华北平原农业土地利用变化对蒸散和地下水消耗的影响机理

Agriculture is the main sector of groundwater consumption in the North China Plain (NCP), but the water consumption intensity of different agricultural land uses are different. Because of the differences in comparative profits of different agricultural products, regulating agricultural planting pattern can provide important path to agricultural water saving and protection of groundwater resources regionally. The current proposed project, based on ground experiments on water consumptions from different typical croplands in NCP, will attempt to clarify the differences in farmland evapotranspiration and groundwater consumption intensity of various agricultural land uses, and develop a regional agricultural evapotranspiration model based on remote sensing and meteorological data to simulate the spatial and temporal changes of evapotranspiration and groundwater consumption in NCP during the recent 30 years; then, to explore the influence of agricultural land use change on evapotranspiration, crop yield and groundwater consumption in NCP, and to screen out the optimal agricultural planting patterns through land use and water consumption scenarios modeling and analysis. The ultimate purpose of this project is to reveal the response mechanism of groundwater level to agriculutral irrigation and evapotranspiration, and to find agricultural path to groundwater conservation in NCP, such as some scientific planting advice for adjustment of crop structure. This research will provide scientific ground for improving the management and allocation of agricultural water resources, promoting sustainable development of agricultural economy, and ensuring regional water resources and food safety in NCP.

农业是华北平原地下水消耗的主体，不同农业土地利用方式下农田的耗水强度具有一定差异。由于不同农产品比较效益的差别，调整农业种植布局可以为区域节水和地下水资源保护提供重要的政策途径。本项目以华北平原井灌区为研究区域，基于站点观测实验分析不同农业土地利用方式下农田蒸散及地下水消耗强度；探讨华北平原粮棉果蔬等主要典型农田生态系统耗水规律，明确不同农业土地利用农田蒸散与地下水消耗过程及其差异性；基于遥感技术构建区域地表蒸散模型，模拟分析华北平原近30年来蒸散及地下水时空动态变化；研究华北平原农业土地利用变化对蒸散、农业产量及地下水的影响机制，确定各土地利用方式的农田灌溉需水量；揭示华北平原地下水位动态对灌溉和农田耗水的响应机制；最终提出华北平原地下水保护的农业途径，如作物种植结构调整等的科学建议。本研究将为实现华北平原农业水资源科学管理与合理配置、保障区域水资源和粮食安全提供科学依据。

华北平原地下水超采已成为影响区域协同发展和生态文明建设的原因之一。调整农业种植结构是最大程度挖掘农业节水潜力的一条途径。本项目针对华北平原严重缺水和农业结构调整节水的迫切需求，开展不同农业土地利用方式下农田耗水强度和水平衡的观测试验，通过野外原位观测和采样，研究农田入渗过程和地下水补给机制，利用遥感数据监测区域内不同农作物的分布范围及其近期时空变化，通过构建数学模型，模拟不同地下水保护目标下的种植结构调整方向及途径，为区域节水和地下水资源保护政策的制定提供重要的科学依据。经过四年的研究，共建立6个不同类型农田耗水监测站点，明确了不同农田生态系统的蒸散耗水和水平衡定量特征，蔬菜梨树和农田的年水分亏缺量在250-400mm之间，而棉田和枣树的耗水与降水量相当；典型灌溉农田的地下水垂向补给量多年平均为200mm左右，而不同各类型农田的年垂向渗漏补给量在50-320mm之间变动，包气带湿润锋运动速率为0.13m/d；耗水随种植强度降低而减少，三年四熟制可实现地下水采补平衡，一年一熟制可使地下水缓慢回升。基于遥感数据完成2002和2012年两期农业土地利用图，并定量计算了农业土地利用变化对蒸散耗水和水平衡的影响；农业结构调整的情景分析和模拟显示将京津冀区域农产品目标定为区内自给的情景下，大致可实现农业用水的采补平衡，若要实现全区域地下水的采补平衡，则需要有20%的南水北调进行补充以实现平衡。因此，提出了降低农业种植强度，压缩冬小麦种植面积和调整河北省农业定位促进农业供给侧结构性改革的政策建议，相关建议已经被纳入河北省地下水超采综合治理的政策措施和《河北省农业供给侧结构性改革三年行动计划（2018-2020）》、《农业财政专项资金优化使用方案》等政府文件中，支撑了区域地下水资源保护和农业结构调整的政策制定。