彭致功，張寶忠，劉 鈺，王 蕾，杜麗娟，雷 波

0 引 言

北京市人均水資源量僅100 m3，遠(yuǎn)低于國際公認(rèn)人均300 m3的極度缺水標(biāo)準(zhǔn)，水資源短缺已成為制約其可持續(xù)發(fā)展主要瓶頸。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水需求的不斷增長，北京市水資源開發(fā)利用程度已超過其合理上限值，特別是為了保證城市用水安全，農(nóng)業(yè)用水已被嚴(yán)重?cái)D占[1-2]。北京市農(nóng)業(yè)用水量占總用水量比例由2001年的44.6%，下降到2015年的17%，但農(nóng)業(yè)依然是北京市耗水大戶[3-4]。為此，在水資源極度短缺情況下，為保證農(nóng)業(yè)健康發(fā)展，必須對(duì)農(nóng)業(yè)用水總量進(jìn)行控制，確保區(qū)域用水總量不超過其水資源可利用量[5-6]。為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水總量控制，在提高用水管理水平下，仍需進(jìn)一步優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，并適度控制農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模，最終實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置與高效利用。

通過推廣應(yīng)用高效節(jié)水灌溉技術(shù)，提高水分利用率與生產(chǎn)率，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水總量控制的重要措施。然而，高效節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)用有時(shí)會(huì)伴隨著實(shí)際用水總量不降反增、區(qū)域地下水位持續(xù)下降、生態(tài)環(huán)境惡化等灌溉效率悖論現(xiàn)象；主要原因在于農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)推廣中片面重視工程建設(shè)，耕地?cái)U(kuò)張限制政策較寬松[7]。從水循環(huán)的物理機(jī)理角度看，假設(shè)水資源形成條件（降水、下墊面等）不變，在一個(gè)閉合區(qū)域，要增加可消耗于生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的水量，就必須降低區(qū)域的耗水量?？梢?，無論是從水循環(huán)與轉(zhuǎn)化研究，還是從水資源配置與利用方面來看，原有的水資源供需平衡已不能滿足要求，控制區(qū)域耗水量才是解決干旱半干旱地區(qū)水資源問題的根本[8]。近年來，世界銀行在全球范圍內(nèi)所推廣的基于耗水量的水資源管理，即資源性節(jié)水理念的理論根源也在于此[9]。為實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源的耗水控制，在區(qū)域耗水總量約束值確定、作物用水定額分配、農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)估及其耗水管理綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建等方面開展了較為深入研究[10-16]；然而涉及農(nóng)業(yè)耗水總量控制指標(biāo)分解、取水總量控制與耗水總量控制之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系等方面的研究仍未見報(bào)道。

有效分解農(nóng)業(yè)用水總量控制指標(biāo)，除了確定主要農(nóng)作物用水定額及其優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)外，核心是控制農(nóng)業(yè)發(fā)展面積（即農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值）。如確定面積偏小，造成水資源浪費(fèi)，不利于區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展；確定面積偏大，短期內(nèi)有一定經(jīng)濟(jì)成效，但過量用水會(huì)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境退化，必將嚴(yán)重制約區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。在用水總量控制條件下，為保證水資源高效利用，農(nóng)業(yè)健康發(fā)展，在干旱半干旱地區(qū)最為關(guān)鍵的是確定合適農(nóng)業(yè)發(fā)展面積。保證在灌溉取水量總量控制基礎(chǔ)上，兼顧耗水總量控制，避免在高強(qiáng)度節(jié)水方案下雖然保證了灌溉取水總量不超過其約束值，但區(qū)域耗水總量依然可能超過耗水總量約束值，這樣也不利于區(qū)域水資源持續(xù)有效利用和生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)?？梢?，研究能同時(shí)滿足灌溉取水總量和耗水總量雙重控制下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值，對(duì)資源性缺水地區(qū)域農(nóng)業(yè)健康發(fā)展與水資源持續(xù)高效利用具有重要實(shí)際指導(dǎo)意義。

本文以北京市大興區(qū)為例，開展了灌溉取水總量與耗水總量雙重控制下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值研究，以期為資源性缺水地區(qū)的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和決策參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北京市大興區(qū)位于華北平原西北部，地處永定河沖積平原，屬北溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12 ℃，多年平均蒸發(fā)量 1 800 mm；多年平均降水量472 mm，降水量年際變化較大，季節(jié)分布不均，主要集中在6—9月；土壤以壤土和黏土為主；大興區(qū)概況詳見文獻(xiàn)[17-18]。大興區(qū)主要種植作物有小麥、玉米、蔬菜、瓜類、果樹等，是北京優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)糧食生產(chǎn)帶重點(diǎn)區(qū)縣之一，也是規(guī)劃中蔬菜種植基地。大興區(qū)目前除涼水河、新鳳河有過境污水外，其他河流都干枯無水，農(nóng)業(yè)灌溉主要來自地下水，占地下水開采量 86%[19]；由于地下水不合理超采，北京市近10 a來平均地下水降幅超過0.55 m，區(qū)域用水矛盾非常突出[20]。

1.2 用水總量控制指標(biāo)確定

1.2.1 農(nóng)業(yè)耗水總量控制目標(biāo)值

《北京市大興區(qū)水資源與水環(huán)境綜合管理規(guī)劃（IWEMP）》（2010年5月）[21]中假設(shè)大興區(qū)地下水側(cè)向滲入和側(cè)向滲出相等，將大興區(qū)多年平均降雨、地表水和地下水入境量作為收入，耗水總量、地表水和地下水出境量作為支出，計(jì)算大興區(qū)收入與支出間的水量差為0.29×108m3；因大興區(qū)地表水資源非常少，該水量差主要通過超采地下水提供，與大興區(qū)多年平均地下水超采0.30×108m3數(shù)值接近[22]。另外，根據(jù)《海河流域節(jié)水與高效用水戰(zhàn)略研究》(2008年11月)中大興區(qū)的耗水總量約束值561 mm[23]，多年平均耗水量與耗水總量約束值之間差值為28 mm，約0.29×108m3。綜合比較不同研究關(guān)于大興區(qū)水資源平衡的研究成果表明，大興區(qū)水量收入與支出間的水量差約0.29×108m3，確定其耗水總量控制指標(biāo)為561 mm。

區(qū)域耗水量總量分為可控耗水量和不可控耗水量，其中可控耗水量主要包括灌溉耕地耗水量和灌溉果園耗水量，即農(nóng)業(yè)耗水總量；而不可控耗水量主要是天然植被、河流水域和未開發(fā)利用土地耗水量。從人類活動(dòng)干預(yù)的角度出發(fā)，要實(shí)現(xiàn)節(jié)水和高效用水，必須以農(nóng)業(yè)耗水為監(jiān)控重點(diǎn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中可通過調(diào)整灌溉量進(jìn)行控制。因此，滿足耗水總量控制，主要通過壓縮農(nóng)業(yè)用地的耗水，使區(qū)域耗水總量不超過耗水總量控制指標(biāo)。根據(jù)北京市大興區(qū)農(nóng)業(yè)用地占土地總面積的 57%[24]，要滿足耗水總量約束，在多年平均條件下農(nóng)業(yè)耗水量需壓縮49 mm就能夠滿足區(qū)域耗水總量控制目標(biāo)。

1.2.2 灌溉取水總量控制目標(biāo)值

實(shí)施最嚴(yán)格的水資源管理制度，水利部已將北京市列為首批試點(diǎn)省市，依據(jù)北京市水資源配置方案及需求，建立各區(qū)縣農(nóng)業(yè)取用水總量控制指標(biāo)，即農(nóng)業(yè)灌溉取水總量控制紅線，其中大興區(qū)2012—2014年農(nóng)業(yè)取水總量控制紅線為[25]：2012 年 3.82×108m3、2013 年 2.20×108m3、2014年2.19×108m3。從大興區(qū)水資源安全考慮，按照農(nóng)業(yè)用水限制增加，在本研究中大興取水總量控制紅線中取3 a中新水最小值為1.45×108m3，而再生水采用2013—2014年的平均值為0.72×108m3，獲得本文中大興區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉取水總量控制目標(biāo)為2.17×108m3。

1.3 作物耗水量與灌溉量

1.3.1 作物耗水量

現(xiàn)狀條件下，大興區(qū)冬小麥與夏玉米耗水主要采用多年平均耗水量，而其他作物類型采用FAO推薦作物系數(shù)法計(jì)算作物需水量替代[26]；而在優(yōu)化灌溉制度條件下，主要作物耗水主要采用已有研究成果，根據(jù)彭致功等研究，冬小麥優(yōu)化灌溉制度下灌溉量為160 mm、耗水量為 404 mm[27]；夏玉米生育期需水與年內(nèi)降水的基本吻合，不需要灌溉，在優(yōu)化灌溉制度下其耗水量采用多年平均值[28]。北京市屬于水資源嚴(yán)重短缺的城市，其農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的前提是要滿足用水總量控制紅線。為了控制農(nóng)業(yè)用水總量，北京市頒布了不同類型農(nóng)作物用水限額標(biāo)準(zhǔn)；在優(yōu)化灌溉制度下采用該灌溉限額標(biāo)準(zhǔn)基本能滿足農(nóng)作物用水需求，在該灌溉限額下農(nóng)作物耗水量也隨之減少。根據(jù)不同作物耗水量，以各主要作物的播種面積進(jìn)行加權(quán)平均可獲得研究區(qū)的單位播種面積耗水量，并考慮復(fù)種指數(shù)，獲得單位耕地面積的耗水量，計(jì)算公式如下：

1.3.2 灌溉量

作物水分需求的一部分可依靠降水與土壤水供給，不足的部分必須通過灌溉補(bǔ)充。若不考慮生育期內(nèi)土壤水分的變化和其他水分需求，作物的灌溉需水量為全生育期作物耗水量與生育期內(nèi)有效降水量之差。在現(xiàn)狀情況下，主要作物灌溉量為生育期內(nèi)耗水量與有效降水量之差；而優(yōu)化灌溉制度下灌溉量，主要采用多年平均條件下主要農(nóng)作物灌溉用水限額標(biāo)準(zhǔn)，即設(shè)施農(nóng)業(yè)與露地瓜菜540 mm、果樹和牧草為225 mm、其他糧食作物涉及春玉米、谷子、高粱、豆類和薯類等為120 mm[29]。

表1 大興區(qū)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)Table 1 Daxing county planting structure

1）單位耕地面積的灌溉量

根據(jù)不同作物灌溉量，以各主要作物的播種面積進(jìn)行加權(quán)平均可獲得研究區(qū)的單位播種面積灌溉量，并考慮復(fù)種指數(shù)，獲得單位耕地面積的灌溉量

式中I為單位耕地面積的灌溉量，mm；I0i為第i種作物的灌溉量，mm。

2）農(nóng)業(yè)灌溉需水總量

依據(jù)上述方法計(jì)算獲得單位耕地面積的灌溉量，并考慮實(shí)際灌溉水有效利用系數(shù)與農(nóng)業(yè)用地面積，即可獲得各情景下農(nóng)業(yè)灌溉需水總量

式中I為農(nóng)業(yè)灌溉需水總量，m3；Sa為農(nóng)業(yè)用地面積，hm2；η為灌溉水有效利用系數(shù)。

1.4 種植結(jié)構(gòu)調(diào)整方案

在水資源短缺地區(qū)，除了節(jié)水灌溉與節(jié)水栽培技術(shù)外，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)也是農(nóng)業(yè)節(jié)水的一項(xiàng)重要技術(shù)措施，利于實(shí)現(xiàn)水資源與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最優(yōu)耦合[30]。按照《北京市“十二五”時(shí)期都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》要求，與2009年相比，2015年糧食總產(chǎn)量穩(wěn)定在1.2×109kg；蔬菜總產(chǎn)量達(dá)4.5×109kg，增幅為20%。根據(jù)《北京市“十二五”時(shí)期都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)布局[31]，大興區(qū)作為優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)糧食生產(chǎn)帶四區(qū)縣之一，將促進(jìn)全市糧食優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)；為切實(shí)保證優(yōu)質(zhì)、安全、營養(yǎng)蔬菜的周年供應(yīng)，也是規(guī)劃中的蔬菜種植基地，屬于北京市的南菜園。

種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的原則是在確保與《北京市“十二五”時(shí)期都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》精神相一致的前提下，考慮作物需水、供水和缺水規(guī)律，緊密依據(jù)市場(chǎng)需求，提高耗水少、產(chǎn)量附加值高和銷路好的設(shè)施蔬菜種植及夏玉米比例，建立節(jié)水高效型種植結(jié)構(gòu)，優(yōu)化各生產(chǎn)要素的時(shí)空配置，充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)自然資源的生產(chǎn)潛力，最大限度擺脫水危機(jī)。在華北地區(qū)夏玉米生育期需水與降水耦合程度高，在多年平均條件下夏玉米生育期內(nèi)降水量大于其需水，完全可以實(shí)現(xiàn)雨養(yǎng)旱作；而春玉米于 4月中下旬播種，適逢旱季，為保證苗壯苗齊，必須灌溉，加上春玉米生育期較夏玉米長，春玉米耗水較高。為此，擬在適度減少冬小麥播種面積的基礎(chǔ)上，大幅減少春玉米與露地蔬菜種植面積，適度擴(kuò)大設(shè)施蔬菜及夏玉米播種面積，確保在進(jìn)一步降低灌溉取水總量及農(nóng)業(yè)耗水量的同時(shí)，還要以不顯著降低農(nóng)民收益為前提?；诖?，分別考慮春玉米與露地蔬菜的種植面積減少與設(shè)施蔬菜種植面積和夏玉米播種面積增加等情景，種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的具體方案如表2。

表2 種植結(jié)構(gòu)調(diào)整方案Table 2 Scenarios of planting structure adjustment

1.5 農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值

在用水總量控制下，農(nóng)業(yè)發(fā)展最大面積，即農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值；用水總量控制下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值計(jì)算公式如下：

式中 SI為取水總量約束下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值，hm2；Ired為灌溉取水總量控制目標(biāo)，m3；10為單位換算系數(shù)；SET為耗水總量約束下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值，hm2；ETred為區(qū)域農(nóng)業(yè)耗水控制目標(biāo)，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 優(yōu)化灌溉制度下區(qū)域耗水量與灌溉量

在水資源日益緊缺背景下，采用優(yōu)化灌溉制度將有限的灌溉水量在作物不同生育期實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置，有利于提高作物水分利用效率。大興區(qū)農(nóng)業(yè)耗水量及農(nóng)業(yè)灌溉量見表3，在不考慮優(yōu)化灌溉制度前提下，其單位面積農(nóng)業(yè)的耗水量及灌溉量分別約 678、397 mm；而灌溉制度優(yōu)化后，大興區(qū)農(nóng)業(yè)耗水量及灌溉量分別為603、296 mm。在多年平均條件下農(nóng)業(yè)耗水量需在現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)耗水基礎(chǔ)上壓縮49 mm就能夠滿足區(qū)域耗水總量控制目標(biāo)，故農(nóng)業(yè)耗水總量約束值629.29 mm。可見，采用優(yōu)化灌溉制度措施，大興區(qū)農(nóng)業(yè)耗水量及凈灌溉量顯著降低，農(nóng)業(yè)耗水量及凈灌溉量分別減少75、101 mm；優(yōu)化灌溉制度后農(nóng)業(yè)耗水量比農(nóng)業(yè)耗水總量約束值629.29 mm還低，表明采用灌溉制度優(yōu)化可使現(xiàn)狀耗水量降低到其耗水總量約束值。另依據(jù)近年北京市的灌溉水有效利用系數(shù)0.69[32]，而大興區(qū)農(nóng)業(yè)用地面積為5.93×104hm2[24]，可計(jì)算獲得在優(yōu)化灌溉制度下大興區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉需水總量為2.55×108m3，雖小于農(nóng)業(yè)灌溉實(shí)際用水量的多年平均值為2.73×108m3[25]，但仍明顯大于農(nóng)業(yè)灌溉取水總量控制指標(biāo)2.17×108m3，為滿足灌溉取水總量控制指標(biāo)，勢(shì)必通過種植結(jié)構(gòu)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源的高效利用。

表3 不同灌溉制度下單位面積耕地的耗水量與灌溉量Table 3 Water consumption and irrigation amount per unit farmland area under different irrigation schedules

2.2 種植結(jié)構(gòu)調(diào)整下耗水量與灌溉量

不同種植結(jié)構(gòu)調(diào)整情景下農(nóng)業(yè)耗水量與灌溉量見表4，在情景 F1中春玉米全部改為夏玉米后，與現(xiàn)狀種植結(jié)構(gòu)相比農(nóng)業(yè)耗水量與農(nóng)業(yè)凈灌溉量分別降低了2.17%、3.95%；農(nóng)業(yè)灌溉需水總量減至2.48×108m3，但仍超過該區(qū)域農(nóng)業(yè)用水取水總量約束值。在情景F2中，以情景F1為基礎(chǔ)，并減少 30%冬小麥種植面積，農(nóng)業(yè)耗水量及農(nóng)業(yè)凈灌溉量分別降低至約531、274 mm；農(nóng)業(yè)灌溉需水總量減至 2.38×108m3，但仍超過灌溉取水總量約束值。在情景F3中，以情景F2為基礎(chǔ)，并改50%露地瓜類為設(shè)施瓜類，因露地瓜類的面積僅占大興區(qū)播種面積0.89%，該情景對(duì)農(nóng)業(yè)耗水量與農(nóng)業(yè)凈灌溉量的減少貢獻(xiàn)很小，與情景F2相比農(nóng)業(yè)耗水量與農(nóng)業(yè)凈灌溉量分別降低了0.18%與0.13%，農(nóng)業(yè)灌溉需水量總量仍未降至灌溉取水總量約束值要求。在情景F4中，改30%露地蔬菜為夏玉米，與F3相比農(nóng)業(yè)耗水量及農(nóng)業(yè)凈灌溉量分別降低了12.62%與9.68%；農(nóng)業(yè)灌溉需水總量減至2.15×108m3，低于大興區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉取水總量約束值；在該情景方案中露地蔬菜種植面積減少 30%，會(huì)導(dǎo)致蔬菜產(chǎn)量降低，不符合《北京市“十二五”時(shí)期都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》要求。相關(guān)研究表明，溫室大棚能夠有效地延長作物生育期和改善作物生長環(huán)境，節(jié)能溫室與塑料大棚可分別增加3~5個(gè)月的生長期，可使蔬菜產(chǎn)量提高2～5倍[33]。在情景F5中，以情景F4為基礎(chǔ)，改40%露地蔬菜為設(shè)施蔬菜，農(nóng)業(yè)需水量降至435.82 mm，滿足耗水總量約束值629.29 mm，且農(nóng)業(yè)灌溉取水總量也得到很好控制，能夠滿足農(nóng)業(yè)灌溉取水總量約束值2.17×108m3要求；在情景F5中，雖露地蔬菜種植面積減少30%，但改40%露地蔬菜為設(shè)施蔬菜，所以蔬菜產(chǎn)量不降反增，符合《北京市“十二五”時(shí)期都市型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中“蔬菜產(chǎn)量不能降低”的要求。綜上，在優(yōu)化灌溉制度基礎(chǔ)上，在情景 F5中減少耗水量高的露地蔬菜、春玉米及冬小麥種植面積，增加灌溉量少且耗水較低的夏玉米種植面積，同時(shí)進(jìn)一步發(fā)展農(nóng)業(yè)用水效率較高的設(shè)施農(nóng)業(yè)面積，既能滿足研究區(qū)規(guī)劃中穩(wěn)定糧食產(chǎn)量與增加蔬菜產(chǎn)量的要求，也使區(qū)域農(nóng)業(yè)用水量降低到其用水總量約束值的范圍內(nèi)。

表4 在優(yōu)化灌溉制度及種植結(jié)構(gòu)調(diào)整下農(nóng)業(yè)耗水量與灌溉量Table 4 Water consumption and irrigation amount for agriculture under planting structure adjustment and optimized irrigation schedule

2.3 用水總量控制下北京市大興區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值

針對(duì)大興區(qū)水資源短缺的嚴(yán)峻形勢(shì)，以滿足區(qū)域農(nóng)業(yè)耗水總量與農(nóng)業(yè)灌溉取水總量約束值的要求為準(zhǔn)則，分別探討了種植結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化灌溉制度下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值如表 5。在滿足灌溉取水總量控制下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值為4.60×104～7.42×104hm2，種植結(jié)構(gòu)調(diào)整下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值增加 20%～25%，優(yōu)化灌溉制度下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值增加29%～34%，而在種植結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化灌溉制度協(xié)同作用下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值增加61 %；在滿足耗水總量控制下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值為6.72×104～9.48×104hm2，種植結(jié)構(gòu)調(diào)整下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值增加25%～27%，優(yōu)化灌溉制度下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值增加11%～13%，而在種植結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化灌溉制度協(xié)同作用下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值增加41 %?？梢姡捎梅N植結(jié)構(gòu)調(diào)整或者優(yōu)化灌溉制度等先進(jìn)的農(nóng)業(yè)水管理措施，都能顯著提高研究區(qū)用水總量控制下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值。在種植結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化灌溉制度協(xié)同作用下，兼顧灌溉取水總量與耗水總量雙重控制的農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值為7.42×104hm2。

表5 用水總量控制下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值Table 5 Agricultural area threshold value under constraint of total amount of water consumption (104 hm2)

依據(jù)研究目標(biāo)，將農(nóng)業(yè)分為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與設(shè)施農(nóng)業(yè)，其中傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)涉及冬小麥、玉米、豆類、薯類、油料作物、露地蔬菜與瓜類等主要作物類型；設(shè)施農(nóng)業(yè)主要涉及設(shè)施蔬菜與設(shè)施瓜類等。依據(jù)推薦的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整情景方案F5，在優(yōu)化灌溉制度條件下，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)用水總量控制的響應(yīng)關(guān)系見圖1。在灌溉取水總量控制下，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展面積擴(kuò)大，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展面積相應(yīng)減少。在滿足灌溉取水總量控制下，設(shè)施農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值分別為3.25×104、23.93×104hm2；在滿足耗水總量控制下，設(shè)施農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值分別為8.11×104、8.73×104hm2。與灌溉取水總量控制下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值相比，在耗水總量控制下設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值增加4.86×104hm2，而傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值減少15.20×104hm2。在同時(shí)滿足灌溉取水總量與耗水總量控制條件下，設(shè)施農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值分別為 3.25×104、8.73×104hm2?？梢?，在耗水總量控制與灌溉取水總量控制下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值不完全一致，所以僅依靠滿足灌溉取水總量控制或耗水總量控制進(jìn)行農(nóng)業(yè)水資源管理，隨著農(nóng)業(yè)無序發(fā)展勢(shì)必會(huì)造成突破耗水總量控制或者灌溉取水總量控制等情形發(fā)生。為確保區(qū)域農(nóng)業(yè)健康發(fā)展，區(qū)域農(nóng)業(yè)用水總量即不能突破灌溉取水總量約束值，也不能突破耗水總量約束值。滿足農(nóng)業(yè)耗水總量控制下農(nóng)業(yè)面積發(fā)展變化的直線與不超過農(nóng)業(yè)灌溉取水總量控制下農(nóng)業(yè)面積發(fā)展變化的直線相交，并結(jié)合縱橫坐標(biāo)軸，如圖1劃分為4個(gè)區(qū)域，即同時(shí)滿足農(nóng)業(yè)耗水總量控制與農(nóng)業(yè)灌溉取水總量控制的①區(qū)，同時(shí)超出農(nóng)業(yè)耗水總量控制與農(nóng)業(yè)灌溉取水總量控制的②區(qū)，僅滿足農(nóng)業(yè)耗水總量控制的③區(qū)，僅滿足農(nóng)業(yè)灌溉取水總量控制的④區(qū)。為建立與區(qū)域水資源承載能力相適應(yīng)、與節(jié)水增收目標(biāo)相配套的農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模，大興區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的最大潛力為①區(qū)與③區(qū)及④區(qū)的分界線，在該分界線上設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展相協(xié)調(diào)，區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益較高，并且區(qū)域農(nóng)業(yè)用水能同時(shí)滿足耗水總量與灌溉取水總量控制要求。

圖1 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和設(shè)施農(nóng)業(yè)種植面積對(duì)用水總量控制指標(biāo)的響應(yīng)Fig.1 Response of facility agriculture and traditional agriculture areas to constraint of total water amount

3 結(jié) 論

本文以確定的耗水總量約束值與灌溉取水總量約束值為研究基礎(chǔ)，通過分析優(yōu)化灌溉制度與調(diào)整種植結(jié)構(gòu)等措施對(duì)降低北京郊區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉量與耗水量作用，揭示在類似與北京市大興區(qū)的資源性缺水嚴(yán)重區(qū)域要確保水資源持續(xù)高效利用，除采用優(yōu)化灌溉制度等先進(jìn)農(nóng)業(yè)水管理措施外，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)也是一項(xiàng)重要節(jié)水技術(shù)；以滿足農(nóng)業(yè)耗水總量約束值與農(nóng)業(yè)灌溉取水總量約束值的要求為準(zhǔn)則，分別計(jì)算了種植結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化灌溉制度下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值，并分析了設(shè)施農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展面積對(duì)用水總量控制的響應(yīng)關(guān)系，揭示了在灌溉取水總量與耗水總量控制下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值不完全一致，這也是在資源性缺水地區(qū)導(dǎo)致灌溉悖論主要因素。 本文獲得主要結(jié)論如下：

1）在維持現(xiàn)狀種植結(jié)構(gòu)不變條件下，利用研究區(qū)已有優(yōu)化灌溉制度研究成果及其北京市主要農(nóng)作物灌溉用水限額標(biāo)準(zhǔn)等資料制定的優(yōu)化灌溉制度措施能顯著減少灌溉量與耗水量，但仍不能滿足研究區(qū)灌溉取水總量控制的要求。

2）采用減少灌溉量多且耗水量高的露地蔬菜種植面積，增加灌溉量少且耗水較低夏玉米種植面積，同時(shí)提高用水效率較高的設(shè)施農(nóng)業(yè)種植面積，既能滿足研究區(qū)規(guī)劃中穩(wěn)定糧食產(chǎn)量與增加蔬菜產(chǎn)量的要求，也使區(qū)域農(nóng)業(yè)用水量降低到其用水總量約束值的范圍內(nèi)。

3）在滿足灌溉取水總量控制下大興區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值為4.60×104～7.42×104hm2，在滿足耗水總量控制下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值為6.72×104～9.48×104hm2；而在種植結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化灌溉制度協(xié)同作用下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值增加 41%～61%，表明采用種植結(jié)構(gòu)調(diào)整或者優(yōu)化灌溉制度等農(nóng)業(yè)用水管理措施，都能顯著提高用水總量控制下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值。在種植結(jié)構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化灌溉制度協(xié)同作用下，兼顧灌溉取水總量與耗水總量的雙重控制下的農(nóng)業(yè)發(fā)展面積閾值為 7.42×104hm2。

4）在用水總量控制下，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展面積擴(kuò)大，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展面積相應(yīng)減少；因在耗水總量約束值與灌溉取水總量約束值下農(nóng)業(yè)發(fā)展閾值不完全一致，僅依靠滿足灌溉取水總量約束值或耗水總量約束值進(jìn)行農(nóng)業(yè)用水管理，隨著農(nóng)業(yè)無序發(fā)展勢(shì)必會(huì)造成突破耗水總量約束值或者灌溉取水總量約束值情形發(fā)生，不可避免導(dǎo)致節(jié)水灌溉悖論現(xiàn)象發(fā)生，所以資源性缺水地區(qū)水管理必須兼顧灌溉取水總量與耗水總量的雙重控制。

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