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(南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室， 南京 210029)

農(nóng)業(yè)用水效率影響因素及機理分析

黃昌碩，耿雷華，陳曉燕

(南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室， 南京 210029)

高效利用水資源已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)亟待解決的問題。為此，根據(jù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)組成分析，影響農(nóng)業(yè)用水效率的主要因素可以歸納為灌區(qū)的自然條件(氣候、水資源條件、土壤質(zhì)地)、灌區(qū)條件(包括類型和規(guī)模)、作物種植結構、灌溉工程措施、灌水技術、灌區(qū)基礎設施和節(jié)水配套狀況、灌區(qū)管理水平、經(jīng)濟政策和供水水價等幾個方面。不同因素的影響機理是不同的，有些因素是可調(diào)控的，有些因素則短期內(nèi)難以改變。重點分析了各因素對農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)的影響機理，同時從設施、制度、結構、技術等方面提出了提高農(nóng)業(yè)用水效率的對策措施。

農(nóng)業(yè)生態(tài)；用水效率；農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)；影響因素；機理

近年來，國家頒布了一系列關于嚴格水資源管理的政策制度，其中國務院于2013年出臺了實施最嚴格水資源管理的相關考核辦法，明確將農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)作為反映各省、自治區(qū)、直轄市農(nóng)業(yè)用水效率的關鍵考核指標。為貫徹落實最嚴格水資源管理制度，完成國務院下達的考核目標，亟需全面了解影響農(nóng)業(yè)用水效率的主要因素及各因素的影響機理，并在此基礎上，通過制定科學的管控措施，進一步提高農(nóng)業(yè)用水效率。

1 影響農(nóng)業(yè)用水效率的主要因素

農(nóng)業(yè)灌溉水在被作物利用過程中，要經(jīng)過取水、配水、輸水、灌水等諸多環(huán)節(jié)[1]，各環(huán)節(jié)均可能出現(xiàn)效率損失的現(xiàn)象。根據(jù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)組成分析，影響農(nóng)業(yè)用水效率的主要因素可以歸納為灌區(qū)的自然條件(氣候、水資源條件、土壤質(zhì)地)、灌區(qū)條件(包括類型和規(guī)模)、作物種植結構、灌溉工程措施、灌水技術、灌區(qū)基礎設施和節(jié)水配套狀況、灌區(qū)管理水平、經(jīng)濟政策和供水水價等幾個方面。每個方面又和一些具體的影響因素掛鉤，比如:氣候條件具體包括年均降水量、年均氣溫、降水頻率、干旱指數(shù)等影響因素；水資源和土壤資源狀況包括耕地面積、人均耕地面積、當?shù)厮Y源總量、人均水資源量、人均用水量、農(nóng)田實灌畝均用水量等影響因素；灌區(qū)條件包括井灌面積比、有效灌溉面積等影響因素；灌區(qū)節(jié)水技術包括大型灌區(qū)面積比、節(jié)水灌溉面積比等影響因素；經(jīng)濟和政策因素包括人均GDP、農(nóng)民人均收入、第一產(chǎn)業(yè)增加值占GDP比重、水利投資比例、農(nóng)業(yè)支出比例、灌溉投資比例等影響因素。不同因素的影響機理是不同的，其作用方式、持續(xù)時間、影響范圍和影響程度都有差別，有些因素是可調(diào)控的，有些因素則短期之類難以改變。例如區(qū)域的氣候、水土資源條件、作物種植結構、灌區(qū)類型與規(guī)模短期內(nèi)難以改變，而灌區(qū)基礎設施和節(jié)水配套狀況、灌溉技術和管理水平短期內(nèi)可以發(fā)生較大變化。在氣候溫暖濕潤地區(qū)，降水充足、蒸發(fā)小，農(nóng)業(yè)灌溉水量需求就少，反之在氣候炎熱干燥、降水量少的地區(qū)，蒸發(fā)強度大，植物蒸騰作用強，導致農(nóng)業(yè)用水產(chǎn)生較大損失，降低農(nóng)業(yè)用水效率；另外完善的灌溉工程措施和管理水平會促進用水效率的提高，低耗水農(nóng)作物種植比例較高、節(jié)水灌溉工程比例較高、小型和井灌區(qū)面積比例較高、灌溉管理水平較高的地區(qū)，其農(nóng)業(yè)灌溉用水效率一般較高，反之則用水效率低。

2 農(nóng)業(yè)用水效率影響機理

2.1 灌區(qū)自然條件影響機理

灌區(qū)自然條件主要由氣候、水資源、土壤質(zhì)地因素組成，具有不可選擇的特點,因此具有不可調(diào)控性。管理者應充分利用當?shù)氐淖匀粭l件，合理制定灌溉方案，科學化精細化灌溉管理，從而提高當?shù)剞r(nóng)業(yè)用水效率。

氣候條件主要通過影響灌溉方式和灌溉管理模式，進而影響到灌溉用水效率，諸如氣溫、降水、日照等氣候因素均會對農(nóng)業(yè)用水效率產(chǎn)生較大影響，日照時間長、氣溫高，則會造成植物蒸騰、水面蒸發(fā)強烈，最終導致水量消耗較大、用水效率較低。對于不同類型的氣候區(qū)，由于灌溉水源條件不同，灌溉水有效利用系數(shù)也存在差異，干旱地區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)一般比濕潤地區(qū)高；降水與農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)往往存在負相關關系，同一地區(qū)降水偏豐年份較偏枯年份農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)低。

區(qū)域的水資源條件雖不能直接對灌溉水利用率產(chǎn)生影響，但可通過影響用水和管水行為，進而間接對灌溉水利用率產(chǎn)生影響。水資源條件較欠缺的地區(qū)，由于節(jié)水意識較強，在節(jié)水灌溉技術應用方面存在內(nèi)在需求，因此農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)往往較高；而水資源條件或供水條件相對較優(yōu)越的地區(qū)，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)反而較低，我國整體上北方各省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)高于南方。

土壤固相骨架之間的孔隙具有容納水分和空氣的能力，細小的毛管孔隙可長期持水，而大孔隙中的水分只能短暫停留，很快便將滲漏到根層土壤以下[2]。砂性土壤由于土質(zhì)粗糙、間隙較大，同時顆粒中所含膠體物質(zhì)偏少，吸附能力較弱，水流更易于通過，導致保水能力較差。反之，土壤質(zhì)地越細，滲漏水的流動越慢且不易排水，吸附和保水能力也越強[3]。因此，土層厚實、黏性土壤多的地區(qū)，滲漏水損失較小，灌溉水有效利用系數(shù)相對較高。

田間持水量與土壤質(zhì)地關系密切，黏土的田間持水量顯著高于砂土，通常可達砂土的2～4倍，以容積計算田間持水量一般在0.10%～0.45%之間，詳見表1。

表1 不同土壤類型的孔隙率和田間持水量[4]

2.2 灌區(qū)類型與灌區(qū)規(guī)模影響機理

灌區(qū)類型對灌溉水利用效率的影響主要與輸水距離、灌溉成本、畦田特征、用水管理等有關。井灌區(qū)一般控制規(guī)模小、輸水距離短，大多采用管道或防滲渠道輸水，畦田較平整，規(guī)格也較小，灌溉水有效利用系數(shù)較高；提水灌區(qū)雖然用水管理相對精細，為了引導節(jié)約用水，水價較高，但由于灌溉面積往往大于井灌區(qū)，在畦田規(guī)格、平整度和輸配水工程標準等方面相對井灌區(qū)較薄弱，導致灌溉水有效利用系數(shù)往往低于井灌區(qū)；自流灌區(qū)一般面積大，取水方便，用水成本較低，灌溉水有效利用系數(shù)也相對較低。另外，針對規(guī)模較大的灌區(qū)，由于渠道長度長、渠系級別多、水工建筑物多，往往操控靈活性較差、用水調(diào)度的難度更大。所以盡管大型灌區(qū)管理相對規(guī)范，但對于規(guī)模較小的灌區(qū)，由于灌溉范圍小、渠系級別少，操控較為靈活、用水調(diào)度管理反而具有優(yōu)勢，其渠系水損失可以得到更好的控制，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)較大型灌區(qū)更高。

一般來說，純井灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)高于小型灌區(qū)，小型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)高于中型灌區(qū)，中型灌區(qū)要高于大型灌區(qū)[5]。對于某個區(qū)域，灌區(qū)類型和規(guī)模大致已經(jīng)定型，但可以根據(jù)其影響農(nóng)業(yè)用水效率的機理，對灌區(qū)進行配套改造和調(diào)整，以提高區(qū)域農(nóng)業(yè)用水效率。

2.3 工程措施與灌水技術影響機理

灌區(qū)渠道防滲、管道輸水等是提高渠系水利用系數(shù)的主要工程措施。不同的渠道防滲措施直接影響著渠系水利用系數(shù)，防滲效果越好，渠系水利用系數(shù)越高。與土渠比較而言，渠灌區(qū)渠道若采用塑料薄膜襯砌能降低80%左右滲漏損失量，若采用混凝土襯砌能降低70%～75%滲漏損失量，若采用黏土夯實能降低45%左右滲漏損失量[6]。針對大型灌區(qū)渠道防滲可降低50%～90%渠道滲漏損失，促進渠系水利用系數(shù)提升0.2～0.4。

以江西省2個灌區(qū)(A,B)為樣本，分別采用不同防滲措施，并測定渠道水利用系數(shù)，結果見表2。表2表明,實施渠道防滲前后以及不同防滲措施的渠道水利用系數(shù)相差均較大。

表2 不同防滲措施的渠道水利用系數(shù)[7]Table 2 Water use coefficient of cannels with differentseepage control measures

采用低壓管道輸水灌溉方式，具有省地、節(jié)水、省工、能耗低等優(yōu)勢，便于機耕和養(yǎng)護管理，同時可以較大程度地降低輸水滲漏和蒸發(fā)帶來的損失，輸水效率可達到95%以上，對于地下水資源超采的井灌區(qū)尤其適用，因為降低了輸送環(huán)節(jié)的水量損失，可大幅減少從井中抽取的水量，預計可節(jié)省25%以上的能耗[8]。

畦田整理、噴灌技術、微灌技術、改進地面灌水技術以及非充分灌溉技術等，是提高田間水利用系數(shù)的主要灌水技術措施。土地平整有利于進入土壤的水量和灌水深度的均勻變化，使根區(qū)內(nèi)水分入滲起到較好的一致性，進而提高田間水利用率和灌溉均勻度。畦長和畦寬決定水流在畦面上從首到尾的推進歷時，畦田長度越長或單寬流量越小，則推進的時間周期越長，反之亦然?？傮w而言，畦田變小，水利用系數(shù)會顯著提高[9]。噴灌方式的優(yōu)點在于灌水相對均勻，且能結合作物的需水特性，控制好灌溉時點、時長和水量，基本可以避免出現(xiàn)地面徑流和深層滲漏現(xiàn)象，大田作物噴灌預計可節(jié)省30%～50%水量[10]，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)預計超過85%。微灌可防止棵間深層滲漏和土壤蒸發(fā)，田間水的有效利用程度大大提升，較噴灌和地面灌分別節(jié)水約20%和60%[11]，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)預計超過90%。覆膜灌、波涌灌等技術[12]可加快推進水流速度，有助于提高灌水的均勻度，同時緩解深層滲漏，從而大大提升灌溉水利用效率。

2.4 農(nóng)業(yè)種植結構影響機理

不同農(nóng)作物在各生長期需水量不同，從而影響農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)，在同等條件下，用水量相對較大的作物，灌溉水有效利用系數(shù)相對較低，反之亦然。研究表明，玉米每單位用水量下的產(chǎn)出相對較高，隨著其播種面積每增加1%，相應的農(nóng)業(yè)用水效率反而提高0.02%；而小麥、水稻每單位用水量下的產(chǎn)出相對較低，隨著其播種面積的增加，相應的農(nóng)業(yè)用水效率反而逐漸下降。在黃淮豫東平原地區(qū)，春夏播作物需水量與降雨量之間的耦合度較高，生產(chǎn)期內(nèi)降雨量占全年降雨量的比重超過60%，其中棉花最高，占比達到82%；其次是春播作物，如高粱、紅薯、花生等[13]。

農(nóng)田種植結構對灌溉水利用系數(shù)產(chǎn)生一定影響，一方面，隨著灌溉引水減弱，入滲補給地下水量會逐漸減少，導致地下水位下降，地下水埋深增大，田間土壤蒸發(fā)降低；另一方面，隨著耗水量較大的作物種植面積減小，田間作物蒸騰耗水量降低，作物需水量減小，灌溉水量也隨之降低。因此，可結合降水時空分布特點、水資源狀況、水利工程情況等，對作物結構布局進行合理調(diào)整，優(yōu)化高效節(jié)水型種植結構，適當增加需水量與降水量耦合度較高的作物，尤其是抗旱、水利用率較高的品種，同時對各生產(chǎn)要素的時空配置進行完善，從而切實提高農(nóng)田灌溉水的有效利用系數(shù)。

2.5 灌溉管理水平影響機理

灌區(qū)管理主要涉及工程、組織、經(jīng)營和用水等方面，灌區(qū)管理水平也是影響灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)的主要因素之一。工程運行狀況良好，管理水平較高，則農(nóng)業(yè)用水效率也較高，反之較低，灌區(qū)可以通過合理配水，優(yōu)化調(diào)度，促進渠道能夠平穩(wěn)引水，盡量緩解輸水過程中容易出現(xiàn)的漏水、跑水和無效退水等問題。通過應用計量供水方式，與用水行為掛鉤，降低水資源浪費，從而提高灌溉水有效利用系數(shù)。華北地區(qū)水資源緊缺，土地平整度好，灌溉管理水平較高，其農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)在全國是最高的；其中自然地理情況相似的河南省與山東省相比，雖然河南省井灌面積大于山東省，但由于山東省整體灌溉管理水平比河南省高，因此，其農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)也較河南省高。西北地區(qū)的甘肅和陜西，盡管水資源較為緊缺，但灌溉管理精細，其農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)較高；而同區(qū)域的內(nèi)蒙古自治區(qū)的大部分灌區(qū)灌溉管理粗放、用水浪費，其農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)明顯低于區(qū)內(nèi)其他地區(qū)。

相關經(jīng)濟政策和農(nóng)業(yè)水價對農(nóng)業(yè)用水效率的提高起到直接的關鍵性作用。經(jīng)濟發(fā)展水平?jīng)Q定了一個地區(qū)是否有足夠的經(jīng)濟實力投入到農(nóng)業(yè)用水效率的提高上，經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)由于具備較強的經(jīng)濟實力，其提高農(nóng)業(yè)用水效率的能力也相對較強。另外，灌溉水利用系數(shù)與農(nóng)業(yè)供水價格之間的相關性較強，若供水價格較高，則灌溉水利用系數(shù)也相對較高，例如，供水價格每增加0.01元，灌溉水利用系數(shù)約可提升0.04[14]。因此，通過提高農(nóng)業(yè)價格，可以增強用水戶節(jié)水意識，從而有效提升灌溉水利用系數(shù)。

3 農(nóng)業(yè)用水效率提升的對策措施

如何增強農(nóng)業(yè)用水使用效率及效益，為農(nóng)村生態(tài)環(huán)境改善和經(jīng)濟繁榮發(fā)展提供保障和支撐，關鍵在于以提高灌溉水有效利用系數(shù)為目標，從設施、制度、結構、技術等方面多措并舉。具體措施包括：

(1) 持續(xù)完善灌溉基礎設施、發(fā)展節(jié)水灌溉，灌區(qū)基礎設施和節(jié)水配套是調(diào)控農(nóng)業(yè)用水效率水平的重要手段，應該努力建設灌區(qū)基礎設施，進行相應的節(jié)水配套建設，并通過大力發(fā)展節(jié)水灌溉，提升水資源承載水平，增強農(nóng)業(yè)用水效率。

(2) 科學制定灌溉制度，努力提升灌溉管理水平，通過實施合理的輪灌方案和灌溉制度，在灌溉面積一定的情況下降低灌區(qū)總用水量，或在保持引水總量一定的情況下，通過縮短灌水周期，實現(xiàn)灌溉面積最大化，從而提高農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)。

(3) 不斷優(yōu)化種植結構，結合地下水資源、降水時空分布特點、水利工程狀況等，適當增加需水與降水耦合度較好的作物，以及水分利用率高且耐旱的節(jié)水高產(chǎn)型品種的種植比例，充分挖掘農(nóng)業(yè)資源的生產(chǎn)潛力[15]。

(4) 積極推廣農(nóng)業(yè)配套技術，在確保取得一定經(jīng)濟效益的基礎上，不斷加大節(jié)水灌溉資源投入，應根據(jù)地區(qū)自然和社會經(jīng)濟特點，針對性制定節(jié)水投資方案和配套的政策管理措施，開發(fā)培育節(jié)水高產(chǎn)作物品種，積極推廣應用節(jié)水灌溉技術，逐步提高水資源利用效率和利用效益。

(5) 倡導建立農(nóng)業(yè)用水戶協(xié)會，通過引導用水戶積極參與田間工程建設與灌溉管理，共同營造良好用水秩序，切實提升農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)。

4 結 語

影響農(nóng)業(yè)灌溉用水效率的原因很多，但主要可以歸納為灌區(qū)的自然條件、灌區(qū)條件、作物種植結構、灌溉工程措施、灌水技術、灌區(qū)基礎設施和節(jié)水配套狀況、灌區(qū)管理水平、經(jīng)濟政策和供水水價等幾個方面。不同因素的影響機理是不同的，其作用方式、持續(xù)時間、影響范圍和影響程度都有差別，有些因素是可調(diào)控的，有些因素則短期之內(nèi)難以改變。提高農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)必須以節(jié)水增效為中心，從系統(tǒng)綜合的角度采取工程措施、農(nóng)業(yè)措施和管理措施，以實現(xiàn)灌區(qū)水資源的優(yōu)化配置和高效利用，為國民經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)村經(jīng)濟繁榮和生態(tài)環(huán)境改善提供支撐與基礎保障。

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Influential Factors and Mechanism of AgriculturalWater Use Efficiency

HUANG Chang-shuo, GENG Lei-hua, CHEN Xiao-yan

(State Key Laboratory of Hydrology Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China)

The effective utilization of water resources has been an urgent issue to be addressed. According to the composition of agricultural ecosystem, factors affecting the efficiency of agricultural water use can be categorized into natural condition (climate, water resources condition and soil texture), type and size of the irrigation area, crop growth structure, engineering measures and irrigation technology, infrastructure and water saving configuration in the irrigation area, management level, economic policy and water price, etc. The influence mechanisms of these factors are different. Some are controllable, and some are hard to change. The mechanisms of these factors affecting the coefficient of effective utilization of farmland irrigation water are analyzed. Furthermore, measures to improve agricultural water use efficiency are put forward from aspects of facilities, regime, structure and technology.

agricultural ecology; water use efficiency; coefficient of effective utilization of farmland irrigation water; influence factor; mechanism

2016-09-29；

2016-11-08

水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助項目(201201020)；江蘇省水利科技項目(2015060)

黃昌碩(1980-)，女，江蘇南京人，高級工程師，博士，主要從事水資源規(guī)劃與管理方面的研究工作。E-mail:cshuang@nhri.cn

10.11988/ckyyb.20161008

S273

A

1001-5485(2018)01-0082-04

(編輯：姜小蘭)