基于农作物灌溉定额的干旱区棉花节水潜力分析

张静，白红莉，雍会1,

(1.石河子大学经济与管理学院，新疆 石河子，832000；2.水利部发展研究中心，北京 海淀，100038 )

农作物基本灌溉定额是通过对农作物种植的多年监测、试验，明确其农作物在不同环境下，采取不同灌溉方式，作物所需水份的定额，是农作物多年平均相对稳定的基本灌溉定额数值。它是水资源利用、灌溉用水、农业节水等规划设计的基本技术参数。塔里木盆地是典型的干旱区，其中棉花在塔里木盆地农作物种植中占有较大的比重，是消耗水资源的主要农作物。本研究利用多年试验得出的棉花基本灌溉定额指标，分析采取最优节水灌溉模式对棉花种植的节水潜力，其节水潜力对进一步扩大种植规模、优化种植结构，吸纳聚集更多的农业人口提供了依据。

Y.Hoekstra于 2002 年提出了水足迹 ( Water Footprint) 概念，指在一定的物质生活标准下，生产一定人群消费的产品和服务所需要的水资源数量，它表征的是维持人类产品和服务消费所需要的真实水资源数量，就是用以估算生产某种产品或提供某种服务的整个过程所消耗水量的总和。研究发现，棉花单位产品虚拟水含量最高，是其他经济作物的4 倍左右。邓小军等(2009)认为，新疆南疆通过外输棉花导致的大量地表水和地下水外流，给原本干旱缺水的南疆地区带来生态压力。新疆地处内陆干旱区，农业灌溉用水占总用水量一般达90%以上。2018年新疆用水总量为548.77亿立方米，其中，生产用水量为505.61亿立方米，生产灌溉用水量为486.18亿立方米占用水总量的比例为88%，而塔里木盆地喀什地区、 阿克苏等地区灌溉用水量占用水总量的95%以上。加强节水提高农业灌溉效率是干旱区农业发展的方向。一些学者也在降低作物虚拟水等方面进行了研究。其中，膜下滴灌与传统灌溉相比可节水30%～50%、增产 20%～30%。研究利用棉花节水灌溉定额，分析农作物水资源消耗趋势，对合理规划利用有限的水资源，提升农业用水效率，具有重要的理论意义。

1资料与方法

1.1研究区概况

塔里木盆地是中国最大的内陆盆地，位于新疆维吾尔自治区南部，西起帕米尔高原东麓，东到罗布泊洼地，北至天山山脉南麓，南至昆仑山脉北麓，在北纬37°～42°的暖温带范围内；海拔1000 m左右(西部海拔1000 m以上，东部罗布泊降到780 m)；东西长1500 km，南北宽约600 km，面积530000 km。由于深处大陆内部，周围又有高山阻碍湿润空气进入，年降水量不足100 mm，大多在50 mm以下，为极度干旱区。盆地中心为塔克拉玛干沙漠，面积337600 km，罗布泊、台特马湖周围为大片盐漠。塔里木盆地是中国最古老的内陆产棉区，光照条件好，热量丰富，能满足中、晚熟陆地棉和长绒棉的需要。气候昼夜温差大，有利于作物积累养分，又不利害虫孳生，是中国优质棉种植的高产稳产区。塔里木盆地地跨南疆五个地(州)的42个县(市)和兵团4个师的55个团场，其中，和田地区管辖和田市、和田县、墨玉县、皮山县、洛浦县、策勒县、于田县、民丰县，喀什地区管辖喀什市、疏附县、疏勒县、英吉沙、泽普县、莎车县、叶城县、麦盖提县、岳普湖县、伽师县、巴楚县、塔什库尔干县，克孜勒苏柯尔克孜自治州管辖阿图什市、阿克陶县、阿合奇县、乌恰县，阿克苏地区管辖阿克苏市、温宿县、库车县、沙雅县、新和县、拜城县、乌什县、阿瓦提县、柯坪县，巴音郭楞蒙古自治州管辖库尔勒市、轮台县、尉犁县、若羌县、且末县、焉耆县、和静县、和硕县、博湖县。水资源包括塔里木盆地周边向心聚流的九大水系和塔里木河干流，流域总面积1027000 km(含国外面积24710km)，其中：“四源一干”流域面积为236244 km。

1.2研究方法

1.2.1数据来源

相关水资源数据来源于新疆维吾尔自治区水利厅出版的《新疆维吾尔自治区水资源公报》；相关农业、棉花种植数据来源于《新疆统计年鉴》(2001—2018)，以及中国棉花网数据库(http://www.cottonchina.org. cn/)和中国节水灌溉网数据库(http://www.jsgg.com.cn/Index/Index.asp)的相关数据。灌溉定额数据来自于中国科学院新疆生态与地理研究所相关研究结论。

1.2.2研究方法

基本灌溉定额是灌区作物多年平均相对稳定的基本灌溉定额数值，它是水资源利用、灌溉用水、农业节水等规划设计的基本技术参数，也是农业灌溉用水计划和管理的下限指标。塔里木盆地干旱区农田灌溉类型一般分为常规灌溉、膜上灌溉、喷灌和微灌。其中常规灌溉即农田自流灌溉方式，包括沟灌、畦灌、块灌等；膜上灌溉即农田沟或畦覆膜方式的膜上灌、膜侧灌、膜沟灌；喷灌即自压或加压半固定移动式喷灌，喷灌机或移动式喷灌等方式；微灌即自压或加压式微喷、滴灌、膜下滴灌、地下渗灌等微灌方式。

农业水足迹的计算采用自上而下的方法，从生产水足迹角度计算农业开发对水资源的占用，将研究区域的棉花播种面积与单位面积棉花的基本灌溉定额相乘求和得到。用如下公式(1)表示。

(1)

式中: EPWn为第t至n年的棉花水足迹总量，P为第i个区域第n 年的棉花种植面积，表示第i个区域棉花灌溉方式中的第j种灌溉方式的灌溉定额。其中，在灌溉定额中不同种的灌溉方式，耗水也不一样，则也不同。因此，根据棉花种植耗水多年平均值，将第i个区域的棉花种植灌溉模式中常规灌溉、膜上灌溉、喷灌、微灌分别表示为、、、、。

在同一区域的棉花种植面积中，根据不同的灌溉模式，区域耗水也不同，因此，最高的灌溉耗水减去最低的灌溉耗水，就是该区域的节水潜力。节水潜力用以下公式(2)表示。

SPW=max(EPWn)-min(EPWn)

(2)

式中: SPW为节水潜力。max(EPWn)和min(EPWn)表示为第t至n年第i个区域的第j种灌溉方式的棉花水足迹最大值和最小值。其中最大值和最小值的确定，一般常规灌溉为最大值，微灌为最小值。因此，第t至n年第i个区域的节水潜力用公式(3)表示。

(3)

2结果与分析

2.1塔里木河盆地棉花种植结构

新疆的棉花种植面积超过了全国棉花种植面积的四分之三，已经成为中国最重要的种植基地，在全国棉花种植区域中起着举足轻重的位置。在1949—2019年期间，新疆棉花播种面积有着较大幅度的波动。1949—1978年，新疆棉花播种面积保持在200公顷以内，这个阶段内，棉花种植在新疆农作物种植面积中仅占很小的一部分，不是新疆的主要经济作物。1978年以后，新疆棉花面积开始逐年增长，增长到占农作物种植面积比重41.05%，发展成为了新疆最为重要的经济作物(见图1)。其中，塔里木盆地农作物总播种面积273.85万公顷，棉花播种面积124.85万公顷，棉花种植面积占农作物种植面积比重达到45.60%。在塔里木盆地，棉花种植面积超过100万公顷的就有沙雅县、库车县、阿瓦提县和兵团第一师。

图1 新疆及塔里木盆地农作物与棉花播种面积结构图

近年来，塔里木盆地棉花种植种植面积呈逐年递增趋势(见表1)。2000年,塔里木盆地巴音郭楞蒙古自治州、阿克苏地区、克孜勒苏柯尔克孜自治州、喀什地区、和田地区棉花播种面积分别为：5.657万公顷、14.547万公顷、0.464万公顷、19.567万公顷、3.735万公顷，到2018年,塔里木盆地各地州棉花播种面积分别为27.628万公顷、52.797万公顷、1.068万公顷、45.813万公顷、0.812万公顷。18年来塔里木河盆地棉花种植面积是原来的2倍。

棉花播种面积的增加，也伴随着耗水的增加。由于塔里木盆地地处新疆内陆干旱区，气候极端干旱，生态环境极端脆弱，农业特别是棉花种植业是当地居民的主要产业，棉花种植面积较大，耗水较多，对水资源可持续利用与生态环境保护都产生至关重要的影响。

2.2塔里木河盆地棉花灌溉水利用系数

针对新疆典型的沙漠绿洲灌溉农业特点，以农业灌溉耗水为主线，农业用水定额分2种，即：基本灌溉定额、灌溉用水定额(均为田间净定额)；灌溉方式分4种，即：常规地面灌溉、膜上灌溉、喷灌、微灌。农业灌溉用水定额考虑各地作物品种、水文气象、土壤质地、灌溉模式、栽培方式、用水现状等影响因素，重点分析常规灌溉和微灌两种情况的灌溉定额，反映灌溉分区内灌溉水利用系数现状水平的动态值(见表2)。

表1 2000—2018年塔里木盆地各地州棉花播种面积(hm2)

续表1 2000—2018年塔里木盆地各地州棉花播种面积(hm2)

表2 塔里木盆地各地州棉花不同方式灌溉定额平均指标(m3/hm2)

根据塔里木盆地棉花灌溉定额平均指标，常规灌溉定额平均指标为5697 m/hm，微灌定额平均指标为4005 m/hm。在同一区域的棉花种植面积中，根据不同的灌溉模式，区域耗水也不同，因此，最高的灌溉耗水减去最低的灌溉耗水就是区域的节水潜力，则公式(2)中的最大值为5697 m/hm，最小值为4005 m/hm。

2.3基于常规和微灌定额的棉花农业用水足迹

以2000年为例，塔里木盆地巴音郭楞蒙古自治州、阿克苏地区、克孜勒苏柯尔克孜自治州、喀什地区、和田地区棉花种植面积分别为5.657万公顷、14.547万公顷、0.464万公顷、19.567万公顷、3.735万公顷；则各地州棉花常规灌溉定额平均指标分别为5970 m/hm、5820 m/hm、5520 m/hm、5355 m/hm、5820 m/hm。因此，根据公式(1),南疆塔里木盆地2000—2018年棉花种植基本灌溉定额为770.81亿立方米(见图2)。

同理，根据公式(1),塔里木盆地2000—2018年棉花种植微灌定额：巴音郭楞蒙古自治州、阿克苏地区、克孜勒苏柯尔克孜自治州、喀什地区、和田地区棉花分别为4200 m/hm、4095 m/hm、3870 m/hm、3765 m/hm、4095 m/hm。根据公式(1),塔里木盆地2000—2018年棉花种植微灌定额为542.15亿立方米(见图3)。

图2 2000—2018年塔里木盆地各地州棉花常规灌溉用水趋势图(m3)

图3 2000—2018年塔里木盆地各地州棉花微灌用水趋势(m3)

2.4塔里木盆地棉花节水潜力

根据公式(2)和(3)，在2000年至2018年间，塔里木盆地常规灌溉为最大值，微灌为最小值。据节水潜力公式(3)可得出塔里木盆地节水潜力为228.66亿立方米。各年度塔里木盆地常规灌溉、节水灌溉需水量，以及理论节水潜力趋势见图4。

实际上，从2000起，在塔里木盆地陆续有一些地方采用了微灌等节水技术，一些地方刚采用了微灌节水技术，后面又由于维护成本、农田弃耕、节水服务等问题，存在一定的弃节水设备现象。根据调研截止到2018年，约有70%的农户采用了微灌节水，仍有约30%的节水潜力。2018年，理论节水潜力21.60亿立方米，实际已节水14.40亿立方米，还有节水潜力为7.20亿立方米。按照微灌平均值为4005 m/hm，全部采取微灌节水技术，还可以在塔里木盆地新增加棉花种植面积为179775.30 hm，也可以用于新增加生态用水。因此，进一步加强节水灌溉推广，对提升塔里木盆地农业种植效益和可持续发展具有重要意义。

图4 2000—2018年塔里木盆地各地州棉花节水潜力趋势(m3)

3结论

棉花具有较高的虚拟水含量，随着棉花种植面积的增加，棉花水足迹也在增加。近年来，随着农业节水灌溉技术的推广，特别是在棉花等大宗耗水作物的推广，使得农业用水比例逐渐下降，为生态用水争取了用水空间。

研究表明：一是棉花种植面积的增加导致农业耗水的增加，在塔里木盆地棉花种植面积占农作物种植面积比重达到45.60%，从2000年到2018年，塔里木河盆地棉花种植面积增长了2倍，导致棉花总体用水不断增加；二是采用节水灌溉技术塔里木盆地棉花节水潜力为228.66亿立方米，其中2018年，理论节水潜力21.60亿立方米，实际已节水14.40亿立方米，按30%农户还没采用节水灌溉技术算，还有节水潜力为7.20亿立方米。

为加强棉花种植节水灌溉的推广，建议：(1)加强节水基础设施建设，通过优化节水硬件设施，实现流域用水科学化管理，特别是利用现代信息技术、水电控制技术，实现节水信息化管理；(2)加强节水组织与制度建设，通过棉花农业合作社、用水合作社，以及塔里木河流域四级管理体系、河长制管理体系，实现管理机制与用水组织有效结合，使节水管理、执行与监督制度更加完善；(3)加强塔里木盆地节水市场化运行，通过市场机制调节节水，加强水权与水价的管理与调节，加强农户、企业与政府的合作参与，通过市场调节与服务农户节水。