粮食产量变化对地下水影响
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发布时间：2022-06-17 02:36
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时间：2023-11-12 09:42
6.2.3.1 粮食产量变化对地下水开采量的影响
石家庄平原区粮食作物以小麦和玉米为主，冬小麦—夏玉米种植模式占农作物总播种面积的70%～80%，而冬小麦和夏玉米都是高耗水性作物，每年总需水量约为800～900mm，多年平均496mm的降水量不能满足作物需求，必须补充灌溉，灌溉主要是靠抽取地下水（张喜英，1999）。因此，随着小麦玉米种植面积的扩大，粮食产量不断增加，相应的地下水开采量也持续增加，地下水位下降。
（1）直线拟合
从小麦玉米总产量和地下水开采量的关系（图6.18）可见，1982年之前，地下水开采量（Q）随小麦玉米总产量（P）的增加而增大，直线关系明显，关系式为Q＝0.14P＋6.6（R2＝0.93），表明小麦玉米总产量每增加1×104t，地下水开采量平均增加0.14×108m3。1962年小麦玉米总产量为15.33×104t，1981年为156.7×104t，增加了141.37×104t；农业开采量在1962年为8.28×108m3，1981年为26.86×108m3，增加了18.58×108m3，计算值与1981年实际开采量值误差为4.3%，如表6.3所示。
表6.3 1982年之前农业开采量实测值与计算值（以1962年作为基值）分析
从1982年开始，小麦玉米总产量虽然在持续增加，但地下水开采量却呈波动变化。地下水农用开采量与小麦玉米种植面积之间不再存在明显的直线关系，二者之间的变动规律并不明显。从近50年来小麦玉米总产量及农用开采量变化情况（表5.2）可以看出，在1999年以前，小麦玉米总产量增加的幅度较大，20世纪80年代小麦玉米总产量已接近200×104t，比20世纪70年代增加了76.79%，20世纪90年代在20世纪80年代的基础上又增加了55.32%。另一方面，地下水农用开采量也在随小麦玉米产量的增加而增大，但增大的幅度小于小麦玉米产量增加的幅度，所以单位产量平均耗用的地下水开采量呈减小趋势。因此，在1953～2005年间小麦玉米总产量和地下水开采量之间的关系图6.18中，1982年之后的数据点处于1982年之前直线关系的下方。即增加相同面积的小麦玉米产量，1982年之后需要的地下水开采量较1982年之前少。1982～1999年间，小麦玉米平均产量为266.13×104t，地下水农用开采量平均为25.89×108m3，相对于每增加1×104t小麦玉米产量，地下水农用开采量平均增加0.10×108m3。
图6.18 1953～2005年间小麦玉米总产量和地下水开采量之间的关系
Fig.6.18 Relationship between total wheat and maize proction and groundwater exploitation in the period of 1953 to 2005
2000～2005年间，由于种植规模的减小，小麦玉米总产量比20世纪90年代有所降低，平均为308.41×104t，地下水农用开采量平均为24.66×108m3，相当于每生产1×104t小麦玉米产量，耗用地下水农用开采量为0.08×108m3。
1982年之后的数据点偏离直线主要是由于粮食产量增加的幅度大大超过了地下水农用开采量的增加幅度，节水措施的使用、节水品种的推广、灌溉效率的提高，以及增产技术的应用和水平提高，都会使单位小麦玉米产量消耗的农业灌溉开采量减小。1982年之前，生产1×104t小麦玉米需耗用地下水0.14×108m3；1982～1999年间，生产1×104t小麦玉米产量需耗用地下水0.10×108m3；2000～2005年间，生产1×104t小麦玉米只需耗用地下水0.08×108m3。
将小麦玉米总产量与农用地下水开采量关系图6.18与地下水开采量与埋深的关系图5.3对比分析，粮食产量增加对开采量的影响机制与开采量对埋深的影响机制在形式上具有一致性。在1982年之前，粮食产量与开采量之间、开采量与埋深之间均呈线性关系；从1982年开始，粮食产量与开采量、开采量与埋深均偏离1982年之前的直线关系。由于1982年之后地下水累积超采量与埋深之间呈线性关系，为验证小麦玉米产量的变化驱动了开采量的变化，从而使累积超采量不断增加，绘制了小麦玉米总产量（P）与累积超采量（Q′）之间的关系曲线，如图6.19所示。从图上可以看出，两者直线关系明显，表达式为Q′＝0.763P-139.47（R2＝0.94），表明小麦玉米总产量每增加1×104t，地下水累积超采量将增加0.763×108m3。
图6.19 1982～2005年间小麦玉米总产量和累积超采量之间的关系
Fig.6.19 Relationship between total wheat and maize proction and accumulated over-exploitation in the period of 1982 to 2005
因此，从小麦玉米产量对地下水开采量的影响和地下水开采量对埋深的影响关系可以确定，小麦玉米产量的增加主导驱动了开采量的变化，从而致使累积超采量和地下水位变化。1982年之前，小麦玉米产量每增加1×104t，地下水开采量将增加0.14×108m3，地下水位埋深增加0.0448m；从1982年开始，小麦玉米产量每增加1×104t，地下水农用开采量平均增加0.10×108m3。2000～2005年间，小麦玉米总产量每增加1×104t，耗用地下水农用开采量增加0.08×108m3。
（2）多项式拟合曲线和对数拟合曲线
前面分时段分析了地下水农用开采量随小麦玉米产量的变化规律，根据农用开采量和小麦玉米产量的变化趋势，绘制了地下水农用开采量（Q）和小麦玉米产量（P）之间的多项式拟合曲线和对数拟合曲线，分别如图6.20和图6.21所示。多项式拟合关系式为Q＝-0.0002P2＋0.1205P＋6.7908。在关系式两边对P求导，即可得不同时期地下水开采量随小麦玉米产量的变化速率，得Q′P＝-0.0004P＋0.1205，是随小麦玉米总产量变化的一个函数关系，计算变化速率可以取时段平均值。计算结果同前面分析一致，1982年之前，农业开采量随小麦玉米产量增加而变化的速率较大，即每生产1×104t小麦玉米所耗用的地下水开采量较多，约为0.12×108m3；在1982～1999年间，农业开采量随小麦玉米产量增加而变化的速率减小，每增加1×104t小麦玉米产量，耗用的地下水开采量平均增加0.09×108m3；进入21世纪后，开采量随小麦玉米产量增加而变化的速率甚至为负值，即在增加小麦玉米产量的同时，地下水农用开采量还有所减小，主要是由节水及农业技术水平提高引起的。
图6.20 农用地下水开采量与小麦玉米产量多项式拟合曲线
Fig.6.20 Multinomial fitting curve of agricultural groundwater exploitation and total wheat and maize proction
图6.21为1953～2005年农用地下水开采量（Q）与小麦玉米产量（P）的对数拟合曲线，关系式为Q＝5.0273lnP-5.1301，R2＝0.766，相关性也较好。根据对数拟合曲线求得的农业地下水开采量随小麦玉米总产量的变化速率与分段直线拟合及多项式拟合相差不大。
6.2.3.2 粮食产量变化对地下水位埋深的影响
小麦玉米产量对地下水位埋深的影响也是通过影响地下水开采量实现的。由于小麦玉米产量、地下水开采量以及埋深都有自己的变化规律，研究小麦玉米产量的变化速率与地下水位埋深变化速率之间的关系，可以在一定误差范围内，根据粮食的发展目标预测地下水位埋深的演变趋势；同样也可以在地下水位埋深允许波动范围内*粮食规模，对灌溉农田粮食生产及结构调整具有指导意义。
从地下水位埋深和小麦玉米产量多项式拟合关系图6.22看，1999年以前地下水位埋深（h）随着小麦玉米总产量（P）的增大而增大，两者之间拟合关系良好，R2＝0.9594，关系式为h＝7E-05P2＋0.0355x＋3.8044。
图6.21 农用地下水开采量与小麦玉米产量对数拟合曲线
Fig.6.21 Logarithm fitting curve of agricultural groundwater exploitation and total wheat and maize proction
图6.22 地下水位埋深与小麦玉米产量多项式拟合曲线
Fig.6.22 Multinomial fitting curve of groundwater buried depth and total wheat and maize proction
在1999年以前地下水位埋深随小麦玉米产量增加而增大的速率变化过程可分为两个时段。①1956～1981年期间，地下水位埋深较浅，时段开采量平均较小，每增加1×104t小麦玉米总产量，地下水位埋深增加0.0459m。②1982～1999年间，由于地下水资源总补给量变小使可利用量减小，埋深随小麦玉米产量增加的速率略微偏大，变化不明显，平均每增加1×104t小麦玉米总产量，地下水位埋深增加0.0702m。
进入21世纪后，地下水资源总补给量比20世纪六七十年代已明显减小，地下水资源可利用量变小使连年超采引起的累积超采量较大，所以同样的开采情况下，地下水位变化更明显。即使小麦玉米总产量减小，开采量也呈减小趋势，但减小幅度有限，仍然处于超采范围内，所以埋深增加的速率依然较大。如不有效控制农业开采量，地下水位下降的趋势会更加严峻。
从地下水位埋深和小麦玉米多项式拟合关系中也确定了在1982年之前和1982年之后地下水位埋深随产量变化的速率有所差异，但差距不大，从两者之间的直线拟合关系中（图6.23）也得到了印证。关系式为h＝0.0644Q＋1.6445，表明每增加1×104t小麦玉米总产量，地下水位埋深增加0.0644m，介于0.0459m和0.0702m之间。
图6.23 地下水位埋深与小麦玉米产量直线拟合关系
Fig.6.23 Liner fitting curve of groundwater buried depth and total wheat and maize proction
