摘要： 水資源危機已經嚴重阻礙了社會經濟的發展。作為耗水大戶的農業，現在以及未來很長時間都將面臨“以較少的水資源消耗生產更多糧食”的艱巨任務。自1980 年以來，我國節水灌溉農業發展迅速，農業節水灌溉措施的實施極大地減少了農業灌溉取用水量，顯著提高了灌溉效率，然而水資源危機并沒有得到緩解，流域地下水水位持續下降的趨勢并未得到遏制，這一現狀使人們不得不重新審視節水農業存在的問題。文章從水資源消耗的視角，充分利用遙感技術在作物分布、蒸散發、產量空間格局和時間動態變化監測的優勢，在區域尺度上認識節水灌溉農業發展中存在的問題和面臨的挑戰，提出利益相關者參與式的“耗水管理”是節水高效農業發展以及成功實施的必然途徑。
關鍵詞： 耗水管理，高效節水農業，水分生產率，節水潛力。
1 引言。
中國淡水資源總量豐富，達 28 000 億 m3,但人均只有 2 200 m3,僅為世界平均水平的1/4,是全球人均水資源最為貧乏的13個國家之一。我國水資源空間分布不均，北方的水資源只有南方的1/4,資源性缺水以及不當的水資源開發利用方式，引發了一系列社會、經濟以及生態環境問題。北方地區尤為嚴重，地下水超采、河流斷流、入海流量銳減，有些地區如華北地區出現地面沉降、海水入侵、河流納污能力減弱、水污染問題進一步惡化等一系列災害和生態環境問題，都嚴重地阻礙著社會經濟的可持續發展。
2011 年中央一號文件明確提出，實行最嚴格的水資源管理制度，建立用水總量控制、用水效率控制和水功能區限制納污“三項制度”,即水資源管理“三條紅線”,力圖緩解水資源過度利用與水污染產生的問題。隨著經濟社會的快速發展，工業、生活以及生態等行業用水需求將持續增加，水資源在行業間的競爭將減少分配給農業的水資源量。針對嚴峻的水資源現狀，為了有效緩解水資源緊張狀況，促進流域水資源可持續利用，作為耗水大戶的農業一直是節水的重點，期望以較少的水資源消耗生產更多的糧食，擔負著保障國家糧食安全的重任。
我國節水灌溉農業發展至今，取得顯著成效的同時，也存在很多的問題[1].然而現有的管理方法和技術手段都不能很好地回答或者解決目前水資源危機帶來的問題，亟需新的手段和技術方法的創新。在中科院知識創新工程重大項目“海河流域治理工程生態環境效應遙感監測與評估”課題和世界銀行環球基金“海河流域水資源與水環境綜合管理”項目支持下，經過近10年對海河流域水資源問題的研究提出了“耗水管理”理念[2,3].耗水管理是對“供水管理”和“需水管理”的補充和完善，著眼于控制水資源的消耗量（ET），強調目標ET控制，通過減少耗水，提高水分生產率，實現水資源的可持續與高效利用。本文以海河流域為北方水資源問題的典型代表區，基于耗水管理理念，從耗水的視角來審視節水農業發展中存在的問題，重新認識流域節水所面臨的問題和艱巨的挑戰，針對節水灌溉農業發展提出對策及建議。
2 節水灌溉農業發展現狀。
早在 20 世紀 60 年代，我國就開始進行了節水灌溉技術的研究和推廣。20 世紀 90 年代，隨著干旱缺水問題的日趨嚴重，我國節水農業開始出現了加速發展的局面。目前，節水農業的發展，已從小面積試點，轉向較大面積的集中連片；從田間節水，開始轉向全面節水。近10年來節水農業發展勁頭十足。
節水灌溉發展的資金投入來源包括國家和地方政府財政、銀行信貸、自籌資金以及國外資金等，其中，國家財政投入主要負責水源和干支渠渠道等骨干工程，信貸和自籌資金主要是由地方和農戶投入用于末端節水灌溉工程。根據《全國水利發展統計公報》數據，2004 年、2008 年水利建設投資總額分別 783.5 億元和 1 088.2 億元，其中用于灌溉的財政投入為 87.6 億元和 116.6 億元。2014 年全國水利建設投資總額高達 4 083.1 億元，灌區建設與改造 114 億元，小型農田水利建設 378 億元。2000 年以來，我國在灌溉農業發展的投入呈持續增長的態勢，節水農業的發展得到了國家的高度關注。
我國有灌溉條件的農田約占耕地總面積的 47%[1].當前農業灌溉面積比建國初期增加了近 3 倍，引水輸水以及井灌區建設和改造等節水灌溉工程大大減少了農業灌溉中的輸水損失。截至 2010 年，節水灌溉工程面積達 4 億畝，渠道防滲控制灌溉面積占總節水灌溉面積的 42%,低壓管道輸水灌溉占 25%,噴灌約占 11%,微灌約占8%,其他占14%[4].以海河流域為例，自1980年以來農田灌溉面積迅速增長，目前總有效灌溉面積約為 1 億畝 , 占耕地總面積的 60%[5].截至 2010 年，海河流域節水灌溉面積約有 6 000 萬畝，超過 4 050 萬畝耕地（灌溉面積的37.2%）使用了渠道襯砌和管道配水技術，而738萬畝耕地（灌溉面積的 7%）使用了滴灌和噴灌技術，主要應用于果園和大棚[6].
我國農業用水量占總用水量的比重從1980的88%,1993 年的 66% 降至 2009 年的 62%,單位面積用水量從494 立方米/畝回落到 459 立方米/畝[1,4].2000 年以來全國農業用水量基本平穩，2014 年農業用水量（約 3 870 億 m3）占總量的 63.5%.海河流域的農業用水量趨勢與我國情況基本一致，自 1980 年以來農業用水在波動中呈逐步下降的趨勢，農業用水高峰年出現在 1989 年，達到 335 億 m3.但 2000 年以后，農業用水量一直保持在 300 億 m3以下[7].據《海河流域水資源公報》，2000年和2014年全流域總用水量分別為398億m3和 370 億 m3,其中農業用水量分別為 281 億 m3和233億m3,占總用水量的70%和63%.
節水灌溉發展使得我國灌溉水利用系數從 20 世紀80年代不足0.3提高到2000年的0.44,2010年進一步提高到0.50[1,8].2011年中央一號文件提出到2020年灌溉水利用系數提高到 0.55.由于節水灌溉工程建設，如渠道襯砌、低壓管道等建設減少了從水源到農田輸水損失量，因此灌溉效率明顯提高。2010 年華北地區的灌溉水利用系數平均為0.6,變化范圍在0.5-0.9之間，為我國灌溉水利用系數最高的區域。該區域經濟發達，水資源問題最為嚴重，國家和地方政府在該區域的節水灌溉資金投入相對較高。
3 節水灌溉農業發展的認識與思考。
國家在節水灌溉農業方向投入了大量資金，在減少用水量和提高灌溉效率方面的確取得了顯著的成效，但是同時也要正確看待由此導致的問題。
3.1 地下水超采問題沒有得到減緩，反而愈演愈烈。
地下水是我國重要的灌溉水源，全國農業灌溉地下水開采量 666 億 m3,占全國農田灌溉總用水量的19%;在地下水實際開采量中，用于農田灌溉的地下水開采量占 54.3 %.但由于水資源地區分配不均，地下水開采利用程度呈現明顯的地區差異，最為嚴重的地區為華北地區。華北地區耕地面積約5.5億畝，約占全國總耕地的 28%[9,10],地下水供農業用水占38%,其中河北省占75%,山西和河南占50%以上。
當聚焦到地下水開采地區，不難發現這樣一個現象：節水農業快速發展的幾十年歷程里，盡管政府投入大量資金進行灌溉工程措施的建設，如渠道襯砌、防滲加固、低壓管道以及先進的噴滴灌技術手段，但是地下水超采問題依舊，并沒有因為這些灌溉工程的建設得到減緩。以節水灌溉投資力度最大的河北省為例，井灌面積超過了總灌溉面積的 60%,節水灌溉面積超過40%,然而唐山、石家莊、保定、廊坊等城市淺層地下水水位每年以 1-2 m 的速度下降，深層水漏斗面積達 2.44 萬km2 [5].由于地下水不易更新，其過度開采使得水資源危機愈發嚴重，同時引發一系列的生態環境問題。
“地下水持續超采問題依舊”“節約的農業用水量究竟去哪了”等成為了管理部門與科研工作者最為困擾的一些問題。在華北平原地區實施的渠道襯砌、防滲加固、低壓管道以及噴滴灌等手段減少了灌溉水的滲漏，提高了灌溉效率，但也減少了對地下水的補給[11],原因是大多數節水措施實施前“損失的水資源”在流域尺度上并沒有從水系統中損失掉，如下滲到地下補充地下水的水量可以被再次取用，灌溉回流到河流的水量在下游也可以被再利用。因此，節水灌溉工程只是提高灌溉效率、提高田間的灌溉保證率，對修復地下水過度超采的狀況卻于事無補，減少的取水量不等于節水量。如果將灌溉工程減少的滲漏損失或減少的用水量，當成節省的水量并用于擴大灌溉面積，反而會惡化地下水的超采問題，造成“越節水、越超采”的惡性循環。
更需注意的是，在地下水超采問題突出的區域，以“節約用水量”以及“提高灌溉水分利用系數”為目標的節水農業發展不能改善地下水超采現象。
3.2 節水對區域水分生產率提高的貢獻率。
水分生產率指的是消耗單位水資源量所獲得的產量（單位：kg/m?），是高效節水農業發展評價的重要指標。利用區域蒸散遙感模型 ETWatch 生產的月尺度蒸散（ET）遙感數據、基于遙感數據驅動的 CASA作物模型估算的生物量數據及收獲指數，結合冬小麥作物分布，得到了2003-2009 年海河流域平原區冬小麥的多年平均水分生產率為1.049kg/m?,變化范圍為 0.1-1.6kg/m?[12].冬小麥水分生產率的空間分布差異顯著，水分生產率高值區集中在海河流域的洪泛區和黃河灌區，該區域對應較低的耗水量和較高干物質量累積量。海河流域的東部地區水分生產率較低，對應較高的耗水量和中等偏上水平的干物質累積量。實驗站作物ET與產量分析研究結果表明，當 ET達到 460-463 mm 之前，產量與 ET呈線性增長的趨勢，之后產量變化趨于穩定[13,14].現狀像元尺度冬小麥ET低于460mm的臨界值，產量與ET的關系統仍然處于線性關系，說明區域水分生產率仍然有提高的空間。
從同一地點不同時期的ET、產量與水分生產率的趨勢變化可以分析水分生產率提高的原因。表 1 是基于1984-2002 年 8 個農業氣象站的冬小麥產量數據和遙感反演的 ET 數據，采用線性趨勢分析方法建立的 ET、產量和水分生產率間的關系。所有站點的冬小麥產量自1984 年以來呈顯著增加的趨勢，變化范圍為 100.4- 211.4 kg/hm2,產量線性回歸方程的決定系數 R2為 0.60-0.97,所有站點均通過了 95% 的置信度檢驗。ET在1984-2002年間總體呈增加的趨勢，但增加輻度低于產量的增加輻度，斜率變化范圍為 0.09-4.49,所有站點的線性回歸分析均沒有通過顯著性檢驗。水分生產率總體呈增加的趨勢，有 4 個站點線性回歸方程通過了 95% 置信度檢驗，水分生產率的變化趨勢存在明顯的空間差異。以海河流域封丘縣為例，糧食（冬小麥）水分利用效率在 1949-1996 年間從 0.23 kg/m3增加到 0.90 kg/m3,糧食產量自 20 世紀 50 年代以來增加了5.98 倍，而耗水僅增加了 28.3%[15].上述分析說明了20年來產量的增加主要是由于灌溉保證率提高后，使得農民有意愿投入，采用改良品種，增加氮肥和磷肥以及農藥的用量，加強田間管理，從而提高了單產水平，但水量消耗的增加有限，原來的無效耗水轉變成了有效耗水。
綜上所述，從空間和時間尺度的分析結果表明冬小麥單產的顯著增加是近20 年來流域平原區冬小麥水分生產率顯著提高的根本原因。
關鍵詞： 耗水管理，高效節水農業，水分生產率，節水潛力。
1 引言。
中國淡水資源總量豐富，達 28 000 億 m3,但人均只有 2 200 m3,僅為世界平均水平的1/4,是全球人均水資源最為貧乏的13個國家之一。我國水資源空間分布不均，北方的水資源只有南方的1/4,資源性缺水以及不當的水資源開發利用方式，引發了一系列社會、經濟以及生態環境問題。北方地區尤為嚴重，地下水超采、河流斷流、入海流量銳減，有些地區如華北地區出現地面沉降、海水入侵、河流納污能力減弱、水污染問題進一步惡化等一系列災害和生態環境問題，都嚴重地阻礙著社會經濟的可持續發展。
2011 年中央一號文件明確提出，實行最嚴格的水資源管理制度，建立用水總量控制、用水效率控制和水功能區限制納污“三項制度”,即水資源管理“三條紅線”,力圖緩解水資源過度利用與水污染產生的問題。隨著經濟社會的快速發展，工業、生活以及生態等行業用水需求將持續增加，水資源在行業間的競爭將減少分配給農業的水資源量。針對嚴峻的水資源現狀，為了有效緩解水資源緊張狀況，促進流域水資源可持續利用，作為耗水大戶的農業一直是節水的重點，期望以較少的水資源消耗生產更多的糧食，擔負著保障國家糧食安全的重任。
我國節水灌溉農業發展至今，取得顯著成效的同時，也存在很多的問題[1].然而現有的管理方法和技術手段都不能很好地回答或者解決目前水資源危機帶來的問題，亟需新的手段和技術方法的創新。在中科院知識創新工程重大項目“海河流域治理工程生態環境效應遙感監測與評估”課題和世界銀行環球基金“海河流域水資源與水環境綜合管理”項目支持下，經過近10年對海河流域水資源問題的研究提出了“耗水管理”理念[2,3].耗水管理是對“供水管理”和“需水管理”的補充和完善，著眼于控制水資源的消耗量（ET），強調目標ET控制，通過減少耗水，提高水分生產率，實現水資源的可持續與高效利用。本文以海河流域為北方水資源問題的典型代表區，基于耗水管理理念，從耗水的視角來審視節水農業發展中存在的問題，重新認識流域節水所面臨的問題和艱巨的挑戰，針對節水灌溉農業發展提出對策及建議。
2 節水灌溉農業發展現狀。
早在 20 世紀 60 年代，我國就開始進行了節水灌溉技術的研究和推廣。20 世紀 90 年代，隨著干旱缺水問題的日趨嚴重，我國節水農業開始出現了加速發展的局面。目前，節水農業的發展，已從小面積試點，轉向較大面積的集中連片；從田間節水，開始轉向全面節水。近10年來節水農業發展勁頭十足。
節水灌溉發展的資金投入來源包括國家和地方政府財政、銀行信貸、自籌資金以及國外資金等，其中，國家財政投入主要負責水源和干支渠渠道等骨干工程，信貸和自籌資金主要是由地方和農戶投入用于末端節水灌溉工程。根據《全國水利發展統計公報》數據，2004 年、2008 年水利建設投資總額分別 783.5 億元和 1 088.2 億元，其中用于灌溉的財政投入為 87.6 億元和 116.6 億元。2014 年全國水利建設投資總額高達 4 083.1 億元，灌區建設與改造 114 億元，小型農田水利建設 378 億元。2000 年以來，我國在灌溉農業發展的投入呈持續增長的態勢，節水農業的發展得到了國家的高度關注。
我國有灌溉條件的農田約占耕地總面積的 47%[1].當前農業灌溉面積比建國初期增加了近 3 倍，引水輸水以及井灌區建設和改造等節水灌溉工程大大減少了農業灌溉中的輸水損失。截至 2010 年，節水灌溉工程面積達 4 億畝，渠道防滲控制灌溉面積占總節水灌溉面積的 42%,低壓管道輸水灌溉占 25%,噴灌約占 11%,微灌約占8%,其他占14%[4].以海河流域為例，自1980年以來農田灌溉面積迅速增長，目前總有效灌溉面積約為 1 億畝 , 占耕地總面積的 60%[5].截至 2010 年，海河流域節水灌溉面積約有 6 000 萬畝，超過 4 050 萬畝耕地（灌溉面積的37.2%）使用了渠道襯砌和管道配水技術，而738萬畝耕地（灌溉面積的 7%）使用了滴灌和噴灌技術，主要應用于果園和大棚[6].
我國農業用水量占總用水量的比重從1980的88%,1993 年的 66% 降至 2009 年的 62%,單位面積用水量從494 立方米/畝回落到 459 立方米/畝[1,4].2000 年以來全國農業用水量基本平穩，2014 年農業用水量（約 3 870 億 m3）占總量的 63.5%.海河流域的農業用水量趨勢與我國情況基本一致，自 1980 年以來農業用水在波動中呈逐步下降的趨勢，農業用水高峰年出現在 1989 年，達到 335 億 m3.但 2000 年以后，農業用水量一直保持在 300 億 m3以下[7].據《海河流域水資源公報》，2000年和2014年全流域總用水量分別為398億m3和 370 億 m3,其中農業用水量分別為 281 億 m3和233億m3,占總用水量的70%和63%.
節水灌溉發展使得我國灌溉水利用系數從 20 世紀80年代不足0.3提高到2000年的0.44,2010年進一步提高到0.50[1,8].2011年中央一號文件提出到2020年灌溉水利用系數提高到 0.55.由于節水灌溉工程建設，如渠道襯砌、低壓管道等建設減少了從水源到農田輸水損失量，因此灌溉效率明顯提高。2010 年華北地區的灌溉水利用系數平均為0.6,變化范圍在0.5-0.9之間，為我國灌溉水利用系數最高的區域。該區域經濟發達，水資源問題最為嚴重，國家和地方政府在該區域的節水灌溉資金投入相對較高。
3 節水灌溉農業發展的認識與思考。
國家在節水灌溉農業方向投入了大量資金，在減少用水量和提高灌溉效率方面的確取得了顯著的成效，但是同時也要正確看待由此導致的問題。
3.1 地下水超采問題沒有得到減緩，反而愈演愈烈。
地下水是我國重要的灌溉水源，全國農業灌溉地下水開采量 666 億 m3,占全國農田灌溉總用水量的19%;在地下水實際開采量中，用于農田灌溉的地下水開采量占 54.3 %.但由于水資源地區分配不均，地下水開采利用程度呈現明顯的地區差異，最為嚴重的地區為華北地區。華北地區耕地面積約5.5億畝，約占全國總耕地的 28%[9,10],地下水供農業用水占38%,其中河北省占75%,山西和河南占50%以上。
當聚焦到地下水開采地區，不難發現這樣一個現象：節水農業快速發展的幾十年歷程里，盡管政府投入大量資金進行灌溉工程措施的建設，如渠道襯砌、防滲加固、低壓管道以及先進的噴滴灌技術手段，但是地下水超采問題依舊，并沒有因為這些灌溉工程的建設得到減緩。以節水灌溉投資力度最大的河北省為例，井灌面積超過了總灌溉面積的 60%,節水灌溉面積超過40%,然而唐山、石家莊、保定、廊坊等城市淺層地下水水位每年以 1-2 m 的速度下降，深層水漏斗面積達 2.44 萬km2 [5].由于地下水不易更新，其過度開采使得水資源危機愈發嚴重，同時引發一系列的生態環境問題。
“地下水持續超采問題依舊”“節約的農業用水量究竟去哪了”等成為了管理部門與科研工作者最為困擾的一些問題。在華北平原地區實施的渠道襯砌、防滲加固、低壓管道以及噴滴灌等手段減少了灌溉水的滲漏，提高了灌溉效率，但也減少了對地下水的補給[11],原因是大多數節水措施實施前“損失的水資源”在流域尺度上并沒有從水系統中損失掉，如下滲到地下補充地下水的水量可以被再次取用，灌溉回流到河流的水量在下游也可以被再利用。因此，節水灌溉工程只是提高灌溉效率、提高田間的灌溉保證率，對修復地下水過度超采的狀況卻于事無補，減少的取水量不等于節水量。如果將灌溉工程減少的滲漏損失或減少的用水量，當成節省的水量并用于擴大灌溉面積，反而會惡化地下水的超采問題，造成“越節水、越超采”的惡性循環。
更需注意的是，在地下水超采問題突出的區域，以“節約用水量”以及“提高灌溉水分利用系數”為目標的節水農業發展不能改善地下水超采現象。
3.2 節水對區域水分生產率提高的貢獻率。
水分生產率指的是消耗單位水資源量所獲得的產量（單位：kg/m?），是高效節水農業發展評價的重要指標。利用區域蒸散遙感模型 ETWatch 生產的月尺度蒸散（ET）遙感數據、基于遙感數據驅動的 CASA作物模型估算的生物量數據及收獲指數，結合冬小麥作物分布，得到了2003-2009 年海河流域平原區冬小麥的多年平均水分生產率為1.049kg/m?,變化范圍為 0.1-1.6kg/m?[12].冬小麥水分生產率的空間分布差異顯著，水分生產率高值區集中在海河流域的洪泛區和黃河灌區，該區域對應較低的耗水量和較高干物質量累積量。海河流域的東部地區水分生產率較低，對應較高的耗水量和中等偏上水平的干物質累積量。實驗站作物ET與產量分析研究結果表明，當 ET達到 460-463 mm 之前，產量與 ET呈線性增長的趨勢，之后產量變化趨于穩定[13,14].現狀像元尺度冬小麥ET低于460mm的臨界值，產量與ET的關系統仍然處于線性關系，說明區域水分生產率仍然有提高的空間。
從同一地點不同時期的ET、產量與水分生產率的趨勢變化可以分析水分生產率提高的原因。表 1 是基于1984-2002 年 8 個農業氣象站的冬小麥產量數據和遙感反演的 ET 數據，采用線性趨勢分析方法建立的 ET、產量和水分生產率間的關系。所有站點的冬小麥產量自1984 年以來呈顯著增加的趨勢，變化范圍為 100.4- 211.4 kg/hm2,產量線性回歸方程的決定系數 R2為 0.60-0.97,所有站點均通過了 95% 的置信度檢驗。ET在1984-2002年間總體呈增加的趨勢，但增加輻度低于產量的增加輻度，斜率變化范圍為 0.09-4.49,所有站點的線性回歸分析均沒有通過顯著性檢驗。水分生產率總體呈增加的趨勢，有 4 個站點線性回歸方程通過了 95% 置信度檢驗，水分生產率的變化趨勢存在明顯的空間差異。以海河流域封丘縣為例，糧食（冬小麥）水分利用效率在 1949-1996 年間從 0.23 kg/m3增加到 0.90 kg/m3,糧食產量自 20 世紀 50 年代以來增加了5.98 倍，而耗水僅增加了 28.3%[15].上述分析說明了20年來產量的增加主要是由于灌溉保證率提高后，使得農民有意愿投入，采用改良品種，增加氮肥和磷肥以及農藥的用量，加強田間管理，從而提高了單產水平，但水量消耗的增加有限，原來的無效耗水轉變成了有效耗水。
綜上所述，從空間和時間尺度的分析結果表明冬小麥單產的顯著增加是近20 年來流域平原區冬小麥水分生產率顯著提高的根本原因。
