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绿水

所谓“绿水”,主要是指植物根部的土壤存储的雨水,即源于降水、存储于土壤并通过蒸发、蒸腾进入到大气中的水汽。“绿水”概念是相对于河流、湖泊和地下蓄水层中的“蓝水”而言的。“绿水”概念是由福尔肯马克在20世纪90年代早期提出的。

简单地说:“绿水”是指不可见的水,“蓝水”是指看得见的水。中国在“绿水”的研究上算是刚刚起步。

在某一流域中,“绿水”(气态水)的循环供给陆生生态系统,“蓝水”(液态水)的循环供给水生生态系统和人类的用水需求。“绿水”的循环反映了自然界“土壤-植物”生态系统的用水消耗。“蓝水”在地表和地下流动,从山顶到山脚,从陆地到海洋。

1995年,绿水和蓝水的概念开始出现。从水循环角度分析,全球总降水的65-通过森林、草地、湿地和雨养农田的蒸散返回大气,称为绿水(绿水流);仅有35-的降水储存于河流、湖泊以及含水层中,称为蓝水。绿水最初被定义为蒸散流,是流向大气圈的水汽流,后来被定义为具体的水资源,即绿水是源于降水、存储于土壤并通过植被蒸发消耗掉的水资源,尤其在雨养农业区是重要的水资源。

“绿水”概念是由瑞典斯德哥尔摩国际水资源研究所水文学家马林福尔肯马克于1995年首次提出的,它拓宽了传统水资源的范畴,更新了水资源的思维,引起科学界对水资源概念和水文功能的重新思考,在水资源越来越匮乏的严峻情况下,从“绿水”概念出发,可以看出“水土保持”概念的全面性,也更加明确了保水的思路和方法,为全面做好水土资源保护提供了理论基础,水土保持中“保水”的对象就是绿水。

2009年4月20日,英国《自然》杂志援引福尔肯马克的话说,“绿水”对干旱地区的水安全和粮食安全至关重要。发展中国家需要重视“绿水”管理,致力于土壤保持以及更有效地保护干旱期的农作物,这样才能有效提高粮食作物产量。福尔肯马克说,世界上河流、湖泊、水库和地下蓄水层中的“蓝水”只占世界淡水资源的40-,在干旱地区就更少。要解决干旱地区的水危机就要管理好“绿水”:使雨水渗透到土壤中去并能被植物根吸收,从而使土壤保持充足的水分。福尔肯马克提出的建议包括:普及“绿水”概念,收集雨水以便在作物生长期遇到干旱时使用,深种作物和梯田耕作,以及改浅耕为深耕等。

人类对水资源的利用方式包括:

1、直接利用

主要是社会经济用水,包括雨养农业、木材、牧场等利用的绿水和灌溉、工业、生活等利用的蓝水

2、间接利用

主要是生态系统用水,包括与“绿水”相关的陆生生态系统用水和与“蓝水”相关的水生生态系统用水。

绿水具有极为重要的生态功能,它不仅为所有陆地植物提供生长的必备条件,而且调节着全球的气温。蒸发蒸腾到大气中的绿水起着温室效应,与干燥的大气相比,它使地表气温提高了30℃,大气中二氧化碳的温室效应,又使地表气温提高了3℃,如果没有这两者的温室效应,地表平均气温将是-18℃,而且不是现在的15℃。正是绿水使地表平均气温既没有冷到冰点之下,也没有热到沸点之上,从而才使地球上的水能以液态形式存在,使生命能在地球上诞生和进化。

绿水还对陆地的降水模式起着重要的调节作用。在全球尺度上,海洋蒸发的水汽进入陆地形成陆地40-的降水,另外60-的降水则来自陆地的蒸发和蒸腾,因而绿水构成了陆地一个具有支配作用的水汽反馈圈。如果海洋水汽途经陆地的距离大于5001000公里,则陆地绿水对陆地水循环的影响比海洋水汽更大。

生态水文学把陆地上的水划分为“绿水”和“蓝水”,绿水是看不见的地表蒸发和植物蒸腾的气态水,其中植物生长蒸腾的绿水是生产性绿水;蓝水是看得见的地表径流和地下径流的液态水。

据最新(2009年4月)的水文观测和监测所得的数据,全球年平均降雨量约为119000km3,其中蓝水约为42650km3,绿水约为76350km3,蓝水约占1/3,绿水约占2/3。 绿水则陆地绿水对陆地水循环的影响比海洋水汽更大,如撒哈拉地区90-的降水来自绿水,美国中部地区60-的降水来自绿水。

植物的生物生产量、绿水量、降水量三者成正比例线性关系,并构成一个循环模式。生物生产量越大,蒸腾量即生产性绿水量也越大,降水也越多。反之,森林植被覆盖和植物生产量不断减少,降水会越来越多地成为地表径流流走,植物蒸腾也就越来越小,降水模式随之改变,气候也就变得日益干燥。

蓝水约占全球降水的37-,其中不可利用的暴雨径流又占了降水的27-,可利用的仅占10-,蓝水又是淡水生物的生境,人类不能取尽用竭,按中度风险的标准,应留一半以保持河流径流稳定从而保护这一生境,人类可取用的水就只剩下5-,工业和城市生活还要用去12-的水,则可用于农业灌溉的水只有约3-,约为12800km3。经过各种折算,目前(截止2009年5月)全球人均年食物生产用水量约为1200m3。

“蓝水”使用后分为两部分:一部分使用后消耗成为水蒸气进入大气,不再适合人类使用;另一部分回流进入生态系统,但经常会携带大量的污染物。

蓝水量 WB=WS+WG-WR

绿水量 WG=P - WB

WB 蓝水量; WS 地表水资源量;WG 地下水资源量;

WR地表水资源量与地下水资源量的重复计算量

P 降水总量

据了解,一般意义上的水资源是指水循环中能够为生态环境和人类社会所利用的淡水,其补给来源主要为大气降水,储存形式为地表水、地下水和土壤水,可通过水循环逐年得到更新。现在对水资源的评价多集中于可见的、能被人类直接利用的蓝水资源,而绿水资源的评价和管理却被忽略。程国栋认为,应将绿水资源纳入未来的水资源评价中,使之真正发挥作用。

程国栋说,相对于真实存在于河流、湖泊等中的水资源,绿水是一种不易被看见的水,但它具有重要作用。绿水是维持生态系统景观协调和平衡的重要水源,能否保持生态系统的健康是水资源可持续利用的关键,绿水则在此发挥重要作用。目前,国际农业发展基金、全球水系统项目组开始致力于绿水研究。绿水概念及评价方法的出现已经引起了科学界对水资源概念和水文功能的重新思考。

在粮食生产与维系生态系统服务之间分享绿水,将成为21世纪的又一生态水文挑战,也是科学家研究关注的重点。据程国栋介绍,将绿水概念引入农业科学研究,更新了水资源的思维。近年来绿水资源及其功能评价研究正在起步,尽管在概念体系和评价方法上仍处在发展阶段,但绿水资源已在水资源评价和水文学研究中逐渐得到重视。斯德哥尔摩国际水资源研究中心将绿水资源视为关系人类福祉的重要资源,并用简明的水循环图式构画了一种全新的水资源管理策略。

有数据表明,人类用来生产维系其生存所需的水资源多半为绿水资源。大约60-的世界粮食生产依赖于绿水,几乎全部的畜牧业肉产品生产来源于绿水。并且在可预见的将来,绿水资源仍是世界粮食生产最重要的水源。绿水在维护地球陆地生态系统生产功能和服务功能方面具有不可替代的作用。

程国栋直言不讳:“干旱半干旱区雨养农业所要面对的是严酷的水资源条件,降水的不可靠性导致干旱胁迫频繁发生,粮食生产稳定性受到严重威胁。因此,科学的技术和方法对这一带水资源的管理非常关键。”

研究表明,生态系统生产量的增长与绿水的消耗呈线性关系,全球平均生产每吨谷物大约需要1500~3000立方米的绿水资源。据估计,发展中国家为满足人口增长的需要,在未来的25年内粮食产量必须翻番。这对于发展中国家是一个极大的挑战。目前,大约有95-的世界人口增长发生在发展中国家,超过60-的人口将主要依赖小规模的农场生活。所以,绿水管理的关键在于如何保证这些小规模的农场进行有效的粮食生产。

程国栋介绍,人类活动不断影响绿水资源。在全球范围内,绿水流既决定于生物物理条件,如气候、土壤类型和植物种类等,又受制于各种因素,例如植物吸收水份时间、植被密度、土壤养分状况、土壤物理状况和土地利用方式。但无论是全球范围还是局部地区,人类活动通过改变土地利用格局一直深刻影响着绿水的变化。绿水流的减少意味着耕地面积在扩大,森林覆盖面积在减少。

此外,人类活动也加速了蓝水和绿水的互相转化。比如,人工储水工程消耗了蓝水资源,这就是一种蓝水转化为绿水的方式。据估计,目前全球人工储水工程所储存的水量约为6000立方千米,覆盖面积超过50万平方千米。干旱区水库能导致相当数量的水面蒸发,如阿斯旺大坝建成后,纳塞尔湖每年因水面蒸发损失的水量约为蓄水体积的11-。

40余年的西北工作和生活,使程国栋熟知,在西北缺水地区,老百姓早就懂得利用绿水资源,如用筑水窖集雨,水缸、脸盆接雨水等。科研人员完全可以设计出运行模型来估算绿水资源,以科学的方法使绿水资源被合理利用。

绿水资源研究恰逢其时

绿水资源研究在国外起步较晚,国内目前对其认识也非常有限,可以说还停留在概念上。然而,中国科学院寒区旱区环境与工程研究所甘肃临泽农田生态系统国家野外科学观测研究站近年来所做的科研工作,却为绿水研究准备了大量可靠、详实的技术数据。

据临泽站站长赵文智研究员介绍,临泽站位于河西走廊中部临泽平川荒漠绿洲边缘,自1975年建站以来,沙漠化防治沙漠化土地的改造一直是研究站一项重点建设内容。经过不懈治理,临泽站周围流沙面积由54.6-减少到9.4-,绿洲向北扩展了1000~1500米。通过一些项目建设,不仅促进了草蓄产业的发展,使种植结构趋于合理,缓解了水资源紧缺的矛盾,也使治理区生态环境明显改善。

临泽站多年来积累的数据资源,不仅为当地制定灌溉定额、配水计划提供依据,而且曾经为国家“九五”科技攻关项目、国家自然科学基金等项目的开展提供了基础资料,为黑河分水方案的制定提供依据,眼下正在为3项重点基金和10余项研究所创新课题提供基础性研究资料,数据库部分数据已实现网上资源共享。临泽站科研基地是开展水文、生态、大气、土壤、冰川、冻土、沙漠化、人类活动等综合交叉研究的理想场地,在荒漠绿洲生态与环境研究示范、内陆河流域综合研究等方面发挥着重要作用,在干旱区水资源、水循环研究方面发挥着不可替代的作用。

迄今(指2009年)为止,人类农业发展所走的是一条绿水不断向蓝水转移的路子,这种转移表现为:耕地和季节性单一化种植积不断扩张森林植被不断破坏表土不断流失土壤入渗水不断下降植物蒸腾不断减少的过程。降雨迅速流过板结的地表进入河道,地表径流迅速增加,但这种径流已日益失去了在森林植被高覆盖下的稳定性,而以暴落暴涨的形式出现,从而变得干旱时无水可用或暴雨时洪水无法利用。

森林植被不断地被耕地和人工建筑物取代,内陆的“蒸腾降雨”水汽循环机制也就日趋衰微,海洋蒸发所形成的降雨带不断向近海岸收缩,内陆干旱化蔓延,水利工程虽越建越多,但解决不了水需求日增,降储水日少的根本性矛盾,地下水的补充虽可缓解一时,但却不能持续长远。向蓝水转移的路子最终陷入山穷水尽的困境。现在人们就已经看到,许多地方的降水模式已经改变,许多河流下游已经干涸,许多地区地下水的抽取量远大于补给量,干旱化荒漠化盐渍化在蔓延,气候灾害生态灾害在加剧……没有水观念和用水方式的根本性转变,人类就会在用水问题上陷入越来越深的困境。

自然生态系统处处都展示着惊人的生物与环境和谐杰作,关键是人类要读懂它。非洲萨赫勒和澳大利亚干旱稀树草原区的虎斑纹状丛林,其灌木林被一条条裸土带隔开,从空中看像老虎的斑纹,大自然在这里以最明白的方式向我们演示了生物将降水最大限度地向生产性绿水转移的机制:裸土带硬的外壳使降水下渗很少,降水最大限度地形成地表径流集中流向灌木丛,使灌木丛获得比降水多几个量级的土水,这就最大限度地降低了降水的季节性变化给植物生长带来的风险。

要走出这种困境,就需要开辟一条向生产性绿水转移的新路,这就是要通过生态恢复和重建,大大增加森林植被的覆盖率,充分发挥森林植被的陆地生态支柱功能,以大大减少洪水径流和蒸发,增加蒸腾和内陆水汽循环,把农业生产系统融入到自然生态系统中,从而大幅度提高雨养农业的经济和生态贡献。

除少数雨水丰沛的地区有条件发展灌溉农业外,全球大多数地区需要转换农业模式,走绿水农业的路子。绿水农业是以自然森林植被生物多样性和生态功能的恢复为基础,与各地自然环境相适应的多样化的农业体系。其共同特征是生物多样性包括多样性的植物、动物、微生物协同作用,能最大限度地实现降水向生产性绿水转移和水汽循环,地面常年为植被覆盖、自我制土施肥灌溉抑虫、持续收获、多产高产。

这是本地经验与现代生物学、生态学等知识的集成,是自然森林系统的缩影,是立足于持久效率和信赖自然能力的农业,因而被称之为“天然系统农业”。这种农业目前(截止2009年8月)当然还远没有达致完善和普及,但从热带森林到温带森林到半干旱草原、荒漠,都在实验,并有着一系列振奋人心的成果。如热带森林中斑块状模拟丛林多样性的多年轮作种植,其产出的食物高出同地域等面积畜牧场产量的几个量级,即使是在半干旱稀树草原,相关的初步研究和实验表明,这种农业在改善其生态环境的同时,可以使农作物产量提高23倍。如果在使占目前全球粮食总量60-70-的旱作农业出产翻1-2番的同时,又大大改善了全球的生态环境,则21世纪的粮食和水危机都将得到有效化解。

民以食为天。中国作为一个人口大国,解决好十多亿人的吃饭问题始终是中国的一个重大战略问题,尤其在全球一体化的现在,保障中国的粮食安全更是我们对世界的庄严承诺。而目前(2009年)中国的农业生产,尤其是粮食生产,靠天吃饭的局面还没有根本改变,所谓“有收无收在于水”,一语道破了水在保障粮食安全中举足轻重的作用。可以说粮食安全能否得以保障在很大程度上取决于供水是否安全。

拿传统水资源评价体系中有限的水资源供给应对无限的水需求?这样的思维模式似乎进入了一个死胡同。“绿水”概念的提出恰逢其时。它从水循环的角度出发,将一种不易被人看见的水引入水资源内涵中来。这种被忽视了的水一直在支撑雨养农业、保持生态系统健康等方面发挥着重要作用。如果将它纳人新的水资源评价体系中,并对其充分利用和有效管理,困扰人类的水资源危机将有望得到缓解,粮食安全也将得以保障。

“绿水”虽然是个新名词,但在生产、生活实践中,它并不算是一个新的理念,人类自古就懂得利用它了。比如在人类利用灌溉之前,农业种植只能是靠天吃饭的雨养农业,又如在西北干旱地区,老百姓会筑水窖集雨,用水缸、脸盆接雨水等,这些都属于对“绿水”资源的有效利用。“绿水”概念使人类跳出了传统水资源定义的禁锢,能够在更广义的水资源范畴内思考水资源的可持续利用问题。这是人类对水资源认识上的一个重要突破,也是对“绿水”未来在全球发展的最大意义所在。

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