基于農(nóng)作物灌溉定額的干旱區(qū)棉花節(jié)水潛力分析

張靜，白紅莉，雍會1,

(1.石河子大學經(jīng)濟與管理學院，新疆 石河子，832000；2.水利部發(fā)展研究中心，北京 海淀，100038 )

農(nóng)作物基本灌溉定額是通過對農(nóng)作物種植的多年監(jiān)測、試驗，明確其農(nóng)作物在不同環(huán)境下，采取不同灌溉方式，作物所需水份的定額，是農(nóng)作物多年平均相對穩(wěn)定的基本灌溉定額數(shù)值。它是水資源利用、灌溉用水、農(nóng)業(yè)節(jié)水等規(guī)劃設計的基本技術參數(shù)。塔里木盆地是典型的干旱區(qū)，其中棉花在塔里木盆地農(nóng)作物種植中占有較大的比重，是消耗水資源的主要農(nóng)作物。本研究利用多年試驗得出的棉花基本灌溉定額指標，分析采取最優(yōu)節(jié)水灌溉模式對棉花種植的節(jié)水潛力，其節(jié)水潛力對進一步擴大種植規(guī)模、優(yōu)化種植結構，吸納聚集更多的農(nóng)業(yè)人口提供了依據(jù)。

Y.Hoekstra于 2002 年提出了水足跡 ( Water Footprint) 概念，指在一定的物質(zhì)生活標準下，生產(chǎn)一定人群消費的產(chǎn)品和服務所需要的水資源數(shù)量，它表征的是維持人類產(chǎn)品和服務消費所需要的真實水資源數(shù)量，就是用以估算生產(chǎn)某種產(chǎn)品或提供某種服務的整個過程所消耗水量的總和。研究發(fā)現(xiàn)，棉花單位產(chǎn)品虛擬水含量最高，是其他經(jīng)濟作物的4 倍左右。鄧小軍等(2009)認為，新疆南疆通過外輸棉花導致的大量地表水和地下水外流，給原本干旱缺水的南疆地區(qū)帶來生態(tài)壓力。新疆地處內(nèi)陸干旱區(qū)，農(nóng)業(yè)灌溉用水占總用水量一般達90%以上。2018年新疆用水總量為548.77億立方米，其中，生產(chǎn)用水量為505.61億立方米，生產(chǎn)灌溉用水量為486.18億立方米占用水總量的比例為88%，而塔里木盆地喀什地區(qū)、 阿克蘇等地區(qū)灌溉用水量占用水總量的95%以上。加強節(jié)水提高農(nóng)業(yè)灌溉效率是干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。一些學者也在降低作物虛擬水等方面進行了研究。其中，膜下滴灌與傳統(tǒng)灌溉相比可節(jié)水30%～50%、增產(chǎn) 20%～30%。研究利用棉花節(jié)水灌溉定額，分析農(nóng)作物水資源消耗趨勢，對合理規(guī)劃利用有限的水資源，提升農(nóng)業(yè)用水效率，具有重要的理論意義。

1資料與方法

1.1研究區(qū)概況

塔里木盆地是中國最大的內(nèi)陸盆地，位于新疆維吾爾自治區(qū)南部，西起帕米爾高原東麓，東到羅布泊洼地，北至天山山脈南麓，南至昆侖山脈北麓，在北緯37°～42°的暖溫帶范圍內(nèi)；海拔1000 m左右(西部海拔1000 m以上，東部羅布泊降到780 m)；東西長1500 km，南北寬約600 km，面積530000 km。由于深處大陸內(nèi)部，周圍又有高山阻礙濕潤空氣進入，年降水量不足100 mm，大多在50 mm以下，為極度干旱區(qū)。盆地中心為塔克拉瑪干沙漠，面積337600 km，羅布泊、臺特馬湖周圍為大片鹽漠。塔里木盆地是中國最古老的內(nèi)陸產(chǎn)棉區(qū)，光照條件好，熱量豐富，能滿足中、晚熟陸地棉和長絨棉的需要。氣候晝夜溫差大，有利于作物積累養(yǎng)分，又不利害蟲孳生，是中國優(yōu)質(zhì)棉種植的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)區(qū)。塔里木盆地地跨南疆五個地(州)的42個縣(市)和兵團4個師的55個團場，其中，和田地區(qū)管轄和田市、和田縣、墨玉縣、皮山縣、洛浦縣、策勒縣、于田縣、民豐縣，喀什地區(qū)管轄喀什市、疏附縣、疏勒縣、英吉沙、澤普縣、莎車縣、葉城縣、麥蓋提縣、岳普湖縣、伽師縣、巴楚縣、塔什庫爾干縣，克孜勒蘇柯爾克孜自治州管轄阿圖什市、阿克陶縣、阿合奇縣、烏恰縣，阿克蘇地區(qū)管轄阿克蘇市、溫宿縣、庫車縣、沙雅縣、新和縣、拜城縣、烏什縣、阿瓦提縣、柯坪縣，巴音郭楞蒙古自治州管轄庫爾勒市、輪臺縣、尉犁縣、若羌縣、且末縣、焉耆縣、和靜縣、和碩縣、博湖縣。水資源包括塔里木盆地周邊向心聚流的九大水系和塔里木河干流，流域總面積1027000 km(含國外面積24710km)，其中：“四源一干”流域面積為236244 km。

1.2研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)來源

相關水資源數(shù)據(jù)來源于新疆維吾爾自治區(qū)水利廳出版的《新疆維吾爾自治區(qū)水資源公報》；相關農(nóng)業(yè)、棉花種植數(shù)據(jù)來源于《新疆統(tǒng)計年鑒》(2001—2018)，以及中國棉花網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(http://www.cottonchina.org. cn/)和中國節(jié)水灌溉網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(http://www.jsgg.com.cn/Index/Index.asp)的相關數(shù)據(jù)。灌溉定額數(shù)據(jù)來自于中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所相關研究結論。

1.2.2研究方法

基本灌溉定額是灌區(qū)作物多年平均相對穩(wěn)定的基本灌溉定額數(shù)值，它是水資源利用、灌溉用水、農(nóng)業(yè)節(jié)水等規(guī)劃設計的基本技術參數(shù)，也是農(nóng)業(yè)灌溉用水計劃和管理的下限指標。塔里木盆地干旱區(qū)農(nóng)田灌溉類型一般分為常規(guī)灌溉、膜上灌溉、噴灌和微灌。其中常規(guī)灌溉即農(nóng)田自流灌溉方式，包括溝灌、畦灌、塊灌等；膜上灌溉即農(nóng)田溝或畦覆膜方式的膜上灌、膜側灌、膜溝灌；噴灌即自壓或加壓半固定移動式噴灌，噴灌機或移動式噴灌等方式；微灌即自壓或加壓式微噴、滴灌、膜下滴灌、地下滲灌等微灌方式。

農(nóng)業(yè)水足跡的計算采用自上而下的方法，從生產(chǎn)水足跡角度計算農(nóng)業(yè)開發(fā)對水資源的占用，將研究區(qū)域的棉花播種面積與單位面積棉花的基本灌溉定額相乘求和得到。用如下公式(1)表示。

(1)

式中: EPWn為第t至n年的棉花水足跡總量，P為第i個區(qū)域第n 年的棉花種植面積，表示第i個區(qū)域棉花灌溉方式中的第j種灌溉方式的灌溉定額。其中，在灌溉定額中不同種的灌溉方式，耗水也不一樣，則也不同。因此，根據(jù)棉花種植耗水多年平均值，將第i個區(qū)域的棉花種植灌溉模式中常規(guī)灌溉、膜上灌溉、噴灌、微灌分別表示為、、、、。

在同一區(qū)域的棉花種植面積中，根據(jù)不同的灌溉模式，區(qū)域耗水也不同，因此，最高的灌溉耗水減去最低的灌溉耗水，就是該區(qū)域的節(jié)水潛力。節(jié)水潛力用以下公式(2)表示。

SPW=max(EPWn)-min(EPWn)

(2)

式中: SPW為節(jié)水潛力。max(EPWn)和min(EPWn)表示為第t至n年第i個區(qū)域的第j種灌溉方式的棉花水足跡最大值和最小值。其中最大值和最小值的確定，一般常規(guī)灌溉為最大值，微灌為最小值。因此，第t至n年第i個區(qū)域的節(jié)水潛力用公式(3)表示。

(3)

2結果與分析

2.1塔里木河盆地棉花種植結構

新疆的棉花種植面積超過了全國棉花種植面積的四分之三，已經(jīng)成為中國最重要的種植基地，在全國棉花種植區(qū)域中起著舉足輕重的位置。在1949—2019年期間，新疆棉花播種面積有著較大幅度的波動。1949—1978年，新疆棉花播種面積保持在200公頃以內(nèi)，這個階段內(nèi)，棉花種植在新疆農(nóng)作物種植面積中僅占很小的一部分，不是新疆的主要經(jīng)濟作物。1978年以后，新疆棉花面積開始逐年增長，增長到占農(nóng)作物種植面積比重41.05%，發(fā)展成為了新疆最為重要的經(jīng)濟作物(見圖1)。其中，塔里木盆地農(nóng)作物總播種面積273.85萬公頃，棉花播種面積124.85萬公頃，棉花種植面積占農(nóng)作物種植面積比重達到45.60%。在塔里木盆地，棉花種植面積超過100萬公頃的就有沙雅縣、庫車縣、阿瓦提縣和兵團第一師。

圖1 新疆及塔里木盆地農(nóng)作物與棉花播種面積結構圖

近年來，塔里木盆地棉花種植種植面積呈逐年遞增趨勢(見表1)。2000年,塔里木盆地巴音郭楞蒙古自治州、阿克蘇地區(qū)、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、喀什地區(qū)、和田地區(qū)棉花播種面積分別為：5.657萬公頃、14.547萬公頃、0.464萬公頃、19.567萬公頃、3.735萬公頃，到2018年,塔里木盆地各地州棉花播種面積分別為27.628萬公頃、52.797萬公頃、1.068萬公頃、45.813萬公頃、0.812萬公頃。18年來塔里木河盆地棉花種植面積是原來的2倍。

棉花播種面積的增加，也伴隨著耗水的增加。由于塔里木盆地地處新疆內(nèi)陸干旱區(qū)，氣候極端干旱，生態(tài)環(huán)境極端脆弱，農(nóng)業(yè)特別是棉花種植業(yè)是當?shù)鼐用竦闹饕a(chǎn)業(yè)，棉花種植面積較大，耗水較多，對水資源可持續(xù)利用與生態(tài)環(huán)境保護都產(chǎn)生至關重要的影響。

2.2塔里木河盆地棉花灌溉水利用系數(shù)

針對新疆典型的沙漠綠洲灌溉農(nóng)業(yè)特點，以農(nóng)業(yè)灌溉耗水為主線，農(nóng)業(yè)用水定額分2種，即：基本灌溉定額、灌溉用水定額(均為田間凈定額)；灌溉方式分4種，即：常規(guī)地面灌溉、膜上灌溉、噴灌、微灌。農(nóng)業(yè)灌溉用水定額考慮各地作物品種、水文氣象、土壤質(zhì)地、灌溉模式、栽培方式、用水現(xiàn)狀等影響因素，重點分析常規(guī)灌溉和微灌兩種情況的灌溉定額，反映灌溉分區(qū)內(nèi)灌溉水利用系數(shù)現(xiàn)狀水平的動態(tài)值(見表2)。

表1 2000—2018年塔里木盆地各地州棉花播種面積(hm2)

續(xù)表1 2000—2018年塔里木盆地各地州棉花播種面積(hm2)

表2 塔里木盆地各地州棉花不同方式灌溉定額平均指標(m3/hm2)

根據(jù)塔里木盆地棉花灌溉定額平均指標，常規(guī)灌溉定額平均指標為5697 m/hm，微灌定額平均指標為4005 m/hm。在同一區(qū)域的棉花種植面積中，根據(jù)不同的灌溉模式，區(qū)域耗水也不同，因此，最高的灌溉耗水減去最低的灌溉耗水就是區(qū)域的節(jié)水潛力，則公式(2)中的最大值為5697 m/hm，最小值為4005 m/hm。

2.3基于常規(guī)和微灌定額的棉花農(nóng)業(yè)用水足跡

以2000年為例，塔里木盆地巴音郭楞蒙古自治州、阿克蘇地區(qū)、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、喀什地區(qū)、和田地區(qū)棉花種植面積分別為5.657萬公頃、14.547萬公頃、0.464萬公頃、19.567萬公頃、3.735萬公頃；則各地州棉花常規(guī)灌溉定額平均指標分別為5970 m/hm、5820 m/hm、5520 m/hm、5355 m/hm、5820 m/hm。因此，根據(jù)公式(1),南疆塔里木盆地2000—2018年棉花種植基本灌溉定額為770.81億立方米(見圖2)。

同理，根據(jù)公式(1),塔里木盆地2000—2018年棉花種植微灌定額：巴音郭楞蒙古自治州、阿克蘇地區(qū)、克孜勒蘇柯爾克孜自治州、喀什地區(qū)、和田地區(qū)棉花分別為4200 m/hm、4095 m/hm、3870 m/hm、3765 m/hm、4095 m/hm。根據(jù)公式(1),塔里木盆地2000—2018年棉花種植微灌定額為542.15億立方米(見圖3)。

圖2 2000—2018年塔里木盆地各地州棉花常規(guī)灌溉用水趨勢圖(m3)

圖3 2000—2018年塔里木盆地各地州棉花微灌用水趨勢(m3)

2.4塔里木盆地棉花節(jié)水潛力

根據(jù)公式(2)和(3)，在2000年至2018年間，塔里木盆地常規(guī)灌溉為最大值，微灌為最小值。據(jù)節(jié)水潛力公式(3)可得出塔里木盆地節(jié)水潛力為228.66億立方米。各年度塔里木盆地常規(guī)灌溉、節(jié)水灌溉需水量，以及理論節(jié)水潛力趨勢見圖4。

實際上，從2000起，在塔里木盆地陸續(xù)有一些地方采用了微灌等節(jié)水技術，一些地方剛采用了微灌節(jié)水技術，后面又由于維護成本、農(nóng)田棄耕、節(jié)水服務等問題，存在一定的棄節(jié)水設備現(xiàn)象。根據(jù)調(diào)研截止到2018年，約有70%的農(nóng)戶采用了微灌節(jié)水，仍有約30%的節(jié)水潛力。2018年，理論節(jié)水潛力21.60億立方米，實際已節(jié)水14.40億立方米，還有節(jié)水潛力為7.20億立方米。按照微灌平均值為4005 m/hm，全部采取微灌節(jié)水技術，還可以在塔里木盆地新增加棉花種植面積為179775.30 hm，也可以用于新增加生態(tài)用水。因此，進一步加強節(jié)水灌溉推廣，對提升塔里木盆地農(nóng)業(yè)種植效益和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

圖4 2000—2018年塔里木盆地各地州棉花節(jié)水潛力趨勢(m3)

3結論

棉花具有較高的虛擬水含量，隨著棉花種植面積的增加，棉花水足跡也在增加。近年來，隨著農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術的推廣，特別是在棉花等大宗耗水作物的推廣，使得農(nóng)業(yè)用水比例逐漸下降，為生態(tài)用水爭取了用水空間。

研究表明：一是棉花種植面積的增加導致農(nóng)業(yè)耗水的增加，在塔里木盆地棉花種植面積占農(nóng)作物種植面積比重達到45.60%，從2000年到2018年，塔里木河盆地棉花種植面積增長了2倍，導致棉花總體用水不斷增加；二是采用節(jié)水灌溉技術塔里木盆地棉花節(jié)水潛力為228.66億立方米，其中2018年，理論節(jié)水潛力21.60億立方米，實際已節(jié)水14.40億立方米，按30%農(nóng)戶還沒采用節(jié)水灌溉技術算，還有節(jié)水潛力為7.20億立方米。

為加強棉花種植節(jié)水灌溉的推廣，建議：(1)加強節(jié)水基礎設施建設，通過優(yōu)化節(jié)水硬件設施，實現(xiàn)流域用水科學化管理，特別是利用現(xiàn)代信息技術、水電控制技術，實現(xiàn)節(jié)水信息化管理；(2)加強節(jié)水組織與制度建設，通過棉花農(nóng)業(yè)合作社、用水合作社，以及塔里木河流域四級管理體系、河長制管理體系，實現(xiàn)管理機制與用水組織有效結合，使節(jié)水管理、執(zhí)行與監(jiān)督制度更加完善；(3)加強塔里木盆地節(jié)水市場化運行，通過市場機制調(diào)節(jié)節(jié)水，加強水權與水價的管理與調(diào)節(jié)，加強農(nóng)戶、企業(yè)與政府的合作參與，通過市場調(diào)節(jié)與服務農(nóng)戶節(jié)水。