华北平原不同作物种植模式耗水量与产量模拟及优化研究

With increasing grain yield in the past several decades in the North China Plain (NCP), groundwater level continues to decline and water crisis is growing into a serious existential threat in the region. Food security and sustainable development of water resources are there critical issues in the NCP. Simply relying on water-saving irrigation could not change the downward trend in groundwater level or induce recovery of groundwater funnels to pre-pumping levels. To achieve a truly sustainable use of the regional water resources and to improve ecological environment, reducing excessive consumption of groundwater in agricultural sector remains the most promising way out. This project combines field experiments and crop models (APSIM) to evaluate the impact of cropping patterns in the NCP on water resources in the past decades. The study will predict the potential for realizing sustainable use of water resources by changing cropping patterns under future climatic conditions. It will also explore the potential for water conservation by rearranging cropping patterns such as reducing planting areas of water-intensive crops (winter wheat) with sufficient consideration for food security. Furthermore, the study will assess the potential for carrying over the optimal planting strategies of water-intensive crops to other regions. The results of the study will lay the critical theoretical base for decision-makers in responding to growing water shortages and implementing sustainable use of water resources and agri-ecological security in the region and beyond.

华北平原在过去几十年伴随着粮食产量的增加，地下水埋深持续下降，区域水资源危机严重；兼顾粮食安全和区域水资源可持续发展是该区域当前面临的重要课题。单纯的依靠节水灌溉等措施不能改变地下水下降的趋势，更不能实现地下水漏斗的恢复，只有通过减少农业部门对地下水的过度消耗才能真正实现区域水资源的可持续利用及生态环境的改善。本项目结合田间定位试验和作物机理模型（APSIM）评价过去几十年作物种植模式对水资源的影响，并预测未来不同气候条件下，通过改变种植模式实现水资源可持续利用的潜力；探讨兼顾粮食安全基础上，通过调整作物种植模式、减少耗水作物（冬小麦）种植面积等途径进行节水的可行性；同时评估研究区能够承载耗水作物的种植面积，优化研究区域作物种植模式，提出区域节水种植模式优化调整策略。研究结果对研究区水资源可持续利用，农业生态安全具有重要意义，为应对日益严重的水资源短缺问题提供决策依据和理论指导。

华北平原过度开采地下水进行农业灌溉（主要用于冬小麦生产）导致区域地下水水位显著下降，替代作物种植模式是缓解地下水过度使用的有效措施。本项目基于多年田间定位试验，利用作物机理模型模拟了8种不同的作物种植模式下的长时间序列（1981—2015）的作物产量、耗水量和地下水超采量。研究结果表明：过去30年冬小麦—夏玉米种植系统导致地下水年净超采达258 毫米，超过估算的地下水年补给量（100毫米）。虽然8个作物种植模式中有6个的超采量低于估计的150 毫米/年的地下水补给量，但是两年三熟种植模式（冬季/夏玉米—休耕/早期玉米）是最可行的替代方案。二年三熟作物模式下的年粮产量比目前的双作物模式下降了13%，但二年三熟模式下的地下水超采量可以在该地区的地下水多源补给（包括了山区的侧向补给、南水北调工程引水和其他节水措施（如地膜覆盖））的背景下可达到采补平衡。此外，本项目还利用作物系数和植被遥感数据在区域尺度上评估传统冬小麦和夏玉米双作物模式和三个替代作物模式（两年三熟制：第一年冬小麦和夏玉米，第二年早播玉米；三年四熟制：第一年冬小麦和夏玉米，后两年为早播玉米；以及多年连续早播玉米的一年一熟制种植模式）对地下水资源和粮食产量的影响。研究表明：考虑到较高的水分利用效率，减少地下水位下降以及平衡京津冀小麦供需平衡等优势，两年三熟可能是最优的替代种植系统。尽管一年一熟种植模式水资源利用最少，水分利用效率最高，但完全放弃小麦与传统的饮食习惯存在矛盾，该替代模式只能是最严重的地下水开采区的选择。推荐采用三年四熟作为两年三熟和一年一熟之间的过渡作物种植系统。本研究的方法适用于其他相关区域开展研究，其研究结果对政府在制定耕作制度和地下水管理政策时有所帮助。