农业用水分析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1.1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。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。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。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表面形成径流，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。由于这部分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部分直接降落于各种地表植被覆盖物上，一部分被植被的冠层截留并以蒸发的方式返回大气，另外部分直接降落于土壤表面，其中一部分又以土壤表面蒸发的方式返回大气，而剩余的部分入渗土壤，供给植被生长发育需要，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部分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给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”。而被植物蒸散发的部分就被称之为“绿水流”。以上的简要分析表明，“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57763.0×108m3，耕地面积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，即耕地可利用的蓝水量。两者相加即广义农业水资源量，为7561.1×108m3。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，而这部分水资源中只有其中一部分可以被农业利用。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12007年各省水土资源匹配程度Table2ThematchnessbetweenwaterresourcesandcroplandatregionalandnationallevelofChina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/(m3·hm-2)耕地灌溉水量与耕地匹配/(m3·hm-2)广义农业水资源与耕地匹配/(m3·hm-2)全国1001001001002075226706213华北27.625.5717.8522.26418317265006东北17.634.3511.1312.32512416854341东南23.7534.1637.7334.552989642499052西南19.1847.4414.9619.185136420846217西北11.868.4818.3311.691483441266123分区结果表明：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中国粮食作物水分生产力变化（1998-2007年）表21998-2007年全国主要粮食单产和年际变化率5Table4Chinagrainyieldandcropwaterproductivityandinter-annualchangingrate(1998-2007)年份单产/（t·hm-2）变化率/%水分生产力/(kg·m3)变化率/%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达到更高的产量，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表明：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4.77t·hm-2增长到2006年的5.07t·hm-2，而水分生产力则从0.831kgm-3提高到0.861kgm-3，提高了0.030kgm-3。2005年的粮食总产是43375.2×104t，耗水5219.6×108m3，2006年粮食总产44848.7×104t，耗水5208.9×108m3。如果2006年的水分生产力水平维持在2005年的水平，则在2006年总产水平下，耗水量为5397