撒哈拉以南非洲地下水灌溉的农业生产潜力（英）

政策研究工作论文 10885 公共公披共公露披共公授露披共权授露披权授 农业生产能力 关于撒哈拉以南非洲的地下水灌溉 BhavyaSrivastavaIfeanyiNEdochieAparajitaGoyalAndrewDabalen 非洲地区首席经济学家办公室2024年8月 政策研究工作论文10885 摘要 撒哈拉以南非洲低农业生产率加剧了农村贫困问题。可持续利用地下水灌溉是一项重要投资，具有提高农业生产力的潜力，但与其他地区相比，该地区在采用这种灌溉方法方面要慢得多，尽管地下水资源丰富。本研究采用模拟驱动方法来考察可持续利用地下水进行灌溉的益处。通过将291798个全球农业生态系统区数据映射到 8099个地下水网格，该研究模拟了雨水灌溉对雨养农田的产量增加。模拟结果显示，地下水获取可以将产量提高2797至12942，具体取决于作物和模型条件。这项研究有助于评估地下水灌溉的变革潜力，并确定了在撒哈拉以南非洲地区投资可以获得显著回报而不耗尽地下水位的地方。 本文是非洲地区首席经济学家办公室的成果。它是世界银行为实现开放获取其研究成果并贡献于全球发展政策讨论而努力的一部分。政策研究工作论文也发布在httpwwwworldbankorgprwp上。作者可通过bs1088georgetownedu联系。 《政策研究工作论文系列》传播正在进行中工作的发现，以鼓励关于发展的思想交流。问题。本系列的一个目标是快速发布研究结果，即使这些展示不够完美。论文包含了作者的名字应相应引用。本文中表达的研究发现、解释和结论完全是作者自己的。 作者的观点。它们不一定代表国际复兴开发银行世界银行的立场。其附属机构，或世界银行执行董事或他们代表的国家政府。 由研究支持团队制作 农业在撒哈拉以南非洲地下水灌溉条件下的生产能力 BhavyaIfeanyiNAparajitaAndrewSrivastavaEdochieGoyalDabalen 相应作者：BhavyaSrivastava，电子邮件：bs1088georgetowneduBhavyaSrivastava经济系，乔治城大学，电子邮箱：bs1088georgetownedu；伊费尼N埃多奇，世界银行贫困与公平全球实践，电 子邮件：iedochieworldbankorg阿帕拉吉塔戈亚尔，世界银行非洲经济司首席经济学家，电子邮件：agoyal3worldbankorg安德鲁达巴伦，非洲首席经济学家办公室，世界银行，电子邮件：adabalenworldbankorg作者感谢GaranceGenicot、VivekGrewal、ReshmaanHussam、AudeSophieRodella、Lut zSager、AmalTalbi、MarcusWijnen和EshaZaveri就其宝贵的评论和反馈表示感谢。作者还感谢AshokAnomDule、AgarthaAdubofuor和DianaJaganjac提供的优秀研究协助。对非洲首席经济学家办公室、世界银行提供的资金表示衷心的感谢。本文中表达的研究发现、解释和结论完全是作者的观点。它们不一定代表世界银行及其附属机构或其执行董事或他们所代表政府的观点。 1引言 遍及撒哈拉以南非洲的农村贫困根源于农业生产力增长不足（SuriUdry2022）。尽管世界其他地区的许多发展中国家已经有效地提高了农业生产力，但撒哈拉以南非洲仍落后于这一步伐。然而，提高撒哈拉以南非洲的农业生产力不仅将提升占该区域一半以上人口的家庭农户的收入，同时还将降低非农人口的食品成本。这种降低食品成本的可能性尤为重要，因为对该区域30的人口而言，食品安全一直是一个持续存在的问题（。PfisterBayerKoehlerHellweg2011因此，更高的粮食安全将通过刺激对非农商品和服务的需求来推动更广泛的经济增长，而高生产力将释放如劳动力等资源，以扩展到其他经济部门。因此，提高撒哈拉以南非洲的农业生产率仍然是一项关键战略，用以缓解贫困 、促进包容性增长，并促进该地区内部的结构性转型（）。高伊尔与纳什2017 一个待开发的生产力增产和农业生产增长潜力来源是可持续性地使用地下水进行灌溉。地下水灌溉占非洲灌溉农业用地的1，而亚太地区为14。（AltchenkoVillholth2015尽管国际政策制定者可能对推广地下水利用持谨慎态度，但可持续和适度利用撒哈拉以南非洲丰富的地下水资源可以显著提高农业生产力。 本文中，我们关注于衡量地下水灌溉对农业产量和生产收益的潜力。为此，我们首先概述了非洲地下水资源及其相对于世界其他地区的相对丰富程度。然后，我们继续研究那些依赖降雨而非灌溉进行耕作的非洲农民所放弃的农业生产力。 现有撒哈拉以南非洲（以下简称SSA）的文献记录了由于采用灌溉技术而导致作物产量和农场收入的显著增加。渠道灌溉使卢旺达的农场利润提高了4362（。琼斯，康迪利斯，洛泽，与马格鲁德2022河流、水库和堤坝的引力灌溉也已被深入研究。在加纳 ，研究表明这种灌溉方式可以提高蔬菜和谷物产量，每公顷产量增加35至286吨（）。纳玛拉等人2011以及每公顷每季度的作物收入增加3001700美元（AcheampongOzorSekyiAnnan2014在马拉维，研究人员指出年玉米产量增长了350。担忧普遍2012）以及每户农业生产量增加125吨迪隆2011此外，在整个撒哈拉以 南非洲地区的蔬菜种植中，这种灌溉形式具有14的内部收益率（）。Inocencio等人2007与更现代的技术，如滴灌和喷灌灌溉相关，卢旺达的玉米产量增加了每公顷193200公斤（）。NgangoHong20211 参1考表格A2对撒哈拉以南非洲国家灌溉对农业产出影响的文献的综合总结。 然而，研究地下灌溉对农业成果影响的文献很少。在马里的一项研究中，BurneyWolteringBurkeNaylorandPasternak 2010）发现太阳能灌溉泵的引入与农作物产量增加19吨相关，这导致治疗村粮食不安全程度降低了17。该地区研究稀缺是由于地下水灌溉的采用率低。我们通过模拟该地区地下水灌溉在农业生产中可能带来的收益，为填补这一文献中的空白做出贡献。 本研究做出三项重要贡献。 首先，我们为SSA创建了一个新的数据库，该数据库将农业数据与由8099个网格组成的含水层数据的291798个网格的粒度相结合。这种方法使我们能够将关于农业生产、生产率和气候及土壤条件的信息与每个农业网格的地下水可用性信息相结合。 其次，我们提供了与地下水获取相关的农业生产力增长的定量证据。我们的模拟框架估计了通过地下水灌溉在现有雨养农田上的农业产量增长。我们通过确定农业网格中现有作物水分亏缺的比例可以通过地下水灌溉得到缓解来得出这些估计。我们发现，产量增长的中间值介于2797至12942之间，具体取决于感兴趣的作物和预测作物产量增长所使用的方法。 第三，这是首次将地下水提取的可持续性条件纳入研究。我们通过仅在地下水提取与补给比率足够低的农业网格中模拟生产收益来实现这一点。此外，我们的分析仅限于计算该区域内可再生能源地下水来源产生的收益。 本文其余部分结构如下。第二章简要介绍了非洲撒哈拉以南地区地下水灌溉的需求背景。第三章详细说明了用于模拟的数据。第四章提供了该地区地下水资源可用性和农业现状的统计数据。第五章描述了用于模拟的方法。第六章展示并讨论了结果。第七章进行了几项稳健性检验。第八章讨论了地下水获取成本，第九章得出结论。 2背景 撒哈拉以南非洲的大多数人口居住在农村地区，那里的主要生计来源是雨养农业。极端天气条件，如干旱、高温或降雨延迟，可能带来严重困难，尤其是对依赖农业的农村人口而言（）。KhanKuatePongouZhang2024这些困难因缺乏应对气候变化的适应性措施而进一步加剧。 然而，SSA拥有大量的未开发地下水含水层储备，这有助于缓解干旱等不利的降雨事件带来的影响。一份报告表明 该区域各国可以从地下水含水层中为每个人每天提供130升饮用水，而不超过长期平均补给量的25，其中大多数国家的使用量低于10（WaterAid2022 在地下水压力严重的地区，浅层地下水含水层的使用可以使农民在长达两年的干旱期间灌溉他们的田地。然而，提取率仅为现有可再生地下水资源的125（）。WaterAid2022因此，与印度不同，地下水灌溉导致了资源的显著下降，只要在过程中早期采取措施防止过度开发，利用地下水对于撒哈拉以南非洲（SSA）来说可能是一个可持续的选择 。 尽管在撒哈拉以南非洲（SSA）地区，水资源短缺问题日益严重，但我们的分析显示，地下水资源丰富且大多未被开发。主要挑战在于缺乏知识和积极性来利用这些地下水资源，以及缺乏防止过度开采的政策框架。由于该地区人均国内生产总值（GDP）约为1700美元，获取地下水的成本也可能对非洲人构成障碍。 为了解决这个问题，我们的分析集中在当地浅层地下水含水层，由于它们靠近地表，因此资源丰富且相对容易获取。全球范围内，SSA拥有当地浅层含水层的最高份额（占其总储备量），达到6077，其次是南亚，占比5454。 21地下水蓄水层 地下水是全球水需求的重要组成部分。估计目前约有50的饮用水、40的灌溉用水和超过30的工业用水需求来自地下水（联合国教科文组织和联合国水资源组织2022MargatvanderGun2013 地下水层，或称地下水蓄水层，储存通过土壤渗透的降水。地下水层本身是指收集和在地下的空隙中储存地下水的岩石或沉积物。其中一些地下水层易于获取，而另一些则位于难以切割的岩石之下。 按照世界银行水资源全球实践的界定，我们的分析中广泛采用了四种含水层类型。这些类别基于含水层的各种地质和水文地质特性。四种含水层类别（或含水层系统）包括复杂含水层、喀斯特含水层、主要冲积含水层和浅层局部含水层。 一个复杂的含水层由几层相互连接的透水和不透水材料组成。这类含水层可能具有很高的储存能力，并能可靠地为农业提供水源。然而，含水层的复杂性使得高效管理和提取水变得困难。喀斯特含水层形成于可溶性岩石，如石灰岩或白云岩，并且可能有许多裂缝、裂隙和洞穴，这允许水快速流动。这类含水层可能适合农业，因为它们可以提供稳定的水源 。然而，水在含水层中的快速流动也可能导致污染物污染。冲积含水层 这些类型的水文地质层是由河流或溪流沉积的沉积物形成的。这类地层具有很高的储水能力，可以提供可靠的灌溉和农作物生产用水源。它们通常位于洪泛区或主要河流的河道附近。 本地浅层蓄水层通常位于地表附近。2（图表）2b）并且可以由当地降水或地表水来源相对快速地补充（图）2a这些含水层可能适用于小规模灌溉和农作物生产。因为大约70的非洲农民从事自给自足农业，它们的存在（图） 3）以及相对较低的开采成本使得这些含水层最适合农业使用。因此，我们的分析将仅限于局部浅层含水层。 3数据 31地下水数据 我们使用了一个由我们编译的新型含水层类型数据集。罗代拉、扎维里和贝托内 2022它包括一个空间上详尽的8099个含水层网格列表在SSA中，以及它们覆盖的表面积、它们所持有的水量和它们的含水层类型。该数据集截至2018年已更新。 此数据集包含在背景部分讨论的四种含水层类型的信息。数据是在网格级别（05度鱼网 ）收集的。对于每个网格，数据包含关于网格中主要冲积层、复杂层、喀斯特层和局部浅层所占比例的信息，以及网格单元中未覆盖典型分类数据的百分比。此数据集不包含关于含水层补给（或补给）速率的信息。 在这份分析中，我们结合了由全球地下水层数据集提供的信息。Rodellaetal2022对官方世界银行行政边界（特别关注撒哈拉以南非洲）进行分类。地下水数据包含每个含水层的地理中心点。我们将每个含水层分配给包含其中心点的国家。为了确定精确的形状，我们使用Rodellaetal 2022为了获取主要含水层的水文图文件。对于无法找到水文图文件的含水层，我们在这些中心点周围构建圆形缓冲区，使得圆的面