生态农业建设中的水资源生命周期及系统功能响应_地理论文

摘要：论文从生命周期角度，对原先自然环境恶劣、通过生态农业建设取得了良好效果的 3 个生态农业县的水资源利用进行了全过程研究。结果表明，水资源生命周期过程的进展情况受多种因素影响。目前，各生态农业县水资源生命周期过程仍处在发育的初级阶段。这一过程的完整性与系统生态、经济和社会功能的提高成正比。

关键词：水资源；生命周期；生态农业

中图分类号：P333;S181

文献标识码：A

文章编号：1000-3037(2001)05-0488-05

　　经过 20 多年的努力，我国的生态农业建设获得了很大成功，取得了举世瞩目的成就^[1,2]。总结生态农业的发展历程可以发现，许多运行良好的典型原来都存在自然环境十分恶劣的问题。其中，水资源问题如干旱、洪涝、水土流失等又属最关键的生态问题。但通过各方面长期努力，这些问题基本上得到了较好的解决。其根本原因是生态农业建设使水资源利用的生命周期过程逐步建立和完善，利用效率大大提高。

　　对这一过程的研究不仅能从一个动态过程了解水资源利用的基本情况，也可以更好地反映在此过程的不同阶段，水资源综合利用存在的问题，对社会、经济、生态环境和人民生活造成的影响，以及解决这些问题的基本途径，从而有利于为准确评价系统的运行情况，为大规模、长期制定以系统可持续发展为前提的水资源管理策略提供可靠帮助。对某一系统水资源的研究通常是以输入到输出为一个周期过程^[3]，目的是了解某一时刻水资源利用过程中存在的问题，借以获得提高水分利用率的途径。其缺点在于分析的静态性和瞬时性。以一个生命周期过程对水资源的研究报道很少，说明这方面研究较薄弱，开展这方面研究有一定的迫切性。同时，国际上 20 世纪 90 年代产生的产业生态学理论^[4]，为这一研究思路的实现提供了良好的基础和方法论指导。本文以黑龙江省拜泉、天津市宝坻和山东省五莲 3 个生态农业县为例验证了这一研究的重要性。

1 水资源生命周期过程

　　对以降水为主要水源的系统的研究表明，水资源生命周期过程应该包括 5 个步骤。第一是对降水的自然蓄存。由于此时缺少人类强有力的干扰，水分利用最不充分，旱涝灾害发生频繁，受灾严重；第二是靠生物作用蓄存和涵养降水。这一步骤虽然生物在水分的蓄积和涵养方面发挥了主导作用，但是，由于生物作用有限，在降水量偏大或偏小时效果不明显；　第三是靠农艺措施蓄存降水，包括生物蓄水和农艺如耕作措施拦蓄降水等。这虽然可以在拦蓄降水方面发挥更大的作用，但多数情况下，许多农艺措施在一次性降水量过大时易被毁坏，降水量小时作用很难发挥。因此，其对降水的蓄存和利用效果也有限。上述 3 个步骤对降水治理和利用的明显特点是自然利用和一定程度的封堵。事实证明，无论多高明的封堵技术，都无法实现对不可控制的降水资源的就地蓄存；　因此，第四步是在引导降水蓄存到工程中的同时，实现生物、农艺和工程措施利用的结合，就显得尤为重要。到第四步，降水的排蓄，即水资源生命周期过程的第一个目的——治水基本完成；　第五步就是对蓄存降水的综合利用。即发挥水资源在农田灌溉、动物养殖、生产等方面的重要作用，实现降水资源的蓄、排、灌、用等的协调发展和良性循环，促进地方生态环境、经济和社会效益同步提高。这是水分循环的第二个目的——用水。水资源生命周期过程如图 1。

图 1 生态农业系统水资源生命周期过程
Fig.1 Life cycle procedure of water resources in eco agricultural systems

2 典型生态农业县水资源生命周期过程及特征

　　为便于分析，将典型生态农业县水资源生命周期划分为 4 个阶段，第一阶段是 80 年代以前，第二阶段是 80 年代末，第三阶段是生态农业县建设前的 1994 年，第四阶段是 1999 年。对 3 个受降水影响较为严重的生态农业县的分析表明，降水资源的有效存蓄无疑是减少降水危害、实现水资源综合利用的重要环节。我国北方干旱半干旱地区使用较多的蓄水设施有水窖、塘坝、涝池等。但在实际过程中，存蓄形式通常多种多样。各地根据其所具备的条件选择不同的模式，以获得降水资源最佳的治理利用效果。

2.1 农艺措施动态及其蓄水量

在水土流失比较严重的丘陵山区，农艺措施通常是拦截降水、增加降水就地存蓄量的重要途径，长期以来，它也一直是防治丘陵山区水土流失的关键性措施。农艺措施主要包括修筑坡式梯田、水平梯田、农田改垅、种植植物带、挖截留沟等。3 个生态农业县由于水土流失的实际情况不同，其采取的农艺措施也不尽相同，对降水的蓄积量也不同（表 1)。其中，因为宝坻属于平原地区，其农艺措施并非体现在保持水土，而是体现在对涝洼地的改造。因此，本研究将涝洼地的改造措施同样算作农艺措施。

表 1 3个生态农业县农田水保措施发展动态
Table.1 Farmland water conservation measures development
dynamics in three eco-agricultural counties

（单位：10⁴hm²）

	阶段 I	阶段 II	阶段 III	阶段 IV
拜泉县	1.9	2.41	10.82	14.39
宝坻县	0	0.007	0.49	0.99
五莲县	1.5	3.17	4.43	4.72

　　根据东北农业大学对拜泉县水土流失治理情况的实际跟踪观测结果，与光坡梯田相比，坡耕地通过修筑梯田、调整垄向、梯田梗上种苕条等，平均年减少径流 259m³/hm²。即通过水土流失治理，每年平均可以增加蓄水 259m³/hm²。以此为基准，可以计算出通过农艺措施蓄存在农田中的降水量 ( 表 2)。

表 2 3个生态农业县农艺措施存蓄水分动态
Table.2 Water saving dynamics through agronomic
methods in three eco-agricultura counties

（单位：10⁶m³）

	阶段 I	阶段 II	阶段 III	阶段 IV
拜泉县	4.92	6.24	28.02	37.27
宝坻县	0	0.02	1.27	2.56
五莲县	3.89	8.21	11.47	12.22

2.2 工程措施及其蓄水动态

　　调查发现，在各生态农业县蓄水工程数量增加的同时，其质量也在不断提高（表 3）。这些工程在雨水蓄存过程中发挥了重要作用（表 4）。

表 3 3个生态农业县工程措施动态
Table.3 Engineering dynamics in three eco agricultural counties

（单位：10⁶m³）

	阶段 I				阶段 IV
	水库	塘坝	谷坊	防渗渠	水库	塘坝	谷坊	防渗渠
拜泉县	23	65	852	－	23	103	1236	－
宝坻县	0	1656	439	28.2	2	1656	3162	71
五莲县	130	400	－	－	130	400	105	－

注：宝坻县塘坝为坑塘，谷坊为干支斗渠条数。

表 4 3个生态农业县工程蓄水动态
Table.4 Water saving dynamics through engineering
ways in three eco agricultural counties

( 单位：10⁸m³)

	阶段 I	阶段 II	阶段 III	阶段 IV
拜泉县	0.18	0.27	0.48	0.94
宝坻县	0.78	1.13	1.21	1.65
五莲县	1.12	1.11	1.29	1.37

2.3 系统总蓄水动态

　　蓄存于系统内的总降水量，应是各种措施蓄水量的总和。由于生物措施和土壤蓄水都以农田形式蓄存下来，因此，农艺措施实际蓄存的降水量应该是生物措施、农艺措施和土壤蓄水量之和。系统的总蓄水量就是农艺措施蓄水和工程措施蓄水之和。调查发现，由于采取了多种措施，拜泉、宝坻和五莲 3 个生态农业县对降水资源的蓄存能力都在不断增强（图 2)。

图 2 整个生命周期内三县总蓄水量动态
Fig.2 Total water saving dynamics of three eco-agricultural counties in their life cycle

2.4 系统水资源蓄存效率

对 3 个生态农业县降水资源的分析表明，按照拜泉县、宝坻县和五莲县三县土地面积 35.9万hm²、14.72万hm²、15万hm² 计算，三县总可能接纳的降水资源量分别为 19.28亿m³、8.49亿m³、13.53亿m³。据此可以计算出不同蓄水方式的水分蓄存效率（表 5）。可以看出，生态农业建设已经大大改变了各县对降水资源的蓄存效率。其中，有的县农艺措施发挥作用较大，有的县工程措施发挥作用较大。但各县总蓄水量都未超过总降水资源量的 1/5，而且，随着地理特征的变化，水资源的蓄存效率还有较大的变化。这一变化趋势使大量降水资源变成对人类有益的资源，使原先不能进入水资源生命周期的水分进入到生命周期过程中，并成为影响系统功能的重要组成部分，使水资源生命周期过程不断趋于完善。这一过程也成为保证生态农业县建设可持续发展的主要动力源泉。

表 5 3个生态农业县水资源蓄存效率动态 (%)
Table.5 Water saving efficiency dynamics in three eco-agricultural counties

	阶段 I		阶段 II		阶段 III		阶段 IV
	农艺	工程	农艺	工程	农艺	工程	农艺	工程
拜泉县	0.25	0.93	0.32	1.4	1.4	2.5	1.9	4.9
宝坻县	0	9.2	0.002	13.3	0.15	14.2	0.30	19.4
五莲县	0.31	8.9	0.66	8.9	0.92	10.3	0.98	10.9

3 水资源生命周期过程的系统功能响应

　　水资源的生命周期过程不仅是一个水资源开发利用过程，也是一个系统功能响应过程。生命周期过程运行合理有序，水资源开发利用就充分，系统就会出现正的功能响应，并将大大促进系统可持续发展进程。对 3 个生态农业县水资源的研究表明，由于在整个生命周期过程中，各县在多方面都采取了十分积极有效的措施，使这一过程的运行趋于合理化。与此相对应，系统也表现出良性化的各种功能响应。

3.1 水资源生命周期内系统生态功能响应

　　从整个生命周期过程来看，以解决降水对生态环境造成的危害，解决水资源严重不足造成的系统功能性障碍和以提高系统可持续能力为目的的生态农业实践活动，表现出了比较强的系统生态功能（表 6）。其中，各生态农业县的水土流失状况得到了根本好转。与 80 年代前相比，各地土壤侵蚀模数都有大幅度下降。特别是拜泉县已经基本消除了长期以来一直危害该县的风蚀，宝坻县受干旱洪涝影响的幅度也大大减轻。

表 6 水资源生命周期内系统保持水土功能响应
Table.6 Soil and water conservation response in life cycle

（单位：t／km² ）

	阶段 I	阶段 II	阶段 III	阶段 IV
拜泉县	4000	3560	2000	1206
五莲县	7000	6329	3500	2880

3.2 水资源生命周期内系统经济功能响应

　　良性的水资源生命周期过程不仅带来了良好的生态环境效益，也是系统获得稳定经济功能的根本保证。这种良性的过程特别是对维护以农业为主导产业的系统经济功能的持续稳定提高具有重要意义。因为只有建立了牢固的经济基础，系统才有进一步快速发展、实现经济腾飞的可能。

　　本研究利用有效灌溉面积、单位面积产出和水产养殖效益等指标，基本反映了系统经济功能的这种变化（表 7）。可以看出，在水资源生命周期过程发展到第四个阶段时，拜泉县、宝坻县和五莲县 3 个生态农业县的有效灌溉面积已经分别从第一阶段占该县总可利用耕地面积的 0.44%、30.38% 和 22.06% 发展到 33.29%、82.56% 和 47.99%，平均增加了 36.99%。拜泉县、宝坻县和五莲县三县的单位面积经济产出分别增加了 8.72、20.59、8.20 倍。各生态农业县的水产养殖效益也获得了大幅度的提高。

表 7 水资源生命周期内系统经济功能响应
Table.7 Economic function responses in life cycle

（单位：hm²、元／hm²、万元）

		阶段 I	阶段 II	阶段 III	阶段 IV
拜泉县	有效灌溉面积	1067	52300	68747	80133
	单位面积产出	369	1672	2539	3216
	水产养殖效益	2.4	229	378	1804
宝坻县	有效灌溉面积	23733	58500	56600	64400
	单位面积产出	520	7617	7344	10706
	水产养殖效益	70	2426	5074	9195
五莲县	有效灌溉面积	10004	13620	15987	26260
	单位面积产出	2057	4210	17512	16876
	水产养殖效益	12	37	700	4087

3.3 水资源生命周期内系统社会功能响应

　　水资源综合利用的最终目的是满足社会生活需要，提高人民的生活水平，表 8 可证明三县的这种功能。到第四阶段，拜泉县、宝坻县和五莲县三县的农村居民人均纯收入分别是全国同期人均纯收入 1139 元^[2]的 1.78、3.35、2.25 倍，分别是其第一阶段的 21.35、21.65 和 10.31 倍。这不仅说明了经过对水资源生命周期的不断完善，人民群众的生活水平有了较大幅度提高，而且也反映了在十分恶劣的自然条件下，生态农业建设所取得的巨大成效。

表 8 水资源生命周期内系统社会功能响应
Table.8 Social function responses in life cycle

		阶段 I	阶段 II	阶段 III	阶段 IV
拜泉县	人均纯收入（元）	95	299	1307	2028
拜泉县	国民生产总值（亿元）	1.06	4.19	7.25	10.49
宝坻县	人均纯收入（元）	176	868	1554	3810
宝坻县	国民生产总值（亿元）	1.89	10.51	43.52	90.01
五莲县	人均纯收入（元）	249	520	1218	2566
五莲县	国民生产总值（亿元）	1.18	7.59	17.59	30.80

4 结论

　　对 3 个生态农业县水资源生命周期过程的研究表明，人工生态系统中水资源的利用过程应该是一个从利用不充分到充分利用的完整的过程。这一过程的长短受各地的地理特征、人类调控水资源能力的大小（包括技术进步、管理等）、经济发展水平等因素的制约。凡是充分利用当地优势，因地制宜采取合理的水资源管理措施的地区，其防止和减轻水分危害，增加水资源对系统贡献的作用都较大。这一点可以从供研究的 3 个生态农业县的功能响应特征得到充分证明。而且，水资源生命周期过程与系统的生态、经济和社会效益功能成正比。

　　对一个生态农业系统而言，完成其水资源的生命周期过程要经历一个很长的时间，需要通过包括生物、农艺和工程等在内的多种措施。虽然为研究方便，本文将这一过程分为 4 个阶段，但即使利用较好的典型生态农业县，其水资源利用过程仍处在生命周期的初期阶段。对水资源的蓄存效率最高也仅能达到系统总降水资源的 1/5，系统仍存在水资源蓄存效率不高等问题，这种状况将成为水资源高效利用的主要障碍。因此，要使这一过程更加完整，仍要作许多努力。

　　作为一种为生产服务的重要资源，目前还没有一个对水资源进行全过程综合管理的方法，本研究将为这种方法的形成提供一个有益的尝试。

参考文献