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加拿大水资源可持续利用与农业发展 Water resources sustainable utilization and agriculture development in Canada

淡水供应的可持续性是全球日益关注的问题。诸如城市化、工业化、农业集约化进程以及气候变化等因素都给供水带来压力,影响水生态系统的健康,即使是加拿大水资源丰富的国家也面临着如何实现水资源的可持续利用问题。加拿大在经济合作与发展组织(OECD)分类方案的基础上,采用水可用性指标(WAI),对加拿大各个区域淡水资源可供应性进行评价(详见图1),研究表明加拿大北部、不列颠哥伦比亚省、大草原地区和大西洋地区淡水资源供需比为10%以下,供水压力较低;而安大略省水供应的威胁比例为40%以上,显示为严重缺水,这主要是因为大量的工业和城市用水 [1]。因此,加拿大作为一个水资源禀赋丰富的国家亦在着手推进水资源可持续开发利用战略,以应对水资源危机,但值得关注的是,加拿大将农业领域作为实现水资源可持续利用的关键突破口。

图1 加拿大各区域淡水资源可供应性评价


1、加拿大农业发展与水资源利用可持续性

加拿大农业生产占国内生产总值(GDP)的3%,为全国最大行业之一。在全国范围内,加拿大水资源主要使用者抽取了446.1亿m3的地表水,农业地表水的抽取量仅为9%左右,显著低于火电(64%)和制造业(14%)地表水抽取量,但农业消耗了地表水抽取量中的71%。由此可见,虽然农业不是加拿大最大的水资源使用行业,但却是最大的净消费者。加拿大农业可持续发展需要持续获得稳定且干净的淡水资源,而实现淡水资源的可持续利用就不能忽视农业生产领域。然而,近年来,农业生产区域的淡水资源利用的可持续性受到胁迫,这主要是受以下因素影响 [2-3]。一是土地利用类型发生变化影响水资源供给水平和水质。由于加拿大农业用地增加,改变了土地原有利用形态,景观的自然水文发生改变影响了水的相对可用性。这是因为庄稼灌溉和雨水系统的水产量会影响自然景观的水流量,灌溉排水系统的水分流和水再分配对自然水文循环也产生巨大影响,与此同时,作物的培养模式会借助土壤剖面的流动改变了水的渗透性,并相应改变了地表和地下水的流动模式,这种组合会导致洪峰径流事件的和河流淤泥泛滥成灾事件的增加,进而减少小溪流和水道的水流量,并降低了原本用于维持湿地水量和供居民使用的水的地表渗透能力,有时甚至影响到了水的质量。例如,在灌溉系统被广泛应用的地区(主要是阿尔伯塔省和不列颠哥伦比亚省),灌溉系统覆盖的流域内,高达35%到40%的年降水量被转用于灌溉,使得这些流域的自然水文发生了的重大变化。二是农业生产模式影响水质。长期以来,加拿大典型的石化农业在提高农作物产量的同时,日益增大投入的化肥、农药等化学品加大了对水生态系统的负荷,由于化肥和杀虫剂日趋严峻的超负荷增加,农业生产区域的地表水和地下水的质量很可能继续恶化。三是农业技术创新的不足。当前,加拿大农业生产面临的一个重大挑战就是缺乏技术,这使得广大农场主难以在农业生产中提高生产区域范围内灌溉水资源的使用效率和维系水资源的质量。四是气候变化影响农业生产需水。历史时期,在夏季的几个月里,冰川融水曾为加拿大一些河流贡献了丰富水资源的一些冰川逐渐缩小,并在未来的50到60年内消失,这将对灌溉和保护水生生物的河流的水资源供应产生显着影响。以奥肯那根山谷为例,相关气候变化模型预测研究数据显示,奥肯那根山谷灌溉水的需求量相比往年有37%的增幅。此外,受气候变化因素影响,作物需要灌溉的地区可能向草原省份的北部、安大略省东部、魁北克省和大西洋省份延伸。


2、加拿大农业领域的水资源可持续利用

在全球一体化格局中,加拿大农业发展为日益增长的世界人口提供实惠、优质的农产品,大量农田需要灌溉以确保土地每年的生产水平得到维持,随着作物多样化和高价值作物种植的推广,水资源需求很可能将普遍上调。与此同时,灌溉系统需要更多的水资源用于作物的散热和防冻保护功能,以保证作物的产量和质量,养分通过灌溉系统输送给作物,从而改善养分管理,最终可会导致水资源使用量进一步增加。这就意味着对水资源的使用带来更多的竞争,并给进一步开发水资源和水资源分配带来更大的压力,以加拿大畜牧业为例,受农业生产区域水环境质量日趋下降因素影响,魁北克省就限制了集约化畜牧业的发展。基于与淡水供应威胁相关的现实困境和发展需求,加拿大采取以下措施实现农业领域水资源利用。


(1)强化对水资源平衡的认识

加拿大在积极应对农业领域水资源可持续利用问题时,客观的认识到农业生产领域的水资源平衡问题,那就是农业不仅仅只是消耗水资源,农业灌溉和排水也有助于地下水的补给。精准认识农业对水资源的需要以及水需求与水生态系统之间的平衡就是有效解决农业生产领域的水资源利用可持续问题的关键,因此,加拿大从以下领域深化了对水资源利用的相关认识:一是挖掘使用更少水资源的潜力,包括更耐旱作物的开发和灌溉水资源管理方法。二是充分了解特种作物水资源需求,将高价值和有市场前景的节水作物品种推广到加拿大农业和园艺领域。三是精准认识农业和湿地的关系,包括对湿地和河岸地区的农业用水和排水效果的影响以及维系水生态系统平衡的湿地保护。四是强化对土地管理的认识,明确对土壤水分平衡和降水量的划分,以及对所有用水地区的水供应因地区不同而客观存在的影响差异。五是正确认识潜在的气候影响,包括多变的天气和气候变化对农业用水需求和水供应的影响,以及土地管理对气候变化造成的与水资源利用有关的后果的影响。


(2)采用综合战略

有效实现农业领域水资源利用效率的提高,就必须采取综合规划和适应性技术,以降低农业对水供应的威胁,为此,加拿大采取了以下策略:一是将适当的农业实践纳入综合流域管理计划中,以应对农业生产中大量的水资源利用需求;二是强化水资源再生利用,包括城镇生产、生活用水以及农业废水的再利用,促进水资源再循环利用至切实可行的地方;三是提高对农业实践中地下水的可用性和脆弱性的认识,积极开发决策支持和信息系统,强化决策制定,提高水资源利用的效率;四是制定适应战略,积极应对气候变化对农业生产水资源需求的影响。


(3)明确制度框架

明确在农业水资源利用的分配和保障中充当的管理角色的机构所承担的责任,包括明确水资源配置的政策制定,通过制度的规范来强化管理,特别是在水资源短缺时期和农业生产需水的竞争性使用之间进行水资源分配时期,比如对于水资源在农业生产区域不同农场之间的配送管理以及明确农场的灌溉水利用率效率提高措施的优化来提高每单位水的作物产量,实践表明,基于上述制度管控,在艾伯塔省圣玛丽河灌区已经减少了流向水系引水总量中“流失”量,流失量不到7%,这表明制度的改进导致了灌溉水资源更有效的利用,从而减少了每单位作物生产的导流需求。


(4)创新农业生产技术

当前,加拿大积极采取措施集约利用土地进行农业生产,包括越来越多需要灌溉的农业生产区域。为了有效处理现有的和新兴的水供应问题,加拿大对农业生产的技术创新行动做出了明确要求。

积极开展农业用水研究。持续的研究确保可用于土地和水资源管理的最佳知识和技术,重点是减少作物对水的需求,提高水的利用效率;着力了解土地管理措施对水的供应、径流/浸出特征、水质和湿地关系的影响;探索水资源再利用的机会,提高抗旱适应性战略机遇。

积极推动农业灌溉措施采用高效喷灌系统。目前,加拿大大多数灌溉是通过喷灌系统。这种类型的灌溉对表面水文的影响明显比传统的大水漫灌带来的影响要小。大水漫灌常常导致高达50%的地表水损失。在不列颠哥伦比亚省,使用微灌系统(涓流或滴灌)已进一步优化了作物生产的水资源利用,并具有消除地表水损失,降低了地下水的损失,在不列颠哥伦比亚省的奥肯那根山谷,灌溉方式起源于20世纪40年代的大水漫灌,这些系统随后转换为在50年代后期和60年代更高效的喷灌方法,该区域果树种植面积的30%已经从喷灌转换为微灌系统,使用水效率从70%上升到了90%,农业生产还大量使用覆盖膜,以减少园艺作物的蒸发损失,新种植树木的蒸发损失已经被证明减少高达50%,当树木长大后更会使损失降低到10%。在艾伯塔省,从大水漫灌转换为更高效的中心枢纽系统使得灌溉系统的效率提高了40%。当前加拿大农业灌溉系统革新的重点是通过效率更高的灌溉系统来提高灌溉效益,改善水资源管理,调度灌溉以满足作物对水的需求,抑制蒸发损失和提高高价值作物的产量。

积极推动推动退耕还草。加拿大过去的农业计划鼓励从每年耕种的土地中去除小幅土地,这部分土地不用于农业生产,并把这些土地退耕还草,将这部分土地更改为长期覆盖紫花苜蓿牧草的种植地,这类措施降低地表径流并提高地下水补给,还有助于过滤潜在的沉积物、化肥营养物、农药和病原体负荷。最新公布的加拿大农业政策框架中,明确了要积极推动上述计划的持续进行。

建立并维护监测网络,积极开展目标性监测,对水资源对农业生产的影响进行生态影响评估。强化地下水供应数据采集,以了解地下水水供应的范围、可用性和质量。

加强当地气象预报,尤其是中等尺度规模的预报。在全国范围内增加气象预报台密度,特别是农业区域增设额外的气象站,支持农业生产区域的气候监测和预测,为优化农业地区的水资源利用提供详实的气象数据。

推广使用信息技术。加拿大清楚的认识到网络技术和计算机技术可让农民直接从当地气象站获得所需的灌溉调度数据,还可以用来评估和监测基于气候影响因素的作物病害,进而减少化学病虫害防治的应用程序,此外,农业生产活动中使用GPS监控技术,有效监控了土壤营养元素和作物水分。因此,加拿大在农业生产区域积极推广网络技术和计算机技术。

值得一提的是,加拿大的农业生产技术进步不仅局限于种植业,畜牧业也通过技术的革新来强化用水管理以减少水的使用,甚至关注一些生产细节,例如,在日常操作中倡议节水生产;使用高压喷嘴进行洗涤;安装节水水槽;畜牧业发展中强调水资源的再生利用。