干旱风沙土灌区灌溉生产力分析

Analysis of Irrigation Productivity in Arid Sandy Soil Irrigation Areas

摘要: 为探究干旱风沙土灌区不同灌溉模式条件下灌溉生产力效应，本文基于和田灌区采用投入产出及灌溉技术指标分析，结果表明：1) 灌区常规灌溉方式的人均耕地、化肥施量、灌溉用水量、微灌总灌面占比、播种面积农机动力投入对产出均呈正效应，其中灌溉用水效应偏低，说明常规灌用水效率低尚有节水空间。2) 由常规灌溉方式向滴灌节水转变，用水定额具有22%以上节省潜力。3) 滴灌方式投入因素对增产影响大小为：灌溉水利用系数 > 微灌总灌面积占比 > 播种面积农机动力。提高灌溉水利用系数扩大滴灌应用规模、巩固完善农机管理，是推进风沙土灌区灌溉水资源高效利用的重要支撑。

Abstract: To explore the effects of irrigation productivity under different irrigation modes in arid sandy soil irrigation areas, this article analyzes the input-output and irrigation technology indicators used in Hotan irrigation area. The results show that: 1) the per capita arable land, fertilizer application, irrigation water consumption, proportion of total micro irrigation area, and planting area of conventional irrigation methods in the irrigation area have a positive effect on output, with low irrigation water effect, This indicates that conventional irrigation has low water efficiency and there is still room for water conservation. 2) Transforming from conventional irrigation methods to drip irrigation for water-saving, the water quota has the potential to save more than 22%. 3) The impact of drip irrigation input factors on yield increase is as follows: irrigation water utilization coefficient > proportion of micro irrigation total irrigation area > sowing area agricultural machinery power. Improving the irrigation water utilization coefficient, expanding the scale of drip irrigation application, and consolidating and improving agricultural machinery management are important support for promoting the efficient utilization of irrigation water resources in sandy soil irrigation areas.

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。

Table 1. Marginal effects of production factors in the input-output system of irrigation areas

表1. 灌区投入产出系统生产要素边际效应

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。

Table 2. Comprehensive crop irrigation systems for conventional and drip irrigation in irrigation areas

表2. 灌区常规与滴灌综合作物灌溉制度

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。

Table 3. Main technical indicators of irrigation water productivity in irrigation areas

表3. 灌区灌溉水生产力主要技术指标

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：

Table 4. Input output system of efficient drip irrigation mode in irrigation areas

表4. 灌区高效滴灌模式投入产出系统

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

(a) 统计与模型值比较 (b) 投入要素对产出产量边际影响

Figure 1. Analysis of input-output model for drip irrigation system in irrigation areas

图1. 灌区滴灌系统投入产出模型分析

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