节约与增长

第五章
水管理

可持续集约化需要更合理、更精确的灌溉技术,也需要利用生态系统方法节约用水的耕作方式。

作物生长是在一系列水管理制度框架下进行的,包括从简单的土壤耕作,到增加降雨入渗,再到先进的灌溉技术和管理。全球预计14亿公顷的耕地中,约有80%是雨养地,其产出约占全球农业总产出的60%1。在雨育条件下,水管理会利用雨水随机偏离“路径”,增加根部区域的水分效应,从而尝试控制作物的供水量。然而,水的应用时机仍然受降雨模式支配,而不是农民。

世界耕地中约有20%属于灌溉地,其产出占农业总产出的40%左右1。这一生产力水平是高种植密度和高平均单产相结合的产物。通过控制作物用水的数量和时间,灌溉推动和促进了集中投入,提高了土地生产率。农民通过给作物施水来稳定和提高产量,并增加每年作物的种植数量。从全球来看,灌溉产量比旱作产量高2到3倍。因此,可靠和灵活的供水对于高价值、高投入的耕作系统至关重要。然而,经济风险也大于投入较低的旱作系统。灌溉亦会给环境造成不利后果,包括土壤盐渍化和含水层受硝酸盐污染。

对水的竞争性需求和环境保护的需要带来了日益增长的压力,这就意味着农业必须实现“低灌高产”,同时减少对环境的影响。这是一个巨大的挑战,它意味着针对作物生产可持续集约化的水管理需要预先考虑并满足更先进、更精准农业的要求。还需要农业的水管理要从经济、社会和环境的角度,更好地阐释其用水方式。

不同的生产系统由不同的外部需求推动,因而,可持续集约化的发展前景也大不相同。然而在一般情况下,无论是雨养地或是灌溉地,集约化作物生产的可持续性都将取决于生态系统方法的应用,如保护性农业以及其他重要措施,包括使用高产品种和优质种子以及进行病虫害综合治理。

雨养种植系统

雨养系统下种植的许多作物品种通过改良就能利用储存在根区的水分。该系统还可以进一步得到改善,如在轮作时使用深根作物,使作物适应后形成更强的深根习性,增加土壤蓄水能力,利用有机覆盖物改善渗水能力,减少水蒸发。还有相邻未耕土地径流的获取也能延长土壤供给水分的时间。雨养农业生产率的提高,很大程度上依赖于从作物管理的各个方面改善耕种。如虫害和土壤养分供应缺乏等一些因素,比水分供给本身更能影响产量2, 3。简化耕作、使用有机物覆盖、利用天然和人工的生物多样性(详见第二章:农业系统)原则是改善耕种的根本途径。

因此,在雨养条件下实施作物生产可持续集约化的适用范围将取决于对生态系统方法的使用。这些方法能使根区最大限度地存储水分。虽然这些方法可以促进集约化,但生产系统仍然受制于变幻莫测的降雨,气候变化也会增加作物生产的风险。事实上,在雨养农业中制定能有效适应气候变化的战略比其他任何地方都更迫切4

为此,还需要采取一些其他措施来减少农民的风险厌恶。这些措施包括提高对季度、年度的降雨、水供应量及洪水管理预测的准确性,在减缓气候变化影响的同时,在不久的将来提高生产系统的恢复能力。更细致的水管理干预措施可能会减少生产风险,但并不一定会促进雨养生产的进一步集约化。例如,一些雨养种植系统转型为低投入的补充灌溉系统,目的是能使处在关键生长期的作物渡过短暂的干旱期5,但这也仍然依赖于降水的强度和时间,因此存在适用范围。

包括在耕种区域利用田基储水在内的农田径流管理,已在过渡气候区,如地中海地区和萨赫勒部分地带,得到了成功应用,延长了每次降水后土壤保持水分的时间。田外径流管理,包括地面水流汇聚进入浅层地下水或农民管理的蓄水地,则允许有少量的补充灌溉。但是当这些干预行动大范围实施时,会影响到下游水用户和整个流域的水分平衡。

在技术方面,拓展使用有利于环境及土壤水分保持效果的生态系统方法,往往取决于农业机械化水平,而这也是为利用降雨所需的因素。像机会性径流农业这样较为简单的技术,固有风险依旧存在,尤其是在更不稳定的降雨体系下。而这些简单的技术依然属于劳动密集型生产。

在国家层面,政策制定者需要准确评估雨养生产和灌溉生产的相应作用。如果雨养生产可以通过增加土壤蓄水量而保持稳定,就需要认真识别和界定这种情况发生的自然条件和社会经济条件。在大规模雨养系统中实施作物生产可持续集约化需要低强度的投资,在完全灌溉系统中需要高强度的本地投资,这两者各自的优点需要在社会经济层面结合发展目标认真进行评估。

在体制方面,要为依赖于雨养农业的农民重组和加强咨询服务,还要继续努力推动实施小型生产者的作物保险。需要深入分析降雨模式和土壤水分亏缺,从而稳定在气候变化影响下现有雨养系统的生产。

灌溉种植系统

全球配有灌溉系统的土地面积目前总计3亿多公顷6,由于某些作物是一年二熟或三熟,所以实际收获面积预计更大。亚洲的灌溉发展较为迅速,大约8000万公顷农田进行水稻生产,平均每公顷产出5吨(与之相比,5400万公顷雨养低地的水稻平均每公顷产出2.3吨)。相较而言,非洲的灌溉农业只占耕地面积的4%,主要原因是财政投资不足。

灌溉是实施集约化的一个常用平台,因为它提供了一个集中投入的地方。然而,这种可持续集约化的实施将取决于取水位置还有生态系统方法的应用,如土壤保护、品种改良和病虫害综合治理,而它们都是作物生产可持续集约化实施的基础。灌溉分布的均匀程度和利用效率因输水技术、土壤类型和坡度(最重要的是它的渗透性)、管理水平而不同。

地面灌溉,包括畦灌、盆灌或沟灌,通常会比喷灌(如淋灌、滴灌、滴灌带)的效率低,且不够均匀。在土地灌溉效果不佳的情况下,微灌一直被视作固定的应对技术,用以节水。尽管它的资金成本高,但越来越多发达国家和发展中国家的商业园艺师还是采用了这种技术。

亏缺灌溉和其变型如调亏灌溉经常应用于果树的商业化种植和一些在关键生长期极易受到水分胁迫影响的田间作物。调亏灌溉往往与微灌和“灌溉施肥”结合使用,“灌溉施肥”,是在微灌中直接向植物根系最发达的区域施肥。中国已经把这种方法运用于更加简单的沟灌。从减少供水而言,这种方法的益处显而易见,但是这只有在供水十分可靠的情况下才能实现。

以知识为基础的精准化灌溉可以为农民提供灵活可靠的用水方式,因此将会成为作物生产可持续集约化的一个重要平台。通过使用固定喷水器和微灌,包括利用土壤水分遥感技术和作物冠层温度来确定农田不同部分所施的灌溉深度,进行了自动化系统的试验。对园艺和田间作物来说,利用灌溉水进行精准化灌溉和精准施肥在未来都可能成为现实,只是目前还存在一些潜在的漏洞。最近的计算机模拟表明,盐害控制是影响园艺业可持续性的一个重要因素。

农业灌溉的经济状况问题比较突出。喷水器和微灌技术的使用,以及地面灌溉的自动化配置,都需要长期的资本开支和运营预算。喷雨枪对大面积覆盖式喷灌来说,是资金需要最少的选项之一,但运营成本往往很高。其他喷灌系统需要的资金成本高,如果没有生产补贴的支持,不适合小农生产者的耕作系统。

由于设计、维护和管理方面存在不足,许多公共灌溉系统提供的服务不很理想。通过制度改革,将提供灌溉服务从更广泛的水资源监督和管理中分离出来,灌溉系统及其管理的现代化都将具有相当好的发展空间。

排水系统是灌溉的一个重要补充,尤其是在地下水位高、土壤受盐渍化约束情况下,但往往被忽视。为了提高生产率和灌溉系统的可持续性,确保对农业投入的良好管理,需要增加排水系统的投入。然而,增加排水系统会加大污染物流出的风险,有可能导致水道和相邻水生生态系统的退化。

保护性种植,主要在遮荫棚中进行,在包括中国和印度在内的许多国家日益普及,主要是用于水果、蔬菜和花卉的生产。从长远来看,结合使用常规灌溉或水培、雾培法,高集约度的封闭循环生产系统将会变得日趋普及,尤其是在市场广阔和水资源日趋紧缺的城市周边地区。

用水进行灌溉会减少河道内流量,改变汛期,并滋生危害,如 造成有毒藻类大量繁殖。次生影响包括盐碱化、营养物及农药对河道、水体的污染。灌溉系统还存在一些其它需要权衡利弊的环境问题,如较之旱地土壤,稻田能隔离较多的有机物,使得硝酸盐径流减少,一氧化二氮(N2O)的排放量较低。然而,与此相对的是,甲烷排放量却相对较高(占全球排放量的3%-10%),氨排放量也同样较高。

作物在正常情况下只吸收它所获得灌溉水的50%以下,而且位于全流域或超载流域内的灌溉系统效率又较低。用会计术语来说,有必要区分有多少水属于有益性消耗,有多少水是非生产性消耗。作物的有益性消耗-蒸散量,是灌溉的目的:理想状态下,蒸腾作用包括了所有的水分消耗,而土壤和水面的蒸发损耗为零。通过减少非生产性的蒸发损耗来提高水分生产力的做法具有一定的潜力。

因此,提高流域水分生产力的重点在于,要使无益消耗最小化7。然而,农业水分消耗的增加对下游的影响并不是公平的:有证据表明,在印度半岛的一些地区,由于“改良后的”上游集水区大面积集水,下游河流的年径流量大幅减少8

水管理是使农田氮素损失和流失最小化的关键因素。在自由排水的土壤中,硝化作用部分中断,造成了N2O的排放,而在饱和(缺氧)情况下,铵化合物和尿素部分转化为氨,尤其是在水稻种植中。因此,像氨和N2O会在灌溉的干湿周期循环中释放一样,尿素也会在大气中损耗掉。氮需要以硝酸盐的形式为根区吸收,但是氮也能容易地通过溶解而移动到别处。目前,正在开发许多能适用于不同情况的保护性缓释复合肥料(见第三章:土壤健康)。

磷酸盐在排水渠及水道流动和转移的动态变化情况较为复杂。如果在沟灌中采用侵蚀性流速,或者含钠土壤扩散,灌溉系统中就会出现农业中的磷酸盐流失。磷酸盐比硝酸盐稍容易被位于农田两端和沿河的缓冲带困住,防止其流入水道中。因此,将良好的灌溉管理、尾水的循环再利用,以及磷酸盐更好地渗入土壤中相结合,就能将灌溉地的磷酸盐流失减少至接近于零的水平。

集约化灌溉农业的可持续性,有赖于使非农外部性降至最低,如盐碱化和污染物排放,还有赖于维护土壤健康和作物生长条件。这应该成为农业实践、技术和决策的首要关注点,同时也需要加强流域和集水区水消耗的核算,更加合理地进行水分配,还需要更好地了解不同生产系统之间水文的相互作用。

情况说明
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情况说明 No. 4
水管理: 促进节约与增长的办法
  • 非洲萨赫勒地区的雨水收集
  • 实现高产和最大净利润的非充分灌溉
  • 雨养旱地的补充灌溉
  • 供水系统的多种用途

前进之路

灌溉地的可持续农业,也包括雨养和改良后的雨养生产系统,需要在土地利用上做出取舍,从最广泛的意义上说要在共享水资源和维持生态系统服务方面进行取舍。而这些取舍已经变得日益复杂,但却具有重大的社会,经济和政治意义。

整体管理土地和水资源分配将极大地影响作物生产可持续集约化灌溉的长期投资规模,特别是考虑到与灌溉生产有关的资本和投入成本都较高的情况下。来自环境服务和优美环 境、以及其他经济部门对水的竞争性需求将持续增长。农业水管理将要应对每公顷耕地灌溉用水减少的局面,也必须将农田污染成本内部化。

在政策方面,由于农村人口外流和城市化加速,很多国家的农业性质正在发生变化。政策激励的重点放在最紧迫的环境外部性方面,同时发挥利益对个体农民的驱动作用,就会有很大的希望成功。

例如,如果在某地,农用化学品造成的河流、水生生态系统污染已达到危急关头,就可以颁布对危险化学品的禁令,并同时采取措施提高化肥价格,向农民提供关于使用剂量比例的客观建议,消除导致过度施肥的不当激励因素。跟进措施可能会在“要求或建议”层面促进管理水平的提高,并通过适度使用外部投入,寻求各种途径提高生产率。在这种情况下,需要加大公共投资来改善对生态系统状况的监测。

在未来,灌溉施肥技术(包括液体肥料的使用)、调亏灌溉和废水重复利用将更好地纳入到灌溉系统中。尽管一项新技术引入到灌溉耕作系统中,需要很高的初始进入成本,还需要有运行和维护的制度安排,但精准化灌溉现已在全球范围内使用。在存在利基市场的地方,如园艺,发展中国家的农民已在采用低水头滴灌装置。此外,塑料栽培对廉价的塑料模压制品和塑料薄膜的需求也很有可能扩大。然而,大范围地使用其他技术,如太阳能技术或避免污染技术,都将需要监管措施的支持和对制定政策的有效遵循。

灌溉投资管理上的一些缺陷会导致在融资上的金融违规行为,产生管理和运作上的寻租,还会引起负责向农民提供灌溉服务的各机构之间的不协调。所以需要采用创新的方法,来完善那些促进农业水利发展的制度框架,同时注意保护环境。利用和学习地方制度发展中的新计划和措施,控制集约化的外部性,减少或避免交易成本方面,依然具有很大的潜力。解决之道很可能是知识富集型而非技术密集型。

参考文献

1. IIASA/FAO. 2010. Global agro-ecological zones (GAEZ v3.0). Laxenburg, Austria, IIASA and Rome, FAO.

2. French, R.J. & Schultz, J.E. 1984. Water use efficiency of wheat in a Mediterranean type environment. I: The relation between yield, water use and climate. Australian Journal of Agricultural Research, 35(6): 743–764.

3. Sadras, V.O. & Angus, J.F. 2006. Benchmarking water use efficiency of rainfed wheat in dry environments. Australian Journal of Agricultural Research, 57: 847–856.

4. UNDP. 2006. Human Development Report 2006. New York, USA.

5. Wani, S.P., Rockstrom, J. & Oweis, T., eds. 2009. Rainfed agriculture: Unlocking the potential. Comprehensive Assessment of Water Management in Agriculture 7. Wallingford, UK, CABI Publishing.

6. FAO. 2011. AQUASTAT statistical database (www.fao. org/nr/water/aquastat/main/ index.stm).

7. Perry, C., Steduto, P., Allen, R. & Burt, C. 2009. Increasing productivity in irrigated agriculture: Agronomic constraints and hydrological realities. Agricultural Water Management, 96(2009): 1517– 1524.

8. Batchelor, C., Singh, A., Rama Rao, M.S. & Butterworth, J. 2005. Mitigating the potential unintended impacts of water harvesting. UK, Department for International Development.

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“自然资源消费方式不可持续,对粮食安全造成严重威胁。本书阐述我们如何能够发起一场常绿革命,既永久提高生产力,又不造成生态破坏。”
印度绿色革命之父
M. S. 斯瓦米纳坦

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