基于农业水循环结构和水资源转化效率的农业用水调控策略分析

杨贵羽，王 浩

（中国水利水电科学研究院水资源研究所，100038，北京）

一、我国农业用水现状及存在的问题

我国水资源总量较少，时空分布极不均匀，且降水与耕地在空间分布上差异较大，使得我国耕地上亩均水资源占有量较少，区域间变异性极大。据统计，1956—2005年全国年均降水总量为60 853.89亿m3，平均年径流量仅为2669亿m3，约有70%集中于汛期的6—9月，且81%分布在长江流域及其以南地区；又由于南北方耕地资源分布的差异，导致长江以南地区每公顷耕地水资源占有量为28695m3，长江以北地区每公顷耕地水资源占有量仅为9 465 m3；而且随着我国粮食主产区持续向缺水和生态脆弱的北方地区转移，单位耕地面积上水资源的占有量还将进一步减少。水资源的天然条件和水土资源的不相匹配是我国农业用水紧张的客观因素。加之近年全球气候的变化，降水的平均值整体呈减少趋势且南北方差异继续加大，进一步加剧了我国农业水资源的紧张情势。

在此客观条件下，随着农业科学技术的发展和粮食需求的增加，我国农业用水量、用水结构和用水效率均发生了较大的变化。在用水量方面，自新中国成立以来农业用水经历了快速增长（1949—1980 年 ）、相对缓慢增长（1980—2000年） 和缓慢下降（2000—2008年）三个阶段，到2000年达到历史最高纪录，为3 783.5亿m3，较新中国成立初增长了3.78倍。到2008年，由于节水措施的实施和各种抗旱品种的推广，农业总用水量较2000年略有下降，维持在3615亿m3。与此同时，农业用水占国民经济总用水量的比例也呈不断下降趋势，由1980年的84%下降到2008年的62%。尽管如此，相对于其他产业，农业用水量仍在国民经济各产业中占有最大比例（见图1）。另外，随着人民生活水平的提高，饮食结构的变化，我国农业用水整体呈现出农田灌溉用水量减少、林牧渔业的用水量缓慢增加的演变趋势。据统计，1980—2007年期间我国的GDP由4 545亿元增长到24.95万亿元，而全国灌溉用水量却由 3 509亿 m3下降为 3 249亿 m3，在农业用水中所占的比重由94%下降到90%；同时用于林牧渔业的水量缓慢增加，近20年来维持在355亿～360亿m3之间。

伴随着用水量和用水结构的变化，农业用水效率也有了较大的提高，耗水系数由20世纪90年代末的0.56增加到2004年的0.7（见图2）。但与发达国家相比，我国农业用水的整体利用效率仍处于较低的水平。据统计2007年全国农业灌溉水利用系数在0.47左右，粮食生产中的水分利用效率在0.8 kg/m3左右，即生产1t粮食耗水量达1 250 m3，而节水发达的国家在2000年灌溉水利用系数就达到了0.7～0.8，生产1t粮食的用水量在1000m3以下。

二、农业水循环的结构及其水资源转化效率解析

1.农业水循环结构剖析

农业是人类发展的基础产业，其本质是通过培育动植物，生产粮食及工业原料满足人类生存和发展的需要。随着人类认识自然和适应自然能力的发展，农业的内涵不断拓宽和延伸，在原始农业、传统农业之后出现了现代农业、都市农业、生态农业以及低碳农业等新型的农业范畴。与之相伴的农业水循环系统也发生了改变，使得农业水循环系统变得愈来愈复杂，循环边界不断扩大，循环环节不断增加，循环路径不断延长，循环通量不断扩大，但是其基本服务功能始终没有改变。就其本质仍然是由从水源到作物耗水的实体水和农产品交易中携带的虚拟水循环过程共同构成，是一个由水源到农产品产出再到农产品流通等不同循环子过程构成的社会水循环大系统，是社会水循环系统的重要组成，是服务于农业生产和服务的水分流转过程。其水源来自于降水及其派生的一次性径流资源和再生水，表现为消耗型和非消耗型两种状态，显示为“实体水”和“虚拟水”的循环方式。

对于农业“实体水”的循环，集中的表现为通过农业种植业代替自然植被间接方式影响并参与自然水循环的过程，和伴随 “供 （取）—用—耗—排”水等环节直接方式影响并参与自然水循环的过程。随着农业种植结构的调整，各种灌溉制度和灌溉节水措施的实施使农业“实体水”的循环过程变得更加复杂。

对于“虚拟水”的循环，随着区域经济的快速发展，粮食等农产品的流通增强，附着在农产品上的水循环的链条进一步延长，即“虚拟水”循环过程在农业水循环系统中变得愈加重要，且随着与“实体水”的转化及自然水循环的相互作用、相互影响，这进一步加大了农业水循环系统的复杂性。

尽管随着产业链条的延长，农业水循环途径变得愈加复杂。但是按照水分流通过程，农业水循环系统的基本结构可以概括为五个过程：①取水过程：即通过灌溉输配水系统将水自水源引至田间，也包括田间降水的自然输配补给过程；②输配水过程：田间水分与作物体根系层土壤水的转化及土壤水再分配过程，即由降水和径流性水资源转变为土壤水的过程；③用耗水过程：从作物体根系经作物体再到大气，非径流性土壤水资源向气态水转化的过程，作物吸收水分后通过光合作用将辐射能转换为化学能，最后形成碳水化合物的用（耗）水过程；④排水过程：将多余水量排出农业系统的过程；⑤农产品流通过程，即区域实体水与区域间农产品虚拟水间的转化过程。各个过程既相互作用又相互影响，而且又与自然水循环过程密切联系（见图3）。

2.基于农业水循环过程的水资源转化效率分析

由以上分析可见，农业用水过程实质是由可见的从水源到作物耗水的实体水和农产品交易中携带的看不见的非实体水——虚拟水流过程共同构成的，是一个由水源到农产品产出再到农产品流通等不同循环子过程构成的一个“自然—人工”复合水循环大系统，涉及水文循环过程、作物生长发育的生理过程、水资源配置过程以及区域经济结构的合理调控过程等相关内容，因而农业水循环过程是一个以水为媒介的综合体。由于其涉及的内容较多，各部分循环过程的机理也不同。

由农业水循环中水资源转化的通量可见，在供水水源方面，主要体现为常规水资源和非常规水资源以及土壤水资源的供给；在消耗方面，集中地体现为蒸发蒸腾和深层渗漏。蒸发蒸腾发生在农业水循环的各阶段，包括取（输）水、排水过程的渠系土壤蒸发和水面蒸发，以及农田土壤蒸发和作物植被蒸腾；深层渗漏亦发生在水循环的各环节。这说明耗水发生在农业用水过程中的各个环节。结合水资源需求管理的本质在于对水资源消耗的管理。以下结合农业水循环过程中的水资源消耗项，分别对其消耗效率作出分析。

（1）深层渗漏量：虽然在生态环境系统发挥了重要的作用，且从区域水资源的整体而言并没有被消耗，但就农业系统而言，其并没有最大效率地服务于农业。因此，此部分水量属于农业水的消耗范畴，按照水资源的消耗效率的评价标准（是否参与生产的标准），可认为是非生产性无效消耗。减少其消耗量成为农业水循环调控的一个重要方面。

（2）农作物蒸发蒸腾消耗量：是农业水循环系统中最主要的消耗项，主要发生于SPAC系统，是在大气和作物体间水势梯度差的驱动下，通过克服土壤—根系界面、农作物体内不同器官以及作物与大气界面间的阻力，由农作物根系吸收土壤水分，经茎、叶等器官进入大气、转化为作物水（农产品的组成）的用（耗）水过程，其中土壤蒸发和植被蒸腾是其主要消耗形式。

其中植被蒸腾的消耗效率由环境因素所决定，主要取决于农作物叶片周围的水汽压、根系影响层土壤含水量。据有关研究分析，在农作物的蒸腾水量中，仅有极少部分参与光合作用（不足1%），绝大部分被认为是奢侈蒸腾。若以参与农作物干物质生产的蒸腾为生产性高效消耗，则奢侈蒸腾部分则应为生产性低效消耗。因此，在农业用水过程中，合理调控土壤水分，维持冠层阻力和冠层附近湿度，可提高蒸腾转化效率，进而改善农业水循环系统用（耗）水效率。

棵间土壤蒸发是农业水系统中水资源消耗的一个主要方面，是在土壤水势与大气水势梯度的作用下，土壤水分由土壤非饱和带液态直接转化为气态，并散失到大气中的自然水循环过程。尽管农田棵间土壤蒸发可通过调解农田微气候间接影响农作物生长发育，但是相对于农业系统的生产而言却并没有发挥直接作用，因此可认为是生产性低效消耗。通过适当方法降低棵间蒸发也是农业水循环系统中改善用水效率的方向之一。

总之，结合我国农业用水现状和农业水循环过程及水资源演变机理的剖析可见，农业用水过程中水循环的结构变得极为复杂，且在高强度人类活动的影响下又呈现出循环边界不断扩大、循环环节不断增加、循环路径不断延长的演变特点。与此同时，伴生在不同循环环节的水资源转化效率也存在明显差异。面对我国农业水资源的现状，立足于农业水循环过程及其水资源转化效率，以提高水资源的利用效率为宗旨，开展基于农业水循环过程的农业用水调控已成为刻不容缓的问题。

三、基于农业水循环过程的农业用水调控策略

鉴于我国农业发展所面临的水土资源形势，立足于农业水循环过程，加强开源和节流成为解决农业水资源不足的有效措施。在开源方面，应基于农业水循环供给环节，增加农业可利用水资源量；在节流方面，应基于农业水循环用（耗）水环节，提高农业水资源利用效率。

1.基于农业水循环供给环节，增加农业可利用水资源量

基于农业水循环供给环节，增加农业可利用水资源量，是结合农业水循环过程，从“开源”角度对农业水循环的调控。农业可利用水源包括由降水派生的一次性水资源（包括径流性水资源和土壤水资源）和再生性二次水资源（包括工业生活废污水经处理后的再生水资源和集蓄的雨水资源）。因此，加强降水资源、再生水资源和微咸水等其他水资源的合理利用，可有效缓解农业用水的紧张。对于降水资源的充分利用，应加强以下方面的调控：

（1）加强径流性水资源的利用。我国降水具有总量少、时空分布不均等特性，要合理利用降水，必须结合区域降水特点，合理配置水利工程设施，加强农田水利设施建设，重视集雨工程设施如水窖、坑塘以及地下水库等设施的建设，实现降水在时间分布上的调控，增加径流性水资源的利用。这将有利于收集汛期或降水量集中时段的雨水，可缓解农业资源的紧张，达到抗旱应急的目的。

（2）加强降水非径流性水资源的转化与利用。降水的非径流性水资源集中体现为土壤水资源。土壤水分是农作物生长发育最直接的水源，蓄水保墒，增加土壤水资源的涵养是保障农业生产重要的举措。一方面，要增加土地覆被，减少田间径流的生成，实现土壤水源涵养；另一方面，加强非充分灌溉制度的实施和雨养农业的发展力度，增加土壤非饱和带库容，促进降水入渗蓄存量，从而提高农作物根系活动区土壤水资源的转化，达到涵养土壤水源的目的。针对当前我国主要粮食生产区分布在北方，特别是华北、东北地区，降水量少，农业径流性水资源严重不足，农业干旱频发的现实，加强非径流性水资源的转化显得尤为必要。

（3）对于其他非常规水资源的利用。通常农业灌溉用水主要集中于地表水和地下水等常规水资源。然而，随着我国人口的不断增长和国民经济的迅速发展，用于农业的常规水资源量已受到限制。结合农业用水对水质要求相对较低的特点，重视非常规水资源，成为解决农业水资源不足的另一重要手段。合理利用再生水、微咸水等非常规水资源，有利于缓解农业水资源短缺的情势。

2.基于农业水循环用（耗）水环节，提高农业水资源利用效率

基于农业水循环用（耗）水环节，提高农业水资源利用效率，即是从“节流”角度保障农业水资源。长期以来我国农业水资源利用效率较低，全国灌区水利用系数仅为0.47，不及发达国家的一半。而目前我国土地资源有限，提高有限耕地面积上的水分利用效率成为解决农业水资源不足又一重要方面。因此，结合农业水循环过程，以“耗水”管理为核心，对水循环诸环节进行调控，提高农业水资源的利用效率，是我国农业水循环调控的基本策略，即针对农田水资源的消耗效用，加强区域土地资源的覆被，调整种植结构、减少高耗水作物的种植，大力推广节水保墒等措施。通过调控农田棵间土壤蒸发和休耕期土壤蒸发，减少土壤的生产性低效消耗，增大农作物蒸腾的有效消耗。另外，在田间结合农作物生理特点和区域气候特点，开展综合区域水资源特点的经济灌溉制度（非充分灌溉和种植结构调整相结合的灌溉制度），可提高蒸腾效率。

具体的调控策略集中体现为以下三方面：

（1）加强总量控制和定额管理，提高灌溉水利用效率。以农业水循环的基本过程为对象，一方面要加强农田灌溉输水过程中的水分的调控，以减少非生产性消耗，提高输水效率；另一方面要在田间，结合区域的特点和农业水循环过程中水资源的消耗效率，以减少非生产性无效消耗或生产性低效消耗为指导，按照水资源的供耗水关系，合理配置水资源，提高各种水源的利用效率，严格控制农业用水定额和用水总量。

（2）水旱并举，工程措施和非工程措施并重，提高土壤水资源的利用效率。根据国家科技攻关研究，我国北方旱作农区降水量的20%以径流损耗，而休闲期无效水分蒸发占降水的24%，真正能够被农业生产利用的降水只占降水总量的56%；就是这56%的利用量中，又有26%因田间蒸发而散失，作物真正利用的降水只有总量的30%。在南方水资源相对丰富的地区，降水的利用效率更低。因此，提高降水资源利用效率可有效缓解农业水资源的不足。

（3）挖掘植物抗旱特性，发展生物节水技术，提高农作物水分转化效率，提高生产性高效消耗的比例，可减少水资源的浪费。

3.加强管理

国际公认的灌溉节水潜力为50%，因此提高水资源开发利用的管理水平是实现水资源高效利用和改善我国农业生态环境的根本保障。为此，在重视农业用水过程中“开源”和“节流”两个基本过程的同时，亦要加强农业用水管理。因为合理的管理方式是保证农业用水过程中 “开源”和“节流”重要手段。应大力加强促进农业水资源可持续利用的高效用水社会保障体制建设，努力建设农业高效用水管理体系。

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