農(nóng)業(yè)用水分析新框架和中國(guó)糧食作物水分生產(chǎn)力

農(nóng)業(yè)用水分析新框架和中國(guó)糧食作物水分生產(chǎn)力李保國(guó)，黃峰（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源和環(huán)境學(xué)院、農(nóng)業(yè)部土壤和水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京100193）摘要：糧食安全和水資源短缺是一個(gè)互為因果的關(guān)系。農(nóng)業(yè)用水在我國(guó)農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)中占專門大的比例，因此提升農(nóng)業(yè)水分生產(chǎn)力是實(shí)現(xiàn)節(jié)水種植和糧食安全的重要因素。本文應(yīng)用國(guó)際上近年來(lái)農(nóng)業(yè)水資源利用和治理領(lǐng)域的觀念變革，提出了廣義農(nóng)業(yè)水資源的概念分析了全國(guó)廣義農(nóng)業(yè)水土資源匹配。同時(shí)，運(yùn)算并分析了全國(guó)要緊糧食作物水分利用率的變化趨勢(shì)。指出在工程節(jié)水措施的真正節(jié)水潛力差不多接近極限的情形下，在不同空間尺度上的農(nóng)藝節(jié)水措施將發(fā)揮龐大的作用。結(jié)合國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究成果得出結(jié)論：我國(guó)以后糧食安全要緊應(yīng)通過(guò)提升糧食水分生產(chǎn)力來(lái)實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：藍(lán)水；綠水；作物水分生產(chǎn)力；糧食安全；水資源安全1中國(guó)水資源和糧食安全差不多概況中國(guó)糧食安全和水資源短缺咨詢題的相互關(guān)系中國(guó)農(nóng)業(yè)用水和糧食水分生產(chǎn)力現(xiàn)狀1998-2007年的十年間，10年間，我國(guó)平均水資源總量呈下降趨勢(shì)，其中2004年為最低點(diǎn)，與降水量的變化趨勢(shì)吻合。然而水資源總量下降幅度要大于降水總量的下降幅度。如2007年降水總量比10年平均值減少4.06%，而水資源總量比10年平均值減少8.25%；2007年降水總量比2006年降水總量，減少0.13%，而水資源量則減少0.30%。降水總量和水資源總量的變化趨勢(shì)將阻礙農(nóng)業(yè)用水。農(nóng)業(yè)用水量10年間一直呈小幅下降趨勢(shì)。全國(guó)農(nóng)業(yè)用水總量從1998年的3766.3×108m3減少到2007年的3598.5×108m3。然而農(nóng)業(yè)部門用水量占總用水量的比例下降幅度較大，從1998年的69.3%下降到2007年的61.8%，下降了7.5%。2007年農(nóng)業(yè)用水量比10年平均值減少了2.38%。而2007年全國(guó)總用水量比10年平均增加了4.42%。講明了在總用水量增加的情形下，農(nóng)業(yè)用水不管是從絕對(duì)數(shù)量依舊比重都在下降。中國(guó)農(nóng)業(yè)用水分析新框架過(guò)去，對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)用水分析要緊集中于灌溉用水。近十年來(lái)，在國(guó)際水資源和農(nóng)業(yè)水資源治理領(lǐng)域顯現(xiàn)了一場(chǎng)觀念的變革，這一變革包含了一系列新的觀點(diǎn)、理念、概念和方法。其核心內(nèi)容涵蓋了：藍(lán)水和綠水[4,5,6]；水資源收支解析[7,8,9]；真實(shí)節(jié)水[10,11,12,13]；凈灌溉效率和有效灌溉效率[10,13,14]；水分生產(chǎn)力[15,16]；虛擬水流淌和貿(mào)易[17,18]。這些觀念和方法形成了一個(gè)相互關(guān)聯(lián)而統(tǒng)一的有機(jī)整體，從新的視角分析、解讀農(nóng)業(yè)用水和農(nóng)業(yè)水資源治理，以及和其他用水部門的關(guān)系。在更大的空間尺度進(jìn)行農(nóng)業(yè)用水及治理的分析，為實(shí)現(xiàn)糧食安全、水資源安全、生態(tài)環(huán)境安全的多目標(biāo)的水資源綜合利用與進(jìn)展提供了有力的分析工具。綜合上述新的觀念，本文提出了農(nóng)業(yè)用水分析的新框架（圖1）。第一，從藍(lán)水和綠水的概念動(dòng)身，建立了廣義農(nóng)業(yè)水資源的概念，它由兩個(gè)重量組成，即農(nóng)業(yè)藍(lán)水資源和農(nóng)業(yè)綠水資源。建立在廣義農(nóng)業(yè)水資源概念上的農(nóng)田尺度的水平穩(wěn)分析關(guān)于明白得農(nóng)田尺度水分轉(zhuǎn)化和利用具有重要意義。在水平穩(wěn)分析的基礎(chǔ)上，著重分析農(nóng)田耗水，即農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量形成所實(shí)際消耗的水量，也即農(nóng)作物全生育期的實(shí)際蒸散量。農(nóng)作物實(shí)際蒸散量一部分是來(lái)源于灌溉“藍(lán)水”的耗水量，另外一部分來(lái)源于有效降水“綠水”的耗水量。兩個(gè)重量的總和即為形成農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的總耗水量。在確定了總耗水量后，農(nóng)作物的水分生產(chǎn)力（農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量除以總耗水量）便可確定。之后，從農(nóng)田尺度上升到灌區(qū)和流域尺度，需要對(duì)灌區(qū)或流域內(nèi)上下游的水文循環(huán)、農(nóng)田用水、農(nóng)作物水分生產(chǎn)力進(jìn)行綜合分析。要緊研究灌區(qū)和流域內(nèi)上下游之間的農(nóng)田用水和農(nóng)作物水分生產(chǎn)力之間的關(guān)系，從而確定區(qū)域內(nèi)（灌區(qū)、流域）真實(shí)節(jié)水的潛力，由此為部門間水資源的合理和優(yōu)化分配建立理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。同時(shí)，能夠確定區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物生產(chǎn)所包蘊(yùn)的虛擬水的含量，為進(jìn)一步研究區(qū)域間虛擬水流淌和貿(mào)易，優(yōu)化水資源限制條件下的區(qū)域農(nóng)作物生產(chǎn)格局和農(nóng)作物種植制度提供科學(xué)保證和政策支持。圖1中國(guó)農(nóng)業(yè)用水綜合分析框架廣義農(nóng)業(yè)水資源和廣義農(nóng)業(yè)水土資源匹配“藍(lán)水”指的是天然降水降落到地球表面形成徑流，流入河道、湖泊等天然地表水體以及補(bǔ)充到天然地下水體的水。由于這部分的水資源能夠被人類肉眼可見，因此被稱之為“藍(lán)水”資源。而天然降水中的另外一部分直截了當(dāng)降落于各種地表植被覆蓋物上，一部分被植被的冠層截留并以蒸發(fā)的方式返回大氣，另外部分直截了當(dāng)降落于土壤表面，其中一部分又以土壤表面蒸發(fā)的方式返回大氣，而剩余的部分入滲土壤，供給植被生長(zhǎng)發(fā)育需要，最終以植物蒸騰的方式返回大氣。以土面蒸發(fā)和植物蒸騰方式返回大氣的部分總稱為植物的蒸散發(fā)。而土壤中儲(chǔ)存的有效水由于其要緊功能是供給植物生長(zhǎng)發(fā)育的蒸散發(fā)需要，因此被稱之為“綠水”。由于土壤中的綠水是以有效水的形式儲(chǔ)存起來(lái)的，因此被稱之為“綠水庫(kù)”。而被植物蒸散發(fā)的部分就被稱之為“綠水流”。以上的簡(jiǎn)要分析表明，“藍(lán)水”和“綠水”對(duì)包括農(nóng)作物在內(nèi)的綠色植物的生長(zhǎng)、發(fā)育和生物量以及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的形成具有重要的作用，因此在評(píng)判農(nóng)作物可利用的水量時(shí)要將“綠水”考慮在內(nèi)。因此，農(nóng)業(yè)水資源不僅包括灌溉“藍(lán)水”，還應(yīng)包括土壤“綠水”?；谝陨显恚岢隽宿r(nóng)業(yè)廣義水資源的概念。農(nóng)業(yè)廣義水資源是指農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育能夠潛在利用的土壤“綠水”和灌溉“藍(lán)水”資源的總和。2007年全國(guó)降水量57763.0×108m3，耕地面積121700.1×103hm2。天然降水被耕地截流的有效降水量是3249.5×108m3，而耕地灌溉量是3249.5×108m3，即耕地可利用的藍(lán)水量。兩者相加即廣義農(nóng)業(yè)水資源量，為7561.1×108m3。在廣義農(nóng)業(yè)水資源量中，來(lái)源于耕地有效降水“綠水”的比例57.0%，而來(lái)源于耕地灌溉“藍(lán)水”的比例是43.0%。證明了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛在可利用的水量中，“綠水”所占有的重要地位。水土資源匹配是指單位耕地面積所享有的水資源量。然而，傳統(tǒng)的水土資源匹配運(yùn)算時(shí)的水資源量是指“藍(lán)水”資源。那個(gè)指標(biāo)的缺點(diǎn)是：用總的“藍(lán)水”資源，即水資源公報(bào)中所報(bào)告的水資源總量和耕地面積匹配，而這部分水資源中只有其中一部分能夠被農(nóng)業(yè)利用。為了更確切地定量分析農(nóng)業(yè)能夠潛在利用的水量和耕地?cái)?shù)量的匹配，本文從廣義農(nóng)業(yè)水資源動(dòng)身運(yùn)罷了農(nóng)業(yè)廣義水土資源匹配。表12007年各省水土資源匹配程度Table2ThematchnessbetweenwaterresourcesandcroplandatregionalandnationallevelofChina地區(qū)耕地比例/%水資源總量比例/%耕地灌溉水資源比例/%廣義農(nóng)業(yè)水資源比例/%水資源總量與耕地匹配/(m3·hm-2)耕地灌溉水量與耕地匹配/(m3·hm-2)廣義農(nóng)業(yè)水資源與耕地匹配/(m3·hm-2)全國(guó)1001001001002075226706213華北27.625.5717.8522.26418317265006東北17.634.3511.1312.32512416854341東南23.7534.1637.7334.552989642499052西南19.1847.4414.9619.185136420846217西北11.868.4818.3311.691483441266123分區(qū)結(jié)果表明：現(xiàn)狀情形下，糧食主產(chǎn)區(qū)華北的耕地面積占全國(guó)的27.63%，而水資源量只占全國(guó)的5.57%，從那個(gè)角度看，水土資源嚴(yán)峻不匹配。然而如果從灌溉水水土匹配衡量，華北地區(qū)灌溉水占全國(guó)的17.85%。從廣義農(nóng)業(yè)水資源衡量，華北占全國(guó)的22.26%，接近耕地占全國(guó)的比例。因此，華北地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水土資源匹配程度的矛盾不是十分突出，該區(qū)糧食高產(chǎn)的水資源是有差不多保證的。同樣，從水資源量角度衡量，東北地區(qū)也是水土資源嚴(yán)峻不匹配的地區(qū)，用占全國(guó)4.35%的水資源量支撐了占全國(guó)17.63%的耕地。然而，灌溉水土資源和農(nóng)業(yè)廣義水資與資源匹配的結(jié)果卻是：用占全國(guó)11.13%灌溉水和12.32%的農(nóng)業(yè)廣義水資源，支撐了占全國(guó)17.63%的耕地。中國(guó)糧食作物水分生產(chǎn)力變化（1998-2007年）表21998-2007年全國(guó)要緊糧食單產(chǎn)和年際變化率Table4Chinagrainyieldandcropwaterproductivityandinter-annualchangingrate(1998-2007)年份單產(chǎn)/（t·hm-2）變化率/%水分生產(chǎn)力/(kg·m3)變化率/%19984.820.88719994.840.360.9062.1320004.60-4.980.839-7.4020014.610.290.827-1.4020024.712.210.8270.0020034.62-1.930.8290.2320044.926.560.8806.0820054.77-3.090.831-5.5620065.076.190.8613.6520075.00-1.410.8630.16總體上，糧食（本文中，特指小麥、玉米、水稻和大豆四種作物）單產(chǎn)和水分生產(chǎn)力出現(xiàn)正有關(guān)關(guān)系：糧食單產(chǎn)增加，水分生產(chǎn)力也會(huì)提升；單產(chǎn)降低，水分生產(chǎn)力會(huì)隨之降低。因此，糧食單產(chǎn)是水分生產(chǎn)力提升的要緊緣故。從真實(shí)節(jié)水的角度進(jìn)行衡量，糧食單產(chǎn)和相應(yīng)的水分生產(chǎn)力的提升意味著在耗水量相同的情形下能夠達(dá)到更高的產(chǎn)量，由此能夠節(jié)約更多的水資源。然而，糧食單產(chǎn)和耗水量的有關(guān)關(guān)系表明：糧食產(chǎn)量的增加意味著耗水量的增加，專門是在單產(chǎn)處于中等或較高水平的區(qū)間。按照對(duì)全國(guó)要緊糧食生產(chǎn)流域的要緊糧食作物的運(yùn)算研究，糧食單產(chǎn)水平和糧食作物的耗水量（ET）水平呈直線正有關(guān)[19]。我國(guó)糧食單產(chǎn)在世界范疇內(nèi)處于中等偏上的水平，在某些糧食主產(chǎn)區(qū)，糧食單產(chǎn)水平專門高。因此，以后的糧食增產(chǎn)意意味著耗水量的增加。因此，寄期望于絕對(duì)提升糧食產(chǎn)量的同時(shí)而減少糧食作物耗水量是不切實(shí)際的。正確的途徑是應(yīng)該是通過(guò)提升糧食作物單產(chǎn)水平來(lái)減緩糧食作物耗水量增加的速度。以2005年和2006年為例，糧食單產(chǎn)從2005年的4.77t·hm-2增長(zhǎng)到2006年的5.07t·hm-2，而水分生產(chǎn)力則從0.831kgm-3提升到0.861kgm-3，提升了0.030kgm-3。2005年的糧食總產(chǎn)是43375.2×104t，耗水5219.6×108m3，2006年糧食總產(chǎn)44848.7×104t，耗水5208.9×108m3。如果2006年的水分生產(chǎn)力水平堅(jiān)持在2005年的水平，則在2006年總產(chǎn)水平下，耗水量為5397.0×108m3。通過(guò)提升水分生產(chǎn)力而節(jié)約的耗水量是5397.0×108m3減去5208.9×108m3，188.0×108m3，這也是通過(guò)提升作物水分生產(chǎn)效率而節(jié)約下來(lái)的‘真實(shí)節(jié)水量’。5我國(guó)糧食作物水分生產(chǎn)力在全球位置按照國(guó)際糧食政策研究所的運(yùn)算[20]，全球范疇內(nèi)水分生產(chǎn)力的大致狀況如下：1995年，在水稻作物上，中國(guó)和一些東南亞國(guó)家的水稻生產(chǎn)的單位水分生產(chǎn)力較高，能夠達(dá)到0.4-0.6kgm-3。關(guān)于發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)講，它們的平均水平是0.47kgm-3。關(guān)于其他谷物來(lái)講，在南亞、中亞和撒哈拉沙漠以南的中部和北部國(guó)家低于0.4kgm-3，在中國(guó)、美國(guó)和巴西達(dá)到1.0-1.7kgm-3，在西歐國(guó)家達(dá)到1.7-2.4kgm-3。總體上來(lái)講，在其他谷物作物上，發(fā)達(dá)國(guó)家的平均水分生產(chǎn)力是1.0kgm-3，而進(jìn)展中國(guó)家的平均數(shù)是0.56kgm-3。1995年，中國(guó)水稻作物的單位水分生產(chǎn)力是0.4-0.6kgm-3，而其他谷物作物是0.4-1.4kgm-3。從以上的全球大范疇水分生產(chǎn)力水平來(lái)看，我國(guó)總的單位水分生產(chǎn)力在水稻作物上市處于世界較高水平的，在其他谷物作物上，其水分生產(chǎn)力的平均水平差不多或達(dá)到世界的先進(jìn)水平，然而在地理分布上差異專門大，我國(guó)最大的水分生產(chǎn)力水平顯現(xiàn)在長(zhǎng)江流域和東北的松花江流域和遼河流域。在以后的水分生產(chǎn)力水平的推測(cè)中，國(guó)際糧食政策研究所的研究報(bào)告認(rèn)為除了水稻的谷物作物，發(fā)達(dá)國(guó)家能夠達(dá)到1.0-1.4kgm-3，進(jìn)展中國(guó)家能夠達(dá)到0.6-1.0kgm-3，全球平均水平能夠達(dá)到0.7-1.1kgm-3。按照關(guān)于以后水資源消費(fèi)分析，它們認(rèn)為以后谷物水分生產(chǎn)力的提升要緊取決于農(nóng)作物產(chǎn)量的提升。本文按照水文模型和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)運(yùn)算的全國(guó)水稻作物水分生產(chǎn)力是0.85kgm-3，非水稻類禾谷類作物是1.29kgm-3，兩者均高于國(guó)際糧食政策研究所的結(jié)論。這要緊是由于運(yùn)算中水分項(xiàng)的差異造成的。從以上國(guó)際和國(guó)內(nèi)的水分生產(chǎn)力狀況的回憶和探討中，我們能夠看到：中國(guó)糧食作物的水分生產(chǎn)潛力差不多達(dá)到或接近發(fā)達(dá)國(guó)家的水平，專門是水稻的水分生產(chǎn)力在全世界范疇內(nèi)處于比較高的水平。而關(guān)于除了水稻以外的其他谷物來(lái)講，盡管存在著不同作物和不同流域之間較大的差異性，我國(guó)的平均水平也已接近世界較高的水平。因此，今后我國(guó)提升作物水分生產(chǎn)力的關(guān)鍵就在于作物品種的改良和在各個(gè)空間尺度上的作物和資源綜合治理水平的提升，從而盡可能地提升作物產(chǎn)量水平。結(jié)語(yǔ)通過(guò)以上的探討，我們能夠得到以下幾點(diǎn)要緊結(jié)論：（1）1998-2007年，全國(guó)平均降水量呈小幅下降的趨勢(shì)，水資源總量相應(yīng)地也呈下降趨勢(shì)，下降的幅度要大于降水總量的下降幅度。按照“藍(lán)水”和“綠水”的觀點(diǎn)，天然降水是一切“藍(lán)水”和“綠水”資源的總來(lái)源。盡管10年來(lái)我國(guó)降水總量和水資源量均有所減少，然而如果從長(zhǎng)時(shí)刻系列考察，這種減少應(yīng)該屬于正常的氣候波動(dòng)范疇，因此，關(guān)于農(nóng)業(yè)用水來(lái)源的阻礙不大。（2）從農(nóng)業(yè)水土資源匹配角度看，我國(guó)地區(qū)間差異較大。傳統(tǒng)上的水土資源匹配要緊運(yùn)算水資源總量和灌溉量和耕地面積的匹配，本文則從藍(lán)水和綠水的角度動(dòng)身，定義了廣義農(nóng)業(yè)水資源的概念，并用它和耕地面積運(yùn)罷了廣義農(nóng)業(yè)水