系统的影响

　　由于不同作物的生长周期、水分需求和灌溉制度存在显著差异，意味着不同种植结构的耗水与灌溉需水的通量及时空分布将发生重大变化，进而对灌溉引水、排水及补水过程带来新的变化。我国主要作物生育期需水及净灌溉需水情况如表1所示。水稻和棉花全生育期需水量最大，净灌溉需水量也相对较高，灌溉依赖程度强；小麦全生育期需水量总体小于水稻和棉花，但因需水高峰期与降水高峰期不重合，净灌溉需水量反而与水稻和棉花接近；玉米生长期与雨季重合，净灌溉需水量小，是灌溉依赖程度较低的粮食作物；而葵花和大豆等经济作物耗水量小，净灌溉需量低，农业经济效益也相对较高。

　　3.不同种植结构条件下河套灌区农田系统水量平衡变化

　　3.1河套灌区种植结构变化

　　长期以来，河套灌区农业种植以粮食为主，主要有小麦、玉米等，经济作物主要是葵花、甜菜、番茄等，1990年粮经比为72∶28。图3为河套灌区1990—2013年主要作物种植面积变化图，可以看出，近20a间河套灌区种植结构发生剧烈变化，从以小麦和玉米等粮食作物为主快速转变为以葵花和番茄（只有2005年之后的数据，故在图中没有显示）等经济作物为主，2013年经济作物已经占到灌区作物的65%左右。1997年之前，灌区种植结构总体保持稳定；1998年开始，随着全国大型灌区节水改造工程逐步实施，灌区葵花种植面积快速增加，3a间种植面积增加1倍以上，与此同时小麦种植面积开始减少并快速下滑，玉米种植面积小幅增加。2003年，黄河上游来水量锐减，小麦种植面积出现断崖式下跌，仅9.336万hm2，葵花种植面积则大幅增加，达到18.946万hm2，并首次超过小麦成为河套灌区第一大种植作物。2006年开始，葵花种植面积出现新一轮快速增长，到2013年葵花种植面积已经达到26.623万hm2，占灌区作物种植面积的50%，远超小麦、玉米的种植面积；而在此期间，小麦种植面积则持续快速减少，到2013年仅有4.175万hm2，占比不足8%，降为灌区第3大种植作物。玉米种植面积在近20a间保持稳定增长态势，从1990年的4.075万hm2发展到13.276万hm2，增加了2倍，成为灌区第二大种植作物。

　　3.2种植结构变化对不同时间尺度农田系统水量平衡的影响

　　3.2.1多年尺度影响分析

　　表2为河套灌区水量平衡要素多年尺度变化情况。1998年以前河套灌区种植结构基本稳定，1998—2005年处于增长起步期，2006—2013年处于快速增长期，将1990—1997年作为基准参考，通过对比分析种植结构调整对灌区水系统的影响。

　　3.2.2典型年影响分析

　　为了剥离降水变化对农田水系统的影响，选取降水总量和分布相当、种植结构差异显著的年份进行典型年对比分析，分别对丰水年、平水年和枯水年进行计算，结果如表3所示。从表3可以看出，降水量占总输入水量的21.2%，其丰枯变化和时程分配会对灌区农田系统水量平衡有较大影响。在降水条件相似的情况下，经济作物比例显著增加后，丰、平、枯3种年型的灌溉用水量、潜水蒸发量、蒸发耗水量、入渗补给量4种水量平衡要素均呈现不同程度减小，其中潜水蒸发量变化速率最快，平均为-16.3%；蒸发耗水量和田间入渗量次之，平均减小6%~7%；灌溉用水量变化率较小，平均减小2.5%。地表排水量受种植结构影响较小，丰水年和枯水年排水量增加，平水年与之相反。除丰水年水分蓄变量为正且持续增加之外，平水年、枯水年灌区水系统均呈现负水平衡的状态，蓄变量持续减小。

　　4.结论

　　种植结构调整对农田系统水循环过程及水量平衡有重要影响。分析灌区农田水循环系统的过程及种植结构对水系统的影响，并在解析河套灌区1990—2013年种植结构变化情况的基础上，从多年尺度、典型年尺度和月尺度分析了灌区种植结构对水量平衡要素的影响，初步结论主要有：

　　1）垂向水量平衡要素蒸发耗水量和潜水蒸发量受种植结构调整影响最大。2006—2013年蒸发耗水量较1990—1997年减少3.37亿m3，1990—2013年潜水蒸发量平均每年下降1.1%，二者分别是水量输出输入项中变化最显著的要素。农田蒸散耗水量大幅变化也在一定程度上影响着灌溉水量和田间入渗量的变化，灌溉水量在2006—2013年减小速率最大，平均每年降低0.6%，田间入渗量则从1998年起直线下降。水平向水量平衡要素地表排水量受种植结构影响较小，由于灌区渠系建设和节水改造改善了排水条件，排水量反而呈上升趋势。

　　2）降水量占灌区总输入水量的21.2%，其丰枯变化和时程分配对农田水量平衡系统有较大影响。潜水蒸发量、蒸发耗水量、灌溉用水量和田间入渗量在丰、平、枯3种典型年均呈不同程度的减小趋势，而地表排水量在不同水平年变化差异较大。

　　参考文献:

　　[1]岳勇，郝芳华，李鹏，等.河套灌区陆面水循环模式研究[J].灌溉排水学报，2008，27（3）：69-71.

　　[2]张金萍，裴源生，郭兵托，等.种植结构调整对区域水循环的影响分析[J].干旱区地理，2011，34（1）：26-33.

　　[3]JURY W A, VAUX H J. The Emerging Global Water Crisis: Managing Scarcity and Conflict Between Water Users [J]. Advances in Agronomy,2007,95：1-76.

　　[4]马育军，朱南华诺娃，王小醒.北京市粮食作物种植结构调整对水资源节约利用的贡献率研究[J].灌溉排水学报，2015，34（8）：1-6.

　　付雯琪，翟家齐，赵勇，何国华，张越

上一篇：立体种植农田不同生育期及土壤水分的根系分布 下一篇：生物技术在农业种植中的推广应用