农业水资源高效利用的若干问题研究.docx
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农业水资源高效利用的若干问题研究
农业水资源高效利用的若干问题研究
摘要:
农业水分利用效率（WUE）是消耗单位水所获得的农产品产量,是农业水资源高效利用的核心问题。
综合国内外研究成果,阐述农业水分利用效率的研究尺度、计算方法和影响因素,并讨论提高WUE的主要技术措施,其中引入基于ET的科学水管理理念;分析WUE与灌溉水量、有效降水量和有效灌溉面积的关系;讨论利用WUE进行水资源利用评估时存在的问题,以及今后的研究重点。
关键词:
农业水分利用效率;影响因素;研究尺度;计算方法;ET管理
中图分类号:
TV323.213文献标识码:
A文章编号:
1672-1683（2010）01-0082-06
StudiesonRelevantIssuesonHighEfficientUseofAgriculturalWater
WANGHai-long1,WANGHui-xiao1,LIUHai-jun1,ZHANGChuan-xia2
（1.KeyLaboratoryforWaterandSedimentSciences,MinistryofEducation/CollegeofWatersciences,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China;2.BeijingHuaxingExplorationNewtechnologyCorporation,Beijing100035,China）
Abstract:
Agriculturalwateruseefficiency（WUE）istheratioofoutput（inmostcasesusingyield）towaterconsumption,whichisthecoreissueofagriculturalwaterhighefficientuse.Thisarticlesynthesizedtheliteraturereleasedhomeandabroad,representedtheresearchingscalesofagriculturalwateruseefficiency,aswellasthecalculationmethodsandinfluencingfactors;alsothissynthesissummarizedtechniquesofimprovingWUE;awatermanagementconceptbasedonETwasparticularlyintroduced.Besides,therelationbetweenWUEandirrigationwateramount,effectiveprecipitationandeffectiveirrigationareawasanalyzedindetail.Inconclusion,themainproblemswerediscussedwhenusingWUEtocomparewateruseefficiencyamongdifferentregionsanddifferentcrops,andthemajorissuesthatneedtobefurtherstudiedwerepointedout.
Keywords:
WUE;InfluencingFactors;StudyScalesofWUE;CalculationMethods;ManagementBasedonET
0引言
在干旱半干旱地区,水分和养分是限制作物产量的主要因素。
作物在其生长的某些特定阶段对水分和养分的亏缺较为敏感,而过量灌溉会增加成本且对环境具有潜在危害（如肥料流失造成的污染）[1],因此提高单位水量所获得的粮食产量便具有重要的现实意义。
作物消耗单位水量所获得的产量即为农业水资源利用效率（wateruseefficiency,WUE）。
作物产量和消耗的水量一般受区域的光热资源、品种资源、土地资源以及水资源等因素的影响,在我国,农业水资源利用效率以省为单位的研究较多,如张永勤等（2001）[2]计算得到南京地区的粮食水分生产效率为1.14kg/m3,卢玲等（2007）[3]分析了西部地区WUE时空分布格局。
对农业水资源利用效率的比较一般集中在同一时期不同地区的WUE的比较,描述各地农业输水措施、灌溉措施、作物品种、农业措施等对于农业水资源利用效率的影响。
我国广大北方干旱半干旱地区近十年来降水量偏少,主要依靠灌溉保证和提高粮食产量,因此和世界上许多国家一样,未来增加的粮食需求主要依靠灌溉农业来满足。
联合国粮食及农业组织（FoodandAgricultureOrganization,简称FAO）分析结果中预计调查的发展中国家的灌溉面积到2030年增加约23%,但有效灌溉面积增加约34%,这意味着今后需要利用更多的灌溉耕地来实现粮食的增产[4]。
从1949年到2000年,我国灌溉面积由0.16亿hm2增加到0.55亿hm2,灌溉耕地约占40%,V灌溉面积上生产的粮食占到全国总量的3/4,棉花、蔬菜占全国总量的90%以上[5]。
在进行了多年的节水农业研究后我国学者将水分利用效率视为节水农业的最终目标,认为高水平的水分利用效率是缺水条件下农业得以稳定发展的关键。
本文综合国内外研究成果,阐述农业水分利用效率的计算、影响因素以及提高WUE的技术方法,引入近年国内发展起来的基于ET的水资源管理理念提高WUE,总结水分利用效率利用过程中存在的问题,并讨论今后的研究重点。
1农业水分利用效率的内涵及研究尺度
水分利用效率对不同用水对象（如作物、渔业、林业、家畜养殖、工业等）具有不同的概念解释[6],但在本质上都是水资源的产出与投入之比。
在农业研究中侧重于单位水量所获得的农产品产量。
水分利用效率的研究经历了宏观到微观的过程,在田间水平上的研究达到一定程度后,国外首先开始有学者转向叶片水平的研究[7-8],考虑了胞间CO?
?
2浓度和气孔行为对水分利用效率的影响。
现在研究水分利用效率的三种尺度分别为叶片水平、群体水平和产量水平。
我国开展水分利用效率研究以来也取得了丰富的成果,针对叶片水平[9-10]、群体水平[11]和产量水平[12-13]的水分利用效率均有研究。
QIU等（2008）[14]通过实验计算了中国华北平原冬小麦叶片水平的WUE别为2.1~3.3μmolCO?
?
2/mmolH?
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2O,生物量水平上的WUE为1.0~2.6kg/m3,产量水平上的WUE为1.1~2.1kg/m3。
王会肖等（2000,2008）[15-16]总结过三种水平上的水分利用效率计算方法。
叶片水平上的水分利用效率指单位水量通过叶片蒸腾散失时光合作用所形成的有机物量,它是植物消耗水分形成干物质的基本效率,即水分利用效率的理论值,表示为:
WUE?
?
l=P?
?
nT?
?
l
（1）
式中:
P?
?
n―叶片净光合速率;T?
?
l―叶片蒸腾速率。
群体水平上的水分利用效率指作物群体CO?
?
2通量与作物蒸腾的水汽通量之比,用来表征田间或区域的水分利用效率,表示为:
WUE?
?
c=F?
?
cT
（2）
式中:
F?
?
c―作物群体CO?
?
2通量;T―作物蒸腾水汽通量。
产量水平上的作物水分利用效率指单位耗水量所获得的作物产量,表示为:
WUE?
?
y=YWU（3）
式中:
Y―作物产量;WU―作物耗水量。
产量水平上的水分利用效率中的作物产量也可以用总干物质量表示;耗水量可以用灌溉水量（I）、作物蒸散量（ET）或降雨量（P）等表示。
对ET的计算可采用水量平衡法[17-18]或FAO-56推荐的Penman-Monteith公式[19],近年来又出现应用遥感理论计算ET[20-21]。
在水资源匮乏的干旱半干旱地区,降水量很小,在灌溉农业背景下,研究适时适量灌溉时基于灌溉量的利用效率研究更为重要。
由于气象要素直接影响着作物耗水量和产量,在辐射强度大、温度高、风速大和相对湿度小的区域,一般作物的耗水量也较大,在水分充足条件下该区域的作物产量也较高。
但是气象条件对作物耗水量和产量的影响一般不是同比例的,因此气象因素随区域地理位置的不同会影响到水资源利用效率的大小。
因此有人提出消除区域气候差异影响的农业水资源利用效率[22],以区域为研究单元,假定地形比较平坦且土层较深,土壤水分供应充足、适度水分亏缺情况下,以作物需水量（ET?
?
0）和实际农业总用水量（I+P）的比值表示水资源利用效率,比值越大效率越高。
这种计算方法不用考虑作物产量,而由于采用作物系数为1,用ET?
?
0代替ET便去除了气候对耗水量的影响,这是一种较新的尝试,但理论上还需要深入研究。
我国很多学者针对不用的水量计算了主要作物的水分利用效率,如张岭梅等（2008）[23]在西北干旱区河西走廊中部的临泽绿洲研究玉米种子大小和灌溉制度对产量和水分利用效率的影响时,采用灌溉水量计算WUE,得出灌溉量为7500m3/hm2时水分利用效率最高,为1.07kg/m3;郑捷等（2008）[24]分析了中美两国主要作物的灌溉水分生产率,结果表明:
美国13个州玉米、小麦和水稻平均的灌溉水分生产率分别为2.94kg/m3、1.24kg/m3和1.39kg/m3,而中国10个省市226个大中型灌区3种作物平均灌溉水分生产率分别为2.04kg/m3、1.19kg/m3和0.80kg/m3;段爱旺和张寄阳（2000）[25]以农田实测耗水量（包括灌溉水、降水及土壤贮水和地下水补给）对全国22个省（市、自治区）,从1980年到1988年7大类、10小类的主要粮食作物的水分利用效率进行了分析计算,得出平均WUE水稻为0.70kg/m3,小麦为1.27kg/m3,玉米为1.72kg/m3,谷子为0.92kg/m3,大豆为0.57kg/m3,高粱为0.91kg/m3,全国主要粮食作物的平均水分利用效率为1.10kg/m3;魏永霞等（2007）[26]研究大豆水分利用效率时采取田间实测作物耗水量计算,得出不同水量处理下大豆的产量和水分利用效率值;崔晓军等（2008）[27]研究不同水分处理下旱稻农田蒸散特征时,以农田蒸散量计算水分利用效率,得出平均水平在0.71~1.0g/kg。
这些研究主要集中在一种计算方法,很少将三种或两种不同用水量下的水分利用效率进行比较分析,难以体现哪种计算具有更大的现实意义。
利用水利部2004年《水资源公报》、国家统计局2005年统计年鉴,收集全国324个地级市,752个气象台站的监测数据,利用区域气候变异影响的农业水分利用效率计算方法,对有效降水量、节水灌溉面积、灌溉水量与水资源利用效率的关系进行了分析,结果见图1、图2和图3。
图1WUE与年有效降水量的关系
图2WUE与灌溉水量的关系
图3WUE与节水灌溉面积的关系
通过分析得出农业水资源利用效率随着有效降水量的增加而减小,二者显著线性相关（P<0.01）;随着节水灌溉面积比例的增加而逐渐增加,两者显著（P<0.001）线性正相关;
随着灌溉水量的增加而减小,且当年灌溉水量低于500mm时,减少灌溉水量对水资源利用效率影响较大,而当灌溉水量大于1000mm时,增加灌溉水量对水资源利用效率的影响较小。
2农业水分利用效率的影响因素
对农业水分利用效率的影响主要是通过对产量和用水量的影响实现的,影响因子很多,本文主要总结几个重要方面进行论述。
2.1作物类型
CO?
?
2和O?
?
2在叶片气孔进行交换时,作物不可避免地要丧失一部分水分,数学模拟交换过程表明水分利用效率是叶片内外CO?
?
2和O?
?
2浓度梯度的函数,所以气孔行为将影响WUE的高低。
研究普遍认为C4作物比C3作物具有较高的水分利用效率[28]。
在20世纪90年代,Zhang等（1998）[29]经过长期的小麦抗旱生态育种研究认为,高WUE育种能将抗旱性和丰产性集于一体,通过改变小麦的生长发育模式,使其早长根,长粗根和深根,从深层土壤中吸取大量的水分,提高小麦的抗旱性和WUE,从而保证品种高产潜力的发挥。
易镇邪等（2008）[30]研究不同夏玉米品种水分利用效率时选取郑单958和农大108两个品种,发现WUE具有明显的基因型差异,施氮肥与不施氮肥条件下郑单958均大于农大108。
Imma和Jose（2006）[31]发现灌水处理相同条件下玉米比高粱产量高,但在适度缺水或严重缺水条件下高粱的产量更高,高粱从深层土壤吸水的能力比玉米强,高产低水导致WUE较玉米要高。
可见不同的作物具有不同的水分利用效率,选取合适的品种进行适度的抗旱或限量灌溉栽培,可以获得较高的WUE。
而在调整区域作物种植结构时,也应充分考虑当地水土资源实际情况,选取适当的作物品种,从而充分利用水资源,提高水分利用效率。
2.2土壤因子
这里的土壤因子主要指土壤水分和土壤养分。
在作物整个生育期内农田水分主要消耗在土壤蒸发和作物蒸腾上,生长初期土壤蒸发为主,随着作物生长土地覆盖面增大水分流失以蒸腾为主[32]。
土壤质地和有机质含量决定着水分的储存和释放,影响产量和水分利用效率,营养物质尤其是氮素含量低则影响叶片生长速率,加速土壤水分蒸发,土壤有机物还会对其他营养物质、微生物活动造成影响[1,33],王晓凤等[34]分析不同灌溉方式和氮肥施用量处理下冬小麦的产量和水分利用效率,结果也反映出氮肥施用量在一定范围内升高对产量和水分利用效率具有积极的作用。
Sadras（2003）[35]研究发现在粗糙质地土壤中大部分降雨都被蒸发损失掉,能被作物生长利用的水分就非常有限,进而必然影响产量和WUE。
QIU等（2008）[14]证明不同的灌溉水量条件下小麦作物对土壤水含量具有较明显的响应关系。
孟凯等[36]长期定位试验研究黑土农田不同水肥作物产量和水分利用效率的变化结果表明,大豆对水分条件变化较敏感,玉米对养分变化较敏感,大豆、玉米和春小麦的产量和水分利用效率均随着施肥水平,即土壤养分的增加而相应增加。
另外,很多研究[37-39]发现一定程度的土壤水分亏缺不会在很大程度上影响作物产量,但水分利用效率却能够明显升高。
质地优良,有机质含量高,肥力足的土壤蓄水保墒能力强,有利于作物高产和高效用水。
2.3农田管理
这里主要描述高速发展的节水灌溉措施和农艺措施。
黄玉芹等（2004）[40]在内蒙古赤峰进行果树喷灌实验,发现和常规灌溉相比喷灌具有节水增产的效果。
刘小飞等（2008）[41]探讨喷灌模式下冬小麦耗水规律及喷灌水量与产量的关系时,得出了关键期灌水和灌水量是影响冬小麦产量的主要原因,灌水量相同时拔节-抽穗期灌水更能提高小麦产量和水分利用效率的结论。
据估算,半干旱区蒸发量占降水量的55%～65%,相当于作物总耗水量的1/4～1/2,秸秆或地膜覆盖可以有效降低土壤水分蒸发,增加WUE[42]。
种子大小,播种时间,土地平整,农药的使用等都会影响WUE,Cooper和Gregory（1987）[43]认为任何能促进作物快速生长至覆盖地表（如合理密植,适当增加茎叶密度等）、去除杂草、减小风速的措施都有可能增加作物的水分利用效率。
姚爱华等（2008）[44]研究不同保护性耕作方式对冬小麦叶片水平水分利用效率的影响时指出,免耕和深松耕有利于改善土壤物理结构,增加土壤的蓄水保墒能力,提高水分利用效率。
推迟水稻插秧（如水稻苗生长55~65d后）会增加产量,而且能缩短水稻在田间的生长期,并能提早收获,也就是说可以减少用水量,提高水分利用效率[45]。
针对农田实施的管理措施主要目的是降低土壤水分无效流失,增加土壤保水性能,提高作物生长各环节对水分和养分的利用程度,进而提高产量和水分利用效率。
2.4其他因素
一般认为水资源利用效率随着有效降水量的增加而减小[30];随着灌溉水量的增加而减小[46,14];随着节水灌溉面积的增加而逐渐增加[47]。
气候条件的差异会导致降水和产量的差异,气象条件对作物耗水量和产量的影响一般不是同比例的,因此气象因素随区域地理位置的不同会影响到水资源利用效率的大小。
此外,影响农业水分利用效率的因素还包括经济投入因素（为了更换灌溉系统设备,如喷灌设备,滴灌设备及其他输入管道设备,铺设输水防渗渠道,必须要增加经济投入）、工程设施配套情况、水管理制度等。
3提高水分利用效率的主要措施
提高水分利用效率就是提高单位耗水的产出,可以是在现有作物耗水量基础上,也可以是降低作物耗水量。
经过以上的分析不难看出主要就是两条途径:
一是减少水分无效消耗,主要为无效蒸散量和深层渗漏水量;二是提高生物量和产量。
有许多方法可以应用,如有限灌溉,合理化水管理,优选种子,增加肥力及其他农业措施。
从影响因素分析中总结以下几种主要方法提高WUE。
3.1采用先进的灌溉方式
目前采用较多的先进灌溉技术主要有波涌灌溉、畦田灌溉、喷滴灌以及非充分灌溉、分根交替灌溉等。
非充分灌溉是灌水量不能完全满足作物的生长发育全过程需水量的灌溉,将有限的水资源科学合理（非足额）地安排在对产量影响比较大,并能产生较高经济价值的水分临界期供水。
分根交替灌溉就是人为地保持根系活动层的土壤在水平或垂直剖面的某个区域干燥,使作物根系始终有一部分生长在干燥或较为干燥的土壤区域中,限制该部分的根系吸水,同时通过人工控制使根系在水平或垂直剖面的干燥区域交替出现,使干燥区的根系产生水分胁迫信号传递到叶片气孔进行调节,而湿润区的根系吸收水分满足作物的生长需求。
这些灌溉措施共同之处在于都是使作物在水分胁迫条件下调节自身的生理过程,并在做出适应性反应后保持产量水平,从而使水分利用效率得到提高。
波涌灌溉是先进的地面灌水方法,采用间歇供水方式向沟（畦）放水,整个灌水过程根据畦田的长度被分为几个供水周期,与传统的地面灌溉相比,水流不是一次性推进到沟（畦）的末端,而是分阶段完成。
相关研究很多,如丁林等（2007）[48]在甘肃秦王川灌区研究了调亏灌溉下蚕豆的产量、水分利用效率和经济效益,发现在苗期或拔节期轻度缺水条件下比充分灌溉条件下蚕豆增产14.05%和9.09%,节水10.92%和4.14%,经济效益提高16.16%和21.94%。
Sam等（2009）[49]总结全球有限灌溉的实验,认为确实能在产量降低不多的前提下提高WUE。
宋磊等（2008）[50]研究桃树WUE发现分根交替灌溉比常规灌溉产量低10%,供水量降低50%,WUE升高75%。
杜太生等（2005）[51]在甘肃石羊河流域研究分根交替灌溉对棉花产量、WUE的影响,发现根系分区交替滴灌技术在大田条件下可使籽棉产量比常规滴灌处理提高21.1%,总水分利用效率和灌溉水利用效率分别提高17.9%和20.9%。
张芮等[52]采用大田膜下滴灌调亏实验分析玉米不同生育阶段水分胁迫对玉米籽粒产量和水分利用效率的影响,得出灌浆至成熟期缺水可在不明显降低产量的基础上提高制种玉米水分利用效率。
大量实验结果表明,分析作物的需水特性,进行适时适量调亏灌水,或采用先进的滴灌、波涌灌等技术能保证产量的稳定同时降低水资源消耗并增加WUE。
3.2提高土壤肥力
很多研究都指出土壤肥力对水分利用效率的提高贡献很大,肥料能提高作物的净光合作用速率,改善作物的水分关系,提高作物的渗透调节和气孔调节能力,促使根系扩张,进而增加作物水分利用和营养物质吸收。
刘忠民等（1998）[53]指出在宁夏黄土半干旱条件下合理施肥能最大程度地提高产量和WUE。
Deng等（2003）[54]认为土壤养分能提高WUE并有生物节水作用。
孟凯等（2005）[36]长期定位试验对黑土农田不同水肥条件作物产量和水分利用效率的变化研究,表明大豆对水分条件变化反映较敏感,而玉米对养分条件变化反映较敏感,适宜水分条件下作物随施肥水平的提高,其产量与水分利用效率相应增加;有机加无机肥配施处理作物随水分含量的增加,其产量与水分利用效率相应提高。
严昌荣等（2006）[55]研究不同施肥水平对半湿润偏旱区春谷子生长发育和水分利用效率的影响结果表明,一定施肥水平内随施肥量的增加,春谷子株高、单位面积穗数和千粒重均有所增加,春谷子水分利用效率增加11.56%～16.24%。
张岁岐和李秧秧（1996）[56]研究指出旱地施肥明显提高了作物产量和水分利用效率,但干旱程度影响肥效的发挥。
因此,在作物得到水分供应前提下,将土壤肥力提高到合理的范围,对作物产量和水分利用效率的提高具有重要的意义,一般施肥和灌水结合进行,通过增施肥料,以肥调水,水肥耦合,促进高产和WUE的提高,是我国在20世纪80年代旱地农业研究中的一个重要成果。
3.3基于ET的合理化水管理技术
如今农业节水研究的重点逐渐转移到“资源型节水”和“效率型节水”上来,即减少无效蒸发蒸腾量、其它不可回收水量和提高单位水的生产效率[57-58],也就是真实节水,其核心内容是在保证产量的前提下最大限度地降低灌溉水的无效蒸散值,提高水分生产效率。
流域的水资源总量是一定的,要保证流域水资源平衡,实现真正意义上的农业节水和高效用水,降低蒸发蒸腾量是最有效的途径。
ET管理的核心就是演示和发展一种水管理方法,即对ET的监测和管理,通过减少无效或低效的ET,实现真实节水,合理配置水资源,使全流域在可持续发展的同时,在一段时间内逐渐恢复到一个较好的水平衡和生态环境。
这种管理理念是根据可供蒸发蒸腾水量的分布来规划用水分配,以供定需,使有限的水资源能够得到合理充分的配置和利用,以缓解水资源紧张的形势,并确保作物产量的稳定,提高水分利用效率。
ET管理工作总体上可分为两步,一是确定流域水资源管理目标（即确定可消耗的目标ET）,二是根据目标最优分配水资源。
假定在一定时间范围和区域范围内,地表水储量和地下水储量处于安全状态、时段初与时段末储量变化为零的条件下,时段来水和时段出流与消耗之和均衡,即
P+T=O+ET（4）
式中:
T―外来水量;P―本地降水量;O―系统出流量[59]。
对于规划水平年目标ET的确定,尽可能选取较长历史系列的相应数据,根据水平衡方程以年内均衡为条件（即假设年内系统内部蓄水量变化为零）,逐年计算区域可消耗ET总量,对所得各年可消耗ET量进行频率分析,可以获得不同频率下的区域可消耗ET总量。
国内一些学者对ET管理做了许多尝试和探索。
赵瑞霞等（2007）[60]在河北临漳县进行了ET的水权分配研究,将该区域总耗水量ET分为ET工业、ET生活、ET环境和ET综合四部分,ET综合是指耕地和非耕地的ET之和,两者按一定比例计,而耕地的ET值是通过播前播后、灌前灌后土壤含水量的监测计算单一作物的ET,然后根据耕作面积来计算的。
具体分配的水量是降水量、临漳引用渠水量、河道渗漏补给量与民有渠过境引水入渗量之和,然后根据各地面积加权平均分配各自的水量,再根据耕地与非耕地面积加权分配耕地与非耕地ET。
王树谦等（2008）[61]认为针对特定的研究区域目标ET值应等于该区域的水资源补给总量（降水量及人出境水量差之和）,并应考虑不同水平年分析确定目标ET,进行水权分配。
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