互助縣灌區(qū)農(nóng)業(yè)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(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)大大提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，同時也帶來了水資源過度消耗和環(huán)境破壞等問題[1- 2]。水既是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要素，也是生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在利用水的過程中其效率、經(jīng)濟效益和環(huán)境影響是需要綜合分析的不可分割的變量[3- 4]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)用水的特性包括用水量、農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和環(huán)境影響(由于化肥和農(nóng)藥的使用)[5]。因此，發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)是未來幾十年的一大挑戰(zhàn)。評估水資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之間的潛在聯(lián)系對于解決缺水和糧食安全是至關(guān)重要的[6]。在傳統(tǒng)意義上，農(nóng)業(yè)用水管理需通過增加作物產(chǎn)量或減少單位面積用水量來提高作物水分生產(chǎn)率[7]。盡管作物產(chǎn)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(nóng)藥和灌溉的廣泛使用，但殺蟲劑的過度使用對環(huán)境造成了嚴重污染[8]。由于作物產(chǎn)量下降和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實踐對環(huán)境造成的影響，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的增長速度將是不可持續(xù)的[9]。此外，很多文獻的研究主要集中在評估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)期間的用水效率上，而沒有太多關(guān)注經(jīng)濟和環(huán)境方面。農(nóng)業(yè)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(zhuǎn)移到整個灌溉系統(tǒng)和河流流域時會出現(xiàn)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(guī)模的灌區(qū)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(huán)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(huán)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(chǎn)力的方法，目前在許多灌區(qū)得到了廣泛的應用。

水足跡概念的產(chǎn)生為評估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)品對環(huán)境造成的影響。作物產(chǎn)品的水足跡是作物生產(chǎn)過程中消耗的和受農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)污染物如化肥和農(nóng)藥所需的淡水量)[14]。

本文以互助縣灌溉區(qū)為研究區(qū)，分析了小麥生產(chǎn)過程中的耗水量、經(jīng)濟效益和水環(huán)境影響，采用水核算和水足跡方法，對作物生產(chǎn)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(xù)農(nóng)業(yè)水管理。該研究分析了小麥生產(chǎn)過程中的耗水量、經(jīng)濟效益和水環(huán)境影響，為未來互助縣灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展提供合理的作物生產(chǎn)用水的綜合評價信息。

1 研究區(qū)概況

互助縣灌區(qū)(后文簡稱HZX)位于中國青海省。灌區(qū)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(fā)量超過了2000mm。主要種植作物為春小麥、向日葵和玉米[15]。

2 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)主要包括氣象數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和灌溉數(shù)據(jù)。氣候數(shù)據(jù)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(shù)[16- 17]。氣候數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)[3]。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，包括作物產(chǎn)量、播種面積等，取自“互助縣灌區(qū)統(tǒng)計年鑒”和“中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)”等。灌溉和水文數(shù)據(jù)由互助縣灌區(qū)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(qū)的耗水和產(chǎn)水量。水量核算通過對入流量、出流量和蒸發(fā)蒸騰耗水量進行分類來定義系統(tǒng)內(nèi)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(qū)自由水面及地表蒸發(fā)量，m3；Qs—地表徑流量(包含壤中流)，m3；Qg—基流，m3。

互助縣灌區(qū)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(cè)向入流補給量；WOut—灌區(qū)出流量；WC—灌區(qū)水量損耗，其包含農(nóng)業(yè)用水損耗(WA)、工業(yè)用水損耗(Wl)、生活用水損耗(WL)和生態(tài)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(qū)域水量平衡建模的數(shù)據(jù)，包括降雨量、引黃總水量、總流出量和地下水深度，由灌區(qū)管理局提供。其他水平衡分量是通過參考經(jīng)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(jù)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(zhuǎn)移過程中的水消耗[19]。作物的綠水足跡是根據(jù)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(xiàn)有環(huán)境水質(zhì)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(chǎn)量，kg。

4 結(jié)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(qū)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(tǒng)輸送到農(nóng)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(fā)和渠道滲漏)、農(nóng)田作物蒸發(fā)蒸騰和農(nóng)田深層滲漏。同時，地下水通過蒸發(fā)損失一部分水量。

圖1 互助縣灌區(qū)春小麥生產(chǎn)用水過程

春小麥作為互助縣灌區(qū)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(chǎn)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(fā)蒸騰。輸水過程中損失的灌溉水量為530Mm3。田間蒸發(fā)蒸騰耗水量為443Mm3，滲濾耗水量為133Mm3。

水足跡計算結(jié)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(qū)春小麥的生產(chǎn)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?cè)肓髁繛?336Mm3。在灌區(qū)用水達到上限期間，可用水量被計算為總?cè)肓髁砍^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(fā)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?cè)肓髁康暮谋M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(fā)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(fā)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(jié)果可以看出互助縣灌區(qū)仍有很大的節(jié)水潛力。

表1 互助縣灌區(qū)小麥生長過程中的水分指標核算結(jié)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(chǎn)率、環(huán)境影響和經(jīng)濟效益來評價互助縣灌區(qū)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(qū)灌溉性能的關(guān)鍵指標，它包括兩部分:輸水效率和用水效率。對小麥生產(chǎn)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(nóng)田之間損失530Mm3水。用水效率為76.09%，導致?lián)p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(chǎn)率

作物水分生產(chǎn)率是一個效率術(shù)語，表示作物產(chǎn)量與生產(chǎn)該產(chǎn)量所需的水量之間的關(guān)系。在農(nóng)田層面，作物水分生產(chǎn)率主要取決于作物騰發(fā)量和農(nóng)田單位面積作物產(chǎn)量。在整個區(qū)域一級(或流域一級)上，作物水分生產(chǎn)率不僅取決于田間耗水量(作物蒸散量)和作物產(chǎn)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(jié)果表明，田間小麥的水分生產(chǎn)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(qū)小麥的水分生產(chǎn)率僅為0.63kg/m3，與田間生產(chǎn)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(chǎn)量較高，盡管灌溉系統(tǒng)不良造成大量水資源損失，但小麥(春季)產(chǎn)量為5532.00kg/m3，高于全國平均值4748.00kg/m3。上述分析結(jié)果表明，通過改善灌溉系統(tǒng)性能，有很大的潛力提高作物的用水效率。

4.6 環(huán)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(xù)、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(huán)境的影響。研究結(jié)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(huán)境標準，需要152Mm3的淡水來稀釋小麥生產(chǎn)過程中使用的污染物(如化肥和農(nóng)藥)，導致大量農(nóng)業(yè)污染物暴露在環(huán)境中。這將對區(qū)域環(huán)境產(chǎn)生長期負面影響，并將繼續(xù)對HZX供水造成額外壓力。

4.7 經(jīng)濟效益評估

由于農(nóng)業(yè)是具有競爭性的生產(chǎn)活動，種植者需尋求有效用水資源，以獲得最大的經(jīng)濟效益。因此，經(jīng)濟效益評估是作物生產(chǎn)評估的主要部分。互助縣灌區(qū)小麥生產(chǎn)經(jīng)濟效益評價結(jié)果見表2，可以看出，HZX的小麥產(chǎn)量和價格高于全國平均水平，因此HZX單位面積產(chǎn)量遠遠高于全國平均水平。HZX中每單位重量小麥的產(chǎn)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(chǎn)方面具有相對的經(jīng)濟優(yōu)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(chǎn)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(qū)小麥生產(chǎn)經(jīng)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(chǎn)過程中的水分利用效率、水消耗量和環(huán)境影響。上文研究結(jié)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(guān)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(chǎn)過程中最大的單一水源損失，其表明HZX的灌溉系統(tǒng)狀況不佳。

HZX中的灌溉水輸送系統(tǒng)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(nóng)田灌溉技術(shù)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(fā)掉了，剩下的59%被從自由水面或非作物植被中蒸發(fā)掉了。因此，如果升級HZX的灌溉系統(tǒng)，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(chǎn)對環(huán)境的影響。研究結(jié)果表明，小麥生產(chǎn)過程中的灰水足跡為152Mm3，其將對區(qū)域環(huán)境產(chǎn)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(nóng)藥的共同作用下，世界范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)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(huán)境污染。

就經(jīng)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(guān)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(chǎn)需要比全國平均水平多得多的藍色水來生產(chǎn)每單位重量的小麥。因此，盡管HZX在單位重量產(chǎn)量方面有明顯優(yōu)勢，但HZX仍需要改進灌溉系統(tǒng)，以提高單位用水量產(chǎn)量。

本文的研究結(jié)果表明，由于高產(chǎn)量水平，經(jīng)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(huán)境可持續(xù)性相對較低。從資源和環(huán)境角度來看，HZX的作物生產(chǎn)是不可持續(xù)的。因此，互助縣灌區(qū)應對灌溉系統(tǒng)進行改進，以便更有效地利用水資源，減少作物生產(chǎn)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(jié)水灌溉技術(shù)來提高灌溉效率，或農(nóng)藝措施，如覆蓋以減少無效土壤蒸發(fā)，或改變種植日期以適應蒸發(fā)需求較少的時期。

另一方面，灰水足跡的結(jié)果表明，由于化肥和農(nóng)藥的使用，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可能對區(qū)域環(huán)境產(chǎn)生巨大的負面影響。雖然這種應用可以提高作物產(chǎn)量，但也可能造成環(huán)境問題，如水污染。施用的農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中本已稀缺的水源供應。

6 結(jié)論

本文采用水足跡和水核算理論，對互助縣灌區(qū)小麥生產(chǎn)的耗水量、水分生產(chǎn)率和環(huán)境影響進行了評價。研究結(jié)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(chǎn)主要依賴于藍水(即灌溉水)。小麥的有益損耗，作物蒸發(fā)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(chǎn)率為1.09kg/m3，高于全國平均值0.80kg/m3。而在整個灌溉區(qū)范圍內(nèi)，小麥的水分生產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)的性能，有很大的潛力來提高作物用水效率。