中国农业水问题_若干研究重点与讨论_刘昌明

地下水是我国特别是北方地区及许多城市的重要供水水源, 在经济建设和社会发展中发挥着重要作用。自 20 世纪 70 年代以来, 我国开发利用地下水

的规模不断扩大, 地下水开采量从 20 世纪 70 年代的

年均 572×108 m3, 上升到 2000 年的 1 069×108 m3。从

全国范围来看, 2000 年地下水开采量占总用水量的20%左右, 其中北方的开采量占全国 76%, 南方占全国总开采量的 24%。在地下水开发利用的同时,

刘昌明, 研究方向为水文水资源领域。E-mail: liucm@igsnrr.ac.cn

收稿日期: 2014-04-24 接受日期: 2014-04-25

产生了严重的地下水环境问题。截止到 2000 年底, 全国地下水超采区面积已扩展到 1.8×105 km2, 年超采量超过 100×108 m3, 造成区域地下水位持续下降和部分含水层疏干, 并引发了地面沉降、地面塌陷、海水入侵、水质恶化等一系列生态环境问题。华北平原的农业用水是该地区地下水利用量的大户, 在2003 年, 华北平原农业用地下水水量占地下水利用量的 79%。因此, 为实现水资源的合理开发利用和有效保护地下水资源, 必须深入地开展农业水问题方面的研究。

1 中国水资源特征

我国水资源总量丰富, 但水资源时空分布不均、人均水资源量低。随着社会经济的发展, 供需矛盾突出, 尤其在华北地区, 因地表水资源不足, 开采的地下水占供水总量的 70%, 导致地下水超采现象严重。

水资源总量多, 人均占有量少。我国水资源总

量约为 28 000×108 m3, 位居世界第 6 位, 但由于我国人口众多, 按 2002 年人口统计, 人均水资源量2 140 m3, 仅相当于世界平均人均占有量的 31%, 人均水量只占世界人均水量的 1/4, 单位面积耕地水资源量约 21 600 m3·hm−2, 为世界平均水平的 1/2。

降水和径流时空分布不均、变异性大, 旱涝频

2 主要的农业水问题

华北平原是我国最重要的农业生产基地, 在全国农业发展中具有举足轻重的地位。但华北平原水资源严重不足, 降水量少且时空分布不均, 地表水与地下水总量不到 800×108 m3, 耕地面积与人口的平均值不及全国平均的 1/6 和 1/4, 人均占有水资源量为全国最少, 开发利用率为全国最高。水源不足成为农业生产发展的主要限制因素[2]。

2.1 社会经济的快速发展导致需水量增加, 挤占农业用水

随着社会经济的快速发展, 需水量也在持续增加。尤其是人均耗水量增加显著。近十几年来, 居民生活水平明显提高, 城市化进程加快, 城镇生活用水和工业用水增长速度超过供水增长速度。农业用水因城市和工业的发展而被大量占用, 使本来就入不敷出的农用水源更加紧张。华北平原拥有1.5 亿人口, 占全国人口总量的 12%, 人均日耗水量已经从 1959 年的 0.03 m3 增加到 2000 年的 0.20 m3。

2.2 气候变化加剧水资源的供需矛盾

在全球气候变暖的背景下, 我国六大江河径流减小, 未来需水量在人口增加和气候变化下不确定性增加, 我国水资源供需紧张的矛盾将加剧, 这个矛盾在北方地区更为突出。

在过去的 50 年, 我国气温增加了 1.1 ℃。其中,

发。受季风气候的影响, 我国水资源的时空分布很不

华北平原约增加了 1.7 ℃,

其增幅大于华南地区。与

均衡, 洪涝和干旱灾害出现频繁, 农业生产很不稳定。1980 年以来受全球气候变化的影响, 水循环发生了异常变化, 我国北方出现了持续干旱缺水, 南方出现了频繁的洪涝灾害。南涝北旱同时出现的局面, 暴露了现有水利设施抗御自然灾害能力的不足, 现有的防洪工程体系尚难抗御大洪水或特大洪水; 在抗旱方面, 地表水源不足; 干旱缺水已成影响我国社会经济发展和粮食安全的主要瓶颈问题。

水资源供需矛盾突出。据估计, 全国年缺水量

约 400×108 m3, 其中灌区缺水约 300×108 m3, 城市、工业年缺水量约 60×108 m3。全国 669 座城市, 400 个

供水不足, 110 座严重缺水, 年缺水量达 60×108 m3。受水资源时空分布不均的影响, 水土资源在地区上组合的不相匹配, 南方水多耕地少, 北方水少耕地多, 华北、西北的水土平衡矛盾尤其尖锐。北方地区的粮食产量超过全国总产量的 55%, 然而北方地区的水资源并不能可持续地满足粮食生产需要。有研究表明, 到 2050 年, 全国供水量需增加至约 8 000× 108 m3, 才能满足社会经济持续发展的需要, 在

2030 年以前, 我国水的供需矛盾仍将继续存在[1]。

此同时, 降水明显减少, 1955—1979 年, 华北平原年均降水量为 567.9 mm, 而 1980—2009 年, 该地区平均降水量为 503.5 mm, 下降了 11.4%。此外, 干旱发生的频率也在增加。2010—2011 年, 60 年一遇的干旱袭击了华北平原, 在北京地区, 连续 82 d 无降水, 给农作物带来了极大危害。

及时开展水资源系统对气候变化的脆弱性评估和水资源承载力分析尤为重要。气候变化带来水文循环的变化, 引起水资源在时空上的重新分布和水资源数量的改变, 对我国的水安全带来威胁, 使水资源管理增加了难度, 其研究既是国家急需, 又是重大科学问题[3]。

2.3 地下水超采

全国天然地下淡水资源多年平均约为 8 800×

108 m3, 其中, 北方地区天然地下淡水资源约为 2 700×

108 m3, 仅占全国地下淡水天然资源的 31%。由于过去 30 多年经济快速增长和北方(除新疆)气候以暖干为主两方面的原因, 北方地表水严重短缺, 转向对地下水的大量开采。全国每年的地下水消耗量约为1 056×108 m3, 北方地区的地下水消耗量为 922×108 m3,

占全国地下水总消耗量的 87.3%, 而华北平原的地下水消耗量就占了全国总消耗量的 44%。有研究表

明河北省在1984—2008 年期间用于粮食生产的地下

水净消耗量达到 1 390×108 m3, 可引起华北平原中

南部地区的地下水位平均下降 7.4 m[4]。据位于华北平原的中国科学院栾城农业生态系统试验站监测结果, 从 1972 年至 2009 年, 该监测站的地下水埋深已经从 11.06 m 下降至 36.12 m, 每年均下降 0.81 m。由此可见, 华北平原的地下水超采极其严重, 并且业已成为世界上 4 个地下水严重超采的区域之一[5]。华北平原地下水的水量锐减, 局部浅层地下水含水层发生了疏干的现象, 浅层与深层地下水的水位下降范围已达到全平原面积的 90%, 引发了大范围的地面下沉与生态、环境的退化问题。

3 农业节水研究的若干想法

一般来说, 解决水资源问题的途径是开源、节流并举, 但节水是水资源管理的主要任务[6]。我国农业灌溉长期沿习旧的灌溉制度与方法, 用水浪费严重, 华北现灌溉用水量超过农作物合理灌溉水的0.5~1.5 倍, 灌溉水的有效利用率仅 40%左右。推广节水灌溉新技术的面积还很小。因此, 华北地区农业用水存在着巨大的节水潜力[7]。

3.1 水量转化过程是节水研究的理论依据

基于水循环一般规律的水量转化或水交换是水资源评价与合理利用的基本科学依据。水量转化过程包括: 从大气向陆地, 由水汽到降水, 由降水转化为土壤水、地表水、地下水(包括赋存于包气带与饱和带中的地下水); 从陆地向大气, 由土壤、地表、地下的液态水通过蒸发汽化转化为大气水分。在农田生态系统, 存在着包括植物水分在内的五水转化过程。五水是指大气、植物、地表、土壤和地下水层中的水。图 1 中, P、V、R、S 和 G 分别代表降水、植物水、地表水、土壤水和地下水, 五水之间存在着相互作用和相互转化过程(图 1)。

图 1 基于水循环原理的五水转化示意图

Fig. 1 Water transformation among five-kind water based on water cycle theory

P: 降水; V: 植物水; R: 地表水; S: 土壤水; G: 地下水。P: precipitation; V: plant water; R: surface water; S: soil water; G: 地下水 groundwater.

图 1 中不同联线构成的网络表示五水之间的相互作用与转化关系。处于各种状态下的水分之间存在一系列的转化关系, 5 种状态的水分构成一个相互联系的网络; 各种状态的水分可直接或间接地交换, 其数量可按照质量守恒定律计算。

3.2 界面过程调控

农田水分的转化主要发生在在土壤−大气界面、根系−土壤界面、植被−大气界面上(图 2)。因此, 对水分转化的界面过程进行调控, 是节水研究的科学依据。

土壤−大气界面调控: 通过改善作物种植方式、

合理使用耕作措施及覆盖措施, 可以对土−气界面进行调控, 降低农田的无效耗水。作物种植方式显著影响农田能量辐射平衡, 进而影响水分平衡。如: 东西行向玉米种植方式与南北行向比较, 吸收热量多、净辐射多、水分散失多。耕作措施主要是通过改变土气界面的自然结构状态来增加土壤的持水和蓄水能力, 同时达到减少蒸发的目的, 如采用少耕和免耕措施, 可使作物残茬覆盖地表, 从而减少土壤水分蒸发, 提高土壤蓄水能力。秸秆覆盖能有效地集蓄降水, 抑制蒸发, 改善土壤和作物间的水分供需关系, 增加土壤中的养分含量, 改善土壤物理性状。

图 2 农田 SPAC 系统界面水分过程示意图

Fig. 2 Interface processes of water transfer of SPAC system in farmland

根系土壤界面调控: 对根−土界面进行调控,

可有效地提高水分利用效率。调控的对象一般为根系分布和根系吸水活力。根系分布调控就是利用耕作栽培技术改善根系生长的环境以促进根系的定向

生长。深耕能打破犁底层, 促进根系深扎, 有利于吸收土壤深层水分。根系吸水活力与作物遗传特性和作物生长状态等因素有关。选育根系强壮、吸水活力强的作物品种, 可显著增强作物的抗旱性。通过灌溉、施肥、耕作等, 改善土壤水分、养分等状况, 亦可适度调控根系生长活力。

植被−大气界面调控: 为了提高蒸腾效率, 可对

植被−大气界面进行调控。选用高水分利用效率的品种是进行植被大气界面调控的有效方式。此外, 根据作物不同生育时期水分亏缺对其形态、生理、干物质形成和转化的影响差异, 建立作物的非充分灌溉制度, 应用非充分灌溉技术达到不牺牲产量而大量节水的目的。

3.3 农业节水系统研究

农业节水是利用农学和水利工程技术对水、土和作物进行综合管理的复杂的系统工程。农业节水可大致归纳为以下几个方面: 合理开发利用水源,

节水技术措施, 节水农业措施和节水管理措施, 如图 3 所示。

合理开发水资源包括降水的有效利用(雨水收集系统、径流农业、建立土壤水库)、地表水与地下水的联合利用(井渠结合灌溉、地下水回灌)、劣质水的利用(微咸水灌溉、污水处理利用)等几个方面。节水技术措施涵盖了输水工程(渠系配套、渠道衬砌防渗、低压管道输水、地面管带输水)和节水灌溉技术 (滴灌、喷灌、暗灌、渗灌、合理的沟洼灌)等内容。节水农业措施是指适水生产、抗旱育种、节水灌溉制度(灌水定额、灌水次数、灌水时期、灌水间隔)、保墒技术(保墒覆盖技术、保墒耕作措施等)等措施。不同的农业(产业)结构, 不同的农作物布局与耕作制度有不同用水需求。对种植业来说, 就是发展适水种植, 充分利用当地具有的水资源。节水管理措施包括政策体制、技术经济、运营、环境生态等。

图 3 农业节水系统示意图

Fig. 3 Sketch map of agricultural water-saving system

根据中国科学院栾城农业生态系统试验站的研究结果, 农业节水系统可产生较大的效益: 每公顷最高可节水 1 500 m3, 使夏玉米和冬小麦的产量维持在

15 t·hm−2, 产生的经济效益最高为 1 500 元·hm−2。因此, 开展农业节水系统研究, 既可减少水资源的消耗量, 又能提高农业生产的经济效益。

4 农业水问题的解决途径

节水对于保障世界 22%人口的粮食安全具有重要意义, 尤其在未来 20 年, 我国人口将增至 15 亿, 作为用水大户的农业更需要进行系统的、多学科综合的节水系统工程, 才能保障粮食安全。同时, 也应该看到, 当前我国的农业节水潜力很大, 灌溉水的有效利用率与水分利用效率仍具有很大的提升空间。此外, 各种形式的水资源, 如蓝水与绿水、再生水和非传统水资源(雨水和微咸水)都可以在农业上得到利用, 这对于缓解水资源压力具有积极的意义。

4.1 高度重视水资源的科学管理

随着供水规模的扩大和用水量的不断增加, 多

水源、多部门的用水管理是一项复杂的系统工程, 既要有强有力的综合管理, 又要有权威的水主管部门加强对水资源的统一管理, 实现水资源的管理由粗放型向集约型转变[1]。

按流域水文循环的水资源利用单个环节管理。广义的水源是基于降水及其派生水体的所有水源。水在社会流通中有关用水的几个主要的环节为: 供水、用水、耗水、排水、蓄水。根据区(流)域水文循环原理, 追踪水在社会中的流通, 可对单个环节进行管理; 如果把两个或两个以上的环节连接起来就是耦合管理。

基于水循环原理的地表水、外调水与地下水联合利用与管理。实行调水与当地降水、地表水与地下水统一调度管理及联合利用, 这是多水源利用耦合管理方式, 也是水资源利用的优化模式。

4.2 提高水分利用效率

如前文所述, 选用高水分利用效率的品种, 建立作物的非充分灌溉制度; 同时为达到减少蒸发的目的, 采用少耕、免耕、地膜覆盖和秸秆覆盖等措

施, 减少土壤水分无效蒸发, 都是提高水分利用效率的有效途径。

4.3 建立节水农业的市场机制, 促进节水设施建设

面对气候变化下的水资源供需矛盾, 政府在管理上应充分运用经济杠杆节约用水, 正确发挥经济杠杆与相应技术经济措施的作用, 是实现生活节水的关键; 而建立合理水费是发挥经济杠杆作用的核心, 如实行按质论价、按量阶梯水价等。必须采用以市场为导向的水资源管理模式, 因为无论是农业节水、工业节水、城市居民节水, 还是污水处理都需要投资和管理费用, 合理的水价与提高全社会公众节约用水意识是非常重要的。在水资源十分紧缺的地区, 实行经济措施是调节水资源供需矛盾, 促进计划用水、节约用水的重要手段, 应建立完善合理的水资源市场管理机制, 全面建立节水型社会[3]。

4.4 深入开展水循环的基础研究, 充分重视及利用非传统水资源

水循环原理是水资源开发利用最主要的科学依据。根据农田水循环原理, 进行农田水循环界面过程调控, 深入开展节水研究。

陆地上的淡水资源可分为蓝水和绿水两部分[8]。绿水是分子状态的水和受分子力约束的水分, 包括气态水、土壤颗粒束缚的土壤水, 在流域水循环中由降水转化而来, 转化的动力主要是热力。绿水不仅广泛地作为生态用水的主要水源, 而且也是雨养农业的水源。节水农业的中心问题是提高绿水或由降水形成的土壤水和蓝水而来的灌溉水的利用效率。绿水利用的有效性无疑成为判断节水措施的效果与潜力的指标, 包括所有绿水与蓝水的利用率与水分利用效率。

重视虚拟水的研究。虚拟水是指以“虚拟”的形式内含于工农业产品中的水, 其数量上相当于生产产品时所消耗的水量。产品交易引起虚拟水的转移就是虚拟水交易。在国际市场上购买部分本国所需粮食可为缓解缺水问题提供一种途径。

对非传统水资源, 如雨水和微咸水也要加以利用, 大力发展雨水集流技术与微咸水灌溉技术。雨水资源化一定会丰富和更新水资源评价与利用的观念, 对于农业利用来说, 雨水集流加节水技术, 可实现雨水资源的高效利用。

4.5 加强节水农业措施与技术措施的结合

农业必须在节水中求发展, 在节水的基础上可适当扩大灌溉面积, 提高灌溉保证率, 应强调在充分利用自然降水的基础上实行调亏灌溉。农业要彻底改变资源浪费型的传统落后方式, 走“节水增产”

的道路。根据地区的自然条件, 适当调整农、林、牧三业的比例。在北方地区提高林牧业的比重, 降低种植业的比重; 在种植业方面调整粮、棉、油等经济作物比例, 使各地优化后的农业结构, 既能保证农业经济的健康发展, 又能实现节水的目标。

对农业各种节水技术进行集成, 以实现工程与非工程措施的结合。灌溉节水的实现依靠工程与非工程两类措施, 工程措施主要包括渠道防渗、管道输水、田间节水、喷微灌技术和行走式机械灌溉技术; 非工程措施主要为水田浅湿灌、水田旱作、地膜覆盖及膜上灌等技术, 以及通过农艺技术进行节水等。

除了以上措施以外, 通过教育与宣传等手段, 传播节水技术, 提高公众的节水意识, 也是必需开展的工作内容。

参考文献

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