榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力分析*

紀曉玲，王小林，張 靜，劉建華，喬文淵，張 雄※

(1.榆林學院生命科學學院，陜西榆林 719000； 2.榆林市橫山縣農(nóng)技推廣中心，陜西榆林 719100)

0 引言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，而農(nóng)業(yè)灌溉對于保障我國糧食安全、推動我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用[1]。但近些年，隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，受水資源污染及水資源用水減少等的影響，農(nóng)業(yè)灌溉用水也不斷受到限制，而農(nóng)業(yè)灌溉用水利用效率低下、用水浪費嚴重等也導致我國農(nóng)業(yè)灌溉用水短缺的問題更加嚴重[2-3]。因此，合理發(fā)展節(jié)水灌溉成為有效克服農(nóng)業(yè)用水資源短缺，推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要舉措之一[4]。

鑒于農(nóng)業(yè)節(jié)水在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的重要性，國內(nèi)外學者對此展開了深入的研究。美國、日本、澳大利亞等國在此方面研究相對較早，而我國于20世紀50年代末才開始對農(nóng)業(yè)節(jié)水進行研究。部分學者針對我國農(nóng)業(yè)節(jié)水的發(fā)展現(xiàn)狀及如何有效開展等進行了研究，如沈振榮等[5]對我國農(nóng)業(yè)用水的現(xiàn)狀及面臨的問題研究后提出，通過提高降水量利用率及加強農(nóng)業(yè)用水高效利用集成技術(shù)研究和示范推廣等措施來推動農(nóng)業(yè)節(jié)水的發(fā)展。此外，還有一些學者對農(nóng)業(yè)節(jié)水的相關(guān)技術(shù)也進行了大量的研究，如李遠華等[6]研究后提出采用間歇式灌溉方法進行農(nóng)業(yè)灌溉能有效提高農(nóng)業(yè)水資源的高效利用； 也有學者對農(nóng)業(yè)節(jié)水的相關(guān)制度開始進行研究，如劉占平等[7]認為我國農(nóng)業(yè)節(jié)水的根本出路在于制度的創(chuàng)新。更多的學者則重點對農(nóng)業(yè)節(jié)水的潛力進行了分析，如趙西寧等[8]認為農(nóng)業(yè)節(jié)水的方法及水平、地區(qū)農(nóng)業(yè)用水規(guī)模等都會對農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的實現(xiàn)程度造成一定影響。王學淵等[9]則通過對影響農(nóng)業(yè)水資源利用的多個因素分析發(fā)現(xiàn)，中國農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力巨大。然而，目前關(guān)于農(nóng)業(yè)節(jié)水的潛力計算尚沒有統(tǒng)一的標準。因此，如何正確計算農(nóng)業(yè)灌溉的節(jié)水潛力，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水，推動我國農(nóng)業(yè)的積極發(fā)展成為本課題研究的重點內(nèi)容。

榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)位于榆林市南部，為黃土高原的腹地。該地區(qū)較為干旱，水資源相對匱乏，而且由于受到過度開墾，生態(tài)環(huán)境受到極大破壞，水土流失較為嚴重。因此，在這區(qū)域發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水對推動當?shù)剞r(nóng)業(yè)的快速發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的有效改善等有著極為深遠的現(xiàn)實意義，而目前關(guān)于此地的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力方面的研究還相對較少。鑒于此，文章重點對未來榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力進行了分析，以期為該地區(qū)的農(nóng)業(yè)節(jié)水提供現(xiàn)實參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

榆林市，位于我國陜西省的最北部，其西鄰甘肅、寧夏，北連內(nèi)蒙古，東隔黃河與山西相望，南與陜西省延安市接壤，下轄2個區(qū)、1個縣級市、9個縣，面積4.292 3萬km2，人口375萬人，是陜西雜糧的主產(chǎn)區(qū)。榆林市是中國日照高值區(qū)之一，在陜西省，其日照時間最長，年平均日照時數(shù)2 593.5～2 914.4 h，東北部最高，南部最低。黃土丘陵溝壑區(qū)位于榆林市的南部，為黃土高原的腹地，主要包括綏德、清澗、米脂、佳縣、吳堡、子洲等地區(qū)。這里溝壑縱橫，丘陵峁梁交錯，面積約2.23萬km2，占榆林市面積的51.75%。該地區(qū)主要是旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，水資源較為短缺，農(nóng)作物種植主要以馬鈴薯、玉米、雜糧、蔬菜等為主。該區(qū)域為大陸季風性氣候，干旱少雨、蒸發(fā)較強，年平均降水量為316～513 mm，降雨多集中于7、8、9月。該區(qū)域四季分明，氣溫變化明顯。

2 研究方法

2.1 研究方法

目前，對于節(jié)水潛力的計算還未形成統(tǒng)一的認識，多數(shù)是以節(jié)水灌溉技術(shù)作為出發(fā)點，通過采取相應(yīng)措施，改進相關(guān)節(jié)水技術(shù)，以提高灌溉水利用率，得到灌溉水的減少量，從而算得節(jié)水潛力。鑒于此，該文在充分調(diào)查榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)上，以現(xiàn)狀年(2015年)為基準，綜合考慮該區(qū)域灌溉節(jié)水技術(shù)、農(nóng)作物經(jīng)濟需水量、無效蒸騰、自然有效降水、作物地下水利用量、輸水損失等因素[10]，分析各規(guī)劃水平年(近期至2025年與遠期至2035年)的灌溉需水量，從而計算出該區(qū)域不同時期的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力。

2.2 農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計算

(1)農(nóng)作物需水量ET：農(nóng)作物需水量是計算農(nóng)業(yè)節(jié)水的重要指標，其表述了在特定的土壤、水文、氣候等條件下，農(nóng)作物維持正常生長需要的水量。目前，其較多釆用Penman Monteith公式來得到[10]：

ET=Kc·ET0

(1)

式(1)中，ET為農(nóng)作物需水量(mm)；Kc為農(nóng)作物系數(shù)；ET0為參考作物蒸發(fā)量(mm)。

(2)凈灌溉需水量In：凈灌溉需水量是指農(nóng)作物通過外部灌溉獲得的生長所需的水量。該文假定農(nóng)作物在其生育階段，土壤水分條件變化不明顯。其凈灌溉需水量由農(nóng)作物需水量與有效降水量、農(nóng)作物直接耗用地下水量作差獲得，具體計算如下[10]：

In=ET-α·P-G

(2)

式(2)中，In為凈灌溉需水量(mm)；α為降水有效利用系數(shù)；P為作物生育期階段的實際降水量(mm)；G為農(nóng)作物直接耗用地下水量(mm)。

(3)毛灌溉需水量Ig：毛灌溉需水量為考慮灌溉輸水過程中的損失后，農(nóng)作物實際獲得的灌溉水量。其數(shù)值也可由凈灌溉需水量與灌溉水利用系數(shù)相除獲得，具體公式如下[10]：

Ig=In/η水

(3)

式(3)中，η水代表灌溉水利用系數(shù)，其可由渠系水利用系數(shù)與田間水利用系數(shù)相乘算得。

(4)灌溉需水量W：灌溉需水量可由各農(nóng)作物毛灌溉需水量與相應(yīng)的灌溉面積相乘，而后求總和得到，具體公式如下[11]：

W=∑Ai·(Kci·ET0-α·P-G)/η水(i=l， 2， 3，…，n)

(4)

式(4)中，W為灌溉需水量(mm)；Ai為第i種農(nóng)作物的種植面積(hm2)；Kci為第i種農(nóng)作物的作物系數(shù)。

(5)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力ΔW：農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力由現(xiàn)狀年農(nóng)業(yè)灌溉需水量減去規(guī)劃年農(nóng)業(yè)灌溉需水量求得，計算公式為[11]：

ΔW=W0-Wj(j=l， 2)

(5)

式(5)中，W0為現(xiàn)狀年灌溉需水量(mm)；Wj為規(guī)劃年灌溉需水量(mm)。

3 結(jié)果與分析

3.1 榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)

黃土丘陵溝壑區(qū)主要為旱作農(nóng)業(yè)，農(nóng)作物種植主要以玉米、雜糧、大豆、薯類等為主，根據(jù)榆林年鑒發(fā)現(xiàn)，近年來，榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)總灌溉面積有所上升，其中耗水較多的小麥在這一區(qū)域基本沒有種植，而雜糧、大豆、薯類等的種植面積則有所提高。近兩年農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)逐步穩(wěn)定，因此，規(guī)劃年(近、遠期)的各種農(nóng)作物種植面積以2016年為參考，各農(nóng)作物種植面積具體見表1所示，數(shù)據(jù)來源于《2016榆林統(tǒng)計年鑒》。

表1 2016年榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)主要作物的種植面積

hm2

3.2 榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)主要農(nóng)作物需水量

農(nóng)作物需水量在參考榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)氣象條件，如降水、日照、相對濕度、土壤水分及蒸發(fā)量等因素的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)文獻[2-13]計算得出，其具體值見表2。由表2發(fā)現(xiàn)，在種植的主要作物中，大豆、玉米、油料等需水量較大，而薯類、蔬菜、瓜果等需水量相對較小。由此，該區(qū)域的各縣域可根據(jù)自身的種植條件，在不影響當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展的前提下，通過適當調(diào)整種植作物類型，合理規(guī)劃布局，以有效減少該區(qū)域的農(nóng)作物灌溉用水，從而降低榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)的農(nóng)業(yè)用水。

表2 榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)主要作物需水量 mm

3.3 榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)近、中、遠期灌溉水利用系數(shù)

灌溉水利用系數(shù)主要用于衡量灌區(qū)從水源引水到田間吸收利用水的過程中的水利用程度，是農(nóng)業(yè)節(jié)水的重要指標之一[14]。榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)地理位置較好，黃河流經(jīng)該區(qū)域，該區(qū)域灌溉主要以國營灌區(qū)及節(jié)水灌溉為主。該區(qū)域的農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施相對薄弱，多數(shù)國營灌區(qū)運行時間較長，設(shè)備老化，渠道滲漏嚴重，灌溉水利用系數(shù)較低，平均僅為0.45左右[15]，灌溉水利用系數(shù)還有極大的提高空間，該地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉有巨大的節(jié)水潛力。該地區(qū)可通過對灌區(qū)渠系進行防滲襯砌以改造現(xiàn)有的大中型灌區(qū)、加強田間基礎(chǔ)工程的配套建設(shè)及提升田間節(jié)水灌溉節(jié)水技術(shù)水平等措施來提高灌溉水利用系數(shù)，大力發(fā)展節(jié)水灌溉，從而有效減少該地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水[11]。該地區(qū)近期及遠期的灌溉水利用系數(shù)估算如表3所示。

表3 近、遠期的灌溉水利用系數(shù)

渠系水利用系數(shù)田間水利用系數(shù)灌溉水利用系數(shù)近期(2025年)0.620.890.55遠期(2035年)0.690.930.64

3.4 榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)近、遠期主要農(nóng)作物灌溉需水量

計算灌溉需水量時，需考慮到當?shù)氐臍庀髼l件，如氣候、降雨、濕度等等。該區(qū)域降水稀少，可認為α=1，即所有降雨均為有效降雨。此外，考慮到農(nóng)作物直接耗用的地下水絕大部分來源于土壤入滲，而且該區(qū)域這方面的資料也較為有限。綜合以上考慮，農(nóng)作物直接消耗的地下水量計為零[10]。榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)近、遠期主要農(nóng)作物灌溉需水量如表4所示。

表4 榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)近、遠期主要作物灌溉需水量 億m3

3.5 榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)近、遠期農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的計算結(jié)果

根據(jù)資料， 2015年該區(qū)域的農(nóng)業(yè)灌溉用水大概為3.93億m3。由表4可知，近期農(nóng)業(yè)灌溉用水量為3.62 億m3，遠期農(nóng)業(yè)灌溉用水量為3.13 億m3，通過計算可得出相應(yīng)的節(jié)水潛力值，該值是在理想情況下得出的，但實際中，考慮到水資源利用中管理、相關(guān)技術(shù)操作水平等的差異，實際的節(jié)水潛力會有些許差別。因此，這里引入一個相關(guān)比例系數(shù)β值概念[10]。通過提高日常的管理、操作水平等，以提高比例系數(shù)β值，從而提升現(xiàn)實節(jié)水潛力。榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)近、遠期農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力見表5。

表5 榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)近、遠期農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力 億m3

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

該文以農(nóng)作物需水量為出發(fā)點，采用相關(guān)的計算模型，重點對榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力進行了分析。分析發(fā)現(xiàn)：(1)該區(qū)域種植的農(nóng)作物主要為雜糧、大豆、玉米、薯類、蔬菜、瓜果、油料等。其中，大豆、玉米、油料等農(nóng)作物需水量較大，而薯類、蔬菜、瓜果等農(nóng)作物需水量相對較小。通過合理優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)可一定程度上減少農(nóng)業(yè)灌溉用水，提高該區(qū)域的節(jié)水潛力； (2)該區(qū)域的灌溉水利用系數(shù)較低，亟需通過采取合理措施來進行提高； (3)未來該區(qū)域的近(2025年)、遠期(2035年)現(xiàn)實農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力可分別達到0.25億m3及0.72億m3，農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力巨大。

4.2 討論

榆林市黃土丘陵溝壑區(qū)降水稀少、日照充足、蒸發(fā)量大，水資源相對短缺。因此，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水對解決當?shù)厮Y源短缺，促進當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展起著積極的推動作用。該文以該地區(qū)種植的農(nóng)作物需水量為出發(fā)點，對該地區(qū)的輸配水和田間灌溉過程的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力進行了估算。然而，除此之外，廣義的農(nóng)業(yè)節(jié)水還包括水資源的合理開發(fā)利用、農(nóng)業(yè)節(jié)水增產(chǎn)增效技術(shù)及管理節(jié)水等方面[16]。因此，為確保農(nóng)業(yè)節(jié)水的順利進行，除通過改善該地區(qū)的作物種植結(jié)構(gòu)、改造現(xiàn)有的灌溉設(shè)施及加強相關(guān)的配套建設(shè)、提高農(nóng)業(yè)灌溉的技術(shù)水平等措施以提高該地區(qū)的農(nóng)業(yè)水資源的有效利用外，還可以考慮從其他方面來展開。(1)加大農(nóng)業(yè)節(jié)水的宣傳力度，只有從思想上充分意識到農(nóng)業(yè)節(jié)水的重要性，才能極大發(fā)掘農(nóng)業(yè)節(jié)水的巨大潛力； (2)加強抗旱節(jié)水作物品種的選育研究，培育抗旱、耐寒、高效利用水分的新型品種。在水資源相對貧乏地區(qū)，發(fā)展以抗旱節(jié)水作物品種為主的生物節(jié)水技術(shù)是促進農(nóng)業(yè)水資源合理利用的有效措施[4]； (3)考慮到我國農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展較晚，農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)有待得到提高。因而，大力發(fā)展田間節(jié)水灌溉技術(shù)、農(nóng)業(yè)耕作節(jié)水技術(shù)、井渠結(jié)合灌溉技術(shù)，制定節(jié)水高效的作物灌溉制度、農(nóng)業(yè)管理措施等勢在必行。