节水高效农业技术

我国粮食安全与水资源保障梅旭荣研究员[e-mail]内容提要一．中国农业主题与战略二．粮食安全与短缺资源替代三．水土资源保障重大技术策略2019/8/152粮食安全与水资源保障一、中国农业主题与战略2019/8/153粮食安全与水资源保障中国农业发展形势中国农业战略任务农业发展主题与战略19%谷物9%耕地30%肉类6%可再生水资源38%水果蔬菜32%化学肥料20%人口4中国农业发展形势粮食安全与水资源保障中国农业取得举世瞩目的成就也付出了沉重的资源环境代价2019/8/15•保障粮食安全(foodsustainability)•保护农业生态系统(environmentsustainability)•消除贫困(economicsustainability)•促进城镇化，建设新农村(socialsustainability)5中国农业战略任务粮食安全与水资源保障历史赋予了中国农业多重功能与任务2019/8/15农业发展主题与战略食物安全生态安全农民增收现代农业与新农村Q/A：农业转型Q/A：领域拓展Q/A：资源替代Q/A：源头解铃科技跨越能力提升2019/8/156粮食安全与水资源保障二、粮食安全与短缺资源替代2019/8/157粮食安全与水资源保障我国粮食安全形势水土资源短缺态势短缺资源替代战略全球粮食短缺•世界粮食形势极不乐观–资源依赖型粮食增速放缓。世界粮食年增长速度：1960s—3%；1980s—2%；最新预测2010s—0.8%–全球粮食贸易总量不足3亿吨，粮食备降到30年来的最低水平（4亿吨左右），并呈下滑趋势–生物质能源“挟持农业”，“富人车轮子”抢“穷人米袋子”；粮食生产遭遇“效益洼地”，短缺水资源“挤出效应”明显。2019/8/158粮食安全与水资源保障全球粮食短缺•全球粮食市场求大于供，国际粮食市场交易量难有增加•气候变化、灾害、贫困、国际资本操控导致欠发达国家粮食短缺，饥饿困扰全球稳定2019/8/159粮食安全与水资源保障我国粮食安全形势•粮食需求刚性增长–根据《国家粮食中长期发展规划纲要》2020年粮食需求达到11450亿斤2030年粮食需求达到12600亿斤–按照95%自给率计算2020年粮食产能达到10900亿斤2030年粮食产能达到12000亿2019/8/1510粮食安全与水资源保障1949~19781979~19981999~2008粮食总产年均增长率(%)3.472.630.31粮食单产年均增长率(%)3.152.930.96耕地年均增长率(%)0.97-0.19-0.63粮食播种面积年均增长率(%)0.32-0.29-0.64化肥用量(纯量)年均增长率(%)37.307.952.40灌溉面积年均增长率(%)3.951.370.33主要增长驱动因素农田和水利建设土地经营与化肥政策与科技我国粮食安全形势我国不同时期粮食生产各要素变动情况（1949~2008）2019/8/1511粮食安全与水资源保障水土资源短缺态势•耕地资源刚性制约–耕地面积净减：到2020年减少10％，人均耕地面积由1.5亩减少到1.2亩（李元，2000）–粮食用地不减：2020和2030年粮食用地不低于12亿亩（其中谷物11亿亩），播种面积不低于15.8亿亩，复种指数不低于130%，粮食单产分别达到350和385公斤/亩2019/8/1512粮食安全与水资源保障水土资源短缺态势13粮食安全与水资源保障全国中低产田面积比例达71%（2007）29%39%32%2019/8/15水土资源短缺态势土壤有机养分逐年下降土壤障碍因素增多粮食安全与水资源保障1499.94930250204060801001201949年1980年2000年2003年有机养分/肥料养分(%)2019/8/15水土资源短缺态势15粮食安全与水资源保障y=-0.0018x2+15.219x+16984R²=0.974950001000015000200002500030000350004000045000500005500005001000150020002500300035004000450050005500趋势产量（万吨）化肥用量（纯量，万吨）A.1949~2007B.Max=4228化肥增产“拐点”出现！2019/8/15水土资源短缺态势•农业水资源刚性制约–农业用水无增：未来农业用水＜4000亿m3（钱正英，2002），1999~2008农业用水由3900亿m3下降到3600亿m3–灌溉用水减少：灌溉用水约占农业用水90%，约3240m3，比10年前下降300m3（节水、非农化）2019/8/1516粮食安全与水资源保障水土资源短缺态势•未来农业缺水加剧–我国粮食生产耗水约5700亿m3，其中1700亿m3来自灌溉水，其余约4000亿m3来自降水。利用灌溉水（蓝水）3500亿m3（实际3200亿m3），降水（绿水）7300亿m3–2030年粮食生产需要6600亿方m3（假定水分利用率和效率不变，即灌溉水利用率48%，降水利用率55%，水分利用效率1100m3/t）2019/8/1517粮食安全与水资源保障水土资源短缺态势2019/8/1518100150200250300350400450500550102030405060708090100GrossCerealProduction（Milliontonnes）EffectiveIrrigationArea(Millionhactares)YearComparisonBetweenGGPandEIAinChina(1949~2008）EffectiveIrrigationArea(EIA)GrossCerealProduction(GGP)粮食灌溉面积难以扩大粮食安全与水资源保障未来农业增产只能依靠：提高降水利用+提高单方水产出水土资源短缺态势•增水能力有限，灌溉增产贡献下降–1949~1978：总产vs灌溉面积=169%vs183%–1979~2008：总产vs灌溉面积=73%vs26%–2008~2030：总产vs灌溉面积=15%vs0%?!2019/8/1519粮食安全与水资源保障水土资源短缺态势•灌溉增产作用下降，保障作用上升全国2000多个县调查数据（2007年）显示，旱地粮食总产占的比例近5年来每年提高一个百分点，达到45%耕地非农化，灌溉非粮化。短缺条件下，水权转换与交易总是向高效益方向发展，国家粮食安全的资源基础受到挑战。2019/8/1520粮食安全与水资源保障水土资源短缺态势•区域性和结构性缺水问题突出–50%的灌溉农田为水田，主要集中在水资源丰富的南方地区–“北粮南运”与“南水北调”，约150~200亿方水“南运”，1/3黄河流量–缺水地区更缺水，节水潜力最大的地区不缺水2019/8/1521粮食安全与水资源保障水土资源短缺态势•按现状水土资源生产力水平测算：实现2030年粮食增产1亿吨目标（达到6亿吨），需增加农业用水约900亿m3（缺1200亿m3），增加耕地3.5亿亩。2019/8/1522粮食安全与水资源保障农业缺水少土！！！气候变化农业影响加剧23气候变化事实：1951～2004全国气温变化粮食安全与水资源保障2019/8/15气候变化农业影响加剧•气候变化情景24SRESA2情景下，2071~2100年气候变化响应（相对于1961~1990背景)左图：温度右图：降水(a)全年(b)冬季(c)夏季粮食安全与水资源保障2019/8/15气候变化农业影响加剧•气候变化农业影响25如果不采取气候变化适应对策•2030年全国粮食综合生产能力将下降5~10%•21世纪后半叶，水稻、小麦、玉米等作物产量将下降37%上图：2080水稻产量下图：2080可耕地:-13%粮食安全与水资源保障2019/8/15气候变化农业影响加剧26510152025301950s1960s1970s1980s1990s11.616.826.127.129作物受旱面积（百万公顷）年代近五年，我国每年因自然灾害造成的粮食损失1000亿斤左右，为粮食总产的10%。其中旱灾造成的损失约占全部灾害损失的60%左右粮食安全与水资源保障2019/8/15粮食增长非资源环境约束•经济活动目标影响农业水资源配置–粮食安全国家目标与农民增收目标争夺资源–农业用水非农化：生活、工业用水–农业用水非粮化：水果蔬菜和经济作物用水增加•经济活动方式影响农业发展–农产品与农资价格偏低–小农户与大市场–小农户规模与大面积技术应用2019/8/1527粮食安全与水资源保障粮食安全与资源替代战略•资源替代战略：通过科技和人力资本的集约化投入，提高农业资源的生产率，大幅度缓解水土资源紧缺对农业增长的约束。–以质量替代数量（提高耕地质量）–以效率替代规模（提高水肥利用效率）–以循环替代浪费（农业废弃C再利用）2019/8/1528粮食安全与水资源保障粮食安全与资源替代战略•1200亿方水资源替代潜力灌溉节水15%450~500亿m3提高雨水利用10%350~450亿m3生物节水（WUE提高）15%500~600亿m3非常规水利用80~120亿m3粮食贸易替代100亿m31480~1770亿m32019/8/1529粮食安全与水资源保障•3.5亿亩耕地替代潜力–通过提高耕地质量、水分养分利用率，可实现的最佳经济产量为潜力的70%~75%–目前潜力开发程度：东部地区60%~65%；中部地区45%~55%；西部地区35%~40%–全国50%，潜力10%即1亿吨产量，按现有生产水平计算，相当于3.5亿亩耕地粮食安全与资源替代战略2019/8/1530粮食安全与水资源保障•进一步挖掘和提高农作物遗传潜力•恢复和培育土壤生物肥力，合理平衡施肥，协调C/N关系，实施合理轮作，提高耕地产出效能•大力发展节水高效农业，提高农业单方水产出•以环境替代资源，推动以设施农业、植物工厂的增效、节能、减排、降耗粮食安全与资源替代战略2019/8/1531粮食安全与水资源保障•节水农业—为粮食安全提供资源保障集水：土壤水库—田间根域集雨—集雨补灌保水：保护耕作—覆盖—制剂用水：优化栽培—节水灌溉—水肥一体化节水：品种—节水制度—生理节水唯有活水田间来！粮食安全与资源替代战略2019/8/1532粮食安全与水资源保障三、水资源保障重大技术策略2019/8/1533粮食安全与水资源保障加强农业土壤碳管理重视旱作农业战略地位科学管理农业水资源加强农业土壤碳管理•应对全球气候变化——农业减源增汇•治理农田生态退化——提高土壤生物肥力•培育农田土壤水库——改善土壤水文特性•削减氮磷污染负荷——减少化学肥料投入2019/8/1534粮食安全与水资源保障现代农业与农业转型战略是N多了？还是C少了？加强农业土壤碳管理2019/8/1535粮食安全与水资源保障现代农业与农业转型战略C与N肥利用率低加强农业土壤碳管理图4旱地农田玉米的N肥利用率(15N示踪,1997~1999)Y(straw-in)=71.745e-1.0666xR2=0.9971Y(straw-off)=53.364e-1.0977xR2=0.99440510152025012345年份肥料N利用率%秸秆未还田秸秆还田指数(秸秆还田)指数(秸秆未还田)2019/8/1536粮食安全与水资源保障现代农业与农业转型战略CNW与系统生产力加强农业土壤碳管理图5不同施肥培肥产量与耗水量关系(1997年)10015020025030035005101520施肥培肥处理号产量(公斤/亩)和耗水量(mm)产量耗水量2019/8/1537粮食安全与水资源保障图例干旱区半干旱偏旱区半干旱区半湿润偏旱区半湿润区省界02,0001,000Km重视旱作农业的战略地位2019/8/1538粮食安全与水资源保障重视旱作农业的战略地位•粮食安全的“稳压器”–我国粮食总量中，旱地粮食比例提高至45%–提高旱作区粮食单产，稳定自给能力，腾出资源空间，优化农业结构，提高农业效益2019/8/1539粮