榆林市黄土丘陵沟壑区农业节水潜力分析*

纪晓玲，王小林，张 静，刘建华，乔文渊，张 雄※

(1.榆林学院生命科学学院，陕西榆林 719000； 2.榆林市横山县农技推广中心，陕西榆林 719100)

0 引言

我国是一个农业大国，而农业灌溉对于保障我国粮食安全、推动我国农业的发展起着至关重要的作用[1]。但近些年，随着我国国民经济的飞速发展，受水资源污染及水资源用水减少等的影响，农业灌溉用水也不断受到限制，而农业灌溉用水利用效率低下、用水浪费严重等也导致我国农业灌溉用水短缺的问题更加严重[2-3]。因此，合理发展节水灌溉成为有效克服农业用水资源短缺，推动农业可持续发展的主要举措之一[4]。

鉴于农业节水在农业发展中的重要性，国内外学者对此展开了深入的研究。美国、日本、澳大利亚等国在此方面研究相对较早，而我国于20世纪50年代末才开始对农业节水进行研究。部分学者针对我国农业节水的发展现状及如何有效开展等进行了研究，如沈振荣等[5]对我国农业用水的现状及面临的问题研究后提出，通过提高降水量利用率及加强农业用水高效利用集成技术研究和示范推广等措施来推动农业节水的发展。此外，还有一些学者对农业节水的相关技术也进行了大量的研究，如李远华等[6]研究后提出采用间歇式灌溉方法进行农业灌溉能有效提高农业水资源的高效利用； 也有学者对农业节水的相关制度开始进行研究，如刘占平等[7]认为我国农业节水的根本出路在于制度的创新。更多的学者则重点对农业节水的潜力进行了分析，如赵西宁等[8]认为农业节水的方法及水平、地区农业用水规模等都会对农业节水潜力的实现程度造成一定影响。王学渊等[9]则通过对影响农业水资源利用的多个因素分析发现，中国农业节水潜力巨大。然而，目前关于农业节水的潜力计算尚没有统一的标准。因此，如何正确计算农业灌溉的节水潜力，大力发展农业节水，推动我国农业的积极发展成为本课题研究的重点内容。

榆林市黄土丘陵沟壑区位于榆林市南部，为黄土高原的腹地。该地区较为干旱，水资源相对匮乏，而且由于受到过度开垦，生态环境受到极大破坏，水土流失较为严重。因此，在这区域发展农业节水对推动当地农业的快速发展、生态环境的有效改善等有着极为深远的现实意义，而目前关于此地的农业节水潜力方面的研究还相对较少。鉴于此，文章重点对未来榆林市黄土丘陵沟壑区的农业节水潜力进行了分析，以期为该地区的农业节水提供现实参考依据。

1 研究区概况

榆林市，位于我国陕西省的最北部，其西邻甘肃、宁夏，北连内蒙古，东隔黄河与山西相望，南与陕西省延安市接壤，下辖2个区、1个县级市、9个县，面积4.292 3万km2，人口375万人，是陕西杂粮的主产区。榆林市是中国日照高值区之一，在陕西省，其日照时间最长，年平均日照时数2 593.5～2 914.4 h，东北部最高，南部最低。黄土丘陵沟壑区位于榆林市的南部，为黄土高原的腹地，主要包括绥德、清涧、米脂、佳县、吴堡、子洲等地区。这里沟壑纵横，丘陵峁梁交错，面积约2.23万km2，占榆林市面积的51.75%。该地区主要是旱作农业区，水资源较为短缺，农作物种植主要以马铃薯、玉米、杂粮、蔬菜等为主。该区域为大陆季风性气候，干旱少雨、蒸发较强，年平均降水量为316～513 mm，降雨多集中于7、8、9月。该区域四季分明，气温变化明显。

2 研究方法

2.1 研究方法

目前，对于节水潜力的计算还未形成统一的认识，多数是以节水灌溉技术作为出发点，通过采取相应措施，改进相关节水技术，以提高灌溉水利用率，得到灌溉水的减少量，从而算得节水潜力。鉴于此，该文在充分调查榆林市黄土丘陵沟壑区农业发展的基础上，以现状年(2015年)为基准，综合考虑该区域灌溉节水技术、农作物经济需水量、无效蒸腾、自然有效降水、作物地下水利用量、输水损失等因素[10]，分析各规划水平年(近期至2025年与远期至2035年)的灌溉需水量，从而计算出该区域不同时期的农业节水潜力。

2.2 农业节水潜力计算

(1)农作物需水量ET：农作物需水量是计算农业节水的重要指标，其表述了在特定的土壤、水文、气候等条件下，农作物维持正常生长需要的水量。目前，其较多釆用Penman Monteith公式来得到[10]：

ET=Kc·ET0

(1)

式(1)中，ET为农作物需水量(mm)；Kc为农作物系数；ET0为参考作物蒸发量(mm)。

(2)净灌溉需水量In：净灌溉需水量是指农作物通过外部灌溉获得的生长所需的水量。该文假定农作物在其生育阶段，土壤水分条件变化不明显。其净灌溉需水量由农作物需水量与有效降水量、农作物直接耗用地下水量作差获得，具体计算如下[10]：

In=ET-α·P-G

(2)

式(2)中，In为净灌溉需水量(mm)；α为降水有效利用系数；P为作物生育期阶段的实际降水量(mm)；G为农作物直接耗用地下水量(mm)。

(3)毛灌溉需水量Ig：毛灌溉需水量为考虑灌溉输水过程中的损失后，农作物实际获得的灌溉水量。其数值也可由净灌溉需水量与灌溉水利用系数相除获得，具体公式如下[10]：

Ig=In/η水

(3)

式(3)中，η水代表灌溉水利用系数，其可由渠系水利用系数与田间水利用系数相乘算得。

(4)灌溉需水量W：灌溉需水量可由各农作物毛灌溉需水量与相应的灌溉面积相乘，而后求总和得到，具体公式如下[11]：

W=∑Ai·(Kci·ET0-α·P-G)/η水(i=l， 2， 3，…，n)

(4)

式(4)中，W为灌溉需水量(mm)；Ai为第i种农作物的种植面积(hm2)；Kci为第i种农作物的作物系数。

(5)农业节水潜力ΔW：农业节水潜力由现状年农业灌溉需水量减去规划年农业灌溉需水量求得，计算公式为[11]：

ΔW=W0-Wj(j=l， 2)

(5)

式(5)中，W0为现状年灌溉需水量(mm)；Wj为规划年灌溉需水量(mm)。

3 结果与分析

3.1 榆林市黄土丘陵沟壑区农作物种植结构

黄土丘陵沟壑区主要为旱作农业，农作物种植主要以玉米、杂粮、大豆、薯类等为主，根据榆林年鉴发现，近年来，榆林市黄土丘陵沟壑区总灌溉面积有所上升，其中耗水较多的小麦在这一区域基本没有种植，而杂粮、大豆、薯类等的种植面积则有所提高。近两年农作物种植结构逐步稳定，因此，规划年(近、远期)的各种农作物种植面积以2016年为参考，各农作物种植面积具体见表1所示，数据来源于《2016榆林统计年鉴》。

表1 2016年榆林市黄土丘陵沟壑区主要作物的种植面积

hm2

3.2 榆林市黄土丘陵沟壑区主要农作物需水量

农作物需水量在参考榆林市黄土丘陵沟壑区气象条件，如降水、日照、相对湿度、土壤水分及蒸发量等因素的基础上，参考相关文献[2-13]计算得出，其具体值见表2。由表2发现，在种植的主要作物中，大豆、玉米、油料等需水量较大，而薯类、蔬菜、瓜果等需水量相对较小。由此，该区域的各县域可根据自身的种植条件，在不影响当地经济发展的前提下，通过适当调整种植作物类型，合理规划布局，以有效减少该区域的农作物灌溉用水，从而降低榆林市黄土丘陵沟壑区的农业用水。

表2 榆林市黄土丘陵沟壑区主要作物需水量 mm

3.3 榆林市黄土丘陵沟壑区近、中、远期灌溉水利用系数

灌溉水利用系数主要用于衡量灌区从水源引水到田间吸收利用水的过程中的水利用程度，是农业节水的重要指标之一[14]。榆林市黄土丘陵沟壑区地理位置较好，黄河流经该区域，该区域灌溉主要以国营灌区及节水灌溉为主。该区域的农业灌溉设施相对薄弱，多数国营灌区运行时间较长，设备老化，渠道渗漏严重，灌溉水利用系数较低，平均仅为0.45左右[15]，灌溉水利用系数还有极大的提高空间，该地区的农业灌溉有巨大的节水潜力。该地区可通过对灌区渠系进行防渗衬砌以改造现有的大中型灌区、加强田间基础工程的配套建设及提升田间节水灌溉节水技术水平等措施来提高灌溉水利用系数，大力发展节水灌溉，从而有效减少该地区的农业灌溉用水[11]。该地区近期及远期的灌溉水利用系数估算如表3所示。

表3 近、远期的灌溉水利用系数

渠系水利用系数田间水利用系数灌溉水利用系数近期(2025年)0.620.890.55远期(2035年)0.690.930.64

3.4 榆林市黄土丘陵沟壑区近、远期主要农作物灌溉需水量

计算灌溉需水量时，需考虑到当地的气象条件，如气候、降雨、湿度等等。该区域降水稀少，可认为α=1，即所有降雨均为有效降雨。此外，考虑到农作物直接耗用的地下水绝大部分来源于土壤入渗，而且该区域这方面的资料也较为有限。综合以上考虑，农作物直接消耗的地下水量计为零[10]。榆林市黄土丘陵沟壑区近、远期主要农作物灌溉需水量如表4所示。

表4 榆林市黄土丘陵沟壑区近、远期主要作物灌溉需水量 亿m3

3.5 榆林市黄土丘陵沟壑区近、远期农业节水潜力的计算结果

根据资料， 2015年该区域的农业灌溉用水大概为3.93亿m3。由表4可知，近期农业灌溉用水量为3.62 亿m3，远期农业灌溉用水量为3.13 亿m3，通过计算可得出相应的节水潜力值，该值是在理想情况下得出的，但实际中，考虑到水资源利用中管理、相关技术操作水平等的差异，实际的节水潜力会有些许差别。因此，这里引入一个相关比例系数β值概念[10]。通过提高日常的管理、操作水平等，以提高比例系数β值，从而提升现实节水潜力。榆林市黄土丘陵沟壑区近、远期农业节水潜力见表5。

表5 榆林市黄土丘陵沟壑区近、远期农业节水潜力 亿m3

4 结论与讨论

4.1 结论

该文以农作物需水量为出发点，采用相关的计算模型，重点对榆林市黄土丘陵沟壑区的农业节水潜力进行了分析。分析发现：(1)该区域种植的农作物主要为杂粮、大豆、玉米、薯类、蔬菜、瓜果、油料等。其中，大豆、玉米、油料等农作物需水量较大，而薯类、蔬菜、瓜果等农作物需水量相对较小。通过合理优化作物种植结构可一定程度上减少农业灌溉用水，提高该区域的节水潜力； (2)该区域的灌溉水利用系数较低，亟需通过采取合理措施来进行提高； (3)未来该区域的近(2025年)、远期(2035年)现实农业节水潜力可分别达到0.25亿m3及0.72亿m3，农业节水潜力巨大。

4.2 讨论

榆林市黄土丘陵沟壑区降水稀少、日照充足、蒸发量大，水资源相对短缺。因此，大力发展农业节水对解决当地水资源短缺，促进当地经济发展起着积极的推动作用。该文以该地区种植的农作物需水量为出发点，对该地区的输配水和田间灌溉过程的农业节水潜力进行了估算。然而，除此之外，广义的农业节水还包括水资源的合理开发利用、农业节水增产增效技术及管理节水等方面[16]。因此，为确保农业节水的顺利进行，除通过改善该地区的作物种植结构、改造现有的灌溉设施及加强相关的配套建设、提高农业灌溉的技术水平等措施以提高该地区的农业水资源的有效利用外，还可以考虑从其他方面来展开。(1)加大农业节水的宣传力度，只有从思想上充分意识到农业节水的重要性，才能极大发掘农业节水的巨大潜力； (2)加强抗旱节水作物品种的选育研究，培育抗旱、耐寒、高效利用水分的新型品种。在水资源相对贫乏地区，发展以抗旱节水作物品种为主的生物节水技术是促进农业水资源合理利用的有效措施[4]； (3)考虑到我国农业节水发展较晚，农业节水技术有待得到提高。因而，大力发展田间节水灌溉技术、农业耕作节水技术、井渠结合灌溉技术，制定节水高效的作物灌溉制度、农业管理措施等势在必行。