DOI:10.12677/HJAS.2024.141004,PDF,HTML,XML,被引量下载: 218浏览: 336
作者:马建强：新疆白杨河流域管理局水利管理中心，新疆 乌鲁木齐
关键词:干旱灌区；投入产出；灌溉生产力；效应；Arid irrigation Areas；Input Output；Irrigation Productivity；Effect

文章引用：马建强. 干旱风沙土灌区灌溉生产力分析[J]. 农业科学, 2024, 14(1): 21-28. https://doi.org/10.12677/HJAS.2024.141004

1. 引言

新疆干旱和田风沙土灌区年均气温、降水和蒸发量分别为：11.9℃、38.9 mm和2545.4 mm，比新疆年均气温高出45.6%，降水量减少70.8%，蒸发量高出14.7%，灌区灌溉面积35.861万hm²，占新疆总灌面积的7.5%。2020年灌区人均水资源4465 m³高出新疆平均水平的42%，灌溉用水定额10,353 m³/hm²，高出新疆灌区平均水平的30%，灌区水资源供需不平衡的同时，灌溉用水量却普遍过高。和田灌区沙土类土壤质地耕地占比高达90%以上，是新疆风沙土及沙土质地分布最多的灌区，风沙土相对贫瘠水肥气热不协调，客观上增加了灌溉水资源耗量。干旱气候水文与农业人文环境，和田灌区形成了传统的林果树间作(套种)粮棉油种植、地面沟畦漫灌农业生产灌溉模式，随着节水技术发展，近年灌区滴灌技术有所应用。干旱风沙土灌区灌溉水生产效果，引起业界广泛关注与研究。贾易周等人 [1] 利用灌区粮食作物用水足迹，采用农业用水效率系统动力学模型分析用水效率及可变影响因素。李亚龙等人 [2] 采用灌溉面积、灌溉水利用系数、水分生产率和节水灌溉率等指标，研究流域灌区高效节水布局和节水灌溉技术应用。周和平等人 [3] 研究干旱区灌溉水利用系数，以柯布–道格拉斯模型分析相关因素对灌溉水利用系数效应。本文应用投入产出生产力模型探寻灌溉要素主题作用及生产力空间，以灌区灌溉用水观测分析为基础环节，形成基于高效滴灌模式投入产出技术指标分析，为干旱风沙土灌区水资源高效利用管理提供参考。

2. 材料与方法

2.1. 研究区概况

干旱和田风沙土壤灌区，南抵昆仑山北临塔克拉玛干大沙漠，是新疆南疆五地州级行政区之一，由和田市、和田县、墨玉、皮山、洛浦、策勒、于田、民丰7县1市。灌区年均气温12.6~14.1℃，相对湿度36.6%~42.7%，降水量54.2~80.0 mm，蒸发量1680.5 mm，干旱指数高达20~30。新疆土壤类型36种和田灌区主要风沙土灰漠土及其粉沙质地分布 [4] ，属典型温带干旱大陆性气候，降水稀少、蒸发强烈、气候干旱、生态脆弱，为典型干旱荒漠绿洲新疆重要粮果类生产区。截止2020年和田灌区微灌节水面积9.09万hm²仅灌溉面积的25%；年供水量40.23亿m³，其中农业用水占比92.3%，毛灌溉用水量10,350 m³/hm²，高出全疆平均水平三成 [5] 。2020年粮、棉、油、果类单产分别为：4976 kg/hm²、1506 kg/hm²、1762 kg/hm²、6511 kg/hm²；人均粮、果类为：308 kg、448 kg；国民经济生产总值406.32亿元，其中农业生产46.49亿元占比11.4% [6] 。2020年水资源总量108.99亿m³占新疆水资源 [7] 总量13.4%，农业用水量37.1亿m³占新疆9.7%，灌溉面积35.86万hm²占新疆7.5%，人均耕地0.09 hm²比新疆少55.3%，和田灌区生活着新疆面积占比15%的250万人组成的维吾尔族汉族回族等22个民族大家庭。

2.2. 数据来源

本研究数据主要有：1) 地州市县灌区相关数据，源于《新疆维吾尔自治区统计年鉴》《新疆国民经济和社会发展统计公报》(2020)；2) 地州市县级灌区水资源及利用相关数据，源于《新疆维吾尔自治区水资源公报》《新疆水利统计资料汇编》《新疆农业用水定额地方标准》；3) 新疆灌区土壤质地空间分布，源于《中国科学院资源环境科学数据中心共享服务平台》 [8] ，新疆气候中心和田2009~2019农业气象数据。

2.3. 研究方法

2.3.1. 投入系统灌溉影响效应判析

灌溉生产分析方面，由于基于多项投入与目标产出系统的考虑，从而对灌溉影响效应进行判析，为此基于投入产出主要影响要因素及边际效应诊断，明晰灌区投入产出信息，采用柯布–道格拉斯 [9] 模型分析：

$Y=a{x}_1^{b_1}{x}_2^{b_2}$(1)

式中Y为产出；x₁、x₂分别为劳动、资本投入；a、b₁、b₂分别为待定系数。

该模型为农业投入产出关系数学描述，由式(1)分别对x₁和x₂求Y偏导，得边际影响效应：

$\{\begin{array}{l}\frac{\partial Y}{\partial x_1}=b_1\frac{Y}{x_1}\\ b_1=\frac{\partial Y}{\partial x_1}/\frac{Y}{x_1}=\frac{\partial Y}{Y}/\frac{\partial x_1}{x_1}\\ \frac{\partial Y}{\partial x_2}=b_2\frac{Y}{x_2}\\ b_2=\frac{\partial Y}{\partial x_2}/\frac{Y}{x_2}=\frac{\partial Y}{Y}/\frac{\partial x_2}{x_2}\end{array}$(2)

由式(2)看出，b₁为生产投入弹性，表现出一定比率产出变化；b₂为资本投入弹性引起产出变化；a为转换系数，各变量与参数有联系。

由式(1)可知，b₁、b₂系数表达了对因变量Y影响程度，由此构成投入产出弹性模量：

$Ep={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{b}_i}$(3)

弹性模量报酬递增临界度Ep≥1，且Ep愈大为宜。

2.3.2. 灌溉生产力分析指标

基于多项投入与目标产出系统的灌溉生产力分析，包括了较多的分析技术指标，本文从以下几个主要的影响技术指标进行分析。

1) 田间水利用系数，农田灌水后计划湿润层作物根区储水与灌入田间水量关系：

$Ea=V_S/V=\left(V_{\text{1}}+V_{\text{2}}\right)/V=\left(V_{\text{1}}+V_{\text{2}}\right)/\left(V_{\text{1}}+V_{\text{2}}+V_{\text{3}}+V_{\text{4}}\right)$(4)

式中：Ea为田间水有效利用系数；V_S为灌水后计划湿润作物根区土壤储水量，m³；V₁为作物蒸腾量，m³；V₂为作物棵间土壤水分蒸发量，m³；V₃为田间深层渗漏水量，m³；V₄为田间灌水径流失水量，m³；V为进入田间灌水量，m³。

2) 灌溉水利用系数 [10] ，灌水后田间作物利用净灌溉水与首部引水量关系：

${\eta }_w=\frac{W_j}{W_a}=\frac{M_{综}\cdot A}{W_a}$(5)

$M_{综}=\frac{{\displaystyle \underset{i}{\overset{N}{\sum }}{M}_i\cdot A_i}}{A}$(6)

$M_i=667\gamma H\left({\beta }_2-{\beta }_1\right)$(7)

式中：η_w为灌溉水利用系数；W_j为净灌溉用水量，m³；W_a为首部引用水量，m³；M_综、M_i分别为灌区综合作物，以及第i种作物净灌溉定额，m³/hm²；A_i为i种作物灌溉面积，hm²；N为作物种类数量；A为灌溉面积，hm²；β₁、β₂分别为灌水前后湿润层土壤含水率(占干土重)，%；γ为土壤干容重，t/m³；H为作物湿润层深度，m。

3) 灌溉增产节水率，不同灌水技术引起的节水及增产效果：

${\eta }_j=\frac{m-m_k}{m}\times 100\%$(8)

${\eta }_c=\frac{C-C_k}{C}\times 100\%$(9)

式中：η_j、η_c分别为灌溉节水率及增产率，%；m，m_k、C，C_k分别为新旧对照灌水技术的用水量及产量，m³，kg。

4) 灌溉水生产效率：

$\text{WUE}=\frac{C}{m}$(10)

式中：WUE灌溉水生产效率，kg/m³；C为灌区作物产量，kg；m为灌溉用水量，m³。

3. 结果与分析

3.1. 投入产出系统灌溉影响效应

根据灌区主要生产投入因素产出现状数据，由式(1)~(2)拟合柯布–道格拉斯方程为：

$\{\begin{array}{l}c=0.427\times {10}^{-4}{T}^{0.42409}{F}^{0.13916}{S}^{2.27872}{B}^{0.60633}{J}^{0.76319}\\ R={0.955}^{**}\ge \left[R_{0.05}=0.707,R_{0.01}=0.834\right]\\ F={4.12}^{*}\ge \left[F_{0.05}\left(8,5\right)=3.69,F_{0.01}\left(8,5\right)=6.63\right]\end{array}$(11)

式(11)检验达到极显著和显著水平，投入因素对产出影响边际效应分析结果，如表1所示。分析结果看出，人均耕地ΔT、化肥纯施量ΔF、毛灌溉用水量ΔS、微灌总灌面积占比ΔB、播种面积农机动力ΔJ投入要素，对产出粮棉油糖产量C，均呈明显正边际效应，对C影响大小为： $\Delta T>\Delta J>\Delta B>\Delta S>\Delta F$。灌区投入产出系统，人均耕地面积边际效应最大，体现了灌区耕地质量规模的基础地位；其次播种面积农机动力边际效应显著，表现出灌区农机化作业处于较好水平状态；再次毛灌溉用水量、微灌总灌溉面积占比(节灌率)、化肥纯施量，虽然均呈正边际效应，但边际效应尤其是化肥纯施量，明显低于人均耕地和农机动力因素影响效果。分析结果表明，现状灌区灌溉用水处于低效率低水平状态，灌区灌溉尚有节水潜力和发展空间。

3.2. 灌区灌溉生产力分析

3.2.1. 田间灌溉用水

灌区土壤环境灌溉技术种植模式灌溉用水定额，是灌溉供水重要的基础数据。为获取和田灌区不同作物种植模式全生长期灌溉用水量，基于不同灌溉类型作物面积及灌水制度，采用传统取土钻100 cm土壤层深土壤水分烘干法，对农田作物每次灌水前后大范围980个代表区测点形成了20,020个观测数据。由观测结果可知，虽然灌区作物及灌溉方式不同，灌后土壤含水率增加深度均达到100 cm，灌后增加水量湿润层深度多出现60~70 cm，70 cm土层以下有所减少，至100 cm仍有较多灌溉水量。由常规灌溉与滴灌比较可知，常规沟畦灌溉土壤耕作层(0~30 cm)、上土层(30~60 cm)、中土层(60~80 cm)和下土层(80~100 cm)，灌溉水储量占比分别为：14%~24%、26%~35%、23%~32%和20%~28%，灌溉水储量占比大小表现为上土层较多、中土层次之、下土层较少和耕作层相对最小；滴灌耕作层、上土层、中土层和下土层，灌溉水储量占比分别为：28%~34%、31%~35%、19%~24%和12%~18%，表现为耕作层和上土层基本相当，中土层减少、下土层最小。由此可见，常规沟畦灌80~100 cm下土层灌水后仍有20%以上灌溉水储存，滴灌相对减少10%左右，80%以上集中于中土层及耕作层。和田灌区农田地下潜水埋深基本在4 cm以上，除生长多年林果树深根系之外，大田作物难以获得地下水补给完全依靠灌溉水。

综上，灌区风沙土粉沙质地居多，考虑既适宜林果作物套种充分利用下层土壤水分，又不至于产生灌溉水深层渗漏，田间灌水计划湿润深度以80 cm，同时，大量样本灌水定额平均和中位数及标准差基本接近差异性小，说明灌区风沙土剖面质地层次单一差异性不大，因此，不同灌区灌水定额可以多监测点算术平均确定。近10年灌区有效降水量表明，作物生长期3~9月有效降水量16.1~25.1 mm，各月仅0.3至7.6 mm，降水对作物影响程度可忽略。由此，基于田间观测综合作物灌溉制度(表2)结果表明，常规沟畦灌水定额80~105 mm，灌水次数8~10，田间灌溉用水定额650~890 mm。滴灌灌水定额40~45 mm，灌水11~13次，田间灌溉用水定额480~610 mm，比常规沟畦灌节水150~330 mm，节水幅度22%~37%。

3.2.2. 灌溉水生产力

基于和田灌区灌溉供水及节水规模、种植作物面积及产量 [11] [12] [13] 等基本参数，综合常规与滴灌综合作物田间灌溉制度(表2)成果，由式(4)~(10)分析灌区灌溉水生产力主要技术指标结果(表3)表明，由传统常规沟畦灌溉向滴灌规模化发展，灌区可由目前田间水利用系数0.881、灌溉水利用系数0.593、粮棉油糖单产5845 kg/hm²和灌溉水生产效率0.78 kg/m³，分别提高到0.927、0.612、6899 kg/hm²和1.31 kg/m³；灌溉用水定额由目前的752 mm减少到528 mm，节水增产率可达到29.7%和18.0%，灌区高效滴灌方式灌溉生产力可得以显著提升。

3.2.3. 灌溉因素对产出影响

为进一步分析基于滴灌方式投入产出系统灌溉生产力影响效应，保持灌区基本投入要素不变，考虑可变因素为滴灌方式灌溉用水量S，新增因素为灌溉水利用系数η_w，形成滴灌系统数据如表4所示，由表4数据以式(1)~(3)构建灌区滴灌方式投入产出柯布–道格拉斯函数为：

$\{\begin{array}{l}C=2.97\times {10}^{16}{\eta }_w^{15.161}{T}^{-0.225}{F}^{-0.308}{S}^{-3.529}{B}^{0.150}{J}^{0.457}\\ R={0.996}^{**}\ge \left[R_{0.05}=0.707,R_{0.01}=0.834\right]\\ F={21.74}^{**}\ge \left[F_{0.05}\left(8,5\right)=3.69,F_{0.01}\left(8,5\right)=6.63\right]\end{array}$(12)

经检验式(12)为极显著水平，统计与模型值相差−6.65~4.36%平均0.15% (图1(a))，模型具有较好代表性可量化解析。由投入要素产出影响边际效应(图1(b))看出，6项投入要素：灌溉水利用系数Δη_w、人均耕地面积ΔT、化肥纯施量ΔF、灌溉用水量ΔS、滴灌总灌面积占比ΔB、播种面积农机动力ΔJ，对粮棉油糖产量C呈正边际效应影响因素为3个，其大小程度为：Δη_w> ΔJ > ΔB，说明灌溉水利系数、滴灌面积发展，农业机械化装备水平，成为滴灌投入产出系统的重要影响标志。对粮棉油糖产量C呈负边际效应因素及大小程度为：ΔT> ΔS > ΔF。由常规灌溉与滴灌投入因素比较看出，相同人均耕地面积、化肥纯施量和灌溉用水定额3个因素，常规灌溉投入产出系统呈正效应，而在滴灌投入产出系统仅采用滴灌节水灌溉定额，其它2个因素保持不变，投入对产出影响均由正边际效应变成负效应，这一结果恰好说明，滴灌方式投入产出中，人均耕地、化肥纯施量、灌溉用水定额，对产出效应由原递增变成递减，反映出原常规灌溉人均耕地少成为影响产出主要问题，在滴灌系统转化为非主要影响因素；原化肥纯施量235 kg/hm²，高出国际公认安全施用上限225 kg/hm²[14] 施肥水平，在滴灌系统可不增用量且平衡收益；原常规沟畦大灌溉用水，采用滴灌节水定额，适宜作物需水要求符合节灌标准 [15] 且可获得节水增产效应。灌区高效滴灌系统总体弹性模量Ep= 11.71 > 1，报酬受益远大于临界状态，表明滴灌生产要素投入产出处于良好报酬递增阶段，发展滴灌应用规模对提升和田灌区水资源高效利用具有重要作用。

4. 结论

本文基于多因素投入与目标产出系统视角，对干旱和田风沙土灌区农业灌溉生产力进行综合研究分析结果显示：1) 常规沟畦灌溉方式，灌溉用水量、微灌总灌面积占比、化肥纯施量投入呈正效应，但明显低于人均耕地和农机动力因素影响效果，分析结果进一步映证了常规灌溉用水利用效率低下的同时，且具有较大的节水发展空间。2) 基于灌区作物用水观测分析的2万个观测数据取得了风沙土灌区综合作物灌溉制度。3) 风沙土灌区灌溉生产力分析揭示了常规灌溉向滴灌方式转变，投入产出系统呈现出报酬递增态势，显示出现有灌溉用水及化肥纯施量资源投入不增反减的状态之下，同样可以获得节水增产效果。

参考文献

参考文献

[1]	贾易周, 刘子西, 唐莲. 基于系统动力学的青铜峡灌区农业用水效率调控研究[J]. 灌溉排水学报, 2023, 42(4): 137-144.
[2]	李亚龙, 范琳琳, 王建鹏. 长江流域灌溉效率指标分析[J]. 中国农村水利水电, 2017(12): 1-6.
[3]	周和平, 张明义, 周琪, 等. 新疆地区农业灌溉水利用系数分析[J]. 农业工程学报, 2013, 29(22): 100-107.
[4]	中国科学院新疆生物土壤沙漠研究所编著. 新疆土壤与改良利用[M]. 乌鲁木齐: 新疆人民出版社, 1977.
[5]	新疆维吾尔自治区水利厅. 新疆水利统计资料汇编[Z]. 2020.
[6]	新疆维吾尔自治区统计局编. 新疆统计年鉴[M]. 北京: 中国统计出版社, 2021.
[7]	新疆维吾尔自治区水利厅. 新疆水资源公报[Z]. 2020.
[8]	中国科学院资源环境科学数据中心. 中国土壤质地空间分布数据[Z]. 2008.
[9]	王雅鹏, 凌远云, 龙文军. 农业技术经济学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2009: 58-65.
[10]	王忠, 周和平, 张江辉. 新疆农业用水定额技术研究应用[M]. 北京: 中国农业科学技术出版社, 2012: 180-186.
[11]	刘梦洁, 梁飞, 李全胜, 等. 膜下滴灌与细流沟灌对玉米生长及产量的影响[J]. 中国农业科学, 2023, 56(8): 1515-1530.
[12]	赵经华, 杨庭瑞, 周和平, 等. 渗灌对玉米生长指标及产量的影响[J]. 甘肃农业大学学报, 2020, 55(6): 58-66.
[13]	周和平, 赵经华, 翟超, 等. 渗墒灌溉节水降耗应用试验[J]. 中国科学: 技术科学, 2019, 49(1): 76-86.
[14]	刘钦普, 孙景荣, 濮励杰. 中国及欧美主要国家化肥施用强度与综合效率比较研究[J]. 农业工程学报, 2020, 36(14): 9-16.
[15]	王忠, 周和平, 张江辉, 等. DB65/3611-2014. 新疆维吾尔自治区农业灌溉用水定额[S]. 乌鲁木齐, 2015.