變化環境對農業水資源配置的影響研究進展

齊學斌，李平，白芳芳，張彥，佘映軍，馬燦燦

變化環境對農業水資源配置的影響研究進展

齊學斌1, 2，李平1, 3，白芳芳1, 4，張彥1, 3，佘映軍1, 4，馬燦燦1, 4

（1.中國農業科學院 農田灌溉研究所，河南 新鄉 453002；2.農業農村部農產品質量安全水環境因子風險評估實驗室，河南 新鄉 453002；3.中國農業科學院 河南新鄉農業水土環境野外科學觀測試驗站，河南 新鄉 453000；4.中國農業科學院 研究生院，北京 100081）

變化環境下農業水資源系統正經歷著深刻的變化，特別是氣候變化和人類活動加劇了降水、蒸散、徑流、滲漏、耗水等農田水文要素的演變過程，進而影響農業水資源供、用、耗、排、回的全過程。在對我國農業用水過程與特點進行分析的基礎上，系統梳理了國內外變化環境對灌區農業供水量、需水量、供需水平衡、水循環及水資源承載力影響的研究進展，系統分析了現有研究存在的不足，提出了未來我國農業水資源配置及水安全保障應對環境變化影響的研究重點：重視變化環境下灌區供水系統及運行模式研究，加強變化環境下作物需水規律研究，強化變化環境下灌區供需水平衡與水資源承載力研究，深化變化環境下灌區水循環與轉化機理研究，拓展變化環境下節水灌溉對環境影響的機理研究。

變化環境；水資源配置；農業供水；農業用水；水循環

0 引 言

近年來，以平均氣溫升高、降雨變化劇烈、極端氣象現象頻發等為主要特征的全球氣候變化對水資源系統和農業用水帶來了巨大挑戰，不僅引起水資源量及其時空分布的變化，而且也使農作物潛在的騰發量增加，農業需水量發生變化，土壤水分的有效性下降[1]；社會經濟發展中人類高強度活動，如生活、工業等用水量的增加，使得灌溉供水量減少，進一步加劇了農業水資源供需矛盾，影響農業的可持續發展[2]。目前，我國農田灌溉用水量約占全國總用水量的63%，灌溉是水資源消耗的主要途徑，亦是糧食生產的重要保證。降雨和蒸散過程是農田水文循環關鍵環節，其年際波動必將對灌溉需水量產生影響[3]。農業是國民經濟發展用水大戶，受環境變化以及工農業生產和生活用水需求不斷增加的影響，未來我國農業用水安全形勢將會更加嚴峻，為保障國家糧食安全以及農業可持續發展，國內外學者針對環境變化對農業供用水的影響開展了不少研究[4-5]。總體來看，當前關于變化環境對流域尺度水資源的影響研究比較多，而在灌區尺度上，考慮氣候變化和人類活動雙重影響對水資源配置系統組成要素的綜合影響研究還較為薄弱。在灌區作物用水對變化環境的響應方面，研究氣候變化對主要作物需水量、作物需水量敏感性分析以及作物產量影響等方面較多，而同時考慮人類活動影響，如作物種植結構調整、灌溉面積變化、土地經營模式改變等對農業用水及水資源配置的影響研究較少；在環境變化對灌溉水源及輸配水工程的可靠性及穩定性影響、環境變化對灌區“四水”循環轉化影響機理、環境變化條件下灌區水資源承載力分析等方面研究也十分欠缺，使得灌區農業水資源合理配置缺乏應對環境變化的理論支撐。鑒于此，有必要全面分析國內外關于變化環境對灌區農業供用水系統影響研究情況，以便提出我國農業水資源配置與管理應對環境變化的對策措施，對于保障我國農業用水安全及糧食安全具有重要意義。

1 我國農業灌溉用水過程與特點

農業灌溉用水過程經歷4個環節。第一個環節從水源到田間入水口出水，這一過程從水源取水開始，到水進入田間結束，主要功能是水的輸送；第二個環節從田間入水口出水到作物可利用的土壤儲水，這一過程從水流進入田間開始，到水分儲存在作物根區結束，主要功能是田間配水；第三個環節從作物可利用的土壤儲水到植株蒸騰過程利用的水分，這一過程從土壤供水開始，到水分通過植株葉片氣孔散失到大氣中結束，主要功能是支持植株的物質運輸與良好生長發育環境的維持；第四個環節從植株蒸騰過程用水到目標農產品的形成，這一過程從植株有效利用水分開始，到形成目標農產品產量結束，主要功能是支持植株光合產物的積累、運輸、轉化與貯存。農業灌溉用水過程由于受氣象、工程、土壤、作物、管理等諸多因素的影響，常常呈現復雜性、不確定性、脆弱性及易受干擾等特點。

首先，農業灌溉供水水源及過程復雜。從灌溉水源類型來看，單純以地表水或地下水作為供水水源的灌區較少，多數灌區都是屬于以地表水、地下水及非常規水源聯合供水的混合型灌區，不同水源有其獨特的天然稟賦和循環規律，混合供水水源工程更為復雜。同時，由于從供水水源到田間經常需要經過干渠、支渠、斗渠、農渠和毛渠等多級渠系，導致輸水過程非常復雜，任何一個環節出現問題，都會影響整個輸水系統的穩定性和輸水效率。另外，由于農業灌溉工程設計供水保證率一般為50%或75%，相比工業項目或生活及城市供水工程90%或95%的供水保證率，保證率偏低，一些大型的綜合性水庫工程常常會設置專用的工業或城市生活用水專用庫容，一旦水庫庫容低于專用庫容，就會限制或停止農業取水，甚至一些重要河流，當流量低于某一限定的流量時，也會首先限制農業用水取水。近年來，隨著水資源短缺狀況的加劇，工業、生活及生態環境用水與農業用水競爭日趨激烈，農業水權權益問題變得十分突出，如何保證農業的正常供水，確保糧食安全，值得全社會的廣泛關注。

其次，農業用水需求變化大。作物需水隨作物種類、品種、土壤類型及耕作保護措施的不同而變化。豐水年份，作物需水量很小，甚至無需灌溉；枯水年份需水量常常達到平水年份需水量的1.5～2倍，甚至更多。同一區域，由于不同作物灌溉制度不同，灌溉定額相差較大。不同區域，種植結構往往不同，作物需水差異更大。由于農田灌溉取水常常必須在干旱季節進行，一般都是在作物生長的關鍵期需要取水，灌水時間集中，灌水周期長，范圍廣，取水流量較大，一旦供水水源的來水過程與作物需水過程不匹配，經常會出現作物需水得不到滿足，影響農作物正常生產與產量，甚至出現作物絕收現象。

第三，灌區水資源利用效率不高。灌溉水從水源到農田，到被作物吸收、形成產量，每一個環節都存在水的有效性問題。目前，由于灌區灌溉工程老化失修、不配套、管理機制不健全等方面的原因，我國灌區水的浪費還比較嚴重。2019年，我國農業用水量為3 682.3億m3，占用水總量的61.2%，有的地區甚至超過90%；農業灌溉用水效率總體不高，高效節水灌溉面積僅占有效灌溉面積的30%；2019年全國農田灌溉水利用系數平均為0.559，而先進國家高達0.7～0.8，與世界先進水平仍有一定差距。大力發展節水農業，大有潛力。

第四，灌區水環境惡化。一方面，灌區地下水的大規模開發，在保障經濟社會快速發展的同時，也對資源、環境帶來了一系列問題。主要表現在：地下水資源嚴重超采、地下水超采誘發嚴重的環境地質問題、地下水超采加劇了土地沙化與荒漠化趨勢、地下水污染日漸加劇與水質惡化等。另一方面，灌區退（排）水對環境造成不利影響。農田生產經驗證明，田間排水工程可以防御漬澇災害發生、保障農作物健康生長，同時，可以有效改善田間耕作條件；但農田排水也是農業非點源污染物從田間進入地表水體的重要傳輸途徑之一。特別是農田排水設施在排除農田多余水量的同時，也會帶走田間土壤中的養分離子及其他化學成分，這些土壤化學物質會造成排水承納區水體污染。

2 變化環境對灌區供需水及水資源配置的影響

2.1 變化環境對灌區供水的影響

變化環境對水資源的影響也不可避免地影響了灌區供水量。地表徑流減少導致作為灌溉水源的水庫、河流或湖泊的來水量減少，地下水位降低。降水量減少和地下水長期開采導致灌區地下水位持續下降，地下水儲量減少，因此可用于灌溉的地下水量也隨之減少。Frederick等[6]在評估IPCC氣候報告的基礎上分析了氣候變化對農業水資源的影響，并分析了“非氣候”的人類活動對農業水資源影響的重要性；夏軍等[7]對華北地區水資源進行的研究表明，灌區水庫來水量減少、地下水超采和水污染導致了可供水量減少，并造成華北地區水資源短缺；費宇紅等[8]研究了變化環境對華北平原區水資源的影響，認為造成該地區水資源減少的重要原因是降水量減少、氣溫升高、人類治水工程、開采地下水等，其中自然因素變化對水資源影響緩慢，而人為因素影響較為迅速；趙文舉等[9]利用Mann- Kendall趨勢檢驗法，對涇惠渠灌區氣象因素、渠首來水量和地下水位進行分析，表明受降雨減少和氣溫上升影響，灌區渠首來水量和地下水資源量呈下降趨勢；羅玉峰等[10]認為氣候變化導致的降水量、徑流量和冰川融雪變化會造成灌區可供水量的減少，特別是人類活動中工業用水、生活用水不斷攀升，水環境惡化，造成了灌溉可供水量被不斷擠壓，已經嚴重制約農業發展；朱紅艷[11]利用變差系數，累積距平法和Kendall檢驗等分析方法了寶雞峽灌區降水、蒸發、徑流等各要素的變化趨勢，探究了灌區主要灌溉水源歷史演變過程與規律；Mougou等[12]在突尼斯凱魯萬地區應用DSSAT模型研究表明，任何在作物生長期的溫度增加和降雨減少，都會導致該地區農業可供水量的減少和農業需水量的增加，對地區農業供需水平衡帶來威脅；李文婷等[13]基于SWAT（Soil and Water Assessment Tool）水文模型，對典型年份下贛江流域藍綠水的時空分布進行分析，結果表明，氣候變化情景下，藍水量、綠水量分別增加了75.52、30.65 mm，綠水系數減少了1.16%，表明氣候變化對流域藍綠水的影響較大；劉瑞峰等[14]研究表明，長期氣候變化會顯著影響灌溉機井供水的可靠性與穩定性，創建更加完善的農業氣象災害監測評價及預警系統，加強農田灌溉工程設施的養護力度，完善農業灌溉用水綜合規劃，深化用水管理制度及機制改革，發展農民合作組織，可有效提高中國農業生產應對氣候變化的能力。可見，國內外關于變化環境對灌區農業可供水量的影響，大多數從宏觀尺度上進行綜合分析，流域尺度研究的多一些，灌區尺度研究相對較少，定性研究的多一些，定量研究相對薄弱。特別是變化環境對農業供水保證率有何影響？變化環境下灌溉工程如何規劃設計？上述問題有待進一步深入研究。

2.2 變化環境對灌區作物需水的影響

眾所周知，水分是決定作物生長發育的主要因素之一，水分不足對作物的許多生理生化過程都有影響，嚴重的水分脅迫將導致作物產量大幅度的下降。一般情況下，作物需水量的大小，取決于該作物的耗水強度，即日均需水強度，而作物的需水強度過程則是其生物學特征與環境影響因子綜合作用的反映，受氣溫和降水等外部環境條件影響顯著。首先，氣溫變化直接影響作物騰發量，進而改變作物需水量。其次，溫度升高會導致大部分作物的生育期發生變化。氣溫升高會致使春季生長作物物候期的提前，秋季作物物候期推遲，從而延長作物生長過程，并最終影響作物需水量。目前，國內外學者關于氣候變化對作物需水量的影響研究較多，劉曉英等[15]研究表明，在未來溫度上升1～4 ℃的情況下，氣溫升高對不同作物需水量影響程度不同，地域性差異明顯；Irmak等[16]、Liu等[17]研究表明，需水量0與各氣候因素密切相關，流域0空間差異較大；馬鵬里等[18]研究認為作物需水量與區域氣候類型密切相關，從干旱-半干旱-半濕潤-濕潤地區，作物需水量呈減小趨勢；李萍等[19]研究表明，近年來寶雞峽灌區氣溫呈顯著上升趨勢，相對濕度和風速呈顯著下降趨勢，蒸發量和日照時間略增，降水量有所減少，灌區農業需水量呈遞減趨勢，其遞減速率為3.35×107m3/a。

繆啟龍等[20]研究表明，在耕地面積不減少的情況下，隨著未來氣溫升高，農業耗水量將呈增加趨勢；楊修等[21]利用英國Hadley研究中心PRECIS模型計算得到的B2氣候情景格點輸出結果，對我國2070年不同格點玉米產量進行預測，提出了未來我國玉米生長的氣候變化敏感區域和脆弱區域；張建平等[22]研究表明，未來不同氣候情景條件下，我國東北三省玉米的需水量大致呈增加趨勢；王小軍等[23]分析了寶雞峽灌區灌溉用水對氣候變化的響應過程，結果表明，隨著未來氣溫升高趨勢的增加，灌溉用水亦呈明顯升高趨勢，不同情景稍有差異，但差別不大，但不同作物間差異較大。

曹紅霞等[24]對氣候變化條件下主要作物需水量和作物凈灌溉需水量進行了相關分析，并分析了冬小麥、夏玉米的作物需水量和氣象因子的關系，指出作物需水量受眾多氣象因子的制約，某一氣象因子的升高或降低不能完全解釋作物需水量的變化趨勢；李立等[25]利用時間序列法和灰色關聯分析法結合地統計學，研究了氣候變化條件對灌區農作物需水規律的影響。結果表明，氣溫升高、蒸發能力和日照時間的增加是導致作物需水量增加的主要原因，而氣溫的上升對作物需水量的影響十分顯著；Tong等[26]利用點尺度的參考作物騰發量，基于數字高程模型（DEM）和土地利用圖，對參考作物騰發量進行了空間分析，并分析了變化環境要素對流域或區域農作物需水量及需水規律的影響，探明了驅動因素并對農業需水量作出了預測；吳普特等[27]利用帕爾默干旱指數和單位灌溉面積用水量，作為氣候變化和農業需水量的度量指標，分析了氣候變化條件和人為因素對農業需水規律的影響，提出人為因素可以有效抵御氣候變化帶來的農業用水問題；叢振濤等[28]采用大氣環流模式HadCM3和作物模型CERES模擬了不同氣候情景下小麥產量和灌溉需水量的變化，研究表明未來氣候變化情景下北京地區小麥產量和需水量均呈下降趨勢，主要由日輻射下降導致；Kloss等[29]用天氣發生器和作物模型的方法，研究了變化環境和灌溉策略優化，并對各種模型模擬的優劣進行了評價，這種方法結合了蒙特卡羅模擬方法、灌溉策略優化算法、非充分灌溉原理、作物水分生產函數模型等，能有效模擬變化環境條件對灌溉需水規律的影響；張建云[30]研究表明，因氣候變化導致的溫度及降水等變化，除了影響到流域水循環和流域水資源之外，還直接影響到需水和耗水過程，溫度升高導致地表和作物蒸散發增加，以及對作物分布和作物生育期產生影響，進而改變作物需水過程，我國用水總量中約60%為農業用水，如果不改變耕作制度、加強節水技術改造、提高灌溉效率，氣溫升高將明顯增加我國的農業需水量。盡管目前關于變化環境因素對作物需水規律影響研究較多，但在計算方法上，一般采用經驗公式對有效降雨量進行估算進而得到灌溉需水量，具有一定的局限性；在氣候變化條件對作物灌溉需水規律的影響方面，大都從作物需水的角度開展研究，對于降雨變化及有效降雨量計算考慮不足，實際上灌溉需水量是由作物需水（即潛在蒸散）和有效降水量共同決定的；在氣候變化因素對作物需水規律影響機理研究方面，單一氣候因素影響研究多一些，綜合考慮各氣象因子對作物需水量的影響方面研究較少；在分析變化環境對作物需水量影響方面，氣候因素研究的多一些，而環境改變，如作物品種變化、生育期改變、種植結構調整、灌溉面積變化、耕地面積調整、空氣CO2升高等綜合環境因素變化對農業需水量的影響研究更為薄弱。

2.3 變化環境對灌區供需水平衡的影響

灌區供需水量平衡，對于保證灌區水資源的可持續開發利用尤為重要。加拿大環境保護部[31]分析了氣候變化對加拿大水資源的影響，指出氣候變化加速作物蒸騰過程，使水資源供需矛盾更加尖銳，并提出適應氣候變化的策略；范英英等[32]采用系統動力學方法構建了北京市水資源動態預測模型，對人口、產業結構和政策3個約束水資源供需平衡的核心因子進行分析，動態仿真模擬結果顯示，在保持現有政策和技術水平下，北京市水資源安全形勢日益嚴峻；O'hara[33]分析了氣候變化情景下的水資源規劃與管理問題，指出氣候變化將明顯改變水資源供需條件；德國環境部分析了歐洲大部分國家的氣候變化趨勢，指出未來氣候情景下，來水條件將發生明顯改變，同時溫度升高將加速土壤蒸發，增加灌溉用水過程，尤其是夏季和冬季的季節性變化，使供需矛盾更加尖銳[34]；美國水業協會針對全球變暖的趨勢和未來氣候變化的不確定性，指出當前氣候變化背景下需水預測的不足，擬投入巨資深入開展氣候變化對需水的影響機理研究[35]；Xiong等[36]結合我國農業生產現狀，分析了2020年和2050年不同氣候情景下谷類作物需水量及產量，指出了可能出現的問題；王小軍等[37]指出，我國在流域水資源綜合規劃中，需要加強氣候變化條件對區域水資源系統結構及穩定性的影響，并充分考慮各種可能的因素，隨著全球變化研究的不斷深入，氣候變化對我國農業用水安全構成的威脅也日趨顯現，并直接關系到國家糧食安全問題；丁琨等[38]研究表明，隨著未來區域的降雨增加和氣溫上升，按現狀工程運行方案系統不能滿足設計期城市供水保證率要求，灌區系統源頭骨干水庫適當提高汛限庫容，同時合理增加城市供水專線設計流量、城市供水水庫非灌溉期和灌溉期充止庫容，可使灌區農業灌溉和城市供水能夠適應未來氣候變化帶來的不利影響，獲得較好的社會經濟效益。以上可見，關于變化環境對灌區供需水平衡的影響研究，國內外主要針對氣候變化影響、人類活動影響分別進行研究，將二者結合起來進行綜合研究十分薄弱。

2.4 變化環境對灌區水循環的影響

費宇紅[39]通過對京津以南的河北平原地下水循環進行研究，認為該區域淺層地下水和深層地下水的嚴重超采改變了地下水流的方向，從自西向東的自然狀態轉變為向各地地下水位漏斗中心匯流的狀況；Ocampo等[40]在澳大利亞西部的Susannah Brook以農業活動為主的流域，在調查水文過程與生物地球化學過程關系的基礎上，分析了坡度大小、地形高程及河岸地區淺層地下水賦存條件及水位動態對氮循環要素的影響，并在此基礎上建立了基于水文過程與生物地球化學過程耦合的“統一智能模型”；Barnett等[41]將“指紋算法”與氣候-水文模型相結合，在美國中西部地區的水資源演變歸因分析中進行應用，得出該地區水資源演變的60%為氣候變化驅動；林嵐[42]對松嫩盆地降雨入滲補給量變化進行了研究，定量評價了氣候變化和土地利用變化情景下降雨入滲補給的變化；張冠儒等[43]采用動態建模與正交試驗相結合的方法對寶雞峽灌區的地下水位進行研究，認為灌溉量和蒸發量是影響地下水位動態的主要影響因素；Tomer等[44]將簡單的降水-潛在蒸發關系與生態水文模型結合，辨別出氣候變化和人類活動對河川徑流的不同影響；張文化等[45]對石羊河流域地下水的動態影響因素進行了主成分回歸分析，認為人類活動對地下水動態的影響在67%左右，氣候變化對地下水動態影響在37%左右（2009—2012年）[46-47]；韓業珍[48]采用灰色關聯度方法研究了地下水位動態變化，認為黃土臺塬區和渭河階地區地下水動態的影響因素從大到小依次為蒸發、降水、地表水灌溉、地下水開采；王喜峰等[49]在對灌區水循環的研究中，指出水文模型是一個重要且有用的工具，基于物理機制和偏微分方程的分布式水文模型可以計算、模擬和分析具有時空變異性的各水循環要素，為變化環境下水循環演變分析和其伴生過程模擬及分析提供了強大平臺支持。可見，國內外關于變化環境對灌區水循環的影響主要是在流域或更大尺度上進行，且主要是以模型研究和定性分析為主，從灌區尺度上研究變化環境對灌區水循環要素的影響機理、水環境演變規律以及水環境變化驅動機制等，值得進一步深入研究。

3 變化環境對灌區供需水及水資源配置影響的研究展望

變化環境呈現隨機性及復雜性等特點，而灌區水資源配置系統涉及多水源、多作物、多用戶、多維度等特點，要分析變化環境條件對灌區水資源系統合理配置的影響，必須采取系統的觀點及綜合分析方法，從每一個環節、每一個單元入手，在探明影響機理的基礎上，才能提出綜合應對方案。建議從以下5個方面開展研究工作。

3.1 重視變化環境灌區供水系統及運行模式研究

針對變化環境對農業供水工程的影響，應加強氣候變化對灌區供水安全保障影響研究，探索變化環境下灌區工程規劃設計新的理論與方法研究，確保灌區工程規劃的科學性；重視應對氣候變化的多水源聯合供水工程優化布局、調度模式、水權優化配置及運行機制等方面研究；分析氣候變化對灌溉蓄水、引水、提水灌溉工程供水可靠性的影響；強化非常規水源水質提升技術、輸配水配水系統及儲水系統設計、安全灌溉系統規劃以及相關技術標準與規范研究；重視信息化技術在農業輸配水工程系統中的應用，特別是要綜合運用物聯網技術、云計算技術、大數據分析方法等新的理論和技術，實時準確地獲取灌區的雨情、水情、土壤墑情、渠道水位變化過程、渠道流量變化情況、泵站運行工況、閘門運行情況、現場視頻實時信息等，實現灌區信息資源的在線獲取及實時共享，提高灌區輸配水運行效率，為灌區管理機構用水管理提供技術支撐和科學依據。

3.2 加強變化環境作物需水規律研究

氣候變化是非常復雜的，它不僅直接影響到灌溉需水量的變化，還通過影響作物生長間接作用于灌溉需水量，灌溉需水量不僅受到氣候條件的影響，還受到人類活動的強烈干擾，因此，今后對灌溉需水量演變規律的研究需要綜合考慮氣候因素、作物品種、種植結構、灌溉面積、耕地面積、節水措施等綜合環境因素變化對農業需水量的影響，要加強基于變化環境條件下的灌區農業需水量演變趨勢及驅動力研究，重視變化環境條件下作物需水多元數據融合與不同尺度轉換研究，要厘清氣候變化因素和不同灌區用水管理計劃之間的互饋關系，提出灌區干旱時期最佳的用水需求管理方略，為灌區作物需水預報與用水管理提供指導。由于變化環境對作物需水量影響的復雜性與不確定性，傳統方法的局限性越來越凸顯，要研究變化環境對作物需水影響的新方法，完善灌區變化環境下需水量計算與評價理論。

3.3 加強變化環境灌區供需水平衡與水資源承載力研究

隨著灌區經濟條件、社會發展、生態環境狀況等條件的變化，灌區供需水量平衡也會發生改變，勢必會影響到灌區農業用水的安全性，影響到灌區水資源的合理調控與應對措施制定。研究氣候變化對水資源供需態勢的影響機理，探明氣候變化與人類活動綜合影響下灌區供需水平衡要素的轉化機理與演變規律，進而提出應對環境變化的灌區水資源調控方案，對于灌區水資源可持續管理至關重要。變化環境條件下灌區水資源承載力與利用潛力也會受到影響，氣候變化影響我國河川徑流產生，在考慮水資源承載力時，要考慮未來水資源的變化，特別是在多情景下河川徑流均呈減少的地區和時段。人類活動不僅改變了流域或區域降水量、蒸發量、入滲條件、產流條件、匯流過程等水文特性，而且形成了天然循環過程與人工循環過程以及生態系統交互作用的多相態水循環過程，這也是水資源承載力研究的前提，因此，研究變化環境條件下灌區多維水文循環過程水資源承載力與利用潛力評價指標體系，是區域水資源承載力及利用潛力研究的重要趨勢。

3.4 重視變化環境灌區水循環與轉化機理研究

灌區水循環系統是一個復雜的大系統，受自然和人類活動雙重影響。隨著經濟社會的發展，人類生產活動對灌區水循環系統的影響日趨加劇，目前現有的灌區自然水循環系統理論和分析方法已不能適應灌區實際水循環過程狀況，亟需研究新的理論與分析方法。因此，探尋人類活動影響條件下灌區水循環要素變化過程及其轉化特征將會是水循環研究領域的重要熱點之一。同時，灌區的水循環過程與轉化機理研究，還應考慮灌區的社會因素、經濟發展水平，以及灌區的資源稟賦、生態環境變化等因素的綜合影響，包括各級行政區單元之間的用水統籌、灌區多灌溉水源與不同供水過程之間的協調、灌溉水量與灌溉水質的協調、灌溉水源與作物需水的協調以及灌區水源配置與灌區生態環境之間的協調。同時，還應進一步研究變化環境下的灌區自然水循環系統與“取水-輸水-用水-排水-回歸”人工水循環過程的多維水循環系統基礎理論、演變機理及其互作機制，探索灌區降水、地表水、土壤水、地下水、作物水、外調水、非常規水之間相互循環與轉化關系。

3.5 重視變化環境下節水灌溉對環境影響的機理研究

大力發展節水灌溉已成為我國的一項基本國策，對于緩解我國水資源的緊缺現狀，提高水資源的利用率和利用效率，保證糧食安全發揮了重要作用。但是在灌區發展節水灌溉時，也要考慮對環境的影響，既要研究“正效應”，又要研究“負效應”，特別是對于發展區域規模化節水灌溉要更為慎重，只有進行科學論證與評價，才能消除不利影響，從而保證節水灌溉的可持續發展，提高灌區節水改造的綜合效益。如井渠結合灌區渠道襯砌標準如何確定？應該采取什么樣的比例較為科學？井渠結合灌區渠灌節水與井灌節水如何定位？灌區適宜的節水發展規模是多少？灌區節水與生態環境用水如何考慮？不同生態類型區節水灌溉模式選擇與發展重點確定等，上述問題直接影響到節水灌溉的可持續發展。以往對節水灌溉效應的研究中，節水效益和經濟效益受到廣泛關注，雖然目前在不同節水灌溉措施對環境影響研究方面有一定的工作基礎，但大多偏重于節水灌溉基礎理論、不同節水灌溉措施對環境單因素或子系統的影響，而缺少不同節水灌溉措施對環境的綜合影響機理研究，包括灌區農田小氣候響應特征、地表水與地下水轉化機理與水文循環過程、地下水位動態及蓄變量變化與土壤次生鹽漬化的關系、土壤理化性質時空變異特征、地下水水質變化規律、農產品質量與安全以及灌區生態植被和生物多樣性變化等方面，因此，需要進一步加強灌區綜合節水灌溉措施對生態環境系統的綜合影響機理研究，從而保障節水灌溉的可持續發展。

4 結論與建議

隨著氣候變化現象不斷加劇和經濟社會的飛速發展，變化環境條件下農業用水的可靠性與穩定性面臨的不確定性顯著增加，灌區水資源綜合配置與優化調度的難度及風險增大。農業用水供給和需求都面臨嚴峻挑戰，傳統的水資源調控理論與配置方法很難全面反映水資源系統內多重要素的轉化與互饋關系，不能真正實現農業水資源的安全高效利用。變化環境對區域農業用水的影響是近年來農業用水安全性研究的熱點問題。目前，我國在變化環境條件下流域或區域水循環要素作用機制與演變規律、變化環境對作物需水的影響、變化環境下灌區供需水平衡與水資源承載力分析、節水灌溉措施的環境效應等方面已開展了大量研究工作，取得了不少研究成果。但相較于國外的先進技術，國內無論在研究深度和廣度方面還有一定差距，特別是在變化環境對農業水資源配置系統各個要素綜合影響機理方面還存在許多不足之處。未來隨著氣候變化及人類活動影響的不斷增強，灌區農業用水安全會面臨更大挑戰，已引起多學科領域專家的廣泛關注，使得變化環境對區域農業水資源配置與作物安全用水的影響研究進入一個新的發展階段。因此，在今后的研究中，需要加強變化環境下灌區供水系統及運行模式研究，探明供水系統新的設計理論與運行參數，做到適時適量供水；重視灌區各種氣象與環境因素影響下不同尺度作物需水規律研究，綜合研究各氣象因子對作物需水量的影響機理，為指導灌區作物科學用水并制定精準灌溉制度提供技術依據；加強變化環境條件下灌區供需水量平衡以及水資源承載力基礎理論研究，構建水資源承載力與利用潛力綜合評價指標體系，為灌區農業的安全高效用水以及農業的可持續發展提供技術支撐；重視變化環境條件下灌區水循環要素作用機制與轉化規律研究，弄清變化環境條件下灌區農業水資源時間及空間上的變異規律，為作物的安全用水提供保障；加強大規模節水灌溉對環境的綜合影響機理研究，厘清節水灌溉對區域環境影響的正負效應，從而消除不利影響，為不同類型灌區發展節水灌溉提供技術支撐。

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Effect of Climate Change on Water Resource Allocation to Irrigation: A Review

QI Xuebin1, 2, LI Ping1, 3, BAI Fangfang1, 4, ZHANG Yan1, 3, SHE Yingjun1, 4, MA Cancan1, 4

(1. Farmland Irrigation Research Institute of CAAS and MWR, Xinxiang 453002, China; 2. Laboratory of Quality and Safety Risk Assessment for Agro-Products on Water Environment Factors, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Xinxiang 453002, China;3. Agriculture Water and Soil Environmental Field Science Research Station of CAAS, Xinxiang 453000, China;4. Graduate School of CAAS, Beijing 100081, China)

Rapid socioeconomic development coupled with climate changes is likely to result in uncertainty in agricultural water use, making water resource management and regulation even more difficult. Traditional methods used in allocating and regulating water resources are unable to deal with the balance and optimize water supply and demand between different sectors. Achieving this goal requires a fundamental improvement in our current understanding of the hydrological cycle in farmland ecosystems, in particular, to what extent climate change and anthropogenic activities could reshape the hydrological processes such as precipitation, evapotranspiration, surface runoff, seepage and water consumption. Taking China as an example, this paper systematically analyzes the research progress made over the past few decades in the effect of global climate change on demand of agriculture for water, water supply to crop production, supply-demand balance, water recycling in different irrigation districts. We also analyze the areas that were poorly studied, and the perspectives for future research, especially the response of available water for agricultural use to environmental change at irrigation district scale. These include water supply to irrigation districts and their operations, crop water requirement, consolidating the study of the balance between water supply and demand, as well as theory and method for evaluating water resource bearing capacity in irrigation districts due to climate changes. We conclude that future study should address water cycle and transformation in irrigation districts, and mechanisms underlying the impact of water-saving irrigation technologies on the environment at regional scales.

changing environment; water resources allocation; agricultural water supply; irrigation water requirement; water cycle

齊學斌, 李平, 白芳芳, 等. 變化環境對農業水資源配置的影響研究進展[J]. 灌溉排水學報, 2022, 41(8): 1-8.

QI Xuebin, LI Ping, BAI Fangfang, et al. Effect of Climate Change on Water Resource Allocation to Irrigation: A Review[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(8): 1-8.

2022-02-09

中國農業科學院科技創新工程項目（CAAS-ZDRW202201）；中央級公益性科研院所基本科研業務項目（FIRI20210102）

齊學斌（1963-），男。研究員，博士生導師，博士，主要從事農業水資源優化配置與水資源安全利用方面研究工作。E-mail: qxb6301@sina.cn

1672 - 3317（2022）08 - 0001 - 08

S27

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022066

責任編輯：喬冬梅