变化环境对农业水资源配置的影响研究进展
2022-09-08齐学斌李平白芳芳张彦佘映军马灿灿
齐学斌，李平，白芳芳，张彦，佘映军，马灿灿
变化环境对农业水资源配置的影响研究进展
齐学斌1, 2，李平1, 3，白芳芳1, 4，张彦1, 3，佘映军1, 4，马灿灿1, 4
（1.中国农业科学院 农田灌溉研究所，河南 新乡 453002；2.农业农村部农产品质量安全水环境因子风险评估实验室，河南 新乡 453002；3.中国农业科学院 河南新乡农业水土环境野外科学观测试验站，河南 新乡 453000；4.中国农业科学院 研究生院，北京 100081）
变化环境下农业水资源系统正经历着深刻的变化，特别是气候变化和人类活动加剧了降水、蒸散、径流、渗漏、耗水等农田水文要素的演变过程，进而影响农业水资源供、用、耗、排、回的全过程。在对我国农业用水过程与特点进行分析的基础上，系统梳理了国内外变化环境对灌区农业供水量、需水量、供需水平衡、水循环及水资源承载力影响的研究进展，系统分析了现有研究存在的不足，提出了未来我国农业水资源配置及水安全保障应对环境变化影响的研究重点：重视变化环境下灌区供水系统及运行模式研究，加强变化环境下作物需水规律研究，强化变化环境下灌区供需水平衡与水资源承载力研究，深化变化环境下灌区水循环与转化机理研究，拓展变化环境下节水灌溉对环境影响的机理研究。
变化环境；水资源配置；农业供水；农业用水；水循环
0 引 言
近年来，以平均气温升高、降雨变化剧烈、极端气象现象频发等为主要特征的全球气候变化对水资源系统和农业用水带来了巨大挑战，不仅引起水资源量及其时空分布的变化，而且也使农作物潜在的腾发量增加，农业需水量发生变化，土壤水分的有效性下降[1]；社会经济发展中人类高强度活动，如生活、工业等用水量的增加，使得灌溉供水量减少，进一步加剧了农业水资源供需矛盾，影响农业的可持续发展[2]。目前，我国农田灌溉用水量约占全国总用水量的63%，灌溉是水资源消耗的主要途径，亦是粮食生产的重要保证。降雨和蒸散过程是农田水文循环关键环节，其年际波动必将对灌溉需水量产生影响[3]。农业是国民经济发展用水大户，受环境变化以及工农业生产和生活用水需求不断增加的影响，未来我国农业用水安全形势将会更加严峻，为保障国家粮食安全以及农业可持续发展，国内外学者针对环境变化对农业供用水的影响开展了不少研究[4-5]。总体来看，当前关于变化环境对流域尺度水资源的影响研究比较多，而在灌区尺度上，考虑气候变化和人类活动双重影响对水资源配置系统组成要素的综合影响研究还较为薄弱。在灌区作物用水对变化环境的响应方面，研究气候变化对主要作物需水量、作物需水量敏感性分析以及作物产量影响等方面较多，而同时考虑人类活动影响，如作物种植结构调整、灌溉面积变化、土地经营模式改变等对农业用水及水资源配置的影响研究较少；在环境变化对灌溉水源及输配水工程的可靠性及稳定性影响、环境变化对灌区“四水”循环转化影响机理、环境变化条件下灌区水资源承载力分析等方面研究也十分欠缺，使得灌区农业水资源合理配置缺乏应对环境变化的理论支撑。鉴于此，有必要全面分析国内外关于变化环境对灌区农业供用水系统影响研究情况，以便提出我国农业水资源配置与管理应对环境变化的对策措施，对于保障我国农业用水安全及粮食安全具有重要意义。
1 我国农业灌溉用水过程与特点
农业灌溉用水过程经历4个环节。第一个环节从水源到田间入水口出水，这一过程从水源取水开始，到水进入田间结束，主要功能是水的输送；第二个环节从田间入水口出水到作物可利用的土壤储水，这一过程从水流进入田间开始，到水分储存在作物根区结束，主要功能是田间配水；第三个环节从作物可利用的土壤储水到植株蒸腾过程利用的水分，这一过程从土壤供水开始，到水分通过植株叶片气孔散失到大气中结束，主要功能是支持植株的物质运输与良好生长发育环境的维持；第四个环节从植株蒸腾过程用水到目标农产品的形成，这一过程从植株有效利用水分开始，到形成目标农产品产量结束，主要功能是支持植株光合产物的积累、运输、转化与贮存。农业灌溉用水过程由于受气象、工程、土壤、作物、管理等诸多因素的影响，常常呈现复杂性、不确定性、脆弱性及易受干扰等特点。
首先，农业灌溉供水水源及过程复杂。从灌溉水源类型来看，单纯以地表水或地下水作为供水水源的灌区较少，多数灌区都是属于以地表水、地下水及非常规水源联合供水的混合型灌区，不同水源有其独特的天然禀赋和循环规律，混合供水水源工程更为复杂。同时，由于从供水水源到田间经常需要经过干渠、支渠、斗渠、农渠和毛渠等多级渠系，导致输水过程非常复杂，任何一个环节出现问题，都会影响整个输水系统的稳定性和输水效率。另外，由于农业灌溉工程设计供水保证率一般为50%或75%，相比工业项目或生活及城市供水工程90%或95%的供水保证率，保证率偏低，一些大型的综合性水库工程常常会设置专用的工业或城市生活用水专用库容，一旦水库库容低于专用库容，就会限制或停止农业取水，甚至一些重要河流，当流量低于某一限定的流量时，也会首先限制农业用水取水。近年来，随着水资源短缺状况的加剧，工业、生活及生态环境用水与农业用水竞争日趋激烈，农业水权权益问题变得十分突出，如何保证农业的正常供水，确保粮食安全，值得全社会的广泛关注。
其次，农业用水需求变化大。作物需水随作物种类、品种、土壤类型及耕作保护措施的不同而变化。丰水年份，作物需水量很小，甚至无需灌溉；枯水年份需水量常常达到平水年份需水量的1.5～2倍，甚至更多。同一区域，由于不同作物灌溉制度不同，灌溉定额相差较大。不同区域，种植结构往往不同，作物需水差异更大。由于农田灌溉取水常常必须在干旱季节进行，一般都是在作物生长的关键期需要取水，灌水时间集中，灌水周期长，范围广，取水流量较大，一旦供水水源的来水过程与作物需水过程不匹配，经常会出现作物需水得不到满足，影响农作物正常生产与产量，甚至出现作物绝收现象。
第三，灌区水资源利用效率不高。灌溉水从水源到农田，到被作物吸收、形成产量，每一个环节都存在水的有效性问题。目前，由于灌区灌溉工程老化失修、不配套、管理机制不健全等方面的原因，我国灌区水的浪费还比较严重。2019年，我国农业用水量为3 682.3亿m3，占用水总量的61.2%，有的地区甚至超过90%；农业灌溉用水效率总体不高，高效节水灌溉面积仅占有效灌溉面积的30%；2019年全国农田灌溉水利用系数平均为0.559，而先进国家高达0.7～0.8，与世界先进水平仍有一定差距。大力发展节水农业，大有潜力。
第四，灌区水环境恶化。一方面，灌区地下水的大规模开发，在保障经济社会快速发展的同时，也对资源、环境带来了一系列问题。主要表现在：地下水资源严重超采、地下水超采诱发严重的环境地质问题、地下水超采加剧了土地沙化与荒漠化趋势、地下水污染日渐加剧与水质恶化等。另一方面，灌区退（排）水对环境造成不利影响。农田生产经验证明，田间排水工程可以防御渍涝灾害发生、保障农作物健康生长，同时，可以有效改善田间耕作条件；但农田排水也是农业非点源污染物从田间进入地表水体的重要传输途径之一。特别是农田排水设施在排除农田多余水量的同时，也会带走田间土壤中的养分离子及其他化学成分，这些土壤化学物质会造成排水承纳区水体污染。
2 变化环境对灌区供需水及水资源配置的影响
2.1 变化环境对灌区供水的影响
变化环境对水资源的影响也不可避免地影响了灌区供水量。地表径流减少导致作为灌溉水源的水库、河流或湖泊的来水量减少，地下水位降低。降水量减少和地下水长期开采导致灌区地下水位持续下降，地下水储量减少，因此可用于灌溉的地下水量也随之减少。Frederick等[6]在评估IPCC气候报告的基础上分析了气候变化对农业水资源的影响，并分析了“非气候”的人类活动对农业水资源影响的重要性；夏军等[7]对华北地区水资源进行的研究表明，灌区水库来水量减少、地下水超采和水污染导致了可供水量减少，并造成华北地区水资源短缺；费宇红等[8]研究了变化环境对华北平原区水资源的影响，认为造成该地区水资源减少的重要原因是降水量减少、气温升高、人类治水工程、开采地下水等，其中自然因素变化对水资源影响缓慢，而人为因素影响较为迅速；赵文举等[9]利用Mann- Kendall趋势检验法，对泾惠渠灌区气象因素、渠首来水量和地下水位进行分析，表明受降雨减少和气温上升影响，灌区渠首来水量和地下水资源量呈下降趋势；罗玉峰等[10]认为气候变化导致的降水量、径流量和冰川融雪变化会造成灌区可供水量的减少，特别是人类活动中工业用水、生活用水不断攀升，水环境恶化，造成了灌溉可供水量被不断挤压，已经严重制约农业发展；朱红艳[11]利用变差系数，累积距平法和Kendall检验等分析方法了宝鸡峡灌区降水、蒸发、径流等各要素的变化趋势，探究了灌区主要灌溉水源历史演变过程与规律；Mougou等[12]在突尼斯凯鲁万地区应用DSSAT模型研究表明，任何在作物生长期的温度增加和降雨减少，都会导致该地区农业可供水量的减少和农业需水量的增加，对地区农业供需水平衡带来威胁；李文婷等[13]基于SWAT（Soil and Water Assessment Tool）水文模型，对典型年份下赣江流域蓝绿水的时空分布进行分析，结果表明，气候变化情景下，蓝水量、绿水量分别增加了75.52、30.65 mm，绿水系数减少了1.16%，表明气候变化对流域蓝绿水的影响较大；刘瑞峰等[14]研究表明，长期气候变化会显著影响灌溉机井供水的可靠性与稳定性，创建更加完善的农业气象灾害监测评价及预警系统，加强农田灌溉工程设施的养护力度，完善农业灌溉用水综合规划，深化用水管理制度及机制改革，发展农民合作组织，可有效提高中国农业生产应对气候变化的能力。可见，国内外关于变化环境对灌区农业可供水量的影响，大多数从宏观尺度上进行综合分析，流域尺度研究的多一些，灌区尺度研究相对较少，定性研究的多一些，定量研究相对薄弱。特别是变化环境对农业供水保证率有何影响？变化环境下灌溉工程如何规划设计？上述问题有待进一步深入研究。
2.2 变化环境对灌区作物需水的影响
众所周知，水分是决定作物生长发育的主要因素之一，水分不足对作物的许多生理生化过程都有影响，严重的水分胁迫将导致作物产量大幅度的下降。一般情况下，作物需水量的大小，取决于该作物的耗水强度，即日均需水强度，而作物的需水强度过程则是其生物学特征与环境影响因子综合作用的反映，受气温和降水等外部环境条件影响显著。首先，气温变化直接影响作物腾发量，进而改变作物需水量。其次，温度升高会导致大部分作物的生育期发生变化。气温升高会致使春季生长作物物候期的提前，秋季作物物候期推迟，从而延长作物生长过程，并最终影响作物需水量。目前，国内外学者关于气候变化对作物需水量的影响研究较多，刘晓英等[15]研究表明，在未来温度上升1～4 ℃的情况下，气温升高对不同作物需水量影响程度不同，地域性差异明显；Irmak等[16]、Liu等[17]研究表明，需水量0与各气候因素密切相关，流域0空间差异较大；马鹏里等[18]研究认为作物需水量与区域气候类型密切相关，从干旱-半干旱-半湿润-湿润地区，作物需水量呈减小趋势；李萍等[19]研究表明，近年来宝鸡峡灌区气温呈显著上升趋势，相对湿度和风速呈显著下降趋势，蒸发量和日照时间略增，降水量有所减少，灌区农业需水量呈递减趋势，其递减速率为3.35×107m3/a。
缪启龙等[20]研究表明，在耕地面积不减少的情况下，随着未来气温升高，农业耗水量将呈增加趋势；杨修等[21]利用英国Hadley研究中心PRECIS模型计算得到的B2气候情景格点输出结果，对我国2070年不同格点玉米产量进行预测，提出了未来我国玉米生长的气候变化敏感区域和脆弱区域；张建平等[22]研究表明，未来不同气候情景条件下，我国东北三省玉米的需水量大致呈增加趋势；王小军等[23]分析了宝鸡峡灌区灌溉用水对气候变化的响应过程，结果表明，随着未来气温升高趋势的增加，灌溉用水亦呈明显升高趋势，不同情景稍有差异，但差别不大，但不同作物间差异较大。
曹红霞等[24]对气候变化条件下主要作物需水量和作物净灌溉需水量进行了相关分析，并分析了冬小麦、夏玉米的作物需水量和气象因子的关系，指出作物需水量受众多气象因子的制约，某一气象因子的升高或降低不能完全解释作物需水量的变化趋势；李立等[25]利用时间序列法和灰色关联分析法结合地统计学，研究了气候变化条件对灌区农作物需水规律的影响。结果表明，气温升高、蒸发能力和日照时间的增加是导致作物需水量增加的主要原因，而气温的上升对作物需水量的影响十分显著；Tong等[26]利用点尺度的参考作物腾发量，基于数字高程模型（DEM）和土地利用图，对参考作物腾发量进行了空间分析，并分析了变化环境要素对流域或区域农作物需水量及需水规律的影响，探明了驱动因素并对农业需水量作出了预测；吴普特等[27]利用帕尔默干旱指数和单位灌溉面积用水量，作为气候变化和农业需水量的度量指标，分析了气候变化条件和人为因素对农业需水规律的影响，提出人为因素可以有效抵御气候变化带来的农业用水问题；丛振涛等[28]采用大气环流模式HadCM3和作物模型CERES模拟了不同气候情景下小麦产量和灌溉需水量的变化，研究表明未来气候变化情景下北京地区小麦产量和需水量均呈下降趋势，主要由日辐射下降导致；Kloss等[29]用天气发生器和作物模型的方法，研究了变化环境和灌溉策略优化，并对各种模型模拟的优劣进行了评价，这种方法结合了蒙特卡罗模拟方法、灌溉策略优化算法、非充分灌溉原理、作物水分生产函数模型等，能有效模拟变化环境条件对灌溉需水规律的影响；张建云[30]研究表明，因气候变化导致的温度及降水等变化，除了影响到流域水循环和流域水资源之外，还直接影响到需水和耗水过程，温度升高导致地表和作物蒸散发增加，以及对作物分布和作物生育期产生影响，进而改变作物需水过程，我国用水总量中约60%为农业用水，如果不改变耕作制度、加强节水技术改造、提高灌溉效率，气温升高将明显增加我国的农业需水量。尽管目前关于变化环境因素对作物需水规律影响研究较多，但在计算方法上，一般采用经验公式对有效降雨量进行估算进而得到灌溉需水量，具有一定的局限性；在气候变化条件对作物灌溉需水规律的影响方面，大都从作物需水的角度开展研究，对于降雨变化及有效降雨量计算考虑不足，实际上灌溉需水量是由作物需水（即潜在蒸散）和有效降水量共同决定的；在气候变化因素对作物需水规律影响机理研究方面，单一气候因素影响研究多一些，综合考虑各气象因子对作物需水量的影响方面研究较少；在分析变化环境对作物需水量影响方面，气候因素研究的多一些，而环境改变，如作物品种变化、生育期改变、种植结构调整、灌溉面积变化、耕地面积调整、空气CO2升高等综合环境因素变化对农业需水量的影响研究更为薄弱。
2.3 变化环境对灌区供需水平衡的影响
灌区供需水量平衡，对于保证灌区水资源的可持续开发利用尤为重要。加拿大环境保护部[31]分析了气候变化对加拿大水资源的影响，指出气候变化加速作物蒸腾过程，使水资源供需矛盾更加尖锐，并提出适应气候变化的策略；范英英等[32]采用系统动力学方法构建了北京市水资源动态预测模型，对人口、产业结构和政策3个约束水资源供需平衡的核心因子进行分析，动态仿真模拟结果显示，在保持现有政策和技术水平下，北京市水资源安全形势日益严峻；O'hara[33]分析了气候变化情景下的水资源规划与管理问题，指出气候变化将明显改变水资源供需条件；德国环境部分析了欧洲大部分国家的气候变化趋势，指出未来气候情景下，来水条件将发生明显改变，同时温度升高将加速土壤蒸发，增加灌溉用水过程，尤其是夏季和冬季的季节性变化，使供需矛盾更加尖锐[34]；美国水业协会针对全球变暖的趋势和未来气候变化的不确定性，指出当前气候变化背景下需水预测的不足，拟投入巨资深入开展气候变化对需水的影响机理研究[35]；Xiong等[36]结合我国农业生产现状，分析了2020年和2050年不同气候情景下谷类作物需水量及产量，指出了可能出现的问题；王小军等[37]指出，我国在流域水资源综合规划中，需要加强气候变化条件对区域水资源系统结构及稳定性的影响，并充分考虑各种可能的因素，随着全球变化研究的不断深入，气候变化对我国农业用水安全构成的威胁也日趋显现，并直接关系到国家粮食安全问题；丁琨等[38]研究表明，随着未来区域的降雨增加和气温上升，按现状工程运行方案系统不能满足设计期城市供水保证率要求，灌区系统源头骨干水库适当提高汛限库容，同时合理增加城市供水专线设计流量、城市供水水库非灌溉期和灌溉期充止库容，可使灌区农业灌溉和城市供水能够适应未来气候变化带来的不利影响，获得较好的社会经济效益。以上可见，关于变化环境对灌区供需水平衡的影响研究，国内外主要针对气候变化影响、人类活动影响分别进行研究，将二者结合起来进行综合研究十分薄弱。
2.4 变化环境对灌区水循环的影响
费宇红[39]通过对京津以南的河北平原地下水循环进行研究，认为该区域浅层地下水和深层地下水的严重超采改变了地下水流的方向，从自西向东的自然状态转变为向各地地下水位漏斗中心汇流的状况；Ocampo等[40]在澳大利亚西部的Susannah Brook以农业活动为主的流域，在调查水文过程与生物地球化学过程关系的基础上，分析了坡度大小、地形高程及河岸地区浅层地下水赋存条件及水位动态对氮循环要素的影响，并在此基础上建立了基于水文过程与生物地球化学过程耦合的“统一智能模型”；Barnett等[41]将“指纹算法”与气候-水文模型相结合，在美国中西部地区的水资源演变归因分析中进行应用，得出该地区水资源演变的60%为气候变化驱动；林岚[42]对松嫩盆地降雨入渗补给量变化进行了研究，定量评价了气候变化和土地利用变化情景下降雨入渗补给的变化；张冠儒等[43]采用动态建模与正交试验相结合的方法对宝鸡峡灌区的地下水位进行研究，认为灌溉量和蒸发量是影响地下水位动态的主要影响因素；Tomer等[44]将简单的降水-潜在蒸发关系与生态水文模型结合，辨别出气候变化和人类活动对河川径流的不同影响；张文化等[45]对石羊河流域地下水的动态影响因素进行了主成分回归分析，认为人类活动对地下水动态的影响在67%左右，气候变化对地下水动态影响在37%左右（2009—2012年）[46-47]；韩业珍[48]采用灰色关联度方法研究了地下水位动态变化，认为黄土台塬区和渭河阶地区地下水动态的影响因素从大到小依次为蒸发、降水、地表水灌溉、地下水开采；王喜峰等[49]在对灌区水循环的研究中，指出水文模型是一个重要且有用的工具，基于物理机制和偏微分方程的分布式水文模型可以计算、模拟和分析具有时空变异性的各水循环要素，为变化环境下水循环演变分析和其伴生过程模拟及分析提供了强大平台支持。可见，国内外关于变化环境对灌区水循环的影响主要是在流域或更大尺度上进行，且主要是以模型研究和定性分析为主，从灌区尺度上研究变化环境对灌区水循环要素的影响机理、水环境演变规律以及水环境变化驱动机制等，值得进一步深入研究。
3 变化环境对灌区供需水及水资源配置影响的研究展望
变化环境呈现随机性及复杂性等特点，而灌区水资源配置系统涉及多水源、多作物、多用户、多维度等特点，要分析变化环境条件对灌区水资源系统合理配置的影响，必须采取系统的观点及综合分析方法，从每一个环节、每一个单元入手，在探明影响机理的基础上，才能提出综合应对方案。建议从以下5个方面开展研究工作。
3.1 重视变化环境灌区供水系统及运行模式研究
针对变化环境对农业供水工程的影响，应加强气候变化对灌区供水安全保障影响研究，探索变化环境下灌区工程规划设计新的理论与方法研究，确保灌区工程规划的科学性；重视应对气候变化的多水源联合供水工程优化布局、调度模式、水权优化配置及运行机制等方面研究；分析气候变化对灌溉蓄水、引水、提水灌溉工程供水可靠性的影响；强化非常规水源水质提升技术、输配水配水系统及储水系统设计、安全灌溉系统规划以及相关技术标准与规范研究；重视信息化技术在农业输配水工程系统中的应用，特别是要综合运用物联网技术、云计算技术、大数据分析方法等新的理论和技术，实时准确地获取灌区的雨情、水情、土壤墒情、渠道水位变化过程、渠道流量变化情况、泵站运行工况、闸门运行情况、现场视频实时信息等，实现灌区信息资源的在线获取及实时共享，提高灌区输配水运行效率，为灌区管理机构用水管理提供技术支撑和科学依据。
3.2 加强变化环境作物需水规律研究
气候变化是非常复杂的，它不仅直接影响到灌溉需水量的变化，还通过影响作物生长间接作用于灌溉需水量，灌溉需水量不仅受到气候条件的影响，还受到人类活动的强烈干扰，因此，今后对灌溉需水量演变规律的研究需要综合考虑气候因素、作物品种、种植结构、灌溉面积、耕地面积、节水措施等综合环境因素变化对农业需水量的影响，要加强基于变化环境条件下的灌区农业需水量演变趋势及驱动力研究，重视变化环境条件下作物需水多元数据融合与不同尺度转换研究，要厘清气候变化因素和不同灌区用水管理计划之间的互馈关系，提出灌区干旱时期最佳的用水需求管理方略，为灌区作物需水预报与用水管理提供指导。由于变化环境对作物需水量影响的复杂性与不确定性，传统方法的局限性越来越凸显，要研究变化环境对作物需水影响的新方法，完善灌区变化环境下需水量计算与评价理论。
3.3 加强变化环境灌区供需水平衡与水资源承载力研究
随着灌区经济条件、社会发展、生态环境状况等条件的变化，灌区供需水量平衡也会发生改变，势必会影响到灌区农业用水的安全性，影响到灌区水资源的合理调控与应对措施制定。研究气候变化对水资源供需态势的影响机理，探明气候变化与人类活动综合影响下灌区供需水平衡要素的转化机理与演变规律，进而提出应对环境变化的灌区水资源调控方案，对于灌区水资源可持续管理至关重要。变化环境条件下灌区水资源承载力与利用潜力也会受到影响，气候变化影响我国河川径流产生，在考虑水资源承载力时，要考虑未来水资源的变化，特别是在多情景下河川径流均呈减少的地区和时段。人类活动不仅改变了流域或区域降水量、蒸发量、入渗条件、产流条件、汇流过程等水文特性，而且形成了天然循环过程与人工循环过程以及生态系统交互作用的多相态水循环过程，这也是水资源承载力研究的前提，因此，研究变化环境条件下灌区多维水文循环过程水资源承载力与利用潜力评价指标体系，是区域水资源承载力及利用潜力研究的重要趋势。
3.4 重视变化环境灌区水循环与转化机理研究
灌区水循环系统是一个复杂的大系统，受自然和人类活动双重影响。随着经济社会的发展，人类生产活动对灌区水循环系统的影响日趋加剧，目前现有的灌区自然水循环系统理论和分析方法已不能适应灌区实际水循环过程状况，亟需研究新的理论与分析方法。因此，探寻人类活动影响条件下灌区水循环要素变化过程及其转化特征将会是水循环研究领域的重要热点之一。同时，灌区的水循环过程与转化机理研究，还应考虑灌区的社会因素、经济发展水平，以及灌区的资源禀赋、生态环境变化等因素的综合影响，包括各级行政区单元之间的用水统筹、灌区多灌溉水源与不同供水过程之间的协调、灌溉水量与灌溉水质的协调、灌溉水源与作物需水的协调以及灌区水源配置与灌区生态环境之间的协调。同时，还应进一步研究变化环境下的灌区自然水循环系统与“取水-输水-用水-排水-回归”人工水循环过程的多维水循环系统基础理论、演变机理及其互作机制，探索灌区降水、地表水、土壤水、地下水、作物水、外调水、非常规水之间相互循环与转化关系。
3.5 重视变化环境下节水灌溉对环境影响的机理研究
大力发展节水灌溉已成为我国的一项基本国策，对于缓解我国水资源的紧缺现状，提高水资源的利用率和利用效率，保证粮食安全发挥了重要作用。但是在灌区发展节水灌溉时，也要考虑对环境的影响，既要研究“正效应”，又要研究“负效应”，特别是对于发展区域规模化节水灌溉要更为慎重，只有进行科学论证与评价，才能消除不利影响，从而保证节水灌溉的可持续发展，提高灌区节水改造的综合效益。如井渠结合灌区渠道衬砌标准如何确定？应该采取什么样的比例较为科学？井渠结合灌区渠灌节水与井灌节水如何定位？灌区适宜的节水发展规模是多少？灌区节水与生态环境用水如何考虑？不同生态类型区节水灌溉模式选择与发展重点确定等，上述问题直接影响到节水灌溉的可持续发展。以往对节水灌溉效应的研究中，节水效益和经济效益受到广泛关注，虽然目前在不同节水灌溉措施对环境影响研究方面有一定的工作基础，但大多偏重于节水灌溉基础理论、不同节水灌溉措施对环境单因素或子系统的影响，而缺少不同节水灌溉措施对环境的综合影响机理研究，包括灌区农田小气候响应特征、地表水与地下水转化机理与水文循环过程、地下水位动态及蓄变量变化与土壤次生盐渍化的关系、土壤理化性质时空变异特征、地下水水质变化规律、农产品质量与安全以及灌区生态植被和生物多样性变化等方面，因此，需要进一步加强灌区综合节水灌溉措施对生态环境系统的综合影响机理研究，从而保障节水灌溉的可持续发展。
4 结论与建议
随着气候变化现象不断加剧和经济社会的飞速发展，变化环境条件下农业用水的可靠性与稳定性面临的不确定性显著增加，灌区水资源综合配置与优化调度的难度及风险增大。农业用水供给和需求都面临严峻挑战，传统的水资源调控理论与配置方法很难全面反映水资源系统内多重要素的转化与互馈关系，不能真正实现农业水资源的安全高效利用。变化环境对区域农业用水的影响是近年来农业用水安全性研究的热点问题。目前，我国在变化环境条件下流域或区域水循环要素作用机制与演变规律、变化环境对作物需水的影响、变化环境下灌区供需水平衡与水资源承载力分析、节水灌溉措施的环境效应等方面已开展了大量研究工作，取得了不少研究成果。但相较于国外的先进技术，国内无论在研究深度和广度方面还有一定差距，特别是在变化环境对农业水资源配置系统各个要素综合影响机理方面还存在许多不足之处。未来随着气候变化及人类活动影响的不断增强，灌区农业用水安全会面临更大挑战，已引起多学科领域专家的广泛关注，使得变化环境对区域农业水资源配置与作物安全用水的影响研究进入一个新的发展阶段。因此，在今后的研究中，需要加强变化环境下灌区供水系统及运行模式研究，探明供水系统新的设计理论与运行参数，做到适时适量供水；重视灌区各种气象与环境因素影响下不同尺度作物需水规律研究，综合研究各气象因子对作物需水量的影响机理，为指导灌区作物科学用水并制定精准灌溉制度提供技术依据；加强变化环境条件下灌区供需水量平衡以及水资源承载力基础理论研究，构建水资源承载力与利用潜力综合评价指标体系，为灌区农业的安全高效用水以及农业的可持续发展提供技术支撑；重视变化环境条件下灌区水循环要素作用机制与转化规律研究，弄清变化环境条件下灌区农业水资源时间及空间上的变异规律，为作物的安全用水提供保障；加强大规模节水灌溉对环境的综合影响机理研究，厘清节水灌溉对区域环境影响的正负效应，从而消除不利影响，为不同类型灌区发展节水灌溉提供技术支撑。
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Effect of Climate Change on Water Resource Allocation to Irrigation: A Review
QI Xuebin1, 2, LI Ping1, 3, BAI Fangfang1, 4, ZHANG Yan1, 3, SHE Yingjun1, 4, MA Cancan1, 4
(1. Farmland Irrigation Research Institute of CAAS and MWR, Xinxiang 453002, China; 2. Laboratory of Quality and Safety Risk Assessment for Agro-Products on Water Environment Factors, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Xinxiang 453002, China;3. Agriculture Water and Soil Environmental Field Science Research Station of CAAS, Xinxiang 453000, China;4. Graduate School of CAAS, Beijing 100081, China)
Rapid socioeconomic development coupled with climate changes is likely to result in uncertainty in agricultural water use, making water resource management and regulation even more difficult. Traditional methods used in allocating and regulating water resources are unable to deal with the balance and optimize water supply and demand between different sectors. Achieving this goal requires a fundamental improvement in our current understanding of the hydrological cycle in farmland ecosystems, in particular, to what extent climate change and anthropogenic activities could reshape the hydrological processes such as precipitation, evapotranspiration, surface runoff, seepage and water consumption. Taking China as an example, this paper systematically analyzes the research progress made over the past few decades in the effect of global climate change on demand of agriculture for water, water supply to crop production, supply-demand balance, water recycling in different irrigation districts. We also analyze the areas that were poorly studied, and the perspectives for future research, especially the response of available water for agricultural use to environmental change at irrigation district scale. These include water supply to irrigation districts and their operations, crop water requirement, consolidating the study of the balance between water supply and demand, as well as theory and method for evaluating water resource bearing capacity in irrigation districts due to climate changes. We conclude that future study should address water cycle and transformation in irrigation districts, and mechanisms underlying the impact of water-saving irrigation technologies on the environment at regional scales.
changing environment; water resources allocation; agricultural water supply; irrigation water requirement; water cycle
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2022-02-09
中国农业科学院科技创新工程项目（CAAS-ZDRW202201）；中央级公益性科研院所基本科研业务项目（FIRI20210102）
齐学斌（1963-），男。研究员，博士生导师，博士，主要从事农业水资源优化配置与水资源安全利用方面研究工作。E-mail: qxb6301@sina.cn
1672 - 3317（2022）08 - 0001 - 08
S27
A
10.13522/j.cnki.ggps.2022066
责任编辑：乔冬梅
