互助縣灌區農業用水評價

郭華世

(青海省互助縣水利局，青海 海東 810599)

全球人口和糧食需求的增長，不同用水部門之間的競爭，增加了水資源的承載力。雖然現代農業技術大大提高了農業生產效率和產量，同時也帶來了水資源過度消耗和環境破壞等問題[1- 2]。水既是農業生產的要素，也是生態系統的基礎，在利用水的過程中其效率、經濟效益和環境影響是需要綜合分析的不可分割的變量[3- 4]。在農業生產領域，農業用水的特性包括用水量、農業產量和環境影響(由于化肥和農藥的使用)[5]。因此，發展可持續農業是未來幾十年的一大挑戰。評估水資源和農業生產之間的潛在聯系對于解決缺水和糧食安全是至關重要的[6]。在傳統意義上，農業用水管理需通過增加作物產量或減少單位面積用水量來提高作物水分生產率[7]。盡管作物產量在過去40年里翻了一番，主要是因為“綠色革命”推動了化肥、農藥和灌溉的廣泛使用，但殺蟲劑的過度使用對環境造成了嚴重污染[8]。由于作物產量下降和現代農業實踐對環境造成的影響，農業產量的增長速度將是不可持續的[9]。此外，很多文獻的研究主要集中在評估農業生產期間的用水效率上，而沒有太多關注經濟和環境方面。農業用水評估的最常用方法是測量灌溉效率[10]，當從田間水平轉移到整個灌溉系統和河流流域時會出現的縮放效應，導致灌溉效率的代表性不足。Molden[11]提出的水核算方法，為評估不同規模的灌區水資源利用效率提供了一種可行的方法。它將水平衡成分分解為不同的用水種類，能夠反映人類在水文循環中的干預方式。水核算框架[12- 13]的制定可為水管理措施的選擇提供有效的參考，在保持環境完整性的情況下，可通過分析制定出改善水管理措施和生產力的方法，目前在許多灌區得到了廣泛的應用。

水足跡概念的產生為評估農業生產用水提供了一種新的方法。它是淡水資源分配的一個指標，為消費某一特定產品對環境造成的影響。作物產品的水足跡是作物生產過程中消耗的和受農業污染物影響的水量，其包含3個組成部分：綠水足跡(作物生長期間中消耗的有效降水量)、藍水足跡(作物生長期間消耗的地表或地下水的水量)和灰水足跡(吸收農業污染物如化肥和農藥所需的淡水量)[14]。

本文以互助縣灌溉區為研究區，分析了小麥生產過程中的耗水量、經濟效益和水環境影響，采用水核算和水足跡方法，對作物生產用水進行綜合評估。水核算和水足跡方法的目的是提高認識和加強可持續農業水管理。該研究分析了小麥生產過程中的耗水量、經濟效益和水環境影響，為未來互助縣灌區的可持續發展提供合理的作物生產用水的綜合評價信息。

1 研究區概況

互助縣灌區(后文簡稱HZX)位于中國青海省。灌區屬于大陸季風氣候。HZX的年平均溫度為3～5℃，年降水量為145～217mm，年平均蒸發量超過了2000mm。主要種植作物為春小麥、向日葵和玉米[15]。

2 數據來源

本研究使用的數據主要包括氣象數據、農業生產數據和灌溉數據。氣候數據包括月平均最高溫度、月平均最低溫度、相對濕度、風速、降水量和日照時數[16- 17]。氣候數據來自中國氣象數據共享服務網[3]。農業數據，包括作物產量、播種面積等，取自“互助縣灌區統計年鑒”和“中國農業統計數據”等。灌溉和水文數據由互助縣灌區管理局提供。

3 研究方法

3.1 水核算框架

基于水量平衡法的水量核算被用于計算灌區的耗水和產水量。水量核算通過對入流量、出流量和蒸發蒸騰耗水量進行分類來定義系統內的水量，水量核算及其指標的詳細介紹見文獻[11]。

水量核算的計算方法如下：

WInflow=WDepletion+Woutflow+ΔS

(1)

WInflow=P+Ss+Sg

(2)

WDepletion=ETα+E+U

(3)

Woutflow=Qs+Qg

(4)

式中，WInflow—入流量，m3；WDepletion—水量損耗，m3；ΔS—體積變化，m3；P—降雨量，m3；Ss—流入流域的地下水量，m3；ETα—作物的實際蒸散量，m3；E—灌區自由水面及地表蒸發量，m3；Qs—地表徑流量(包含壤中流)，m3；Qg—基流，m3。

互助縣灌區水量平衡方程式如下：

ΔS=WD+WP+WG-WOut-WC

(5)

式中，WD—來自黃河輸送的水量；WP—降水量；WG—地下水側向入流補給量；WOut—灌區出流量；WC—灌區水量損耗，其包含農業用水損耗(WA)、工業用水損耗(Wl)、生活用水損耗(WL)和生態用水損耗(WE)。

式(5)可以改寫為：

ΔS=WD+WP+WG-WOut-WA-Wl-WL-WE

(6)

用于區域水量平衡建模的數據，包括降雨量、引黃總水量、總流出量和地下水深度，由灌區管理局提供。其他水平衡分量是通過參考經驗公式估算的，其計算方法見文獻[16]。

3.2 水足跡計算方法

作物的水足跡根據Egan[18]等人提出的框架計算。對于藍水足跡，本研究采用了一種改進的方法，該方法考慮了水轉移過程中的水消耗[19]。作物的綠水足跡是根據作物生長期間雨水的蒸散量來計算的。灰水足跡是指在給定天然地下水濃度和現有環境水質標準的情況下，吸收污染物所需的水量。

WF=WFgreen+WFblue+WFgrey

(7)

WFgreen=10min(ETc，Pe)×A

(8)

WFblue=IR×A

(9)

(10)

式中，WF—水足跡，m3；WFgreen—綠水足跡，m3；WFblue—藍水足跡，m3；WFgrey—灰水足跡，m3；ETc—作物生長期的蒸騰量，mm；Pe—有效降水量，mm；A—作物播種面積，ha；IR—作物每單位面積的灌溉水量損耗，m3/ha；AR—每公頃田地事假的化肥量比列，kg/ha；α—淋溶徑流量比例；cmax—最大容許濃度，m3/ha；cnat—污染物的自然濃度，m3/ha。

作物單位重量的水足跡為：

(11)

式中，P—作物產量，kg。

4 結果分析

4.1 春小麥水分利用過程及水足跡核算

如圖1所示，給出了互助縣灌區作物生長期間的用水過程。灌溉用水從黃河分流，通過灌溉渠系統輸送到農田。在這個過程中，有3個主要的耗水因素:灌溉水損失(如蒸發和渠道滲漏)、農田作物蒸發蒸騰和農田深層滲漏。同時，地下水通過蒸發損失一部分水量。

圖1 互助縣灌區春小麥生產用水過程

春小麥作為互助縣灌區的主要谷物作物，其消耗了大量的水分。小麥生長期間的總水量為1106Mm3，其中藍水量為1106Mm3。小麥生產過程中消耗的水主要歸因于兩個主要因素:從水源到田間的灌溉水損失和田間蒸發蒸騰。輸水過程中損失的灌溉水量為530Mm3。田間蒸發蒸騰耗水量為443Mm3，滲濾耗水量為133Mm3。

水足跡計算結果表明：HZX小麥生長期間的藍水足跡為756Mm3，綠水足跡為116Mm3，說明互助縣灌區春小麥的生產嚴重依賴灌溉用水。

4.2 水資源核算組成部分

小麥生長過程中HZX的水分含量組成及損耗見表1。可以看出：小麥生長期總入流量為1336Mm3。在灌區用水達到上限期間，可用水量被計算為總入流量超過計劃流出量的部分。可用水量為1174Mm3。在小麥生長期間，有益損耗(作物蒸發蒸騰)為559Mm3。另一方面，非有益的損耗為427Mm3，占總耗水量的43.31%。總入流量的耗盡部分為0.73，而可用水的耗盡部分為0.84。流動總流量的百分比為0.41，這意味著灌溉服務消耗的41%的水被作物蒸發蒸騰所消耗，剩余59%的水是從自由水面或非作物植被中蒸發的(盡管其中大部分可能被認為是有益的)。因此，基于水足跡和水核算分析的結果可以看出互助縣灌區仍有很大的節水潛力。

表1 互助縣灌區小麥生長過程中的水分指標核算結果

4.3 小麥生長過程中水分利用評價

本文采用灌溉效率、水分生產率、環境影響和經濟效益來評價互助縣灌區小麥生長過程中的用水情況。

4.4 灌溉效率

灌溉效率是衡量該地區灌溉性能的關鍵指標，它包括兩部分:輸水效率和用水效率。對小麥生產期間水資源利用的分析表明，輸送效率為52.08%，導致灌溉水源和農田之間損失530Mm3水。用水效率為76.09%，導致損失133Mm3水。因此，小麥生長過程中的大部分水分損失為輸送過程中的灌溉損失。

4.5 水分生產率

作物水分生產率是一個效率術語，表示作物產量與生產該產量所需的水量之間的關系。在農田層面，作物水分生產率主要取決于作物騰發量和農田單位面積作物產量。在整個區域一級(或流域一級)上，作物水分生產率不僅取決于田間耗水量(作物蒸散量)和作物產量，還取決于灌溉水源向田間傳輸和分配過程中的灌溉水分損失。研究結果表明，田間小麥的水分生產率為1.09kg/m3，這一水平高于全國平均值0.80kg/m3。然而，整個地區小麥的水分生產率僅為0.63kg/m3，與田間生產率相比，減少了42.20%。這可能是由于水源和田地之間的水量輸送效率差導致的。

由于太陽能水平較高，HZX作物產量較高，盡管灌溉系統不良造成大量水資源損失，但小麥(春季)產量為5532.00kg/m3，高于全國平均值4748.00kg/m3。上述分析結果表明，通過改善灌溉系統性能，有很大的潛力提高作物的用水效率。

4.6 環境影響評估

灰色水足跡是吸收到達水體的污染物所需水量的指標。作為通過污染來分配水資源的一個指標，它可以評估水資源的可持續、高效和公平利用性。在本研究中，灰色水足跡被用于評估HZX中小麥生長對環境的影響。研究結果表明，小麥生長過程中的灰水足跡為152Mm3，占總有效水的12.95%。為了達到環境標準，需要152Mm3的淡水來稀釋小麥生產過程中使用的污染物(如化肥和農藥)，導致大量農業污染物暴露在環境中。這將對區域環境產生長期負面影響，并將繼續對HZX供水造成額外壓力。

4.7 經濟效益評估

由于農業是具有競爭性的生產活動，種植者需尋求有效用水資源，以獲得最大的經濟效益。因此，經濟效益評估是作物生產評估的主要部分。互助縣灌區小麥生產經濟效益評價結果見表2，可以看出，HZX的小麥產量和價格高于全國平均水平，因此HZX單位面積產量遠遠高于全國平均水平。HZX中每單位重量小麥的產量為0.91元/kg，大約是全國平均值的2倍。這表明HZX在小麥生產方面具有相對的經濟優勢。對于單位用水量的比例，HZX低于全國平均值。這是可能是因為HZX生產單位小麥需要比全國平均水平多得多的藍水。

表2 互助縣灌區小麥生產經濟效益評價

5 綜合分析

在本研究中，采用水足跡和水核算方法評估了HZX小麥生產過程中的水分利用效率、水消耗量和環境影響。上文研究結果表明，HZX小麥總灌溉效率為40%，灌溉水輸送效率為52.08%，水分利用效率為76.09%。灌溉效率是衡量灌溉性能的關鍵指標，就HZX灌溉田地所需的水而言，從水源到田地的輸送過程中灌溉損失是小麥生產過程中最大的單一水源損失，其表明HZX的灌溉系統狀況不佳。

HZX中的灌溉水輸送系統由很多由沒有襯砌的河流組成，其滲漏量占所用藍水的44%。同時，農田灌溉技術采用的是地面灌溉方法，如犁溝和邊界灌溉，導致很大一部分水在運移動過程中損耗(為59%)，作物吸收的灌溉水的41%被作物蒸發掉了，剩下的59%被從自由水面或非作物植被中蒸發掉了。因此，如果升級HZX的灌溉系統，將有很大的潛力提高其灌溉效率。

灰色水足跡已被用來評估HZX的小麥生產對環境的影響。研究結果表明，小麥生產過程中的灰水足跡為152Mm3，其將對區域環境產生顯著影響，并加重HZX水資源的承載力。在過去的幾十年里，在化肥和農藥的共同作用下，世界范圍內的農業產量有了顯著的提高。然而，施肥劑和殺蟲劑的不當使用可能會造成嚴重的環境污染。

就經濟效益分析而言，HZX的單位面積收益遠遠高于全國平均水平。然而，關于單位用水量的比例，HZX卻低于全國平均值。這可能是因為HZX的小麥生產需要比全國平均水平多得多的藍色水來生產每單位重量的小麥。因此，盡管HZX在單位重量產量方面有明顯優勢，但HZX仍需要改進灌溉系統，以提高單位用水量產量。

本文的研究結果表明，由于高產量水平，經濟效益高于全國平均水平。然而，由于高耗水量和灰水足跡，資源利用效率和環境可持續性相對較低。從資源和環境角度來看，HZX的作物生產是不可持續的。因此，互助縣灌區應對灌溉系統進行改進，以便更有效地利用水資源，減少作物生產過程中的灰水足跡。可以采取以下措施:工程措施，如采用先進的節水灌溉技術來提高灌溉效率，或農藝措施，如覆蓋以減少無效土壤蒸發，或改變種植日期以適應蒸發需求較少的時期。

另一方面，灰水足跡的結果表明，由于化肥和農藥的使用，農業生產可能對區域環境產生巨大的負面影響。雖然這種應用可以提高作物產量，但也可能造成環境問題，如水污染。施用的農業污染物越多，稀釋這種施用的殘留物所需的水就越多。因此，這將加劇農業生產中本已稀缺的水源供應。

6 結論

本文采用水足跡和水核算理論，對互助縣灌區小麥生產的耗水量、水分生產率和環境影響進行了評價。研究結果如下:

(1)小麥生長期間的總耗水量中，藍水含量較高，而綠水含量較少，藍水含量為綠水含量的6倍左右。HZX中的小麥生產主要依賴于藍水(即灌溉水)。小麥的有益損耗，作物蒸發蒸騰為559Mm3，而非有益損耗為427Mm3。

(2)田間尺度下小麥的水分生產率為1.09kg/m3，高于全國平均值0.80kg/m3。而在整個灌溉區范圍內，小麥的水分生產率僅為0.63kg/m3，與田間水平相比減少了42.20%。這是由于灌溉系統滲漏等原因造成了大部分水資源損失。這表明，通過提高灌溉系統的性能，有很大的潛力來提高作物用水效率。