农业用水分析新框架和中国粮食作物水分生产力fhzy.docx

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1、农业用水水分析新新框架和和中国粮粮食作物物水分生生产力李保国，黄峰（中国农农业大学学资源和和环境学学院、农农业部土土壤和水水重点开开放实验验室，北北京 11001193）摘要：粮粮食安全全和水资资源短缺缺是一个个互为因因果的关关系。农农业用水水在我国国农业用用水结构构中占很很大的比比例，因因此提高高农业水水分生产产力是实实现节水水种植和和粮食安安全的重重要因素素。本文文应用国国际上近近年来农农业水资资源利用用和管理理领域的的观念变变革，提提出了广广义农业业水资源源的概念念分析了了全国广广义农业业水土资资源匹配配。同时时，计算算并分析析了全国国主要粮粮食作物物水分利利用率的的变化趋趋势。指指出在

2、工工程节水水措施的的真正节节水潜力力已经接接近极限限的情况况下，在在不同空空间尺度度上的农农艺节水水措施将将发挥巨巨大的作作用。结结合国内内外相关关研究成成果得出出结论：我国未未来粮食食安全主主要应通通过提高高粮食水水分生产产力来实实现。关键词：蓝水；绿水；作物水水分生产产力；粮粮食安全全；水资资源安全全1 中国国水资源源和粮食食安全基基本概况况1.1 中国粮食食安全和和水资源源短缺问问题的相相互关系系中国的粮粮食安全全问题成成为国内内外普遍遍关心的的问题， 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（Nati

3、onal 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？-中国粮食安全和水资源研究项目认为：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安全的研究中，研究者都一致强调中国水资源短缺是威胁中国粮食安全最为重要的问题。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安全；另一方面，粮食生

4、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，解决粮食安全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 中国农业业用水和和粮食水水分生产产力现状状19988-20007年年的十年年间，110年间间，我国国平均水水资源总总量呈下下降趋势势，其中中20004年为为最低点点，与降降水量的的变化趋趋势吻合合。但是是水资源源总量下下降幅度度要大于于降水总总量的下下降幅度度。如220077年降水水总量比比10年平平均值减减少4.06%，而水水资源总总量比110年平平均值减减少8.25%；20007年降降水

5、总量量比20006年年降水总总量，减减少0.13%，而水水资源量量则减少少0.330%。降水总量量和水资资源总量量的变化化趋势将将影响农农业用水水。农业业用水量量10年间间一直呈呈小幅下下降趋势势。全国国农业用用水总量量从19998年年的37766.3108 m3减少到到20007年的的35998.55108 m3。但是是农业部部门用水水量占总总用水量量的比例例下降幅幅度较大大，从119988年的699.3%下降到到20007年的的61.8%，下下降了77.5%。20007年农农业用水水量比110年平平均值减减少了22.388%。而而20007年全全国总用用水量比比10年平平均增加加了4.42

6、%。说明明了在总总用水量量增加的的情况下下，农业业用水无无论是从从绝对数数量还是是比重都都在下降降。2 中国农业业用水分分析新框框架过去，对对我国农农业用水水分析主主要集中中于灌溉溉用水。近近十年来来，在国国际水资资源和农农业水资资源管理理领域出出现了一一场观念念的变革革，这一一变革包包含了一一系列新新的观点点、理念念、概念念和方法。其其核心内内容涵盖盖了：蓝蓝水和绿绿水4,5,6；水资资源收支支解析7,8,9；真实实节水10,11,12,13；净灌灌溉效率率和有效效灌溉效效率10,13,114；水分分生产力力15,16；虚拟拟水流动动和贸易易17,18。这些些观念和和方法形成成了一个个相互关

7、关联而统统一的有有机整体体，从新新的视角角分析、解解读农业业用水和和农业水水资源管管理，以以及和其其他用水水部门的的关系。在在更大的的空间尺尺度进行行农业用用水及管管理的分分析，为为实现粮粮食安全全、水资资源安全全、生态态环境安安全的多多目标的的水资源源综合利利用与发发展提供供了有力力的分析析工具。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，从从蓝水和和绿水的的概念出出发，建建立了广广义农业业水资源源的概念念，它由由两个分分量组成成，即农农业蓝水水资源和和农业绿绿水资源源。建立立在广义义农业水水资源概概念上的的农田尺尺度的水水平衡分分析对于于理解农农田尺度度水分转转化和利利

8、用具有有重要意意义。在在水平衡衡分析的的基础上上，着重重分析农农田耗水水，即农农作物经经济产量量形成所所实际消消耗的水水量，也也即农作作物全生生育期的的实际蒸蒸散量。农农作物实实际蒸散散量一部部分是来来源于灌灌溉“蓝水”的耗水水量，另另外一部部分来源源于有效效降水“绿水”的耗水水量。两两个分量量的总和和即为形形成农作作物经济济产量的的总耗水水量。在在确定了了总耗水水量后，农农作物的的水分生生产力（农农作物经经济产量量除以总总耗水量量）便可可确定。之之后，从从农田尺尺度上升升到灌区区和流域域尺度，需需要对灌灌区或流流域内上上下游的的水文循循环、农农田用水水、农作作物水分分生产力力进行综综合分析析

9、。主要要研究灌灌区和流流域内上上下游之之间的农农田用水水和农作作物水分分生产力力之间的的关系，从从而确定定区域内内（灌区区、流域域）真实实节水的的潜力，由由此为部部门间水水资源的的合理和和优化分分配建立立理论和和实践基基础。同同时，可可以确定定区域内内农作物物生产所所蕴含的的虚拟水水的含量量，为进进一步研研究区域域间虚拟拟水流动动和贸易易，优化化水资源源限制条条件下的的区域农农作物生生产格局局和农作作物种植植制度提提供科学学保障和和政策支支持。图1 中中国农业业用水综综合分析析框架3 广义农业业水资源源和广义义农业水水土资源源匹配“蓝水”指的是是天然降降水降落落到地球球表面形形成径流流，流入入

10、河道、湖湖泊等天天然地表表水体以以及补充充到天然然地下水水体的水水。由于于这部分分的水资资源可以以被人类类肉眼可可见，所所以被称称之为“蓝水”资源。而而天然降降水中的的另外一一部分直直接降落落于各种种地表植植被覆盖盖物上，一一部分被被植被的的冠层截截留并以以蒸发的的方式返返回大气气，另外外部分直直接降落落于土壤壤表面，其其中一部部分又以以土壤表表面蒸发发的方式式返回大大气，而而剩余的的部分入入渗土壤壤，供给给植被生生长发育育需要，最最终以植植物蒸腾腾的方式式返回大大气。以以土面蒸蒸发和植植物蒸腾腾方式返返回大气气的部分分总称为为植物的的蒸散发发。而土土壤中储储存的有有效水由由于其主主要功能能是

11、供给给植物生生长发育育的蒸散散发需要要，所以以被称之之为“绿水”。由于于土壤中中的绿水水是以有有效水的的形式储储存起来来的，因因此被称称之为“绿水库库”。而被被植物蒸蒸散发的的部分就就被称之之为“绿水流流”。以上上的简要要分析表表明，“蓝水”和“绿水”对包括括农作物物在内的的绿色植植物的生生长、发发育和生生物量以以及经济济产量的的形成具具有重要要的作用用，因此此在评价价农作物物可利用用的水量量时要将将“绿水”考虑在在内。因因此，农农业水资资源不仅仅包括灌灌溉“蓝水”，还应应包括土土壤“绿水”。基于于以上原原理，提提出了农农业广义义水资源源的概念念。农业业广义水水资源是是指农作作物生长长发育可可

12、以潜在在利用的的土壤“绿水”和灌溉溉“蓝水”资源的的总和。 20007年全全国降水水量5777633.0108 m3，耕地地面积11217700.1103 hmm2。天然然降水被被耕地截截流的有有效降水水量是332499.5108 m3，而耕耕地灌溉溉量是332499.5108 m3，即耕耕地可利利用的蓝蓝水量。两两者相加加即广义义农业水水资源量量，为775611.1108 m3。在广广义农业业水资源源量中，来来源于耕耕地有效效降水“绿水”的比例例57.0%，而而来源于于耕地灌灌溉“蓝水”的比例例是433.0%。证明明了农业业生产潜潜在可利利用的水水量中，“绿水”所占有的重要地位。水土资源源匹

13、配是是指单位位耕地面面积所享享有的水水资源量量。但是是，传统统的水土土资源匹匹配计算算时的水水资源量量是指“蓝水”资源。这这个指标标的缺点点是：用用总的“蓝水”资源，即即水资源源公报中中所报告告的水资资源总量量和耕地地面积匹匹配，而而这部分分水资源源中只有有其中一一部分可可以被农农业利用用。为了了更确切切地定量量分析农农业可以以潜在利利用的水水量和耕耕地数量量的匹配配，本文文从广义义农业水水资源出出发计算算了农业业广义水水土资源源匹配。表1 220077年各省省水土资资源匹配配程度Tablle 22 Thhe mmatcchneess bettweeen wwateer rresoourcce

14、s andd crropllandd att reegioonall annd nnatiionaal lleveel oof CChinna地区耕地比例例/%水资源总总量比例例/%耕地灌溉溉水资源源比例/%广义农业业水资源源比例/%水资源总总量与耕耕地匹配配/(mm3hm-22)耕地灌溉溉水量与与耕地匹匹配/(m3hm-22)广义农业业水资源源与耕地地匹配/(m33hm-22)全国1001001001002075522670062133华北27.6625.57717.88522.226418331726650066东北17.6634.35511.11312.33251244168554341

15、1东南23.77534.11637.77334.5552989964249990522西南19.11847.44414.99619.1185136642084462177西北11.8868.48818.33311.6691483344126661233分区结果果表明：现状情情形下，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

16、高产的水资源是有基本保障的。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 中国粮食食作物水水分生产产力变化化（19998-20007年）表2 119988-20007年年全国主主要粮食食单产和和年际变变化率5 Tablle 44 Chhinaa grrainn yiieldd annd ccropp waaterr prroduuctiivitty aand intter

17、-annnuall chhanggingg raate (19998-20007)年份单产/（thm-22）变化率/%水分生产产力/(kgm3)变化率/%199884.8220.8887199994.8440.3660.90062.133200004.600-4.9980.8339-7.440200114.6110.2990.8227-1.440200224.7112.2110.82270.000200334.622-1.9930.82290.233200444.9226.5660.88806.088200554.777-3.0090.8331-5.556200665.0776.1990.86

18、613.655200775.000-1.4410.86630.166总体上，粮粮食（本文中中，特指指小麦、玉玉米、水水稻和大大豆四种种作物）单产和和水分生生产力呈呈现正相相关关系系：粮食食单产增增加，水水分生产产力也会会提高；单产降降低，水水分生产产力会随随之降低低。因此此，粮食食单产是是水分生生产力提提高的主主要原因因。从真真实节水水的角度度进行衡衡量，粮粮食单产产和相应应的水分分生产力力的提高高意味着着在耗水水量相同同的情况况下可以以达到更更高的产产量，由由此可以以节省更更多的水水资源。但但是，粮粮食单产产和耗水水量的相相关关系系表明：粮食产产量的增增加意味味着耗水水量的增增加，尤尤其是在

19、在单产处处于中等等或较高高水平的的区间。根据对全全国主要要粮食生生产流域域的主要要粮食作作物的计计算研究究，粮食食单产水水平和粮粮食作物物的耗水水量（ET）水水平呈直直线正相相关119。我国国粮食单单产在世世界范围围内处于于中等偏偏上的水水平，在在某些粮粮食主产产区，粮粮食单产产水平很很高。因因此，未未来的粮粮食增产产意意味味着耗水水量的增增加。因因此，寄寄希望于于绝对提提高粮食食产量的的同时而而减少粮粮食作物物耗水量量是不切切实际的的。正确确的途径径是应该该是通过过提高粮粮食作物物单产水水平来减减缓粮食食作物耗水水量增加加的速度度。以220055年和20006年年为例，粮粮食单产产从2000

20、5年年的4.77 thhm-22增长到到20006年的的5.007 tthmm-2，而而水分生生产力则则从0.8311 kgg m-33提高到到0.8861kkg mm-3，提提高了00.030kgg m-33。20005年的的粮食总总产是4433775.22104 t，耗耗水52199.6108m3，20006年粮粮食总产产448848.7104 t，耗耗水52208.9108m3。如果果20006年的的水分生生产力水水平维持持在20005年年的水平平，则在在20006年总总产水平平下，耗耗水量为为53997.00108m3。通过过提高水水分生产产力而节节省的耗耗水量是是53997.0010

21、8m3减去52208.9108m3，1888.0108m3，这也也是通过过提高作作物水分分生产效效率而节节省下来来的真实节节水量。5我国粮粮食作物物水分生生产力在在全球位位置根据国际际粮食政政策研究究所的计计算220，全球范范围内水水分生产产力的大大致状况况如下：19995年，在在水稻作作物上，中中国和一一些东南南亚国家家的水稻稻生产的的单位水水分生产产力较高高，能够够达到00.4-0.66kg mm-3。对对于发达达国家来来说，它它们的平平均水平平是0.47kkg mm-3。对对于其他他谷物来来说，在在南亚、中中亚和撒撒哈拉沙沙漠以南南的中部部和北部部国家低低于0.4kgg m-33，在中中

22、国、美美国和巴巴西达到到1.00-1.7kgg m-33，在西西欧国家家达到11.7-2.44kg mm-3。总总体上来来说，在在其他谷谷物作物物上，发发达国家家的平均均水分生生产力是是1.00kg mm-3，而而发展中中国家的的平均数数是0.56kkg mm-3。19955年，中中国水稻稻作物的的单位水水分生产产力是00.4-0.66kg mm-3，而而其他谷谷物作物物是0.4-11.4kkg mm-3。从从以上的的全球大大范围水水分生产产力水平平来看，我我国总的的单位水水分生产产力在水水稻作物物上市处处于世界界较高水水平的，在在其他谷谷物作物物上，其其水分生生产力的的平均水水平已经经或达到

23、到世界的的先进水水平，但但是在地地理分布布上差异异很大，我我国最大大的水分分生产力力水平出出现在长长江流域域和东北北的松花花江流域域和辽河河流域。在未来的的水分生生产力水水平的预预测中，国国际粮食食政策研研究所的的研究报报告认为为除了水水稻的谷谷物作物物，发达达国家可可以达到到1.00-1.4kg mm-3，发发展中国国家可以以达到00.6-1.00kg mm-3，全全球平均均水平可可以达到到0.77-1.1kgg m-33。根据据对于未未来水资资源消费费分析，它它们认为为未来谷谷物水分分生产力力的提高高主要取取决于农农作物产产量的提提高。本文根据据水文模模型和统统计数据据计算的的全国水水稻作

24、物物水分生生产力是是0.885 kkg mm-3，非非水稻类类禾谷类类作物是是1.229 kkg mm-3，两两者均高高于国际际粮食政政策研究究所的结结论。这这主要是是由于计计算中水水分项的的差异造造成的。从以上国国际和国国内的水水分生产产力状况况的回顾顾和探讨讨中，我我们可以以看到：中国粮粮食作物物的水分分生产潜潜力已经经达到或或接近发发达国家家的水平平，尤其其是水稻稻的水分分生产力力在全世世界范围围内处于于比较高高的水平平。而对对于除了了水稻以以外的其其他谷物物来说，虽虽然存在在着不同同作物和和不同流流域之间间较大的的差异性性，我国国的平均均水平也也已接近近世界较较高的水水平。所所以，今今

25、后我国国提高作作物水分分生产力力的关键键就在于于作物品品种的改改良和在在各个空空间尺度度上的作作物和资资源综合合管理水水平的提提高，从从而尽可可能地提提高作物物产量水水平。6 结语通过以上上的探讨讨，我们们可以得得到以下下几点主主要结论论：（1）119988-20007年年，全国国平均降降水量呈呈小幅下下降的趋趋势，水水资源总总量相应应地也呈呈下降趋趋势，下下降的幅幅度要大大于降水水总量的的下降幅幅度。根根据“蓝水”和“绿水”的观点点，天然然降水是是一切“蓝水”和“绿水”资源的总总来源。虽虽然100年来我我国降水水总量和和水资源源量均有有所减少少，但是是如果从从长时间间系列考考察，这这种减少少

26、应该属属于正常常的气候候波动范范围，所所以，对对于农业业用水来来源的影影响不大大。（2）从从农业水水土资源源匹配角角度看，我我国地区区间差异异较大。传传统上的的水土资资源匹配配主要计计算水资资源总量量和灌溉溉量和耕耕地面积积的匹配配，本文文则从蓝蓝水和绿绿水的角角度出发发，定义义了广义义农业水水资源的的概念，并并用它和和耕地面面积计算算了广义义农业水水土资源源匹配。分分区计算算结果表表明，传传统上认认为水土土资源匹匹配较差差、缺口口较大的的地区实实际上的的水土资资源缺口口没有原原来认为为的大。最最显著的的是华北北地区，原原来被认认为用占占全国55.577%的水水资源支支撑了占占全国227.66

27、2%的的耕地面面积。而而新的计计算表明明，华北北实际上上是用占占全国222.226%的的广义农农业水资资源支持持了占全全国277.622%的耕耕地面积积。（3）粮粮食水分分生产力力的提高高在很大大程度上上取决于于粮食单单产水平平的提高高。指出出粮食产产量的提提高必定定意味着着粮食耗耗水量的的增加。而而通过提提高作物物的水分分生产力力水平，可可以减缓缓和减少少随产量量增加的的耗水量量增加的的幅度和和绝对数数量。（4）与与世界主主要农业业生产国国家的跨跨国比较较说明，我我国天然然降水基基本满足足农业水水资源的的需求，且且主要农农作物的的水分生生产力在在比较国国家和世世界范围围内均处处于较高高水平。

28、因因此未来来我国提提高农作作物水分分生产力力水平的的任务是是十分艰艰巨的。（5）由由于通过过工程手手段达到到真正节节水已经经达到或或接近在在目前技技术水平平下的极极限，因因此，通通过农艺艺措施节节水将是是我国今今后一个个相当长长时期在在种植业业节水方方面的战战略选择择，这对对于确保保我国的的粮食安安全和水水资源安安全也具具有重要要意义。（6）农农艺措施施节水的的关键在在于提高高粮食作作物的单单位水分分生产力力。这需需要在作作物、田田间、区区域乃至至国家尺尺度上进进行综合合措施水水平的协协调和提提高。在在不同的的空间尺尺度上所所考虑和和关注的的重点不不一样，如如在作物物水平可可以通过过育种来来提高作作物的水水分利用用效率，在在田间水水平可以以通过田田间管理理措施的的加强，而而在区域域水平可可以通过过种植业业结构调调整、“虚拟水水贸易”的方式式来提高高整体的的水分生生产力。今今后的研研究需要要从这几几个方面面进一步步深入。