楊貴羽,王 浩
(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所,100038,北京)
我國(guó)水資源總量較少,時(shí)空分布極不均勻,且降水與耕地在空間分布上差異較大,使得我國(guó)耕地上畝均水資源占有量較少,區(qū)域間變異性極大。據(jù)統(tǒng)計(jì),1956—2005年全國(guó)年均降水總量為60 853.89億m3,平均年徑流量?jī)H為2669億m3,約有70%集中于汛期的6—9月,且81%分布在長(zhǎng)江流域及其以南地區(qū);又由于南北方耕地資源分布的差異,導(dǎo)致長(zhǎng)江以南地區(qū)每公頃耕地水資源占有量為28695m3,長(zhǎng)江以北地區(qū)每公頃耕地水資源占有量?jī)H為9 465 m3;而且隨著我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)持續(xù)向缺水和生態(tài)脆弱的北方地區(qū)轉(zhuǎn)移,單位耕地面積上水資源的占有量還將進(jìn)一步減少。水資源的天然條件和水土資源的不相匹配是我國(guó)農(nóng)業(yè)用水緊張的客觀因素。加之近年全球氣候的變化,降水的平均值整體呈減少趨勢(shì)且南北方差異繼續(xù)加大,進(jìn)一步加劇了我國(guó)農(nóng)業(yè)水資源的緊張情勢(shì)。
在此客觀條件下,隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和糧食需求的增加,我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量、用水結(jié)構(gòu)和用水效率均發(fā)生了較大的變化。在用水量方面,自新中國(guó)成立以來(lái)農(nóng)業(yè)用水經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)(1949—1980 年 )、相對(duì)緩慢增長(zhǎng)(1980—2000年) 和緩慢下降(2000—2008年)三個(gè)階段,到2000年達(dá)到歷史最高紀(jì)錄,為3 783.5億m3,較新中國(guó)成立初增長(zhǎng)了3.78倍。到2008年,由于節(jié)水措施的實(shí)施和各種抗旱品種的推廣,農(nóng)業(yè)總用水量較2000年略有下降,維持在3615億m3。與此同時(shí),農(nóng)業(yè)用水占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總用水量的比例也呈不斷下降趨勢(shì),由1980年的84%下降到2008年的62%。盡管如此,相對(duì)于其他產(chǎn)業(yè),農(nóng)業(yè)用水量仍在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各產(chǎn)業(yè)中占有最大比例(見(jiàn)圖1)。另外,隨著人民生活水平的提高,飲食結(jié)構(gòu)的變化,我國(guó)農(nóng)業(yè)用水整體呈現(xiàn)出農(nóng)田灌溉用水量減少、林牧漁業(yè)的用水量緩慢增加的演變趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì),1980—2007年期間我國(guó)的GDP由4 545億元增長(zhǎng)到24.95萬(wàn)億元,而全國(guó)灌溉用水量卻由 3 509億 m3下降為 3 249億 m3,在農(nóng)業(yè)用水中所占的比重由94%下降到90%;同時(shí)用于林牧漁業(yè)的水量緩慢增加,近20年來(lái)維持在355億~360億m3之間。
伴隨著用水量和用水結(jié)構(gòu)的變化,農(nóng)業(yè)用水效率也有了較大的提高,耗水系數(shù)由20世紀(jì)90年代末的0.56增加到2004年的0.7(見(jiàn)圖2)。但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)農(nóng)業(yè)用水的整體利用效率仍處于較低的水平。據(jù)統(tǒng)計(jì)2007年全國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)在0.47左右,糧食生產(chǎn)中的水分利用效率在0.8 kg/m3左右,即生產(chǎn)1t糧食耗水量達(dá)1 250 m3,而節(jié)水發(fā)達(dá)的國(guó)家在2000年灌溉水利用系數(shù)就達(dá)到了0.7~0.8,生產(chǎn)1t糧食的用水量在1000m3以下。
農(nóng)業(yè)是人類發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),其本質(zhì)是通過(guò)培育動(dòng)植物,生產(chǎn)糧食及工業(yè)原料滿足人類生存和發(fā)展的需要。隨著人類認(rèn)識(shí)自然和適應(yīng)自然能力的發(fā)展,農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵不斷拓寬和延伸,在原始農(nóng)業(yè)、傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)之后出現(xiàn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、都市農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)以及低碳農(nóng)業(yè)等新型的農(nóng)業(yè)范疇。與之相伴的農(nóng)業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)也發(fā)生了改變,使得農(nóng)業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)變得愈來(lái)愈復(fù)雜,循環(huán)邊界不斷擴(kuò)大,循環(huán)環(huán)節(jié)不斷增加,循環(huán)路徑不斷延長(zhǎng),循環(huán)通量不斷擴(kuò)大,但是其基本服務(wù)功能始終沒(méi)有改變。就其本質(zhì)仍然是由從水源到作物耗水的實(shí)體水和農(nóng)產(chǎn)品交易中攜帶的虛擬水循環(huán)過(guò)程共同構(gòu)成,是一個(gè)由水源到農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出再到農(nóng)產(chǎn)品流通等不同循環(huán)子過(guò)程構(gòu)成的社會(huì)水循環(huán)大系統(tǒng),是社會(huì)水循環(huán)系統(tǒng)的重要組成,是服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和服務(wù)的水分流轉(zhuǎn)過(guò)程。其水源來(lái)自于降水及其派生的一次性徑流資源和再生水,表現(xiàn)為消耗型和非消耗型兩種狀態(tài),顯示為“實(shí)體水”和“虛擬水”的循環(huán)方式。
對(duì)于農(nóng)業(yè)“實(shí)體水”的循環(huán),集中的表現(xiàn)為通過(guò)農(nóng)業(yè)種植業(yè)代替自然植被間接方式影響并參與自然水循環(huán)的過(guò)程,和伴隨 “供 (取)—用—耗—排”水等環(huán)節(jié)直接方式影響并參與自然水循環(huán)的過(guò)程。隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整,各種灌溉制度和灌溉節(jié)水措施的實(shí)施使農(nóng)業(yè)“實(shí)體水”的循環(huán)過(guò)程變得更加復(fù)雜。
對(duì)于“虛擬水”的循環(huán),隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,糧食等農(nóng)產(chǎn)品的流通增強(qiáng),附著在農(nóng)產(chǎn)品上的水循環(huán)的鏈條進(jìn)一步延長(zhǎng),即“虛擬水”循環(huán)過(guò)程在農(nóng)業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)中變得愈加重要,且隨著與“實(shí)體水”的轉(zhuǎn)化及自然水循環(huán)的相互作用、相互影響,這進(jìn)一步加大了農(nóng)業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)的復(fù)雜性。
盡管隨著產(chǎn)業(yè)鏈條的延長(zhǎng),農(nóng)業(yè)水循環(huán)途徑變得愈加復(fù)雜。但是按照水分流通過(guò)程,農(nóng)業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)可以概括為五個(gè)過(guò)程:①取水過(guò)程:即通過(guò)灌溉輸配水系統(tǒng)將水自水源引至田間,也包括田間降水的自然輸配補(bǔ)給過(guò)程;②輸配水過(guò)程:田間水分與作物體根系層土壤水的轉(zhuǎn)化及土壤水再分配過(guò)程,即由降水和徑流性水資源轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥浪倪^(guò)程;③用耗水過(guò)程:從作物體根系經(jīng)作物體再到大氣,非徑流性土壤水資源向氣態(tài)水轉(zhuǎn)化的過(guò)程,作物吸收水分后通過(guò)光合作用將輻射能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能,最后形成碳水化合物的用(耗)水過(guò)程;④排水過(guò)程:將多余水量排出農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的過(guò)程;⑤農(nóng)產(chǎn)品流通過(guò)程,即區(qū)域?qū)嶓w水與區(qū)域間農(nóng)產(chǎn)品虛擬水間的轉(zhuǎn)化過(guò)程。各個(gè)過(guò)程既相互作用又相互影響,而且又與自然水循環(huán)過(guò)程密切聯(lián)系(見(jiàn)圖3)。
由以上分析可見(jiàn),農(nóng)業(yè)用水過(guò)程實(shí)質(zhì)是由可見(jiàn)的從水源到作物耗水的實(shí)體水和農(nóng)產(chǎn)品交易中攜帶的看不見(jiàn)的非實(shí)體水——虛擬水流過(guò)程共同構(gòu)成的,是一個(gè)由水源到農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出再到農(nóng)產(chǎn)品流通等不同循環(huán)子過(guò)程構(gòu)成的一個(gè)“自然—人工”復(fù)合水循環(huán)大系統(tǒng),涉及水文循環(huán)過(guò)程、作物生長(zhǎng)發(fā)育的生理過(guò)程、水資源配置過(guò)程以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的合理調(diào)控過(guò)程等相關(guān)內(nèi)容,因而農(nóng)業(yè)水循環(huán)過(guò)程是一個(gè)以水為媒介的綜合體。由于其涉及的內(nèi)容較多,各部分循環(huán)過(guò)程的機(jī)理也不同。
由農(nóng)業(yè)水循環(huán)中水資源轉(zhuǎn)化的通量可見(jiàn),在供水水源方面,主要體現(xiàn)為常規(guī)水資源和非常規(guī)水資源以及土壤水資源的供給;在消耗方面,集中地體現(xiàn)為蒸發(fā)蒸騰和深層滲漏。蒸發(fā)蒸騰發(fā)生在農(nóng)業(yè)水循環(huán)的各階段,包括?。ㄝ敚┧?、排水過(guò)程的渠系土壤蒸發(fā)和水面蒸發(fā),以及農(nóng)田土壤蒸發(fā)和作物植被蒸騰;深層滲漏亦發(fā)生在水循環(huán)的各環(huán)節(jié)。這說(shuō)明耗水發(fā)生在農(nóng)業(yè)用水過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)。結(jié)合水資源需求管理的本質(zhì)在于對(duì)水資源消耗的管理。以下結(jié)合農(nóng)業(yè)水循環(huán)過(guò)程中的水資源消耗項(xiàng),分別對(duì)其消耗效率作出分析。
(1)深層滲漏量:雖然在生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用,且從區(qū)域水資源的整體而言并沒(méi)有被消耗,但就農(nóng)業(yè)系統(tǒng)而言,其并沒(méi)有最大效率地服務(wù)于農(nóng)業(yè)。因此,此部分水量屬于農(nóng)業(yè)水的消耗范疇,按照水資源的消耗效率的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(是否參與生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)),可認(rèn)為是非生產(chǎn)性無(wú)效消耗。減少其消耗量成為農(nóng)業(yè)水循環(huán)調(diào)控的一個(gè)重要方面。
(2)農(nóng)作物蒸發(fā)蒸騰消耗量:是農(nóng)業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)中最主要的消耗項(xiàng),主要發(fā)生于SPAC系統(tǒng),是在大氣和作物體間水勢(shì)梯度差的驅(qū)動(dòng)下,通過(guò)克服土壤—根系界面、農(nóng)作物體內(nèi)不同器官以及作物與大氣界面間的阻力,由農(nóng)作物根系吸收土壤水分,經(jīng)莖、葉等器官進(jìn)入大氣、轉(zhuǎn)化為作物水(農(nóng)產(chǎn)品的組成)的用(耗)水過(guò)程,其中土壤蒸發(fā)和植被蒸騰是其主要消耗形式。
其中植被蒸騰的消耗效率由環(huán)境因素所決定,主要取決于農(nóng)作物葉片周圍的水汽壓、根系影響層土壤含水量。據(jù)有關(guān)研究分析,在農(nóng)作物的蒸騰水量中,僅有極少部分參與光合作用(不足1%),絕大部分被認(rèn)為是奢侈蒸騰。若以參與農(nóng)作物干物質(zhì)生產(chǎn)的蒸騰為生產(chǎn)性高效消耗,則奢侈蒸騰部分則應(yīng)為生產(chǎn)性低效消耗。因此,在農(nóng)業(yè)用水過(guò)程中,合理調(diào)控土壤水分,維持冠層阻力和冠層附近濕度,可提高蒸騰轉(zhuǎn)化效率,進(jìn)而改善農(nóng)業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)用(耗)水效率。
棵間土壤蒸發(fā)是農(nóng)業(yè)水系統(tǒng)中水資源消耗的一個(gè)主要方面,是在土壤水勢(shì)與大氣水勢(shì)梯度的作用下,土壤水分由土壤非飽和帶液態(tài)直接轉(zhuǎn)化為氣態(tài),并散失到大氣中的自然水循環(huán)過(guò)程。盡管農(nóng)田棵間土壤蒸發(fā)可通過(guò)調(diào)解農(nóng)田微氣候間接影響農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育,但是相對(duì)于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的生產(chǎn)而言卻并沒(méi)有發(fā)揮直接作用,因此可認(rèn)為是生產(chǎn)性低效消耗。通過(guò)適當(dāng)方法降低棵間蒸發(fā)也是農(nóng)業(yè)水循環(huán)系統(tǒng)中改善用水效率的方向之一。
總之,結(jié)合我國(guó)農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀和農(nóng)業(yè)水循環(huán)過(guò)程及水資源演變機(jī)理的剖析可見(jiàn),農(nóng)業(yè)用水過(guò)程中水循環(huán)的結(jié)構(gòu)變得極為復(fù)雜,且在高強(qiáng)度人類活動(dòng)的影響下又呈現(xiàn)出循環(huán)邊界不斷擴(kuò)大、循環(huán)環(huán)節(jié)不斷增加、循環(huán)路徑不斷延長(zhǎng)的演變特點(diǎn)。與此同時(shí),伴生在不同循環(huán)環(huán)節(jié)的水資源轉(zhuǎn)化效率也存在明顯差異。面對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)水資源的現(xiàn)狀,立足于農(nóng)業(yè)水循環(huán)過(guò)程及其水資源轉(zhuǎn)化效率,以提高水資源的利用效率為宗旨,開(kāi)展基于農(nóng)業(yè)水循環(huán)過(guò)程的農(nóng)業(yè)用水調(diào)控已成為刻不容緩的問(wèn)題。
鑒于我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展所面臨的水土資源形勢(shì),立足于農(nóng)業(yè)水循環(huán)過(guò)程,加強(qiáng)開(kāi)源和節(jié)流成為解決農(nóng)業(yè)水資源不足的有效措施。在開(kāi)源方面,應(yīng)基于農(nóng)業(yè)水循環(huán)供給環(huán)節(jié),增加農(nóng)業(yè)可利用水資源量;在節(jié)流方面,應(yīng)基于農(nóng)業(yè)水循環(huán)用(耗)水環(huán)節(jié),提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率。
基于農(nóng)業(yè)水循環(huán)供給環(huán)節(jié),增加農(nóng)業(yè)可利用水資源量,是結(jié)合農(nóng)業(yè)水循環(huán)過(guò)程,從“開(kāi)源”角度對(duì)農(nóng)業(yè)水循環(huán)的調(diào)控。農(nóng)業(yè)可利用水源包括由降水派生的一次性水資源(包括徑流性水資源和土壤水資源)和再生性二次水資源(包括工業(yè)生活廢污水經(jīng)處理后的再生水資源和集蓄的雨水資源)。因此,加強(qiáng)降水資源、再生水資源和微咸水等其他水資源的合理利用,可有效緩解農(nóng)業(yè)用水的緊張。對(duì)于降水資源的充分利用,應(yīng)加強(qiáng)以下方面的調(diào)控:
(1)加強(qiáng)徑流性水資源的利用。我國(guó)降水具有總量少、時(shí)空分布不均等特性,要合理利用降水,必須結(jié)合區(qū)域降水特點(diǎn),合理配置水利工程設(shè)施,加強(qiáng)農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè),重視集雨工程設(shè)施如水窖、坑塘以及地下水庫(kù)等設(shè)施的建設(shè),實(shí)現(xiàn)降水在時(shí)間分布上的調(diào)控,增加徑流性水資源的利用。這將有利于收集汛期或降水量集中時(shí)段的雨水,可緩解農(nóng)業(yè)資源的緊張,達(dá)到抗旱應(yīng)急的目的。
(2)加強(qiáng)降水非徑流性水資源的轉(zhuǎn)化與利用。降水的非徑流性水資源集中體現(xiàn)為土壤水資源。土壤水分是農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育最直接的水源,蓄水保墑,增加土壤水資源的涵養(yǎng)是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要的舉措。一方面,要增加土地覆被,減少田間徑流的生成,實(shí)現(xiàn)土壤水源涵養(yǎng);另一方面,加強(qiáng)非充分灌溉制度的實(shí)施和雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展力度,增加土壤非飽和帶庫(kù)容,促進(jìn)降水入滲蓄存量,從而提高農(nóng)作物根系活動(dòng)區(qū)土壤水資源的轉(zhuǎn)化,達(dá)到涵養(yǎng)土壤水源的目的。針對(duì)當(dāng)前我國(guó)主要糧食生產(chǎn)區(qū)分布在北方,特別是華北、東北地區(qū),降水量少,農(nóng)業(yè)徑流性水資源嚴(yán)重不足,農(nóng)業(yè)干旱頻發(fā)的現(xiàn)實(shí),加強(qiáng)非徑流性水資源的轉(zhuǎn)化顯得尤為必要。
(3)對(duì)于其他非常規(guī)水資源的利用。通常農(nóng)業(yè)灌溉用水主要集中于地表水和地下水等常規(guī)水資源。然而,隨著我國(guó)人口的不斷增長(zhǎng)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,用于農(nóng)業(yè)的常規(guī)水資源量已受到限制。結(jié)合農(nóng)業(yè)用水對(duì)水質(zhì)要求相對(duì)較低的特點(diǎn),重視非常規(guī)水資源,成為解決農(nóng)業(yè)水資源不足的另一重要手段。合理利用再生水、微咸水等非常規(guī)水資源,有利于緩解農(nóng)業(yè)水資源短缺的情勢(shì)。
基于農(nóng)業(yè)水循環(huán)用(耗)水環(huán)節(jié),提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率,即是從“節(jié)流”角度保障農(nóng)業(yè)水資源。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)農(nóng)業(yè)水資源利用效率較低,全國(guó)灌區(qū)水利用系數(shù)僅為0.47,不及發(fā)達(dá)國(guó)家的一半。而目前我國(guó)土地資源有限,提高有限耕地面積上的水分利用效率成為解決農(nóng)業(yè)水資源不足又一重要方面。因此,結(jié)合農(nóng)業(yè)水循環(huán)過(guò)程,以“耗水”管理為核心,對(duì)水循環(huán)諸環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)控,提高農(nóng)業(yè)水資源的利用效率,是我國(guó)農(nóng)業(yè)水循環(huán)調(diào)控的基本策略,即針對(duì)農(nóng)田水資源的消耗效用,加強(qiáng)區(qū)域土地資源的覆被,調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、減少高耗水作物的種植,大力推廣節(jié)水保墑等措施。通過(guò)調(diào)控農(nóng)田棵間土壤蒸發(fā)和休耕期土壤蒸發(fā),減少土壤的生產(chǎn)性低效消耗,增大農(nóng)作物蒸騰的有效消耗。另外,在田間結(jié)合農(nóng)作物生理特點(diǎn)和區(qū)域氣候特點(diǎn),開(kāi)展綜合區(qū)域水資源特點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)灌溉制度(非充分灌溉和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整相結(jié)合的灌溉制度),可提高蒸騰效率。
具體的調(diào)控策略集中體現(xiàn)為以下三方面:
(1)加強(qiáng)總量控制和定額管理,提高灌溉水利用效率。以農(nóng)業(yè)水循環(huán)的基本過(guò)程為對(duì)象,一方面要加強(qiáng)農(nóng)田灌溉輸水過(guò)程中的水分的調(diào)控,以減少非生產(chǎn)性消耗,提高輸水效率;另一方面要在田間,結(jié)合區(qū)域的特點(diǎn)和農(nóng)業(yè)水循環(huán)過(guò)程中水資源的消耗效率,以減少非生產(chǎn)性無(wú)效消耗或生產(chǎn)性低效消耗為指導(dǎo),按照水資源的供耗水關(guān)系,合理配置水資源,提高各種水源的利用效率,嚴(yán)格控制農(nóng)業(yè)用水定額和用水總量。
(2)水旱并舉,工程措施和非工程措施并重,提高土壤水資源的利用效率。根據(jù)國(guó)家科技攻關(guān)研究,我國(guó)北方旱作農(nóng)區(qū)降水量的20%以徑流損耗,而休閑期無(wú)效水分蒸發(fā)占降水的24%,真正能夠被農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利用的降水只占降水總量的56%;就是這56%的利用量中,又有26%因田間蒸發(fā)而散失,作物真正利用的降水只有總量的30%。在南方水資源相對(duì)豐富的地區(qū),降水的利用效率更低。因此,提高降水資源利用效率可有效緩解農(nóng)業(yè)水資源的不足。
(3)挖掘植物抗旱特性,發(fā)展生物節(jié)水技術(shù),提高農(nóng)作物水分轉(zhuǎn)化效率,提高生產(chǎn)性高效消耗的比例,可減少水資源的浪費(fèi)。
國(guó)際公認(rèn)的灌溉節(jié)水潛力為50%,因此提高水資源開(kāi)發(fā)利用的管理水平是實(shí)現(xiàn)水資源高效利用和改善我國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的根本保障。為此,在重視農(nóng)業(yè)用水過(guò)程中“開(kāi)源”和“節(jié)流”兩個(gè)基本過(guò)程的同時(shí),亦要加強(qiáng)農(nóng)業(yè)用水管理。因?yàn)楹侠淼墓芾矸绞绞潜WC農(nóng)業(yè)用水過(guò)程中 “開(kāi)源”和“節(jié)流”重要手段。應(yīng)大力加強(qiáng)促進(jìn)農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用的高效用水社會(huì)保障體制建設(shè),努力建設(shè)農(nóng)業(yè)高效用水管理體系。
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