互助县灌区农业用水评价

郭华世

(青海省互助县水利局，青海 海东 810599)

全球人口和粮食需求的增长，不同用水部门之间的竞争，增加了水资源的承载力。虽然现代农业技术大大提高了农业生产效率和产量，同时也带来了水资源过度消耗和环境破坏等问题[1- 2]。水既是农业生产的要素，也是生态系统的基础，在利用水的过程中其效率、经济效益和环境影响是需要综合分析的不可分割的变量[3- 4]。在农业生产领域，农业用水的特性包括用水量、农业产量和环境影响(由于化肥和农药的使用)[5]。因此，发展可持续农业是未来几十年的一大挑战。评估水资源和农业生产之间的潜在联系对于解决缺水和粮食安全是至关重要的[6]。在传统意义上，农业用水管理需通过增加作物产量或减少单位面积用水量来提高作物水分生产率[7]。尽管作物产量在过去40年里翻了一番，主要是因为“绿色革命”推动了化肥、农药和灌溉的广泛使用，但杀虫剂的过度使用对环境造成了严重污染[8]。由于作物产量下降和现代农业实践对环境造成的影响，农业产量的增长速度将是不可持续的[9]。此外，很多文献的研究主要集中在评估农业生产期间的用水效率上，而没有太多关注经济和环境方面。农业用水评估的最常用方法是测量灌溉效率[10]，当从田间水平转移到整个灌溉系统和河流流域时会出现的缩放效应，导致灌溉效率的代表性不足。Molden[11]提出的水核算方法，为评估不同规模的灌区水资源利用效率提供了一种可行的方法。它将水平衡成分分解为不同的用水种类，能够反映人类在水文循环中的干预方式。水核算框架[12- 13]的制定可为水管理措施的选择提供有效的参考，在保持环境完整性的情况下，可通过分析制定出改善水管理措施和生产力的方法，目前在许多灌区得到了广泛的应用。

水足迹概念的产生为评估农业生产用水提供了一种新的方法。它是淡水资源分配的一个指标，为消费某一特定产品对环境造成的影响。作物产品的水足迹是作物生产过程中消耗的和受农业污染物影响的水量，其包含3个组成部分：绿水足迹(作物生长期间中消耗的有效降水量)、蓝水足迹(作物生长期间消耗的地表或地下水的水量)和灰水足迹(吸收农业污染物如化肥和农药所需的淡水量)[14]。

本文以互助县灌溉区为研究区，分析了小麦生产过程中的耗水量、经济效益和水环境影响，采用水核算和水足迹方法，对作物生产用水进行综合评估。水核算和水足迹方法的目的是提高认识和加强可持续农业水管理。该研究分析了小麦生产过程中的耗水量、经济效益和水环境影响，为未来互助县灌区的可持续发展提供合理的作物生产用水的综合评价信息。

1 研究区概况

互助县灌区(后文简称HZX)位于中国青海省。灌区属于大陆季风气候。HZX的年平均温度为3～5℃，年降水量为145～217mm，年平均蒸发量超过了2000mm。主要种植作物为春小麦、向日葵和玉米[15]。

2 数据来源

本研究使用的数据主要包括气象数据、农业生产数据和灌溉数据。气候数据包括月平均最高温度、月平均最低温度、相对湿度、风速、降水量和日照时数[16- 17]。气候数据来自中国气象数据共享服务网[3]。农业数据，包括作物产量、播种面积等，取自“互助县灌区统计年鉴”和“中国农业统计数据”等。灌溉和水文数据由互助县灌区管理局提供。

3 研究方法

3.1 水核算框架

基于水量平衡法的水量核算被用于计算灌区的耗水和产水量。水量核算通过对入流量、出流量和蒸发蒸腾耗水量进行分类来定义系统内的水量，水量核算及其指标的详细介绍见文献[11]。

水量核算的计算方法如下：

WInflow=WDepletion+Woutflow+ΔS

(1)

WInflow=P+Ss+Sg

(2)

WDepletion=ETα+E+U

(3)

Woutflow=Qs+Qg

(4)

式中，WInflow—入流量，m3；WDepletion—水量损耗，m3；ΔS—体积变化，m3；P—降雨量，m3；Ss—流入流域的地下水量，m3；ETα—作物的实际蒸散量，m3；E—灌区自由水面及地表蒸发量，m3；Qs—地表径流量(包含壤中流)，m3；Qg—基流，m3。

互助县灌区水量平衡方程式如下：

ΔS=WD+WP+WG-WOut-WC

(5)

式中，WD—来自黄河输送的水量；WP—降水量；WG—地下水侧向入流补给量；WOut—灌区出流量；WC—灌区水量损耗，其包含农业用水损耗(WA)、工业用水损耗(Wl)、生活用水损耗(WL)和生态用水损耗(WE)。

式(5)可以改写为：

ΔS=WD+WP+WG-WOut-WA-Wl-WL-WE

(6)

用于区域水量平衡建模的数据，包括降雨量、引黄总水量、总流出量和地下水深度，由灌区管理局提供。其他水平衡分量是通过参考经验公式估算的，其计算方法见文献[16]。

3.2 水足迹计算方法

作物的水足迹根据Egan[18]等人提出的框架计算。对于蓝水足迹，本研究采用了一种改进的方法，该方法考虑了水转移过程中的水消耗[19]。作物的绿水足迹是根据作物生长期间雨水的蒸散量来计算的。灰水足迹是指在给定天然地下水浓度和现有环境水质标准的情况下，吸收污染物所需的水量。

WF=WFgreen+WFblue+WFgrey

(7)

WFgreen=10min(ETc，Pe)×A

(8)

WFblue=IR×A

(9)

(10)

式中，WF—水足迹，m3；WFgreen—绿水足迹，m3；WFblue—蓝水足迹，m3；WFgrey—灰水足迹，m3；ETc—作物生长期的蒸腾量，mm；Pe—有效降水量，mm；A—作物播种面积，ha；IR—作物每单位面积的灌溉水量损耗，m3/ha；AR—每公顷田地事假的化肥量比列，kg/ha；α—淋溶径流量比例；cmax—最大容许浓度，m3/ha；cnat—污染物的自然浓度，m3/ha。

作物单位重量的水足迹为：

(11)

式中，P—作物产量，kg。

4 结果分析

4.1 春小麦水分利用过程及水足迹核算

如图1所示，给出了互助县灌区作物生长期间的用水过程。灌溉用水从黄河分流，通过灌溉渠系统输送到农田。在这个过程中，有3个主要的耗水因素:灌溉水损失(如蒸发和渠道渗漏)、农田作物蒸发蒸腾和农田深层渗漏。同时，地下水通过蒸发损失一部分水量。

图1 互助县灌区春小麦生产用水过程

春小麦作为互助县灌区的主要谷物作物，其消耗了大量的水分。小麦生长期间的总水量为1106Mm3，其中蓝水量为1106Mm3。小麦生产过程中消耗的水主要归因于两个主要因素:从水源到田间的灌溉水损失和田间蒸发蒸腾。输水过程中损失的灌溉水量为530Mm3。田间蒸发蒸腾耗水量为443Mm3，渗滤耗水量为133Mm3。

水足迹计算结果表明：HZX小麦生长期间的蓝水足迹为756Mm3，绿水足迹为116Mm3，说明互助县灌区春小麦的生产严重依赖灌溉用水。

4.2 水资源核算组成部分

小麦生长过程中HZX的水分含量组成及损耗见表1。可以看出：小麦生长期总入流量为1336Mm3。在灌区用水达到上限期间，可用水量被计算为总入流量超过计划流出量的部分。可用水量为1174Mm3。在小麦生长期间，有益损耗(作物蒸发蒸腾)为559Mm3。另一方面，非有益的损耗为427Mm3，占总耗水量的43.31%。总入流量的耗尽部分为0.73，而可用水的耗尽部分为0.84。流动总流量的百分比为0.41，这意味着灌溉服务消耗的41%的水被作物蒸发蒸腾所消耗，剩余59%的水是从自由水面或非作物植被中蒸发的(尽管其中大部分可能被认为是有益的)。因此，基于水足迹和水核算分析的结果可以看出互助县灌区仍有很大的节水潜力。

表1 互助县灌区小麦生长过程中的水分指标核算结果

4.3 小麦生长过程中水分利用评价

本文采用灌溉效率、水分生产率、环境影响和经济效益来评价互助县灌区小麦生长过程中的用水情况。

4.4 灌溉效率

灌溉效率是衡量该地区灌溉性能的关键指标，它包括两部分:输水效率和用水效率。对小麦生产期间水资源利用的分析表明，输送效率为52.08%，导致灌溉水源和农田之间损失530Mm3水。用水效率为76.09%，导致损失133Mm3水。因此，小麦生长过程中的大部分水分损失为输送过程中的灌溉损失。

4.5 水分生产率

作物水分生产率是一个效率术语，表示作物产量与生产该产量所需的水量之间的关系。在农田层面，作物水分生产率主要取决于作物腾发量和农田单位面积作物产量。在整个区域一级(或流域一级)上，作物水分生产率不仅取决于田间耗水量(作物蒸散量)和作物产量，还取决于灌溉水源向田间传输和分配过程中的灌溉水分损失。研究结果表明，田间小麦的水分生产率为1.09kg/m3，这一水平高于全国平均值0.80kg/m3。然而，整个地区小麦的水分生产率仅为0.63kg/m3，与田间生产率相比，减少了42.20%。这可能是由于水源和田地之间的水量输送效率差导致的。

由于太阳能水平较高，HZX作物产量较高，尽管灌溉系统不良造成大量水资源损失，但小麦(春季)产量为5532.00kg/m3，高于全国平均值4748.00kg/m3。上述分析结果表明，通过改善灌溉系统性能，有很大的潜力提高作物的用水效率。

4.6 环境影响评估

灰色水足迹是吸收到达水体的污染物所需水量的指标。作为通过污染来分配水资源的一个指标，它可以评估水资源的可持续、高效和公平利用性。在本研究中，灰色水足迹被用于评估HZX中小麦生长对环境的影响。研究结果表明，小麦生长过程中的灰水足迹为152Mm3，占总有效水的12.95%。为了达到环境标准，需要152Mm3的淡水来稀释小麦生产过程中使用的污染物(如化肥和农药)，导致大量农业污染物暴露在环境中。这将对区域环境产生长期负面影响，并将继续对HZX供水造成额外压力。

4.7 经济效益评估

由于农业是具有竞争性的生产活动，种植者需寻求有效用水资源，以获得最大的经济效益。因此，经济效益评估是作物生产评估的主要部分。互助县灌区小麦生产经济效益评价结果见表2，可以看出，HZX的小麦产量和价格高于全国平均水平，因此HZX单位面积产量远远高于全国平均水平。HZX中每单位重量小麦的产量为0.91元/kg，大约是全国平均值的2倍。这表明HZX在小麦生产方面具有相对的经济优势。对于单位用水量的比例，HZX低于全国平均值。这是可能是因为HZX生产单位小麦需要比全国平均水平多得多的蓝水。

表2 互助县灌区小麦生产经济效益评价

5 综合分析

在本研究中，采用水足迹和水核算方法评估了HZX小麦生产过程中的水分利用效率、水消耗量和环境影响。上文研究结果表明，HZX小麦总灌溉效率为40%，灌溉水输送效率为52.08%，水分利用效率为76.09%。灌溉效率是衡量灌溉性能的关键指标，就HZX灌溉田地所需的水而言，从水源到田地的输送过程中灌溉损失是小麦生产过程中最大的单一水源损失，其表明HZX的灌溉系统状况不佳。

HZX中的灌溉水输送系统由很多由没有衬砌的河流组成，其渗漏量占所用蓝水的44%。同时，农田灌溉技术采用的是地面灌溉方法，如犁沟和边界灌溉，导致很大一部分水在运移动过程中损耗(为59%)，作物吸收的灌溉水的41%被作物蒸发掉了，剩下的59%被从自由水面或非作物植被中蒸发掉了。因此，如果升级HZX的灌溉系统，将有很大的潜力提高其灌溉效率。

灰色水足迹已被用来评估HZX的小麦生产对环境的影响。研究结果表明，小麦生产过程中的灰水足迹为152Mm3，其将对区域环境产生显著影响，并加重HZX水资源的承载力。在过去的几十年里，在化肥和农药的共同作用下，世界范围内的农业产量有了显著的提高。然而，施肥剂和杀虫剂的不当使用可能会造成严重的环境污染。

就经济效益分析而言，HZX的单位面积收益远远高于全国平均水平。然而，关于单位用水量的比例，HZX却低于全国平均值。这可能是因为HZX的小麦生产需要比全国平均水平多得多的蓝色水来生产每单位重量的小麦。因此，尽管HZX在单位重量产量方面有明显优势，但HZX仍需要改进灌溉系统，以提高单位用水量产量。

本文的研究结果表明，由于高产量水平，经济效益高于全国平均水平。然而，由于高耗水量和灰水足迹，资源利用效率和环境可持续性相对较低。从资源和环境角度来看，HZX的作物生产是不可持续的。因此，互助县灌区应对灌溉系统进行改进，以便更有效地利用水资源，减少作物生产过程中的灰水足迹。可以采取以下措施:工程措施，如采用先进的节水灌溉技术来提高灌溉效率，或农艺措施，如覆盖以减少无效土壤蒸发，或改变种植日期以适应蒸发需求较少的时期。

另一方面，灰水足迹的结果表明，由于化肥和农药的使用，农业生产可能对区域环境产生巨大的负面影响。虽然这种应用可以提高作物产量，但也可能造成环境问题，如水污染。施用的农业污染物越多，稀释这种施用的残留物所需的水就越多。因此，这将加剧农业生产中本已稀缺的水源供应。

6 结论

本文采用水足迹和水核算理论，对互助县灌区小麦生产的耗水量、水分生产率和环境影响进行了评价。研究结果如下:

(1)小麦生长期间的总耗水量中，蓝水含量较高，而绿水含量较少，蓝水含量为绿水含量的6倍左右。HZX中的小麦生产主要依赖于蓝水(即灌溉水)。小麦的有益损耗，作物蒸发蒸腾为559Mm3，而非有益损耗为427Mm3。

(2)田间尺度下小麦的水分生产率为1.09kg/m3，高于全国平均值0.80kg/m3。而在整个灌溉区范围内，小麦的水分生产率仅为0.63kg/m3，与田间水平相比减少了42.20%。这是由于灌溉系统渗漏等原因造成了大部分水资源损失。这表明，通过提高灌溉系统的性能，有很大的潜力来提高作物用水效率。