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农业用水分析新框架和中国粮食作物水分生产力 李保国，黄峰 中国农业大学资源和环境学院、农业部土壤和水重点开放实验室，北京 100193 摘要：粮食平安和水资源短缺是一个互为因果的关系。农业用水在我国农业用水结构中占很大的比例，因此提高农业水分生产力是实现节水种植和粮食平安的重要因素。本文应用国际上近年来农业水资源利用和管理领域的观念变革，提出了广义农业水资源的概念分析了全国广义农业水土资源匹配。同时，计算并分析了全国主要粮食作物水分利用率的变化趋势。指出在工程节水措施的真正节水潜力已经接近极限的情况下，在不同空间尺度上的农艺节水措施将发挥巨大的作用。结合国内外相关研究成果得出结论：我国未来粮食平安主要应通过提高粮食水分生产力来实现。关键词：蓝水；绿水；作物水分生产力；粮食平安；水资源平安 1 中国水资源和粮食平安根本概况 1.1 中国粮食平安和水资源短缺问题的相互关系 中国的粮食平安问题成为国内外普遍关心的问题，1995 年美国经济家莱斯特布朗提出了著名的“谁来养活中国1命题后，世界上许多研究机构进行了更加深入的研究。美国国家情报委员会National Intelligence Council的研究结果认为：中国总有一天会“不得不大量进口粮食2。而国际应用系统分析研究所International Institute for Applied System Analysis的?中国能养活自己吗？-中国粮食平安和水资源?研究工程认为：中国拥有足够的自然资源物质条件在未来的 30 年里养活不断增长的人口3。在几乎所有有关中国粮食平安的研究中，研究者都一致强调中国水资源短缺是威胁中国粮食平安最为重要的问题。因此，水和粮是一个相互依存、相互影响的问题。一方面，水资源的短缺威胁到灌溉农业的有效灌溉量，从而影响到粮食产量和粮食平安；另一方面，粮食生产又消耗大量的水，由于水分利用效率的低下，在耗水同时造成水资源的紧缺。从这个意义上说，水和粮的关系是一个互为因果的互动关系。因此，解决粮食平安问题必须首先解决农业水资源尤其是种植业水资源短缺的问题。1.2 中国农业用水和粮食水分生产力现状 1998-2007 年的十年间，10 年间，我国平均水资源总量呈下降趋势，其中 2004 年为最低点，与降水量的变化趋势吻合。但是水资源总量下降幅度要大于降水总量的下降幅度。如2007 年降水总量比 10 年平均值减少 4.06%，而水资源总量比 10 年平均值减少 8.25%；2007年降水总量比 2006 年降水总量，减少 0.13%，而水资源量那么减少 0.30%。降水总量和水资源总量的变化趋势将影响农业用水。农业用水量 10 年间一直呈小幅下降趋势。全国农业用水总量从 1998 年的108 m3减少到 2007 年的108 m3。但是农业部门用水量占总用水量的比例下降幅度较大，从 1998 年的 69.3%下降到 2007 年的 61.8%，下降了 7.5%。2007 年农业用水量比 10 年平均值减少了 2.38%。而 2007 年全国总用水量比10 年平均增加了 4.42%。说明了在总用水量增加的情况下，农业用水无论是从绝对数量还是比重都在下降。2 中国农业用水分析新框架 过去，对我国农业用水分析主要集中于灌溉用水。近十年来，在国际水资源和农业水资源管理领域出现了一场观念的变革，这一变革包含了一系列新的观点、理念、概念和方法。其核心内容涵盖了：蓝水和绿水4,5,6；水资源收支解析7,8,9；真实节水10,11,12,13；净灌溉效率和有效灌溉效率10,13,14；水分生产力15,16；虚拟水流动和贸易17,18。这些观念和方法形成了一个相互关联而统一的有机整体，从新的视角分析、解读农业用水和农业水资源管理，以及和其他用水部门的关系。在更大的空间尺度进行农业用水及管理的分析，为实现粮食平安、水资源平安、生态环境平安的多目标的水资源综合利用与开展提供了有力的分析工具。综合上述新的观念，本文提出了农业用水分析的新框架图 1。首先，从蓝水和绿水的概念出发，建立了广义农业水资源的概念，它由两个分量组成，即农业蓝水资源和农业绿水资源。建立在广义农业水资源概念上的农田尺度的水平衡分析对于理解农田尺度水分转化和利用具有重要意义。在水平衡分析的根底上，着重分析农田耗水，即农作物经济产量形成所实际消耗的水量，也即农作物全生育期的实际蒸散量。农作物实际蒸散量一局部是来源于灌溉“蓝水的耗水量，另外一局部来源于有效降水“绿水的耗水量。两个分量的总和即为形成农作物经济产量的总耗水量。在确定了总耗水量后，农作物的水分生产力农作物经济产量除以总耗水量便可确定。之后，从农田尺度上升到灌区和流域尺度，需要对灌区或流域内上下游的水文循环、农田用水、农作物水分生产力进行综合分析。主要研究灌区和流域内上下游之间的农田用水和农作物水分生产力之间的关系，从而确定区域内灌区、流域真实节水的潜力，由此为部门间水资源的合理和优化分配建立理论和实践根底。同时，可以确定区域内农作物生产所蕴含的虚拟水的含量，为进一步研究区域间虚拟水流动和贸易，优化水资源限制条件下的区域农作物生产格局和农作物种植制度提供科学保障和政策支持。灌溉引水量（蓝水）广义农业水资源耕地有效降水量（绿水量）田间尺度蓝水和绿水平衡分析灌溉蓝水耗水率灌溉绿水耗水率来源于灌溉蓝水的作物实际蒸散量来源于有效降水绿水的作物实际蒸散量作物实际蒸散总量（来源于蓝水和绿水的总和）提高田间尺度和系统（灌区和流域）尺度作物水分生产力真实节水潜力优化部门间水资源分配作物产量中蕴含的虚拟水量优化在水资源限制条件下的种植制度和种植体系 图 1 中国农业用水综合分析框架 3 广义农业水资源和广义农业水土资源匹配 “蓝水指的是天然降水降落到地球外表形成径流，流入河道、湖泊等天然地表水体以及补充到天然地下水体的水。由于这局部的水资源可以被人类肉眼可见，所以被称之为“蓝水资源。而天然降水中的另外一局部直接降落于各种地表植被覆盖物上，一局部被植被的冠层截留并以蒸发的方式返回大气，另外局部直接降落于土壤外表，其中一局部又以土壤外表蒸发的方式返回大气，而剩余的局部入渗土壤，供应植被生长发育需要，最终以植物蒸腾的方式返回大气。以土面蒸发和植物蒸腾方式返回大气的局部总称为植物的蒸散发。而土壤中储存的有效水由于其主要功能是供应植物生长发育的蒸散发需要，所以被称之为“绿水。由于土壤中的绿水是以有效水的形式储存起来的，因此被称之为“绿水库。而被植物蒸散发的局部就被称之为“绿水流。以上的简要分析说明，“蓝水和“绿水对包括农作物在内的绿色植物的生长、发育和生物量以及经济产量的形成具有重要的作用，因此在评价农作物可利用的水量时要将“绿水考虑在内。因此，农业水资源不仅包括灌溉“蓝水，还应包括土壤“绿水。基于以上原理，提出了农业广义水资源的概念。农业广义水资源是指农作物生长发育可以潜在利用的土壤“绿水和灌溉“蓝水资源的总和。2007 年全国降水量108 m3，耕地面积103 hm2。天然降水被耕地截流的有效降水量是108 m3，而耕地灌溉量是108 m3，即耕地可利用的蓝水量。两者相加即广义农业水资源量，为108 m3。在广义农业水资源量中，来源于耕地有效降水“绿水的比例 57.0%，而来源于耕地灌溉“蓝水的比例是 43.0%。证明了农业生产潜在可利用的水量中，“绿水所占有的重要地位。水土资源匹配是指单位耕地面积所享有的水资源量。但是，传统的水土资源匹配计算时的水资源量是指“蓝水资源。这个指标的缺点是：用总的“蓝水资源，即水资源公报中所报告的水资源总量和耕地面积匹配，而这局部水资源中只有其中一局部可以被农业利用。为了更确切地定量分析农业可以潜在利用的水量和耕地数量的匹配，本文从广义农业水资源出发计算了农业广义水土资源匹配。表 1 2007 年各省水土资源匹配程度 Table 2 The matchness between water resources and cropland at regional and national level of China 地区 耕地比例/%水资源总量比例/%耕地灌溉水资源比例/%广义农业水资源比例/%水资源总量与耕地匹配/(m3hm-2)耕地灌溉水量与耕地匹配/(m3hm-2)广义农业水资源与耕地匹配/(m3 hm-2)全国 100 100 100 100 20752 2670 6213 华北 4183 1726 5006 东北 5124 1685 4341 东南 29896 4249 9052 西南 51364 2084 6217 西北 14834 4126 6123 分区结果说明：现状情形下，粮食主产区华北的耕地面积占全国的 27.63%，而水资源量只占全国的 5.57%，从这个角度看，水土资源严重不匹配。但是如果从灌溉水水土匹配衡量，华北地区灌溉水占全国的 17.85%。从广义农业水资源衡量，华北占全国的 22.26%，接近耕地占全国的比例。因此，华北地区的农业生产的水土资源匹配程度的矛盾不是十分突出，该区粮食高产的水资源是有根本保障的。同样，从水资源量角度衡量，东北地区也是水土资源严重不匹配的地区，用占全国 4.35%的水资源量支撑了占全国 17.63%的耕地。但是，灌溉水土资源和农业广义水资与资源匹配的结果却是：用占全国 11.13%灌溉水和 12.32%的农业广义水资源，支撑了占全国 17.63%的耕地。4 中国粮食作物水分生产力变化1998-2007 年 表 2 1998-2007年全国主要粮食单产和年际变化率 5 Table 4 China grain yield and crop water productivity and inter-annual changing rate(1998-2007)年份 单产/thm-2 变化率/%水分生产力/(kgm3)变化率/%1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 总体上，粮食本文中，特指小麦、玉米、水稻和大豆四种作物单产和水分生产力呈现正相关关系：粮食单产增加，水分生产力也会提高；单产降低，水分生产力会随之降低。因此，粮食单产是水分生产力提高的主要原因。从真实节水的角度进行衡量，粮食单产和相应的水分生产力的提高意味着在耗水量相同的情况下可以到达更高的产量，由此可以节省更多的水资源。但是，粮食单产和耗水量的相关关系说明：粮食产量的增加意味着耗水量的增加，尤其是在单产处于中等或较高水平的区间。根据对全国主要粮食生产流域的主要粮食作物的计算研究，粮食单产水平和粮食作物的耗水量ET水平呈直线正相关19。我国粮食单产在世界范围内处于中等偏上的水平，在某些粮食主产区，粮食单产水平很高。因此，未来的粮食增产意意味着耗水量的增加。因此，寄希望于绝对提高粮食产量的同时而减少粮食作物耗水量是不切实际的。正确的途径是应该是通过提高粮食作物单产水平来减缓粮食作物耗水量增加的速度。以2005年和2006年为例，粮食单产从 2005 年的 thm-2增长到 2006 年的 thm-2，而水分生产力那么从 0.831 kg m-3提高到 kg m-3，提高了 0.030 kg m-3。2005 年的粮食总产是104 t，耗水 5219.6108 m3，2006年粮食总产104 t，耗水108 m3。如果 2006 年的水分生产力水平维持在 2005 年的水平，那么在2006年总产水平下，耗水量为108 m3。通过提高水分生产力而节省的耗水量是108 m3减去108 m3，108 m3，这也是通过提高作物水分生产效率而节省下来的真实节水量。5 我国粮食作物水分生产力在全球位置 根据国际粮食政策研究所的计算20，全球范围内水分生产力的大致状况如下：1995年，在水稻作物上，中国和一些东南亚国家的水稻生产的单位水分生产力较高，能够到达kg m-3。对于兴旺国家来说，它们的平均水平是 kg m-3。对于其他谷物来说，在南亚、中亚和撒哈拉沙漠以南的中部和北部国家低于 kg m-3，在中国、美国和巴西到达 kg m-3，在西欧国家到达 kg m-3。总体上来说，在其他谷物作物上，兴旺国家的平均水分生产力是 kg m-3，而开展中国家的平均数是 kg m-3。1995 年，中国水稻作物的单位水分生产力是 kg m-3，而其他谷物作物是 kg m-3。从以上的全球大范围水分生产力水平来看，我国总的单位水分生产力在水稻作物上市处于世界较高水平的，在其他谷物作物上，其水分生产力的平均水平已经或到达世界的先进水平，但是在地理分布上差异很大，我国最大的水分生产力水平出现在长江流域和东北的松花江流域和辽河流域。在未来的水分生产力水平的预测中，国际粮食政策研究所的研究报告认为除了水稻的谷物作物，兴旺国家可以到达-1.4kg m-3，开展中国家可以到达 kg m-3，全球平均水平可以到达 kg m-3。根据对于未来水资源消费分析，它们认为未来谷物水分生产力的提高主要取决于农作物产量的提高。本文根据水文模型和统计数据计算的全国水稻作物水分生产力是 0.85 kg m-3，非水稻类禾谷类作物是 1.29 kg m-3，两者均高于国际粮食政策研究所的结论。这主要是由于计算中水分项的差异造成的。从以上国际和国内的水分生产力状况的回忆和探讨中，我们可以看到：中国粮食作物的水分生产潜力已经到达或接近兴旺国家的水平，尤其是水稻的水分生产力在全世界范围内处于比拟高的水平。而对于除了水稻以外的其他谷物来说，虽然存在着不同作物和不同流域之间较大的差异性，我国的平均水平也已接近世界较高的水平。所以，今后我国提高作物水分生产力的关键就在于作物品种的改进和在各个空间尺度上的作物和资源综合管理水平的提高，从而尽可能地提高作物产量水平。6 结语 通过以上的探讨，我们可以得到以下几点主要结论：11998-2007 年，全国平均降水量呈小幅下降的趋势，水资源总量相应地也呈下降趋势，下降的幅度要大于降水总量的下降幅度。根据“蓝水和“绿水的观点，天然降水是一切“蓝水和“绿水资源的总来源。虽然 10 年来我国降水总量和水资源量均有所减少，但是如果从长时间系列考察，这种减少应该属于正常的气候波动范围，所以，对于农业用水来源的影响不大。2从农业水土资源匹配角度看，我国地区间差异较大。传统上的水土资源匹配主要计算水资源总量和灌溉量和耕地面积的匹配，本文那么从蓝水和绿水的角度出发，定义了广义农业水资源的概念，并用它和耕地面积计算了广义农业水土资源匹配。分区计算结果说明，传统上认为水土资源匹配较差、缺口较大的地区实际上的水土资源缺口没有原来认为的大。最显著的是华北地区，原来被认为用占全国 5.57%的水资源支撑了占全国 27.62%的耕地面积。而新的计算说明，华北实际上是用占全国 22.26%的广义农业水资源支持了占全国 27.62%的耕地面积。3粮食水分生产力的提高在很大程度上取决于粮食单产水平的提高。指出粮食产量的提高必定意味着粮食耗水量的增加。而通过提高作物的水分生产力水平，可以减缓和减少随产量增加的耗水量增加的幅度和绝对数量。4与世界主要农业生产国家的跨国比拟说明，我国天然降水根本满足农业水资源的需求，且主要农作物的水分生产力在比拟国家和世界范围内均处于较高水平。因此未来我国提高农作物水分生产力水平的任务是十分艰巨的。5 由于通过工程手段到达真正节水已经到达或接近在目前技术水平下的极限，因此，通过农艺措施节水将是我国今后一个相当长时期在种植业节水方面的战略选择，这对于确保我国的粮食平安和水资源平安也具有重要意义。6农艺措施节水的关键在于提高粮食作物的单位水分生产力。这需要在作物、田间、区域乃至国家尺度上进行综合措施水平的协调和提高。在不同的空间尺度上所考虑和关注的重点不一样，如在作物水平可以通过育种来提高作物的水分利用效率，在田间水平可以通过田间管理措施的加强，而在区域水平可以通过种植业结构调整、“虚拟水贸易的方式来提高整体的水分生产力。今后的研究需要从这几个方面进一步深入。