京津冀平原区粮食作物适水种植模式的耗水、产量与效应评估

Irrigation by groundwater extraction for maintaining the conventional double cropping system of winter wheat and summer maize has caused serious problems on water resources and environment in Beijing-Tianjin-Hebei plain, China. How to conserve water effectively has been the key for the agriculture and water sustainability. Conventional water-saving methods have been proved to improve water use efficiency in agricultural production in the past decades, but the groundwater level declines continuously due to the excessive water demand. In this case, more attention is concerned on reducing and replacing the high water-consumed crops for the sustainability. The related researches mainly based on the data from one point, and there is few data from the multipoint perspective. This project selects Luancheng, Hengshi and Nanpi on behave of the piedmont plain, low plain and coastal plain, respectively, to get experimental data, with APSIM model together, to estimate evapotranspiration of the conventional double cropping system (winter wheat-summer maize）and two alternative cropping systems, and to evaluate the effects of groundwater sustainability, food supply and economic benefit for different cropping systems. This study attempts to recommend the optimized crop rotation that strives to balance water consumption with food security and economic benefit in the Beijing-Tianjin-Hebei Plain. This project is helpful to provide a scientific base for the government formulating policies on cropping system and groundwater sustainable management in Beijing-Tianjin-Hebei plain.

地下水灌溉是京津冀平原过去近40年来高强度农业生产的主要保障条件，也是导致地下水位持续下降、引发区域生态危机的首要诱因。如何实现高效的总量节水成为区域农业与水资源可持续发展的关键。传统的农艺节水方式虽然提高了水分利用效率，但由于产量的不断提升导致作物总耗水量居高不下，难以扭转地下水位持续下降的趋势。因此，缩减和替代高耗水作物成为京津冀地区水资源可持续利用的新关注点。目前相关的研究主要集中于单点尺度，缺少能够体现地带性差异的相关研究。本项目选取栾城、衡水及南皮农业试验站分别作为山前平原、中部低平原和滨海平原的代表性站点，获取田间定位试验数据，结合作物模型（APSIM），估算传统一年两熟种植模式（冬小麦-夏玉米）与不同替代种植模式的地带性耗水特征；评估不同种植模式的耗水、产量和经济效应；探讨区域协调水、粮关系的适水替代种植模式。研究结果可为京津冀地区制定粮食生产与水资源可持续管理政策提供依据。

地下水是维系京津冀平原区农业生产的重要水源。长期高强度地利用地下水虽然保障了粮食高产，也导致了严重的地下水超采问题，并诱发了一系列的生态环境问题。降低高耗水作物的种植强度已成为该区域进行高效节水的必要手段。本研究以京津冀平原区规模最大、耗水最高的作物系统（冬小麦-夏玉米）为研究对象，结合田间试验、作物模型（APSIM）、遥感信息和作物蒸散模型手段，评估了通过种植制度调整降低种植强度、缩减种植规模在区域尺度上的节水潜力与水粮效应。研究发现：1）传统冬小麦-夏玉米一年两熟的种植制度是一种高耗水的农业生产系统，年耗水量为740 mm。其中，山前平原区是主要的粮食分布区，作物蒸散量和水分亏缺量较高，分别为744和192 mm；中部平原区作为另一个粮食主要分布区，其作物蒸散量和水分亏缺量相对较低，分别为727和140 mm。山前平原区相对于中部低平原区单产提高8%，单位面积水分亏缺量增加37%，是京津冀平原区耗水强度最大的区域；2）替代种植制度能够以较小的产量损失产生较大的节水量。其中，两年三熟种植制度可以缓减地下水超采形势，并基本实现京津冀平原区小麦自给，三年四熟种植制度大致可以实现地下水的采补平衡，一年一熟种植制度有望实现地下水的回升。而替代种植制度造成的粮食产量损失不高于区域粮食总量的15%，小于全国粮食总量的1%，对粮食供给的影响较小；3）两年三熟种植制度是京津冀平原区当前比较适宜推行的节水替代种植制度。在山前平原与中部低平原区近期以推广两年三熟的替代种植制度为主，但在地下水禁采区可长期推行一年一熟的替代种植制度，滨海平原区近期可维持传统一年两熟种植制度；4）从节水和用水效率的角度看，不同地带推行“适水”替代种植制度的优先顺序为：山前平原区、中部低平原区和滨海平原区。本项目的研究方法适用于地下水超采区域的相关研究，研究结果可为种植制度和地下水政策的科学评估提供参考依据。