农业水生产力研究进展

第22卷第1期2007年1月地球科学进展A DVAN CE S I N E AR T H S C I E N C EV o l.22　N o.1J a n.，2007文章编号：1001-8166（2007）01-0058-08农业水生产力研究进展*刘　鹄，赵文智*（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所临泽农田生态系统国家野外科学观测研究站，寒旱区流域水文及应用生态实验室；中国生态系统研究网络临泽内陆河流域综合研究站，甘肃　兰州　730000）摘　要：文章系统阐述了农业水生产力概念的发展过程，综合分析了影响农业水生产力的主要因素，详细列举了不同尺度上评估农业水生产力所需的水流及产出计算方法，给出了4种主要农作物在全球范围内的水生产力的分布范围与空间格局，并从提高水分利用效率、加强田间水资源管理、选择适宜的种植模式和栽培技术以及培育更加高效的农作物品种4个方面全面综述了各种水生产力提高策略。

指出在未来的水生产力研究中还需要强调农户的参与以及学科间的协作，加强水生产力尺度效应、水权与水价问题、虚拟水交易、水生产力提高措施对环境影响等方面的研究。

关　键　词：水生产力；利用效率；粮食安全；提高策略；尺度效应中图分类号：Q14；P33 文献标识码：A 水危机是21世纪初叶人类面临的主要挑战之一［1］。

灌溉农业作为全球最大的淡水资源消耗产业，约占淡水消耗总量的70％［2］，在某些国家甚至高达80％［3］。

随着世界人口的膨胀、工业和生活用水的增加以及各种环境问题的出现，用水部门之间对水资源的竞争不断升级，灌溉农业所能获得的水资源量正在逐渐萎缩，未来数十年内需要解决的难题将是如何用越来越少的水资源生产更多的粮食［1］。

K i j ne［1］指出解决水资源危机的关键将是如何有效使用和管理有限的淡水资源，而用更少的水资源生产更多粮食的出路在于提高水生产力［4］。

水生产力概念体系的提出为解决水问题提供了一种全新的思路，提高水生产力不但能缓解水资源压力，还能为人类和生态系统留出更多可用的水资源。

近年来水生产力已经成为国内外研究热点之一。

国际水管理研究院（I W M I）、联合国粮农组织（F A O）、国际植物基因资源研究所（I P GR I）等著名机构在全球范围内相继开展了一系列的水生产力研究计划；国内在甘肃西峰、河北曲周和栾城、山东禹城、陕西长武、湖北漳河灌区等地也开展了相关的研究工作，并取得了重要进展［5～11］。

本文从水生产力概念、评估方法、区域表现、影响因素以及提高策略等方面综述了国内外水生产力研究成果，并展望未来的研究方向。

1　水生产力概念V i e t s［12］最早提出的水分利用效率是水生产力概念雏形，指农作物平均产量与蒸散发之间的比率，即单方水的有效产出，但常用的水分利用效率概念是指植物根区储存水量与灌溉水量比［13］，水利工程上也使用灌溉水利用系数概念，指农作物水分需求（实际蒸散发减去有效降水）与水资源供给（由具体水体供给的水资源总量）之比。

这些概念中的水分消耗项不仅包括蒸散发，也包括渗漏及地表径流损失。

事实上，由渗漏及地表径流损失的水资源可能通过水循环在流域内被重复使用，所以以上概念均低估了水资源的实际利用效率，并可能忽略了地表灌溉系统在补给地下水、为下游农业和生态系统提*　收稿日期：2006-06-08；修回日期：2006-10-09.*基金项目：国家自然科学基金面上项目“荒漠河岸林生态格局与过程水文学机制研究”（编号：40571026）资助．　作者简介：刘鹄（1980-），男，甘肃兰州人，助研，在读博士，主要从事生态水文学方面的研究工作. E-m a i l：l ha y z ＠l z b. a c. c n *通讯作者：赵文智（1966-），男，陕西定边人，研究员，主要从事干旱区生态水文学研究. E- m a i l：z haow z h ＠l z b. a c. c n供水资源的作用［1］。

为了整合水循环因素，J e n s en［13］提出了灌溉水净利用系数概念（N e t e ffi c i e ncy）；K e ll er［14］提出了灌溉水有效利用系数概念（E ff e c ti ve e ffi c i ency）；W i l-l a r d s o n［15］提出了消耗比例概念（C on s um ed f r ac-t i ons）；P e rr y［16］与B u r t［17］等提出了收益性和非收益性消耗比例概念（B ene fi c i a l a nd n o nbene fi c i al d e p l e-t ed/c on s um ed f r a c ti ons）。

S e c k l e r［18］将这些概念统称为新经典灌溉水利用系数概念，指出它们在本质上还是一种工程学观点上的效率概念，而“效率”一词已不适合在水资源管理和决策领域中继续使用。

I W M I提出了水生产力概念，即单位（体积或价值）水资源所生产出的产品数量或价值。

根据定义中分子分母具体内容，水生产力可以被表达为：（1）纯自然的生产力概念，水生产力＝产品数量/消耗或分配水量。

（2）自然的和经济的综合生产力概念，水生产力＝农作物总价值或净价值/消耗或分配水量。

（3）纯经济的生产力概念，水生产力＝农作物总价值或净价值/消耗或分配水资源价值（包括自身价值和机会成本）［18］。

水生产力概念在农业生产中强调用同样的水资源生产更多的粮食或用更少的水资源生产同样多的粮食，即提高农作物水生产力，因此农业水生产力可以被简单定义为单方水资源所能生产出的粮食产量［19］，也可以根据研究目的、尺度和区域进一步调整［1，4］。

这种定义上的灵活性为农业生产者、研究人员和水资源管理者提供了一个全新的概念框架。

2　影响因素Z w a r t等［20］分析发现全球4种主要农作物水生产力变化范围均比较大，究其原因是多种要素影响着土壤—植被—水分关系。

这些因素可大致分为4类：气候、土壤、农作物以及管理因素。

气候因素主要指大气饱和水汽压差影响蒸散发，进而控制农作物水生产力。

B i e r hu i z en等［21］研究气候参数对光合作用—蒸散发关系的影响发现大气饱和水汽压差与水生产力之间存在负相关关系，S t anh il l［22］研究不同纬度牧场水生产力发现从高纬度地区到赤道地区，大气饱和水汽压差逐渐增加，对应的水生产力逐渐减小，该结论与Z w a r t［20］分析结果一致。

土壤物理性质决定其渗透和蓄排水能力以及适宜的农作物类型等［20］。

土壤渗透能力主要通过影响水循环进而影响水分利用效率，间接影响农作物水生产力。

较好的土壤渗透能力能使降水迅速转化为土壤水分，起到减少地面径流、改善作物根区水分状况提高水生产力的作用。

土壤蓄水能力则影响土壤水分向地下径流的转化，影响土壤水分和养分流失，从而影响农作物水生产力。

较好的排水性能有利于控制地下水位防止水涝，同时还是维持土壤盐分不超过影响农作物生长的阈值、保证农作物水生产力不受盐分影响的关键土壤特性。

农作物水生产力在很大程度上取决于农作物种类和品种。

作物种类和品种直接决定作物蒸散发速率、生长周期、土壤水分利用效率以及作物产量。

如玉米是C4植物，其水分和养分利用效率要明显高于小麦、水稻等C3植物，相应的玉米水生产力也要高一些［20］；陈尚谟［23］对冬小麦、夏玉米、谷子等作物种类的研究发现不同品种之间水分利用效率差异显著，抗旱性最强的谷子品种间水生产力相差高达6倍，小麦相差达到2倍，抗旱性最弱的玉米品种间差异最小为20％。

农作物水生产力还取决于管理因素，包括作物管理、灌溉水管理和土壤管理等。

作物管理能有效提高降水和灌溉水利用效率，合适的移植、轮作方式以及有效的杂草控制是获得较高作物水生产力的关键［24］。

灌溉水管理如灌溉水量、技术、时间都会影响作物水生产力［25～27］，不同的灌溉技术，如漫灌、沟灌、喷灌、滴灌，其水生产力差别较大，一般来讲滴灌水生产力最高，喷灌次之，而传统的漫灌方式水生产力最低。

作物在不同生长阶段对水分胁迫的敏感程度不一样，因而对水生产力的影响也有所差异［28］，所以灌溉时间合适与否也会影响水生产力。

土壤管理也能显著影响农作物水生产力［29］，如改变土壤表面会导致作物蒸散量发生变化，相应的水生产力会出现差异；土壤养分条件直接决定作物生理效率，间接影响其水生产力［20］。

3　评估方法农作物水生产力评估包括水生产力现状估算及其时空动态的预测，基本原理是：根据研究目的确定水生产力的具体定义，通过各种手段获取水流（如蒸散发、灌溉水等）与产出（粮食产量、经济产出等）信息，在此基础上使用农作物产出值除以水资源消耗值计算水生产力。

农业生产中常用的水生产力指标有P W i rri ga t e d（产量/灌溉水量）、P W i n fl ow（产量/净入流）、P W d e p l e t e d（产量/消耗水量）以及P W p r oces s（产量/过程消耗水量）［18，30］，单位均为k g/m3。

95第1期 刘　鹄等：农业水生产力研究进展 3.1　水流计算小尺度上（如田间尺度）的水流信息主要通过直接测量获得。

一些水流信息如农作物蒸散发既可以通过直接测量获得（如使用L y s i m e t e r s）也可以通过气候因素及农作物系数间接计算确定，类似C RO P W A T［31］的程序就可以达到间接计算的目的。

在较大尺度上（如灌溉系统或流域尺度）通过实测获取水流信息难度较大，因此需要借助遥感技术和模型计算获得，如灌区尺度上蒸散流可以通过S E-B A L（S u r f a c e E n e r gy B a l a n c e A l go r it hm o f L a nd）模型［32］将遥感数据转化为农田与裸地实际和潜在蒸散发率。

为了预测作物水生产力时空动态，需要考虑土壤类型、盐分状况、水资源可获得性等多种因素，因此需要根据研究目的选择合适的水流模型，如在田间尺度上可以使用S W A P（S o i l-W a t er-A t m os-p h e r e-P l ant）模型［33］量化蒸发、蒸腾、灌溉、排水、渗透、径流等，在流域尺度上可以通过使用S L UR P （S em i-d i s t r i bu t ed L a nd-U s e R uno f f P r o c e ss e s）模型［34］来估算水资源供给以及整个流域水资源使用情况。

3.2　产出计算小尺度上的农作物产出信息除了直接测量还可以通过间接方法计算获得，如田间尺度上的粮食产量可以通过基于F A O开发的简单作物生长算法［33］或考虑不同植物生理阶段农作物各种器官碳水化合物生产的作物生长模型计算得到，W O F O ST（W O r l d F O od S T ud i e s）模型就是一种以植被冠层吸收太阳辐射为基础计算植物光合速率以及可能的水分或盐分胁迫，进而估算农作物产出信息的典型模型［32］；另外根据研究目的还有一些其它的模型如I n f o-C r op［34］、C SM-W h e at V4.0［35］、C E R E S-W he a t［36］等可以用来预测农作物水生产力动态。