楊貴羽，王 浩

（中國水利水電科學研究院水資源研究所，100038，北京）

一、我國農業(yè)用水現狀及存在的問題

我國水資源總量較少，時空分布極不均勻，且降水與耕地在空間分布上差異較大，使得我國耕地上畝均水資源占有量較少，區(qū)域間變異性極大。據統計，1956—2005年全國年均降水總量為60 853.89億m3，平均年徑流量僅為2669億m3，約有70%集中于汛期的6—9月，且81%分布在長江流域及其以南地區(qū)；又由于南北方耕地資源分布的差異，導致長江以南地區(qū)每公頃耕地水資源占有量為28695m3，長江以北地區(qū)每公頃耕地水資源占有量僅為9 465 m3；而且隨著我國糧食主產區(qū)持續(xù)向缺水和生態(tài)脆弱的北方地區(qū)轉移，單位耕地面積上水資源的占有量還將進一步減少。水資源的天然條件和水土資源的不相匹配是我國農業(yè)用水緊張的客觀因素。加之近年全球氣候的變化，降水的平均值整體呈減少趨勢且南北方差異繼續(xù)加大，進一步加劇了我國農業(yè)水資源的緊張情勢。

在此客觀條件下，隨著農業(yè)科學技術的發(fā)展和糧食需求的增加，我國農業(yè)用水量、用水結構和用水效率均發(fā)生了較大的變化。在用水量方面，自新中國成立以來農業(yè)用水經歷了快速增長（1949—1980 年 ）、相對緩慢增長（1980—2000年） 和緩慢下降（2000—2008年）三個階段，到2000年達到歷史最高紀錄，為3 783.5億m3，較新中國成立初增長了3.78倍。到2008年，由于節(jié)水措施的實施和各種抗旱品種的推廣，農業(yè)總用水量較2000年略有下降，維持在3615億m3。與此同時，農業(yè)用水占國民經濟總用水量的比例也呈不斷下降趨勢，由1980年的84%下降到2008年的62%。盡管如此，相對于其他產業(yè)，農業(yè)用水量仍在國民經濟各產業(yè)中占有最大比例（見圖1）。另外，隨著人民生活水平的提高，飲食結構的變化，我國農業(yè)用水整體呈現出農田灌溉用水量減少、林牧漁業(yè)的用水量緩慢增加的演變趨勢。據統計，1980—2007年期間我國的GDP由4 545億元增長到24.95萬億元，而全國灌溉用水量卻由 3 509億 m3下降為 3 249億 m3，在農業(yè)用水中所占的比重由94%下降到90%；同時用于林牧漁業(yè)的水量緩慢增加，近20年來維持在355億～360億m3之間。

伴隨著用水量和用水結構的變化，農業(yè)用水效率也有了較大的提高，耗水系數由20世紀90年代末的0.56增加到2004年的0.7（見圖2）。但與發(fā)達國家相比，我國農業(yè)用水的整體利用效率仍處于較低的水平。據統計2007年全國農業(yè)灌溉水利用系數在0.47左右，糧食生產中的水分利用效率在0.8 kg/m3左右，即生產1t糧食耗水量達1 250 m3，而節(jié)水發(fā)達的國家在2000年灌溉水利用系數就達到了0.7～0.8，生產1t糧食的用水量在1000m3以下。

二、農業(yè)水循環(huán)的結構及其水資源轉化效率解析

1.農業(yè)水循環(huán)結構剖析

農業(yè)是人類發(fā)展的基礎產業(yè)，其本質是通過培育動植物，生產糧食及工業(yè)原料滿足人類生存和發(fā)展的需要。隨著人類認識自然和適應自然能力的發(fā)展，農業(yè)的內涵不斷拓寬和延伸，在原始農業(yè)、傳統農業(yè)之后出現了現代農業(yè)、都市農業(yè)、生態(tài)農業(yè)以及低碳農業(yè)等新型的農業(yè)范疇。與之相伴的農業(yè)水循環(huán)系統也發(fā)生了改變，使得農業(yè)水循環(huán)系統變得愈來愈復雜，循環(huán)邊界不斷擴大，循環(huán)環(huán)節(jié)不斷增加，循環(huán)路徑不斷延長，循環(huán)通量不斷擴大，但是其基本服務功能始終沒有改變。就其本質仍然是由從水源到作物耗水的實體水和農產品交易中攜帶的虛擬水循環(huán)過程共同構成，是一個由水源到農產品產出再到農產品流通等不同循環(huán)子過程構成的社會水循環(huán)大系統，是社會水循環(huán)系統的重要組成，是服務于農業(yè)生產和服務的水分流轉過程。其水源來自于降水及其派生的一次性徑流資源和再生水，表現為消耗型和非消耗型兩種狀態(tài)，顯示為“實體水”和“虛擬水”的循環(huán)方式。

對于農業(yè)“實體水”的循環(huán)，集中的表現為通過農業(yè)種植業(yè)代替自然植被間接方式影響并參與自然水循環(huán)的過程，和伴隨 “供 （取）—用—耗—排”水等環(huán)節(jié)直接方式影響并參與自然水循環(huán)的過程。隨著農業(yè)種植結構的調整，各種灌溉制度和灌溉節(jié)水措施的實施使農業(yè)“實體水”的循環(huán)過程變得更加復雜。

對于“虛擬水”的循環(huán)，隨著區(qū)域經濟的快速發(fā)展，糧食等農產品的流通增強，附著在農產品上的水循環(huán)的鏈條進一步延長，即“虛擬水”循環(huán)過程在農業(yè)水循環(huán)系統中變得愈加重要，且隨著與“實體水”的轉化及自然水循環(huán)的相互作用、相互影響，這進一步加大了農業(yè)水循環(huán)系統的復雜性。

盡管隨著產業(yè)鏈條的延長，農業(yè)水循環(huán)途徑變得愈加復雜。但是按照水分流通過程，農業(yè)水循環(huán)系統的基本結構可以概括為五個過程：①取水過程：即通過灌溉輸配水系統將水自水源引至田間，也包括田間降水的自然輸配補給過程；②輸配水過程：田間水分與作物體根系層土壤水的轉化及土壤水再分配過程，即由降水和徑流性水資源轉變?yōu)橥寥浪倪^程；③用耗水過程：從作物體根系經作物體再到大氣，非徑流性土壤水資源向氣態(tài)水轉化的過程，作物吸收水分后通過光合作用將輻射能轉換為化學能，最后形成碳水化合物的用（耗）水過程；④排水過程：將多余水量排出農業(yè)系統的過程；⑤農產品流通過程，即區(qū)域實體水與區(qū)域間農產品虛擬水間的轉化過程。各個過程既相互作用又相互影響，而且又與自然水循環(huán)過程密切聯系（見圖3）。

2.基于農業(yè)水循環(huán)過程的水資源轉化效率分析

由以上分析可見，農業(yè)用水過程實質是由可見的從水源到作物耗水的實體水和農產品交易中攜帶的看不見的非實體水——虛擬水流過程共同構成的，是一個由水源到農產品產出再到農產品流通等不同循環(huán)子過程構成的一個“自然—人工”復合水循環(huán)大系統，涉及水文循環(huán)過程、作物生長發(fā)育的生理過程、水資源配置過程以及區(qū)域經濟結構的合理調控過程等相關內容，因而農業(yè)水循環(huán)過程是一個以水為媒介的綜合體。由于其涉及的內容較多，各部分循環(huán)過程的機理也不同。

由農業(yè)水循環(huán)中水資源轉化的通量可見，在供水水源方面，主要體現為常規(guī)水資源和非常規(guī)水資源以及土壤水資源的供給；在消耗方面，集中地體現為蒸發(fā)蒸騰和深層滲漏。蒸發(fā)蒸騰發(fā)生在農業(yè)水循環(huán)的各階段，包括?。ㄝ敚┧?、排水過程的渠系土壤蒸發(fā)和水面蒸發(fā)，以及農田土壤蒸發(fā)和作物植被蒸騰；深層滲漏亦發(fā)生在水循環(huán)的各環(huán)節(jié)。這說明耗水發(fā)生在農業(yè)用水過程中的各個環(huán)節(jié)。結合水資源需求管理的本質在于對水資源消耗的管理。以下結合農業(yè)水循環(huán)過程中的水資源消耗項，分別對其消耗效率作出分析。

（1）深層滲漏量：雖然在生態(tài)環(huán)境系統發(fā)揮了重要的作用，且從區(qū)域水資源的整體而言并沒有被消耗，但就農業(yè)系統而言，其并沒有最大效率地服務于農業(yè)。因此，此部分水量屬于農業(yè)水的消耗范疇，按照水資源的消耗效率的評價標準（是否參與生產的標準），可認為是非生產性無效消耗。減少其消耗量成為農業(yè)水循環(huán)調控的一個重要方面。

（2）農作物蒸發(fā)蒸騰消耗量：是農業(yè)水循環(huán)系統中最主要的消耗項，主要發(fā)生于SPAC系統，是在大氣和作物體間水勢梯度差的驅動下，通過克服土壤—根系界面、農作物體內不同器官以及作物與大氣界面間的阻力，由農作物根系吸收土壤水分，經莖、葉等器官進入大氣、轉化為作物水（農產品的組成）的用（耗）水過程，其中土壤蒸發(fā)和植被蒸騰是其主要消耗形式。

其中植被蒸騰的消耗效率由環(huán)境因素所決定，主要取決于農作物葉片周圍的水汽壓、根系影響層土壤含水量。據有關研究分析，在農作物的蒸騰水量中，僅有極少部分參與光合作用（不足1%），絕大部分被認為是奢侈蒸騰。若以參與農作物干物質生產的蒸騰為生產性高效消耗，則奢侈蒸騰部分則應為生產性低效消耗。因此，在農業(yè)用水過程中，合理調控土壤水分，維持冠層阻力和冠層附近濕度，可提高蒸騰轉化效率，進而改善農業(yè)水循環(huán)系統用（耗）水效率。

棵間土壤蒸發(fā)是農業(yè)水系統中水資源消耗的一個主要方面，是在土壤水勢與大氣水勢梯度的作用下，土壤水分由土壤非飽和帶液態(tài)直接轉化為氣態(tài)，并散失到大氣中的自然水循環(huán)過程。盡管農田棵間土壤蒸發(fā)可通過調解農田微氣候間接影響農作物生長發(fā)育，但是相對于農業(yè)系統的生產而言卻并沒有發(fā)揮直接作用，因此可認為是生產性低效消耗。通過適當方法降低棵間蒸發(fā)也是農業(yè)水循環(huán)系統中改善用水效率的方向之一。

總之，結合我國農業(yè)用水現狀和農業(yè)水循環(huán)過程及水資源演變機理的剖析可見，農業(yè)用水過程中水循環(huán)的結構變得極為復雜，且在高強度人類活動的影響下又呈現出循環(huán)邊界不斷擴大、循環(huán)環(huán)節(jié)不斷增加、循環(huán)路徑不斷延長的演變特點。與此同時，伴生在不同循環(huán)環(huán)節(jié)的水資源轉化效率也存在明顯差異。面對我國農業(yè)水資源的現狀，立足于農業(yè)水循環(huán)過程及其水資源轉化效率，以提高水資源的利用效率為宗旨，開展基于農業(yè)水循環(huán)過程的農業(yè)用水調控已成為刻不容緩的問題。

三、基于農業(yè)水循環(huán)過程的農業(yè)用水調控策略

鑒于我國農業(yè)發(fā)展所面臨的水土資源形勢，立足于農業(yè)水循環(huán)過程，加強開源和節(jié)流成為解決農業(yè)水資源不足的有效措施。在開源方面，應基于農業(yè)水循環(huán)供給環(huán)節(jié)，增加農業(yè)可利用水資源量；在節(jié)流方面，應基于農業(yè)水循環(huán)用（耗）水環(huán)節(jié)，提高農業(yè)水資源利用效率。

1.基于農業(yè)水循環(huán)供給環(huán)節(jié)，增加農業(yè)可利用水資源量

基于農業(yè)水循環(huán)供給環(huán)節(jié)，增加農業(yè)可利用水資源量，是結合農業(yè)水循環(huán)過程，從“開源”角度對農業(yè)水循環(huán)的調控。農業(yè)可利用水源包括由降水派生的一次性水資源（包括徑流性水資源和土壤水資源）和再生性二次水資源（包括工業(yè)生活廢污水經處理后的再生水資源和集蓄的雨水資源）。因此，加強降水資源、再生水資源和微咸水等其他水資源的合理利用，可有效緩解農業(yè)用水的緊張。對于降水資源的充分利用，應加強以下方面的調控：

（1）加強徑流性水資源的利用。我國降水具有總量少、時空分布不均等特性，要合理利用降水，必須結合區(qū)域降水特點，合理配置水利工程設施，加強農田水利設施建設，重視集雨工程設施如水窖、坑塘以及地下水庫等設施的建設，實現降水在時間分布上的調控，增加徑流性水資源的利用。這將有利于收集汛期或降水量集中時段的雨水，可緩解農業(yè)資源的緊張，達到抗旱應急的目的。

（2）加強降水非徑流性水資源的轉化與利用。降水的非徑流性水資源集中體現為土壤水資源。土壤水分是農作物生長發(fā)育最直接的水源，蓄水保墑，增加土壤水資源的涵養(yǎng)是保障農業(yè)生產重要的舉措。一方面，要增加土地覆被，減少田間徑流的生成，實現土壤水源涵養(yǎng)；另一方面，加強非充分灌溉制度的實施和雨養(yǎng)農業(yè)的發(fā)展力度，增加土壤非飽和帶庫容，促進降水入滲蓄存量，從而提高農作物根系活動區(qū)土壤水資源的轉化，達到涵養(yǎng)土壤水源的目的。針對當前我國主要糧食生產區(qū)分布在北方，特別是華北、東北地區(qū)，降水量少，農業(yè)徑流性水資源嚴重不足，農業(yè)干旱頻發(fā)的現實，加強非徑流性水資源的轉化顯得尤為必要。

（3）對于其他非常規(guī)水資源的利用。通常農業(yè)灌溉用水主要集中于地表水和地下水等常規(guī)水資源。然而，隨著我國人口的不斷增長和國民經濟的迅速發(fā)展，用于農業(yè)的常規(guī)水資源量已受到限制。結合農業(yè)用水對水質要求相對較低的特點，重視非常規(guī)水資源，成為解決農業(yè)水資源不足的另一重要手段。合理利用再生水、微咸水等非常規(guī)水資源，有利于緩解農業(yè)水資源短缺的情勢。

2.基于農業(yè)水循環(huán)用（耗）水環(huán)節(jié)，提高農業(yè)水資源利用效率

基于農業(yè)水循環(huán)用（耗）水環(huán)節(jié)，提高農業(yè)水資源利用效率，即是從“節(jié)流”角度保障農業(yè)水資源。長期以來我國農業(yè)水資源利用效率較低，全國灌區(qū)水利用系數僅為0.47，不及發(fā)達國家的一半。而目前我國土地資源有限，提高有限耕地面積上的水分利用效率成為解決農業(yè)水資源不足又一重要方面。因此，結合農業(yè)水循環(huán)過程，以“耗水”管理為核心，對水循環(huán)諸環(huán)節(jié)進行調控，提高農業(yè)水資源的利用效率，是我國農業(yè)水循環(huán)調控的基本策略，即針對農田水資源的消耗效用，加強區(qū)域土地資源的覆被，調整種植結構、減少高耗水作物的種植，大力推廣節(jié)水保墑等措施。通過調控農田棵間土壤蒸發(fā)和休耕期土壤蒸發(fā)，減少土壤的生產性低效消耗，增大農作物蒸騰的有效消耗。另外，在田間結合農作物生理特點和區(qū)域氣候特點，開展綜合區(qū)域水資源特點的經濟灌溉制度（非充分灌溉和種植結構調整相結合的灌溉制度），可提高蒸騰效率。

具體的調控策略集中體現為以下三方面：

（1）加強總量控制和定額管理，提高灌溉水利用效率。以農業(yè)水循環(huán)的基本過程為對象，一方面要加強農田灌溉輸水過程中的水分的調控，以減少非生產性消耗，提高輸水效率；另一方面要在田間，結合區(qū)域的特點和農業(yè)水循環(huán)過程中水資源的消耗效率，以減少非生產性無效消耗或生產性低效消耗為指導，按照水資源的供耗水關系，合理配置水資源，提高各種水源的利用效率，嚴格控制農業(yè)用水定額和用水總量。

（2）水旱并舉，工程措施和非工程措施并重，提高土壤水資源的利用效率。根據國家科技攻關研究，我國北方旱作農區(qū)降水量的20%以徑流損耗，而休閑期無效水分蒸發(fā)占降水的24%，真正能夠被農業(yè)生產利用的降水只占降水總量的56%；就是這56%的利用量中，又有26%因田間蒸發(fā)而散失，作物真正利用的降水只有總量的30%。在南方水資源相對豐富的地區(qū)，降水的利用效率更低。因此，提高降水資源利用效率可有效緩解農業(yè)水資源的不足。

（3）挖掘植物抗旱特性，發(fā)展生物節(jié)水技術，提高農作物水分轉化效率，提高生產性高效消耗的比例，可減少水資源的浪費。

3.加強管理

國際公認的灌溉節(jié)水潛力為50%，因此提高水資源開發(fā)利用的管理水平是實現水資源高效利用和改善我國農業(yè)生態(tài)環(huán)境的根本保障。為此，在重視農業(yè)用水過程中“開源”和“節(jié)流”兩個基本過程的同時，亦要加強農業(yè)用水管理。因為合理的管理方式是保證農業(yè)用水過程中 “開源”和“節(jié)流”重要手段。應大力加強促進農業(yè)水資源可持續(xù)利用的高效用水社會保障體制建設，努力建設農業(yè)高效用水管理體系。

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