不同尺度農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的概念界定與耦合關(guān)系

劉建剛，裴源生，趙 勇

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100044，北京）

不同尺度的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力以及尺度效應(yīng)問(wèn)題是當(dāng)前節(jié)水領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，這項(xiàng)研究對(duì)于緩解我國(guó)日益短缺的水資源會(huì)起到積極的推動(dòng)作用。要進(jìn)行這方面的研究就必須了解不同尺度節(jié)水潛力研究涉及的各種概念和耦合關(guān)系。從節(jié)水潛力的概念入手，分別對(duì)不同尺度的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的概念進(jìn)行界定，并且對(duì)不同尺度農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力之間的耦合關(guān)系進(jìn)行初步探討。

一、節(jié)水潛力的概念界定

2002年的《全國(guó)水資源綜合規(guī)劃技術(shù)大綱》實(shí)施的技術(shù)細(xì)則給出的節(jié)水潛力的概念如下：以各部門(mén)、各行業(yè)(或作物)通過(guò)綜合節(jié)水措施所達(dá)到的節(jié)水指標(biāo)為參考標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)狀用水水平與節(jié)水指標(biāo)的差值即為最大可能節(jié)水?dāng)?shù)量，此概念屬于傳統(tǒng)意義上的節(jié)水潛力；其他學(xué)者如段愛(ài)旺、劉坤、歐建鋒等對(duì)節(jié)水潛力的概念界定與《全國(guó)水資源綜合規(guī)劃技術(shù)大綱》實(shí)施的技術(shù)細(xì)則相似，也同樣屬于灌溉節(jié)水的范疇。

傳統(tǒng)意義上的農(nóng)業(yè)節(jié)水指的是取（供）用水的減少量，主要減少的是渠系和田間的滲漏量、渠道退水量以及田間排水量，屬于灌溉節(jié)水；事實(shí)上，灌溉節(jié)水量中的相當(dāng)一部分并未損失，只是以不同形式被下游或生態(tài)環(huán)境所利用。因此，傳統(tǒng)的灌溉節(jié)水量并不是真正意義上的節(jié)水量，只有那些在作物、田間、灌區(qū)和流域通過(guò)采取各種生理、農(nóng)藝、工程和管理措施減少的無(wú)效蒸騰蒸發(fā)量，才能稱(chēng)為真實(shí)節(jié)水量，即資源節(jié)水潛力。

目前，節(jié)水潛力的概念和內(nèi)涵尚沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，依然存在不少問(wèn)題，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①?zèng)]有一個(gè)國(guó)際通用的、普遍認(rèn)可的、規(guī)范的、統(tǒng)一的定義；②目前的節(jié)水潛力大多還集中在灌溉節(jié)水的范疇，對(duì)于真正意義上的資源節(jié)水涉及的很少；③當(dāng)前對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的研究大多沒(méi)有考慮農(nóng)業(yè)節(jié)水措施對(duì)周?chē)纳鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和環(huán)境的影響，因此不能夠真實(shí)地反映某一措施的實(shí)際節(jié)水能力。

因此農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力概念的界定，不僅要包括灌溉節(jié)水，還要包括資源節(jié)水。針對(duì)目前眾多學(xué)者提出和使用的節(jié)水潛力概念存在的問(wèn)題，現(xiàn)給出節(jié)水潛力的定義：是指采取可能的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和科技措施，保持區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的前提下，與現(xiàn)狀用水水平相比，區(qū)域最大的節(jié)水能力，它體現(xiàn)了維持區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的節(jié)水量閾值，是一個(gè)地區(qū)的最大節(jié)水能力。

二、不同尺度節(jié)水潛力的概念界定

農(nóng)業(yè)節(jié)水涉及作物、田間、灌區(qū)和區(qū)域/流域等四個(gè)不同的尺度層面，是一個(gè)從微觀到宏觀的研究過(guò)程，不同尺度農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的概念之間存在較大差異，基于前面的節(jié)水潛力概念，山侖、張霞、龔華等，李英能等分別對(duì)作物節(jié)水潛力、田間節(jié)水潛力、灌區(qū)節(jié)水潛力和流域節(jié)水潛力的概念和內(nèi)涵進(jìn)行過(guò)探討，但大多數(shù)只是從農(nóng)業(yè)的角度出發(fā)，沒(méi)有考慮對(duì)其他因素的影響，故現(xiàn)對(duì)作物、田間、灌區(qū)和流域四個(gè)尺度的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力概念進(jìn)行界定。

1.作物節(jié)水潛力

指在作物尺度上，根據(jù)某一作物的需水規(guī)律，對(duì)其生育期的某些非關(guān)鍵需水階段施加一定的水分脅迫，在保證不影響作物正常產(chǎn)量的情況下，較現(xiàn)狀最大的節(jié)水能力。

2.田間節(jié)水潛力

指在田間尺度上，采用工程或非工程等措施后，在不影響作物產(chǎn)量的情況下，田間較現(xiàn)狀最大的節(jié)水能力。

3.灌區(qū)節(jié)水潛力

指在灌區(qū)尺度上，通過(guò)灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、渠系襯砌、管理等一系列灌區(qū)節(jié)水措施后，在不影響灌區(qū)作物正常的產(chǎn)量、灌區(qū)內(nèi)部及周邊生態(tài)環(huán)境的情況下，較灌區(qū)現(xiàn)狀的最大節(jié)水能力。

4.流域節(jié)水潛力

指對(duì)作物、田間、灌區(qū)不同尺度節(jié)水措施進(jìn)行優(yōu)化組合構(gòu)建流域適宜的節(jié)水方案集，在保持區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的前提下，與現(xiàn)狀用水水平相比區(qū)域最大的節(jié)水能力。它體現(xiàn)了維持區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)穩(wěn)定、社會(huì)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的節(jié)水量閾值，是流域最大的節(jié)水能力。

三、理論節(jié)水潛力與實(shí)際節(jié)水潛力

每個(gè)尺度以及每種節(jié)水措施的節(jié)水潛力在理論上和實(shí)際上都會(huì)有較大的差異，在某一特定條件下的試驗(yàn)成果只能作為理論的節(jié)水潛力，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要考慮各種復(fù)雜條件的疊加和耦合效應(yīng)的影響，節(jié)水潛力會(huì)有所不同。因此根據(jù)節(jié)水措施實(shí)施的可能性及其效果，節(jié)水潛力可以劃分為理論節(jié)水潛力、實(shí)際節(jié)水潛力兩大類(lèi)。

1.理論節(jié)水潛力

是指在一定的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，通過(guò)綜合采取各類(lèi)工程和非工程的節(jié)水措施后可能產(chǎn)生的最大節(jié)水量，是作為節(jié)水的理想目標(biāo)值提出來(lái)的。由于受到經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、技術(shù)手段以及財(cái)力和物力的限制，使得所采取措施的節(jié)水效果達(dá)不到理論上的理想目標(biāo)，只是人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中的一種美好愿望。

2.實(shí)際節(jié)水潛力

是指在一定的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，在實(shí)際用水過(guò)程中，通過(guò)綜合采取各類(lèi)可行的節(jié)水措施（包括工程和非工程措施）后所產(chǎn)生的最大節(jié)水量。因此實(shí)際節(jié)水潛力和節(jié)水措施的種類(lèi)、實(shí)施的可行性密切相關(guān)。實(shí)際節(jié)水潛力是綜合考慮節(jié)水措施實(shí)施后對(duì)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境各方面影響情況下確定的當(dāng)前條件下最可能達(dá)到的節(jié)水目標(biāo)，與理論節(jié)水潛力相比，實(shí)際節(jié)水潛力在生產(chǎn)中的研究?jī)r(jià)值和意義也更為重大。

四、資源節(jié)水潛力與灌溉節(jié)水潛力

如前所述，資源節(jié)水和灌溉節(jié)水分別從水資源的取用和消耗的角度體現(xiàn)某一節(jié)水措施的節(jié)水能力，根據(jù)節(jié)水內(nèi)涵的不同，可將節(jié)水分為灌溉節(jié)水與資源節(jié)水兩個(gè)層次，相應(yīng)的，節(jié)水潛力也可以分為灌溉節(jié)水潛力和資源節(jié)水潛力。

1.灌溉節(jié)水

傳統(tǒng)理念下的灌溉節(jié)水是指通過(guò)采取綜合節(jié)水措施，與未采取節(jié)水措施前相比對(duì)應(yīng)尺度所需取用水量的減少量。這種減少量包括減少的蒸發(fā)蒸騰量、滲漏損失量以及回歸水量等。灌溉節(jié)水忽視了水的資源消耗特性和循環(huán)利用再生性，將深層滲漏和地表回歸的水量都作為所節(jié)約的水量，實(shí)際上，這些水量仍存于水資源系統(tǒng)內(nèi)部，或?yàn)楣I(yè)、生態(tài)環(huán)境等部門(mén)所消耗，并未實(shí)現(xiàn)資源量上的節(jié)約。

2.資源節(jié)水

可持續(xù)理念下的資源節(jié)水是從資源角度出發(fā)，考慮水的資源消耗特性，將減少的蒸發(fā)蒸騰消耗水量作為節(jié)約量。農(nóng)田灌溉耗水是農(nóng)業(yè)耗水大戶(hù)，在農(nóng)田灌溉系統(tǒng)中，耗水主要發(fā)生在輸配水渠系、田間和排水渠系中，由渠系蒸發(fā)、田面表水蒸發(fā)、作物蒸騰、棵間土壤蒸發(fā)四部分組成。

3.灌溉節(jié)水潛力

目前絕大多數(shù)節(jié)水潛力的研究主要針對(duì)的是灌溉節(jié)水潛力，主要指的是以通過(guò)采取綜合節(jié)水措施后所能達(dá)到的節(jié)水與用水標(biāo)準(zhǔn)為參照，分析計(jì)算其在充分考慮節(jié)水條件下的最小用水量比現(xiàn)狀用水量減少的水量。

實(shí)際上，作物、田間、灌區(qū)和流域的某一尺度上通過(guò)各種節(jié)水措施所節(jié)約出來(lái)的水資源量并沒(méi)有完全損失，有些仍然存留在流域尺度的水資源系統(tǒng)內(nèi)部，或被轉(zhuǎn)移到其他水資源緊缺的部門(mén)或行業(yè)，滿(mǎn)足該部門(mén)或行業(yè)的需水要求，因此，小尺度的灌溉節(jié)水量參與了大尺度的水循環(huán)和水資源分配過(guò)程，對(duì)整個(gè)流域來(lái)說(shuō)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)資源意義上的節(jié)水。因此，傳統(tǒng)意義下計(jì)算灌溉節(jié)水潛力的方法不能反映該地區(qū)水的資源節(jié)約量，必須從水的資源消耗特性出發(fā)，研究區(qū)域水的資源節(jié)約潛力，即資源節(jié)水潛力。

4.資源節(jié)水潛力

無(wú)論是經(jīng)濟(jì)社會(huì)，還是生態(tài)環(huán)境，蒸發(fā)蒸騰都是水資源消耗的主要途徑，尤其是農(nóng)業(yè)用水，農(nóng)作物吸收的水分中有90%以上由植株表面蒸騰作用而消耗，通過(guò)光合作用直接用于生長(zhǎng)發(fā)育的水分還不到1%，即作物存在奢侈蒸騰。同樣，這種水分的奢侈蒸騰也存在人類(lèi)的各種生產(chǎn)生活實(shí)踐當(dāng)中。從資源利用的角度講，消耗即意味著已喪失其作為資源的價(jià)值，而水的這種奢侈蒸騰恰恰是奢侈消耗資源的表現(xiàn)，因此這種奢侈消耗的水資源正是區(qū)域潛在水的資源節(jié)約能力，即資源節(jié)水潛力。

資源節(jié)水潛力是指未來(lái)采取各種綜合節(jié)水措施以后，區(qū)域所消耗的水量與現(xiàn)狀用水水平下區(qū)域所消耗水量的差值。資源節(jié)水量是表征區(qū)域?qū)嶋H蒸發(fā)消耗的節(jié)水量，體現(xiàn)了區(qū)域?qū)嶋H的節(jié)水潛力。節(jié)水是以不損害區(qū)域生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展為前提的，節(jié)水導(dǎo)致的區(qū)域生態(tài)耗水減少必須通過(guò)人工途徑進(jìn)行補(bǔ)償。

五、不同尺度農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力之間的耦合關(guān)系

作物、田間、灌區(qū)和流域是研究農(nóng)業(yè)節(jié)水的四個(gè)不同尺度，各個(gè)尺度的節(jié)水措施之間以及某一尺度的節(jié)水措施的實(shí)施必然影響其他尺度的節(jié)水效果，也就是說(shuō)不同尺度的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力之間存在著一定的耦合關(guān)系，這種耦合關(guān)系將“大氣水—作物水—地表水—土壤水—地下水”五水之間有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，影響著水資源的時(shí)空分布和分配。因此，在研究不同尺度農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的時(shí)候，既需要考慮不同作物的不同生理節(jié)水措施的節(jié)水水平，又要考慮農(nóng)藝節(jié)水措施、工程節(jié)水措施和管理節(jié)水措施所帶來(lái)的節(jié)水潛力以及這些措施適宜在哪個(gè)尺度采用。同時(shí)這些不同類(lèi)型節(jié)水措施之間并不是孤立的，往往是兩種或多種類(lèi)型節(jié)水措施的組合，而不是每一種組合都適應(yīng)所有的地區(qū)，比如井灌區(qū)發(fā)展微噴灌就要比在自流灌區(qū)更為實(shí)際、合理一些，因此需要根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況，因地制宜地優(yōu)化組合各個(gè)尺度最適宜的節(jié)水措施。不同尺度的節(jié)水措施的實(shí)施效果并不是各個(gè)尺度節(jié)水措施的簡(jiǎn)單線(xiàn)性累加，它們之間存在著一定的耦合關(guān)系。例如冬小麥采用灌關(guān)鍵水生理節(jié)水措施的耗水節(jié)水量60～80 mm，而采用田間地膜覆蓋的耗水節(jié)水量約為40mm，如果把這兩種措施耦合起來(lái)，它的節(jié)水效果不是簡(jiǎn)單累加變?yōu)?00～120mm，這兩種措施的耦合也許是正效應(yīng)也許是負(fù)效應(yīng)。目前對(duì)不同節(jié)水措施下的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的研究，由于涉及因素較少便于試驗(yàn)和觀測(cè)，往往集中在作物和田間等較小的尺度，對(duì)于尺度效應(yīng)非常復(fù)雜的灌區(qū)和流域等中大尺度的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力研究相對(duì)較少。在對(duì)“作物—田間—灌區(qū)—流域”不同尺度農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力之間的耦合進(jìn)行研究的過(guò)程中，需要對(duì)所涉及的自然—人工水循環(huán)過(guò)程和水資源合理配置進(jìn)行模擬分析，對(duì)不同尺度資源和灌溉節(jié)水潛力之間的關(guān)系進(jìn)行定量分析。

研究不同尺度農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力之間的耦合關(guān)系，涉及不同尺度的數(shù)據(jù)獲取途徑和不同的分析方法。對(duì)作物和田間尺度由于涉及的要素較少，只需開(kāi)展田間水量平衡觀測(cè)；而對(duì)灌區(qū)和流域尺度，由于灌區(qū)和流域復(fù)雜的下墊面邊界條件（土層、植被、地質(zhì)、地形、土地利用、水分等及其組合），其觀測(cè)牽涉的因素較多，較復(fù)雜，同時(shí)觀測(cè)比較困難，難以量化，準(zhǔn)確獲取區(qū)域模擬參數(shù)難度大，有些因素需借助試驗(yàn)監(jiān)測(cè)、遙感技術(shù)（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS），以及水循環(huán)和作物生長(zhǎng)過(guò)程的描述需利用田間試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法；對(duì)于不同尺度之間的耦合關(guān)系，一方面需要借助各種數(shù)據(jù)獲取途徑和分析模擬方法，再現(xiàn)水循環(huán)和作物生長(zhǎng)過(guò)程的尺度現(xiàn)象，對(duì)尺度效應(yīng)的本征進(jìn)行描述，另一方面需要利用一定的數(shù)學(xué)工具進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換，即借助尺度估計(jì)理論或統(tǒng)計(jì)方法建立水平衡要素、節(jié)水效果等與尺度的數(shù)學(xué)關(guān)系，用一個(gè)尺度上的信息去推測(cè)另一尺度上的信息進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換，以便實(shí)現(xiàn)不同尺度農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的全面評(píng)估。

因此，研究不同尺度農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力之間的耦合關(guān)系，可以基于RS和GIS構(gòu)建適合灌溉系統(tǒng)的分布式水文模型，將分布式水分模型與植被生長(zhǎng)模型、土壤風(fēng)蝕模型進(jìn)行耦合，在試驗(yàn)觀測(cè)、理論分析和模型模擬的基礎(chǔ)上，分析不同尺度采取節(jié)水措施的資源和灌溉節(jié)水潛力的定量關(guān)系，同時(shí)可以分析相應(yīng)的節(jié)水措施對(duì)流域水平衡的影響、對(duì)植被干物質(zhì)重和作物產(chǎn)量的脅迫關(guān)系，以及節(jié)水對(duì)流域內(nèi)部和周邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響。

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