黃峰 ，杜太生 ，王素芬 ，梅旭榮 ，龔道枝 ，陳源泉 ，康紹忠

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；4.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，北京 100193）

一、水資源短缺條件下華北地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的成就與面臨的主要問題

（一）水資源短缺條件下華北地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展成就

從全國(guó)范圍來看，華北地區(qū)具有政治、科技、文化、經(jīng)濟(jì)、區(qū)位優(yōu)勢(shì)，它的興衰對(duì)我國(guó)政治穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要影響。本研究課題所涉及的華北地區(qū)（包括京、津、冀、魯、豫五省市）人口占全國(guó)的24%，耕地占全國(guó)的17.9%，光熱充足、土地肥沃，是我國(guó)重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和商品糧基地。華北地區(qū)農(nóng)牧業(yè)年產(chǎn)值占全國(guó)近25%，種養(yǎng)業(yè)是農(nóng)業(yè)的主體，其中種植業(yè)產(chǎn)值占58%，牧業(yè)產(chǎn)值占32%。2014年糧食產(chǎn)量為1.397×108t，占全國(guó)的23%；作物產(chǎn)量構(gòu)成中糧食占60%，其次為水果、蔬菜占34%。在糧食作物中，小麥、玉米是華北平原糧食生產(chǎn)的主體，小麥產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的51%，其次為玉米占40%。華北地區(qū)在我國(guó)小麥生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位，2014年小麥播種面積和產(chǎn)量分別占全國(guó)的48.3%和56.2%，小麥單產(chǎn)為406.8 kg/畝（1畝≈666.667 m2），明顯高于全國(guó)349.6 kg/畝的平均水平。因此，華北地區(qū)食物生產(chǎn)在國(guó)家食物安全中占有十分重要的地位。

但還要認(rèn)識(shí)到，華北平原農(nóng)業(yè)的成就是在水資源嚴(yán)重短缺條件下取得的，該區(qū)域水資源量?jī)H占全國(guó)水資源總量的6%，人均水資源、水土資源配置比例均大大低于全國(guó)平均水平，如海河流域人均水資源占有量只有 250 m3，不足全國(guó)平均水平的1/8。由于該地區(qū)氣候干旱導(dǎo)致的水資源量減少和工業(yè)城市發(fā)展對(duì)水資源需求量的增加，華北農(nóng)業(yè)用水總量從1998年的5.603×1010m3下降到2015年的4.234×1010m3，減幅達(dá)24.4%；農(nóng)業(yè)用水量占該區(qū)域總用水量的比例從1998年的72.2%下降到2015年的61.7% [1]。雖然農(nóng)業(yè)用水總量逐年減少，但隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件改善，作物產(chǎn)量不斷提高，如小麥、玉米主產(chǎn)省份河北、河南、山東近30年糧食總產(chǎn)增加了5.85×107t，糧食單產(chǎn)的大幅增加是糧食總產(chǎn)增加的主導(dǎo)因素。糧食單產(chǎn)中小麥單產(chǎn)增加了200.9 kg/畝，增幅達(dá)120%；玉米單產(chǎn)增加了179 kg/畝，增幅達(dá)90%。而隨著糧食單產(chǎn)增加，作物耗水量并沒有明顯增加，得益于農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步和農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施條件的大幅改善，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)總用水量降低條件下農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的不斷增加。

華北平原農(nóng)業(yè)在水資源短缺條件下，為國(guó)家和區(qū)域食物安全及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)，但也帶來了諸多生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)，特別是多年地下水超采形成的大幅度下降漏斗問題，威脅著該區(qū)域灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。為了治理該區(qū)域地下水超采問題，近幾年華北平原在發(fā)展節(jié)水型農(nóng)業(yè)中，認(rèn)真落實(shí)習(xí)近平總書記在新時(shí)期的治水思路，堅(jiān)持“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”，實(shí)施“以水定地、以水定產(chǎn)、以水定發(fā)展”，取得了顯著成績(jī)。特別是2014年以來中央財(cái)政啟動(dòng)了地下水嚴(yán)重超采區(qū)“節(jié)水限采”試點(diǎn)行動(dòng)，以 “節(jié)、引、蓄、調(diào)、管”五大工程為治理思路，即大力發(fā)展以節(jié)水灌溉為主的節(jié)水型社會(huì)，合理引用外調(diào)水，著力調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，因地制宜、因水制宜，禁限采管理、水位水量雙管控和完善法規(guī)體系，形成從水源到田間、從工程到農(nóng)藝、從建設(shè)到運(yùn)行的綜合治理體系。上述措施的實(shí)施，取得了一些初步成效，廣大農(nóng)民群眾的節(jié)水意識(shí)明顯增強(qiáng)，水是稀缺性資源、水資源有償使用的理念逐步形成。試點(diǎn)區(qū)地下水超采得到一定遏制，在地下水超采綜合治理方面積累了一些經(jīng)驗(yàn)。未來，隨著京津冀一體化和城鎮(zhèn)化發(fā)展，華北平原農(nóng)業(yè)用水會(huì)進(jìn)一步向工業(yè)城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，水資源短缺將是制約華北農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，協(xié)調(diào)作物生產(chǎn)-水資源-生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，發(fā)展水資源短缺條件下的適水農(nóng)業(yè)已成為一個(gè)亟需解決的重大課題。

（二）華北平原水資源短缺條件下農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的主要問題

目前，華北平原水資源短缺條件下農(nóng)業(yè)發(fā)展主要面臨以下問題。

一是農(nóng)業(yè)沒有適水發(fā)展，農(nóng)業(yè)規(guī)模嚴(yán)重超過了水資源承載能力，導(dǎo)致了大范圍地下水位降落漏斗等生態(tài)環(huán)境問題。華北平原灌溉節(jié)水技術(shù)已研究推廣30多年，并沒有改變地下水資源繼續(xù)惡化的現(xiàn)狀，節(jié)水技術(shù)效應(yīng)明顯低于用水強(qiáng)度增加效應(yīng)，甚至出現(xiàn)了“越節(jié)水越缺水”的怪象，作物種植結(jié)構(gòu)逐步單一化，蔬菜、小麥、果樹等需灌溉水較多的作物種植比例持續(xù)增加，該區(qū)農(nóng)業(yè)沒有“適水”發(fā)展是主要原因。

二是農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)不合理，高耗水的蔬菜水果種植面積發(fā)展較快，單位面積耗水強(qiáng)度逐年增大，高水、高肥、高產(chǎn)的生產(chǎn)模式導(dǎo)致了低品質(zhì)、低價(jià)格和低效益，不僅浪費(fèi)水肥資源，而且造成環(huán)境污染和產(chǎn)能浪費(fèi)。

華北平原糧食種植比例由1981年的78.9%下降到2014年的66.3%，而高耗水的蔬菜和果樹種植比例分別增加11.1%和4.1%。目前華北平原蔬菜生產(chǎn)量占全國(guó)的37%、水果占29%，蔬菜成為僅次于糧食作物的灌溉耗水大戶。蔬菜灌溉用水量多，不僅體現(xiàn)在蔬菜茬口多，也體現(xiàn)在由于灌溉技術(shù)和灌溉制度不合理引起的根層水分滲漏多、養(yǎng)分淋失量大，從而帶來一系列環(huán)境問題。

三是農(nóng)業(yè)節(jié)水補(bǔ)償機(jī)制未形成，農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)應(yīng)用推廣驅(qū)動(dòng)力不足，農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)服務(wù)體系不健全，節(jié)水工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，影響了節(jié)水工程效益的發(fā)揮。

農(nóng)業(yè)節(jié)水的受益人是全社會(huì)，而農(nóng)業(yè)節(jié)水直接影響的主體是農(nóng)民。由于灌溉水價(jià)低大田作物節(jié)水僅使農(nóng)民減少少量的水費(fèi)成本，經(jīng)濟(jì)效益非常有限，大部分效益是全社會(huì)受益的生態(tài)效益，而農(nóng)民采用先進(jìn)的節(jié)水技術(shù)需要大量投入和增加生產(chǎn)成本，所以農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)應(yīng)用推廣缺乏驅(qū)動(dòng)力，在實(shí)際生產(chǎn)中沒有體現(xiàn)出多節(jié)水多補(bǔ)償，缺乏長(zhǎng)期有效的節(jié)水激勵(lì)和補(bǔ)償機(jī)制，影響了農(nóng)民節(jié)水的積極性和對(duì)節(jié)水技術(shù)使用的主動(dòng)性。

四是農(nóng)業(yè)用水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)未形成，缺乏對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)用水的有效監(jiān)控，特別是缺乏對(duì)嚴(yán)重超采區(qū)地下水的監(jiān)控，影響了對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)用水總量和單位面積耗水強(qiáng)度的有效控制。

農(nóng)業(yè)用水準(zhǔn)確計(jì)量是推動(dòng)節(jié)水技術(shù)應(yīng)用和實(shí)施農(nóng)業(yè)節(jié)水補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)，但華北地區(qū)目前95%以上的地表水灌區(qū)沒有安裝田間用水計(jì)量設(shè)備；關(guān)系到地下水壓采策略實(shí)施的井灌區(qū)，還未形成嚴(yán)格的取水許可制度，對(duì)地下水的開采基本上還處于無序狀態(tài)，管理難度較大。

五是不同部門的政策與措施缺乏協(xié)調(diào)，高效節(jié)水灌溉技術(shù)與農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)配套不緊密，缺乏可規(guī)?；瘧?yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)模式。

目前，華北平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)涉及到多個(gè)方面，缺乏部門之間的密切配合，甚至出現(xiàn)了在地下水嚴(yán)重超采區(qū)同一塊農(nóng)田執(zhí)行著來自不同政府部門相互矛盾的政策措施，一方面是節(jié)水限采試點(diǎn)，以水定地、以水定產(chǎn)，農(nóng)田休耕和糧食去產(chǎn)能；另一方面又是建設(shè)高產(chǎn)糧倉(cāng)、擴(kuò)大種植面積和消耗更多水資源。

六是地下水嚴(yán)重超采區(qū)節(jié)水限采試點(diǎn)資金投入巨大，但效果有限，而且某些補(bǔ)貼政策的節(jié)水限采效果不可持續(xù)。

綜上，華北地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)的最大制約因素就是水資源。本文在研究課題大目標(biāo)下，將系統(tǒng)分析1998—2015年華北水資源、農(nóng)業(yè)用水、用水效率的發(fā)展?fàn)顩r和未來發(fā)展方向，為國(guó)際化綠色化背景下華北地區(qū)食物安全可持續(xù)發(fā)展中農(nóng)業(yè)水資源的保障提供科學(xué)決策的基礎(chǔ)。

二、華北地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源利用狀況分析

（一）華北地區(qū)水資源量的變化狀況

華北地區(qū)五?。ㄊ校┖腿珔^(qū)近18年來平均降水量與常年（1956—2000年系列平均值）降水量相比，都有所下降（見圖1），但總體下降的幅度不大。其中北京下降15.6%，幅度最大；天津下降5.2%，河北下降9.6%，山東提高0.3%，河南下降1.9%，整個(gè)華北地區(qū)下降3.9%。對(duì)多年降水的頻率分析表明，五?。ㄊ校┮约叭珔^(qū)的偏豐水年和平水年出現(xiàn)的頻率在近年（2011—2015年）明顯偏多。說明近幾年全區(qū)的降水形勢(shì)屬于偏豐的狀態(tài)。這種偏豐的降水形勢(shì)能否持續(xù)下去，取決于氣候變化的程度。但目前最新的相關(guān)研究預(yù)測(cè)[3]，華北地區(qū)在未來30年將進(jìn)入一個(gè)降水偏豐的時(shí)期。

盡管1998—2015年的降水量下降幅度不大，但是由于經(jīng)濟(jì)快速成長(zhǎng)，城市化進(jìn)程加快，土地利用方式發(fā)生了巨大的變化，下墊面情況改變巨大，嚴(yán)重影響了降水所形成的地表水和地下水的數(shù)量。華北五?。ㄊ校┖腿珔^(qū)地表水資源形成量下降幅度巨大（見圖2），其中北京和河北分別下降54.4%和52.7%，下降一半還多。天津下降21.8%。河南下降13.8%，山東下降6.7%，全區(qū)下降16.7%。作為糧食主產(chǎn)省的河北地表水資源量下降52.7%，勢(shì)必對(duì)該省的各部門用水以及農(nóng)業(yè)用水產(chǎn)生負(fù)面影響。

降水形成的地下水資源量1998—2015年來呈現(xiàn)波動(dòng)下降態(tài)勢(shì)，1998—2007年，無論總量還是占比的變化都波動(dòng)較大，2008—2015年則呈現(xiàn)穩(wěn)步下降的趨勢(shì)，總量從5.89×1010m3下降到4.45×1010m3，降幅達(dá)24.4%，地下水資源量占全國(guó)的比例從6.27%下降到5.71%（見圖3）。

圖1 華北五?。ㄊ校┘叭珔^(qū)1998—2015年平均降水量和常年（1956—2000年系列平均值）降水量比較

圖2 華北五省（市）及全區(qū)1998—2015年平均地表水資源量和常年地表水資源量比較

圖3 華北地區(qū)地下水資源量變化以及占全國(guó)地下水資源占比的變化

總體上，華北地區(qū)水資源量從1998年的1.212×1011m3，下降到 2015年的 6.303×1010m3，降幅達(dá)48.0%（見圖4）。以上結(jié)果表明，雖然近幾年華北地區(qū)降水形勢(shì)偏豐，但由于下墊面發(fā)生的巨大變化，降雨形成的水資源總量卻下降了將近一半。由此，農(nóng)業(yè)可以利用的水量受到了極大限制。

圖4 華北地區(qū)水資源總量變化以及占全國(guó)水資源總量占比的變化（1998—2015年）

同時(shí)，人口增長(zhǎng)也加劇了水資源的緊張。華北地區(qū)人均水資源量從1998年的450 m3/人，下降到2015年的207 m3/人，減幅達(dá)54.0%（見圖5），這種下降幅度是驚人的。

圖5 華北地區(qū)人均水資源量變化形勢(shì)

根據(jù)這些年來的水資源年型分類計(jì)算的人均水資源量分別為：豐水年（1998年、2003年）平均人均水資源量為478 m3/人；偏豐水年（2000年、2004年、2005年、2007年、2010年）平均人均水資源量為373 m3/人；平水年（2008年、2009年、2011年、2012年）平均人均水資源量為302 m3/人；偏枯水年（2001年、2006年、2013年、2014年、2015年）平均人均水資源量為214 m3/人；枯水年（1999年、2002年）平均人均水資源量為189 m3/人。雖然不同水文年型的人均水資源量差異較大，但總體上，華北地區(qū)人均水資源量占有很低，即便在豐水和偏豐水年也是如此。

同時(shí)，耕地平均占有的水資源量， 綜合不同水文年型的數(shù)據(jù)計(jì)算可知，豐水年平均為5585 m3/hm2；偏豐水年平均為4558 m3/hm2；平水年平均為3746 m3/hm2；偏枯水年平均為2771 m3/hm2；枯水年平均為2234 m3/hm2（見圖6）?？梢?，不同水文年型的耕地占有水資源量差距較大，豐水年是枯水年的2.5倍；偏豐水年是偏枯水年的1.6倍，因此，筆者認(rèn)為，平水年的3746 m3/hm2則更能代表該區(qū)的耕地平均占有水資源量狀況。

總體上，華北地區(qū)水資源形勢(shì)較為緊張，在降水量適度增加、水資源量大幅下降、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、人口增長(zhǎng)等多重因素的綜合影響下，華北地區(qū)的農(nóng)業(yè)用水形勢(shì)和水土資源匹配形勢(shì)都更加嚴(yán)峻。

圖6 華北地區(qū)單位耕地平均水資源量變化

（二）華北地區(qū)的廣義農(nóng)業(yè)可用水量

為解決從純粹雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)到完全灌溉農(nóng)業(yè)之間的連續(xù)譜系中的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水問題，在相關(guān)研究全球農(nóng)業(yè)用水范式變遷的核心概念的基礎(chǔ)上，建立了新的中國(guó)農(nóng)業(yè)用水分析綜合框架。該分析框架從藍(lán)水和綠水概念出發(fā)，提出并定義了“廣義農(nóng)業(yè)水資源”的概念[4～6]。它由兩個(gè)分量組成，即耕地降水量和耕地灌溉量。耕地降水量是指天然降雨降落在耕地上的水量，即“綠水”分量；而耕地灌溉量則是耕地接受的灌溉水量，即“藍(lán)水”分量。

“藍(lán)水”指的是天然降水降落到地球表面形成徑流，進(jìn)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”。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，其中一部分被植被冠層截留并以蒸發(fā)的方式返回大氣，另外部分直接降落于土壤表面。降落于土壤表面的部分其中一部分以土壤表面蒸發(fā)的方式返回大氣，而另外一部分則通過入滲進(jìn)入土壤，供給植物生長(zhǎng)發(fā)育的需要，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(zhǎng)發(fā)育的蒸散發(fā)需要，所以又被稱為“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(kù)”。而被植物蒸散發(fā)的部分就被稱之為“綠水流”。上述分析表明，“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)育以及生物量和最終經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的形成都具有重要作用。因此，在評(píng)價(jià)農(nóng)作物可利用的水量時(shí)要將“綠水”考慮在內(nèi)。農(nóng)業(yè)水資源不僅包括耕地灌溉“藍(lán)水”，還應(yīng)包括耕地有效降水的“綠水”。廣義農(nóng)業(yè)可用水資源是指農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育可以潛在利用的耕地有效降水“綠水”資源和耕地灌溉“藍(lán)水”資源的總和。

與“廣義農(nóng)業(yè)可用水資源”概念相對(duì)應(yīng)的還有一些主要概念：灌溉（“藍(lán)水”）消耗率（耗水率），是指流域或區(qū)域范圍內(nèi)，灌溉水被作物以蒸散發(fā)的形式消耗的水量與灌溉引水量之比。降水（“綠水”）消耗率（耗水率），是指在流域或區(qū)域范圍內(nèi)，降落到耕地上的天然降水被作物以蒸散發(fā)的形式消耗的水量與耕地降水量之比。灌溉（“藍(lán)水”）貢獻(xiàn)率，是指在流域或區(qū)域范圍內(nèi)，糧食生產(chǎn)中消耗的總蒸散量中來源于灌溉的部分與總蒸散量之比。降水（“綠水”）貢獻(xiàn)率，是指在流域或區(qū)域范圍內(nèi)，糧食生產(chǎn)消耗的總蒸散量中來源于降水的部分與總蒸散量之比。水分生產(chǎn)力，是指在流域或區(qū)域范圍內(nèi)，糧食產(chǎn)量與生產(chǎn)過程中消耗的蒸散量之比。

根據(jù)上述概念模型建立的計(jì)算方法所計(jì)算結(jié)果可知：1998—2014年，華北廣義農(nóng)業(yè)水資源量的最大值為1.927×1011m3，出現(xiàn)在2003年（豐水年）；最小值為1.041×1011m3，出現(xiàn)在2002年（枯水年）。其中，耕地灌溉量最大值為5.27×1010m3，出現(xiàn)在1999年（枯水年）；最小值為3.54×1010m3，出現(xiàn)在2014年（偏枯水年）。耕地降水量最大值為1.523×1011m3，出現(xiàn)在2003年（豐水年）；最小值為1.041×1011m3，出現(xiàn)在2002年（枯水年）。廣義農(nóng)業(yè)水資源量在18年間平均值為1.647×1011m3，其中耕地降水平均值為1.224×1011m3，耕地灌溉平均值為4.23×1010m3（見圖7）。按水文年型計(jì)算，豐水年平均為1.816×1011m3，偏豐水年為1.699×1011m3，平水年為 1.657×1011m3，偏枯水年為1.557×1011m3，枯水年為1.555×1011m3。

圖7 華北地區(qū)廣義農(nóng)業(yè)水資源量及其分量變化趨勢(shì)

在廣義農(nóng)業(yè)可用水資源量中，“綠水”和“藍(lán)水”的相對(duì)比例在20%～80%波動(dòng)，降水占比最大值為79.1%，出現(xiàn)在2003年（豐水年）；灌溉占比最大值為33.2%，出現(xiàn)在1999年（枯水年）；降水占比最小值為66.8%，出現(xiàn)在1999年（枯水年）；灌溉占比最小值為20.9%，出現(xiàn)在2003年（豐水年）（見圖8）。由上述結(jié)果可以明顯看出，隨著水文年型的不同，廣義農(nóng)業(yè)水資源中“藍(lán)”“綠”成分的相對(duì)比例是“此消彼漲”或“此漲彼消”的。

圖8 華北地區(qū)耕地灌溉和降水相對(duì)比例的變化趨勢(shì)

（三）華北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水歷史和現(xiàn)狀

華北農(nóng)業(yè)用水總量從1998年的5.603×1010m3下降到2015年的4.234×1010m3，減幅為24.4%。而農(nóng)業(yè)用水量占該區(qū)總用水量的比例則從1998年的72.2%下降到2015年的61.7%。該區(qū)農(nóng)業(yè)用水量占全國(guó)農(nóng)業(yè)用水總量的比例從1998年的14.9%下降到2015年的11.0%。在農(nóng)業(yè)用水總量中，農(nóng)田灌溉所占比例最大，一直在90%～95%波動(dòng)，但是農(nóng)田灌溉占農(nóng)業(yè)總用水量中的比例一直處于下降趨勢(shì)。由于目前還沒有確切的有關(guān)農(nóng)田灌溉和農(nóng)業(yè)中其他部門用水量的數(shù)據(jù)，所以本文采用的是種植業(yè)中各種作物的灌溉面積來概括農(nóng)田灌溉的歷史和現(xiàn)狀。

華北地區(qū)灌溉總面積從1998年的1.523×107hm2增加到2015年的1.602×107hm2，增幅達(dá)5.1%；占耕地總面積的比例從1998年的45.0%提高到了2015年的55.7%。

華北地區(qū)農(nóng)田有效灌溉面積從1998年的1.436×107hm2增加到了2015年的1.507×107hm2；占耕地總面積的比例從1998年的61.1%提高到了2015年的65.8%。而農(nóng)田有效灌溉面積占總灌溉面積的比例則從1998年的94.2%下降到2015年的92.7%。從灌溉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，耕地灌溉占比有所下降，林地灌溉比例增幅最大，其他灌溉基本維持原狀。

在華北農(nóng)田有效灌溉面積占華北耕地面積比例適度提高、農(nóng)田灌溉面積不斷提高、農(nóng)田灌溉面積占總灌溉面積有小幅下降的情況下，華北農(nóng)田灌溉量卻在穩(wěn)步下降。從1998年的4.512×1010m3下降到2015年的3.942×1010m3。平均不同水文年型的農(nóng)田灌溉量，豐水年平均為4.39×1010m3，偏豐水年為4.19×1010m3，平水年為4.2×1010m3，偏枯水年為4.67×1010m3，枯水年為5.23×1010m3。因此，華北地區(qū)農(nóng)田灌溉量的下降，一方面是由于自2003年以來，只有兩個(gè)偏枯年份，其余年份都是平水或偏豐年份；另外一方面是由于農(nóng)田節(jié)水灌溉技術(shù)的大面積推廣。

（四）華北糧食生產(chǎn)中“綠水”和“藍(lán)水”貢獻(xiàn)率

本文還計(jì)算了華北五?。ㄊ校┧拇蠹Z食作物（水稻、玉米、小麥、大豆）產(chǎn)量中“綠水”和“藍(lán)水”的貢獻(xiàn)率。結(jié)果顯示，在華北糧食生產(chǎn)中，綠水貢獻(xiàn)率在60.9%～69.3%，平均為65.5%；“藍(lán)水”貢獻(xiàn)率在30.7%～39.1%，平均為34.5%。即在主要糧食作物的生產(chǎn)中，“綠水”貢獻(xiàn)約六成半，“藍(lán)水”貢獻(xiàn)約三成半。從水文年型分析，在豐水年，灌溉平均貢獻(xiàn)率為34.0%，降水平均貢獻(xiàn)率為66.0%；在偏豐水年，灌溉平均貢獻(xiàn)率為33.0%，降水平均貢獻(xiàn)率為67.0%；在平水年，灌溉平均貢獻(xiàn)率為33.2%，降水平均貢獻(xiàn)率為66.8%；在偏枯水年，灌溉平均貢獻(xiàn)率為35.4%，降水平均貢獻(xiàn)率為64.6%；在枯水年，灌溉平均貢獻(xiàn)率為39.0%，降水平均貢獻(xiàn)率為61.0%。綜上，華北地區(qū)灌溉和降水對(duì)糧食生產(chǎn)耗水的相對(duì)貢獻(xiàn)率的變化與水文年型是基本吻合的。但豐水年和偏豐水年的灌溉貢獻(xiàn)率并未比平水年有很大程度的降低，這也許是多水年份用水緊張緩解后，反而會(huì)提高用水量，這與國(guó)內(nèi)外許多對(duì)節(jié)水灌溉的研究所得出的“越節(jié)水越用水”的結(jié)論有可類比之處[7～9]。

（五）全國(guó)及華北地區(qū)糧食生產(chǎn)耗水和水分生產(chǎn)力

糧食生產(chǎn)耗水量是指在糧食作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量形成過程中消耗的實(shí)際蒸散量。水分生產(chǎn)力是指糧食作物單位耗水量所形成的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。本文計(jì)算的糧食作物水分生產(chǎn)力是水稻、小麥、玉米、大豆四大糧食作物的混合水分生產(chǎn)力，由于四大糧食作物在糧食生產(chǎn)中的占比一直穩(wěn)定在90%以上，因此，這四大糧食作物的水分生產(chǎn)力可以代表糧食生產(chǎn)的總體耗水和水分生產(chǎn)力情況。

一般觀點(diǎn)認(rèn)為發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)會(huì)在保證糧食產(chǎn)量穩(wěn)定增長(zhǎng)滿足消費(fèi)需求的前提下減少農(nóng)業(yè)用水消耗，從而明顯節(jié)約農(nóng)業(yè)水資源。實(shí)際上，節(jié)水農(nóng)業(yè)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)遠(yuǎn)不能達(dá)到此效果，在糧食總產(chǎn)量基數(shù)已經(jīng)很大的情況下，大面積的糧食增產(chǎn)肯定會(huì)增加耗水量，用水量也會(huì)相應(yīng)增加。本研究的計(jì)算結(jié)果也印證了這一結(jié)論：2004—2015年，中國(guó)糧食生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)“十二連增”，其中四大糧食作物總產(chǎn)也連年增長(zhǎng)，而同期的四大糧食作物總耗水量也在同步增長(zhǎng)。但增長(zhǎng)幅度明顯放緩，說明水分生產(chǎn)力的同步提高。

因?yàn)閺?998年我國(guó)糧食生產(chǎn)達(dá)到歷史最高值后開始了連續(xù)幾年的下滑，一直到2003年，華北地區(qū)也不例外，也有類似的下滑趨勢(shì)。因此在分析計(jì)算水分生產(chǎn)力的時(shí)候，排除1998—2003年的數(shù)據(jù)，而僅計(jì)算糧食生產(chǎn)恢復(fù)增長(zhǎng)后的情況。2004—2015年，華北地區(qū)四大糧食作物總的水分生產(chǎn)力從1.275 kg/m3提高到1.801 kg/m3，提高幅度達(dá)41.3%。水分生產(chǎn)力的提高與多種因素相關(guān)，其中最重要的因素就是糧食作物單產(chǎn)水平的提高。華北地區(qū)四大糧食作物總的單產(chǎn)水平已經(jīng)從2004年的4.95 t/hm2提高到了2015年的5.98 t/hm2，增幅達(dá)20.7%。作物單產(chǎn)和水分生產(chǎn)力之間具有明顯的相關(guān)關(guān)系（見圖9）。

2015年，全區(qū)的水土資源高度不匹配。華北耕地?cái)?shù)量占全國(guó)的比例為16.96%，但是，該區(qū)的水資源卻只占全國(guó)的2.25%，灌溉用水量占全國(guó)的10.74%。其中情況最嚴(yán)重的是河北、河南、山東三省，河北省用僅占全國(guó)0.485%的水資源耕種了全國(guó)4.83%的耕地，而河南用僅占全國(guó)1.03%的水資源耕種了全國(guó)6.00%的耕地，山東則用僅占全國(guó)0.60%的水資源耕種了全國(guó)5.64%的耕地。1998—2015年，該區(qū)域一直維持這種水土資源格局。這種水土資源的高度不匹配在目前高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)社會(huì)背景下，很難在短期內(nèi)得以扭轉(zhuǎn)，也是華北地區(qū)食物安全必須面對(duì)的重大挑戰(zhàn)。

圖9 華北地區(qū)四大糧食作物單產(chǎn)和水分生產(chǎn)力之間關(guān)系

三、戰(zhàn)略對(duì)策建議

根據(jù)以上結(jié)果，綜合本課題其他研究成果，本文提出以下相關(guān)戰(zhàn)略對(duì)策建議。

第一，結(jié)合當(dāng)前深化農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革要求，對(duì)華北地下水嚴(yán)重超采區(qū)尤其是河北黑龍港地區(qū)的糧食和蔬菜生產(chǎn)基地進(jìn)行重新定位，同時(shí)應(yīng)充分認(rèn)識(shí)冬小麥的生態(tài)功能，短期不宜大規(guī)模壓縮小麥種植面積，而應(yīng)以水限產(chǎn)，發(fā)展半旱地農(nóng)業(yè)，通過提高小麥品質(zhì)保障農(nóng)民收入；適當(dāng)壓縮高耗水蔬菜產(chǎn)能，建立適水農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)。

第二，要在嚴(yán)重缺水區(qū)降低熟制或發(fā)展半旱地農(nóng)業(yè)。針對(duì)深層地下水嚴(yán)重超采的河北省51個(gè)縣、天津4個(gè)區(qū)（縣）；山東12個(gè)縣和河南的6個(gè)縣，共73個(gè)縣（區(qū)），涉及耕地面積4.88×104km2，改變當(dāng)前的“冬小麥-夏玉米”一年兩熟制為一年一熟制。考慮到華北地區(qū)在我國(guó)小麥供應(yīng)方面的重要性以及冬小麥秋播后可形成有效的地表覆蓋層，對(duì)減少冬春沙塵風(fēng)險(xiǎn)有重要作用，可實(shí)施冬小麥一年一熟種植，或者實(shí)施足墑播種條件下其他生育期不灌溉的小麥-玉米半旱地農(nóng)業(yè)種植，維持小麥-玉米農(nóng)田年耗水量在550～600 mm，可實(shí)現(xiàn)這些區(qū)域深層地下水位不再下降。在此背景下，該地區(qū)糧食產(chǎn)量會(huì)降低2.2×1010kg，意味著華北糧食產(chǎn)量將減產(chǎn)15.7%，相當(dāng)于全國(guó)糧食總產(chǎn)量減產(chǎn)3.6%。

第三，要在缺水區(qū)降低灌溉用水強(qiáng)度。研究表明，減少種植面積和熟制，將增加土壤無效蒸發(fā)損失，對(duì)產(chǎn)量影響大，而節(jié)水效果小于單位面積減少灌溉水量的效果，減少單位面積灌溉量對(duì)冬小麥產(chǎn)量影響較小，有限灌溉水用于擴(kuò)大灌溉面積比單位面積增加灌溉用水量對(duì)產(chǎn)量的影響更小，降低單位面積灌溉用水強(qiáng)度優(yōu)于壓縮灌溉面積。針對(duì)淺層地下水超采的北京市6個(gè)區(qū)（縣）、天津市9個(gè)區(qū)（縣）、河北省50個(gè)縣、山東省25個(gè)縣、河南27個(gè)縣，共117個(gè)縣（區(qū)），涉及耕地面積為7.13×104km2，可保持當(dāng)前的“冬小麥-夏玉米”一年兩熟制種植制度不變，實(shí)施冬小麥減少灌溉次數(shù)，足墑播種，拔節(jié)期灌溉一次，干旱年在開花期追加一次灌水，夏玉米產(chǎn)量保持不變，冬小麥生育期減少耗水量在70～90 mm，冬小麥產(chǎn)量會(huì)降低8.6×109kg, 占華北糧食產(chǎn)量的6.1%，可基本實(shí)現(xiàn)淺層地下水采補(bǔ)平衡。

第四，要在水資源富裕區(qū)充分挖掘糧食增產(chǎn)潛力。華北水資源嚴(yán)重短缺區(qū)糧食生產(chǎn)降低可通過黃河和淮河流域水資源富裕區(qū)的糧食生產(chǎn)得到彌補(bǔ)，通過在水資源相對(duì)豐富的江蘇省49個(gè)縣、山東省16個(gè)縣、河南省南部的45個(gè)縣，共110個(gè)縣，涉及耕地面積為1.128×105km2，通過技術(shù)進(jìn)步提升冬小麥和夏玉米單產(chǎn)并適度擴(kuò)大小麥、玉米種植面積，完全可彌補(bǔ)由于嚴(yán)重缺水區(qū)和缺水區(qū)糧食生產(chǎn)減少帶來的小麥、玉米產(chǎn)量降低。

第五，要適度縮減蔬菜種植規(guī)模。針對(duì)華北目前蔬菜供大于求的現(xiàn)狀，可壓減蔬菜種植面積10%～15%，對(duì)區(qū)域蔬菜供應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生影響，在穩(wěn)定蔬菜價(jià)格和提升蔬菜品質(zhì)基礎(chǔ)上，不會(huì)影響農(nóng)民收益。而通過縮減蔬菜種植面積7×106～8×106畝，一年可減少灌溉水消耗達(dá)2.5×109～3.0×109m3，對(duì)減少地下水開采效果顯著。

綜上所述，華北地區(qū)近20年來，在水資源加劇短缺和農(nóng)業(yè)用水受到工業(yè)化、城市化和生態(tài)用水的競(jìng)爭(zhēng)和擠壓下，依然取得了糧食連續(xù)增產(chǎn)。這應(yīng)歸功于灌溉效率的不斷提升、單產(chǎn)的連續(xù)提高、水分生產(chǎn)力的持續(xù)增長(zhǎng)。但是，在氣候變化影響下，未來華北水資源形勢(shì)仍不容樂觀。同時(shí)，農(nóng)業(yè)用水還受到用水紅線的制約，而實(shí)現(xiàn)食物安全又必須要有一定的水資源保障。在中央要求的“一控兩減三基本”的政策約束下，以往的高投入、大強(qiáng)度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式不可持續(xù)，但是經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化和人口增長(zhǎng)的需求又必須滿足，因此，華北地區(qū)的食物安全必須轉(zhuǎn)向依靠“可持續(xù)集約”的生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)方式。優(yōu)化水土資源的匹配，加強(qiáng)對(duì)地下水超采的控制、大力發(fā)展適水農(nóng)業(yè)，向工程、農(nóng)藝、制度節(jié)水要效益，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)下國(guó)際化綠色化背景下華北食物安全的水資源保障。