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水資源危機(jī)已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。作為耗水大戶(hù)的農(nóng)業(yè),現(xiàn)在以及未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間都將面臨“以較少的水資源消耗生產(chǎn)更多糧食”的艱巨任務(wù)。今天文章中描述自1980 年以來(lái),我國(guó)節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速,農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉措施的實(shí)施極大地減少了農(nóng)業(yè)灌溉取用水量,顯著提高了灌溉效率,然而水資源危機(jī)并沒(méi)有得到緩解,流域地下水水位持續(xù)下降的趨勢(shì)并未得到遏制,這一現(xiàn)狀使人們不得不重新審視節(jié)水農(nóng)業(yè)存在的問(wèn)題。

作者從水資源消耗的視角,充分利用遙感技術(shù)在作物分布、蒸散發(fā)、產(chǎn)量空間格局和時(shí)間動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì),在區(qū)域尺度上認(rèn)識(shí)節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展中存在的問(wèn)題和面臨的挑戰(zhàn),提出利益相關(guān)者參與式的“耗水管理”是節(jié)水高效農(nóng)業(yè)發(fā)展以及成功實(shí)施的必然途徑。

文章來(lái)自：《中國(guó)科學(xué)院院刊》2017年第1期。

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在中科院知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目“海河流域治理工程生態(tài)環(huán)境效應(yīng)遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)估”課題和世界銀行環(huán)球基金“海河流域水資源與水環(huán)境綜合管理”項(xiàng)目支持下,經(jīng)過(guò)近 10 年對(duì)海河流域水資源問(wèn)題的研究提出了“耗水管理”理念。

本文以海河流域?yàn)楸狈剿Y源問(wèn)題的典型代表區(qū),基于耗水管理理念,從耗水的視角來(lái)審視節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展中存在的問(wèn)題,重新認(rèn)識(shí)流域節(jié)水所面臨的問(wèn)題和艱巨的挑戰(zhàn),針對(duì)節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展提出對(duì)策及建議。

節(jié)水灌溉發(fā)展的資金投入來(lái)源包括國(guó)家和地方政府財(cái)政、銀行信貸、自籌資金以及國(guó)外資金等,其中,國(guó)家財(cái)政投入主要負(fù)責(zé)水源和干支渠渠道等骨干工程,信貸和自籌資金主要是由地方和農(nóng)戶(hù)投入用于末端節(jié)水灌溉工程。

我國(guó)有灌溉條件的農(nóng)田約占耕地總面積的 47%。當(dāng)前農(nóng)業(yè)灌溉面積比建國(guó)初期增加了近 3 倍,引水輸水以及井灌區(qū)建設(shè)和改造等節(jié)水灌溉工程大大減少了農(nóng)業(yè)灌溉中的輸水損失。截至 2010 年,節(jié)水灌溉工程面積達(dá) 4 億畝,渠道防滲控制灌溉面積占總節(jié)水灌溉面積的 42%,低壓管道輸水灌溉占 25%,噴灌約占 11%,微灌約占 8%,其他占 14%。以海河流域?yàn)槔?自 1980 年以來(lái)農(nóng)田灌溉面積迅速增長(zhǎng),目前總有效灌溉面積約為 1 億畝 , 占耕地總面積的 60%。截至 2010 年,海河流域節(jié)水灌溉面積約有 6 000 萬(wàn)畝,超過(guò) 4 050 萬(wàn)畝耕地(灌溉面積的 37.2%)使用了渠道襯砌和管道配水技術(shù),而 738 萬(wàn)畝耕地(灌溉面積的 7%)使用了滴灌和噴灌技術(shù),主要應(yīng)用于果園和大棚。

我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的比重從 1980 的 88%,1993 年的 66% 降至 2009 年的 62%,單位面積用水量從494 立方米/畝回落到 459 立方米/畝。2000 年以來(lái)全國(guó)農(nóng)業(yè)用水量基本平穩(wěn),2014 年農(nóng)業(yè)用水量(約 3870 億 m3)占總量的 63.5%。海河流域的農(nóng)業(yè)用水量趨勢(shì)與我國(guó)情況基本一致,自 1980 年以來(lái)農(nóng)業(yè)用水在波動(dòng)中呈逐步下降的趨勢(shì),農(nóng)業(yè)用水高峰年出現(xiàn)在 1989 年,達(dá)到 335 億 m3。但 2000 年以后,農(nóng)業(yè)用水量一直保持在 300 億 m3 以下。據(jù)《海河流域水資源公報(bào)》,2000年和2014年全流域總用水量分別為398億m3和 370 億 m3,其中農(nóng)業(yè)用水量分別為 281 億 m3和 233 億 m3,占總用水量的 70% 和 63%。

節(jié)水灌溉發(fā)展使得我國(guó)灌溉水利用系數(shù)從 20 世紀(jì) 80 年代不足 0.3 提高到 2000 年的 0.44,2010 年進(jìn)一步提高到 0.50。2011 年中央一號(hào)文件提出到 2020 年灌溉水利用系數(shù)提高到 0.55。由于節(jié)水灌溉工程建設(shè),如渠道襯砌、低壓管道等建設(shè)減少了從水源到農(nóng)田輸水損失量,因此灌溉效率明顯提高。2010 年華北地區(qū)的灌溉水利用系數(shù)平均為 0.6,變化范圍在 0.5—0.9 之間,為我國(guó)灌溉水利用系數(shù)最高的區(qū)域。該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),水資源問(wèn)題最為嚴(yán)重,國(guó)家和地方政府在該區(qū)域的節(jié)水灌溉資金投入相對(duì)較高。

地下水是我國(guó)重要的灌溉水源,全國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉地下水開(kāi)采量 666 億 m3,占全國(guó)農(nóng)田灌溉總用水量的19%;在地下水實(shí)際開(kāi)采量中,用于農(nóng)田灌溉的地下水開(kāi)采量占 54.3 %。但由于水資源地區(qū)分配不均,地下水開(kāi)采利用程度呈現(xiàn)明顯的地區(qū)差異,最為嚴(yán)重的地區(qū)為華北地區(qū)。華北地區(qū)耕地面積約5.5億畝,約占全國(guó)總耕地的 28%,地下水供農(nóng)業(yè)用水占38%,其中河北省占 75%,山西和河南占 50% 以上。

“地下水持續(xù)超采問(wèn)題依舊”“節(jié)約的農(nóng)業(yè)用水量究竟去哪了”等成為了管理部門(mén)與科研工作者最為困擾的一些問(wèn)題。在華北平原地區(qū)實(shí)施的渠道襯砌、防滲加固、低壓管道以及噴滴灌等手段減少了灌溉水的滲漏,提高了灌溉效率,但也減少了對(duì)地下水的補(bǔ)給,原因是大多數(shù)節(jié)水措施實(shí)施前“損失的水資源”在流域尺度上并沒(méi)有從水系統(tǒng)中損失掉,如下滲到地下補(bǔ)充地下水的水量可以被再次取用,灌溉回流到河流的水量在下游也可以被再利用。

因此,節(jié)水灌溉工程只是提高灌溉效率、提高田間的灌溉保證率,對(duì)修復(fù)地下水過(guò)度超采的狀況卻于事無(wú)補(bǔ),減少的取水量不等于節(jié)水量。如果將灌溉工程減少的滲漏損失或減少的用水量,當(dāng)成節(jié)省的水量并用于擴(kuò)大灌溉面積,反而會(huì)惡化地下水的超采問(wèn)題,造成“越節(jié)水、越超采”的惡性循環(huán)。更需注意的是,在地下水超采問(wèn)題突出的區(qū)域,以“節(jié)約用水量”以及“提高灌溉水分利用系數(shù)”為目標(biāo)的節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展不能改善地下水超采現(xiàn)象。

水分生產(chǎn)率指的是消耗單位水資源量所獲得的產(chǎn)量(單位:kg/m3),是高效節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。利用區(qū)域蒸散遙感模型 ETWatch 生產(chǎn)的月尺度蒸散(ET)遙感數(shù)據(jù)、基于遙感數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的 CASA 作物模型估算的生物量數(shù)據(jù)及收獲指數(shù),結(jié)合冬小麥作物分布,得到了2003—2009 年海河流域平原區(qū)冬小麥的多年平均水分生產(chǎn)率為 1.049 kg/m3,變化范圍為 0.1—1.6 kg/m3。冬小麥水分生產(chǎn)率的空間分布差異顯著,水分生產(chǎn)率高值區(qū)集中在海河流域的洪泛區(qū)和黃河灌區(qū),該區(qū)域?qū)?yīng)較低的耗水量和較高干物質(zhì)量累積量。海河流域的東部地區(qū)水分生產(chǎn)率較低,對(duì)應(yīng)較高的耗水量和中等偏上水平的干物質(zhì)累積量。實(shí)驗(yàn)站作物ET與產(chǎn)量分析研究結(jié)果表明,當(dāng) ET 達(dá)到 460—463 mm 之前,產(chǎn)量與 ET 呈線(xiàn)性增長(zhǎng)的趨勢(shì),之后產(chǎn)量變化趨于穩(wěn)定?，F(xiàn)狀像元尺度冬小麥 ET 低于 460 mm 的臨界值,產(chǎn)量與 ET 的關(guān)系統(tǒng)仍然處于線(xiàn)性關(guān)系,說(shuō)明區(qū)域水分生產(chǎn)率仍然有提高的空間。

從同一地點(diǎn)不同時(shí)期的ET、產(chǎn)量與水分生產(chǎn)率的趨勢(shì)變化可以分析水分生產(chǎn)率提高的原因。表 1 是基于1984—2002 年 8 個(gè)農(nóng)業(yè)氣象站的冬小麥產(chǎn)量數(shù)據(jù)和遙感反演的 ET 數(shù)據(jù),采用線(xiàn)性趨勢(shì)分析方法建立的 ET、產(chǎn)量和水分生產(chǎn)率間的關(guān)系。

所有站點(diǎn)的冬小麥產(chǎn)量自1984 年以來(lái)呈顯著增加的趨勢(shì),變化范圍為 100.4— 211.4 kg/hm2,產(chǎn)量線(xiàn)性回歸方程的決定系數(shù) R2 為 0.60—0.97,所有站點(diǎn)均通過(guò)了 95% 的置信度檢驗(yàn)。ET 在1984—2002 年間總體呈增加的趨勢(shì),但增加輻度低于產(chǎn)量的增加輻度,斜率變化范圍為 0.09—4.49,所有站點(diǎn)的線(xiàn)性回歸分析均沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。水分生產(chǎn)率總體呈增加的趨勢(shì),有 4 個(gè)站點(diǎn)線(xiàn)性回歸方程通過(guò)了 95% 置信度檢驗(yàn),水分生產(chǎn)率的變化趨勢(shì)存在明顯的空間差異。

以海河流域封丘縣為例,糧食(冬小麥)水分利用效率在 1949—1996 年間從 0.23 kg/m3 增加到 0.90 kg/m3,糧食產(chǎn)量自 20 世紀(jì) 50 年代以來(lái)增加了5.98 倍,而耗水僅增加了 28.3%。上述分析說(shuō)明了20年來(lái)產(chǎn)量的增加主要是由于灌溉保證率提高后,使得農(nóng)民有意愿投入,采用改良品種,增加氮肥和磷肥以及農(nóng)藥的用量,加強(qiáng)田間管理,從而提高了單產(chǎn)水平,但水量消耗的增加有限,原來(lái)的無(wú)效耗水轉(zhuǎn)變成了有效耗水。

綜上所述,從空間和時(shí)間尺度的分析結(jié)果表明冬小麥單產(chǎn)的顯著增加是近20 年來(lái)流域平原區(qū)冬小麥水分生產(chǎn)率顯著提高的根本原因。

將這個(gè)方法應(yīng)用到海河流域,2000 年農(nóng)業(yè)用水量為 281 億 m3,灌溉用水利用率從 2000 年 0.44 提高到2010 年 0.6,提高了約 36%,意味著節(jié)約了101 億 m3 的用水量。正如前面提到的減少的取水量不等于節(jié)水量,這種計(jì)算方法會(huì)嚴(yán)重誤導(dǎo)節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展,并引發(fā)更嚴(yán)重的水資源短缺。

基于耗水量的節(jié)水潛力評(píng)估方法得出不同的結(jié)果(表 2)。選擇海河流域及周邊農(nóng)氣條件相近的實(shí)驗(yàn)區(qū),通過(guò)對(duì)覆蓋/覆膜措施、調(diào)虧灌溉和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整單項(xiàng)措施以及綜合措施實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的匯總分析,發(fā)現(xiàn)節(jié)水不減產(chǎn)的措施主要以覆蓋/覆膜措施和綜合措施(覆蓋+調(diào)虧灌溉)為主。

對(duì)于覆蓋/覆膜措施來(lái)講,冬小麥秸稈覆蓋減少約 3% 水分消耗,增產(chǎn)約 18%;對(duì)于玉米,減少約 4% 水分消耗,同時(shí)增產(chǎn)約 5%;棉花塑料薄膜覆蓋的效果為節(jié)約 11%水分消耗,增產(chǎn)約 23%。

對(duì)于綜合措施來(lái)講,小麥節(jié)省 9%的水分消耗且增產(chǎn) 19%,玉米節(jié)省 6% 的水分消耗同時(shí)增產(chǎn) 13%。利用流域 2010 年作物分布數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到海河流域的冬小麥面積 367 萬(wàn)hm2,玉米 522 萬(wàn) hm2,棉花 73萬(wàn) hm2 ,根據(jù)節(jié)水措施節(jié)水效果,覆蓋/覆膜技術(shù)每年節(jié)水可達(dá) 16 億 m3,綜合節(jié)水措施每年節(jié)水量只有 26 億 m3,顯著低于前面提到的節(jié)約 101 億 m3的取用水量。假設(shè)維持產(chǎn)量不變,通過(guò)休耕、輪作等方式額外節(jié)水,得到冬小麥、玉米和棉花 3 種主要作物總的節(jié)水潛力為 41 億 m3 。

利用耗水平衡分析方法,在保證生態(tài)流量的前提下,2003—2009 年海河流域地下水超采量為 62.5 億 m3,目前農(nóng)藝節(jié)水措施可達(dá)到的節(jié)水量只有地下水超采量的 2/3,剩下的 21.5 億 m3 的缺口只能通過(guò)增加休耕規(guī)?；蛘{(diào)虧灌溉來(lái)實(shí)現(xiàn),而這兩種方法都會(huì)導(dǎo)致糧食產(chǎn)量的減少。通過(guò)分析調(diào)虧灌溉和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的 6 種方案情景,結(jié)果表明減少 21.5 億 m3 的耗水量相應(yīng)的會(huì)有 400 萬(wàn)—780 萬(wàn) t 糧食產(chǎn)量的減產(chǎn)。如果冬小麥種植面積減少 114.36 萬(wàn) hm2,約占目前冬小麥種植面積的 31%,其產(chǎn)量減少約 400 萬(wàn) t,或者對(duì) 118.95 萬(wàn) hm2的冬小麥夏玉米套種區(qū)域采用高度缺水的調(diào)虧灌溉方式,將造成產(chǎn)量損失 490 萬(wàn) t,這兩種方案都能減少 21.5億 m3 的耗水量。

綜上所述,基于用水量的節(jié)水量估算結(jié)果遠(yuǎn)大于基于耗水量的節(jié)水量估算結(jié)果。在現(xiàn)有種植結(jié)構(gòu)下,前者估算得到的節(jié)水潛力是后者的 2 倍多?；诤乃繙p少的節(jié)水潛力反應(yīng)了一個(gè)事實(shí)“作物存在即產(chǎn)生消耗”。在地下水源為主的農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域,作物耗水量減少直接的效果就是地下水開(kāi)采量減少。

高效節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展是緩解用水矛盾、實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的一個(gè)重要手段,同時(shí)也是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化的一個(gè)重要標(biāo)志。但從前一節(jié)的分析可知,節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展需要新的理念和技術(shù)手段,“耗水管理”理念以及一系列的技術(shù)方法對(duì)于重新認(rèn)識(shí)節(jié)水誤區(qū)以及節(jié)水發(fā)展方向提供了支撐。然而在分析中也發(fā)現(xiàn)政府和農(nóng)民利益相關(guān)者的參與也不可小覷。因此,利益相關(guān)者特別是農(nóng)民參與的“耗水管理”是節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展措施得以實(shí)施的重要保障。

從耗水管理理念出發(fā),通過(guò)重新認(rèn)識(shí)節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展中的“地下水超采”“提高水分生產(chǎn)率”以及“農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力”,建立利益相關(guān)者參與式的“耗水管理”是節(jié)水高效農(nóng)業(yè)發(fā)展以及成功實(shí)施的必然途徑。

(1)明確流域的最大農(nóng)業(yè)耗水量。

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灌溉水利用效率的提高減少了取水量,提高了灌溉保證率,但不一定減少了耗水量。如果將減少的取水量當(dāng)作節(jié)省的水量投入使用,特別是用于擴(kuò)大灌溉面積,將使得耗水量增加,地下水超采問(wèn)題愈演愈烈。通過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì),充分認(rèn)識(shí)到“作物即耗水”,只有“耗水量的減少”才能從根本上解決流域水資源問(wèn)題。對(duì)于一個(gè)流域來(lái)講,水資源量是有限的,也是有數(shù)的,多年平均降雨量減去生態(tài)環(huán)境耗水量和河流的生態(tài)流量,是人類(lèi)活動(dòng)可以消耗的最大可耗水量,再減去工業(yè)和生活的耗水量,就是農(nóng)業(yè)的可耗水量。只有每個(gè)集水區(qū)、子流域、流域都明確了最大農(nóng)業(yè)耗水規(guī)模,“作物/農(nóng)田總耗水量的限制”才能從根本上解決水資源問(wèn)題,也是避免地下水超采的良策。

(2)提高基于耗水量的區(qū)域水分生產(chǎn)率是高效節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。

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20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)節(jié)水農(nóng)業(yè)措施的實(shí)施,盡管用水取水量大幅減小,灌溉效率顯著提高,但是對(duì)于作物耗水量的減少效果有限,而水分生產(chǎn)率得到顯著改善的根本原因是產(chǎn)量的提高,因此厘清節(jié)水減耗和產(chǎn)量增加對(duì)提高區(qū)域水分生產(chǎn)率的貢獻(xiàn)度很重要?！耙圆粻奚Z食為代價(jià)的耗水量減少” 的農(nóng)藝節(jié)水措施可作為區(qū)域節(jié)水推廣的手段,提高單產(chǎn)、提高單位面積產(chǎn)出的效益是提高水分生產(chǎn)率的關(guān)鍵,如通過(guò)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整生產(chǎn)高品質(zhì)、高價(jià)值的農(nóng)產(chǎn)品。

(3) 農(nóng)業(yè)的節(jié)水潛力對(duì)于區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃與水資源配置極其重要。

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作為耗水大戶(hù)的農(nóng)業(yè),在很長(zhǎng)一段時(shí)間都會(huì)是節(jié)水的重中之重。當(dāng)前以用水量減少為核心的節(jié)水潛力評(píng)估嚴(yán)重高估了節(jié)水農(nóng)業(yè)的潛力,基于該節(jié)水量進(jìn)行的水資源分配和農(nóng)業(yè)規(guī)劃勢(shì)必導(dǎo)致水資源問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。以減少耗水量為核心的節(jié)水潛力評(píng)估結(jié)果表明,在水資源問(wèn)題突出地區(qū),不影響糧食生產(chǎn)的情況下農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的空間很有限,充分認(rèn)識(shí)到節(jié)水潛力的合理估算對(duì)于如何在糧食安全與節(jié)水之間找到平衡點(diǎn)至關(guān)重要。

(4) 高效節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展需要政府管理和農(nóng)民參與的有機(jī)結(jié)合。

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從政府層面來(lái)講,需要制定合理的政策框架,明確水資源利用邊界(水權(quán)),限制無(wú)節(jié)制的、無(wú)補(bǔ)償?shù)乃Y源侵蝕行為,農(nóng)民才會(huì)積極主動(dòng)地去尋求“低投入高產(chǎn)出”的措施;通過(guò)發(fā)揮基于社區(qū)的農(nóng)民用水協(xié)會(huì)的作用,通過(guò)道德、信任、透明、可核查及水權(quán)交易方式推動(dòng)農(nóng)民的積極參與,重塑農(nóng)民用水的社區(qū)管理方式,才是減少耗水的根本。同時(shí)加大對(duì)農(nóng)民的教育投資,使其了解水資源危機(jī)的危害,意識(shí)到自己的利益與節(jié)水密切相關(guān)。

當(dāng)前日益嚴(yán)重的缺水形勢(shì)下,節(jié)水高效農(nóng)業(yè)是我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要內(nèi)容,也是解決我國(guó)水資源危機(jī)特別是北方地區(qū)水資源危機(jī)的重要環(huán)節(jié),更是水資源可持續(xù)利用以及國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大舉措。

農(nóng)業(yè)用水管理從“以需定供”時(shí)代發(fā)展到當(dāng)前的“以供定需”,仍然不能很好的解決目前水資源危機(jī)的問(wèn)題,亟需通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新,帶動(dòng)發(fā)展理念和體制機(jī)制的創(chuàng)新,從而走出一條全新的節(jié)水高效農(nóng)業(yè)發(fā)展之路。

蒸散遙感技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展已能定量、精確地刻畫(huà)農(nóng)業(yè)的耗水量,從而為基于“耗水量”的農(nóng)業(yè)總耗水量控制、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率等方面提供創(chuàng)新技術(shù)保證,利益相關(guān)者參與式的“耗水管理”是節(jié)水高效農(nóng)業(yè)發(fā)展以及成功的必然途徑。（轉(zhuǎn)自：農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)）

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