陕西省农业灌溉水资源保障程度及空间差异分析*

陶 冶，李 军，冯开文

(中国农业大学经济管理学院，北京 100083)

0 引言

粮食安全关系着国计民生，粮食安全能否得到有效保障，对人民的生活、社会的稳定和经济可持续发展具有重要的影响[1]。有研究表明，耕地面积相同的前提下，水浇地的粮食种植经济收益可以达到旱地的2～4倍，对于粮食生产来说，农业灌溉用水的贡献度可以超过40%[2]。可见农业灌溉用水安全是粮食安全的基础，对保障粮食安全生产具有重要的作用，进而促进人类社会持续发展[3]。然而，随着城镇化进程和工业化的发展，农业灌溉用水量不断遭到挤占，灌溉份额不断减少[4]，加上农户尚未改变粗放型传统用水方式，造成农业灌溉用水的大量浪费，会因农业灌溉用水缺乏直接导致粮食减产，影响正常农业生产和社会稳定[5]。

我国西北地区属于干旱、半干旱地带，陕西省地处我国西北地区中心，是我国的农业生产大省，其粮食生产的可持续发展对陕西以及西北地区甚至全国的粮食安全起着重要的作用。然而陕西省水资源匮乏程度很高，尤其是农业灌溉用水资源方面，省内分布严重不均衡，南部地区水资源量占据全省水资源总量的70%以上，北部及关中地区水资源缺乏且分布存在较大差异性，很大程度上影响该地区的粮食生产。因此，分析陕西省各市区农业灌溉用水存在的空间差异性，在此基础之上有针对性地提出节水措施，进而促进陕西省农业灌溉用水资源利用率，对保障陕西省粮食生产安全具有非常重要的意义。

近年来，我国农业改革进入到攻坚阶段，农业资源供给侧改革稳步推行，农业灌溉用水资源如何有效合理化利用逐步提升至国家粮食安全生产战略性议题，对干旱、半干旱地区粮食生产如何有效利用农业灌溉用水进行研究显得极为重要。关于农业灌溉用水资源合理利用方面，现有研究大多集中在农业灌溉用水资源承载力评价、农业灌溉用水效率等方面，从灌溉水资源供给和需求方面构建农业灌溉水资源保障度分析模型，进行定量的分析区域水资源对粮食生产的保障程度的研究较少。因此，文章选取2016年陕西省各市区农业灌溉水资源相关数据，分析农业灌溉水资源对各市区粮食生产的保障程度，进而总结陕西省农业灌溉用水存在的空间差异分布状况，在此基础上有针对性地提出陕西省各市区农业灌溉用水资源利用效率的政策建议，保障陕西省粮食安全生产。

1 陕西省水土资源态势与粮食生产

1.1 陕西省淡水资源利用现状及分布情况

陕西省淡水资源总量为271.48 亿m3，占全国淡水资源总量比例较少，省内淡水资源分布严重不均，呈现南多北少的局面，关中地区淡水资源量占陕西全省淡水资源总量的18%，陕北地区淡水资源量仅占陕西全省淡水资源总量的11%。而且陕西全省境内气候干旱，淡水资源蒸发量大，超过年平均降水量，淡水资源呈现负增长态势。根据统计资料，陕西省人均水资源拥有量仅占全国平均水平的53%，农业灌溉用水方面，亩均灌溉水资源拥有量仅占全国平均水平的41%，缺水情况非常严重。在流域分布上，占陕西省土地面积35%的长江流域，拥有全省淡水资源总量的70%，而占土地面积65%的黄河流域，只拥有全省淡水资源总量的30%[6]。可见陕西省淡水资源分布严重不均衡，加之农业灌溉用水利用率不高，对农业生产造成很大的不利影响。

表1 陕西省三大区域淡水资源分布状况

地区平均降水量(mm)蒸发量(mm)土地面积比重(%)水资源比重(%)陕北4501 10040.2911关中6501 08024.2718陕南80085035.4471 数据来源: 2017《陕西统计年鉴》

图1 陕西省耕地面积和粮食产量
数据来源： 2017《陕西统计年鉴》

通过对比陕西省三大区域淡水资源分布状况，可以明显看出该省淡水资源分布存在显著的地域性差异(表1)。从经济发展角度来看，关中地区为陕西省的经济中心，年平均GDP占陕西全省GDP的80%以上，然而该地区淡水资源量只占全省淡水资源总量的18%； 陕北地区土地面积占陕西省土地总面积的40.29%，但是其淡水资源量的比例占比最少，仅有11%； 陕南地区土地面积占陕西省土地总面积的35.44%，然而其淡水资源比例占全省淡水资源总量的71%。从降水量和蒸发量来看，陕西省的降水量存在地域性差异，全省年降水量呈现自南向北逐渐减少的趋势，在关中和陕南地区呈现自西向东逐渐递减的趋势。陕西省三大区域的蒸发量都大于降水量，陕北地区的年平均降水量在3个区域中最少，但是其年平均蒸发量却是最大的，二者比例将近3： 1，导致该地区淡水资源严重缺乏，这种淡水资源空间分布极不均匀的情况导致陕西省经常出现淡水资源短缺问题。

随着近年来现代化的发展，陕西省逐步施行传统经济转型战略，工业化速度加快，拉动经济快速增长的同时造成自然资源的大量消耗，其中最为明显的就是传统用水结构发生巨大变化，农业用水比例不断下降，工业用水和生活用水比例不断增加，这种情况对一直处于干旱条件下的陕西省农业生产造成了越来越大的不利影响。

1.2 陕西省土地资源及粮食生产情况

根据近20年陕西省耕地面积和粮食产量统计，可以看出该省耕地面积变化呈现起伏性态势，具有一定的阶段性特征，其耕地面积变化最剧烈发生在2000—2006年，陕西省耕地面积大幅度减少， 2006年至今耕地面积基本保持不变。其根本原因是2006年起国家层面严格控制非农用途对农业优质耕地面积的占用，尤其是基本农田的不合理占用，在此背景之下，陕西省采取耕地复垦、整理等措施在一定程度上增加了可用性耕地面积。随着农业科技水平的提高，2006—2012年陕西省粮食产量逐年升高，然而随着工业化进程的加剧，农业灌溉用水量被大幅削减，导致自2012年起，陕西省因缺少农业灌溉用水导致粮食开始减产(图1)，随着陕西省传统用水结构的不断变化，农业灌溉用水比例不断下降，陕西省粮食平均单产虽然逐年略有增长，但是有效灌溉耕地面积逐年减少，导致省内粮食产量始终没有明显增幅，形势不容乐观[7]。

2 农业灌溉水资源保障度分析模型

对于区域性农业灌溉用水资源保障度定量分析，一般需要考量该地区农业灌溉用水资源供给和需求两方面的平衡关系，进而构建该区域农业灌溉水资源保障度分析模型。此模型最早是由我国学者甘红[8]提出的，该文在前人研究的基础之上继续丰富模型内参数指标，能够更加准确地反映陕西省各市区农业灌溉用水资源保障度，进而分析其差异性，具体模型构架见图2。

图2 农业灌溉水资源保障度分析模型框

2.1 模型中参数概念解释

2.1.1 水资源开发利用率

该指标是指在不危害当地生态环境的情况下，开发利用的水资源量占水资源总量的比例。参考之前学者的研究结论，指标数值理想状态不超过40%[9]。

2.1.2 灌溉可用水资源比重

该指标是指研究地区可开发利用水资源量中农业灌溉所用的水资源量所占的比例，也就是当地各部门用水结构中农业灌溉所分配的份额。

2.1.3 种植结构

该指标是指研究地区当年各种农作物播种面积与农作物总播种面积的比值。为了确保计算结果的精确度，同时方便计算，只考虑研究地区的主要农业作物。指标的选择依据是保证所选择的各个灌溉作物的播种面积总和与灌溉作物总播种面积比值超过0.90[9]。

2.1.4 复种指数

该指标是指研究地区当年农作物播种面积与耕地面积的比例，能够体现研究地区当年单位耕地面积上种植次数的频率，反映了农作物综合利用耕地和光热水资源的状况[10]。

2.1.5 作物净灌溉定额

该指标是依据不同作物的需水量，研究地区有效降雨量、地下水使用量来进行确定的，体现的是不同作物单位面积灌溉所需需水量。

2.1.6 灌溉水利用率

该指标是指研究地区灌溉时引入水渠中的灌溉水总量减去实际流入灌溉区过程中所损失的水量的比例，根据其数值可以看出研究地区农业灌溉水利用率的大小以及水利设施输水过程中的损失水量，研究地区农业灌溉水利用率越低、损失水量越多，该指标数值越小。

2.2 模型的公式表达

2.2.1 农业灌溉可用水资源量S(亿m3)

S=Q1+Q2×α×β

(1)

式(1)中，Q1+Q2为区内、外水资源量，Q为水资源总量，单位为亿m3；α为水资源开发利用率；β为农业灌溉可用水资源比重。

2.2.2 农业灌溉水资源需求量D(亿m3)

(2)

式(2)中，A代表区域灌溉耕地面积，单位hm2；δ代表复种指数；γi代表第i类作物播种面积，单位hm2；hi代表第i类作物净灌溉定额，单位m3/hm2；n代表作物种类；k代表农业灌溉水资源利用率。

2.2.3 农业灌溉用水资源保障度P

(3)

式(3)中，S代表区域农业灌溉可用水资源量，单位hm2，D代表区域农业灌溉水资源需求量，单位亿m3。

2.2.4 农业灌溉水资源保障度等级划分

根据P值对农业灌溉水资源保障度作以下等级划分：

表2 农业灌溉水资源保障度等级划分

P值(%)等级灌溉水资源情况保障程度>120Ⅰ等灌溉水资源丰富有效保障95～120Ⅱ等基本平衡缺水小于5%80～95Ⅲ等轻度缺乏缺水5%～20%65～80Ⅳ等中度缺乏缺水20%～35%0～65Ⅴ等重度缺乏缺水大于35%

根据公式3计算出研究地区不同区域的P值，参考表2进行研究地区农业灌溉水资源保障度等级对比，进而确定研究地区不同区域农业灌溉水资源情况及其保障程度。

3 陕西省农业灌溉水资源保障度测算

对陕西省11个省辖市和杨凌区构成的系统进行农业灌溉水资源保障度分析，为方便比较计算，统一将各水资源单位规定为m3。

3.1 陕西省农业灌溉可用水资源量

3.1.1 水资源量

根据2016年陕西省各市区年降水量及地表水与地下水资源量的加和，为了能够按照标准进行比较，需要根据资料取得各市区水资源总量的重复计算量，将两者进行相除以消除各市区水资源量的计算误差，最终得出统一标准的各市区水资源总量Q(表3)。

3.1.2 水资源开发利用率

根据2017年陕西省水资源公报中提供的数据，可以计算出陕西省各市区总供水量=地表水源供水量+地下水源供水量+其他水源供水量，进而可以计算出该地区水资源开发利用率=总供水量(表4)/水资源总量(表3)，即为公式(1)中的α。通过计算结果可以看出，陕西省各市区水资源开发利用率差异较大，关中地区水资源开发利用率为1.01，远高于陕西全省平均水资源开发利用率0.33，关中地区内咸阳市与杨凌区的水资源开发利用率分别为2.77与2.86，为陕西省各区市最高，体现出该地区淡水需求量高，水资源紧缺的现状。

3.1.3 农业灌溉可用水资源比重

陕西省各市区灌溉用水量在总用水量中的比重β可通过农田灌溉用水量/总供水量求得(表5)。通过比较可以看出，陕西省关中地区和陕北地区的灌溉可用水资源比重大体一致，分别为48%与47%，陕南地区的灌溉水资源占水资源总量的66%，为全省最高，陕西全省的灌溉水资源比重为53%，说明2016年陕西省农业用水量占到全省总供水的一半以上。

表3 2016年陕西省行政分区水资源总量 亿m3

表4 2016年陕西省行政分区水资源开发利用率

3.1.4 农业灌溉可用水资源量

将上文所确定的参数代入公式(1)S=Q1+Q2×α×β，计算出陕西省各地区灌溉可用水资源量S(表6)，可以看出陕西省关中地区灌溉可用水资源量占全省一半以上，陕北地区所占比例最少。各区市中汉中市灌溉可用水资源量占比最多，为12.68%，杨凌区灌溉可用水资源量占比最少，为0.21%，充分体现出了陕西省内各区市灌溉可用水资源分布不均的实际情况。

表5 2016年陕西省行政分区农业灌溉可用水资源比重

行政分区总供水(亿m3)农田灌溉用水量(亿m3)灌溉可用水资源比重西安市18.475.610.30铜川市0.840.220.26宝鸡市8.024.190.52咸阳市10.655.490.52杨凌区0.400.210.53渭南市14.369.580.67韩城市0.840.170.20关 中53.5825.470.48延安市2.560.590.23榆林市7.924.340.55陕 北10.484.930.47汉中市16.4112.680.77安康市7.283.960.54商洛市3.081.020.33陕 南26.7717.660.66全 省90.8348.060.53 数据来源:《2017年陕西统计年鉴》

表6 2016年陕西省行政分区农业灌溉可用水资源量

行政分区Q(亿m3)αβ灌溉可用水资源量S(亿m3)西安市18.471.020.305.61铜川市0.840.550.260.22宝鸡市8.020.400.524.19咸阳市10.652.770.525.49杨凌区0.402.860.530.21渭南市14.361.650.679.58韩城市0.841.400.200.17关 中53.581.010.4825.47延安市2.560.300.230.59榆林市7.920.300.554.34陕 北10.480.300.474.93汉中市16.410.220.7712.68安康市7.280.900.543.96商洛市3.080.120.331.02陕 南26.770.150.6617.66全 省90.830.330.5348.06 数据来源:《2017年陕西水资源公报》

3.2 陕西省农业灌溉水资源需求量

根据复种指数δ=总播种面积/耕地面积，计算出陕西省平均复种指数为1.47，陕南地区复种指数最高，为2.40； 陕北地区复种指数最低，为0.92(表7)。在此基础之上将各市区复种指数δ与各市区有效灌溉面积相乘得出各市区灌溉的播种面积，陕西省共183.564万hm2，关中地区占全省灌溉播种面积的70%以上(表7)。

表7 2016年陕西省行政分区有效灌溉面积和复种指数

万hm2

根据2016年陕西省农业作物种植结构统计，选取小麦和玉米作为该省主要粮食作物、蔬菜作为该省主要经济作物进行分析。通过详细列举陕西省各市区灌溉耕地主要作物的播种面积(表8)，可以看出陕西全省农作物种植比例较为平衡，主要以粮食作物种植为主，以保障省内粮食供给平衡。陕南、关中地区灌溉水资源相对丰富，小麦、玉米种植比例接近，蔬菜种植比例较高； 而陕北地区灌溉用水资源缺乏，粮食作物中较为抗旱的玉米种植比例明显偏高，蔬菜种植面积偏少。

表8 2016年陕西省行政分区灌溉耕地主要作物的播种面积 亿hm2

根据以上求得数据带入公式进行计算，得出陕西省主要农作物种植结构指标为1 835.64/(1 251.39*1.47)=1>0.9，且各类作物播种面积与总播种面积比值均>1，根据种植结构指标选取依据[9]，陕西省主要农作物种植结构指标均满足农业灌溉水资源保障度分析模型的精度要求。

表9 2016年陕西省农作物净灌溉定额 m3/hm2

表10 2016年陕西省行政分区农业灌溉水资源需求量和农业灌溉水资源保障度

行政分区D(亿m3)P(%)等级西安市7.7572.40Ⅳ等铜川市0.5540.30Ⅴ等宝鸡市4.3995.44Ⅱ等咸阳市8.6263.66Ⅴ等杨凌区0.2295.69Ⅱ等渭南市9.8097.76Ⅱ等韩城市0.2762.39Ⅴ等关 中30.9982.20Ⅲ等延安市1.0456.52Ⅴ等榆林市3.28132.31Ⅰ等陕 北4.39112.39Ⅱ等汉中市8.16155.37Ⅰ等安康市3.22122.67Ⅰ等商洛市1.1986.05Ⅲ等陕 南12.10145.92Ⅰ等全 省47.19101.84Ⅱ等

中国不同地区、不同类型灌区灌溉水利用率平均约为45%[11]，陕西省农业灌溉用水在使用过程中存在较大程度的浪费，很多灌区均采取漫灌的方式进行农业灌溉，造成农业灌溉用水的严重损失，农业灌溉水资源利用率不到50%，处于全国较低水平[12]。根据以往研究，陕西省农业灌溉水利用率k取0.50，结合陕西省农作物净灌溉定额hi(m3/hm2)(表9)，将以上参数代入公式(2)可以计算出陕西省农业灌溉水资源需求量D(亿m3)。

3.3 陕西省农业灌溉水资源保障度

根据以上运算结果，可以对陕西省各市区农业灌溉用水资源保障度P进行计算，将各市区农业灌溉可用水资源量S(hm2)与农业灌溉水资源需求量的D(亿m3)相除，得出的结果即是陕西省各市区农业灌溉用水资源保障度(表10)。

根据表10可以看出，陕北地区农业灌溉水资源保障度P值为112%，属于Ⅱ等农业灌溉水资源保障度，由于该地区经济发展较为落后，农业灌溉用水为该地区主要用水，因此虽然陕北地区农业灌溉水资源保障度属于Ⅱ等，但是其短缺的淡水资源比例对农业生产造成很大的影响。应该对农业灌溉区进行传统灌溉方式改革，改进农户传统农业灌溉用水方式，大力推行农业节水灌溉技术，提高水资源利用率；

关中地区农业灌溉水资源保障度P值为82%，属于Ⅲ等农业灌溉水资源保障度，虽然从数据上看该地区农业灌溉用水十分缺乏，但是关中地区是由于二、三产业发展迅速所导致水资源供需矛盾，属于资源型缺水现象。应该加快经济转型的速度，在调整地区产业结构的过程中积极引进先进的生产技术，逐步改变传统高耗能低效率的二、三产业生产方式，在保证地区经济发展的同时逐步降低对自然资源的高依赖性，特别是淡水资源的消耗，改变资源型缺水现状，逐渐增大农业灌溉用水资源比例，以科技而非高耗能促进生产力的发展，从而解决该地区农业与其他产业发展之间的矛盾；

陕南地区农业灌溉水资源保障度P值在145%以上，属于Ⅰ等农业灌溉水资源保障度，农业灌溉水资源丰富，能够满足耕地灌溉的用水保障。应该继续发挥资源优势促进农业生产稳定发展，灵活调整各类农作物面积对陕北和关中地区做出补充，以保证陕西省粮食供需平衡。

4 结论

该文综合农业灌溉用水资源供需两方面的主要因素，构建了陕西省区域农业灌溉水资源保障度分析模型，通过计算模型中的各个参数最终确定陕西省的农业灌溉水资源保障度为101.84%，属于Ⅱ等农业灌溉水资源保障度，按照标准应该属于农业灌溉水资源供需基本平衡地区，然而陕西省农业灌溉水资源保障度距Ⅲ等灌溉水资源轻度缺乏的边界95%非常接近，且陕西省农业灌溉水资源富集区与贫乏区并存，农业灌溉水资源保障度呈现出较大的差异，需要针对不同农业灌溉水资源保障度的地区，采取不同的节水策略，以保证陕西省农业生产的可持续性发展。