绿水管理机制及其应用前景

裘巧俊, 李 建, 余凯波

(1.湖北省水利水电规划勘测设计院, 湖北 武汉 430064; 2.长江水资源保护科学研究所,湖北 武汉 430051)

水资源短缺严重威胁着粮食安全和社会经济发展。联合国发布的世界水资源开发报告统计表明,20世纪以来全球用水量的增长速度是人口增长速度的2倍,并且预计到2025年水资源短缺危机将蔓延至48个国家的35亿人口[1]。中国是一个水资源短缺的国家,由于时空分布不均,据统计，目前全国约有400多个城市处于缺水状态,其中100多个城市严重缺水[2]。

从水资源利用角度,地表水和地下水(也被称为蓝水)一直以来是人们利用且关注的重点。但是,维持陆地生态系统的重要水源——绿水,却长期没有得到应有的重视[3]。绿水和蓝水概念最早由Falkenmark[4]在1995年提出的,全球约2/3的降水通过森林、草地、湿地和雨养农业的蒸散返回到大气中,成为绿水,而仅有约1/10的降水储存于河流、湖泊及地下含水层中,成为蓝水[5]。这部分被称为绿水的水资源量相当可观,虽不能被人类直接利用,但可以被植物利用,间接转化成可被利用的水资源量。绿水支撑着约占全球耕地面积83%的雨养农业,为世界70%的人口提供粮食保障,是世界粮食生产最重要的水源[6]。因此,开展绿水管理研究在解决水资源短缺粮食安全危机方面具有重要意义。

绿水管理是世界土壤信息中心、国际水资源研究中心和国际农业发展基金会等单位开发的通过生态补偿方法改善环境的一种管理机制。该机制通过水资源下游用户付给水资源上游用户,即农户一定费用,用于安排水管理活动,加强农村水资源管理,改善居住和生产环境,从而最终达到保护环境的目的[7]。该机制旨在通过绿水管理,增加降水土壤入渗率、减少水分无效蒸发、提高生产效率,其意义在于能够优化传统的土地管理模式、完善水资源管理机制和提高水资源保护的全民参与水平。目前该机制在非洲肯尼亚和摩洛哥等国家得到实施,效果显著,并积累了丰富的经验,其中肯尼亚Tana河流域是实施绿水管理的示范区。

笔者从绿水概念与作用、绿水管理措施、绿水信贷等方面,重点探讨绿水管理机制的构成模式和应用前景,以期为国内水资源管理和绿水资源的评价与研究提供参考。

1 绿水的概念与作用

1.1 绿水的概念

1995年在世界粮农组织(FAO)召开的水土大会上,瑞典斯德哥尔摩国际水资源研究所水文学家Falkenmark在会上针对雨养农业与粮食安全问题首次提出绿水(Green Water)和蓝水(Blue Water)的概念。Falkenmark[4]认为,降水在陆地生态系统中可以分为绿水和蓝水两部分。蓝水是降水中储存于河流、湖泊及含水层中可见的水,而绿水则是降水渗透到非饱和土壤中用于植物生长的不可见的水。具体可定义为源于降水、存储于土壤并被植被蒸散发消耗的水资源[5]。因此,绿水由两部分组成,一部分是通过植被蒸散发流向大气圈的绿水流,另一部分是存储于土壤中的绿水存储。

1.2 绿水的作用

图1 绿水管理机制框架

绿水虽然是不可见的水,但是对生态环境及人类生存具有重要意义。在经济服务价值方面,绿水的利用可以分为直接用于经济生物的生长和间接用于湿地及草地等陆生生境功能的维持。一方面,维持地球陆生生态系统健康。绿水在维持陆地生态系统生产功能和服务功能方面具有不可替代的作用,因为绿水主要蕴藏于地球陆生生态系统[8]。从水循环角度分析,全球尺度上总降水的2/3以绿水形式存在,该部分雨水渗透到土壤中并能被植被根系吸收,是植被蒸腾作用和光合作用的重要组份。另一方面,绿水资源是雨养农业的支撑水源,关乎粮食安全和人类福祉。据统计,全球约60%的粮食完全依赖于绿水资源,并且几乎全部的畜牧业肉产品和林产品来源于绿水[9]。另外,人类人均每年大约需要1 700 m3的水资源以满足各种生活需求,但是通常只有约190 m3来自蓝水,因此用于生产和生存所需的大多数水资源均为绿水资源[10]。而且不难预测,雨养农业在未来仍是生产绝大多数粮食的基础,是人类生存繁衍的基本保障。

2 绿水管理机制

2.1 绿水管理机制框架

绿水管理机制由绿水管理措施和绿水信贷两部分构成(图1),流域上游贫困地区的农户通过清洁农业生产方式参与流域的水管理活动,即绿水管理,需要外界资金的支持。同时,经济发展相对较好的下游水用户又需要上游提供清洁水源,因此下游有义务为上游参与水管理活动的农户提供资金帮扶。反过来,上游农户在拿到下游水用户的帮扶资金后,同样有义务按照绿水管理方式实现水源涵养和水质保护,为下游提供清洁水源。绿水管理机制是一种互利共赢的水资源管理模式,该模式能够引导流域利益相关各方长效而稳定地参与流域的水资源管理活动。

绿水管理机制的实施程序为:①通知流域内利益相关方,宣讲绿水管理的目的和时间框架,提高各方对绿水管理的认识;②收集数据,包括流域内现有水量(降水、蒸发和径流等)、土壤条件、上下游水资源利用情况、农作物、经营成本等;③绿水管理措施筛选,即利用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)等水土评估模型定量计算不同绿水管理措施的水量和水质效益,然后利用WEAP(Water Evaluation and Planning)等经济效益评估模型分析不同绿水管理措施的效益成本比率,筛选出适合当地实施的绿水管理措施;④下游水用户通过绿水信贷为上游农户提供小额和定期付款,上游农户落实绿水管理措施,最终在流域上游和下游之间建立一种环境付费模式。

2.2 绿水管理措施

绿水管理措施包括等高条作、地表覆盖、修建鱼鳞坑、堆积石坎、修筑梯田等内容。绿水管理措施的核心是建立土壤“水库”,通过提高降水的土壤入渗率阻断暴雨径流和减少水分无效蒸发这两个最基本的土壤有效管理措施,可以明显地提高水生产效率,消除洪涝和干旱灾害,确保雨养农业的粮食安全。研究表明,秸秆覆盖可减少65%～90%的地表径流,并减少25%以上的非生产性蒸发;水土保持耕作可减少30%～90%的地表径流;并列的山脊、梯田和蓄集雨水可以减少50%～100%的径流[11]。通过控制径流,这些做法保护了土壤,增加了地下水的补给,从而增加了河川基流。

a. 等高条作。农作物和草带交替条播是一个较成熟的实践措施,草带或其他永久性植被带能够有效阻挡土壤和营养物质流速。这些植被缓冲带建立在等高线上,径流流动更缓慢,能够起到拦截泥沙的作用,同时也增加了农业生态系统的多样性。这种植被带其实是一种廉价梯田替代品。

b. 地表覆盖。在农业种植区地表进行秸秆或者杂草覆盖可以有效保护土壤免受侵蚀,减少暴雨造成的冲刷,并且可以保持土壤湿度以及土壤温度的稳定。另外,地表覆盖还可以防止杂草生长,提高生物多样性和增加土壤碳储量。

c. 修建鱼鳞坑。鱼鳞坑主要由平均宽30 cm，高20 cm的潜坑组成,沿等高线建立土脊,每隔一段距离垂直土脊建立一个橫层。橫层约为土脊高度的2/3,因此发生溢流时,水流沿犁沟流动,而不是沿等高线流动。虽然构建鱼鳞坑需要付出较多的精力,但是鱼鳞坑的集水效率和防治土壤侵蚀效果较好。同时,在土脊上种植的农作物生长速度高于比那些无脊地块。

d. 堆积石坎。堆积石坎也叫堆积石线,是将石头按照等高线方向堆积成一道坎或者一条线,石坎方向与坡度垂直,间距根据农田的坡度和当地石材的丰富程度而定。石坎可以起到减缓暴雨径流和阻挡土壤流失的作用。堆积石坎比修筑梯田的成本低,在坡度相对较缓、石材相对丰富的区域比较适合。

e. 修筑梯田。通过沿等高线筑堤来档蓄土壤,形成可耕作的阶梯状田地。梯田适合于石材不够充足且土层相对浅薄的坡耕地区域。

绿水管理措施与传统的水土保持具有较大差异。从资金角度讲,水土保持产生的效益并不能够维持自身发展,而且水土保持由农业推广服务实施,与水的管理政策产生了隔离。但是,绿水管理措施能够将水资源管理和土地管理较好地结合起来。

绿水管理实施的前提是需要利用相关模式筛选出因地适宜的绿水管理措施,要求这些措施不仅具有水源涵养、水质保护和水土保持等方面的生态效益,而且其效益成本比要尽可能高。绿水管理措施的情景模拟和筛选一般选用SWAT等水土评估模型,绿水管理措施的效益成本比一般利用WEAP等效益评估模型进行量化计算。

2.3 绿水信贷

绿水信贷是付给农户用于水资源管理活动的费用。迄今为止,流域上游农户参与水资源管理的工作没有得到下游受益方的承认,也没有得到任何的奖励。通过绿水信贷,上游贫困农户可以得到资金扶助用于绿水管理措施的实施,从而保障下游受益方获得清洁水源。

绿水信贷在绿水管理机制中起到桥梁作用,由下游水用户给中、上游农户提供小额、定期付款支持,可使这些农户采取可持续的土地利用和水资源管理措施。同时,也可以使农民收入多样化,进而摆脱贫困。这种绿水信贷模式是支付环境服务的一种特例。

3 绿水管理机制与生态补偿机制比较

绿水管理机制实际上是一种改善环境的生态补偿方式,并且是一种市场参与为主导的生态补偿方式。绿水管理与中国的生态补偿既存在相似之处,又略有区别,具体表现在以下几个方面:

a. 在内容方面。中国的生态补偿措施,特别是小流域综合治理,实际上已经包含了绿水管理措施的大部分内容,而绿水管理措施更多的是一种理念的创新。绿水管理措施主要针对农耕地,与粮食安全密切相关,具体包括堆积石线、等高耕作、修建鱼鳞坑和梯田、进行地表覆盖等措施。生态补偿的范围则涉及较广,在森林、水资源和矿产开发等领域均有体现,主要包括退耕还林、天然林保护、小流域综合治理、种植结构调整、生态移民、水污染防治和水土保持等措施。

b. 运作方式方面。绿水信贷以市场为主导,通过下游水用户向上游农户直接提供货币补偿的方式运行,最终落实到农户的耕作方式上。而中国的生态补偿措施则以市场为主导,一般通过财政转移支付的方式运作,最终落实到工程项目上。

c. 优势方面。绿水管理能够利用模型进行效益量化,并且能够理清补偿双方的关系。以政府为主导的生态补偿措施则能够保证其顺利实施,并且便于进行区域管理。

d. 存在的问题。绿水管理机制的实施需要收集大量的水文、土壤等信息,大面积推广和应用会受到资料制约。另外,在说服下游水用户认可上游农户绿水管理措施产生的经济和生态效应方面还存在诸多难处。同样,生态补偿措施也存在一些问题,例如补偿措施的实施效果难以量化评估,以政府为指导、缺乏市场参与,缺乏系统的生态补偿框架,生态补偿标准不够合理,以项目工程为主的补偿方式缺乏可持续性,以及缺乏广泛的公众参与等。

因此,建议将绿水管理机制引入中国的生态补偿机制,二者取长补短,实现优势互补。

4 绿水管理机制的应用

绿水管理机制是对水资源管理和传统农业耕作方式的提升,这种以土壤水高效利用为核心的水资源管理模式在农业节水、流域生态补偿和流域水资源管理等方面具有广阔的应用前景,主要表现在以下几个方面:

a. 在农业节水领域,由于绿水管理措施采用增加降水入渗的耕作方式,可以有效提高作物的用水效率,对于干旱和半干旱地区的农业发展具有重要意义。我国是季风作用非常明显的国家,而且地理环境、气候条件差异很大,绿水资源的时空过程都有不同特点,因此在管理方式和途径上都存在差别。针对湿润多雨地区,重点开展能够有效控制土壤流失和农业面源污染的绿水管理措施,同时结合小流域综合治理等措施,增加生产性绿水在区域水资源总量中的比重;针对干旱和半干旱地区,重点开展能够有效增加植被蒸腾、减少无效蒸发的绿水管理措施,通过绿水管理缓解因降水年内分配不均引起的水资源短缺。

b. 在流域生态补偿领域,绿水管理在生态补偿机制的探索和生态补偿措施的效果评估两方面发挥重要作用。一是绿水信贷的实施可以探索出一种以市场为主导的生态补偿模式,在流域上下游之间建立起一种基于补偿关系的沟通桥梁。由下游水用户向上游农户提供小额和定期付款,可使这些农户采取可持续的土地和水管理技术措施;同时,也可使他们收入多样化,帮助他们摆脱贫困;二是绿水管理的效益评估模式可以用来量化评估我国生态补偿措施的实施效果。我国以小流域综合治理为代表的生态补偿措施,包含了水土保持农业耕作措施、林草措施等内容,与修筑梯田、地表覆盖和等高耕作等绿水管理措施具有极大的相似性。因此,利用绿水管理措施的效益评估模式来量化以小流域综合治理为代表的生态补偿措施,具有较大的可行性。

c. 在水资源管理领域,在丰富水资源评价内容和指导流域规划方面具有一定的发展空间。一是“绿水”概念使人类跳出了传统水资源定义的禁锢,能够在更广义的水资源范畴内思考水资源的可持续利用问题。这是人类对水资源认识上的一个重要突破,也是对“绿水”未来在全球发展的最大意义所在。因此,绿水和绿水管理概念的提出是对传统水资源管理理念的丰富和革新,将传统水资源范畴由蓝水拓宽到绿水,绿水资源评价将更加丰富传统水资源评价的内容;二是绿水管理与评估模式可以用来指导流域水资源保护、水土保持和水污染防治规划。绿水管理能够在水源涵养、水土保持和面源污染控制等方面起到很好的效果。因此,可以利用绿水管理模式来指导流域的相关规划,在进行规划时预先通过绿水管理措施的效益评估来预测和指导规划的相关具体内容。三是绿水管理机制的应用可以与国家和地区的虚拟水战略联系起来，从提高虚拟水利用效率的角度，缓解因蓝水资源缺乏导致的经济发展瓶颈问题。

参考文献：

[1] 韩雪,刘玉玉.虚拟水研究进展[J].水利经济,2012,30(2):17-21.

[2] 刘惠玲.水资源短缺的现状、原因及对策[J].科技与企业,2012(7):27-28.

[3] 吴洪涛,武春友,郝芳华,等.引入绿水概念的水资源评估及管理革新研究[J].未来与发展,2008(10):2-9.

[4] FALKENMARK M.Coping with water scarcity under rapid population growth [C].Pretoria: Conference of SADC Minister，1995.

[5] RINGERSMA J,BATJES N,DENT D.Green water definitions and data for assessment (ISRIC Report) [R].Wageningen: ISRIC-World Soil Information,2003.

[6] ALEXANDRATOS N,WILEY J,CHICHESTE S.Word agriculture: towards 2010[R].Brighton: FAO,1995.

[7] HUNINK J E,IMMERZEEL W W,DROOGERS P,et al.Impacts of land management options in the Upper Tana,Kenya using the soil and water assessment tool-SWAT [R].Green Water Credits Report 10.Wageningen: ISRIC World Soil Information.2010.

[8] 程国栋,赵文智.绿水及其研究进展[J].地球科学进展,2006,3(21):221-227.

[9] COSGROVE W J,RIJSBEMAN F R.World water vision-making water everybody’s business [C].London: Earthscan Publications Ltd,2000.

[10] ROCKSTROM J.On farm green water estinates as a tool for increased food production in water scarce regions [J].Water Science and Technology,2001,43:71-78.

[11] TOLK J A,HOWELL T A,EVETT S R.Effect of mulch,irrigation and soil type on water use and yield of maize [J].Soil and Tillage Research,1999,50: 137-147.