基于農(nóng)業(yè)水循環(huán)結(jié)構(gòu)和水資源轉(zhuǎn)化效率的農(nóng)業(yè)用水調(diào)控策略分析

楊貴羽，王 浩

（中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，100038，北京）

一、我國農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀及存在的問題

我國水資源總量較少，時空分布極不均勻，且降水與耕地在空間分布上差異較大，使得我國耕地上畝均水資源占有量較少，區(qū)域間變異性極大。據(jù)統(tǒng)計，1956—2005年全國年均降水總量為60 853.89億m3，平均年徑流量僅為2669億m3，約有70%集中于汛期的6—9月，且81%分布在長江流域及其以南地區(qū)；又由于南北方耕地資源分布的差異，導(dǎo)致長江以南地區(qū)每公頃耕地水資源占有量為28695m3，長江以北地區(qū)每公頃耕地水資源占有量僅為9 465 m3；而且隨著我國糧食主產(chǎn)區(qū)持續(xù)向缺水和生態(tài)脆弱的北方地區(qū)轉(zhuǎn)移，單位耕地面積上水資源的占有量還將進一步減少。水資源的天然條件和水土資源的不相匹配是我國農(nóng)業(yè)用水緊張的客觀因素。加之近年全球氣候的變化，降水的平均值整體呈減少趨勢且南北方差異繼續(xù)加大，進一步加劇了我國農(nóng)業(yè)水資源的緊張情勢。

在此客觀條件下，隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和糧食需求的增加，我國農(nóng)業(yè)用水量、用水結(jié)構(gòu)和用水效率均發(fā)生了較大的變化。在用水量方面，自新中國成立以來農(nóng)業(yè)用水經(jīng)歷了快速增長（1949—1980 年 ）、相對緩慢增長（1980—2000年） 和緩慢下降（2000—2008年）三個階段，到2000年達到歷史最高紀錄，為3 783.5億m3，較新中國成立初增長了3.78倍。到2008年，由于節(jié)水措施的實施和各種抗旱品種的推廣，農(nóng)業(yè)總用水量較2000年略有下降，維持在3615億m3。與此同時，農(nóng)業(yè)用水占國民經(jīng)濟總用水量的比例也呈不斷下降趨勢，由1980年的84%下降到2008年的62%。盡管如此，相對于其他產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)用水量仍在國民經(jīng)濟各產(chǎn)業(yè)中占有最大比例（見圖1）。另外，隨著人民生活水平的提高，飲食結(jié)構(gòu)的變化，我國農(nóng)業(yè)用水整體呈現(xiàn)出農(nóng)田灌溉用水量減少、林牧漁業(yè)的用水量緩慢增加的演變趨勢。據(jù)統(tǒng)計，1980—2007年期間我國的GDP由4 545億元增長到24.95萬億元，而全國灌溉用水量卻由 3 509億 m3下降為 3 249億 m3，在農(nóng)業(yè)用水中所占的比重由94%下降到90%；同時用于林牧漁業(yè)的水量緩慢增加，近20年來維持在355億～360億m3之間。

伴隨著用水量和用水結(jié)構(gòu)的變化，農(nóng)業(yè)用水效率也有了較大的提高，耗水系數(shù)由20世紀90年代末的0.56增加到2004年的0.7（見圖2）。但與發(fā)達國家相比，我國農(nóng)業(yè)用水的整體利用效率仍處于較低的水平。據(jù)統(tǒng)計2007年全國農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)在0.47左右，糧食生產(chǎn)中的水分利用效率在0.8 kg/m3左右，即生產(chǎn)1t糧食耗水量達1 250 m3，而節(jié)水發(fā)達的國家在2000年灌溉水利用系數(shù)就達到了0.7～0.8，生產(chǎn)1t糧食的用水量在1000m3以下。

二、農(nóng)業(yè)水循環(huán)的結(jié)構(gòu)及其水資源轉(zhuǎn)化效率解析

1.農(nóng)業(yè)水循環(huán)結(jié)構(gòu)剖析

農(nóng)業(yè)是人類發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其本質(zhì)是通過培育動植物，生產(chǎn)糧食及工業(yè)原料滿足人類生存和發(fā)展的需要。隨著人類認識自然和適應(yīng)自然能力的發(fā)展，農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵不斷拓寬和延伸，在原始農(nóng)業(yè)、傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)之后出現(xiàn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、都市農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)以及低碳農(nóng)業(yè)等新型的農(nóng)業(yè)范疇。與之相伴的農(nóng)業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)也發(fā)生了改變，使得農(nóng)業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)變得愈來愈復(fù)雜，循環(huán)邊界不斷擴大，循環(huán)環(huán)節(jié)不斷增加，循環(huán)路徑不斷延長，循環(huán)通量不斷擴大，但是其基本服務(wù)功能始終沒有改變。就其本質(zhì)仍然是由從水源到作物耗水的實體水和農(nóng)產(chǎn)品交易中攜帶的虛擬水循環(huán)過程共同構(gòu)成，是一個由水源到農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出再到農(nóng)產(chǎn)品流通等不同循環(huán)子過程構(gòu)成的社會水循環(huán)大系統(tǒng)，是社會水循環(huán)系統(tǒng)的重要組成，是服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和服務(wù)的水分流轉(zhuǎn)過程。其水源來自于降水及其派生的一次性徑流資源和再生水，表現(xiàn)為消耗型和非消耗型兩種狀態(tài)，顯示為“實體水”和“虛擬水”的循環(huán)方式。

對于農(nóng)業(yè)“實體水”的循環(huán)，集中的表現(xiàn)為通過農(nóng)業(yè)種植業(yè)代替自然植被間接方式影響并參與自然水循環(huán)的過程，和伴隨 “供 （?。谩摹拧彼拳h(huán)節(jié)直接方式影響并參與自然水循環(huán)的過程。隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，各種灌溉制度和灌溉節(jié)水措施的實施使農(nóng)業(yè)“實體水”的循環(huán)過程變得更加復(fù)雜。

對于“虛擬水”的循環(huán)，隨著區(qū)域經(jīng)濟的快速發(fā)展，糧食等農(nóng)產(chǎn)品的流通增強，附著在農(nóng)產(chǎn)品上的水循環(huán)的鏈條進一步延長，即“虛擬水”循環(huán)過程在農(nóng)業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)中變得愈加重要，且隨著與“實體水”的轉(zhuǎn)化及自然水循環(huán)的相互作用、相互影響，這進一步加大了農(nóng)業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)的復(fù)雜性。

盡管隨著產(chǎn)業(yè)鏈條的延長，農(nóng)業(yè)水循環(huán)途徑變得愈加復(fù)雜。但是按照水分流通過程，農(nóng)業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)可以概括為五個過程：①取水過程：即通過灌溉輸配水系統(tǒng)將水自水源引至田間，也包括田間降水的自然輸配補給過程；②輸配水過程：田間水分與作物體根系層土壤水的轉(zhuǎn)化及土壤水再分配過程，即由降水和徑流性水資源轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥浪倪^程；③用耗水過程：從作物體根系經(jīng)作物體再到大氣，非徑流性土壤水資源向氣態(tài)水轉(zhuǎn)化的過程，作物吸收水分后通過光合作用將輻射能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，最后形成碳水化合物的用（耗）水過程；④排水過程：將多余水量排出農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的過程；⑤農(nóng)產(chǎn)品流通過程，即區(qū)域?qū)嶓w水與區(qū)域間農(nóng)產(chǎn)品虛擬水間的轉(zhuǎn)化過程。各個過程既相互作用又相互影響，而且又與自然水循環(huán)過程密切聯(lián)系（見圖3）。

2.基于農(nóng)業(yè)水循環(huán)過程的水資源轉(zhuǎn)化效率分析

由以上分析可見，農(nóng)業(yè)用水過程實質(zhì)是由可見的從水源到作物耗水的實體水和農(nóng)產(chǎn)品交易中攜帶的看不見的非實體水——虛擬水流過程共同構(gòu)成的，是一個由水源到農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出再到農(nóng)產(chǎn)品流通等不同循環(huán)子過程構(gòu)成的一個“自然—人工”復(fù)合水循環(huán)大系統(tǒng)，涉及水文循環(huán)過程、作物生長發(fā)育的生理過程、水資源配置過程以及區(qū)域經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的合理調(diào)控過程等相關(guān)內(nèi)容，因而農(nóng)業(yè)水循環(huán)過程是一個以水為媒介的綜合體。由于其涉及的內(nèi)容較多，各部分循環(huán)過程的機理也不同。

由農(nóng)業(yè)水循環(huán)中水資源轉(zhuǎn)化的通量可見，在供水水源方面，主要體現(xiàn)為常規(guī)水資源和非常規(guī)水資源以及土壤水資源的供給；在消耗方面，集中地體現(xiàn)為蒸發(fā)蒸騰和深層滲漏。蒸發(fā)蒸騰發(fā)生在農(nóng)業(yè)水循環(huán)的各階段，包括?。ㄝ敚┧?、排水過程的渠系土壤蒸發(fā)和水面蒸發(fā)，以及農(nóng)田土壤蒸發(fā)和作物植被蒸騰；深層滲漏亦發(fā)生在水循環(huán)的各環(huán)節(jié)。這說明耗水發(fā)生在農(nóng)業(yè)用水過程中的各個環(huán)節(jié)。結(jié)合水資源需求管理的本質(zhì)在于對水資源消耗的管理。以下結(jié)合農(nóng)業(yè)水循環(huán)過程中的水資源消耗項，分別對其消耗效率作出分析。

（1）深層滲漏量：雖然在生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用，且從區(qū)域水資源的整體而言并沒有被消耗，但就農(nóng)業(yè)系統(tǒng)而言，其并沒有最大效率地服務(wù)于農(nóng)業(yè)。因此，此部分水量屬于農(nóng)業(yè)水的消耗范疇，按照水資源的消耗效率的評價標準（是否參與生產(chǎn)的標準），可認為是非生產(chǎn)性無效消耗。減少其消耗量成為農(nóng)業(yè)水循環(huán)調(diào)控的一個重要方面。

（2）農(nóng)作物蒸發(fā)蒸騰消耗量：是農(nóng)業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)中最主要的消耗項，主要發(fā)生于SPAC系統(tǒng)，是在大氣和作物體間水勢梯度差的驅(qū)動下，通過克服土壤—根系界面、農(nóng)作物體內(nèi)不同器官以及作物與大氣界面間的阻力，由農(nóng)作物根系吸收土壤水分，經(jīng)莖、葉等器官進入大氣、轉(zhuǎn)化為作物水（農(nóng)產(chǎn)品的組成）的用（耗）水過程，其中土壤蒸發(fā)和植被蒸騰是其主要消耗形式。

其中植被蒸騰的消耗效率由環(huán)境因素所決定，主要取決于農(nóng)作物葉片周圍的水汽壓、根系影響層土壤含水量。據(jù)有關(guān)研究分析，在農(nóng)作物的蒸騰水量中，僅有極少部分參與光合作用（不足1%），絕大部分被認為是奢侈蒸騰。若以參與農(nóng)作物干物質(zhì)生產(chǎn)的蒸騰為生產(chǎn)性高效消耗，則奢侈蒸騰部分則應(yīng)為生產(chǎn)性低效消耗。因此，在農(nóng)業(yè)用水過程中，合理調(diào)控土壤水分，維持冠層阻力和冠層附近濕度，可提高蒸騰轉(zhuǎn)化效率，進而改善農(nóng)業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)用（耗）水效率。

棵間土壤蒸發(fā)是農(nóng)業(yè)水系統(tǒng)中水資源消耗的一個主要方面，是在土壤水勢與大氣水勢梯度的作用下，土壤水分由土壤非飽和帶液態(tài)直接轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，并散失到大氣中的自然水循環(huán)過程。盡管農(nóng)田棵間土壤蒸發(fā)可通過調(diào)解農(nóng)田微氣候間接影響農(nóng)作物生長發(fā)育，但是相對于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的生產(chǎn)而言卻并沒有發(fā)揮直接作用，因此可認為是生產(chǎn)性低效消耗。通過適當方法降低棵間蒸發(fā)也是農(nóng)業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)中改善用水效率的方向之一。

總之，結(jié)合我國農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀和農(nóng)業(yè)水循環(huán)過程及水資源演變機理的剖析可見，農(nóng)業(yè)用水過程中水循環(huán)的結(jié)構(gòu)變得極為復(fù)雜，且在高強度人類活動的影響下又呈現(xiàn)出循環(huán)邊界不斷擴大、循環(huán)環(huán)節(jié)不斷增加、循環(huán)路徑不斷延長的演變特點。與此同時，伴生在不同循環(huán)環(huán)節(jié)的水資源轉(zhuǎn)化效率也存在明顯差異。面對我國農(nóng)業(yè)水資源的現(xiàn)狀，立足于農(nóng)業(yè)水循環(huán)過程及其水資源轉(zhuǎn)化效率，以提高水資源的利用效率為宗旨，開展基于農(nóng)業(yè)水循環(huán)過程的農(nóng)業(yè)用水調(diào)控已成為刻不容緩的問題。

三、基于農(nóng)業(yè)水循環(huán)過程的農(nóng)業(yè)用水調(diào)控策略

鑒于我國農(nóng)業(yè)發(fā)展所面臨的水土資源形勢，立足于農(nóng)業(yè)水循環(huán)過程，加強開源和節(jié)流成為解決農(nóng)業(yè)水資源不足的有效措施。在開源方面，應(yīng)基于農(nóng)業(yè)水循環(huán)供給環(huán)節(jié)，增加農(nóng)業(yè)可利用水資源量；在節(jié)流方面，應(yīng)基于農(nóng)業(yè)水循環(huán)用（耗）水環(huán)節(jié)，提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率。

1.基于農(nóng)業(yè)水循環(huán)供給環(huán)節(jié)，增加農(nóng)業(yè)可利用水資源量

基于農(nóng)業(yè)水循環(huán)供給環(huán)節(jié)，增加農(nóng)業(yè)可利用水資源量，是結(jié)合農(nóng)業(yè)水循環(huán)過程，從“開源”角度對農(nóng)業(yè)水循環(huán)的調(diào)控。農(nóng)業(yè)可利用水源包括由降水派生的一次性水資源（包括徑流性水資源和土壤水資源）和再生性二次水資源（包括工業(yè)生活廢污水經(jīng)處理后的再生水資源和集蓄的雨水資源）。因此，加強降水資源、再生水資源和微咸水等其他水資源的合理利用，可有效緩解農(nóng)業(yè)用水的緊張。對于降水資源的充分利用，應(yīng)加強以下方面的調(diào)控：

（1）加強徑流性水資源的利用。我國降水具有總量少、時空分布不均等特性，要合理利用降水，必須結(jié)合區(qū)域降水特點，合理配置水利工程設(shè)施，加強農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)，重視集雨工程設(shè)施如水窖、坑塘以及地下水庫等設(shè)施的建設(shè)，實現(xiàn)降水在時間分布上的調(diào)控，增加徑流性水資源的利用。這將有利于收集汛期或降水量集中時段的雨水，可緩解農(nóng)業(yè)資源的緊張，達到抗旱應(yīng)急的目的。

（2）加強降水非徑流性水資源的轉(zhuǎn)化與利用。降水的非徑流性水資源集中體現(xiàn)為土壤水資源。土壤水分是農(nóng)作物生長發(fā)育最直接的水源，蓄水保墑，增加土壤水資源的涵養(yǎng)是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要的舉措。一方面，要增加土地覆被，減少田間徑流的生成，實現(xiàn)土壤水源涵養(yǎng)；另一方面，加強非充分灌溉制度的實施和雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展力度，增加土壤非飽和帶庫容，促進降水入滲蓄存量，從而提高農(nóng)作物根系活動區(qū)土壤水資源的轉(zhuǎn)化，達到涵養(yǎng)土壤水源的目的。針對當前我國主要糧食生產(chǎn)區(qū)分布在北方，特別是華北、東北地區(qū)，降水量少，農(nóng)業(yè)徑流性水資源嚴重不足，農(nóng)業(yè)干旱頻發(fā)的現(xiàn)實，加強非徑流性水資源的轉(zhuǎn)化顯得尤為必要。

（3）對于其他非常規(guī)水資源的利用。通常農(nóng)業(yè)灌溉用水主要集中于地表水和地下水等常規(guī)水資源。然而，隨著我國人口的不斷增長和國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，用于農(nóng)業(yè)的常規(guī)水資源量已受到限制。結(jié)合農(nóng)業(yè)用水對水質(zhì)要求相對較低的特點，重視非常規(guī)水資源，成為解決農(nóng)業(yè)水資源不足的另一重要手段。合理利用再生水、微咸水等非常規(guī)水資源，有利于緩解農(nóng)業(yè)水資源短缺的情勢。

2.基于農(nóng)業(yè)水循環(huán)用（耗）水環(huán)節(jié)，提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率

基于農(nóng)業(yè)水循環(huán)用（耗）水環(huán)節(jié)，提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率，即是從“節(jié)流”角度保障農(nóng)業(yè)水資源。長期以來我國農(nóng)業(yè)水資源利用效率較低，全國灌區(qū)水利用系數(shù)僅為0.47，不及發(fā)達國家的一半。而目前我國土地資源有限，提高有限耕地面積上的水分利用效率成為解決農(nóng)業(yè)水資源不足又一重要方面。因此，結(jié)合農(nóng)業(yè)水循環(huán)過程，以“耗水”管理為核心，對水循環(huán)諸環(huán)節(jié)進行調(diào)控，提高農(nóng)業(yè)水資源的利用效率，是我國農(nóng)業(yè)水循環(huán)調(diào)控的基本策略，即針對農(nóng)田水資源的消耗效用，加強區(qū)域土地資源的覆被，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、減少高耗水作物的種植，大力推廣節(jié)水保墑等措施。通過調(diào)控農(nóng)田棵間土壤蒸發(fā)和休耕期土壤蒸發(fā)，減少土壤的生產(chǎn)性低效消耗，增大農(nóng)作物蒸騰的有效消耗。另外，在田間結(jié)合農(nóng)作物生理特點和區(qū)域氣候特點，開展綜合區(qū)域水資源特點的經(jīng)濟灌溉制度（非充分灌溉和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整相結(jié)合的灌溉制度），可提高蒸騰效率。

具體的調(diào)控策略集中體現(xiàn)為以下三方面：

（1）加強總量控制和定額管理，提高灌溉水利用效率。以農(nóng)業(yè)水循環(huán)的基本過程為對象，一方面要加強農(nóng)田灌溉輸水過程中的水分的調(diào)控，以減少非生產(chǎn)性消耗，提高輸水效率；另一方面要在田間，結(jié)合區(qū)域的特點和農(nóng)業(yè)水循環(huán)過程中水資源的消耗效率，以減少非生產(chǎn)性無效消耗或生產(chǎn)性低效消耗為指導(dǎo)，按照水資源的供耗水關(guān)系，合理配置水資源，提高各種水源的利用效率，嚴格控制農(nóng)業(yè)用水定額和用水總量。

（2）水旱并舉，工程措施和非工程措施并重，提高土壤水資源的利用效率。根據(jù)國家科技攻關(guān)研究，我國北方旱作農(nóng)區(qū)降水量的20%以徑流損耗，而休閑期無效水分蒸發(fā)占降水的24%，真正能夠被農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利用的降水只占降水總量的56%；就是這56%的利用量中，又有26%因田間蒸發(fā)而散失，作物真正利用的降水只有總量的30%。在南方水資源相對豐富的地區(qū)，降水的利用效率更低。因此，提高降水資源利用效率可有效緩解農(nóng)業(yè)水資源的不足。

（3）挖掘植物抗旱特性，發(fā)展生物節(jié)水技術(shù)，提高農(nóng)作物水分轉(zhuǎn)化效率，提高生產(chǎn)性高效消耗的比例，可減少水資源的浪費。

3.加強管理

國際公認的灌溉節(jié)水潛力為50%，因此提高水資源開發(fā)利用的管理水平是實現(xiàn)水資源高效利用和改善我國農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的根本保障。為此，在重視農(nóng)業(yè)用水過程中“開源”和“節(jié)流”兩個基本過程的同時，亦要加強農(nóng)業(yè)用水管理。因為合理的管理方式是保證農(nóng)業(yè)用水過程中 “開源”和“節(jié)流”重要手段。應(yīng)大力加強促進農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用的高效用水社會保障體制建設(shè)，努力建設(shè)農(nóng)業(yè)高效用水管理體系。

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