基于農業水循環結構和水資源轉化效率的農業用水調控策略分析

楊貴羽，王 浩

（中國水利水電科學研究院水資源研究所，100038，北京）

一、我國農業用水現狀及存在的問題

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，區域間變異性極大。據統計，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；又由于南北方耕地資源分布的差異，導致長江以南地區每公頃耕地水資源占有量為28695m3，長江以北地區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區持續向缺水和生態脆弱的北方地區轉移，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業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加大，進一步加劇了我國農業水資源的緊張情勢。

在此客觀條件下，隨著農業科學技術的發展和糧食需求的增加，我國農業用水量、用水結構和用水效率均發生了較大的變化。在用水量方面，自新中國成立以來農業用水經歷了快速增長（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，由于節水措施的實施和各種抗旱品種的推廣，農業總用水量較2000年略有下降，維持在3615億m3。與此同時，農業用水占國民經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，相對于其他產業，農業用水量仍在國民經濟各產業中占有最大比例（見圖1）。另外，隨著人民生活水平的提高，飲食結構的變化，我國農業用水整體呈現出農田灌溉用水量減少、林牧漁業的用水量緩慢增加的演變趨勢。據統計，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，在農業用水中所占的比重由94%下降到90%；同時用于林牧漁業的水量緩慢增加，近20年來維持在355億～360億m3之間。

伴隨著用水量和用水結構的變化，農業用水效率也有了較大的提高，耗水系數由20世紀90年代末的0.56增加到2004年的0.7（見圖2）。但與發達國家相比，我國農業用水的整體利用效率仍處于較低的水平。據統計2007年全國農業灌溉水利用系數在0.47左右，糧食生產中的水分利用效率在0.8 kg/m3左右，即生產1t糧食耗水量達1 250 m3，而節水發達的國家在2000年灌溉水利用系數就達到了0.7～0.8，生產1t糧食的用水量在1000m3以下。

二、農業水循環的結構及其水資源轉化效率解析

1.農業水循環結構剖析

農業是人類發展的基礎產業，其本質是通過培育動植物，生產糧食及工業原料滿足人類生存和發展的需要。隨著人類認識自然和適應自然能力的發展，農業的內涵不斷拓寬和延伸，在原始農業、傳統農業之后出現了現代農業、都市農業、生態農業以及低碳農業等新型的農業范疇。與之相伴的農業水循環系統也發生了改變，使得農業水循環系統變得愈來愈復雜，循環邊界不斷擴大，循環環節不斷增加，循環路徑不斷延長，循環通量不斷擴大，但是其基本服務功能始終沒有改變。就其本質仍然是由從水源到作物耗水的實體水和農產品交易中攜帶的虛擬水循環過程共同構成，是一個由水源到農產品產出再到農產品流通等不同循環子過程構成的社會水循環大系統，是社會水循環系統的重要組成，是服務于農業生產和服務的水分流轉過程。其水源來自于降水及其派生的一次性徑流資源和再生水，表現為消耗型和非消耗型兩種狀態，顯示為“實體水”和“虛擬水”的循環方式。

對于農業“實體水”的循環，集中的表現為通過農業種植業代替自然植被間接方式影響并參與自然水循環的過程，和伴隨 “供 （取）—用—耗—排”水等環節直接方式影響并參與自然水循環的過程。隨著農業種植結構的調整，各種灌溉制度和灌溉節水措施的實施使農業“實體水”的循環過程變得更加復雜。

對于“虛擬水”的循環，隨著區域經濟的快速發展，糧食等農產品的流通增強，附著在農產品上的水循環的鏈條進一步延長，即“虛擬水”循環過程在農業水循環系統中變得愈加重要，且隨著與“實體水”的轉化及自然水循環的相互作用、相互影響，這進一步加大了農業水循環系統的復雜性。

盡管隨著產業鏈條的延長，農業水循環途徑變得愈加復雜。但是按照水分流通過程，農業水循環系統的基本結構可以概括為五個過程：①取水過程：即通過灌溉輸配水系統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化及土壤水再分配過程，即由降水和徑流性水資源轉變為土壤水的過程；③用耗水過程：從作物體根系經作物體再到大氣，非徑流性土壤水資源向氣態水轉化的過程，作物吸收水分后通過光合作用將輻射能轉換為化學能，最后形成碳水化合物的用（耗）水過程；④排水過程：將多余水量排出農業系統的過程；⑤農產品流通過程，即區域實體水與區域間農產品虛擬水間的轉化過程。各個過程既相互作用又相互影響，而且又與自然水循環過程密切聯系（見圖3）。

2.基于農業水循環過程的水資源轉化效率分析

由以上分析可見，農業用水過程實質是由可見的從水源到作物耗水的實體水和農產品交易中攜帶的看不見的非實體水——虛擬水流過程共同構成的，是一個由水源到農產品產出再到農產品流通等不同循環子過程構成的一個“自然—人工”復合水循環大系統，涉及水文循環過程、作物生長發育的生理過程、水資源配置過程以及區域經濟結構的合理調控過程等相關內容，因而農業水循環過程是一個以水為媒介的綜合體。由于其涉及的內容較多，各部分循環過程的機理也不同。

由農業水循環中水資源轉化的通量可見，在供水水源方面，主要體現為常規水資源和非常規水資源以及土壤水資源的供給；在消耗方面，集中地體現為蒸發蒸騰和深層滲漏。蒸發蒸騰發生在農業水循環的各階段，包括取（輸）水、排水過程的渠系土壤蒸發和水面蒸發，以及農田土壤蒸發和作物植被蒸騰；深層滲漏亦發生在水循環的各環節。這說明耗水發生在農業用水過程中的各個環節。結合水資源需求管理的本質在于對水資源消耗的管理。以下結合農業水循環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：雖然在生態環境系統發揮了重要的作用，且從區域水資源的整體而言并沒有被消耗，但就農業系統而言，其并沒有最大效率地服務于農業。因此，此部分水量屬于農業水的消耗范疇，按照水資源的消耗效率的評價標準（是否參與生產的標準），可認為是非生產性無效消耗。減少其消耗量成為農業水循環調控的一個重要方面。

（2）農作物蒸發蒸騰消耗量：是農業水循環系統中最主要的消耗項，主要發生于SPAC系統，是在大氣和作物體間水勢梯度差的驅動下，通過克服土壤—根系界面、農作物體內不同器官以及作物與大氣界面間的阻力，由農作物根系吸收土壤水分，經莖、葉等器官進入大氣、轉化為作物水（農產品的組成）的用（耗）水過程，其中土壤蒸發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境因素所決定，主要取決于農作物葉片周圍的水汽壓、根系影響層土壤含水量。據有關研究分析，在農作物的蒸騰水量中，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。若以參與農作物干物質生產的蒸騰為生產性高效消耗，則奢侈蒸騰部分則應為生產性低效消耗。因此，在農業用水過程中，合理調控土壤水分，維持冠層阻力和冠層附近濕度，可提高蒸騰轉化效率，進而改善農業水循環系統用（耗）水效率。

棵間土壤蒸發是農業水系統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直接轉化為氣態，并散失到大氣中的自然水循環過程。盡管農田棵間土壤蒸發可通過調解農田微氣候間接影響農作物生長發育，但是相對于農業系統的生產而言卻并沒有發揮直接作用，因此可認為是生產性低效消耗。通過適當方法降低棵間蒸發也是農業水循環系統中改善用水效率的方向之一。

總之，結合我國農業用水現狀和農業水循環過程及水資源演變機理的剖析可見，農業用水過程中水循環的結構變得極為復雜，且在高強度人類活動的影響下又呈現出循環邊界不斷擴大、循環環節不斷增加、循環路徑不斷延長的演變特點。與此同時，伴生在不同循環環節的水資源轉化效率也存在明顯差異。面對我國農業水資源的現狀，立足于農業水循環過程及其水資源轉化效率，以提高水資源的利用效率為宗旨，開展基于農業水循環過程的農業用水調控已成為刻不容緩的問題。

三、基于農業水循環過程的農業用水調控策略

鑒于我國農業發展所面臨的水土資源形勢，立足于農業水循環過程，加強開源和節流成為解決農業水資源不足的有效措施。在開源方面，應基于農業水循環供給環節，增加農業可利用水資源量；在節流方面，應基于農業水循環用（耗）水環節，提高農業水資源利用效率。

1.基于農業水循環供給環節，增加農業可利用水資源量

基于農業水循環供給環節，增加農業可利用水資源量，是結合農業水循環過程，從“開源”角度對農業水循環的調控。農業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（包括工業生活廢污水經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，可有效緩解農業用水的緊張。對于降水資源的充分利用，應加強以下方面的調控：

（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，必須結合區域降水特點，合理配置水利工程設施，加強農田水利設施建設，重視集雨工程設施如水窖、坑塘以及地下水庫等設施的建設，實現降水在時間分布上的調控，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，可緩解農業資源的緊張，達到抗旱應急的目的。

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

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

2.基于農業水循環用（耗）水環節，提高農業水資源利用效率

基于農業水循環用（耗）水環節，提高農業水資源利用效率，即是從“節流”角度保障農業水資源。長期以來我國農業水資源利用效率較低，全國灌區水利用系數僅為0.47，不及發達國家的一半。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業水資源不足又一重要方面。因此，結合農業水循環過程，以“耗水”管理為核心，對水循環諸環節進行調控，提高農業水資源的利用效率，是我國農業水循環調控的基本策略，即針對農田水資源的消耗效用，加強區域土地資源的覆被，調整種植結構、減少高耗水作物的種植，大力推廣節水保墑等措施。通過調控農田棵間土壤蒸發和休耕期土壤蒸發，減少土壤的生產性低效消耗，增大農作物蒸騰的有效消耗。另外，在田間結合農作物生理特點和區域氣候特點，開展綜合區域水資源特點的經濟灌溉制度（非充分灌溉和種植結構調整相結合的灌溉制度），可提高蒸騰效率。

具體的調控策略集中體現為以下三方面：

（1）加強總量控制和定額管理，提高灌溉水利用效率。以農業水循環的基本過程為對象，一方面要加強農田灌溉輸水過程中的水分的調控，以減少非生產性消耗，提高輸水效率；另一方面要在田間，結合區域的特點和農業水循環過程中水資源的消耗效率，以減少非生產性無效消耗或生產性低效消耗為指導，按照水資源的供耗水關系，合理配置水資源，提高各種水源的利用效率，嚴格控制農業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。根據國家科技攻關研究，我國北方旱作農區降水量的20%以徑流損耗，而休閑期無效水分蒸發占降水的24%，真正能夠被農業生產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，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業水資源的不足。

（3）挖掘植物抗旱特性，發展生物節水技術，提高農作物水分轉化效率，提高生產性高效消耗的比例，可減少水資源的浪費。

3.加強管理

國際公認的灌溉節水潛力為50%，因此提高水資源開發利用的管理水平是實現水資源高效利用和改善我國農業生態環境的根本保障。為此，在重視農業用水過程中“開源”和“節流”兩個基本過程的同時，亦要加強農業用水管理。因為合理的管理方式是保證農業用水過程中 “開源”和“節流”重要手段。應大力加強促進農業水資源可持續利用的高效用水社會保障體制建設，努力建設農業高效用水管理體系。

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