用水總量對農業節水灌溉的影響分析和模擬預測

陳立康，壽程虹，周勁節，龍慧林，姜美君，劉建超，

（1.諸暨市經濟特產站，浙江 諸暨 311800；2.浙江農林大學暨陽學院，浙江 諸暨 311800）

經濟高速發展和人口不斷增長導致用水量急劇增加，而環境惡化和水的浪費引發水資源的巨大損失。為了滿足農業發展對水資源日益增長的需求，開源、節流、調整產業結構、利用外部資源等措施的實施迫在眉睫[1]。近年來，一些新型滴灌設備得到了改進和發展，行業制定了滴灌灌水器和滴灌管的技術標準和規范[2]。農業依靠灌溉發展，發展好節水灌溉對于推進我國作物生產意義重大，采用先進的灌溉技術與之配套，發展設施農業，可有效提高作物產量，增加農業收入。可見，推廣與發展節水灌溉在戰略和現實中有重要意義[3]。

未來設施農業灌溉模式將主要向節水灌溉方向發展。在溫室灌溉設備的開發和技術上，中國仍然遠遠落后于發達國家。根據我國溫室灌溉的現狀，要實現適時適度灌溉，還有許多關鍵技術問題需要解決。這些技術和設備在國內還處于研發階段，遠遠不能滿足國內溫室灌溉的需要[4]。雖然我國節水灌溉技術取得了很大的進步，但推廣應用仍然非常困難。推廣節水灌溉不僅是一個技術問題，也是一個社會經濟問題[5]。

前人的研究證明了我國現如今節水灌溉技術還有技術難關需要突破，但是能否在減少灌溉量的基礎上，將植物呼吸作用產出水分，亦或是將有限的降雨利用在灌溉中的新型灌溉技術的普及帶來的效益并未提及。本文介紹多種新型的節水灌溉技術，基于人們生產和生活對水的需求不斷擴大，我國必須大力推廣和應用節水灌溉新技術，盡可能地提高農業水資源的配置效率和應用價值，以促進我國農業的可持續發展，為廣大人民群眾的生產和生活奠定堅實的物質基礎。

1 材料與方法

1.1 模型變量的選擇

農業年用水量不僅與一年的氣候條件有關，還與總耕地面積和各種作物播種面積的變化有關。一年中各種作物的耕地面積和播種面積的變化很大程度上決定了農業用水量的變化[3]，因此被視為分析模型的因變量。耕作面積和蓄水量也是重要的影響因素，大致可以分為以下幾類：①單位面積灌溉用水量對灌溉技術發展的影響[4]；②國內農業節水灌溉機械發展現狀對灌溉技術發展的影響；③水資源儲備對農業節水灌溉技術發展的影響。

1.2 本文數據的獲取

由于中國知網在某些年份存在統計數據的缺失，由此在前瞻數據庫等其他數據統計網站收集到了缺少的數據，再對2000 年—2020 年的數據進行SPSS 分析，用2000 年—2020 年的數據驗證精度（表1）。

1.3 數據的分析與處理

1.3.1 模型單因素篩查

為了保證多元線性回歸模型的準確性與合理性，需要計算和分析每個因素之間的相關系數，從而獲得變量之間的相關性，只有與因變量高度相關的自變量才適合引入模型，以保證模型回歸的準確性；一般將關聯度分為以下幾種情形：|R|≥0.8，高度相關；0.5≤|R|≤0.8，中度相關；0.3≤|R|≤0。5，低度相關；|R|＜0.3 時，相關程度極弱，可視為不相關。**在0.01水平（雙側）上顯著相關。*在0.05 水平（雙側）上顯著相關。根據表1收集的原始數據可計算得到它們之間的相關系數見表2。由表2 可知：X1、X2、X3、X4、X5與用水總量Y呈高度相關的指標作為自變量引入模型；相關性分析還表明，自變量X1、X2、X3、X4、X5之間存在比較嚴重的共線性。

表1 中國用水總量影響因素分析Tab.1 The analysis of influencing factors of total water consumption in China

表2 用水總量影響因素相關性分析Tab.2 The correlation analysis of influencing factors of total water consumption

1.3.2 多元線性回歸模型的選擇

影響我國灌溉技術發展的因素很多，自變量時間序列之間仍會存在共線性。如果采用逐步線性回歸，回歸模型中的隨機誤差將具有自相關性。因此，本文采用多元線性回歸模型進行研究分析，并對該模型進行統計檢驗和修正。模型參數測試見表3。從表3 的數據可以看出，模型的可確定系數R2為0.844，調整后的R2為0.792，說明模型的整體擬合度較高，選取的解釋變量對合成橡膠產量的解釋程度較高。通過檢驗，說明解釋變量有顯著影響。

表3 參數的檢驗Tab.3 The inspection of parameters

1.3.3 多元線性回歸模型的建立

自相關時間序列回歸分析的回歸模型可用式（1）表示：

式中：a——常數；k1、k2、k3、k4、k5——模型中的系數。

在SPSS 軟件中使用自相關回歸分析法對表1 數據進行回歸分析。

1.3.4 多元線性回歸模型的驗證

將2018 年—2020 年的數據作為為驗證，并由式（2）計算偏差率：

式中：d——偏差率，該值越低則模擬結果越優異。

2 結果

2.1 模型自變量的確定

其中，農業節水灌溉機械套數、大型水庫容量、節水灌溉面積、農田灌溉面積、農田灌溉用水量的R值皆＞0.8，與國內用水總量高度相關。

因此，倒入模型的自變量農用節水灌溉機械X1、大型水庫容量X2、節水灌溉面積X3、農田灌溉面積X4、農田灌溉用水量X5。

2.2 用水總量與影響因素的時序變化特征

自2000 年以來國內用水總量及其影響因素（圖1）用水總量、農業節水灌溉機械套數、大型水庫容量、節水灌溉面積、農田灌溉面積和農田灌溉用水量都大致呈現逐年增加的趨勢，2020年由于疫情影響，影響因素的趨勢都略有下降。

圖1 相關指標隨時間變化統計圖Fig.1 The statistical chart of changes of relevant indicators over time

用水總量自2000 年—2020 年始終保持著平緩的上升趨勢，從5 497.6×108m3升至5 994.3×108m3。農業節水灌溉機械的套數自2000 年—2020 年，由于節水灌溉技術的興起，也保持著緩慢上升的勢頭，從158.3×104套增加至250.7×104套。

大型水庫容量呈現著階梯式迅速上漲的勢頭，2000年—2020 年，容量從3 843×108m3激增至7 163×108m3。主要原因是由于溫室效應的影響：當二氧化碳濃度翻倍時，全球氣候會有明顯的變化。低層大氣和地表會明顯變暖，地表平均溫度可能上升1.5～4.5。與地表溫度變化相反，平流層會明顯降溫；全球平均降水量和蒸發量增加，變暖越明顯，降水量和蒸發量增加越多[5]。農田灌溉面積和節水灌溉面積隨著人口的增加，糧食需求量也在不斷升高，因此，2000年—2020年灌溉面積穩步上升，分別從5 934.16×104hm2和1 638.9×104hm2增至7 212.7×104hm2和3 409.7×104hm2。農業灌溉用水量也隨著灌溉面積的增加而增多，自2000年的2 767×108m3增長至2020年的3 207×108m3。

2.3 回歸模型建立

由表4可知用水總量多元回歸模型：

表4 最大似然估計Tab.4 The maximum likelihood estimation

其中，各自變量對中國總用水量的貢獻顯著（P＜0.05）。該模型進行了方程和參數的顯著性檢驗，因此這5 個因素可以被確定為中國總用水量的關鍵影響因素，這些因素可以用來解釋中國總用水量的變化規律和原因。

通過表4 的標準系數分析，可得知大型水庫容量的標準系數為1.238，對中國用水總量影響程度最高，且呈現正相關，這說明大型水庫容量極大的促進了用水總量的提高。用水量的很大一部分是來自于水庫水，可以說水庫的水量能直接影響到用水總量[6]。節水灌溉面積的標準系數為0.549，說明對用水總量影響高，且呈正相關，側面說明節水灌溉對用水總量的促進關系。隨著節水灌溉技術的發展，農戶的使用意愿大大增加，因此更加增加了種植面積，反而用水總量也有所提高[7]。農田灌溉用水量的標準系數為0.472，說明呈正相關，且對用水總量有影響但影響程度不高，隨著灌溉技術的發展，農田灌溉用水量的影響對于用水總量的影響也在逐漸降低。農業節水灌溉機械的標準系數為-0.61，與因變量呈現負相關的趨勢，且相關性較高，可知農戶擁有農業節水灌溉機械后，在不增加農田種植面積后，用水總量會逐漸減少。農田灌溉面積的標準系數為-0.79，呈負相關，說明在節水灌溉的大環境下，農田的灌溉面積越大，在原基礎上的用水呈減少趨勢。

表5 2018年—2020年數據驗證Tab.5 The data validation from 2018 to 2020

2.4 回歸模型驗證

從表4 中可以看出，將公式（3）中2018 年—2020 的數據與實際用水總量計算得出的模擬值偏差率分別為1.28%，0.67%，-1.65%，均不超過5%。得出了模擬結果優秀的結論。

3 討論

經過本文的數據分析，在20 年間，國內節水灌溉技術的發展正加快推進，大型水庫容量成為影響用水容量變化的重要因素，對農業節水灌溉技術的發展有十分顯著的貢獻。從長遠來看，再增加大型水庫座數不僅耗費人力物力資源，還要侵占大部分土地面積。鑒于此，可以經過改變以下幾個因素來努力改善國內節水灌溉技術的發展。

3.1 增加節水灌溉的使用以增加節水灌溉面積

水資源的愈加短缺和用水量的不斷擴大，人們為了保證農作物的灌溉或者是為了盡可能多的灌溉種植的農作物，其越來越傾向選擇噴灌、管道輸水及微灌等先進節水灌溉技術，而耕地細碎化指標也經過檢驗，系數為負。表示在一定的灌溉面積內，越是精耕細作，越愿意采用節水灌溉技術[4]。所以，可以通過增加節水灌溉的使用來增加節水灌溉面積，最后再以巨大市場需求來刺激節水灌溉技術的發展。

3.2 保持農業節水灌溉機械數量的穩定增長

中國是世界上缺水的國家之一，因為幅員遼闊，水資源分布不均，降水時空分布差異很大，旱澇頻繁。多年來，節水灌溉機械在農牧業生產和抗旱排澇中發揮了重要作用[12]。因此，我國應該根據實際的農業需求和節水灌溉技術發展情況，保持節水灌溉機械數量的穩步增長，在最大程度上加大其對節水灌溉市場的影響，用大需求刺激高發展。

3.3 加大對農業節水灌溉技術的扶持

本文并沒有將國家對節水灌溉技術的扶持作為一個變量進行分析，實際上，從“九五”規劃中就已經提出要“大力普及節水灌溉技術”[9]。水資源短缺和節水將是中國面臨的一個永恒主題，關系到國家糧食安全和生態安全。農業節水將是緩解我國水資源供需矛盾的主要途徑。因此，建議國家和地方相關部門組織相關領域科研機構、技術推廣部門開展節水灌溉聯合研究，擴大節水灌溉技術的應用領域和范圍，使我國節水灌溉技術實現可持續發展，取得更好的節水效果和更大的經濟效益。

受測試條件的影響，本文還存在一些不足，需要在以下幾個方面進行改善：①本文數據單一，只能從某些方面進行分析，無法全面分析用水量的變化；②本文缺乏實地調查和試驗，主要通過文獻和其他學者的數據和理論進行分析和總結。

4 結語

文章以2000 年—2020 年的用水總量的變化作為研究對象，通過對農用節水灌溉機械、大型水庫容量、節水灌溉面積、農田灌溉面積、農田灌溉用水量進行線性回歸分析，建立了多元線性回歸模型，最后得出模型模擬結果優秀的結論。為未來新形勢下中國農業節水灌溉技術的發展提供科學依據。

（1）農用節水灌溉機械、大型水庫容量、節水灌溉面積、農田灌溉面積、農田灌溉用水量均能比較明顯地影響我國用水總量，通過模型的建立可以反映不同變量的影響程度。大型水庫容量和節水灌溉面積對用水總量的影響最為顯著，因此可以通過增加大型水庫容量和最大限度增加節水灌溉面積可以有效影響我國用水總量，從而擴大節水灌溉的市場。

（2）根據農業需求和節水灌溉積水的發展現狀，刺激節水灌溉的市場，防止因為市場前景而導致技術發展緩慢。

（3）決策者可以通過國內外農業節水灌溉企業，大型水庫容量和社會需求再預測我國節水灌溉的市場需求，從而來定制準確的發展計劃，獲取最大的發展動力和經濟效益。