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.pdf

地 理 学 报ACTA GEOGRAPHICA SINICA第78卷 第7期2023年7月Vol.78,No.7July,2023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/dlxb2023070121 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0.81.0 m/a4；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 NaturalScience 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:1718-1730页7期沈彦俊 等：地理学视角的农业节水理论框架与水资源可持续利用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 agriculturalwater consumption and its productive and ecologic effects1719地 理 学 报78卷源管理水平的提升，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17207期沈彦俊 等：地理学视角的农业节水理论框架与水资源可持续利用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20022018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，每图2农业综合节水研究体系及其框架Fig.