Question

单位面积农业耗水强度与有效降水量之间关系

Answer 1

地下水农用开采量受到耗水型作物的种植面积、降水量多少及时程分配、灌溉利用效率等的影响，其中石家庄平原区在近50年时间中耗水型作物的种植面积及降水量是主要影响因素。降水量不变情况下，种植面积增大，地下水农用开采量增大；种植面积一定情况下，降水量补给作物需水量越多，地下水农用开采量越小。虽然在种植面积变化较为明显情况下，地下水农用开采量表现出随耗水型作物种植面积变化而变化的明显规律，但降水量作为农作物主要的需水来源之一，其作用程度不可忽略。所以了解单位耗水型作物种植面积上农用开采强度的变化趋势，分析其与降水量（尤其是有效降水量）之间的关系对粮食安全生产和地下水合理调控及降水量合理利用均具有较强的理论指导和实际意义。

6.3.4.1 作物需耗水的有效降水量理念与内涵

降雨对农作物的主要作用是补充生长所必需的耕作层土壤水分，降雨是否有效，主要取决于它是否将雨水补充到作物的有效根区，这是衡量耕地有效降雨的标志（杨燕山，2004）。有效降水量（effective precipitation）指旱作物种植条件下，用于满足作物蒸发蒸腾需要的那部分降水量，它不包括地表径流和渗漏至作物根区以下的部分，同时也不包括淋洗盐分所需要的降水深层渗漏部分，因为这部分水量没有用于作物的蒸散，应视为无效水（刘战东，2007）。影响有效降水量的因素多而复杂（Dastane N.G，1974），不同作物种类、生长阶段、耗水特性、降水特性、土壤特性、地下水位埋深以及农业耕作管理措施等因素都直接或间接影响它的大小（Dastane N G.，1974）。

计算有效降水量的方法主要有以下几种。

（1）经验公式计算有效降水量

P_e＝α×P 6.9

式中，P_e为有效降水量（mm）；P为次降水量（mm）；α为降水有效利用系数，如表6.9所示。

表6.9 时段降水量与降水入渗补给作物需水系数的关系表

在20世纪80年代初开展的《中国主要农作物需水量及需水量等值线图》的研究过程中，我国北方的山西、陕西等几个省市，在夏玉米生育期有效降水量的估算中采用了以上计算公式。实际上，在我国北方地区冬小麦生长期内，降水量少，雨强不大，一般不会产生径流或深层渗漏，基本上都能被储蓄在田间土壤中，故降水量可均算为有效。

（2）有效降雨量的土壤湿度变换法

这是一种既简单又精确的方法，该方法是测定生育期前后根区土壤有效水分的增加量，再加上该生育期内作物的蒸发蒸腾（即蒸散）损失量，即为有效降水量，其计算公式为：

P_e＝S_i-S_i-1＋K_c×ET₀ 6.10

式中，K_c为作物系数；S_i为生育期后有效根区土壤含水量；S_i-1为生育期前有效根区土壤含水量；ET₀为参照作物需水量（mm），其他符号意义同前。

（3）USDA SCS方法

USDA SCS 方法（USDA，1970）是美国联邦政府农业部土壤保持局（Soil Conservation Service，SCS，USDA）的研究人员经过分析美国22个地区50年的降水记录，并综合考虑了很多因素，如作物蒸散量、降水量以及土壤的水分特性等，从而提出的一项预测（估算）月有效降雨量的经验公式。

华北典型平原区农业活动对地下水影响研究

式中，P_e为月平均有效降水量（in）；P_t为月平均降水量（in）；ETc为月平均作物蒸散量（in）；SF为土壤水分贮存因子。

土壤水分贮存因子可通过下式计算得到，

SF＝0.531747＋0.295164D-0.057697D²＋0.003804D³ 6.12

式中，D为可使用的土壤贮水量（in），D值通常取作物根区的土壤有效持水量的40%～60%。

石家庄平原区主要种植作物冬小麦的生育需水期集中在3～5月，夏玉米的生育需水期集中在6～9月，由于近50年来降水年内分配规律变化不大，本书中采用经验公式法对时段有效降水量进行估算，年代有效降水量如表6.10所示。

表6.10 近50年来石家庄平原区有效降水量年代变化

从图6.36可以看出，年降水量大的年份，3～9月的有效降水量也大；年降水量小的年份，3～9月的有效降水量也较小。

图6.36 近50年来石家庄平原区有效降水量变化

Fig.6.36 Variation of effective precipitation for recent 50 years in Shijiazhuang Plain

从图6.37和图6.38可见，3～5月有效降水量和6～9月有效降水量大小与总降水量大小有关，3～5月、6～9月总降水量大时，有效降水量也大。

6.3.4.2 单位面积农业耗水强度与有效降水量关系

分析单位面积农用地下水开采量与有效降水量的关系，使农用地下水开采量、耗水型作物的种植面积、有效降水量三者之间的关系转化为两者之间的关系，分析计算更为直接简洁。一般情况下，作物生长需水期内有效降水量多，则平均单位面积上需要开采的地下水量就相对减小。

图6.37 3～5月有效降水量与3～5月总降水量关系图

Fig.6.37 Relationship between precipitation and effective precipitation from March to May

图6.38 6～9月有效降水量与6～9月总降水量关系图

Fig.6.38 Relationship between precipitation and effective precipitation from June to September

（1）年际规律

小麦玉米平均种植面积上农业开采强度与3～5月有效降水量、3～9月有效降水量关系图（图6.39，图6.40）显示，①3～5月有效降水量与3～9月有效降水量年际变化规律基本一致，只是3～5月有效降水量年际间变差较小，而3～9月有效降水量年际间变差大。②单位面积上农业开采地下水强度与有效降水量之间逆向变化，呈互补趋势，即有效降水量大时，平均单位小麦玉米种植面积上农业开采强度小，有效降水量小时，平均单位小麦玉米种植面积上农业开采强度大。其中，20世纪70年代3～5月、3～9月有效降水量最小，分别为34.28mm和250.63mm，相应地单位面积农业开采强度最大，达到0.60m³/m²。

（2）年代规律

图6.41和表6.11显示了有效降水量和单位面积农业开采强度的年代变化规律。20世纪60年代相对于20世纪50年代3～9月有效降水量减少4.51%，单位面积农业开采强度增加19.27%。20世纪70年代，3～9月有效降水量为250.63mm，较20世纪60年代272.65mm减少8.08%；单位面积农业开采强度从0.51m³/m²增至20世纪70年代的0.60m³/m²，增加了18.05%。20世纪80年代3～9月份的有效降水量比20世纪70年代增加2.68%，单位面积农业开采强度减少11.34%。20世纪90年代3～9月份有效降水量为277.36mm，比20世纪80年代增加7.78%的同时，单位面积农业开采强度从0.53m³/m²减小到0.50m³/m²，减小了5.04%。只是在2000～2005年间，3～9月份有效降水量及单位面积农业开采强度相对于20世纪90年代表现出相同的变化趋势，主要是与人类干预程度大大增加有关，并且蔬菜等耗水型作物面积的增加，在计算时将蔬菜耗水量压力转移到小麦玉米种植面积上，使单位面积小麦玉米种植面积上农业开采强度变大。

图6.39 单位面积农业开采强度和3～5月有效降水量关系图

Fig.6.39 Relationship between agricultural exploitation intensity per unit area and total effective precipitation from March to May

图6.40 单位面积农业开采强度和3～9月有效降水量关系图

Fig.6.40 Relationship between agricultural exploitation intensity per unit area and total effective precipitation from March to September

从有效降水量和单位小麦玉米种植面积上农业开采强度年际、年代变化规律可知，有效降水量和耗水型作物的种植面积都是影响地下水农用开采量的重要因素。当作物生育期有效降水量较多时，小麦玉米生长获得的天然雨水补给就较多，单位面积农田灌溉量相应减小；作物生育期有效降水量较少时，小麦玉米生长获得的天然雨水补给少，影响作物生长，就需要较多地开采地下水进行人工灌溉。

图6.41 单位面积农业开采强度和3～9月有效降水量年代变化关系图

Fig.6.41 Relationship between agricultural exploitation intensity per unit area and total effective precipitation frommarch to September in different decades

表6.11 单位面积农业地下水开采强度与有效降水量情况

注：“＋”表示增加；“-”表示减小。

6.3.4.3 小麦玉米种植面积、有效降水量对地下水农用开采量影响程度判别

（1）影响程度判断

20世纪60年代与20世纪50年代相比，种植面积从15.50×10⁴hm²增加到16.83×10⁴hm²，增加了8.58%，每公顷小麦玉米种植面积上地下水开采量从425.09mm增加到507.02mm。一方面体现了灌溉保障程度的增加，另一方面，在此时期内，人类种植活动技术支撑水平较低，投入较少，主要是靠天吃饭，种植规模又较小且变化不大，引起地下水开采量变化的主要原因是作物生育期内降水的变化。

由表6.12可以看出，20世纪70年代每公顷小麦玉米种植面积上平均农业开采强度最大为0.60m³/m²，与20世纪60年代平均值相比多出0.092m³/m²，是所有相邻年代中差距最大的。如果不考虑小麦玉米种植规模的变化，只考虑3～9月有效降水量变化引起每公顷小麦玉米种植面积上农业开采强度变化的情况，则20世纪70年代地下水农业开采量比20世纪60年代的增量为ΔQ＝0.092m³/m²×16.83×10⁴×10⁴m²＝1.54×10⁸m³，实际地下水农业开采量增加ΔQ＝20.37×10⁸m³-10.67×10⁸m³＝9.70×10⁸m³，可见，有效降水量变化引起单位种植面积上农业开采量变化，从而对地下水农业开采量变化的影响比重仅为

，影响程度较低。

表6.12 各时段单位面积农业开采强度变化

20世纪70年代之后，由于年代间小麦玉米种植面积变化也较大，有效降水量变化也相对明显，两者的共同作用导致地下水开采量变化。

（2）整时段回归

农用地下水开采量既受到耗水型作物种植面积的影响，同时又受到降水量多少及时空分布的限制，如果只简单分析两两之间的相关关系，就不能全面考察要素间的相互关系，使结果带有一定的片面性。采用多元回归分析在一定程度上能够消除各要素间的混淆，能够真实地表现出各自变量和因变量的关系。在常用统计软件SP SS中运行相关分析、多元回归，结果如表6.13和表6.14所示。

表6.13 有效降水量、种植面积及农业开采量之间相关系数表

续表

表6.14 有效降水量、种植面积及农业开采量回归系数表

在进行简单相关分析时，种植面积（A）和地下水农业开采量（Q_农）的相关系数为0.869，3～9月平均有效降水量（P_e）和地下水农业开采量（Q_农）的相关系数为-0.335。

在进行回归分析时，确定种植面积对地下水农业开采量的偏相关系数是0.886，3～9月平均有效降水量对地下水农业开采量的偏相关系数是-0.470。回归方程为Q_农＝6.787＋0.469A₁-0.016P_e，样本决定系数R²达到0.809，种植面积和有效降水量的相伴概率值Sig.分别＜0.001和＜0.005，说明种植面积和有效降水量对农业开采量的影响都是显著的，回归分析拟合程度也较高。

从种植面积和3～9月平均有效降水量对农业地下水开采量的偏相关系数可知，小麦玉米的种植规模，反映在种植面积上是农业地下水开采量的主要影响因素，偏相关系数达到0.886，而平均有效降水量对农业地下水开采量的影响相对较小，偏相关系数只有-0.470。但从有效降水量和每公顷小麦玉米种植面积上农业开采量关系图上可以得出，小麦玉米生长期（3～9月）有效降水量大的年份，每公顷小麦玉米种植面积上的农业开采量就小。说明有效降水量的大小影响单位面积上农业开采量的大小，但小麦玉米种植规模的变化是决定农业地下水开采量的主要因素，而单位面积上的农业地下水灌溉量波动对总的地下水开采量影响程度较低。

（3）分时段回归

1）1982年之前数据回归分析

农业开采量（Q_农）和小麦玉米种植面积（A）之间呈正相关关系，相关系数为0.956，有效降水量（P_e）和农业开采量（Q_农）之间为负相关关系，相关系数为-0.362。开采量和降水量及埋深之间的回归关系较好，复相关系数达到0.967，样本决定系数R²为0.934，模型的拟合程度好，通过D—W（0.965）和F检验。回归方程为Q_农＝0.192-0.010P_e＋0.664A（R²＝0.934），如表6.15和表6.16所示。

表6.15 模型综合分析表

表6.16 1982年前有效降水量、种植面积及农业开采量回归系数表

2）1982年之后数据回归分析

1982年之后农业开采量、有效降水量、小麦玉米种植面积之间的回归分析结果如表6.17和表 6.18 所示，可知，复相关关系数只有 0.573，拟合效果一般。农业开采量（Q_农）和小麦玉米种植面积（A）之间呈正相关关系，相关系数为0.269，有效降水量（P_e）和农业开采量（Q_农）之间为负相关关系，相关系数为-0.509。

表6.17 模型综合分析表

表6.18 1982年以来有效降水量、种植面积及农业开采量回归系数表

对1953～1981年及1982～2005年有效降水量、小麦玉米总种植面积及农业开采量之间的分段回归分析显示，在1982年之前，由于小麦玉米总种植面积变化幅度较大，成为决定农业开采量变化的主要因素，相关系数为0.956，有效降水量与农业开采量的相关系数只有-0.362；而在1982年之后，农业种植规模已经成型，变化幅度相对较小，小麦玉米总种植面积的变化对农业开采量的贡献度减小，相关系数减小为0.269，相应地有效降水量对农业开采量变化贡献度增加，相关系数为-0.509，即在1982年之后，有效降水量多的年份农业开采地下水量较小，而有效降水量小的年份农业开采地下水量较多。