基于随机前沿的灌溉用水效率及影响因素研究——以陕西关中地区小麦为例

农业部门是我国用水大户,随着水资源短缺问题的日益严峻,提高农业灌溉用水效率是实现农业可持续发展的重要途径。本文基于陕西关中地区小麦种植户实地调研数据,选取C-D生产函数构建随机前沿模型(SFA)测算小麦种植中的生产技术效率与灌溉用水效率,在此基础上选取农户个人特征、家庭特征、灌溉特征和耕地特征相关变量,采用Tobit模型进行影响因素分析,以识别限制和促进灌溉效率的关键因素。研究结果显示,关中地区小麦生产技术效率较高,为0.7~1.0,均值为0.87。灌溉用水效率远低于生产技术效率,为0~0.5,均值仅为0.31,存在较大的提升空间。对影响因素的研究发现,农户教育水平、家庭经济水平、灌渠完好程度、用水紧缺程度和节水灌溉技术等对灌溉用水效率等有显著的正向影响,农户非农就业、家庭非农收入比例为负向影响,农户年龄、灌溉水价、经营规模和耕地块数与灌溉用水效率没有明显相关性。说明关中地区灌溉用水具有节水空间,可通过维修灌渠、改进节水灌溉技术、适当提高水价等,逐步提高灌溉用水效率。     

农户稀缺感知、超采认知对地下水灌溉用水效率的影响——基于河北地下水超采区457个农户调研数据

华北地区由地下水超采造成的环境问题日益严重,农业作为主要用水部门,亟须提高灌溉用水效率,减少水资源浪费。本文基于2019年对河北地区457户使用地下水进行灌溉的农户调查数据,采用随机前沿模型对灌溉用水效率进行测算,进一步在参照相关研究基础上重新构建农户水资源稀缺性感知和地下水超采认知测度的指标体系,在控制个人和家庭特征、生产特征基础上,实证分析农户稀缺感知和超采认知对灌溉用水效率的影响。研究结果显示:农户平均灌溉用水效率值为0.59,主要分布区间为0.40～0.80,具有较大提升空间;稀缺感知中水量感知、水位感知和稀缺预期对农户用水效率具有显著正向影响,超采认知中地下水超采危害认知和压采环保认知对用水效率提升具有促进作用;务农年限和受教育程度同用水效率正相关,相较于自有土地,流转土地具有更高的用水效率,耕地细碎化和灌溉设施距离过远则显著降低用水效率。因此,大力提升农户相关认知水平、推进土地流转和完善设施建设等措施将有助于提高河北地区灌溉用水效率。     

太行山前平原区农户采用小麦玉米农艺节水技术意愿影响因素的实证分析

农户是农业节水的主体,考察太行山前平原区农户采用小麦玉米农艺节水技术意愿的影响因素,对推广农艺节水技术具有重要意义。本文依据对太行山前平原区的农户调查资料,运用二项Logit模型,对农户采用小麦玉米农艺节水技术意愿的影响因素进行了实证研究。结果表明,种植业收入占家庭总收入比重、水价、信息传播渠道的培训会对农户采用小麦玉米农艺节水技术的意愿有显著正向影响,水资源短缺程度对农户采用小麦玉米农艺节水技术的意愿有显著负向影响。太行山前平原区小麦玉米农艺节水技术应该重点向种植业收入占家庭总收入比重高、劳动力占家庭总人口比重较高、家庭年均总收入较高、土地经营规模较大、女性户主、户主文化程度较高的农户示范、推广;研究区农民节水意识淡薄,急需通过各种途径强化对农民的节水宣传;应加强引导示范户发挥示范、带动作用;继续对农户采用节水技术进行扶持,加大扶持力度;并应采用培训会等多种渠道传播农艺节水信息。     

渠井结合灌区农户灌溉用水模型的构建与应用

在水文模型中耦合准确模拟农户灌溉用水行为的模块可以构建更符合实际的灌区水循环模型,可以定量计算农户灌溉用水对渠井结合灌区水循环的影响。以典型渠井结合灌区——陕西省宝鸡峡灌区为研究区,采用问卷调查与访谈的方式收集了大量的农业生产和农户灌溉用水数据,在深入分析灌溉用水影响因素互馈关系和渠井结合灌区水循环特征的基础上,采用Python语言构建了渠井结合灌区农户灌溉用水模型（HCLU模型）,该模型由水文、作物、农户生计和灌溉行为4个模块组成,可以概化灌溉用水的各个环节并实现农户灌溉行为与水文物理过程之间的紧密耦合,定量计算灌溉水源、灌溉定额、灌水时间和灌溉方式等对灌区水循环的影响,模拟作物产量与灌溉量的关系,为灌区水资源可持续管理和农业种植结构的调整提供强有力的技术支撑。     

基于循环修正的灌溉用水效率综合评价方法

灌溉用水效率是最严格水资源管理制度建设中用水效率控制红线的重要组成部分,也是衡量灌区节水改造进展与效果的重要指标。针对灌溉用水效率评价中存在的单一方法评价结果不一致的难点问题,该文以12个灌区用水水平与用水效率实地调查分析为基础,首先采用突变理论评价方法、熵值法和层次分析法进行灌溉用水效率评价,再以Spearman等级相关系数作为检验标准,利用平均值法、Board法、Copeland法、模糊Borda法4种组合评价方法对单一评价结果进行组合,反复迭代,得到各灌区农业用水效率综合评价排序。最后,根据影响灌区排序的主要指标将灌区分为3类,指出了影响各灌区灌溉用水效率的主要因素及其改进措施,对灌区节水改造与农业用水效率管理具有参考意义。     

转换灌溉方式对农户种植决策和经济的影响——以河北省张北县为例

国内外研究表明节水灌溉技术具有田块尺度上的节水效益和对作物的增产效果。但从社会-经济-生态复合系统的角度,灌溉方式的转变是否会改变农户的种植决策和农业生产行为仍有待深入研究。本文以河北省张北县为例,通过实地调研建立了柯布-道格拉斯生产函数等模型,研究了转换灌溉方式对农户种植决策和福利的影响。结果发现,高效率的灌溉方式可以使旱作作物、低耗水作物和普通耗水作物的水分生产力提高25.0%~347.7%;但同时也促使了研究区域88.9%的农户种植用水强度更大、收益更高的经济作物,以期获得投资的回报;灌溉方式改变会影响农业生产的投入和产出,高效率的灌溉方式会增加灌溉设施建设成本（6.6%~16.2%）,增加农药投入（2~4倍）、减少劳动力投入（20.6%~59.3%）。研究结果证明转换灌溉方式后,农户作为农业生产的基本单元,在追求利润最大化的动机驱动下,会改变其种植决策和农业生产行为,从而改变农户的经济效益。本文的研究结果可为进一步深入分析节水灌溉对区域农业生产的用水影响提供科学依据。     

天山北坡经济带主要城市用水效率的时空差异

[目的]分析天山北坡经济带主要城市用水效率对于促进水生态文明城市建设,推动天山北坡经济带发展。[方法]基于2004—2015年天山北坡经济带7个主要城市面板数据,利用超效率DEA模型和Malmquist指数研究各城市用水效率及其时空差异。[结果](1)2004—2015年,天山北坡经济带7个主要城市的水资源利用效率总体呈波动上升趋势,且2004—2008年期间的用水效率低于2009—2015年;空间上,乌鲁木齐市、克拉玛依市、石河子市、昌吉市和阜康市水资源利用效率高于乌苏市和奎屯市;(2)2004—2015年天山北坡经济带7个主要城市水资源全要素生产力指数呈"W"型波动,增长不稳定;技术变化(techch)是制约天山北坡经济带7个主要城市水资源利用效率提升的主要因素;(3)SAR模型表明用水效率具有空间依赖性;在时空尺度上,在0.05显著水平下,总用水量、生活用水、人口和生态用水与用水效率显著相关,但城市间距离、工业用水和农业用水与用水效率的相关性不显著。[结论]政府应大力改进生产技术,普及节水工艺;优化产业结构,平衡各城市间的水资源投入比例,提高技术进步贡献率,是提高天山北坡经济带主要城市水资源利用效率的途径。     

基于主成分分析和Copula函数的灌溉用水效率评价方法

灌区灌溉用水效率评价,对推行最严格的水资源管理制度具有重要意义。该文在构建评价指标体系的基础上,尝试将Copula函数应用于灌溉用水效率评价。针对多元变量导致Copula函数参数求解困难的问题,采用主成分分析法(principal component analysis,PCA)提取主成分因子,形成新的指标体系,从而建立PCA-Copula评价方法,对灌溉用水效率进行综合评价。对7个灌区灌溉用水效率为例进行评价,从灌区地形地貌、规模大小、供水类型、降雨多少、作物结构以及灌溉成本几方面分析评价值的影响因素。根据各灌区灌溉水有效利用系数的高低,经过Spearman等级相关系数检验,表明PCA-Copula评价方法的评价结果与熵值法以及突变理论评价方法的结果排序相差不超过2个名次的比例为100%,评价结果具有一致性,能够客观反映灌区灌溉用水效率的高低。同时,PCA-Copula评价方法的评价值在0~1之间分布均匀,最大差值为0.622,明显高于另外2种方法,且相邻排序的综合评价值梯度明显,有利于更直观地区别灌区灌溉用水效率的高低。     

地块质量与农户行为的空间相关特征分析

采用超越对数随机前沿生产函数核算地块农户生产效率,并进一步分析农户生产效率与土地质量的空间分布规律。研究表明:资本和劳动力投入对地块质量提高均有正向影响,调研地块经营规模与生产技术效率的关系表现出近似“倒U”的规律;研究区地块质量以二等地和三等地为主;采用空间自相关分析研究,发现各乡镇农户生产效率在地域空间分布上具有较强的空间正相关关系,其中区域北部和南部乡镇农户生产效率空间聚集状态相似;土地质量分布空间异质性相对较弱,在全局中呈现高度正相关的区域主要位于中部。     

中国主要粮食作物化肥施用量与效率变化分析

2004年至今,在国家支农政策的推动下,农业种植结构大幅度调整,粮食产量连续增加,而且启动了全国测土配方施肥项目。采用2008年的农户调研数据与2001年进行对比,揭示了我国粮食生产体系中化肥效率的变化。结果表明,过去7年中小麦和玉米的单位面积化肥用量分别增加5.4%和29.0%,而水稻减少4.3%。全国粮食作物化肥消费总量增加1.3×106t,但占全国化肥消费总量的比重从68%下降到50%。用PFP(粮食产量除以化肥用量)表征化肥效率,发现三大粮食作物的化肥效率大小排列顺序为水稻小麦玉米;7年中小麦和水稻的化肥偏生产力分别从10.6 kg/kg增加到11.9 kg/kg,13.9 kg/kg增加到15.7 kg/kg,玉米的化肥偏生产力从13.8 kg/kg下降到11.5kg/kg。我国农业种植结构调整对化肥施用量影响较大。粮食作物向优势主产区集中以及机械和管理措施的改善有利于进一步提高粮食作物化肥效率,但经济作物播种面积仍在大幅增加,这将对全国化肥效率变化带来变数。     

基于遗传投影寻踪模型的黑河中游地区农业节水潜力综合评价

农业节水潜力综合评价是进行节水规划的重要依据。目前,区域农业节水潜力的定量研究和综合评价研究仍存在不足。为此,本研究以地处西北内陆的黑河中游地区为研究单元,以流域统计资料和野外参与式农户调查资料为基础,借鉴层次分析方法原理,考虑区域社会经济发展水平、水文水资源状况、农业水资源开发利用、农业节水水平和生态环境对区域农业节水潜力的影响,建立了区域农业节水潜力综合评价指标体系。并针对各个单项评价指标的不相容问题,提出基于实码加速遗传投影寻踪的区域农业节水潜力综合评价模型,利用最佳投影方向判断各指标对综合评价目标的贡献大小和方向,通过投影指标值大小对黑河中游地区各区县(甘州区、民乐县、临泽县、高台县和山丹县)农业节水潜力实现水平进行评价。结果表明:水利投资占GDP比例、渠道防渗面积比和管道输水面积比等指标对区域农业节水潜力的影响较大,而人均粮食产量、人均水资源拥有量、供水量模数等指标影响较小;2005年,甘州区、民乐县、临泽县、高台县和山丹县的投影值Z(i)=(1.366 5,1.170 4,1.239 1,1.259 6,1.158 6),故甘州区、高台县和临泽县农业节水技术水平较高,山丹县和民乐县农业节水技术水平较低,节水技术应用潜力空间较大。研究结果可为区域节水农业技术持续发展提供科学依据和决策支持。     

旱农区水磷耦合效应对春小麦产量和水分利用效率的影响

1997年在我国典型干旱半干旱甘肃定西地区,研究了水分和磷素处理对春小麦生长和水分利用影响,结果表明:春小麦产量和水分利用效率与有限灌溉和施磷之间有密切的关系,尤其是水分的作用最为关键,播前土壤极其干旱条件下,浇灌底墒水而整个生育期不浇水,可促进作物对土壤水分的充分利用,比对照(不浇水)土壤水分利用提高了241.96%,产量是对照的2.76倍,水分利用效率(以籽粒为准)提高了35.62%。在不同水分条件下,磷素对产量和水分利用效率提高呈现正效应,在浇水情况下,施磷比不施磷产量和水分利用效率分别提高8.64%、14.37%,不浇水情况下,施磷比不施磷产量和水分利用效率分别提高29.79%、4.77%。     

干旱区不同灌溉方式对枣树水分利用效率和果实品质的影响

为了探明不同灌溉方式对干旱区枣树灌溉水量分配、枣树生长和果实品质的影响,2009年以阿克苏试验林场成龄枣树为研究对象,研究了地面灌、滴灌和微喷灌3种灌溉方式下灌溉水的去向、枣树生长、产量、水分利用效率和果实品质。结果表明,与地面灌相比,滴灌及微喷灌有效地减少了田间水的深层渗漏,节水49%,而且对枣树生长影响并不显著。滴灌和微喷灌能够有效促进叶面积指数、叶绿素相对含量的提高,进而提高产量,滴灌增产22%,微喷灌增产16%;水分利用效率分别提高240%和230%;而且显著提高果实横径、单果质量、还原糖含量以及维生素C含量。由此可见,滴灌及微喷灌方式显著提高了枣树的果实品质和产量,研究成果为干旱区林果节水灌溉提供实践依据。     

Economic water use efficiency of corn (Zea mays L.) hybrids as affected by irrigation regimes: a case study in West Iran

Water deficit stress is the main limiting factor in corn production in different regions of Iran. Choosing appropriate corn hybrids and well-managed irrigation practices will result in significant water savings (WS) and good outcomes. Therefore, a randomized complete block design arranged in split plots with four replications was used to evaluate the effect of irrigation regimes on some agronomic traits of corn hybrids. Three different irrigation regimes (irrigation after depleting 60%, 70%, and 80% of field capacity (FC) as water deficit stress, mild water deficit stress and well-irrigated treatment, respectively) were allocated to main plots and four grain corn hybrids (KSC 500, KSC 647, KSC 700, and KSC 704) were randomized in subplots. The results indicated that grain yield (GY), harvest index (HI), and relative water content (RWC) decreased, whereas water use efficiency (WUE), WS, and irrigation efficiency (IE) increased, with increasing water deficit stress intensity. Irrigation after depleting 70% of FC caused the highest economic WUE (1.01 kg grain m^?3). In addition, late maturing hybrids (KSC 700 and KSC 704) showed higher values of all measured traits, except for HI, compared to mid-maturing hybrids (KSC 647 and KSC 500).     

黑河绿洲新垦沙地农田灌溉与施氮量对春小麦产量及水分利用效率的影响

采用完全随机裂区试验设计，灌溉量作为主处理，施氮量作为副处理，在黑河流域新垦沙地农田进行了春小麦生产试验研究。结果表明，灌溉与施氮对春小麦产量、产量构成要素及水分利用效率产生显著性的影响。在各施氮处理下，春小麦产量、产量构成要素随灌溉量增加而增加，产量、单粒质量与粒数在0．6ET（ET为估算春小麦生育期耗水的灌溉量）处理分别比1．0ET处理下降21．98％、14．68％与9．10％。0．6ET的水分利用效率显著高于0．8ET和1．0ET，0．8ET与1．0ET两者相差不显著。在各灌溉处理中，施氮221kg／hm^2与其他施氮处理相比，其产量及产量构成要素最高，同时，各灌溉处理最佳经济施氮量相差不大（226．8～227．9kg／hm^2），小于最大产量的施氮量（277．4～305．1kg／hm^2）。研究表明，黑河流域新垦沙地农田以0．6ET灌溉与221kg／hm^2施氮组合可以获得相对高的产量与高水分利用效率。     

适宜灌水施氮方式提高制种玉米产量及水氮利用效率

为通过不同灌水施氮方式调控干旱区作物收获指数提高资源利用效率,以制种玉米"金西北22号"为供试材料,进行了为期2 a的田间试验。试验采用灌水方式（交替灌水、固定灌水、均匀灌水）与施氮方式（交替施氮、固定施氮、均匀施氮）完全随机组合设计,测定生育期内作物耗水量（evapotranspiration,ET）和成熟期植株的生物量、籽粒产量及其构成（穗长、穗粗、行粒数和千粒质量等）和作物吸氮量,折算收获指数（harvest index,HI）、水分利用效率（water use efficiency,WUE）和氮利用效率（nitrogen use efficiency,NUE）。结果表明,灌水施氮方式只对行粒数有显著影响。ET只受灌水方式影响,交替灌水较其他灌水方式显著减小ET。WUE表现为：灌水方式相同时,交替施氮和均匀施氮大于固定施氮;施氮方式相同时,交替灌水>均匀灌水>固定灌水。玉米的吸氮量、HI和NUE与WUE表现出相似的规律。2013年交替灌水均匀施氮下制种玉米的HI、WUE和NUE最大,较均匀灌水均匀施氮分别增加5.46%、11.41%和19.73%。交替灌水交替施氮（水氮同区）的表现与交替灌水均匀施氮相似。2014年的结果与2013年一致。综上,交替隔沟灌溉均匀施氮和交替隔沟灌溉交替施氮（水氮同区）有利于提高制种玉米的产量和水氮利用效率。     

灌溉对冬小麦水分利用效率的影响研究

通过设计不同的灌溉处理，从叶片水平、群体水平和产量水平3个层次系统分析了冬小麦水分利用效率(Water Use Efficiency, WUE)的变化特点及其内在联系。结果表明：叶片水平WUE或蒸腾效率(Transpiration Efficiency, TE)是群体蒸散效率基础；气孔运动机制及光合作用和蒸腾作用对环境变化响应的差异是叶片水平WUE的生理基础；而产量水平WUE是群体蒸散效率与收获指数共同决定的。随耗水量的增加，叶片光合速率、群体干物质积累及籽粒产量都呈二次曲线增长趋势，结果使叶片水平WUE     

土下覆膜与适宜灌水提高冬小麦水分利用率

为缓解河北平原区水资源匮乏与小麦生产水分高耗的特征性矛盾,该文采用大田试验方法,设置土下微膜覆盖结合拔节期灌水75 mm、抽穗期灌水75 mm、灌浆期灌水75 mm、雨养,露地条件下雨养和常规生产(CK)共6个处理,定位研究了连续3个生长季的土下微膜覆盖与不同时期灌水对冬小麦用水与产量形成的效果。结果表明,采用土下微膜覆盖种植小麦,基本苗数和有效穗数较CK分别降低了8.6%~12.0%和7.4%~11.7%,拔节至抽穗期75 mm灌水保证了覆盖下小麦生物产量形成及穗粒数、粒重的提高。土下微膜覆盖并适时灌水75 mm,开花后营养器官干物质向籽粒转运量比CK提高37.2%~57.3%,对籽粒贡献率提高4.7%~10.1%。土下微膜覆盖结合抽穗前一次灌水,全生育期田间耗水减少99.9~118.9 mm,用占CK 3/4的耗水量生产了与其相当的籽粒产量,水分利用效率提高26.1%~34.5%。回归分析表明,土下微膜覆盖下拔节-抽穗田间耗水118 mm可获得最高的生物产量,抽穗-灌浆耗水78 mm可获得15个以上的结实小穗数和灌浆期不小于5的叶面积指数,从而籽粒产量得以有效维持。2 m土体贮水随小麦生育进程和种植年限的推进而呈现亏损态势,而且趋近地表土壤水分亏损就越多。从第2季开始,持续干旱导致覆盖下灌浆期灌水对提高产量已不具有作用,反而增加耗水,灌溉时间前移可增加产量并提高水分利用效率。播种时土壤贮水较上季小麦收获时大幅增加,播种-拔节期间土壤贮水保蓄是小麦节水生产的关键,土下微膜覆盖则可实现麦田土壤贮水的秋冬保蓄、春季供应的跨季节调用。在河北省小麦产区,土下微膜覆盖结合春季适时少量灌水是有效降低小麦耗水、提高水分利用效率和维持小麦产量的新型种植方法。     

夏玉米污水灌溉时水分与氮素利用效率的研究

用田间实验研究污水灌溉条件下夏玉米水分与氮素的利用效率。试验设置了高、中、低3个不同灌水水平下的9个对比处理，结果表明：灌水量、灌溉水质、施肥量对夏玉米叶面积指数、株高和产量的影响很小；不同灌溉水量条件下，污水灌溉夏玉米的耗水规律与清水灌溉的耗水规律十分接近，且累积耗水量随灌溉水量的增大而增加；水分利用效率与灌溉水质和施肥无关，仅随灌溉水量的增加而减少。清水灌溉处理玉米的吸氮量高于污水灌溉处理玉米的吸氮量；氮的利用效率与灌水量和施肥无关，仅与灌溉水质有关，且污水灌溉氮的利用效率高于清水灌溉氮的利用效率。     

灌水对水肥一体化制种玉米产量和水分利用效率的影响

研发和推广应用高效节水技术是提升扬黄灌区制种玉米产量、支撑制种玉米产业增效和持续发展的重要途径。为了给建立制种玉米水肥一体化技术模式下的科学高效灌溉制度提供科学依据。在甘肃扬黄灌区滴灌水肥一体化条件下,研究了不同灌溉定额和灌水次数下制种玉米的产量表现和水分利用效果。结果表明,灌溉定额从2 250 m3/hm2增加到3 000 m3/hm2时,制种玉米增产幅度达33.84%,但灌溉定额高于3 000 m3/hm2并继续增大时增产效果不明显,生育期耗水量增加,水分利用效率降低明显。灌水次数从10次增加至20次时,制种玉米产量及水分利用效率均呈降低趋势,灌水次数多于15次并继续增加时,制种玉米减产显著。灌水次数和灌溉定额之间不存在互作效应。在灌溉定额偏低条件下,增加灌水次数会造成制种玉米严重减产。当生育期灌溉定额为3 000 m3/hm2、灌水次数为10次时,折合产量较高,为7 386.9 kg/hm2,较其余处理增产-2.77%～93.58%;水分利用效率最高,为17.83 kg/(mm·hm2),较其余处理提高5.32%～78.30%;种植纯收益较高,为29 683.6元/hm2,较其余处理增加-511.8～20 675.4元/hm2;产投比最高,为3.03,较其余处理增加0.07～1.38。可见,灌水10次、灌溉定额为3 000 m3/hm2时灌溉水利用效果相对优化。