河北低平原适水粮饲模式构建及综合效益评价

Different water saving grain-forage rotations and comprehensive benefit assessment in the low plains of Hebei Province

摘要

为推进“粮改饲”进程与发展节水农业，构建适水型种植制度，本研究以水资源短缺的河北沧州为研究对象，聚焦饲草作物和粮食作物，首先利用作物需水模型SIMETAW系统量化1961—2020年沧州地区6种主要饲草作物（夏播高粱、青贮玉米、饲用燕麦、饲用谷子、粮食作物冬小麦和夏玉米）的需水量及灌溉需水量，对比分析各作物需水量的时间变化规律及作物间差异，评估作物需水量的主要气象影响因素；后采用ROTAT模型建立了5种多样化粮-饲及饲-饲轮作制度，基于Entropy-TOPSIS对不同轮作模式的等价产量、生物量、经济效益、蛋白产出、生育期及周年需水量与降水耦合度进行综合评价。结果表明：1）这6种作物的年均生育期需水量表现为冬小麦 （463.5 mm）>夏玉米（366.2 mm）>夏播高粱（354.6 mm）>饲用燕麦（351.7 mm）>青贮玉米（341.8 mm）>饲用谷子（322.4 mm）。2）各作物年均生育期灌溉量表现为冬小麦>饲用燕麦>谷子、夏玉米、夏播高粱。青贮玉米生育期灌溉需水量最低为106.7 mm。3）近60年来各作物需水量呈下降趋势，主要由太阳辐射、风速的下降导致。4）相比传统麦玉模式，饲用燕麦基的一年两熟模式生育期需水量降低14.9%~18.8%、灌溉需水量降低15.1%~19.2%。5）饲用燕麦基的饲草模式（饲用燕麦-青贮玉米（0.73）、饲用燕麦-饲用谷子（0.63）、饲用燕麦-夏播高粱（0.54））的综合评价指数均明显高于冬小麦-夏玉米（0.32）和冬小麦-夏播高粱（0.37）模式。因此，本研究建议在兼顾粮食生产的同时，适当发展饲-饲模式，对当地水资源的可持续利用及产能有重要意义。

Abstract

In order to promote the process of "grain to feed" and develop water-saving agriculture， a water-appropriate planting system should be constructed. This study focused on forage crops and food crops in Cangzhou， Hebei Province， where water is scarce. This study employed the SIMETAW model to quantify the water requirements （ET_c） and irrigation demands （ET_aw） of main forage crops （forage oats， silage maize， millet and summer sorghum） and staple grain crops （winter wheat and summer maize） from 1961 to 2020， analyzed the interannual variation trend of ET_c of different tested crops and revealed the effect of meteorological factors on crop ET_c during the past 60 years. The ROTAT model was further used to design five newly diversified forage-based crop rotations and assessed the comprehensive benefit index （CBI） based on Entropy-TOPSIS when considering equivalent yield， biomass， economic benefit， protein yield， water requirements and precipitation coupling degree of different crop rotations. The results showed that： 1） The annual average ET_c of six crops sorted from high to low is winter wheat （463.5 mm）>summer maize （366.2 mm）>summer sorghum （354.6 mm）>forage oats （351.7 mm）>silage maize （341.8 mm）>millet （322.4 mm）. 2） Winter wheat had the highest annual average ET_aw， followed by forage oats， millet， summer maize， summer sorghum while silage maize had the lowest ET_aw. 3） The annual ET_c of six crops showed the decline trend from 1960 to 2020. The correlation analysis showed that solar radiation， sunshine and weed speed had the significant positive effect on ET_c. 4） Compared to the conventional wheat-maize rotation， the forage oats-based rotations decreased ET_c during the growth season by 14.9% to18.8% and lowered the ET_aw by 15.1% to19.2%. 5） The CBI of forage oats-based rotations （0.54 to 0.73） were obviously higher than winter wheat-based rotations （0.32 to 0.37） based on Entropy-TOPSIS. Therefore， it is important to develop the forage crop-based rotations while considering food production for the sustainable water resources management and capacity in Cangzhou area.

Graphical abstract

关键词

饲草作物 / 需水量 / 灌溉需水量 / 节水粮饲模式 / 节水种植结构

Key words

forage crop / water requirement / irrigation demand / forage-based rotations / water-saving planting structure

针对河北省黑龙港地区水资源短缺现状，种植低耗水作物和发展适水种植制度已经成为该地区农业绿色发展的核心内容^［1］。随着国家“粮改饲”政策的不断深入以及河北省节水压采方案的具体实施，构建适水粮-饲或饲-饲种植制度，逐渐成为该地区种植结构调整的重要基础，是提高农业用水效率，减少地下水超采的重要措施^［2］。

目前，有关华北地区主要粮食作物冬小麦、夏玉米的作物需水量的研究较多^［3-7］，但该地区有关饲草作物的需水量报道较少。国内对主要饲草作物需水量的研究取得一定进展，但同种作物在不同地区不同时间的需水量存在较大差异^［8-13］。例如：王冲等^［8］采用作物需水量模型计算了1960—2014年华北和东北地区早播燕麦（4—7月）和晚播燕麦（5—8月）生育期需水量分别为305.1~362.9 mm、279.6~348.9 mm；孙洪仁等^［9］报道我国燕麦需水量范围为280~570 mm，需水强度范围为3.0~4.8 mm/d。陈伟等^［10］基于Penman-Monteith公式报道了黄土高原东部谷子、高粱平均作物需水量分别为527.5和368.1 mm，而且主要集中在6—8月，9月份作物需水量急剧减少；高玮等^［11］基于田间试验报道了陇东旱塬区饲用高粱在不同施氮水平下耗水量为483.4~505.8 mm；高赢磊等^［12］报道了河北不同品种的青贮玉米耗水量约为337.3~381.9 mm。在新疆北部干旱地区，刘虎等^［13］报道该地区在适宜水分条件下的青贮玉米需水量高达593 mm。

适水种植制度的构建是区域种植结构调整的重要基础。已有研究多针对主要粮食作物和经济作物进行适水种植制度的构建与探索^［14-16］。例如：杨晓琳等^［14］在河北邢台基于10种主要粮经作物构建了11种不同的种植模式，得出春绿豆－夏谷子一年两熟模式的年均生育期需水量最低；Peng等^［15］在河南商丘基于8种主要粮经作物构建了14种一年两熟与两年三熟的不同轮作模式，得到多样化粮经轮作模式比传统麦玉模式周年节水9%~21%，且“冬小麦-夏大豆”-基的轮作模式具有较高的经济效益和蛋白产出；石鹏飞等^［16］基于河北衡水市景县的田间试验分析了7种粮-饲复合种植模式的光合，蛋白及能量效率，得出黑麦草基与春玉米基的一年两熟模式较优，但该研究并未对种植模式的水分利用进行探讨。因此，针对地下水超采区沧州地区，结合粮改饲政策的推行，对践行大食物观^［17］、探索适水粮-饲或饲-饲种植模式至关重要。

本研究拟以水资源短缺的河北沧州为研究对象，聚焦饲草作物和粮食作物，利用作物需水模型（SIMETAW模型）系统量化1961—2020年沧州主要饲草作物饲用作物需水量及灌溉需水量，揭示主要粮饲作物需水量的时间变化规律及主要气候因素；并通过ROTAT（作物轮作模式构建模型）构建粮-饲、饲-饲模式，以传统的冬小麦-夏玉米一年两熟制为对照，系统评估新型粮饲种植制度的耗水特征及系统生产力，以期为该地区构建合理的适水粮饲种植制度提供科学依据。

1　材料与方法

1.1　研究区域概况

本项目以河北典型地下水漏斗区沧州为例，沧州市位于河北省东南部 （37°29′~38°57′ N，115°42′~117°50′ E）。该地区属于温带大陆性气候，四季分明、雨热同期、气温年较差大、降水集中。沧州市1961—2020年月平均降水与月均温度详见图1。可知：1960—2020年该地区年均降水为573.9 mm，年际间降水差异大，年降水量最多可达1 161.1 mm，最低为192.8 mm；年内降水量分布不均，7月平均降雨量，最高为189.6 mm，1月份平均降雨量最低，仅为2.9 mm，全年降水量的78.6％集中在6—9月（57.7％集中在8月）。此外，该站点多年平均总辐射量为854.7 MJ/m²，光资源丰富；多年平均气温为13.29 ℃，最高月平均温度出现在7月（27.44 ℃），最低月平均温度出现在1月（-3.26 ℃）。该地区目前的主要种植模式是冬小麦-夏玉米一年两熟，随着2019年沧州市“粮改饲”政策的推行，该地区主要饲草作物的种植面积开始上升，详见图2。

1.2　数据来源

1.2.1　气象数据和作物产量

本研究选取沧州气象站点60年（1961—2020年）的逐日气象数据，包括最高气温、最低气温、平均气温、平均相对湿度、平均风速、日照时数和24 h累计降水量以及站点的地理特征数值（经纬度和海拔高度等）（数据来自中国气象数据共享网），进而计算得到60年内逐日最大饱和水汽压、最小饱和水汽压、平均水汽压、实际水汽压、露点温度和太阳辐射。

作物产量及生物量数据采用2018—2020年，其中燕麦、青贮玉米来自河北省现代农业产业技术体系草业创新团队统计数据；冬小麦、夏玉米、谷子、夏播高粱数据来自《沧州市统计年鉴（2018—2021）》^［18］。

1.2.2　轮作模式作物选取

本研究选取的作物包括河北省“粮改饲”政策下大力发展的4种主要饲草作物：青贮玉米、饲用燕麦、饲用谷子和高粱及主要粮食作物冬小麦、夏玉米。各作物的播种、收获日期的参数见表1。

1.3　作物生育期需水量、灌溉需水量、有效降水量的计算方法

本研究采用基于Penman-Monteith公式开发的SIMETAW模型^［22］对沧州市饲草作物饲用燕麦、青贮玉米、谷子、夏播高粱以及冬小麦、夏玉米的生育期需水量ET_c、有效降水量E_r和灌溉需水量ET_aw等进行系统模拟量化。Penman-Monteith公式如下^［23］：

\mathrm{E}{\mathrm{T}}_{\mathrm{0}}=\frac{\mathrm{0.408}\mathrm{\Delta }(R_{\mathrm{n}}-G)+\gamma \frac{\mathrm{900}}{T+\mathrm{273}}{u}_{\mathrm{2}}(e_{\mathrm{s}}-e_{\mathrm{a}})}{k+\gamma (\mathrm{1}+\mathrm{0.34}{u}_{\mathrm{2}})}(1)

式中：ET₀为参考作物蒸散量，mm；k为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率值，KPa/℃；R_n为作物表面的净辐射量，MJ/m²；γ为湿度计常数， KPa/℃；T为日平均气温，℃；u₂为2 m高处风速，m/s；G为土壤热通量，MJ/m²·d；e_s为空气饱和水汽压，KPa；e_a为实际水汽压，KPa/℃。根据实际情况对风速和太阳辐射等数据进行折算。作物需水量计算如下：

\mathrm{E}{\mathrm{T}}_{\mathrm{c}}=K_{\mathrm{c}}\times \mathrm{E}{\mathrm{T}}_{\mathrm{0}}(2)

式中：ET_c为作物生育期需水量，mm；ET₀为参考作物需水量，mm；K_c为作物系数，不同作物在不同发育阶段的作物系数不同，本研究采用SIMETAW模型内置的FAO-56推荐的作物系数^［23］。作物生育期灌溉需水量计算如下：

\mathrm{E}{\mathrm{T}}_{\mathrm{a}\mathrm{w}}=\mathrm{E}{\mathrm{T}}_{\mathrm{c}}-E_{\mathrm{r}}(3)

式中：ET_aw为作物生育期灌溉需水量，mm；E_r为作物生育期有效降水，mm，SIMETAW模型计算所得。当ET_c-E_r ≥0时，ET_aw为两者之差；当ET_c-E_r<0时，ET_aw取值为0^［14］。

1.4　降水年型划分及降水耦合度计算

降水年型（丰水年、平水年、枯水年）划分^［14］如下：

R_i >R+0.33δ 丰水年(4)

R_i <R－0.33δ 枯水年(5)

式中：R_i 为逐年降水量，mm；R为多年平均降水量，mm；δ为标准偏差。

表2为沧州地区1961—2020年降水年型分布情况。可见：沧州市年降水量>631.6 mm的年份为丰水年（共18年），丰水年年均降水量为768.9 mm；年降水量在516.2~631.6 mm的年份为平水年（共21年），平水年年均降水为575.8 mm；年降水量<516.2 mm的年份为枯水年（共21年），枯水年平均降水为404.7 mm。

降水耦合度（PCD，λ）为在某种作物或某种种植模式在特定生长阶段，作物需水量与自然降水之间的满足程度，取值范围为［0，1］。计算公式为^［24］：

(6)

式中：λ_n为各作物或各轮作模式需水与自然降水的耦合度；P_n为各作物或各轮作模式的各作物生长阶段的自然降水总量，mm；ET_cn为各作物或各轮作模式的作物生长季的需水量总和，mm。

1.5　种植模式需水量及系统产出计算

本研究采用瓦赫宁根大学耕作制度生态研究组开发的ROTAT模型^［25］，基于当地气候和水资源条件、土壤条件、农学标准、作物信息（包括种类和属性、作物生长发育特性、作物需水特性、种植频率、作物间相互关系和轮作周期等），综合当地形成的多年种植习惯与观念，构建了含冬小麦-夏玉米在内的5种粮-粮、粮-饲、饲-饲等轮作模式。种植模式的需水量计算公式如下：

\mathrm{E}\mathrm{T}={\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}\mathrm{E}{\mathrm{T}}_{\mathrm{c}i}+{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^n}{E}_j(7)

E_j=\mathrm{O}{\mathrm{K}}_{\mathrm{c}}\times \mathrm{E}{\mathrm{T}}_{\mathrm{0}}(8)

式中：ET为各轮作模式的周年需水量，mm；ET_ci为第i季轮作作物的生育期需水量，mm；E _j 为第j季休闲期土壤蒸发量，mm；OK_c为休闲期作物系数。

种植模式的系统产出，包含模式的等价产量，生物量，经济效益，蛋白产出，计算公式如下：

\mathrm{E}{\mathrm{Y}}_i=\mathrm{Y}\mathrm{i}\mathrm{e}\mathrm{l}{\mathrm{d}}_i\times \frac{\mathrm{P}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{c}{\mathrm{e}}_i}{\mathrm{w}\mathrm{h}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{p}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{e}}(9)

\mathrm{E}{\mathrm{B}}_i=\mathrm{Y}\mathrm{i}\mathrm{e}\mathrm{l}{\mathrm{d}}_i\times \mathrm{P}\mathrm{r}\mathrm{i}\mathrm{c}{\mathrm{e}}_i-\mathrm{C}\mathrm{o}\mathrm{s}{\mathrm{t}}_i(10)

\mathrm{P}{\mathrm{C}}_i=\mathrm{Y}\mathrm{i}\mathrm{e}\mathrm{l}{\mathrm{d}}_i\times {\beta }_i(11)

式中：EY _i 为i作物作物等价产量，kg/hm²， 以冬小麦价格wheat price为基准折算；Yield _i 为i作物产量，kg/hm²：Price _i 为i作物价格，Yuan/kg；EB _i为i作物净经济效益，元/hm²：Cost _i 为i作物的生产成本，元/hm²， 包括种子、化肥、灌溉、杀虫剂、耕种等过程产生的费用；PC _i 为i作物蛋白产量，kg/hm²， 以各作物蛋白含量β_i 进行折算^［24］。各作物市场价格来自《中国农产品价格调查年鉴》^［26］。

1.6　数据分析方法

用 Excel 2018、SPSS 21.0、Origin2019 等软件进行数据整理、分析和作图。采用ANOVA分析比较不同作物或不同轮作模式的生育期需水、灌溉需水量；采用皮尔逊相关系数分析各作物需水量与气象因子的关系。采用Entropy-TOPSIS模型^［27］综合考虑各轮作模式的等价产量、生物量、经济效益、蛋白产出、周年需水量及降水耦合度进行不同轮作模式的综合评价。

2　结果与分析

2.1　1961—2020年沧州市主要粮饲作物生育期需水量、有效降水量、灌溉需水量比较

采用SIMETAW模型对6种粮饲作物的生育期需水量、有效降水量和灌溉需水量进行了系统计算，结果见图3。由图3（a）可知：6种作物的年均生育期需水量表现为冬小麦（463.5 mm）>夏玉米（366.2 mm）>夏播高粱（354.6 mm）>饲用燕麦（351.7 mm）>青贮玉米（341.8 mm）>饲用谷子（322.4 mm）；冬小麦生育期需水量最高，显著高于夏玉米、夏播高粱、饲用燕麦、青贮玉米，饲用谷子生育期需水量最低。

由图3（b）可知，6种作物的年均生育期有效降水表现为夏玉米最大（250.3 mm）、夏播高粱（244.4 mm）、青贮玉米（235.7 mm）、饲用谷子（196.6 mm），冬小麦和饲用燕麦的生育期有效降水量最低，分别为108.6、77.3 mm。同时，同一作物生育期有效降水量年际间变异大，主要由于长时间序列的年内和年际间自然降水存在较大差异所致。

由图3（c）可知，6种作物的年均生育期灌溉需水量表现为冬小麦（354.9 mm）>饲用燕麦（274.3 mm）>饲用谷子（125.7 mm）>夏玉米（116.4 mm）>夏播高粱（110.2 mm）>青贮玉米（106.7 mm）。冬小麦生育期灌溉需水量最高，显著高于其他作物；青贮玉米灌溉需水量最低。

2.2　1961—2020年沧州市主要粮饲作物生育期需水量与气象因素的关系

图4展示了沧州地区1961—2020年6种主要粮饲作物的生育期需水量逐年变化情况。可见：1961—2020年间各粮饲作物的生育期需水量呈显著下降趋势（P<0.05）；从长时间变化趋势来看，冬小麦生育期需水量高于其他作物，燕麦、谷子、夏播高粱、夏玉米及青贮玉米的生育期需水量的年均变化率约为0.5 mm/年。

根据沧州气象站1961—2020年6种气象数据绘制气象因子年变化趋势图，结果见图5。由图5（a）~（c）可见，沧州地区1961—2020年逐年日均太阳辐射、日均日照时数与日均风速均呈显著下降趋势（P<0.05），60年间分别下降了2.25 KJ/m²、1.85 h、2.03 m/s。由图5（d）~（e）可见，日均降水量和相对湿度，呈现略微下降趋势，年际间波动大。由图5（f）可见，逐日平均气温则呈现显著上升趋势（P<0.05），年均变化速率为0.02 ℃。

图6展示了6种研究作物生育期需水量与6种气象因子的相关性。可见6种作物的生育期需水量与太阳辐射、日照时数、风速呈正相关，与日降水、相对湿度呈负相关。其中，6种作物的生育期需水量与太阳辐射（P<0.01）与风速（P<0.05）呈显著正相关。因此，太阳辐射、风速的下降是作物生育期需水量下降的最主要气象因素。

2.3　多样化粮饲轮作制度的构建及需水量分析

基于本地化的ROTAT模型，本研究确定了以下5种粮饲、粮粮及饲饲新型轮作模式，分别为饲用燕麦-夏播高粱（O-S）、饲用燕麦-青贮玉米（O-C）、饲用燕麦-饲用谷子（O-M）、冬小麦-夏播高粱（W-S）以及对照模式冬小麦-夏玉米（W-M）一年两熟。

本研究进一步分析比较了5种多样化种植模式的生育期需水量、生育期灌溉需水量及周年需水量，结果见图7。由图7（a）可知，传统麦玉模式的需水量最高为829.3 mm，其次为冬小麦-夏播高粱（817.7 mm）；饲用燕麦基的一年两熟模式相比传统麦玉模式，生育期需水量降低14.9%~18.8%，其中饲用燕麦-饲用谷子模式最小为673.0 mm。由图7（b）可知，传统麦玉模式的生育期灌溉需水量为471.3 mm，其次为冬小麦-夏播高粱（465.1 mm），饲用燕麦基的一年两熟模式相比传统麦玉模式，生育期灌溉需水量降低15.1%~19.2%，其中饲用燕麦-青贮玉米模式生育期灌溉需水量最小，为381.0 mm。由图7（c）可知，冬小麦基一年模式的年均周年需水量最高，饲用燕麦基的饲-饲模式比传统麦玉模式降低4%~7%。

表3为不同降水年型下不同粮饲模式的降水耦合度。可见：不同粮饲轮作模式在不同降水年型下的降水耦合度不同，呈现丰水年>平水年>枯水年。在丰水年，各模式的降水耦合度接近0.9；其中饲用燕麦-饲用谷子在丰水年的降水耦合度最高，为0.94。在平水年，各轮作模式的降水耦合度介于0.67~0.77。饲用燕麦-饲用谷子在平水年的降水耦合度依然最高，为0.77，其次是饲用燕麦-青贮玉米、饲用燕麦-夏播高粱轮作模式（0.73~0.74），冬小麦基轮作模式最低（0.67~0.68）。在枯水年，各轮作模式的降水耦合度显著降低，仅为0.47~0.54。饲用燕麦-饲用谷子在枯水年的降水耦合度依然最高但仅为0.54。综合来看，以饲用燕麦为主的一年两熟轮作模式（-夏播高粱、-青贮玉米、饲用谷子）在各降水年型降水耦合度都较高，以饲用燕麦-饲用谷子最佳。

2.4　基于Entropy-TOPSIS的新型粮饲种植模式综合评价

进一步系统测算了不同轮作模式的系统产出，包括作物等价产量、生物量、经济效益、蛋白产出，结果见表4及图8（a）。可见：与传统麦玉模式相比，饲用燕麦-青贮玉米模式的生物量提高34%、饲用燕麦-谷子模式的经济效益提高16%，饲用燕麦-青贮玉米、饲用燕麦-夏播高粱模式的饲料蛋白产出分别提高121%、77%。

综合考虑了不同轮作模式的等价产量、生物量、经济效益、蛋白产出、生育期耗水量、周年耗水量及降水耦合度，采用Entropy-TOPSIS计算了不同轮作模式的综合评价指数，结果见图8（b）。可见：饲用燕麦-青贮玉米模式的综合评价指数最高为0.73，其次是饲用燕麦-谷子模式（0.63）、饲用燕麦-夏播高粱模式（0.54），饲用燕麦基饲草模式的综合评价指数均明显高于冬小麦-夏播高粱（0.37）和冬小麦-夏玉米（0.32）模式，因此，在该研究地区适合发展饲用燕麦基的一年两熟饲-饲轮作模式。

3　讨　论

3.1　饲草作物需水量及灌溉需水量

系统量化沧州地区不同饲草作物的需水量变化是构建适水饲草种植制度的重要基础，同时也是推动“粮改饲”进行的重要抓手。目前，有关沧州地区饲草作物需水量与灌溉需水量的研究比较少。本研究主要系统量化了饲用燕麦、谷子、青贮玉米、夏播高粱等饲草作物的1961—2020年近60年的需水量与灌溉需水量，为该研究区域饲草作物需水量建立了丰富的数据库基础。本研究计算得出夏播高粱、饲用谷子的需水量约在354.6、322.4 mm，这与下列的研究结果基本一致：曹昌林等^［28］基于大田试验报道不同水分梯度下的粒用高粱需水量326.9~498.1 mm；王子豪^［2］基于盆栽试验及大田试验报道不同品种的饲用谷子的需水量在261.8~334.1 mm；孟建等^［29］基于彭曼公式计算了1980—2017年河北平原谷子需水量约为269.9~345.8 mm。本研究量化的冬小麦、夏玉米60年年均生育期需水量分别为463.5、366.2 mm，年均生育期灌溉需水量为354.9、116.4 mm，这与杨晓琳等^［3-5］在黄淮海农作区基于50个气象站点得到的结果相符。本研究得到青贮玉米与饲用燕麦的年均生育期需水量约为351.7 mm、341.8 mm，这与Li等^［1］和王冲等^［8］研究结果一致。高赢磊等^［12］报道了河北不同品种的青贮玉米耗水量约为337.3~381.9 mm。王冲等^［8］基于SIMETAW模型得到华北和东北地区1960—2014年早播燕麦生育期需水量在305.1~362.9 mm。总体上，饲用燕麦、谷子、高粱、青贮玉米与冬小麦相比，具有生长日期短、需水量较低的特点。同时，本研究建立的60年不同饲草作物灌溉需水量的基础数据库，也为该地区饲草作物优化灌溉制度的构建提供了重要依据。

3.2　影响饲草作物需水量的关键气象因子

本研究发现近60年来多种作物的生育期需水量呈现下降趋势，主要原因由太阳辐射、日照时数与风速的下降所致。在已有报道中，华北的冬小麦^{［4，6-7］}、夏玉米^［5-7］、春玉米^［3］、棉花^［30］、东北的春小麦^［31］、大豆^［32］以及燕麦^［33］生育期需水量均呈现下降趋势。作物生育期需水量受多种气候因子的综合影响。Roderick等^［34］和Stanhill等^［35］研究报道，在北半球过去50年，太阳辐射呈下降趋势，是导致水面蒸发下降的最主要因素。同时，作物需水量下降被报道与其生育期日照和风速的下降趋势相一致。尽管温度上升、相对湿度下降和降雨减少都有使需水量增加的趋势，但其综合作用小于日照、风速和太阳辐射的作用，导致作物需水量逐年下降。而本研究发现作物的生育期需水量与太阳辐射（P<0.01）与风速（P<0.05）呈显著正相关。因此，太阳辐射、风速的下降是作物生育期需水量的最主要气象因素。本研究中作物需水量、气象因素变化趋势及相关性与刘晓英等^［7］、Jia等^［33］ 的研究一致。

3.3　多样化粮饲轮作模式的综合效益

根据国家“供给侧改革”、“粮改饲”、“种植结构调整”等政策文件出台与推进，考虑到河北黑龙港地区水资源短缺的现状，改变传统种植模式、发展兼顾粮食生产及饲草生产的新型适水种植模式是该地区农业可持续发展的路径之一。本研究基于ROTAT模型构建了5种含麦玉模式在内的粮-饲，饲-饲轮作模式，研究表明，饲用燕麦与青贮玉米、谷子、夏播高粱形成的燕麦基的一年两熟饲-饲模式比传统麦玉生育期需水量降低14.9%~18.8%，灌溉需水量降低15.1%~19.2%。尽管已有研究^{［14-15，21］}在河北地下水超采区对适水种植制度进行了探索，但都集中在主粮及经济作物且多以主要分析种植模式的水分需求为主。本研究是对沧州地区饲草作物进行了不同的粮-饲，饲-饲种植模式的构建，在考虑节水效益的同时，又综合考虑了不同模式的产量、经济效益、生物量、饲料蛋白产出等，并基于Entropy-TOPSIS对所构建的5种多样化粮饲轮作模式进行了综合评价，得到饲用燕麦基的一年两熟轮作模式均比冬小麦基的一年两熟模式的综合评价指数高，尤其是饲用燕麦-青贮玉米模式为最佳，为该地区适水饲草种植模式的发展与种植结构的调整提供了依据。

4　结　论

本研究聚焦河北地下水超采区，基于SIMETAW模型系统量化了1960—2020年6种粮饲作物的生育期需水量与灌溉需水量，主要结论如下：1）冬小麦生育期需水量与灌溉需水量均最高，显著高于夏玉米、夏播高粱、饲用燕麦，饲用谷子与青贮玉米，其中饲用谷子生育期需水量最低、青贮玉米灌溉需水量最低；2）近60年来6种粮饲作物的生育期需水量均呈现下降趋势，主要由太阳辐射、日照时数与风速的下降所致；3）基于Entropy-TOPSIS对构建的5种饲-饲、粮-饲轮作模式的综合评价，结果显示饲用燕麦基饲草模式（-青贮玉米、-谷子、-夏播玉米）的综合评价指数均明显高于冬小麦基一年两熟模式（-夏玉米、-夏播高粱），饲用燕麦-青贮玉米模式表现最佳；4）在沧州地区适合发展饲用燕麦轮作夏茬饲料作物的种植模式。同时，在不同降水年型下应结合降水耦合度采用不同的灌溉制度。

本研究可为河北沧州地区未来建立适水型种植制度，优化作物布局，加快“粮改饲”进程与发展节水农业提供理论依据。

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基金资助

国家自然科学基金项目(32071975)

国家自然科学基金项目(52239002)

国家重点研发计划(2022YFD1900401)

国家重点研发计划(2022YFD1900801)