泗水縣農業水資源高效利用分析

周振民，劉兆旋(華北水利水電大學，鄭州 450011)

1 研究區概況

山東省泗水縣位于山東省中南部泰沂山區南麓，系泰沂蒙余脈低山丘陵區，多年平均徑流深在240.9～263.1 mm，降水保證率50%時徑流深203～230.2 mm；降水保證率75%時徑流深117.0～145.7 mm。泗水縣總面積11.18萬hm2，其中耕地面積5.58萬hm2，占總土地面積的49.89%，糧食作物主要有冬小麥、夏玉米等，經濟作物主要有花生、蔬菜、瓜類等。現狀年全縣耕地控制灌溉面積2.15萬hm2；有效灌溉面積1.89萬hm2，復種指數為1.86。現狀年灌溉水利用系數為0.50左右，規劃到2020年項目區內的節水灌溉工程全部完成，農業灌溉水利用系數將獲得極大提高。

2 柯布-道格拉斯生產函數及非充分灌溉理論

2.1 柯布-道格拉斯生產函數模型

柯布-道格拉斯生產函數(Cobb-Douglas Production Function)是用來求解一定社會生產力發展水平下勞動力、資金、物質等生產要素投入和產出的關系的數學函數，在經濟學上使用非常廣泛，通常簡稱為C-D生產函數[1]。最常用的柯布-道格拉斯生產函數是荷蘭經濟學者丁伯根改進的函數形式，其表現形式為：

Yt=AtKαLβ

(1)

式中：Yt是指特定時期的社會生產力發展水平；At是指特定時期研究領域相關技術發展水平；K是指在相應的社會生產力發展水平及技術水平下的資金投入量；L是指在相應的社會生產力發展水平及技術水平下勞動力投入量；α、β分別為資金和勞動力投入量對社會生產力發展水平提高的影響程度[2]。

國內學者晏慶國對丁伯根改進的函數做了進一步的論述：比較常用的改進的柯布-道格拉斯生產函數的表現形式為：

Y=AtKαLβ

(2)

式中：Y表示產出量；K表示資金的投入；L表示勞動的投入；At表示技術水平；α、β分別為資金、勞動投入的產出彈性[3]。

若對柯布-道格拉斯生產函數兩邊取對數，可以得到lnY=lnA+αlnK+βlnL。這樣將上述的柯布道格拉斯生產函數轉化成一個普通的多元線性回歸模型，并建立回歸方程對其進行回歸分析。

在建立的回歸方程中，α、β的大小分別決定了資金和勞動投入對產出量的影響程度，α、β值越大，產出量受其對應的投入要素的影響程度越大，反之，產出量受其對應的投入要素的影響程度越小。

2.2 非充分灌溉理論

非充分灌溉不同于傳統的節水灌溉，它是在農業灌溉用水量不足的情況下，通過實驗研究建立作物灌水量與作物產量之間的函數關系，實現有限水量最優分配[4]。非充分灌溉允許作物產量有一定程度的減少，在農業灌溉可用水量無法滿足農作物整個生育期的需水量的情況下，以單方水產生的經濟效益最大或單方水產出產量最大為目標，以農作物自身具有一系列對水分虧缺的自適應機制和有限缺水效應為基本理論，實行作物某個生育階段缺水灌溉處理[5]。非充分灌溉理論的發展整體上可以概括為以下兩個階段：

(1)定性的概念階段。通過研究農作物不同生育期對水量的敏感程度，制定一定的灌溉制度，在作物敏感程度較大階段進行充分灌溉，減少敏感程度較低階段的灌水量。本階段并無法明確在不同階段如何控制灌水量。

(2)定量的研究階段。根據研究區氣象、土壤、農業技術措等基本條件，充分研究有效灌溉水量與作物產量之間的關系，建立灌溉水量與作物產量函數關系式，根據實際降水、土壤含水率等情況對有限的水資源在農作物不同生育期進行定量分配，實現農作物灌溉“以產定水”。

3 研究區水資源供需平衡分析

3.1 水資源總量及可供水量預測分析

水資源量是指境內地表產流量及境外地表入流量與降水入滲地下水補給量之和，計算方式為地表、地下水資源量總和減去二者重復計算的河川基流量。泗水縣境外地表徑流量為縣內的3座中型水庫攔蓄的境外244.2 km2的來水。泗水縣現有地表水可利用量中包括：4座中型水庫可利用量、小型水庫及塘壩可利用量、河道提引水可利用量等。全縣地下水源供水工程主要包括機電井取水工程和引泉工程。

根據泗水縣現存水利工程及在建或已規劃水利工程情況，對規劃水平年不同降水保證率下全縣可供水總量進行預測，詳見表1。

表1 泗水縣水資源總量及規劃水平年可供水量匯總表 萬m3Tab.1 The summary sheet of gross amount of water resources and available water in plan year

3.2 需水量預測分析

根據本縣經濟社會發展需求，參照水利部門及其他相關部門所做專項規劃成果，按照各行業及生活用水定額(充分考慮各行業用水以及土地利用變化情況，對用水定額進行相應的修訂)，依據本地農作物種植制度和灌溉制度，分別預測規劃水平年2020年各行業及生活用水在不同降水保證率下的需水量。見表2。

表2 規劃水平年用水需求預測表 萬m3Tab.2 the prediction table of water demand in plan year

注：其他指林、牧、漁業需水量。

3.3 水資源供需平衡分析

通過對規劃水平年可供水資源量和水資源需求量預測結果對比，進行水資源供需平衡分析。規劃水平年水資源供需平衡情況見表3。

表3 規劃水平年水資源供需平衡情況表Tab.3 Status table of the balance of supply and demand of water resources in the plan year

由表3可知，規劃水平年降水保證率為50%、75%、90%時，全縣余缺水量分別為8 223、-120、-7 951 萬m3，當降水保證率為75%、90%時出現缺水情況，且降水保證率為90%時缺水較為嚴重。

由規劃水平年用水需求預測表可知，各行業中農業需水量占據總用水量絕大部分。目前泗水縣農業灌溉仍為漫灌，水資源浪費嚴重。為節約水資源，應首先從農業下手，對灌溉設施進行改進，對農作物生長階段灌水量進行優化配置，提高用水效率，以滿足未來農業灌溉水量需求。

4 泗水縣農業水資源高效利用分析

4.1 柯布-道格拉斯生產函數模型實例應用

本次研究對泗水縣154個農戶農田種植情況進行了調查，其中種植糧食作物、經濟作物的分別為l32戶、113戶。糧食作物采用渠道防滲(包括土渠)和低壓管道輸水灌溉方式分別占樣本的58.2%和41.8%。經濟作物采用渠道防滲(包括土渠)、低壓管道輸水和噴、微灌技術分別占樣本的34.2%、57.3%和8.5%。

本次研究選擇糧食(經濟)作物的單位面積化肥和農藥投入金額(K)、單位面積投工量(L)、單位面積水費(M)、糧食(經濟)作物經濟效益單位面積產值(N)等作為C-D生產函數模型中的變量，求出其產出彈性，并且分別在糧食(經濟)作物生產函數模型中引入灌溉技術虛變量(J)以反映不同灌溉技術對作物產值的影響[6]。最終建立C-D生產函數模型，建立如下方程：

N=AtKηLθMγJλ

(3)

式中：At代表當前的社會生產水平；η、θ、γ、λ分別為單位化肥和農藥投入金額、單位投工量、單位水費、灌溉技術虛變量對于作物單位產值的產出彈性。

通過對數和回歸分析處理，最終得出所建回歸方程中各變量產出彈性，對比如表4。

從表4可以看出，兩種模型中糧食作物水費投入對糧食作物單位面積產值提升的貢獻率遠小于化肥和農藥、勞動投入；經濟作物水費投入對經濟作物單位面積產值提升的貢獻率大于化肥和農藥投入，而小于勞動投入；糧食作物水費的產出彈性為經濟作物的1/10左右，即灌溉水量對糧食作物單位面積產值提升的貢獻率遠小于經濟作物。通過模型1與模型2的對比發現，糧食作物采用管道輸水技術會使作物單位面積產值較渠道防滲技術有所下降，經濟作物采用噴、微灌技術和管道輸水技術會使作物單位面積產值較渠道防滲技術有所提高，且噴、微灌技術高于管道輸水技術。

表4 各變量產出彈性對比表Tab.4 Comparison of output elasticity of each variable

注：表中模型1為采用渠道防滲技術，作為模型2中管道輸水技術和噴、微灌技術的參照。

在不考慮所添加的虛擬變量時，糧食作物其他投入要素的產出彈性之和小于經濟作物，即各要素投入的增加對糧食單位面積產值增加程度的影響低于對經濟作物單位面積產值增加程度的影響。

通過對各要素的產出彈性和不同節水灌溉技術對農作物單位面積產值影響的實例研究可知，在研究區內資金和水資源投入到經濟作物獲得的產出效益高于糧食作物，應優先考慮經濟作物節水灌溉技術資金和物質投入。

4.2 非充分灌溉理論的應用

在用水量及技術資金優先考慮經濟作物的情況下，糧食作物用水需求將無法得到滿足，因此需要利用非充分灌溉理論對糧食作物灌溉進行水量合理利用研究。

為了充分利用非充分灌溉理論，達到節水及灌溉用水利用效率最高的目的，應對農作物的需水特性及各階段對缺水的敏感程度進行充分了解。泗水縣糧食作物主要為冬小麥和夏玉米，根據以往其他學者的實驗研究，冬小麥和夏玉米各生長階段需水特性及不同灌溉處理情況下糧食產量情況分別如表5、表6。

由表6可知，冬小麥在拔節孕穗、抽穗(雄)開花、乳熟3個階段進行輕旱處理減產率較低，夏玉米在拔節孕穗輕旱、乳熟期輕旱、拔節孕穗及抽穗開花連旱3種情況下減產率較低。因此，在枯水年份，可根據實際降雨量及供水情況在冬小麥和夏玉米減產率較低的生育期適當減少灌水量，以節約用水保證其他生育階段充分灌水，使灌溉水量利用效率得到提高。

表5 冬小麥和夏玉米各生長階段需水特性表Tab.5 Characteristics of each growths tage for winter wheat and summer maize

表6 不同灌溉處理情況下冬小麥和夏玉米產量變化情況表Tab.6 The changes of yield of winter wheat and summer maize under different irrigation treatments

本次研究缺乏足夠的實驗分析，根據現有資料無法求出糧食作物灌水量與作物產量或經濟效益之間的函數關系式，因此在非充分灌溉理論的應用中僅能定性的描述，無法在不同降水保證率情況下對糧食作物各生育階段灌水量做出定量分析，相關研究有待進一步加強。

5 節水灌溉工程總體分布

根據泗水縣小型農田水利重點縣建設“系統化、規模化、高標準、新技術”的基本原則，結合當地土地及水資源基本情況對泗水縣節水灌溉工程總體布局做出了一些規劃。工程總體布局如圖1。

圖1 泗水縣節水灌溉工程總體布局圖Fig.1 General layout of water saving irrigation project in Surabaya County

圖1中，Ⅰ區地勢平坦，地下水豐富，該區域糧食作物、經濟作物相間分布，是泗水縣重要的糧食及經濟作物產區，該區域內糧田采用高標準管道灌溉技術，果樹采用小管出流技術，蔬菜采用膜下滴灌技術；Ⅱ區屬于山地丘陵區，土壤瘠薄，作物產量低，主要進行土地治理，提高土壤肥力；Ⅲ區地下水豐富，蔬菜等經濟作物種植規模大，該區應發展蔬菜膜下滴灌項目和建設旱作物農業示范基地；Ⅳ區內山地丘陵較多，地表水源分散，利用困難，田間主要種植果樹，產量較低，因此該區域適合發展果樹微灌項目；Ⅴ區為山地，不適合農業發展，為未規劃區。

6 結 語

(1)在未來規劃年份降水量偏低的情況下可供水量無法滿足各方面的需求，在優先滿足生活用水和工業用水需求且農業用水需求占總需水量絕大部分的前提下，農業應實行節水灌溉。

(2)資金和水資源投入到經濟作物獲得的產出效益高于糧食作物，應優先考慮經濟作物節水灌溉資金和物質投入。

(3)根據非充分灌溉理論及其他學者的研究成果可知，在降水較少的情況下，應根據實際降雨量并以糧食作物需水特性和不同生育階段缺水情況下減產率為參照，對糧食作物進行非充分灌溉，以提高灌溉水量利用效率。

(4)根據泗水縣土地利用及水資源基本情況，本文做出了節水灌溉工程總體布局規劃，為泗水縣節水灌溉項目順利實施提供了一些建議。

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[1] 王忠靜,馬真臻,廖四輝,等. 洪水資源利用經濟適度性研究——以海河流域為例[J]. 水力發電學報,2013,(1):11-18.

[2] 王立波. 要素資本結構與企業成長性分析[D]. 山東青島：中國海洋大學,2010.

[3] 李 晶. 新疆農業增長的技術進步技術效率分析[D]. 烏魯木齊：新疆大學,2007.

[4] 賀 城,廖 娜. 我國節水灌溉技術體系概述[J]. 農業工程,2014,(2):39-44.

[5] 陳玉民,肖俊夫,王憲杰,等. 非充分灌溉研究進展及展望[J]. 灌溉排水,2001,(2):73-75.

[6] 韓 青. 農業節水灌溉技術應用的經濟分析[D]. 北京：中國農業大學,2004.