河北省灌溉效益分摊系数时空变化与影响因素研究

袁再健，谢栌乐，沈彦俊

(1 河北科技大学 经济管理学院, 河北 石家庄 050018；2 中国科学院遗传与发育生物学研究所 农业资源研究中心, 河北 石家庄 050021)



河北省灌溉效益分摊系数时空变化与影响因素研究

袁再健1,2，谢栌乐1，沈彦俊2*

(1 河北科技大学 经济管理学院, 河北 石家庄 050018；2 中国科学院遗传与发育生物学研究所 农业资源研究中心, 河北 石家庄 050021)

以河北省为研究区，采用能值法从省、地级市、县域三种空间尺度，年与多年两种时间尺度探讨2001—2011年河北省灌溉效益分摊系数的时空变化特征及其影响因素。结果表明:近11年来，河北省灌溉效益分摊系数多年平均值为0.49，并且时间上总体呈下降趋势；河北省灌溉效益分摊系数空间差异显著，东南平原地区明显高于西北山部地区，在河北省11个地级市中，衡水的灌溉效益分摊系数最大，承德最小；灌溉用水、降水、人力投入、农药化肥施用、机械动力投入等是影响河北省灌溉效益分摊系数的主要因素，但各因子的影响程度差异较大，其中灌溉与降水的影响最为显著，且灌溉用水、人力投入与灌溉效益分摊系数有正相关关系，而其他因子与分摊系数是负相关关系。

灌溉效益分摊系数； 能值法； 尺度; 时空变化； 影响因素

灌溉效益分摊系数表示农作物增产与品质改善中因灌溉措施增加的效益所占总效益的比值。在干旱和半干旱地区，灌溉是确保作物稳产、高产的重要措施；但传统的灌溉方式对水资源浪费较严重，因此有必要开展作物灌溉效益研究。计算灌溉效益常采用分摊系数法，而求解灌溉效益分摊系数是该方法的关键[1]。灌溉效益分摊系数也是水利工程可行性评价的重要参数，对缺水地区的农业水资源管理具有重要实践意义。

近年来，学者对灌溉效益分摊系数开展了理论和试验研究。如时光宇与沈佩君[2]根据淠史杭灌区灌溉实验资料，分析了该地区不同降雨年型的灌溉效益分摊系数；候真与于翠松[3]依据农作物历年产量变化分析了山东引黄灌区的灌溉效益分摊系数；杜贞栋等[4]研究了胶东水库灌区长把梨、苹果、黄杏3种果树的灌溉效益分摊系数；罗乾等[5]采用能值理论初步分析了连云港市灌溉效益分摊系数。由于确定灌溉效益分摊系数常规方法(即灌溉试验法和统计法)存在局限性，蔡守华与张展羽[1]提出了利用作物水分生长函数、产量函数及柯布-道格拉斯生产函数来计算灌溉效益分摊系数。目前对灌溉效益分摊系数的研究大多在某一区域(如某灌区)进行，时间上多为某年或多年平均值，没有统一的研究方法，也缺少对其影响因素的深入探讨。

河北是中国的产粮大省，也是我国缺水最为严重的地区之一。农业用水占总用水量的70%左右，平原地区灌溉用水占农业用水的81.7%[6]，而农业开采灌溉水量占地下水总开采量的78.82%，地下水的严重超采导致地下水位持续下降进而引起该地区大面积沉降[7]。发展节水农业、缓解地下水开采强度迫在眉睫，本研究基于能值法，多尺度分析河北省近年来的灌溉效益分摊系数，可为进一步研究华北平原灌溉效益、发展节水高效农业提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

河北省位于东经113°27′～119°50′、北纬36°05′～42°40′之间，总面积18.88×104km2。地势西北高、东南低，从西北向东南呈半环状逐级下降。属温带大陆性季风气候，光热资源丰富，多年平均气温为16 ℃，多年平均降水量为530 mm，并且降水时空分配不均，其中70%左右的降水集中在6—9月，降水总体上自东南向西北逐渐降低。农作物种类繁多，主要有小麦、玉米、棉花、大豆、高粱、花生等。

1.2 研究方法

能值概念由著名生态学家H.T.Odum首创，能值实质包含能量、产品或劳务形成过程中直接或间接投入的有效能总量，即为其所具有的能值[8]。能值分析是以能值为基准，把生态或经济系统中不可比较、不同种类的能量转换成同一标准的能值来衡量与分析[9]。农业生产系统能值分析是研究农业系统生产过程中投入、产出过程的能值流，以能值为量纲，综合分析系统的能量流、物质流动态流动过程以及它们之间的相互关系，在此基础上，将农业生产过程中的灌溉用水能值投入量和总能值投入量之比定义为灌溉效益分摊系数[5,10]。基于2001—2011年中国统计年鉴、河北省经济统计年鉴、河北省环境质量公报以及水情简报等相关资料，采用能值法计算河北省灌溉效益分摊系数。具体公式[5，9，11]如下：

E=τ×B,

(1)

B=m×l,

(2)

Es=Rs×S,

(3)

ERC=P×S×ρ×G,

(4)

ERP=R×H×S×ρ×g,

(5)

ESS=SES×CSOM×EOM×S,

(6)

ε=EAW/EAT。

(7)

式中：E表示能值(sej)；τ表示能值转换率(sej/J或sej/g)，计算过程中的能值转换率τ来源于他人文献[8，9，12-14](见表1)；B表示能量(J)；m表示物质的质量(g)；l表示能量折算系数；ES表示年太阳能(J/a)；S表示种植面积(m2)；Rs表示单位面积年太阳辐射量(J/(m2·a));ERC表示年雨水化学能(J/a)；P表示年降水量(m/a)；ρ表示雨水密度(kg/m3)；G表示雨水的吉布斯自由能(J/kg)；ERP表示年雨水势能(J/a)；H表示海拔(m)；g表示重力加速度(m/s2)；ESS表示表层土年损耗能(J/a)；SES表示表层土年侵蚀量(g/(m2·a))；CSOM表示土壤有机质含量(%)；EOM表示每克有机质所含能量(J/g)；ε为灌溉效益分摊系数；EAW为农业灌溉投入总能值(sej)，包括农业灌溉水资源自身投入与灌溉设施投入；EAT为农作物生产系统投入的总能值(sej)，包括可更新环境资源能值EAR(太阳能、灌溉用水、雨水化学能等)、不可更新环境资源能值EAN(表层土损失)、不可更新工业辅助能值EAF(电力、农业机械、农药、化肥等)以及可更新有机能值EARI(人力、种子等)。

表1 农业生产系统能值转换率Tab.1 Energy conversion rate of the agricultural production system

*河北省农田灌溉用水主要来自地下水，这里的灌溉水能值转换率采用地下水的能值转换率[14]。

2 结果与讨论

2.1 系统能值流计算

根据Odum[8]的能量系统符号语言，绘制了河北省农业生产系统的能值流动图(图1)，系统主要输入能值包括可更新环境资源能值(EAR)、不可更新环境资源能值(EAN)、不可更新工业辅助能值(EAF)与可更新有机能值(EARI)，系统产出(EAY)主要是农产品。

利用公式(1)与(2)得到全河北省(表2)、11个地级市、138个县(域)的农业生产系统能值。可以看出，2001年到2011年，尽管EAR中的太阳能、雨水化学能及雨水势能波动不大，但EAR有显著降低的趋势，主要是因为EAR中的灌溉用水化学能显著降低；EAN的年际波动不大；EAF呈显著上升的趋势，且其包括的每一项都在逐年上升；EARI呈显著降低的趋势，主要是因为人力投入的逐年显著减少；总能值投入与产出都呈显著上升。总的来看，近11年来工业辅助能有显著增长，而可更新自然资源投入减少，表明河北省农业生产系统对化石能源的消耗与依赖程度均大幅增加。

图1 河北省农业生产系统能值流动简图Fig.1 Energy flow diagram of the agricultural production system in Hebei province

表2 河北省2001—2011年农业生产系统能值投入产出表*Tab.2 Input-output of agricultural system energy in Hebei province from 2001 to 2011 sej

*(1)太阳能、雨水化学能、雨水势能实际上都是由太阳辐射能转化而来，所以只取其中最大的一项与灌溉水化学能之和作为可更新环境资源投入总量。(2)由于资料缺乏，考虑到河北省近年来灌溉设施投入状况，灌溉设施投入能值取农业机械动力能值投入的20%。

2.2 灌溉效益分摊系数的时空变化分析

在能值分析基础上，利用公式(3)—(7)计算全省、11个地级市与138个县域的农业灌溉效益分摊系数(图2—5)。可以看出，灌溉对河北省农业生产极为重要，因灌溉增加的效益占总效益的50%左右(见图2)，这与郭先平[15]、吴恒安和徐詠久[16]分别在冀东滨海平原区与邢台分析的结果接近，他们分析的灌溉效益分摊系数分别是0.4与0.44。从时间上来看，河北省的灌溉效益分摊系数呈下降趋势(见图2、3)，表明灌溉在粮食产量中的贡献有所下降，一方面是由于节水技术的实施(如作物节水品种的选用及灌溉条件的改善等)，另一方面由于化肥、机械等贡献率有所上升(比如化肥的贡献率上升了16.5%，由2001年的0.236上升到2011年的0.275)，但灌溉对作物产量的贡献要远大于化肥、机械及其他项目。

图2 河北省2001—2011年灌溉效益分摊系数Fig.2 Share coefficient of irrigation benefit in Hebei province from 2001 to 2011

图3 河北省2001—2011年各地市灌溉 效益分摊系数年际变化Fig.3 Share coefficient of irrigation benefit for each city in Hebei province from 2001 to 2011

从空间上来看，11个地级市中，衡水市的灌溉效益分摊系数最大，石家庄市次之，承德市最小(图4);各市灌溉效益分摊系数从大到小依次为：衡水>石家庄>邢台>邯郸>保定>廊坊>唐山>沧州>秦皇岛>张家口>承德。从县(域)尺度来看，各县的灌溉效益分摊系数也差异明显，总体呈现出东南平原高、西北山区较低的特点(图5)，这主要是因为山区灌溉条件有限，“靠天吃饭”现象普遍，而东南平原区灌溉条件便利。

图4 河北省2001—2011各市年均灌溉效益分摊系数Fig.4 Average annual of share coefficient of irrigation benefit for each city in Hebei province from 2001 to 2011

图5 河北省2001—2011各县年均灌溉效益分摊系数Fig.5 Average annual of share coefficient of irrigation benefit for each county in Hebei province from 2001 to 2011

2.3 灌溉效益分摊系数影响因素分析

灌溉效益分摊系数受众多因素的影响，如降水、气温等气象条件，作物品种，管理措施等。本研究重点分析降水、化肥施用、机械动力、灌溉用水、农药、人力投入等对灌溉效益分摊系数的影响，各个因素的单位均为常用物理单位，为消除不同变量带来的单位以及数量级的影响，建立主成分回归模型如下：

ε=-0.116+0.301Irr+0.132Lf-0.309P-0.158Fer-0.156Mp-0.142Pe(R2=0.994,F=667.91)

(7)

式中：Irr为灌溉用水量(km3)；Lf为人力投入(万人)；Fer为化肥施用(104t)，Mp为农业机械动力(104kW)，Pe为农药投入(104t)。由此可见，以上6个因子对河北省灌溉效益分摊系数都有不同程度的影响，其中以灌溉、降水最为显著，并且除灌溉用水与人力投入外，其他因子与灌溉效益分摊系数呈负相关关系。这与刘宝和与张大林[17]、时光宇和沈佩君[2]、郭斯瑞等[18]的研究结论基本一致，即在干旱、半干旱地区水是作物增产的决定因素，并且水的因素历年均对灌溉效益分摊系数“有高度显著影响”，降水量与灌溉效益分摊系数呈极显著的直线负相关，灌溉效益分摊系数与灌水量呈直线正相关。

3 结论

近11年来，农药、化肥的大量施用与农业机械的大量使用促进了河北省农作物增产，但灌溉对作物产量的贡献要大于化肥、机械及其他项目，全省灌溉效益分摊系数在0.47～0.53之间，并且总体上呈逐年下降的趋势。空间上，在河北省11个地级市中，衡水的灌溉效益分摊系数最大，石家庄次之，承德市最小；从县(域)尺度上来看，灌溉效益分摊系数呈东南高、西北低的特点。

灌溉用水、降水、农药化肥施用、农业机械动力、人力投入是影响河北省灌溉效益分摊系数的主要因素，但各因子的影响程度差异较大，其中灌溉与降水的影响最显著，并且灌溉、人力投入与灌溉效益分摊系数是正相关关系，其余因子与灌溉效益分摊系数是负相关关系。

基于有限的数据，本文从较宏观的空间尺度(省、市、县)初步分析了灌溉效益分摊系数的时空变化与影响因素。下一步我们将通过中国科学院栾城生态系统试验站定位试验及大量农户问卷调查，从更微观的尺度研究华北地区灌溉效益分摊系数及其影响机制，进而开展该地区灌溉效益研究。

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〔责任编辑 程琴娟〕

Spatial-temporal change and influencing factors of the share coefficient of irrigation benefit in Hebei province

YUAN Zaijian1,2, XIE Luyue1, SHEN Yanjun2*

(1 School of Economics & Management, Hebei University of Science & Technology,Shijiazhuang 050018, Hebei, China;2 Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology,Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050021, Hebei, China)

Taking Hebei province as the study area, the spatial-temporal change and influencing factors of the share coefficient of irrigation benefit from 2001 to 2011 were discussed based on province, prefecture-level city and county spatial scales, year and years time scales. The results showed that, irrigation is extremely important in Hebei province, and the mean annual sharing coefficient of irrigation benefit is 0.49 with an overall decreasing trend in past 11 years. However, the share coefficient of irrigation benefit in southeastern plain is much higher than that in northwest mountain area with a significant spatial difference.Among the 11 prefecture-level cities, the share coefficient of irrigation benefit in Hengshui is the highest and Chengde is lowest. There are many factors affecting the share coefficient of irrigation benefit, such as irrigation water, precipitation, labor input, the application of pesticide and fertilizer, mechanical power input and so on.The influence of irrigation and precipitation on the coefficient is most significant, and irrigation and labor input have positive influence on the coefficient, while other factors have negative correlation with the coefficient in Hebei province.

share coefficient of irrigation benefit; energy methods; scale; spatial-temporal change; influencing factor

1672-4291(2015)03-0093-05

10.15983/j.cnki.jsnu.2015.03.434

2014-10-24

国家自然科学基金资助项目(41471027,40901130)；河北省自然科学基金资助项目(10457205)；河北省高等学校青年拔尖人才项目(BJ2014078)

袁再健，男，教授，博士，主要从事生态水文、水土保持以及GIS应用研究。E-mail：selfsurpass@163.com

*通信作者：沈彦俊，男，研究员。E-mail：yjshen@sjziam.ac.cn

P641.8; S274

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