生命周期條件下農業用水增值研究

王瑞波,姜文來

(1.中國農業科學院農業經濟與發展研究所,北京 100081;2.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所, 北京 100081)

我國農業用水占社會總用水量的70%。農業用水短缺與浪費并存,水利用率和利用效率低下是農業用水面臨的嚴峻挑戰。目前,我國灌溉用水利用系數只有0.5 左右,與發達國家的0.7 ～0.9 相比,相差0.2 ～0.4。從用水效率來看,我國節水水平與國際相比較低。農業用水的利用率和利用效率成為制約我國農業發展的“瓶頸”,亟待解決。

生命周期(life cycle)的概念來自于生物學, 后來,經濟學家和管理學家將其引入到企業和產品中來,創立了企業生命周期理論和產品生命周期理論。經過不斷發展和完善,生命周期的概念已被廣泛應用到政治、經濟、環境、技術、社會等諸多領域,其基本含義可以通俗地理解為“從搖籃到墳墓”的整個生命周期各階段的總和。農業用水作為一種特殊的水資源同樣具有生命周期,劃分農業用水生命周期階段,探討農業用水增值的理論和模型[1],研究生命周期條件下農業用水增值的模式和途徑,對于有效提高農業用水的利用率和利用效率,解決目前我國面臨的農業用水危機意義重大。

1 農業用水的生命周期階段劃分

農業用水生命周期包括開發階段、利用階段和廢棄階段。具體階段的劃分詳見圖1。

圖1 農業用水生命周期的階段劃分

1.1 農業用水生命周期的開發階段

農業用水生命周期的開發階段是指從各種地表或地下水源抽取水資源,通過溝、渠、管道等向農業生產各環節進行水資源輸送,以滿足農業生產需要的過程。生命周期開發階段的農業用水可以來自降雨,也可以來自雪水融化、江河湖泊以及地下水源等。多數情況下,用來自水源的淡水進行農業灌溉不需要進行處理。某些時候,抽取的水必須經過各種處理以達到某種水質的安全標準。

1.2 農業用水生命周期的利用階段

農業用水生命周期的利用階段是指農業生產的各個環節對水資源的消耗,具體包括農業產前階段的農資生產與運輸對水資源的消耗,產中階段農業生產對水資源的消耗與利用,產后階段農產品加工與銷售對水資源的消耗與利用。產前階段主要包括農業生產資料(化肥、農藥等)原材料的開采、加工和運輸,農資的生產、包裝和運輸等環節,這些環節都會消耗一定量的水資源;農業生產的產中階段主要包括整地、施肥、病蟲害防治、作物生長和收獲等環節,其中對水資源的利用主要是在作物生長環節;農業生產的產后階段主要包括農產品加工、包裝、運輸,農產品銷售、消費,農業廢棄物焚燒及填埋、再利用等環節,這些環節都會消耗一定的水資源。總體上,農業生產對水資源的消耗和利用主要集中在產中階段,產中階段消耗的水資源占農業生產用水的絕大部分。

1.3 農業用水生命周期的廢棄階段

農業用水生命周期的廢棄階段是指在農業生產過程中水資源的蒸發、滲漏以及通過地表或地下徑流重新返回地球水循環系統,以及農業生產過程中的污水通過排放進入水體環境的過程。在廢棄階段,最需要關注的是農業生產導致的水污染問題。農業生產造成的水污染可能來自產前、產中和產后的各個環節。在農業生產的產前階段,農業生產資料原材料的開采、加工以及農資產品本身的加工都會產生多種可能導致水污染的有害物質;在農業生產的產中階段,由于大量使用化肥和農藥,而這些化學物質經雨水沖刷會流入水環境之中,對水資源造成污染(即面源污染),目前世界范圍內這種面源污染越來越嚴重,成為水體污染不可忽視的重要來源;在農業生產的產后階段,農產品加工環節生產的污水,以及農業廢棄物不合理處置都會對水體環境造成污染。

2 農業用水生命周期增值的理論及模型

2.1 農業用水生命周期增值概念內涵

農業用水生命周期增值可以解釋為農業用水在開發、利用與廢棄的生命周期過程中,農業生產以盡可能少地水資源消耗量,提高農業用水的利用率和利用效率,創造出盡可能多的有效價值和服務。

農業用水增值具有正效應和負效應的“兩極效應”。農業用水增值的正效應是指在農業生產過程中,水資源的開發利用為人類所創造的利益和價值,它主要表現為農業生產用水所帶來的經濟價值,也包括其產生的社會價值和生態環境價值。農業用水增值的負效應是指在農業生產過程中,水資源的開發利用對人類社會造成的危害和利益損失,這種危害和損失的利用可能是經濟方面的、社會方面的,也可能是生態環境方面的。

2.2 農業用水生命周期增值的正效應模型

農業用水生命周期增值的正效應包括農業用水產生的經濟價值、社會文化價值和生態環境價值。不過,由于生產農業用水產品需要投入大量資金,因此,計算農業用水增值的正效應時應扣除這部分投入。農業用水生命周期增值的正效應可以由式(1)表示：

式中：Wi 為i 種農作物灌溉凈用水量;n 為農作物種類數;εi為不同水文年不同作物灌溉增產效益分攤系數,它的數值可以通過統計數值求算;Pi為第i種作物的價格;Y i 為第i 種作物當年產量;Y 0 為第i種農作物灌溉前的產量。

農業用水增值產生的正效應進一步可以劃分為農業用水生命周期開發階段、利用階段、廢棄階段的增值的正效應,在農業用水生命周期開發階段,農業用水開發的經濟價值體現為農業水利設施的投資與建設費用,以及開發利用水資源進行綜合科學考察、調查評價和統一規劃而投入社會資源和勞動;農業用水開發的社會文化價值體現為農業水利設施作為美學、文化和歷史方面的價值;農業用水開發的生態環境價值體現為農業水利設施建設對生態環境改善、氣候調節、水量季節變化調整等方面積極作用。在農業用水生命周期的利用環節,農業用水產生的經濟價值主要是利用水資源創造的第一產業產值;此外,農業水利設施對于航運、旅游等水資源利用方面也具有重要的經濟價值和社會文化價值。最后,在農業用水生命周期的廢棄環節,農業用水的主要價值在于其對涵養水源、水循環等方面重要的生態環境作用。

2.3 農業用水生命周期增值的負效應模型

農業用水生命周期增值的負效應包括農業用水造成的經濟損失、社會文化損失和生態環境損失。從農業用水生命周期的不同階段來看,農業用水生命周期增值的負效應可進一步劃分為農業用水生命周期開發階段、利用階段、廢棄階段增值的負效應。因此,農業用水生命周期增值的負效應可由式(3)表示：

具體來說,在農業用水生命周期開發階段,農業用水開發造成的經濟損失主要表現為興修農業水利設施產生的居民搬遷費用、水淹沒區域的經濟產值以及為治理相關環境問題而投入的治理費用等;農業用水開發造成的社會文化損失包括文物古跡的消失、地理環境的改變等;農業用水開發造成的生態環境損失包括農業水利設施建設對氣候的不利影響、對環境的直接破壞或污染、河流淤積與污染物集中等。在農業用水生命周期利用階段,農業用水造成的損失主要是過度開采地表和地下水源造成的河流干涸、地下水位嚴重下降、水土流失嚴重等生態環境損失,以及為治理這些生態環境問題而投入的治理費用。在農業用水生命周期廢棄階段,造成的主要損失是農業產前、產中和產后階段對水體環境造成的污染,特別是由于化肥和農藥的使用,以及畜牧養殖業廢棄物等形成農業面源污染問題;此外,為治理這些污染所投入的高額治理費用是其經濟損失的重要體現。

在農業用水生命周期過程中,最需要關注的增值負效應是農業用水污染對環境產生的負效應。農業用水污染產生的負效應可以由式(4)表示：

式中,Vapn為農業用水污染產生的負效應價值估算;∑Ji為治理農業用水污染所投入各種費用;∑Wi為農業用水污染所造成的直接經濟損失;∑Li為農業用水污染引發的間接經濟損失;Q 為農業用水污染總量。

2.4 農業用水生命周期增值的耦合模型

農業用水生命周期增值是農業用水生命周期過程中增值的正效應和負效應相互疊加而形成的耦合增值。農業用水生命周期耦合增值可以用式(5)表示：

3 生命周期條件下農業用水增值的主要模式

按照來源不同,農業用水分為天然水與灌溉水兩部分。天然水主要來源于降雨和土壤含水層;灌溉水是指通過渠道、揚水站等農田水利設施從江河湖泊等地表水源或地下水源中獲取的水資源。在作物生長過程中,天然水與灌溉水共同發揮著重要作用,并可以相互替代。但從水資源的開發利用與管理的角度來看,農業用水生命周期增值的核心是灌溉水的高效利用。農業用水生命周期增值可以理解為農業生產要以盡可能少的水資源消耗量,創造出盡可能多有效價值和服務。而要實現這一目標,必須在開發、利用與廢棄的農業用水生命周期過程中,采取一定的技術手段和措施,降低水資源消耗,提高水資源利用效率,減少水資源污染。因此,農業用水生命周期增值的模式可以劃分為：農業用水的開發階段增值模式、利用階段增值模式和廢棄階段增值模式。圖2 描述了農業用水生命周期增值的模式。

圖2 農業用水生命周期的主要增值模式

農業用水開發階段增值主要解決的是提高灌溉水的灌溉效率問題,農業用水利用階段增值主要解決的是提高灌溉水的水分利用效率問題,農業用水廢棄階段增值主要解決的是減少農業面源污染的問題。以下分別討論各階段的增值模式。

a.農業用水開發階段增值模式。在農業用水的開發階段,水資源的消耗主要體現為在灌溉水從水源地到田間被作物吸收利用的過程中,由于滲漏、蒸發等造成的水量無益損耗。灌溉水的開發需要經過取水、輸水、配水、灌水幾個環節,每個環節都存在水量的無益損耗。因此,農業用水開發階段增值的關鍵是提高農業用水的灌溉效率,灌溉效率通常是指灌入田間可被作物利用的水量與渠首引進的總水量的比值。

b.農業用水利用階段增值模式。在農業用水的利用階段,水資源消耗和利用主要體現為作物對水資源的消耗。此時,提高作物水分利用效率成為農業用水增值的關鍵。

c.農業用水廢棄階段增值模式。在農業用水的廢棄階段,水資源的消耗與利用已完成,但由于在利用階段化肥、農藥等使用以及農業廢棄物的排放等原因,形成了對水資源的污染。此時,農業用水廢棄階段增值的核心是減少水資源污染,解決由于水質下降導致的水質性缺水。

4 生命周期條件下農業用水增值的途徑

4.1 農業用水開發階段增值的途徑

農業用水開發階段增值模式的主要目標：通過采取技術先進、經濟合理的各種工程與非工程措施、途徑和方法,減少灌溉水的無益損耗,提高農業灌溉水利用率和利用效率。其主要的技術途徑有農業用水資源的合理開發技術、輸配水節水工程技術和田間節水灌溉工程技術。

4.1.1 農業用水資源的合理開發技術

農業用水有多種來源,包括雨水、地表水、地下水、土壤水、微咸水和經過凈化處理的廢污水等。為保證農業生產的用水需求,采用必要的工程技術措施,對天然水資源進行有目的的干預、控制和改造,對于合理開發農業水資源十分重要[2]。

4.1.2 輸配水節水工程技術

a.采取渠道防滲、管道輸水技術,減少灌溉水的滲漏損失。為提高渠道防滲的效果,應不斷優化渠道輸水斷面形式和改進渠道襯砌工藝。管道輸水灌溉技術是以管道代替明渠進行灌溉的方法,它通過人工措施或自然壓力給灌溉水加壓,然后由低壓管網將水輸入田間進行灌溉。與土渠輸水灌溉相比,管道輸水灌溉技術減少了灌溉輸水過程中的滲漏與蒸發損失[3]。

b.實行井灌與渠灌相結合。具體做法是以地下水為調蓄水庫,對降水和灌溉水進行調蓄,在用水淡季利用渠系引水,在用水高峰期以地下水作為補充水源。這種井灌與渠灌相結合的方法可在空間上和時間上對水資源進行合理調節,很大程度上提高水資源的利用效率,同時也可通過提高水的重復利用率,有效控制地下水位,使降水更有效地轉化為土壤水[4]。

4.1.3 田間節水灌溉工程技術

田間灌溉工程技術通過把引入田間的水,均勻地分配到指定的面積上,使水儲存在土壤中轉變成土壤水。田間灌溉技術全面灌溉與局部灌溉兩大類,全面灌溉包括地面灌溉(分為畦灌、溝灌、淹灌和漫灌)和噴灌;局部灌溉包括滴灌、微噴灌、滲灌和膜上灌等。當前,取得新進展的主要是噴灌、微灌、田間灌溉自動化等先進灌溉技術[5]。

4.2 農業用水利用階段增值的途徑

農業用水開發階段增值模式的主要目標是提高農業用水的水分利用效率,其主要的技術途徑有以下幾個方面。

4.2.1 減少無效蒸發

降低無效蒸發是提高農業水資源效率的重要技術途徑,具體是減少土壤蒸發和作物奢侈蒸騰。這里只討論減少土壤蒸發。土壤表面蒸發浪費水分驚人,特別是在干旱和半干旱地區更是如此。據估算,半干旱區蒸發量占降水量的55%～65%,相當于作物總耗水量的1/4 ～1/2,所以,減少土壤蒸發成為提高農業水資源效率的重要途徑。為了減少土壤蒸發,目前比較成熟的技術是采用地膜覆蓋和秸稈覆蓋[6]。

4.2.2 節水高產施肥、培肥技術

“以肥調水”技術是農業用水增值的重要手段。研究表明,作物的產量與溫度、光照、水分、肥料等因素有密切關系,在其他因素不變的條件下,作物的需水量與肥力相互耦合,呈現出規律性變化關系。通過調節土壤肥力可以獲得較大的水分利用效率。由于在一些地區,特別是干旱或半干旱地區,水分是影響作物生長主導限制因子,因此,可以通過以肥調水,提高農業用水增值。各地區應該根據各地的實際情況,尋求以肥調水的最佳方案,在實踐中大力提高農業用水增值[6]。

4.2.3 大力推進節水高產灌溉制度

節水灌溉制度是農業高效用水的基礎,它針對農作物的生理特點,通過灌溉和農藝措施,調節土壤水分,對農作物的生長發育實施促、控結合,以獲得最佳經濟產量的灌溉方式[6]。

實踐表明,各種農作物不同發育階段對水分的需求有很大差異,并非全生長期都要求土壤濕潤才能穩產高產。一般而言,在作物營養生長盛期和受粉、受精期需水量較多,而在苗期和營養生長結束,生殖生長開始階段,可以適度水分虧損而不減產[7]。

4.2.4 積極發展研究農業節水高新技術

節水農業的發展和效益的提高最終依靠科學進步來實現,特別是高新技術,它代表了節水農業發展方向,是中國農業能夠在21 世紀跨入世界前列的重要支撐力之一。噴灌、滴灌技術是灌溉新技術的重要組成部分,它是一種先進的灌溉技術,在一些發達國家普遍使用,我國一些經濟較發達的地區也在采用,節水增產顯著,而且高產及獲得額外的效益,提高了農業水資源效率[8]。

4.3 農業用水廢棄階段增值的途徑

農業用水廢棄增值的主要目標是減少農業面源污染,改善水資源質量,其主要的技術途徑可概括為源頭控制與末端治理兩種方法,前者的核心措施是研究和發展環境友好型、資源節約型的先進農業生產技術;后者的核心措施是開展農業廢棄物資源化利用和無害化處理,建設農區植物緩沖帶和生態濕地,削減廢棄物排放,控制農業污染源進入受納水體。

4.3.1 源頭控制方法

源頭控制方法,依靠農業科技,研究和發展環境友好型、資源節約型的先進農業生產技術,通過鼓勵農民自愿或通過政府獎懲措施,推動農民采用新的替代技術以替代原有的技術,如優化施肥技術,高效、低毒、低殘留農藥的生產與噴施技術,病蟲害綜合防治技術,水土保持技術,清潔生產技術等。此外,在重要的水源保護區和流域,制定和執行限定性農業生產技術標準,減少農田、畜禽養殖業和農村地區氮、磷徑流和淋溶等排放[9]。

4.3.2 末端治理方法

a.濕地污水處理技術。濕地系統一般分為天然濕地和人工濕地兩種,目前應用較為廣泛的是人工濕地。該技術是指在特定的填料上種植特定的濕地植物,建立起人工濕地生態系統[8]。人工濕地對總氮(TN)、總磷(TP)、化學需氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)、重金屬等有較高的去除率,正常情況下面源主要污染物去除率分別為：TN 60%,TP 50%,TDN 40%,TDP 20%,TSS 70%和COD 20%[9]。同時,污水凈化過程中實現一定程度的資源化,可使下游水質好轉,提供魚類、野生動植物的棲息地和繁殖地,減緩水土流失等[10-11]。

b.植被緩沖帶技術。緩沖帶是指利用永久性植被攔截污染物或有害物質的條帶狀、受保護的土地。用于農業面源污染控制的緩沖帶,指建立在河湖、溪流沿岸的各類植被帶,包括林地、草地等。植被緩沖帶能防止大氣降塵、田間泥沙、畜禽糞便、土壤養分肥料等進入河道引起水體富營養化和水質惡化。

c.農業廢棄物資源化利用和無害化處理技術。采取多種先進的工藝與技術,提高對農作物秸稈、畜禽糞便、農產品加工副產品等農業廢棄物的無害化處理和資源化利用水平,變廢為寶。采用先進的技術提高農業資源利用效率,是防治農業面源污染的重要措施之一。這些技術包括堆肥化、沼氣利用、光合細菌以及復合微生物發酵劑處理等。

5 結 語

農業用水具有“開發-利用-廢棄”的生命周期,各個階段既相互獨立,又相互聯系。因此,生命周期條件下農業用水增值,既要考慮各個階段的增值,又要考慮其耦合增值。以生命周期條件下農業用水增值理論為指導,探討農業用水增值的模式和途徑對于提高農業用水的利用率和利用效率,優化農業用水資源配置,加強農業用水管理,解決農業用水問題具有重要的理論和實踐指導意義。

[1] 王瑞波.生命周期條件下水資源增值研究[D] .北京：中國農業科學院,2011.

[2] 李英能.關于我國節水農業技術研究的探討[J] .灌溉排水學報,2003(2)：11-14.

[3] 閻瑋, 江建華, 繆海洋.低壓管道輸水與田間優化灌溉技術[J] .節水灌溉,2005(4)：43-46.

[4] 吳玉芹, 李遠華, 劉麗艷.提高灌溉水利用率的途徑研究[J] .中國水利,2001(11)：71-72.

[5] 周春生, 史海濱.節水灌溉技術研究綜述[J] .內蒙古農業大學學報,2009(12)：316-317.

[6] 賈大林, 姜文來.試論提高農業用水效率[J] .節水灌溉,2000(5)：19-21.

[7] 丁加麗,彭世彰, 徐俊增,等.控制灌溉條件下水稻蒸發蒸騰量及作物系數試驗研究[J] .河海大學學報：自然科學版,2006,34(3)：239-242.

[8] 姜文來, 賈大林.農業水資源增殖研究[J] .中國農業資源與區劃,2001(6)：37-40.

[9] 唐浩.農業面源污染控制最佳管理措施體系研究[J] .人民長江,2010,41(17)：54-57.

[10] 劉蕾, 姜靈彥, 牛俊玲.農業面源污染及環境生物防治技術研究[J] .安徽農業科學,2009,37(20)：9608-9610.

[11] 曹昀, 王國祥, 黃齊.人工濕地改善長江水體透明度的示范研究[J] .人民長江,2009,40(20)：85-87.