农业用水新框架和中国粮食作物水分生产力

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：粮食安全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安全的重要因素。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：我国未来粮食安全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；粮食安全；水资源安全1中国水资源和粮食安全基本概况中国粮食安全和水资源短缺问题的相互关系中国的粮食安全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（NationalIntelligenceCouncil）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（InternationalInstituteforAppliedSystemAnalysis）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。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%，而水资源量则减少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3766.3×108m3减少到2007年的3598.5×108m3。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。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，为实现粮食安全、水资源安全、生态环境安全的多目标的水资源综合利用与发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。在水平衡分析的基础上，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部分是来源于灌溉“蓝水”的耗水量，另外一部分来源于有效降水“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基础。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。图1中国农业用水综合分析框架岗广义达农业咱水资胶源和寄广义们农业们水土均资源址匹配老“洋蓝水相”奴指的对是天跑然降尸水降栏落到福地球倚表面饼形成蚊径流聚，流仁入河花道、葵湖泊歇等天共然地忽表水歼体以快及补怕充到钓天然起地下茧水体图的水幕。由洋于这良部分量的水佩资源跨可以外被人描类肉旋眼可删见，乡所以展被称弓之为隐“剖蓝水欠”肚资源勿。而跪天然鼠降水朋中的侮另外习一部盆分直戏接降意落于孩各种鸣地表方植被蓄覆盖智物上贵，一棍部分西被植怠被的涨冠层勉截留争并以祥蒸发忽的方缸式返局回大恼气，围另外没部分卡直接开降落凳于土眠壤表码面，岛其中色一部仓分又豆以土顺壤表房面蒸设发的帽方式劈返回仍大气坐，而哥剩余激的部亩分入疮渗土驱壤，梁供给午植被雀生长呈发育饲需要扁，最把终以锹植物巩蒸腾愁的方榴式返坏回大驳气。危以土漂面蒸街发和增植物贝蒸腾夹方式择返回棕大气浊的部兆分总伸称为漠植物慎的蒸您散发腿。而表土壤租中储污存的标有效查水由紧于其串主要靠功能绸是供说给植爬物生怖长发待育的湿蒸散提发需袖要，预所以他被称晚之为萝“端绿水株”好。由合于土痒壤中赞的绿障水是耀以有嚼效水耍的形雄式储搁存起蝶来的够，因隆此被腾称之陡为烈“陈绿水卫库槐”愚。而炕被植吗物蒸纤散发睛的部附分就萄被称炼之为行“欲绿水基流难”验。以倍上的灭简要律分析商表明氏，绳“笔蓝水辽”渣和舟“桶绿水桐”灶对包短括农送作物诊在内港的绿单色植棒物的采生长刮、发贺育和悔生物眯量以殿及经森济产率量的施形成议具有尊重要逢的作钞用，昌因此吴在评津价农判作物守可利乳用的爆水量另时要育将村“参绿水书”塌考虑永在内浴。因爪此，走农业症水资躁源不易仅包壮括灌瓦溉弊“优蓝水固”菠，还吉应包介括土絮壤己“奇绿水位”严。基费于以菠上原演理，填提出粗了农竭业广羡义水颈资源蝶的概定念。忧农业笨广义女水资净源是不指农就作物根生长恒发育荡可以乎潜在献利用手的土风壤妄“狐绿水扎”扩和灌找溉逮“斤蓝水傅”施资源吐的总目和。炭迫帮20岗07贡年全洁国降桶水量狠57诊76龙3.惜0蔬×丹10足8娘m滴3伙，耕帮地面凑积共12兴17神00瞧.1撒×葱10灯3勤h哪m电2子。天世然降扣水被循耕地棵截流池的有樱效降屡水量刻是抚32纸49碰.5卧×意10无8天m脆3璃，而百耕地窝灌溉禽量是则32取49盟.5词×改10剧8抬m辛3酒，即降耕地遍可利艳用的摸蓝水农量。匆两者搜相加恭即广黎义农径业水奖资源绳量，责为搭75贼61弦.1拜×扮10现8芹m细3乘。在盛广义氏农业竭水资远源量行中，触来源闸于耕渐地有盏效降皆水钳“移绿水赞”榨的比宏例粪57召.0述%吩，而允来源音于耕湿地灌遥溉随“咏蓝水便”塔的比副例是今43歼.0遇%躲。证知明了炊农业婶生产搞潜在堆可利妨用的春水量井中，效“响绿水批”河所占疯有的难重要你地位例。简水土度资源胞匹配磨是指独单位前耕地货面积尊所享违有的搜水资踏源量袭。但揭是，泪传统潮的水嘱土资略源匹进配计紧算时晃的水们资源咱量是泛指降“盏蓝水顶”逮资源撤。这载个指朵标的定缺点近是：舍用总圆的棍“客蓝水饥”烂资源子，即赴水资樱源公踢报中咐所报撞告的毛水资屑源总主量和拦耕地薯面积拔匹配阶，而犬这部色分水雕资源烟中只谊有其双中一缺部分脉可以前被农潮业利坡用。厨为了振更确偶切地颤定量供分析龄农业麻可以寨潜在言利用辟的水豆量和握耕地莲数量粒的匹网配，软本文内从广北义农缎业水悉资源饭出发畅计算粒了农夸业广作义水宿土资趴源匹度配。敌表宁1敬2振00元7梁年各支省水敌土资墙源匹监配程反度末Ta摩bl蚊e榨2进Th胖e嫩ma制tc乓hn堂es推s木be膝tw苗ee尼n奋wa较te燥r惰re撕so坛ur捷ce致s据an土d凶cr毙op博la遭nd速a稍t严re捏gi着on箱al羞a纯nd描n游at的io逝na师l舒le锐ve裙l叔of感C遣hi家na脂地区祖耕地钥比例环/%型水资矿源总位量比候例嫌/%够耕地闲灌溉盒水资篇源比汇例顾/%常广义树农业招水资耐源比予例先/%久水资扶源总疾量与肾耕地恋匹配业/(拉m烈3思·祝hm博-2答)灵耕地派灌溉词水量休与耕左地匹蓝配订/(罗m糕3单·兔hm恢-2磨)扑广义蜜农业扁水资筒源与涌耕地汪匹配士/(翼m贱3虏·械hm乐-2优)奉全国州10评0兄10累0痰10影0混10醋0惊20杰75渐2立26目70晕62免13胶华北丸27尝.6烫2经5.产57弃17采.8严5进22兼.2碰6拍41盒83屡17盒26蔽50咸06勿东北罗17陵.6绩3枣4.右35怕11欧.1资3晌12国.3些2微51法24授16猫85乓43厅41石东南嗓23简.7膊5妹34喉.1打6掏37纯.7抓3乡34刷.5苍5似29快89秒6独42勾49谷90魄52株西南滑19佳.1过8不47跟.4王4蛋14威.9堵6评19仁.1虹8洒51煮36顽4伞20区84龄62梦17旗西北瞎11瓦.8携6糠8.母48纵18槐.3苹3均11溉.6连9捆14隆83逮4柔41凳26鹊61乌23倾分区谋结果活表明抛：现荷状情光形下机，踪粮食美主产锋区华跟北的逗耕地脑面积趣占全迁国的差27湾.6泄3%悄，而葛水资峰源量响只占坦全国酿的蝇5.姨57鸣%其，叶从这扛个角线度看旗，水守土资板源严沿重不酷匹配蛇。绑但是南如果厚从灌悉溉水伐水土喉匹配己衡量宾，华丧北地神区灌续溉水丧占全念国的射17乞.8剑5%业。昼从广厅义农陵业水吴资源董衡量冈，华钱北占塌全国纠的招22脾.2恼6%魄，接庄近耕啄地占重全国缠的比柏例。怪因此血，华携北地迁区的脉农业覆生产份的水虚土资配源匹糊配闯程度阳的矛挖盾不钉是十星分突纠出饶，该圣区粮性食高值产的卫水资雾源是颂有基荷本青保障纹的山。同腊样，化从水夸资源够量角闻度衡真量，古东北住地区燃也是那水土示资源尘严重叨不匹蓬配的量地区谨，求用占绍全国驶4.疾35道%帖的水额资源纽量支春撑了也占全矩国逆17桑.6曲3%欠的耕抛地。涝但是帅，灌夫溉水顺土资秋源和羽农业值广义胸水资另与资叫源匹惰配的四结果蛮却是陡：用线占全必国扁1祝1.搅13胳%派灌溉僵水另和屡12恰.3胸2%疑的农迈业广坏义水乔资源转，支奥撑了弃占全腹国菠17哀.6潜3%卧的耕草地川。押中国梯粮食清作物宗水分覆生产闸力变久化（阻19追98挨-2起00像7批年）妇表老2较1臭99引8-鸭20悬07研年全绵国米主要船粮食月单产铸和年播际变姨化率正Ta榴bl倾e膛4狐Ch坟in第a尺g仿ra药in压y明ie圈ld飞a闯nd鹅c闭ro嫁p影wa贸te沟r胜pr伟od翼uc软ti便vi洒ty述a充nd炒i约nt出er匠-a危nn疲ua祖l吐ch均an范gi童ng失r愈at忽e概(1艳99贫8-晨20餐07折)兴年份荡单产机/兴（麦t昼·敢hm深-2斯）锤变化列率隐/售%神水分巨生产第力宝/(句kg猜·范m尺3傲)裳变化坊率秆/伙%闷19体98警4.洋82篮0.醒88童7逃19纺99宇4.印84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