不同尺度農業節水潛力的概念界定與耦合關系

劉建剛，裴源生，趙 勇

（中國水利水電科學研究院，100044，北京）

不同尺度的農業節水潛力以及尺度效應問題是當前節水領域的研究熱點，這項研究對于緩解我國日益短缺的水資源會起到積極的推動作用。要進行這方面的研究就必須了解不同尺度節水潛力研究涉及的各種概念和耦合關系。從節水潛力的概念入手，分別對不同尺度的農業節水潛力的概念進行界定，并且對不同尺度農業節水潛力之間的耦合關系進行初步探討。

一、節水潛力的概念界定

2002年的《全國水資源綜合規劃技術大綱》實施的技術細則給出的節水潛力的概念如下：以各部門、各行業(或作物)通過綜合節水措施所達到的節水指標為參考標準，現狀用水水平與節水指標的差值即為最大可能節水數量，此概念屬于傳統意義上的節水潛力；其他學者如段愛旺、劉坤、歐建鋒等對節水潛力的概念界定與《全國水資源綜合規劃技術大綱》實施的技術細則相似，也同樣屬于灌溉節水的范疇。

傳統意義上的農業節水指的是取（供）用水的減少量，主要減少的是渠系和田間的滲漏量、渠道退水量以及田間排水量，屬于灌溉節水；事實上，灌溉節水量中的相當一部分并未損失，只是以不同形式被下游或生態環境所利用。因此，傳統的灌溉節水量并不是真正意義上的節水量，只有那些在作物、田間、灌區和流域通過采取各種生理、農藝、工程和管理措施減少的無效蒸騰蒸發量，才能稱為真實節水量，即資源節水潛力。

目前，節水潛力的概念和內涵尚沒有一個統一的標準，依然存在不少問題，主要體現在以下幾個方面：①沒有一個國際通用的、普遍認可的、規范的、統一的定義；②目前的節水潛力大多還集中在灌溉節水的范疇，對于真正意義上的資源節水涉及的很少；③當前對農業節水潛力的研究大多沒有考慮農業節水措施對周圍的社會、經濟、生態和環境的影響，因此不能夠真實地反映某一措施的實際節水能力。

因此農業節水潛力概念的界定，不僅要包括灌溉節水，還要包括資源節水。針對目前眾多學者提出和使用的節水潛力概念存在的問題，現給出節水潛力的定義：是指采取可能的社會、經濟和科技措施，保持區域生態穩定和經濟社會可持續發展的前提下，與現狀用水水平相比，區域最大的節水能力，它體現了維持區域經濟社會系統可持續發展的節水量閾值，是一個地區的最大節水能力。

二、不同尺度節水潛力的概念界定

農業節水涉及作物、田間、灌區和區域/流域等四個不同的尺度層面，是一個從微觀到宏觀的研究過程，不同尺度農業節水潛力的概念之間存在較大差異，基于前面的節水潛力概念，山侖、張霞、龔華等，李英能等分別對作物節水潛力、田間節水潛力、灌區節水潛力和流域節水潛力的概念和內涵進行過探討，但大多數只是從農業的角度出發，沒有考慮對其他因素的影響，故現對作物、田間、灌區和流域四個尺度的農業節水潛力概念進行界定。

1.作物節水潛力

指在作物尺度上，根據某一作物的需水規律，對其生育期的某些非關鍵需水階段施加一定的水分脅迫，在保證不影響作物正常產量的情況下，較現狀最大的節水能力。

2.田間節水潛力

指在田間尺度上，采用工程或非工程等措施后，在不影響作物產量的情況下，田間較現狀最大的節水能力。

3.灌區節水潛力

指在灌區尺度上，通過灌區種植結構調整、渠系襯砌、管理等一系列灌區節水措施后，在不影響灌區作物正常的產量、灌區內部及周邊生態環境的情況下，較灌區現狀的最大節水能力。

4.流域節水潛力

指對作物、田間、灌區不同尺度節水措施進行優化組合構建流域適宜的節水方案集，在保持區域生態穩定和經濟社會可持續發展的前提下，與現狀用水水平相比區域最大的節水能力。它體現了維持區域經濟發展、生態穩定、社會系統可持續發展的節水量閾值，是流域最大的節水能力。

三、理論節水潛力與實際節水潛力

每個尺度以及每種節水措施的節水潛力在理論上和實際上都會有較大的差異，在某一特定條件下的試驗成果只能作為理論的節水潛力，在實際應用時需要考慮各種復雜條件的疊加和耦合效應的影響，節水潛力會有所不同。因此根據節水措施實施的可能性及其效果，節水潛力可以劃分為理論節水潛力、實際節水潛力兩大類。

1.理論節水潛力

是指在一定的經濟技術條件下，通過綜合采取各類工程和非工程的節水措施后可能產生的最大節水量，是作為節水的理想目標值提出來的。由于受到經濟發展水平、技術手段以及財力和物力的限制，使得所采取措施的節水效果達不到理論上的理想目標，只是人們在生產實踐中的一種美好愿望。

2.實際節水潛力

是指在一定的經濟技術條件下，在實際用水過程中，通過綜合采取各類可行的節水措施（包括工程和非工程措施）后所產生的最大節水量。因此實際節水潛力和節水措施的種類、實施的可行性密切相關。實際節水潛力是綜合考慮節水措施實施后對經濟、技術、社會和生態環境各方面影響情況下確定的當前條件下最可能達到的節水目標，與理論節水潛力相比，實際節水潛力在生產中的研究價值和意義也更為重大。

四、資源節水潛力與灌溉節水潛力

如前所述，資源節水和灌溉節水分別從水資源的取用和消耗的角度體現某一節水措施的節水能力，根據節水內涵的不同，可將節水分為灌溉節水與資源節水兩個層次，相應的，節水潛力也可以分為灌溉節水潛力和資源節水潛力。

1.灌溉節水

傳統理念下的灌溉節水是指通過采取綜合節水措施，與未采取節水措施前相比對應尺度所需取用水量的減少量。這種減少量包括減少的蒸發蒸騰量、滲漏損失量以及回歸水量等。灌溉節水忽視了水的資源消耗特性和循環利用再生性，將深層滲漏和地表回歸的水量都作為所節約的水量，實際上，這些水量仍存于水資源系統內部，或為工業、生態環境等部門所消耗，并未實現資源量上的節約。

2.資源節水

可持續理念下的資源節水是從資源角度出發，考慮水的資源消耗特性，將減少的蒸發蒸騰消耗水量作為節約量。農田灌溉耗水是農業耗水大戶，在農田灌溉系統中，耗水主要發生在輸配水渠系、田間和排水渠系中，由渠系蒸發、田面表水蒸發、作物蒸騰、棵間土壤蒸發四部分組成。

3.灌溉節水潛力

目前絕大多數節水潛力的研究主要針對的是灌溉節水潛力，主要指的是以通過采取綜合節水措施后所能達到的節水與用水標準為參照，分析計算其在充分考慮節水條件下的最小用水量比現狀用水量減少的水量。

實際上，作物、田間、灌區和流域的某一尺度上通過各種節水措施所節約出來的水資源量并沒有完全損失，有些仍然存留在流域尺度的水資源系統內部，或被轉移到其他水資源緊缺的部門或行業，滿足該部門或行業的需水要求，因此，小尺度的灌溉節水量參與了大尺度的水循環和水資源分配過程，對整個流域來說并沒有實現資源意義上的節水。因此，傳統意義下計算灌溉節水潛力的方法不能反映該地區水的資源節約量，必須從水的資源消耗特性出發，研究區域水的資源節約潛力，即資源節水潛力。

4.資源節水潛力

無論是經濟社會，還是生態環境，蒸發蒸騰都是水資源消耗的主要途徑，尤其是農業用水，農作物吸收的水分中有90%以上由植株表面蒸騰作用而消耗，通過光合作用直接用于生長發育的水分還不到1%，即作物存在奢侈蒸騰。同樣，這種水分的奢侈蒸騰也存在人類的各種生產生活實踐當中。從資源利用的角度講，消耗即意味著已喪失其作為資源的價值，而水的這種奢侈蒸騰恰恰是奢侈消耗資源的表現，因此這種奢侈消耗的水資源正是區域潛在水的資源節約能力，即資源節水潛力。

資源節水潛力是指未來采取各種綜合節水措施以后，區域所消耗的水量與現狀用水水平下區域所消耗水量的差值。資源節水量是表征區域實際蒸發消耗的節水量，體現了區域實際的節水潛力。節水是以不損害區域生態環境和經濟社會發展為前提的，節水導致的區域生態耗水減少必須通過人工途徑進行補償。

五、不同尺度農業節水潛力之間的耦合關系

作物、田間、灌區和流域是研究農業節水的四個不同尺度，各個尺度的節水措施之間以及某一尺度的節水措施的實施必然影響其他尺度的節水效果，也就是說不同尺度的農業節水潛力之間存在著一定的耦合關系，這種耦合關系將“大氣水—作物水—地表水—土壤水—地下水”五水之間有機地結合起來，影響著水資源的時空分布和分配。因此，在研究不同尺度農業節水潛力的時候，既需要考慮不同作物的不同生理節水措施的節水水平，又要考慮農藝節水措施、工程節水措施和管理節水措施所帶來的節水潛力以及這些措施適宜在哪個尺度采用。同時這些不同類型節水措施之間并不是孤立的，往往是兩種或多種類型節水措施的組合，而不是每一種組合都適應所有的地區，比如井灌區發展微噴灌就要比在自流灌區更為實際、合理一些，因此需要根據研究區域的實際情況，因地制宜地優化組合各個尺度最適宜的節水措施。不同尺度的節水措施的實施效果并不是各個尺度節水措施的簡單線性累加，它們之間存在著一定的耦合關系。例如冬小麥采用灌關鍵水生理節水措施的耗水節水量60～80 mm，而采用田間地膜覆蓋的耗水節水量約為40mm，如果把這兩種措施耦合起來，它的節水效果不是簡單累加變為100～120mm，這兩種措施的耦合也許是正效應也許是負效應。目前對不同節水措施下的農業節水潛力的研究，由于涉及因素較少便于試驗和觀測，往往集中在作物和田間等較小的尺度，對于尺度效應非常復雜的灌區和流域等中大尺度的農業節水潛力研究相對較少。在對“作物—田間—灌區—流域”不同尺度農業節水潛力之間的耦合進行研究的過程中，需要對所涉及的自然—人工水循環過程和水資源合理配置進行模擬分析，對不同尺度資源和灌溉節水潛力之間的關系進行定量分析。

研究不同尺度農業節水潛力之間的耦合關系，涉及不同尺度的數據獲取途徑和不同的分析方法。對作物和田間尺度由于涉及的要素較少，只需開展田間水量平衡觀測；而對灌區和流域尺度，由于灌區和流域復雜的下墊面邊界條件（土層、植被、地質、地形、土地利用、水分等及其組合），其觀測牽涉的因素較多，較復雜，同時觀測比較困難，難以量化，準確獲取區域模擬參數難度大，有些因素需借助試驗監測、遙感技術（RS）和地理信息系統（GIS），以及水循環和作物生長過程的描述需利用田間試驗和數值模擬方法；對于不同尺度之間的耦合關系，一方面需要借助各種數據獲取途徑和分析模擬方法，再現水循環和作物生長過程的尺度現象，對尺度效應的本征進行描述，另一方面需要利用一定的數學工具進行尺度轉換，即借助尺度估計理論或統計方法建立水平衡要素、節水效果等與尺度的數學關系，用一個尺度上的信息去推測另一尺度上的信息進行尺度轉換，以便實現不同尺度農業節水潛力的全面評估。

因此，研究不同尺度農業節水潛力之間的耦合關系，可以基于RS和GIS構建適合灌溉系統的分布式水文模型，將分布式水分模型與植被生長模型、土壤風蝕模型進行耦合，在試驗觀測、理論分析和模型模擬的基礎上，分析不同尺度采取節水措施的資源和灌溉節水潛力的定量關系，同時可以分析相應的節水措施對流域水平衡的影響、對植被干物質重和作物產量的脅迫關系，以及節水對流域內部和周邊地區生態環境產生的影響。

[1]段愛旺，信乃詮，王立祥.節水潛力的定義和確定方法 [J].灌溉排水，2002，21（2）.

[2]劉坤，鄭旭榮，謝云.瑪納斯河流域農業節水潛力分析[J].石河子大學學報（自然科學版），2005，23（2）.

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