以“四个统筹”为核心的农业水管理策略研究
摘要：近年来，我国粮食生产重心不断向以东北、黄淮海等为代表的北方地区转移，粮食生产呈现出与水资源分布错位的格局。粮食生产用水特征分析显示，北方地区的粮食生产水足迹低，但粮食水足迹占比大，与区域水资源可利用量的空间分布相悖，大规模粮食生产导致北方地区水资源压力不断增加。面对保障粮食安全面临的水资源禀赋不足、水土资源空间分布不均、国际突发事件影响等挑战，提出统筹蓝水与绿水利用，统筹实体水和虚拟水耦合调控，统筹国内和国际粮食虚拟水贸易，统筹农艺、工程、生物和管理节水措施等“四个统筹”，构建农业高效用水新理论与新方法，提升农业新质生产力在农业节水方面的效能，实现粮食生产和消费全过程用水安全。
关键词：水安全；粮食安全；水足迹；虚拟水；新质生产力
作者简介：吴普特，校长，二级教授，主要从事农业水土资源高效利用相关研究。
基金项目：国家重点研发计划项目（2022YFD1900400）。
水资源和粮食是人类生存与发展不可或缺的基础资源。气候变化、人口增加、全球突发公共卫生事件、区域冲突等均对全球水资源与粮食生产带来全局性和区域性挑战。联合国粮食及农业组织（FAO）指出，确保充足的水资源和粮食供应成为全球多国面临的重大挑战。
作为人口大国，我国粮食产量和消费量约占世界粮食产量和消费量的1/4，而人均水资源量和单位耕地面积水资源量仅为世界平均水平的1/4和1/2，我国水安全和粮食安全对于全球粮食生产用水、供应格局和消费需求有深远影响。国民经济发展、社会稳定、生态环境可持续和国家自立的全局性重大问题与水安全和粮食安全息息相关，如何通过多维度、全过程的农业用水调控提高农业水资源利用率和利用效率，是实现农业水科学管理、保障水安全和粮食安全的基本前提。
本文从我国粮食生产时空演变特征切入，阐明粮食生产过程用水特征，探讨粮食生产用水面临的挑战，最后引入新质生产力理论，就如何通过统筹蓝水（地表水和地下水）与绿水（有效降水）利用，统筹实体水和虚拟水耦合调控，统筹国内和国际粮食虚拟水贸易，统筹农艺、工程、生物和管理节水措施，实现多维度、全过程用水管理提出了初步设想。
01、我国粮食生产现状
1.粮食播种面积呈持续增加态势，但南北方空间差异明显
1970—2021年，我国粮食播种面积呈现先减后增的态势，2003年播种面积最小，仅为9940.99万hm²，2016年增至11923.01万hm²。各区域间自然环境、资源禀赋、区位条件和发展水平差异明显，多数省份粮食生产播种面积减少，如北京和上海由于城市功能定位等原因，播种面积降幅分别为88.70%和78.34%。播种面积呈增加态势的有8个省份，其中作为粮食主产区的内蒙古和黑龙江增幅分别为186.05%和99.15%。2021年，黑龙江粮食播种面积为1455.13万hm²，北京和上海仅为6.09万hm²和11.74万hm²。由于南北方产业布局、经济发展和人口流动等原因，粮食生产空间格局发生较大变化。1970—2021年，北方地区粮食播种面积增幅为11.00%，而南方地区的降幅达14.79%，北方地区粮食播种面积于1993年超过南方。东北、黄淮海地区的粮食播种面积增加，而西南、华南、东南地区降幅明显，南北方差距不断扩大，导致粮食播种面积与水资源的空间分布错位进一步加剧。作为第一产业生产所需的基本要素，我国粮食播种面积聚集在粮食主产区，占全国总面积的75.29%。当前北方地区粮食播种面积为6887.34万hm²，其中黄淮海和东北地区达到3286.57万hm²和3070.04万hm²，南方仅为4875.74万hm²。粮食生产重心逐步向北方地区聚集，使得区域内粮食生产压力加剧。
▲1970年和2021年31个省份粮食播种面积对比
2.粮食产量的重心呈由南向北迁移的特征，形成东北和黄淮海等粮食主产区
我国粮食产量由1970年的2.40亿t增至2021年的6.83亿t，增幅达184.58%，对于保供稳价、稳定经济运行具有重要意义。受到人口增长、自然灾害、水土污染、农业设施投入等因素影响，粮食产量增加较大的省份为内蒙古、黑龙江和新疆，增幅分别达1810.60%、531.95%和465.40%，对比发现产能减少地区均为经济发达地区，产能增幅前三位的内蒙古、黑龙江和新疆均为干旱缺水、经济相对不发达地区。2021年，我国粮食产量最大的省份为黑龙江、河南和山东，分别达到7867.72万t、6544.17万t和5500.75万t，共占全国粮食总产量的29.16%。与此同时，粮食主产区的产量占全国的78.50%，为我国粮食安全提供根本保障。
我国南北方地区的经济发展格局变化突出，粮食产量重心逐步由南向北迁移。北方得益于农业综合开发、商品粮基地建设和水利设施优化等因素，粮食生产供给能力增强，相反南方因消费结构升级、市场需求增加和种植区域缩减，以及对于非农人口就业的拉动作用优于北方等，粮食生产供给能力下降，逐步形成了“北粮南运”的格局。1970—2021年，南北方地区的粮食产量增幅分别为93.52%和319.26%，北方地区粮食产量于2005年超过南方，且两者间差距逐年加大。2021年北方地区产量为40580.08万t，南方为27704.69万t，北方已成为我国粮食生产的重心。其中，东北和黄淮海地区成为对全国粮食产量贡献最大的区域，占比超过56%，并以466.31%和259.50%的产量增幅，形成了东北和黄淮海等粮食主产区。
▲1970年和2021年31个省份粮食产量对比
现阶段，我国南北方地区的粮食播种面积和产量差距不断扩大，粮食生产重心逐步向北方地区聚集，东北和黄淮海地区等粮食主产区面对稳定粮食生产、保障有效粮食供给的压力较大。
02、粮食生产用水状况
目前，全球农业用水占总用水量的比重超70%，我国长期维持在60%～70%，而粮食播种面积和产量的区域化分布导致各省份的农业用水量差异明显。随着节水技术的进步和推广应用，2021年我国农业用水占比下降至61.5%，实现了农业用水比例下降的同时保障粮食的稳产增产。
水足迹是评价人类生产和消费活动对水资源占有和影响的指标，是一个体现消耗水量、水源类型、污染量和污染类型的多层面指标，其对于粮食生产用水评价具有深远影响。水足迹可分为蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹。蓝水足迹指产品在其供应链中对地表水和地下水等蓝水资源的利用量；绿水足迹指对存储在土壤中的有效降水等绿水资源的利用量；而灰水足迹指以自然本底浓度和现有的环境水质标准为基准，将一定污染物负荷稀释到特定浓度所需的淡水量，是与污染有关的指标。与传统水资源评价体系相比，水足迹外延和内涵更为丰富，在功能上能够更好地反映粮食生产用水状况。在水足迹视角下，我国粮食生产用水呈现一些特征。
1.粮食生产用水效率呈上升态势，且空间异质性较强
作为评价用水效率的指标，粮食生产水足迹指生产单位经济产量粮食所消耗的水资源量（m³/kg），粮食生产蓝水足迹指生产单位经济产量粮食所消耗的蓝水资源量（m³/kg），粮食生产绿水足迹指生产单位经济产量粮食所消耗的绿水资源量（m³/kg）。
我国粮食生产水足迹整体呈下降态势，与1997年相比，2021年全国均值由1.395m³/kg降至0.958m³/kg。
▲1997年和2021年31个省份粮食生产水足迹对比
受作物种类、气候变化和农业用水水平等因素影响，粮食生产水足迹空间异质性较强，南方地区的西藏、海南和福建粮食生产水足迹分别达到1.947m³/kg、1.828m³/kg和1.667m³/kg，而北方地区的山西、河南和山东仅为0.638m³/kg、0.622m³/kg和0.593m³/kg，南方地区的粮食生产水足迹整体高于北方地区。伴随农业种植结构优化、节水技术推广和水资源合理配置，南北方粮食生产水足迹均有所下降。北方地区由于用水效率提高，粮食生产水足迹降幅较大，近5年均值为0.891m³/kg，较1997年降低了31.23%。2021年华南、东南和西南地区的粮食生产水足迹分别为1.552m³/kg、1.440m³/kg和1.024m³/kg，区域内水足迹调控潜力较大，需进一步通过加强节水农业实现技术节水、高效用水的系统管理。
2.粮食生产用水与资源禀赋密切相关
我国粮食生产蓝水足迹均值降幅明显，由1997年的0.631m³/kg降至2021年的0.350m³/kg。全国仅西藏、福建、重庆和黑龙江粮食生产蓝水足迹呈增加态势，增量分别为0.280m³/kg、0.124m³/kg、0.037m³/kg和0.006m³/kg，粮食生产所需蓝水资源的利用效率提升效果明显。
▲1997—2021年各省份粮食生产蓝水足迹演变趋势
受不同区域间作物种类、农业用水水平、气候等因素差异影响，西北等蒸发强烈地区、华南等水稻种植地区的蓝水足迹较高，其中2021年西藏、海南和福建等地粮食生产蓝水足迹为全国最高，分别为1.405m³/kg、1.048m³/kg和1.011m³/kg。由于粮食主产区集中在北方，加上北方水资源紧缺，随着节水技术发展、种植结构优化等，1997—2021年，北方粮食生产蓝水足迹下降了0.557m³/kg，远高于南方的0.160m³/kg。
与1997年相比，2021年我国粮食生产绿水足迹呈下降趋势，均值由0.765m³/kg降至0.608m³/kg。其空间分布特征与降水分布一致，2021年贵州、青海和广东粮食生产绿水足迹分别达到1.107m³/kg、0.905m³/kg和0.873m³/kg。
▲1997—2021年各省份粮食生产绿水足迹演变趋势
受不同区域降水、作物种类等因素影响，当前南方地区粮食生产绿水足迹均值为0.698m³/kg，北方地区仅为0.547m³/kg，整体呈南高北低分布格局。1997—2021年北方地区粮食生产绿水足迹下降0.118m³/kg，少于南方的下降值0.151m³/kg。
以上信息表明南方粮食生产对于绿水资源的依赖性较高。
3.南北方粮食生产用水演变趋势差异明显
就南北方粮食水足迹（粮食生产总用水量）而言，北方呈增加态势，而南方呈减少态势。
▲1997—2021年南北方粮食水足迹演变趋势
近5年，北方地区粮食水足迹（蓝水足迹与绿水足迹之和）均值为3504.1亿m³，占全国总量的52.03%，较1997年增加20.20%，其中蓝水足迹1275.10亿m³，占全国粮食蓝水足迹总量的50.44%，是粮食生产重要的水资源消耗途径。与此同时，南方地区粮食水足迹降幅明显，这与南方省份的粮食生产规模下降有关。1997—2021年，黑龙江、吉林、河南等北方粮食主产区粮食水足迹呈现增加趋势，且粮食水足迹近5年均值达4945.12亿m³，占全国总量的73.43%，较1997年增加12.70%。大规模粮食生产使水资源需求增加，但西北、华北等干旱缺水地区粮食蓝水足迹占比高于绿水足迹，未来需进一步优化产业布局和水资源配置。
03、粮食生产用水存在的安全问题
通过探讨我国粮食播种面积、产量和单位面积产量的时空演变趋势，以及基于水足迹视角评价粮食生产用水的时空特征，现阶段我国粮食生产用水主要面临以下挑战。
1.水资源禀赋不足
我国人均水资源量、单位耕地面积水资源量仅为世界平均水平的1/4和1/2，资源禀赋对于粮食生产有所遏制。2021年我国水资源总量为29638.2亿m³，供水总量和用水总量均为5920.2亿m³，人均综合用水量仅为419m³，水资源较为匮乏。同年，农业用水量达到3644.3亿m³，耕地实际灌溉亩均用水量为355m³，粮食生产对水资源需求较大且利用效率偏低。保障国家水安全和粮食安全，需通过农业节水缓解水资源短缺等问题。
2.水土资源不匹配
我国水资源较丰富地区主要聚集在长江、珠江、西南诸河以及黑龙江等流域和区域。2021年中国水资源公报显示，2021年长江、西南诸河和珠江3个水资源一级区的水资源总量分别为11186.2亿m³、5351.8亿m³和3643.0亿m³，共占全国总量的68%。耕地资源丰富地区以东北、黄淮海、西北等区域为主。第三次全国国土调查结果表明，我国耕地面积为12786.19万hm²，水田面积3139.20万hm²，水浇地面积3211.48万hm²，旱地面积6435.51万hm²。黑龙江、内蒙古、河南、吉林、新疆等5个省份耕地面积较大，共占全国耕地的40%。以秦岭—淮河为分界线的南北方资源禀赋差异明显，水资源主要集中在南方，占全国总量的81%；耕地资源以北方为主，占全国的64%，由此造成了粮食生产所需的水土资源不匹配。
3.生产侧用水效率提升，边际效益递减
1997—2021年，我国灌溉水利用系数由0.406增至0.568，农业用水效率提高，但增幅逐年缩减。2021年，北京、上海和天津的灌溉水利用系数分别为0.751、0.739和0.721，而贵州、四川和西藏仅为0.491、0.490和0.454。区域间灌溉水利用系数差异明显，主要受到自然地理条件与灌区的管理水平、技术条件、土壤状况等因素影响。统计不同时段的农田灌溉水利用系数变率数据发现，1997—2000年增幅为19.46%，而2019—2021年增幅仅为1.61%，这说明未来生产侧提高灌溉水利用系数的边际效益逐渐减小，因此需拓展新的农业水管理理论与技术路径，以持续提升农业用水效率和效益。
4.区域虚拟水流动虽然保障了全局水与粮食安全，但北方地区水资源和环境可持续性下降
我国南北方人口占比分别为59%和41%，粮食产量和人口增速的差异使传统的“南粮北运”自1990年转换为“北粮南运”，且规模持续扩张。2021年，我国12个省份为粮食调出省份，其中仅江西位于南方地区。伴随着粮食调运，内嵌于粮食中的水资源也在区域中发生了转移。虚拟水指凝结在商品或服务中的水资源量（包括蓝水和绿水）。虚拟水流动指因产品调运所引起的“内嵌”于产品中以虚拟水形式存在的水资源在不同区域间的转移和流动。黑龙江、吉林和内蒙古的粮食调出量分别为6354.96万t、2889.54万t和2678.50万t，伴有778.77亿m³、252.82亿m³和186.10亿m³的虚拟水流出。南方地区的广东、浙江和福建为粮食调入量最多的省份，分别为4860.24万t、2545.00万t和1520.44万t，带入的流动虚拟水量达467.87亿m³、244.99亿m³和146.36亿m³。由于“北粮南运”，北方水资源压力增加超过20%，灰水足迹增加10%，加剧了北方地区水资源和环境压力。
5.国际形势的影响
我国2020年和2021年的粮食进口量分别为1.4亿t和1.6亿t，约占我国粮食总需求量的15%～20%。其中，大豆进口量呈逐年增加态势，2020年后已超过1亿t，若这些进口粮食在国内生产，经测算需多消耗约1645亿m³水资源（其中蓝水691亿m³、绿水954亿m³），并占用2756万hm²耕地资源。数据表明，我国谷物供应虽基本实现自给，但粮食进口量仍逐年增加。近年来，国际重大突发事件频发，严重影响国际及我国粮食贸易安全，造成粮价大幅度上涨，进而引发全球区域性粮食危机。
04、基于“四个统筹”的农业水管理策略
我国地域辽阔，地跨多个温度带和干湿地区，并且地形复杂，地势高低悬殊，水资源禀赋不足，水土资源空间分布不均。伴随人口上涨、经济快速发展和居民膳食结构转变，“北粮南运”使北方地区粮食生产面临供水不足、用水效率提升缓慢等问题，加上国际形势的影响，我国粮食安全面临新的危机与挑战，亟须提出相应生产用水战略。
发展新质生产力是推动高质量发展的内在要求和重要着力点。新质生产力在创新作用的推动下，需摆脱传统经济增长方式、生产力发展路径。新质生产力相比于传统生产力，其技术水平更高、质量更好、效率更高、更可持续，具有高科技、高效能、高质量的特征，是符合新发展理念的先进生产力质态。现阶段，新质生产力的提出可引领我国农业强国建设，并在生产要素、产业、生产关系、治理体系等多个方面有所体现。水足迹和虚拟水理论的提出，为实现粮食生产和消费全过程用水调控、提高农业用水综合效率提供科学理论依据。本文提出以“四个统筹”为核心的农业水管理策略，构建农业高效用水新理论与新方法，加强农业新质生产力的应用。
▲基于“四个统筹”的农业水管理策略
1.实现粮食生产过程蓝水与绿水利用统筹管理，从生产侧提高水资源利用效率
传统农业用水管理多侧重于对蓝水的管理，但绿水保障了全球60%的作物生产，在我国这一比例为45%。因此，实现粮食生产过程蓝水与绿水的统筹管理是解决水资源禀赋不足的重要途径之一。引入信息技术和大数据分析等，并根据区域气候、作物种类和用水水平等影响因素制定粮食水足迹（蓝水和绿水足迹）控制标准，并将其作为农业生产活动对水资源利用总量、效率和环境影响的控制红线。积极推动多元化的水资源供应策略，在农业生产侧用水调控过程中，先进技术和区域特征可提高绿水资源利用效率，技术推广、科学管理和重点投入可优化蓝水资源利用效率，统筹生产过程蓝绿水资源的利用，综合提高生产侧农业用水效率。
2.实现生产侧与消费侧农业用水统筹管理，构建基于实体水-虚拟水耦合调控的适水发展模式
全球76%的虚拟水流动源于粮食贸易，因而有必要实施区域实体水-虚拟水统筹管理，在全口径水资源视角下进行水资源规划。统筹实体水与虚拟水围绕综合利用节水、实体水调运、虚拟水贸易等措施展开，即灌区通过“水足迹调控增效、农业用水补偿奖征等”、流域通过“实体水调配、产前—产中—产后全过程用水管理等”、国家尺度通过“虚拟水流动格局优化、实体水-虚拟水耦合配置等”为模式的调控策略，实现区域实体水-虚拟水统筹管理。基于不同粮食作物水足迹的区域比较优势，结合水资源禀赋和气候适宜性，进行区域种植结构优化，发展精准农业和循环农业，以实现适水、高效的粮食生产空间布局。
3.实现国际与国内粮食市场统筹联动，保障国家水安全与粮食安全
我国粮食进口量逐年增加。近年来，国际重大突发事件频发，对我国粮食贸易安全造成了严重影响。为此，需通过加强粮食储备和物流体系建设确保国家粮食供应的稳定性，建立预警机制及时应对国际市场波动，调整进口策略保障国内市场供应，以及制定灵活的管理机制，在面对国际形势不确定时迅速应对和调整，进而对国际形势的变化进行风险评估，及时调整国内水资源和粮食安全政策；积极发展多元化粮食供应渠道，与多个国家签订稳定的粮食合作协议，确保粮食进口渠道的多样性；积极参与国际水资源和粮食安全合作等组织，与其他国家和国际组织分享经验、技术和资源，通过国际对话共同应对全球性的水安全和粮食安全挑战。特别是落实中国—中亚峰会精神，通过农业节水增粮技术模式整体输出，大幅度提升发展中国家粮食生产能力，为全球消除饥饿作出中国贡献。
4.统筹农艺、工程、生物和管理节水，全方位全过程提高用水效率
现有理论、技术多在生产环节采用农艺、工程、生物节水等措施提高用水效率，但除自然、灌溉管理等因素会影响农业用水外，消费环节的人口、膳食结构也将通过影响农产品的需求进而影响农业用水。因此，建议在传统理论基础上完善管理节水，依靠科技进步、体制机制创新，以及配套的法规政策，建立节水型经济社会发展体系，加强农业节水人才培养，提高农民科技素质，实现农艺、工程、生物和管理措施多维度并举，全方位全过程提高用水效率的发展目标。
基于“四个统筹”的农业水管理策略，粮食用水安全问题可通过引入高新技术、改善生产条件、优化产业结构等方式，将农业新质生产力推广到粮食生产和消费全过程，提高农业生产效率和质量，推动农业现代化进程，进而保障我国水安全和粮食安全。
Abstract: In recent years, China's grain production has increasingly shifted to northern regions such as Northeast China and the Huang-Huai-Hai region, resulting in a mismatch between grain production areas and the distribution of water resources. The analysis of water characteristics in grain production shows that while the water footprint of grain production in northern regions is low, the proportion of the grain water footprint is high. This is contrary to the spatial distribution of the region's available water resources. Large-scale grain production has led to increasing water resource pressure in northern regions. In response to challenges such as insufficient water resource endowment, uneven spatial distribution of water and soil resources, and the impacts of international emergencies on food security, this study proposes the “four coordinations” strategy. This strategy includes coordinating the use of blue water and green water, coordinating the coupling regulation of physical and virtual water, coordinating domestic and international virtual water trade in food, and coordinating agronomic, engineering, biological, and management water-saving measures. By constructing new theories and methods for efficient water use in agriculture and enhancing the role of new quality productive forces in agricultural water conservation, the goal is to achieve water security throughout the entire process of food production and consumption.
Keywords: water security; food security; water footprint; virtual water; new quality productive forces
