袁再健，謝櫨樂，沈彥俊

(1 河北科技大學 經濟管理學院, 河北 石家莊 050018；2 中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所 農業(yè)資源研究中心, 河北 石家莊 050021)

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河北省灌溉效益分攤系數時空變化與影響因素研究

袁再健1,2，謝櫨樂1，沈彥俊2*

(1 河北科技大學 經濟管理學院, 河北 石家莊 050018；2 中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所 農業(yè)資源研究中心, 河北 石家莊 050021)

以河北省為研究區(qū)，采用能值法從省、地級市、縣域三種空間尺度，年與多年兩種時間尺度探討2001—2011年河北省灌溉效益分攤系數的時空變化特征及其影響因素。結果表明:近11年來，河北省灌溉效益分攤系數多年平均值為0.49，并且時間上總體呈下降趨勢；河北省灌溉效益分攤系數空間差異顯著，東南平原地區(qū)明顯高于西北山部地區(qū)，在河北省11個地級市中，衡水的灌溉效益分攤系數最大，承德最?。还喔扔盟?、降水、人力投入、農藥化肥施用、機械動力投入等是影響河北省灌溉效益分攤系數的主要因素，但各因子的影響程度差異較大，其中灌溉與降水的影響最為顯著，且灌溉用水、人力投入與灌溉效益分攤系數有正相關關系，而其他因子與分攤系數是負相關關系。

灌溉效益分攤系數； 能值法； 尺度; 時空變化； 影響因素

灌溉效益分攤系數表示農作物增產與品質改善中因灌溉措施增加的效益所占總效益的比值。在干旱和半干旱地區(qū)，灌溉是確保作物穩(wěn)產、高產的重要措施；但傳統(tǒng)的灌溉方式對水資源浪費較嚴重，因此有必要開展作物灌溉效益研究。計算灌溉效益常采用分攤系數法，而求解灌溉效益分攤系數是該方法的關鍵[1]。灌溉效益分攤系數也是水利工程可行性評價的重要參數，對缺水地區(qū)的農業(yè)水資源管理具有重要實踐意義。

近年來，學者對灌溉效益分攤系數開展了理論和試驗研究。如時光宇與沈佩君[2]根據淠史杭灌區(qū)灌溉實驗資料，分析了該地區(qū)不同降雨年型的灌溉效益分攤系數；候真與于翠松[3]依據農作物歷年產量變化分析了山東引黃灌區(qū)的灌溉效益分攤系數；杜貞棟等[4]研究了膠東水庫灌區(qū)長把梨、蘋果、黃杏3種果樹的灌溉效益分攤系數；羅乾等[5]采用能值理論初步分析了連云港市灌溉效益分攤系數。由于確定灌溉效益分攤系數常規(guī)方法(即灌溉試驗法和統(tǒng)計法)存在局限性，蔡守華與張展羽[1]提出了利用作物水分生長函數、產量函數及柯布-道格拉斯生產函數來計算灌溉效益分攤系數。目前對灌溉效益分攤系數的研究大多在某一區(qū)域(如某灌區(qū))進行，時間上多為某年或多年平均值，沒有統(tǒng)一的研究方法，也缺少對其影響因素的深入探討。

河北是中國的產糧大省，也是我國缺水最為嚴重的地區(qū)之一。農業(yè)用水占總用水量的70%左右，平原地區(qū)灌溉用水占農業(yè)用水的81.7%[6]，而農業(yè)開采灌溉水量占地下水總開采量的78.82%，地下水的嚴重超采導致地下水位持續(xù)下降進而引起該地區(qū)大面積沉降[7]。發(fā)展節(jié)水農業(yè)、緩解地下水開采強度迫在眉睫，本研究基于能值法，多尺度分析河北省近年來的灌溉效益分攤系數，可為進一步研究華北平原灌溉效益、發(fā)展節(jié)水高效農業(yè)提供科學依據。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省位于東經113°27′～119°50′、北緯36°05′～42°40′之間，總面積18.88×104km2。地勢西北高、東南低，從西北向東南呈半環(huán)狀逐級下降。屬溫帶大陸性季風氣候，光熱資源豐富，多年平均氣溫為16 ℃，多年平均降水量為530 mm，并且降水時空分配不均，其中70%左右的降水集中在6—9月，降水總體上自東南向西北逐漸降低。農作物種類繁多，主要有小麥、玉米、棉花、大豆、高粱、花生等。

1.2 研究方法

能值概念由著名生態(tài)學家H.T.Odum首創(chuàng)，能值實質包含能量、產品或勞務形成過程中直接或間接投入的有效能總量，即為其所具有的能值[8]。能值分析是以能值為基準，把生態(tài)或經濟系統(tǒng)中不可比較、不同種類的能量轉換成同一標準的能值來衡量與分析[9]。農業(yè)生產系統(tǒng)能值分析是研究農業(yè)系統(tǒng)生產過程中投入、產出過程的能值流，以能值為量綱，綜合分析系統(tǒng)的能量流、物質流動態(tài)流動過程以及它們之間的相互關系，在此基礎上，將農業(yè)生產過程中的灌溉用水能值投入量和總能值投入量之比定義為灌溉效益分攤系數[5,10]?；?001—2011年中國統(tǒng)計年鑒、河北省經濟統(tǒng)計年鑒、河北省環(huán)境質量公報以及水情簡報等相關資料，采用能值法計算河北省灌溉效益分攤系數。具體公式[5，9，11]如下：

E=τ×B,

(1)

B=m×l,

(2)

Es=Rs×S,

(3)

ERC=P×S×ρ×G,

(4)

ERP=R×H×S×ρ×g,

(5)

ESS=SES×CSOM×EOM×S,

(6)

ε=EAW/EAT。

(7)

式中：E表示能值(sej)；τ表示能值轉換率(sej/J或sej/g)，計算過程中的能值轉換率τ來源于他人文獻[8，9，12-14](見表1)；B表示能量(J)；m表示物質的質量(g)；l表示能量折算系數；ES表示年太陽能(J/a)；S表示種植面積(m2)；Rs表示單位面積年太陽輻射量(J/(m2·a));ERC表示年雨水化學能(J/a)；P表示年降水量(m/a)；ρ表示雨水密度(kg/m3)；G表示雨水的吉布斯自由能(J/kg)；ERP表示年雨水勢能(J/a)；H表示海拔(m)；g表示重力加速度(m/s2)；ESS表示表層土年損耗能(J/a)；SES表示表層土年侵蝕量(g/(m2·a))；CSOM表示土壤有機質含量(%)；EOM表示每克有機質所含能量(J/g)；ε為灌溉效益分攤系數；EAW為農業(yè)灌溉投入總能值(sej)，包括農業(yè)灌溉水資源自身投入與灌溉設施投入；EAT為農作物生產系統(tǒng)投入的總能值(sej)，包括可更新環(huán)境資源能值EAR(太陽能、灌溉用水、雨水化學能等)、不可更新環(huán)境資源能值EAN(表層土損失)、不可更新工業(yè)輔助能值EAF(電力、農業(yè)機械、農藥、化肥等)以及可更新有機能值EARI(人力、種子等)。

表1 農業(yè)生產系統(tǒng)能值轉換率Tab.1 Energy conversion rate of the agricultural production system

*河北省農田灌溉用水主要來自地下水，這里的灌溉水能值轉換率采用地下水的能值轉換率[14]。

2 結果與討論

2.1 系統(tǒng)能值流計算

根據Odum[8]的能量系統(tǒng)符號語言，繪制了河北省農業(yè)生產系統(tǒng)的能值流動圖(圖1)，系統(tǒng)主要輸入能值包括可更新環(huán)境資源能值(EAR)、不可更新環(huán)境資源能值(EAN)、不可更新工業(yè)輔助能值(EAF)與可更新有機能值(EARI)，系統(tǒng)產出(EAY)主要是農產品。

利用公式(1)與(2)得到全河北省(表2)、11個地級市、138個縣(域)的農業(yè)生產系統(tǒng)能值?？梢钥闯觯?001年到2011年，盡管EAR中的太陽能、雨水化學能及雨水勢能波動不大，但EAR有顯著降低的趨勢，主要是因為EAR中的灌溉用水化學能顯著降低；EAN的年際波動不大；EAF呈顯著上升的趨勢，且其包括的每一項都在逐年上升；EARI呈顯著降低的趨勢，主要是因為人力投入的逐年顯著減少；總能值投入與產出都呈顯著上升?？偟膩砜?，近11年來工業(yè)輔助能有顯著增長，而可更新自然資源投入減少，表明河北省農業(yè)生產系統(tǒng)對化石能源的消耗與依賴程度均大幅增加。

圖1 河北省農業(yè)生產系統(tǒng)能值流動簡圖Fig.1 Energy flow diagram of the agricultural production system in Hebei province

表2 河北省2001—2011年農業(yè)生產系統(tǒng)能值投入產出表*Tab.2 Input-output of agricultural system energy in Hebei province from 2001 to 2011 sej

*(1)太陽能、雨水化學能、雨水勢能實際上都是由太陽輻射能轉化而來，所以只取其中最大的一項與灌溉水化學能之和作為可更新環(huán)境資源投入總量。(2)由于資料缺乏，考慮到河北省近年來灌溉設施投入狀況，灌溉設施投入能值取農業(yè)機械動力能值投入的20%。

2.2 灌溉效益分攤系數的時空變化分析

在能值分析基礎上，利用公式(3)—(7)計算全省、11個地級市與138個縣域的農業(yè)灌溉效益分攤系數(圖2—5)?？梢钥闯觯喔葘颖笔∞r業(yè)生產極為重要，因灌溉增加的效益占總效益的50%左右(見圖2)，這與郭先平[15]、吳恒安和徐詠久[16]分別在冀東濱海平原區(qū)與邢臺分析的結果接近，他們分析的灌溉效益分攤系數分別是0.4與0.44。從時間上來看，河北省的灌溉效益分攤系數呈下降趨勢(見圖2、3)，表明灌溉在糧食產量中的貢獻有所下降，一方面是由于節(jié)水技術的實施(如作物節(jié)水品種的選用及灌溉條件的改善等)，另一方面由于化肥、機械等貢獻率有所上升(比如化肥的貢獻率上升了16.5%，由2001年的0.236上升到2011年的0.275)，但灌溉對作物產量的貢獻要遠大于化肥、機械及其他項目。

圖2 河北省2001—2011年灌溉效益分攤系數Fig.2 Share coefficient of irrigation benefit in Hebei province from 2001 to 2011

圖3 河北省2001—2011年各地市灌溉 效益分攤系數年際變化Fig.3 Share coefficient of irrigation benefit for each city in Hebei province from 2001 to 2011

從空間上來看，11個地級市中，衡水市的灌溉效益分攤系數最大，石家莊市次之，承德市最小(圖4);各市灌溉效益分攤系數從大到小依次為：衡水>石家莊>邢臺>邯鄲>保定>廊坊>唐山>滄州>秦皇島>張家口>承德。從縣(域)尺度來看，各縣的灌溉效益分攤系數也差異明顯，總體呈現出東南平原高、西北山區(qū)較低的特點(圖5)，這主要是因為山區(qū)灌溉條件有限，“靠天吃飯”現象普遍，而東南平原區(qū)灌溉條件便利。

圖4 河北省2001—2011各市年均灌溉效益分攤系數Fig.4 Average annual of share coefficient of irrigation benefit for each city in Hebei province from 2001 to 2011

圖5 河北省2001—2011各縣年均灌溉效益分攤系數Fig.5 Average annual of share coefficient of irrigation benefit for each county in Hebei province from 2001 to 2011

2.3 灌溉效益分攤系數影響因素分析

灌溉效益分攤系數受眾多因素的影響，如降水、氣溫等氣象條件，作物品種，管理措施等。本研究重點分析降水、化肥施用、機械動力、灌溉用水、農藥、人力投入等對灌溉效益分攤系數的影響，各個因素的單位均為常用物理單位，為消除不同變量帶來的單位以及數量級的影響，建立主成分回歸模型如下：

ε=-0.116+0.301Irr+0.132Lf-0.309P-0.158Fer-0.156Mp-0.142Pe(R2=0.994,F=667.91)

(7)

式中：Irr為灌溉用水量(km3)；Lf為人力投入(萬人)；Fer為化肥施用(104t)，Mp為農業(yè)機械動力(104kW)，Pe為農藥投入(104t)。由此可見，以上6個因子對河北省灌溉效益分攤系數都有不同程度的影響，其中以灌溉、降水最為顯著，并且除灌溉用水與人力投入外，其他因子與灌溉效益分攤系數呈負相關關系。這與劉寶和與張大林[17]、時光宇和沈佩君[2]、郭斯瑞等[18]的研究結論基本一致，即在干旱、半干旱地區(qū)水是作物增產的決定因素，并且水的因素歷年均對灌溉效益分攤系數“有高度顯著影響”，降水量與灌溉效益分攤系數呈極顯著的直線負相關，灌溉效益分攤系數與灌水量呈直線正相關。

3 結論

近11年來，農藥、化肥的大量施用與農業(yè)機械的大量使用促進了河北省農作物增產，但灌溉對作物產量的貢獻要大于化肥、機械及其他項目，全省灌溉效益分攤系數在0.47～0.53之間，并且總體上呈逐年下降的趨勢?？臻g上，在河北省11個地級市中，衡水的灌溉效益分攤系數最大，石家莊次之，承德市最小；從縣(域)尺度上來看，灌溉效益分攤系數呈東南高、西北低的特點。

灌溉用水、降水、農藥化肥施用、農業(yè)機械動力、人力投入是影響河北省灌溉效益分攤系數的主要因素，但各因子的影響程度差異較大，其中灌溉與降水的影響最顯著，并且灌溉、人力投入與灌溉效益分攤系數是正相關關系，其余因子與灌溉效益分攤系數是負相關關系。

基于有限的數據，本文從較宏觀的空間尺度(省、市、縣)初步分析了灌溉效益分攤系數的時空變化與影響因素。下一步我們將通過中國科學院欒城生態(tài)系統(tǒng)試驗站定位試驗及大量農戶問卷調查，從更微觀的尺度研究華北地區(qū)灌溉效益分攤系數及其影響機制，進而開展該地區(qū)灌溉效益研究。

[1] 蔡守華,張展羽. 灌溉效益分攤系數計算的研究現狀與新方法[J]. 節(jié)水灌溉, 2008(2):25-27.

[2] 時光宇,沈佩君. 水稻灌溉效益分攤系數試驗研究[J]. 中國農村水利水電, 1997 (5): 19-21,52.

[3] 候真, 于翠松. 山東引黃灌區(qū)灌溉效益分攤系數分析[J]. 山東工業(yè)大學學報, 2001,31(2): 152-155.

[4] 杜貞棟,姜守祿,張士民,等. 膠東水庫灌區(qū)果樹灌溉效益分攤系數試驗研究[J]. 灌溉排水學報,2003,22(4):22-24.

[5] 羅乾,方國華,黃顯峰,等. 基于能值理論分析方法的農業(yè)灌溉效益研究[J]. 水電能源科學, 2011,29(6): 137-139.

[6] 于靜潔,吳凱. 華北地區(qū)農業(yè)用水的發(fā)展歷程與展望[J]. 資源科學,2009,31(9): 1493-1497.

[7] 張光輝,費宇紅,劉春華,等. 華北平原灌溉用水強度與地下水承載力適應性狀況[J].農業(yè)工程學報, 2013,29 (1):1-10.

[8] Odum H T. Environmental accounting: Energy and environmental decision making[M].New York: John Wiley & Sons,1996：57-58,85-86.

[9] 藍盛芳,欽佩,陸宏芳. 生態(tài)經濟系統(tǒng)能值分析[M]. 北京:化學工業(yè)出版社,2002.

[10] 吳澤寧,呂翠美. 能值法計算工業(yè)供水效益分攤系數[J].節(jié)水灌溉,2009(6):12-15.

[11] 駱世明，陳聿華，嚴斧．農業(yè)生態(tài)學[M]. 長沙: 湖南科學技術出版社,1987.

[12] 嚴茂超, 李海濤, 程鴻,等. 中國農林牧漁業(yè)主要產品的能值分析與評估[J]. 北京林業(yè)大學學報, 2001, 23 (6): 66-691.

[13] 隋春花, 藍盛芳. 廣州城市生態(tài)系統(tǒng)能值分析研究[J]. 重慶環(huán)境科學, 2001,23(5): 4-6,23.

[14] Buenfil A A. Energy evaluation of water [D].Gainesville,U S:Department of Environmental Engineering Sciences, University of Florida,2001.

[15] 郭先平. 冀東濱海平原水稻灌溉效益分攤系數和節(jié)水灌溉技術的初步分析[J]. 水利經濟, 1988(3):33-37.

[16] 吳恒安,徐詠久. 灌溉工程增產效益分攤方法的探討[J]. 水利學報,1985(4): 66-72.

[17] 劉寶和,張大林. 用正交試驗法確定春小麥灌溉效益分攤系數[J]. 農田水利與小水電, 1990(9):15-19.

[18]郭斯瑞,張基峰,趙鎖貴. 灌溉增產分攤系數的試驗研究[J]. 水利學報, 1990 (4):38-45.

〔責任編輯 程琴娟〕

Spatial-temporal change and influencing factors of the share coefficient of irrigation benefit in Hebei province

YUAN Zaijian1,2, XIE Luyue1, SHEN Yanjun2*

(1 School of Economics & Management, Hebei University of Science & Technology,Shijiazhuang 050018, Hebei, China;2 Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology,Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050021, Hebei, China)

Taking Hebei province as the study area, the spatial-temporal change and influencing factors of the share coefficient of irrigation benefit from 2001 to 2011 were discussed based on province, prefecture-level city and county spatial scales, year and years time scales. The results showed that, irrigation is extremely important in Hebei province, and the mean annual sharing coefficient of irrigation benefit is 0.49 with an overall decreasing trend in past 11 years. However, the share coefficient of irrigation benefit in southeastern plain is much higher than that in northwest mountain area with a significant spatial difference.Among the 11 prefecture-level cities, the share coefficient of irrigation benefit in Hengshui is the highest and Chengde is lowest. There are many factors affecting the share coefficient of irrigation benefit, such as irrigation water, precipitation, labor input, the application of pesticide and fertilizer, mechanical power input and so on.The influence of irrigation and precipitation on the coefficient is most significant, and irrigation and labor input have positive influence on the coefficient, while other factors have negative correlation with the coefficient in Hebei province.

share coefficient of irrigation benefit; energy methods; scale; spatial-temporal change; influencing factor

1672-4291(2015)03-0093-05

10.15983/j.cnki.jsnu.2015.03.434

2014-10-24

國家自然科學基金資助項目(41471027,40901130)；河北省自然科學基金資助項目(10457205)；河北省高等學校青年拔尖人才項目(BJ2014078)

袁再健，男，教授，博士，主要從事生態(tài)水文、水土保持以及GIS應用研究。E-mail：selfsurpass@163.com

*通信作者：沈彥俊，男，研究員。E-mail：yjshen@sjziam.ac.cn

P641.8; S274

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