農(nóng)業(yè)用水分析新框架和中國糧食作物水分生產(chǎn)力

農(nóng)業(yè)用水分析新框架和中國糧食作物水分生產(chǎn)力李保國，黃峰（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源和環(huán)境學(xué)院、農(nóng)業(yè)部土壤和水重點開放實驗室，北京100193）摘要：糧食安全和水資源短缺是一個互為因果的關(guān)系。農(nóng)業(yè)用水在我國農(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)力是實現(xiàn)節(jié)水種植和糧食安全的重要因素。本文應(yīng)用國際上近年來農(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廣義農(nóng)業(yè)水土資源匹配。同時，運算并分析了全國要緊糧食作物水分利用率的變化趨勢。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)合國內(nèi)外有關(guān)研究成果得出結(jié)論：我國以后糧食安全要緊應(yīng)通過提升糧食水分生產(chǎn)力來實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：藍水；綠水；作物水分生產(chǎn)力；糧食安全；水資源安全1中國水資源和糧食安全差不多概況中國糧食安全和水資源短缺咨詢題的相互關(guān)系中國農(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，我國平均水資源總量呈下降趨勢，其中2004年為最低點，與降水量的變化趨勢吻合。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。全國農(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)用水不管是從絕對數(shù)量依舊比重都在下降。中國農(nóng)業(yè)用水分析新框架過去，對我國農(nóng)業(yè)用水分析要緊集中于灌溉用水。近十年來，在國際水資源和農(nóng)業(yè)水資源治理領(lǐng)域顯現(xiàn)了一場觀念的變革，這一變革包含了一系列新的觀點、理念、概念和方法。其核心內(nèi)容涵蓋了：藍水和綠水[4,5,6]；水資源收支解析[7,8,9]；真實節(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相互關(guān)聯(lián)而統(tǒng)一的有機整體，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行農(nóng)業(yè)用水及治理的分析，為實現(xiàn)糧食安全、水資源安全、生態(tài)環(huán)境安全的多目標的水資源綜合利用與進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，從藍水和綠水的概念動身，建立了廣義農(nóng)業(yè)水資源的概念，它由兩個重量組成，即農(nóng)業(yè)藍水資源和農(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)濟產(chǎn)量形成所實際消耗的水量，也即農(nóng)作物全生育期的實際蒸散量。農(nóng)作物實際蒸散量一部分是來源于灌溉“藍水”的耗水量，另外一部分來源于有效降水“綠水”的耗水量。兩個重量的總和即為形成農(nóng)作物經(jīng)濟產(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踐基礎(chǔ)。同時，能夠確定區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物生產(chǎn)所包蘊的虛擬水的含量，為進一步研究區(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“藍水”資源。而天然降水中的另外一部分直截了當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)。而土壤中儲存的有效水由于其要緊功能是供給植物生長發(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存起來的，因此被稱之為“綠水庫”。而被植物蒸散發(fā)的部分就被稱之為“綠水流”。以上的簡要分析表明，“藍水”和“綠水”對包括農(nóng)作物在內(nèi)的綠色植物的生長、發(fā)育和生物量以及經(jīng)濟產(chǎn)量的形成具有重要的作用，因此在評判農(nóng)作物可利用的水量時要將“綠水”考慮在內(nèi)。因此，農(nóng)業(yè)水資源不僅包括灌溉“藍水”，還應(yīng)包括土壤“綠水”。基于以上原理，提出了農(nóng)業(yè)廣義水資源的概念。農(nóng)業(yè)廣義水資源是指農(nóng)作物生長發(fā)育能夠潛在利用的土壤“綠水”和灌溉“藍水”資源的總和。2007年全國降水量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，來源于耕地有效降水“綠水”的比例57.0%，而來源于耕地灌溉“藍水”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)的水土資源匹配運算時的水資源量是指“藍水”資源。那個指標的缺點是：用總的“藍水”資源，即水資源公報中所報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數(shù)量的匹配，本文從廣義農(nóng)業(yè)水資源動身運罷了農(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的27.63%，而水資源量只占全國的5.57%，從那個角度看，水土資源嚴峻不匹配。然而如果從灌溉水水土匹配衡量，華北地區(qū)灌溉水占全國的17.85%。從廣義農(nóng)業(yè)水資源衡量，華北占全國的22.26%，接近耕地占全國的比例。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)也是水土資源嚴峻不匹配的地區(qū)，用占全國4.35%的水資源量支撐了占全國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11.13%灌溉水和12.32%的農(nóng)業(yè)廣義水資源，支撐了占全國17.63%的耕地。中國糧食作物水分生產(chǎn)力變化（1998-2007年）表21998-2007年全國要緊糧食單產(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)力也會提升；單產(chǎn)降低，水分生產(chǎn)力會隨之降低。因此，糧食單產(chǎn)是水分生產(chǎn)力提升的要緊緣故。從真實節(jié)水的角度進行衡量，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。按照對全國要緊糧食生產(chǎn)流域的要緊糧食作物的運算研究，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，寄期望于絕對提升糧食產(chǎn)量的同時而減少糧食作物耗水量是不切實際的。正確的途徑是應(yīng)該是通過提升糧食作物單產(chǎn)水平來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，這也是通過提升作物水分生產(chǎn)效率而節(jié)約下來的‘真實節(jié)水量’。5我國糧食作物水分生產(chǎn)力在全球位置按照國際糧食政策研究所的運算[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，中國和一些東南亞國家的水稻生產(chǎn)的單位水分生產(chǎn)力較高，能夠達到0.4-0.6kgm-3。關(guān)于發(fā)達國家來講，它們的平均水平是0.47kgm-3。關(guān)于其他谷物來講，在南亞、中亞和撒哈拉沙漠以南的中部和北部國家低于0.4kgm-3，在中國、美國和巴西達到1.0-1.7kgm-3，在西歐國家達到1.7-2.4kgm-3?？傮w上來講，在其他谷物作物上，發(fā)達國家的平均水分生產(chǎn)力是1.0kgm-3，而進展中國家的平均數(shù)是0.56kgm-3。1995年，中國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)力水平來看，我國總的單位水分生產(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到世界的先進水平，然而在地理分布上差異專門大，我國最大的水分生產(chǎn)力水平顯現(xiàn)在長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)力水平的推測中，國際糧食政策研究所的研究報告認為除了水稻的谷物作物，發(fā)達國家能夠達到1.0-1.4kgm-3，進展中國家能夠達到0.6-1.0kgm-3，全球平均水平能夠達到0.7-1.1kgm-3。按照關(guān)于以后水資源消費分析，它們認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)計數(shù)據(jù)運算的全國水稻作物水分生產(chǎn)力是0.85kgm-3，非水稻類禾谷類作物是1.29kgm-3，兩者均高于國際糧食政策研究所的結(jié)論。這要緊是由于運算中水分項的差異造成的。從以上國際和國內(nèi)的水分生產(chǎn)力狀況的回憶和探討中，我們能夠看到：中國糧食作物的水分生產(chǎn)潛力差不多達到或接近發(fā)達國家的水平，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，我國的平均水平也已接近世界較高的水平。因此，今后我國提升作物水分生產(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)語通過以上的探討，我們能夠得到以下幾點要緊結(jié)論：（1）1998-2007年，全國平均降水量呈小幅下降的趨勢，水資源總量相應(yīng)地也呈下降趨勢，下降的幅度要大于降水總量的下降幅度。按照“藍水”和“綠水”的觀點，天然降水是一切“藍水”和“綠水”資源的總來源。盡管10年來我國降水總量和水資源量均有所減少，然而如果從長時刻系列考察，這種減少應(yīng)該屬于正常的氣候波動范疇，因此，關(guān)于農(nóng)業(yè)用水來源的阻礙不大。（2）從農(nóng)業(yè)水土資源匹配角度看，我國地區(qū)間差異較大。傳統(tǒng)上的水土資源匹配要緊運算水資源總量和灌溉量和耕地面積的匹配，本文則從藍水和綠水的角度動身，定義了廣義農(nóng)業(yè)水資源的概念，并用它和耕地面積運罷了廣義農(nóng)業(yè)水