地理学视角的农业节水理论框架与水资源可持续利用_沈彦俊

地理学视角的农业节水理论框架与 水资源可持续利用

沈彦俊1，齐永青1，罗建美2，张玉翠1，刘昌明1

( 1. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 中国科学院农业水资源重点实验室 河北省

节水农业重点实验室, 石家庄 050022；2. 河北地质大学土地科学与空间规划学院, 石家庄 050031 )

摘要： 水资源亏缺是中国农业可持续发展面临的主要挑战 。本文从地理学的综合性视角出 发，提出区域农业耗水与生产、生态效益关系的概念模型，拓展了“土壤—作物—大气系统界面 节水调控理论”，构建了节水与适水并重的农业综合节水研究体系及其理论框架 。并以华北平 原为例，探究了中国缺水区农业水资源可持续利用途径 。基于田间水循环及节水潜力的研究 表明，华北平原小麦—玉米一年两熟农田年水分净亏缺 220 mm，要实现农田尺度水平衡，需改 为二年三熟，甚至一年一熟；京津冀区域尺度模型模拟表明，若通过调整农业种植规模和结构 来平衡区域地下水超采，则小麦产量只能满足 75%的口粮需求，要实现地下水采补平衡下的粮 食自给，需要外部调水来补足水资源亏缺；基于农田耗水结构的节水试验表明，与地面灌相比， 地下滴灌的小麦季、玉米季蒸散分别减少 88 mm、60 mm，年均可节约耗水 1480 m3/hm2 。因此， 深度田间节水技术会对种植结构和种植制度调整的节水效应产生显著支撑，从而实现稳定农 业产能和水资源可持续利用的双重目标 。从地理学综合视角出发，未来应更多关注变化环境 下水资源的形成、转化和利用，从水量和水质两方面开展农业节水和水资源可持续利用研究， 为平衡区域农业发展和健康水循环提供科学依据。

关键词：农业节水；农业水资源；适水农业；种植结构；节水潜力；可持续发展

DOI: 10. 11821/dlxb202307012

1 引言

世界总人口已突破 80 亿大关 ，为满足人类对食物的巨大需求 ，全球各主要农业生产 国不断提高农业生产强度以增加粮食和食物供给 。灌溉在粮食生产保障中发挥了重要作 用 ， 占全球耕地总面积 20%的灌溉农田生产了全球40%的粮食[ 1] 。高强度农业生产造成了 全球主要农业区的水资源过度开发 ，并形成了严重的地下水超采 ，例如美国高平原 、印 度河平原以及中国北方地区[2-3] 。长期地下水超采形成巨型地下水位降落漏斗 ，引起河流 断流 、湖泊湿地萎缩甚至干涸 、 自然生态系统退化等问题 。中国北方大部分地区都存在 地下水超采 ，其中以华北平原最为严重 ，在农业高产区的太行山山前平原 ，20 世纪 70 年 代以来地下水位下降速度高达 0.8~ 1.0 m/a[4] ；西北干旱区的天山南北和祁连山北麓 ，近些

收稿日期：2023-03- 15; 修订日期：2023-06-20

基金项目 ：河北省自然科学基金创新群体项目(D2021503001); 国家自然科学基金重点项目(41930865) [Foundation:

The Innovation Group Project of Agricultural Hydrology and Groundwater Sustainability by Hebei Natural Science Foundation, No.D2021503001; The Key Program of National Natural Science Foundation of China, No.41930865]

作者简介 ：沈彦俊(1971-), 男, 河北康保人, 研究员, 博士生导师, 主要从事农业水文学与水资源研究。

E-mail: yjshen@sjziam.ac.cn

1718- 1730 页

年都经历了地下水位快速下降过程 ，天山北麓成为继华北平原后中国地下水位下降最为 迅速的区域 ，新疆大多数有千年历史的坎儿井地下灌溉系统也由于地下水位下降而遭废 弃[5] ； 即使在湿润气候区的东北三江平原 ，2000 年以来地下水位也以 0.6 m/a的速度下 降[6]。

地下水超采引发的区域性水循环恶化和生态退化已成为世界性问题[7] 。中国北方地区 目前承担了全国 65%以上的粮食生产任务 ，果蔬类农产品的生产占比甚至更高 ，在气候 变化引起极端旱涝事件加剧的背景之下[8-9] ，农业可持续发展和水资源管理面临更大的挑 战 。如何从系统观点出发找到缺水区农业水资源可持续利用路径 ，是摆在广大科研工作 者和水管理者面前的难题 。本文基于自然地理学综合视角 ，从农田和区域水循环过程与 结构入手 ，建立农业综合节水研究框架 ，探索水资源可持续利用途径 ，为丰富水文地理 学和农业水文学理论提供科学依据 ，为支撑农业可持续发展提供路径参考。

2 农业节水与水资源可持续利用研究思路与理论框架

2.1 农业水循环与水平衡

农业水循环是开展农业综合节水研究的基础 ，也是区域农业水资源可持续管理的前 提 。从流域水循环来看 ，农业灌溉改变水循环的时空配置格局以适应作物需求 ，从而稳 定地获得更多产量 。农业灌溉面积的扩大直接引起流域水循环中蒸散耗水增多 ，使径流 减少 ， 同时由于灌溉的原因 ，也使区域温湿度发生一定变化[ 10] ；在干旱、半干旱和半湿润 易旱区 ， 由于灌溉的发展 ，多数地区出现地下水位下降[ 11] 。随着灌溉面积和耗水规模的不 断扩大 ，流域健康水循环遭受破坏 ，引发河流断流和湖泊湿地萎缩甚至干涸的问题[ 12] ，流 域水平向的水循环过程减弱 ，直接导致流域内大量营养盐和废物无法排泄入海 ，久而形 成环境危害 。因此 ，从农业生产过程中的农田耗水和水盐循环机理出发 ，研究农业水循 环与水平衡结构 ，查明提升农田水分生产效率的关键制约因素 ，揭示维持流域健康水循 环的农业用水阈值 ，对于研发高效的田间节水技术和管理措施 、构建健康水循环 、实现 区域农业水资源可持续管理具有重要意义。

2.2 农业—水—生态制约关系及其协同

自 20 世纪末生态水文学研究逐渐兴起 ，水文循环和生态系统相互作用关系研究成为

热点 。在缺水地区 ，农业已成为与生态

系统争水的主要部门 ，如何科学智慧地

管理有限水资源 ，实现农业和生态协调

发展成为全球主要缺水区的重要研究课

题 。对于一个区域/流域来说 ，农业灌

溉的发展首先实现了区域农业生产力的

大幅提升 ， 同时影响到水资源对生态系

统的支撑功能 ， 当农业用水超过水资源

承载能力阈值时 ，则会损害区域生态系

统 ， 发 展 的 可 持 续 性 面 临 威 胁 ( 图

1 )。 因此 ，需要研究当前技术水平下合

理平衡农业用水和生态需水的关系 ，找 到兼顾二者需求的平衡点 (图 1a 点)。 若能够通过农业节水技术和高效的水资

图 1 区域农业生产、生态效益与农业耗水的关系示意图 Fig. 1 Schematic of the relationship between regional agricultural

water consumption and its productive and ecologic effects

源管理水平的提升 ，则可以使该用水阈值从 a点进一步降低到 b点 ，促使水资源的生产效 益和生态效益协同提升 ，进而提高区域水资源可持续性。

2.3 农业综合节水理论框架

要实现区域水资源生产和生态功能的协同提升 ，需要从区域和农田两个尺度上开展 不同层面的综合研究 。首先 ，在区域尺度上 ，考虑区域农业功能定位 ，通过优化农业种 植结构 ，调整不同作物类型的种植规模和比例 ，控制高耗水作物种植面积 ， 以降低区域 整体的灌溉取水量 。其次 ，在田块尺度上 ，作物水分利用层面 ，考虑农业气候资源禀赋 和水资源承载力 ，合理调整作物种植制度 ， 降低种植强度 ，使作物耗水在多年尺度上能 够实现平衡 ；农田生产技术层面 ，根据田间水分循环和水平衡结构 ，研发深度节水技术 和智慧化水分管理技术 ，提升作物水分利用效率 。农业节水技术的进步可以对一个区域 的种植规模和结构产生较大的影响 。如前所述 ，要实现区域农业—水—生态的协调和可 持续发展 ，需要以保证流域健康水循环的生态流量为约束前提 ， 同时考虑农田生产与生 态用水的协调 ， 即保证农业用水总量在蒸散发耗水与农田排水/排盐的合理比例 ，综合考 虑农田节水技术水平和区域健康水循环的需求 ，合理制定农业节水种植规划和策略。

20 世纪 90 年代刘昌明提出“土壤—作物—大气系统界面节水调控理论”[ 13] ，该理论 认为 ，水分从土壤经作物根茎到达叶片 ，并从叶片气孔蒸腾的过程遵循欧姆定律 ， 即水 分在土壤—作物—大气连续体 ( SPAC ) 中的传输过程需要突破一系列的阻抗 ；这些阻抗 主要集中在不同介质的界面处 ，水分传输速率可用界面两端的水势差与界面阻抗之比计 算 ；通过采取措施增大界面处的阻抗 ，则可以有效降低耗水强度 ，从而达到节水的目 的 。基于界面节水调控理论 ，提出并发展了农田节水体系和相应的生物 、农艺和工程措 施[ 14] 。经过多年研究和节水技术的推广应用 ， 目前 ，华北平原小麦和玉米等大田作物的 水分利用效率已分别达到 1.5 kg/m3 和 2.0 kg/m3 ，接近国际最高水平[ 15]。

本文总结前人成果和笔者多年研究实践 ，提出了缺水区农业综合节水研究体系框架 图 (图2 )。 该体系包括节水农业和适水农业两个方面 ，是开展 “以水定地”“以水定 产”研究的基础。

节水农业是指合理开发利用水资源 ，运用多种技术手段提高用水有效性的农业模式， 是水、土、作物资源综合开发利用的系统工程 ，Wang等[ 14] 、山仑[ 16] 、康绍忠等[ 17]对中国节 水农业理论与技术体系的发展做出了重要贡献 。节水农业包括生物 、农艺 、工程 、管理 4 个方面的措施 。生物措施主要是通过现代生物技术挖掘农作物高水效基因 、培育节水 品种等 。农艺措施有耕作方式、覆盖保墒、调亏灌溉与分根交替灌溉等非充分灌溉[ 18- 19] 和 施肥制度等 。工程措施包括输配水工程 (如渠道衬砌 、管道输水等) 和田间工程 (如沟 灌 、喷灌 、滴灌 、渗灌等节水灌溉工程)。 管理措施主要包括灌溉制度优化 、用水计量、 农情监测和灌区信息化等农业用水精准管理技术 。此外 ，水权 、水价 、水市场等农业用 水制度柔性措施 ，也可产生可观的节水效果 。如美国加州的“水银行”(Water Bank)、 澳大利亚的“水账户”(Water Account ) 等水权管理与交易制度[20] ，河北省的成安 、桃 城 、元氏等县区试行的水权改革和节水奖补等措施[21] ，均取得了较好的节水效果 。通过 上述 4 类节水措施的综合应用 ，可实现取用水效率和作物水分利用效率的提升 ，最大限 度地发挥水资源的生产效益。

适水农业的概念源自于适水发展理论体系[22] ，是以水定农业规模 、以水定种植结 构 、以水定作物产量 ，控制水资源开发利用的不利环境影响 ，保障水资源可持续利用和 可持续发展的农业生产模式[23] 。笔者认为 ，适水农业研究主要是通过对农业种植规模、 种植结构和种植制度的调整 ，使农业生产强度与水资源承载能力相匹配 ， 降低对区域水

图 2 农业综合节水研究体系及其框架

Fig. 2 The comprehensive framework of agricultural water saving researches

循环系统的干扰强度 ，在多年尺度上达到地表或地下水的采补平衡 ，从而构建平衡 、协 调的水粮关系 。尽管区域水资源条件是制定适水农业发展策略的前提 ，但适水农业的发 展及其配套措施不是受约束的被动过程 ，而是主动的优化适配过程 。康绍忠提出构建高 水效农业[24] 生产体系是适水农业的基本路径 ，发展适水农业是更高层面的农业高效节水 需求 。因此 ，构建适水农业生产体系需要考虑灌区农田“水—热—盐—肥”循环过程和 利用效率 ，保障灌区农田合理地下水位和水盐平衡 。而区域适水农业的实现 ，则需要在 地理学综合视角下对农业节水技术的水分生产能力以及流域水循环与水平衡特征进行深 入解析 ，通过在时间和空间上优化作物种植结构和耗水过程 ，最大限度地提高水资源利 用效率 ，进而在有限的水资源条件下 ，达到从田间到区域尺度对作物产量 、用水效率和 健康水循环等多重目标的优化 。适水农业的规模和结构对农业用水效率 ， 即节水技术， 有较强的依赖性。

值得指出的是 ，在最严格水资源管理制度下 ，灌区管理部门采用取水总量控制和定 额控制进行用水管理 ，主要通过渠道输配水工程改造来提升灌溉水利用效率 ， 降低灌溉 定额 。然而，“节约”下来的水量却多数未退还给河流 ，而是在农业生产的经济利益驱动 下用于进一步扩大灌溉面积 。因此而产生的一个直接后果就是使灌区蒸散耗水增加而排 水减少 ，干旱半干旱灌区农田排盐过程受到抑制 ，容易出现土壤积盐问题[25] ，如 2002— 2018 年河套灌区的灌溉面积扩大 44%[26] ，年排水减少到 3 亿 m3 ，根据水盐平衡计算 ，每

年有 120万~ 150万 t盐分积累在灌区土壤中[27] ，对灌区农业生产造成威胁 。传统灌区节水 观念和不合理的管理机制是形成“节水悖论”[28-29] 的主要原因之一[30] ， 同时对流域健康水 循环产生负面影响。

因此 ，农业综合节水研究体系包含了区域和农田两个尺度的内容 ，前者需要考虑区 域水资源承载能力 ，进行合理的农业种植规划 ；后者不但包括单块农田上的种植制度， 通过调整合理的复种指数以建立与可利用水资源相适应的种植强度 ；也包括田块尺度上 的深度节水生产技术 ，包含生物 、农艺 、工程和管理等多方面措施的综合应用 。下文以 华北平原为例概括介绍农业节水和水资源可持续利用的研究实践。

3 华北平原水资源可持续利用研究实践

华北平原是中国重要粮仓 ，其黄河以北的平原区范围生产的小麦和玉米分别占全国总 产量的 21%和 13% ， 由于本地区降雨无法满足作物生长的用水需求 ，长期靠超采地下水灌 溉来维持高产[31] 。因此 ，华北平原也成为了全球地下水超采最为严重的区域之一[4, 14] ，农业 的可持续发展和生态环境的改善与修复都对区域农业节水提出急迫需求。

调整和优化区域农业种植规模和结构对于平衡区域农业用水 ，实现水资源可持续利 用具有非常重要的意义[32] 。而一个区域的农业发展在不同历史阶段具有不同的使命和任 务 ，华北平原在解决温饱的国家战略阶段 ，通过增加农业种植强度和超采地下水灌溉获 得高产 ，保障了国家粮食安全 ，为实现温饱战略发挥了重要作用 。然而 ，在新的历史时 期 ，加强生态文明建设和实现人与自然和谐共生的现代化成为时代需求 ，在此背景下， 如何科学调整农业种植强度 ，优化农业用水格局 ，对构建水粮协调的农业种植方案和发 展规划意义重大。

在前述综合节水理论框架下 ，笔者团队从田间水循环结构与节水潜力出发 ，开展了 田间深度节水技术 、适水种植制度和区域种植结构调整的多尺度研究 ，提出了华北平原 协同地下水保护和农业生产的可持续管理路径。

3.1 基于田间水平衡分析的种植制度适水调整

农业生产强度超过水资源承载力是华北平原地下水超采的主要原因之一 。调整农业 种植制度 、降低熟制和种植强度是改变农田水分长期入不敷出局面的重要措施 。在太行 山山前平原高产区 ，该区目前粮食作物生产以小麦—玉米一年两熟为主 ，全年的农田蒸 散耗水量高达 710 mm/a ，而年平均降水量不足 500 mm ，年水分净亏缺量达到 220 mm， 其中冬小麦季的耗水亏缺可达 310 mm ，而玉米季约有 90 mm的盈余[31-32] 。分析长期观测 获得的农田作物水平衡结构 ，将目前的一年两熟种植模式改为二年三熟 、三年四熟甚至 一年一熟均是实现农田水平衡的种植制度适水调整策略 。如果仅考虑年降水量的支撑能 力 ，将一年两熟调整为三年四熟 ， 即可实现多年尺度的供需水平衡。

通过作物模型模拟[33] ，并收集和分析已发表相关文献中的田间试验产量和耗水量数 据[34-35] (图3 )， 结合本区域降水量 、上游山区来水补给量 、南水北调的外流域调入水量 对不同熟制的供需水平衡分析可知 ，太行山山前平原区约 500 mm 的年降水量可支撑 8000 kg/hm2 的产量水平 ，可采取三年四熟或一年一熟的种植模式 ；如果考虑山区侧向补 水 (据水利部门估算约为 110 mm/a)， 则实现可持续生产的年耗水量可控制在 610 mm， 在高水平的集约化生产条件下可支撑 11000 kg/hm2 的生产力水平 ，大致相当于两年三熟 种植制度。

图 3 不同熟制模式下产量、复种指数与年耗水量的关系

Fig. 3 Relationship between annual water consumption and yield or multi-cropping index with different rotations

利用作物模型对 3 种不同替代种植制度的农田耗水和地下水利用进行模拟分析 ，发 现两年三熟种植模式下河北平原地下水的年均超采量为 12.7 亿 m3 ， 三年四熟为 4.2 亿 m3 ，分别比当前的一年两熟种植制度减少地下水超采量 25.6 亿 m3 和 34. 1 亿 m3 ；而采取一 年一熟种植制度 ，则不造成地下水超采 ，且会有 12.8 亿 m3 的降水盈余量可以补给地下 水[32, 36] 。相对于当前种植制度 ，替代种植制度通过降低农业种植强度可显著缓解地下水 超采 ，这一结果可为水资源紧缺地区制定适水发展的农业种植制度和水资源管理政策提 供参考。

3.2 面向地下水压采构建水粮协调的种植结构优化方案

未来京津冀地区的农业结构调整可以考虑两个发展方向 ：一是以实现区域地下水采 补平衡为目标 ，不增加外流域调水的条件下 ，对农业结构和种植规模进行合理调整 ；二 是以服务国家粮食安全为目标 ，发掘区域农业生产能力 ，对种植结构进行优化以实现最 大的生产效益 。后者需要考虑通过跨流域调水补充农业灌溉用水的不足 ，来平衡区域地 下水超采问题 。本文主要探讨通过规模和结构的协同调整来实现区域水粮协调的水资源 可持续利用途径。

通过 Logistic模型分析预测京津冀地区未来人口增长和城镇化发展趋势 ，到 2030 年 京津冀地区城镇化率将增加到 75%[32] 。依据国家推荐的居民膳食结构金字塔表 ，估算了 2030 年不同年龄段城乡人口对食物的需求 ，结果显示 ，在现有生产力水平下 ， 以当前的 生产规模 ， 区域主要农产品的供给量

(即本区生产量) 不仅可以满足未来人

口增长情景下的需求量 ， 而且多数农

产品还存在盈余[37] 。用域内农产品抵

扣输入的同类型农产品后 ，京津冀四

种主要农作物小麦 、玉米 、蔬菜和水

果的净盈余量分别为328万t、254万t、

7226万t和 1614万 t ，分别占相应农作

物生产量的 22% 、 14% 、 82%和 74%

(图4 )。 即使考虑水稻等主要粮食作物 的净调入量和肉蛋奶等产品消耗的粮 食折算量 ，京津冀粮食作物的净盈余

图 4 Fig. 4

2030 年京津冀区域居民食品供需关系预估[37]

The main food demand and supply predicted in 2030 for the Beijing-Tianjin-Hebei region

量仍达到 312 万 t ，相当于生产量的 9% 。这些净盈余的农产品被输出到京津冀区域以 外 。据计算 ，2011 年河北平原地区以外运农产品的形式向外输出虚拟水 101.7 亿 m3 ，其 中 ，蓝水虚拟水 35.6 亿 m3 [38]。

优化农业种植结构 、构建协调水粮关系 ，是实现区域水资源可持续利用的重要途 径 。通过计算各年龄段人口对不同食物的需求 ，利用带精英策略的遗传算法对农业生产 结构进行优化模拟 ，分析了到 2030 年 4 种不同农业发展情景的种植结构优化方案及其水 粮效应[32] 。4 种情景分别是： S1现状趋势的外延 ， S2主要农产品保障京津冀区域自给自 足 ，S3地下水采补平衡下最大粮食产能 ，S4水资源、粮食生产与经济效益兼顾。

在现状种植结构下 (表 1 )， 2011—2015 年京津冀地区总种植面积为 1017万 hm2 ，年 均农业灌溉用水 123 亿 m3 ；在 S1情景下 ，优化结果显示除玉米和蔬菜种植面积有所增加 外 ，其余各类作物种植面积均减少 ，总面积减少到 993万 hm2 ，年灌溉用水比现状减少 10 亿 m3 ；S2情景下 ，总种植面积减少到 748万 hm2 ，年灌溉用水下降到 66 亿 m3 ，这时农产 品产量可供京津冀区域自给自足 ，仍需要超采约 10 亿 m3 地下水来满足生产需要 ； S3情 景是在保障地下水采补平衡前提下 ，满足主要农产品和蔬菜 、水果的区域自给 ，剩余的 可采水量用于优先保障口粮生产 ， 即保障冬小麦的生产 ，这时总种植面积进一步下降到 735万 hm2 ，农业灌溉用水为 56 亿 m3 ，与区域地下水可开采量持平 ； S4情景综合考虑了 地下水压采 、粮食生产目标和经济作物在保障农民收入中的作用等因素 ， 即在 S1情景下 进行种植结构的优化 ，S4情景总种植面积比 S1 略有下降 ，为 955万 hm2 ，农业灌溉用水 为 105 亿 m3。

表 1 不同发展情景的京津冀地区种植结构优化结果[32]

Tab. 1 Optimized planting structures for different scenarios in the Beijing-Tianjin-Hebei region

注 ：S1：现状趋势情景; S2：农产品自给情景；S3：地下水采补平衡下最大粮食产能；S4：水粮经兼顾情景。

综合分析不同情景的水粮效应可知 ，在满足本区域地下水不同保护目标的前提下， 存在 3 条地下水开采的临界线 ， 即通过农业种植规模和结构的调整平衡区域地下水总超 采量的线 I ，平衡区域农业超采量的线 II ， 以及考虑南水北调替代作用的线 III (图5 )。 按 照现状趋势到 2030 年 ，作物总种植面积和用水量均有所减少 ，若综合考虑水粮经效应进 行结构优化 ，则可以通过优化压减 8 亿 m3 的地下水消耗量 ( S4)， 但这时仍存在地下水超 采 ；如果本区域的农业产出只服务京津冀地区 ( S2)， 则可以平衡农业部门的地下水超 采 ，仍有约 10 亿 m3 的超采量 ；若要通过农业规模和结构的调整平衡整个区域地下水超采               ( S3)， 在满足经济作物等其他农产品自给的基础上 ，剩余可开采水量用于口粮作物小麦 生产 ，则小麦的产量可满足本区域 75%的需求量 ， 因此 ，在当前技术水平下进行种植结 构的调整无法做到既实现区域地下水采补平衡又满足区域食物自给 ，要么通过外部调水 来平衡水资源亏缺 ，要么通过调入粮食来平衡食物的亏缺[32, 37]。

3.3 基于田间水循环结构的节水潜力挖掘技术

上述种植制度和种植结构的调整均是在现有生产力水平下进行水平衡分析或情景模

注 ：I 表示在区域现状水资源条件下实现全区域地下水采补平衡的用水临界线，II 表示在区域现状水资源的条件下

实现区内农业用水采补平衡的临界线，III 表示在区域现状水资源条件下考虑南水北调来水量的用水临界线。

图 5 不同种植结构优化情景下的京津冀地区水资源可持续性

Fig. 5 The water sustainability of different optimized cropping structures under 4 scenarios in the Beijing-Tianjin-Hebei region

拟的结果 ，可见在现状生产水平下 ，仅通过结构调整难以同时满足地下水采补平衡和区 域食物需求保障 。因此 ，需要开展田间深度节水挖潜技术的研发 ，继续提高作物生产用 水的效率 。 田间节水生产技术的进步将会对前述种植结构和种植制度调整的节水效应产 生巨大的正面支撑作用。

通过 2007—2019 年农田尺度的涡度相关观测 ，分析水热通量和作物模型模拟的耗水 结构 ， 明确了华北平原典型小麦—玉米一年两熟制农田的全年蒸散耗水量为 710 mm ，其 中土壤蒸发耗水 280 mm ，约占总耗水量的 40% ；土壤蒸发作为非生产性耗水 ，可视为当 前农田节水能力的上限或节水潜力[31, 39] 。利用微气象学方法和稳定同位素示踪相结合， 发现冬小麦生长季土壤蒸发深度主要发生在地表以下 20 cm土层 ，而小麦根系主要利用 0~40 cm土层土壤水分[40] ，据此提出改进灌溉措施和灌水方式 ，将传统地面灌改为地面下 20 cm以下的潜灌 。进一步研发了大田作物的地下滴灌节水技术 ，根据土壤物理特性和 水分的扩散速率 ，并考虑耕作方式的影响 ，提出将滴灌带安装于地面以下 20~30 cm深度 处[41] ，滴灌带间距设置为 100 cm 。连续 4 年的田间试验显示 ，地下滴灌技术可以显著提 升灌溉水的利用率 ，与传统地面灌相比 ，小麦季蒸散可减少 88 mm[41] (图6 )， 玉米季蒸 散减少约 60 mm[42] ，年均可节约耗水 1480 m3/hm2 ，农田施肥量也可减少 30%~50%[43] ，而 产量保持不变。

本部分以华北平原为例 ，概要阐述了农业综合节水研究的思路框架 。在水资源约束 日益加重的背景下 ， 除了实施跨流域调水外 ，深度挖掘本区域的农业节水潜力 ，从种植 结构和种植制度的调整到田间深度节水挖潜技术应用 ，平衡区域水资源供需矛盾 、实施 地下水超采治理的研究与实践 。相关研究成果已纳入河北省农业供给侧结构调整和地下 水压采的政策中 ，为落实“节水优先 、空间均衡 、系统治理 、两手发力”的治水方针提 供了科学支撑。

4 未来研究思考与展望

西北 、华北等干旱 、半干旱地区最突出的水资源问题是水量短缺 。长期以来 ，农 业 、水与生态环境的协调发展成为国家 、政府和学者们共同关注的焦点问题 ，缺水区农

图 6 地下滴灌、地表滴灌和地面灌溉的冬小麦蒸散对比

Fig. 6 Comparison of ET over wheat field of surface irrigation, drip irrigation, and sub-surface drip irrigation

业不断挤占生态用水已造成整个北方地区的生态环境恶化[44] ，农业用水对地表水和地下 水系统形成了巨大的压力 ，成为影响流域健康水循环的主要因素 。除水量短缺外 ，农业 不合理用水造成的地表和地下水质恶化问题也日益凸显 。 由于传统地面灌溉方式的灌水 量大 ，难以实现精准施肥 ，造成大量化学肥料淋失出根区 ，形成对地下水和地表水体               (通过地下径流补给到河流) 的硝酸盐污染 ，该问题已成为农业面源污染的主要表现 ，在 世界主要农业区地下水中均不同程度检测出硝酸盐浓度超标问题[45] 。华北平原尽管包气 带深达数十米 ，但部分地区的地下水硝酸盐污染也已超标[46-47] 。因此 ， 区域农业节水也是 控制农业面源污染、实现地下水资源的量质协同保护的重要措施。

然而 ，农业生产对地下水环境造成的影响具有一定的“隐蔽性”，尤其是在地下水严 重超采区 ， 由于巨厚包气带的存在 ，农业源污染物在厚包气带传输和转化速率缓慢 、过 程复杂 ，对地下水水质的潜在影响未能被很好地认识[48] 。地球关键带科学为多学科研究 区域可持续发展提供了理论视角 ，未来缺水区的农业可持续和高质量发展需要将流域水 循环和农业生产的年 、季尺度过程与物质在地球关键带中传输转化的几十年至百年以上 尺度的过程相关联 ，开展多尺度 、多过程 、多界面的水文生物地球化学耦合研究 。未来 应更多关注变化环境下水资源的形成 、转化和利用 ，研究人类活动强度和模式改变后产 水 、用水 、耗水以及与水循环伴生的环境效应 ，从水量和水质两个方面开展农业节水与 水资源可持续利用研究 ，重点关注以下 4 个方面：

( 1 ) 变化环境下区域水资源形成过程和健康水循环 。研究气候变化和流域植被与土 地利用变化对山区水源涵养和产水过程的影响机理 ，尤其是退耕还林还草 、水土保持、 梯田改造 、水库建设 、移民搬迁工程等对水资源形成过程的影响 。研究可利用水资源量 的变化规律及其对区域生态系统和社会经济的承载力 ， 以及区域/流域农业灌溉和社会经 济用水与耗水变化及其对地表和地下水的影响 。明确维持流域健康水循环的“产水—用 水—耗水—蓄水—排水”合理转化关系。

( 2 ) 区域水资源消耗机理 、农田综合节水潜力和农业适水发展理论与方法 。研究农 田生态系统生产力形成过程的水分调控机理 ，综合节水育种技术 、 田间土壤和作物信息 智能获取技术 、 自动化节水灌溉技术等进一步挖掘农田节水潜力和水分生产力 ，研究节 水技术在农田固碳和减氮方面的效应 。研究气候变化和跨流域调水背景下 ，实现区域水

资源可持续利用的农业适水发展理论与路径 ，提出兼顾生态修复的农业结构优化和适 水、节水调控策略。

( 3 ) 农业活动包气带增厚和地下水量质变化的影响与环境风险 。综合利用水文地球 化学 、同位素水文学 、水动力学等多种手段分析农业生产对区域水资源和水质的影响机 理 ，解析水与物质在深厚包气带的传输 、转化 ，及其伴生的生物地球化学过程 ，揭示农 田关键带水碳氮循环过程及其耦合效应 ，评估重点区域农业活动的地下水环境风险。

( 4 ) 变化环境下重度农业活动流域水文循环及水资源可持续管理综合模型 。从地球 关键带科学视角 ，综合水文学 、水文地质学和生物地球化学等多学科方法 ，开展气候变 化 、调水 、地下水压采等自然和人为影响下的流域水循环和水资源模型研究 ，将生态系 统短时间尺度的快响应与地球关键带长时间尺度的慢响应过程结合起来 ，研究农业水文 与地下水资源量质可持续管理问题 ，为未来区域农业发展和地下水资源保护的科学决策 提供依据。

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The combined pathway to sustainable agricultural water saving

and water resources management:

An integrated geographical perspective

SHEN Yanjun1 , QI Yongqing1 , LUO Jianmei2 , ZHANG Yucui1 , LIU Changming1 ( 1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, CAS/ Key Laboratory of Agricultural Water Resources, CAS/Hebei Laboratory of Water-Saving Agriculture,