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(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，北京100193）感謝閱讀摘要：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)用水在我國農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)中占很大的比例，因感謝閱讀此提高農(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)用國際上近年來農(nóng)業(yè)水資源利用和感謝閱讀管理領(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(shí)，計(jì)算并分謝謝閱讀析了全國主要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)水潛力已經(jīng)接近極限的情況謝謝閱讀下，在不同空間尺度上的農(nóng)藝節(jié)水措施將發(fā)揮巨大的作用。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究成果得出結(jié)論：我國未來感謝閱讀糧食安全主要應(yīng)通過提高糧食水分生產(chǎn)力來實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：藍(lán)水；綠水；作物水分生產(chǎn)力；糧食安全；水資源安全精品文檔放心下載1中國水資源和糧食安全基本概況1.1中國糧食安全和水資源短缺問題的相互關(guān)系中國的糧食安全問題成為國內(nèi)外普遍關(guān)心的問題，1995年美國經(jīng)濟(jì)家萊斯特·布朗提出了著名的“誰來養(yǎng)活中國”[1]命題后，世界上許多研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了更加深入的研究。美國國家情報(bào)委員會(huì)（NationalIntelligenceCouncil）的研究結(jié)果認(rèn)為：中國總有一天會(huì)“不得不大量進(jìn)口糧食”[2]。而國際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所（InternationalInstituteforAppliedSystemAnalysis）的《中國能養(yǎng)活自己嗎？-中國糧食安全和水資源》研究項(xiàng)目認(rèn)為：中國擁有足夠的自然資源物質(zhì)條件在未來的30年里養(yǎng)活不斷增長的人口[3]。在幾乎所有有關(guān)中國糧食安全的研究中，研究者都一致強(qiáng)調(diào)中國水資源短缺是威脅中國糧食安全最為重要的問題。因此，水和糧是一個(gè)相互依存、相互影響的問題。一方面，水資源的短缺威脅到灌溉農(nóng)業(yè)的有效灌溉量，從而影響到糧食產(chǎn)量和糧食安全；另一方面，糧食生產(chǎn)又消耗大量的水，由于水分利用效率的低下，在耗水同時(shí)造成水資源的緊缺。從這個(gè)意義上說，水和糧的關(guān)系是一個(gè)互為因果的互動(dòng)關(guān)系。因此，解決糧食安全問題必須首先解決農(nóng)業(yè)水資源尤其是種植業(yè)水資源短缺的問題。精品文檔放心下載1.2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(diǎn)，與降水量的變化趨勢吻合。但是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%。感謝閱讀降水總量和水資源總量的變化趨勢將影響農(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。但是農(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%。說明了在總用水量增加的情況下，農(nóng)業(yè)用水無論是從絕對數(shù)量還是比重都在下降。感謝閱讀2 中國農(nóng)業(yè)用水分析新框架過去，對我國農(nóng)業(yè)用水分析主要集中于灌溉用水。近十年來，在國際水資源和農(nóng)業(yè)水資源管理領(lǐng)域出現(xiàn)了一場觀念的變革，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]；虛擬水流動(dòng)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)水資源管理，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)用水及管理的分析，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發(fā)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）。精品文檔放心下載首先，從藍(lán)水和綠水的概念出發(fā)，建立了廣義農(nóng)業(yè)水資源的概念，它由兩個(gè)分量組成，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)田尺度的水平衡分析對于理解農(nóng)田尺度水分轉(zhuǎn)化和利用具有重要意義。在水平衡分析的基礎(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源于灌溉“藍(lán)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(gè)分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。主要研究灌區(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)，可以確定區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物生產(chǎn)所蘊(yùn)含的虛擬水的含量，為進(jìn)一步研究區(qū)域間虛擬水流動(dòng)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)保障和政策支持。謝謝閱讀灌溉引水量廣義農(nóng)業(yè)水資源耕地有效降水量（藍(lán)水）（綠水量）灌溉藍(lán)水耗水率田間尺度藍(lán)水和綠水灌溉綠水耗水率平衡分析來源于灌溉藍(lán)水的作物實(shí)際蒸散總量來源于有效降水綠水的作物實(shí)際蒸散量（來源于藍(lán)水和綠水的總和）作物實(shí)際蒸散量提高田間尺度和系統(tǒng)（灌區(qū)和流域）尺度作物水分生產(chǎn)力真實(shí)節(jié)水潛力 作物產(chǎn)量中蘊(yùn)含的虛擬水量優(yōu)化在水資源限制條件下的種優(yōu)化部門間水資源分配 植制度和種植體系圖1中國農(nóng)業(yè)用水綜合分析框架3 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可以被人類肉眼可見，所以被稱之為“藍(lán)水”資源。而天然降水中的另外一部分直接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，另外部分直接降落于土壤表面，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(chǔ)存的有效水由于其主要功能是供給植物生長發(fā)育的蒸散發(fā)需要，所以被稱之為“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(lán)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(jì)產(chǎn)量的形成具有重要的作用，因此在評價(jià)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?，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)育可以潛在利用的土壤“綠水”和灌溉“藍(lán)水”資源的總和。謝謝閱讀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(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，來源感謝閱讀于耕地有效降水“綠水”的比例57.0%，而來源于耕地灌溉“藍(lán)水”的比例是43.0%。證明謝謝閱讀了農(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。謝謝閱讀水土資源匹配是指單位耕地面積所享有的水資源量。但是，傳統(tǒng)的水土資源匹配計(jì)感謝閱讀算時(shí)的水資源量是指“藍(lán)水”資源。這個(gè)指標(biāo)的缺點(diǎn)是：用總的“藍(lán)水”資源，即水資源公精品文檔放心下載報(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可以被農(nóng)業(yè)利感謝閱讀用。為了更確切地定量分析農(nóng)業(yè)可以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)水謝謝閱讀資源出發(fā)計(jì)算了農(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精品文檔放心下載水資源總量比耕地灌溉水資廣義農(nóng)業(yè)水資水資源總量與耕地灌溉水量與耕廣義農(nóng)業(yè)水資源與耕地比例/%耕地匹配例/%源比例/%源比例/%地匹配/(m3·hm-2)耕地匹配/(m3·hm-2)地區(qū)/(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%，從這個(gè)角度看，水土資源嚴(yán)重不匹配。但是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)的水資源是有基本保障的。同樣，從水資源量角度衡量，東北地區(qū)也是水土資源嚴(yán)重不匹配的地區(qū)，用占全國4.35%的水資源量支撐了占全國17.63%的耕地。但是，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。謝謝閱讀4 中國糧食作物水分生產(chǎn)力變化（1998-2007年）精品文檔放心下載表21998-2007年全國主要糧食單產(chǎn)和年際變化率感謝閱讀Table4Chinagrainyieldandcropwaterproductivityandinter-annualchangingrate感謝閱讀(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)力呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系：糧食單產(chǎn)增加，水分生產(chǎn)力也會(huì)提高；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)力提高的主要原因。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)力的提高意味著在耗水量相同的情況下可以達(dá)到更高的產(chǎn)量，由此可以節(jié)省更多的水資源。但是，糧食單產(chǎn)和耗水量的相關(guān)關(guān)系表明：糧食產(chǎn)量的增加意味著耗水量的增加，尤其是在單產(chǎn)處于中等或較高水平的區(qū)間。精品文檔放心下載根據(jù)對全國主要糧食生產(chǎn)流域的主要糧食作物的計(jì)算研究，糧食單產(chǎn)水平和糧食作物的耗水量（ET）水平呈直線正相關(guān)[19]。我國糧食單產(chǎn)在世界范圍內(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)水平很高。因此，未來的糧食增產(chǎn)意意味著耗水量的增加。因此，寄希望于絕對提高糧食產(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)該是通過提高糧食作物單產(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提高到0.861kgm-3，提高了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)力水平維持在2005年的水平，則在2006年總產(chǎn)水平下，耗水量為5397.0×108m3。通過提高水分生產(chǎn)力而節(jié)省的耗水量是5397.0×108m3減去5208.9×108m3，188.0×108m3，這也是通過提高作物水分生產(chǎn)效率而節(jié)省下來的‘真實(shí)節(jié)水量’。精品文檔放心下載5 我國糧食作物水分生產(chǎn)力在全球位置根據(jù)國際糧食政策研究所的計(jì)算[20]，全球范圍內(nèi)水分生產(chǎn)力的大致狀況如下：1995感謝閱讀年，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(dá)到謝謝閱讀0.4-0.6kgm-3。對于發(fā)達(dá)國家來說，它們的平均水平是0.47kgm-3。對于其他谷物來說，在精品文檔放心下載南亞、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(dá)到謝謝閱讀1.0-1.7kgm-3，在西歐國家達(dá)到1.7-2.4kgm-3?？傮w上來說，在其他谷物作物上，發(fā)達(dá)國精品文檔放心下載家的平均水分生產(chǎn)力是1.0kgm-3，而發(fā)展中國家的平均數(shù)是0.56kgm-3。精品文檔放心下載1995年，中國水稻作物的單位水分生產(chǎn)力是0.4-0.6kgm-3，而其他谷物作物是謝謝閱讀0.4-1.4kgm-3。從以上的全球大范圍水分生產(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)力的平均水平已經(jīng)或達(dá)到世界的先進(jìn)水平，但是在地理分布上差異很大，我國最大的水分生產(chǎn)力水平出現(xiàn)在長江流域和東北的松花江流域和遼河流域。謝謝閱讀在未來的水分生產(chǎn)力水平的預(yù)測中，國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)國家可以達(dá)到1.0-1.4kgm-3，發(fā)展中國家可以達(dá)到0.6-1.0kgm-3，全球平均水平可以達(dá)到0.7-1.1kgm-3。根據(jù)對于未來水資源消費(fèi)分析，它們認(rèn)為未來谷物水分生產(chǎn)力的提高主要取決于農(nóng)作物產(chǎn)量的提高。精品文檔放心下載本文根據(jù)水文模型和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)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。這主要是由于計(jì)算中水分項(xiàng)的差異造成的。感謝閱讀從以上國際和國內(nèi)的水分生產(chǎn)力狀況的回顧和探討中，我們可以看到：中國糧食作物的水分生產(chǎn)潛力已經(jīng)達(dá)到或接近發(fā)達(dá)國家的水平，尤其是水稻的水分生產(chǎn)力在全世界范圍內(nèi)處于比較高的水平。而對于除了水稻以外的其他谷物來說，雖然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。所以，今后我國提高作物水分生產(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管理水平的提高，從而盡可能地提高作物產(chǎn)量水平。精品文檔放心下載6 結(jié)語通過以上的探討，我們可以得到以下幾點(diǎn)主要結(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)地也呈下降感謝閱讀趨勢，下降的幅度要大于降水總量的下降幅度。根據(jù)“藍(lán)水”和“綠水”的觀點(diǎn)，天然降水感謝閱讀是一切“藍(lán)水”和“綠水”資源的總來源。雖然10年來我國降水總量和水資源量均有所減精品文檔放心下載少，但是如果從長時(shí)間系列考察，這種減少應(yīng)該屬于正常的氣候波動(dòng)范圍，所以，對于農(nóng)業(yè)謝謝閱讀用水來源的影響不大。（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)上的水土資源匹配主要感謝閱讀計(jì)算水資源總量和灌溉量和耕地面積的匹