西北地區(qū)水資源與食物安全可持續(xù)發(fā)展研究

王玉寶，劉顯，史利潔，上官周平，吳普特，山侖，趙西寧

（西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西楊凌 712100）

一、前言

近年來(lái)，西北地區(qū)食物生產(chǎn)取得了較大進(jìn)步，當(dāng)前糧食、蔬菜和瓜果等食物人均產(chǎn)量均已超過(guò)全國(guó)水平。但是，西北地區(qū)水資源極度缺乏，大量的食物生產(chǎn)給區(qū)域脆弱的生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了巨大災(zāi)難[1]。人口的持續(xù)增長(zhǎng)，動(dòng)物性食物消費(fèi)比例的提高，氣候變化引起的蒸散增加等情況，將進(jìn)一步加劇區(qū)域水資源危機(jī)。水資源已成為區(qū)域食物安全可持續(xù)發(fā)展的瓶頸[2]。但同時(shí)，西北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)嚴(yán)重，水分生產(chǎn)率低于全國(guó)平均水平。

伴隨著中國(guó)南方經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量的耕地被占用，未來(lái)我國(guó)北方旱區(qū)仍將為糧食主產(chǎn)地區(qū)；同時(shí)，因經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、城鎮(zhèn)化建設(shè)和生態(tài)保護(hù)等的需要，未來(lái)西北地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將面臨產(chǎn)量有所增加而用水量不增加甚至負(fù)增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)。此外，氣候變化和極端天氣的增加也給未來(lái)西北地區(qū)糧食安全生產(chǎn)帶來(lái)潛在威脅[3]。

本文立足國(guó)際化綠色化背景，結(jié)合中國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的整體戰(zhàn)略布局，圍繞西北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)及其宏觀布局，通過(guò)分析西北地區(qū)主要糧、經(jīng)作物生產(chǎn)水足跡，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水資源壓力，區(qū)域食物虛擬水流動(dòng)，研究西北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水與食物安全的關(guān)系，提出改善西北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水狀況，促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展和食物安全的措施。

二、西北地區(qū)水資源現(xiàn)狀及農(nóng)業(yè)用水評(píng)價(jià)

（一）西北地區(qū)水資源現(xiàn)狀

西北地區(qū)幅員遼闊，光熱土資源豐富，國(guó)土面積約占全國(guó)的41.4%，是中國(guó)重要的糧食生產(chǎn)后備基地，以約占全國(guó)10%的水資源量和15%的糧食種植面積生產(chǎn)全國(guó)12%的糧食。西北地區(qū)的糧食生產(chǎn)對(duì)確保我國(guó)糧食安全具有重要意義。但西北地區(qū)水資源缺乏，是我國(guó)最為干旱的地區(qū)，降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈。降水集中發(fā)生在6—9月份，多以大雨或暴雨形式出現(xiàn)，水土流失嚴(yán)重。畝均水資源量不到全國(guó)平均水平的一半，且水土資源在空間上極不匹配，而降水稀少又使得西北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高度依賴(lài)灌溉。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)滯后，長(zhǎng)期以來(lái)，西北地區(qū)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展耗用了大量水資源，水資源開(kāi)發(fā)利用率高，部分流域如石羊河流域水資源開(kāi)發(fā)利用率超過(guò)了100%，引起了一系列生態(tài)問(wèn)題[1,4]。此外，水源枯竭正進(jìn)一步惡化水資源匱乏的現(xiàn)狀。冰川退縮、雪線上升，導(dǎo)致地表水徑流減少[5]。在資源型缺水加劇的同時(shí)，西北地區(qū)的水質(zhì)也在逐步惡化[6]。

（二）西北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水評(píng)價(jià)

農(nóng)業(yè)在西北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要地位，農(nóng)田灌溉用水占總用水量接近70%，部分地區(qū)農(nóng)業(yè)用水比例達(dá)到了90%以上。西北地區(qū)農(nóng)田灌溉用水量占區(qū)域總用水量的百分比高于全國(guó)值，其中新疆、寧夏和甘肅尤為突出。近年來(lái)，隨著其他行業(yè)對(duì)農(nóng)業(yè)用水的擠占，農(nóng)業(yè)灌溉用水量比例在逐步下降（見(jiàn)表1）。

表1 西北地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉總體情況

以水足跡為工具，分析西北地區(qū)9種主要作物的生產(chǎn)水足跡，以量化西北地區(qū)農(nóng)業(yè)對(duì)降水（綠水）和灌溉水（藍(lán)水）的利用情況，并進(jìn)一步分析作物生產(chǎn)水足跡的時(shí)空演變特征。作物生產(chǎn)水足跡是區(qū)域生產(chǎn)單位作物產(chǎn)品所消耗的水資源量（包括藍(lán)水和綠水）。

如圖1所示，西北地區(qū)綜合糧食作物生產(chǎn)水足跡均呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，作物生產(chǎn)藍(lán)水足跡占作物生產(chǎn)水足跡的比例也多呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，但下降幅度相對(duì)較小。

圖1 西北地區(qū)綜合糧食作物生產(chǎn)水足跡及其組成演變趨勢(shì)（2000—2016）

從西北整體來(lái)看，2010年以前，西北地區(qū)綜合糧食作物生產(chǎn)水足跡均大于全國(guó)平均水平，近年來(lái)西北地區(qū)綜合糧食作物生產(chǎn)水足跡稍低于全國(guó)平均水平。在研究時(shí)段內(nèi)，西北地區(qū)藍(lán)水生產(chǎn)足跡始終高于全國(guó)平均水平，但差距有明顯的減小。綠水生產(chǎn)足跡始終低于全國(guó)平均水平，且兩者間的差距有增大的趨勢(shì)。表明西北地區(qū)糧食生產(chǎn)消耗了更多的藍(lán)水資源。

對(duì)于西北地區(qū)9種作物生產(chǎn)水足跡及其組成，同一區(qū)域不同作物之間差異顯著，即存在絕對(duì)比較優(yōu)勢(shì)；同一作物不同區(qū)域之間差異也顯著，即存在相對(duì)比較優(yōu)勢(shì)。

虛擬水是指生產(chǎn)商品和服務(wù)中所需要的水資源量。當(dāng)一個(gè)地區(qū)的某種作物產(chǎn)品生產(chǎn)不能滿(mǎn)足或超過(guò)本地區(qū)的需求時(shí)，就可能產(chǎn)生區(qū)域間該種作物產(chǎn)品的貿(mào)易，隨之也產(chǎn)生了虛擬水在區(qū)域間的流動(dòng)。西北地區(qū)與中國(guó)其他區(qū)域間的糧食貿(mào)易過(guò)程中，主要是糧食輸出的角色，且呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，2016年西北地區(qū)輸出糧食量超過(guò)1.0×107t，輸出的經(jīng)濟(jì)作物量超過(guò)2.9×107t。伴隨著作物產(chǎn)品的貿(mào)易，2008年之后，西北地區(qū)每年向外輸出的虛擬水量均超過(guò)1.0×1010m3，2016年更是高達(dá)2.527×1010m3（見(jiàn)表 2）。

三、西北地區(qū)水資源壓力評(píng)價(jià)

以水資源開(kāi)發(fā)利用率來(lái)衡量區(qū)域水資源壓力，當(dāng)水資源開(kāi)發(fā)利用率小于10%時(shí)為低水資源壓力；當(dāng)水資源開(kāi)發(fā)利用率大于10%、小于20%時(shí)為中低水資源壓力；當(dāng)水資源開(kāi)發(fā)利用率大于20%、小于40%時(shí)為中高水資源壓力；當(dāng)水資源開(kāi)發(fā)利用率大于40%時(shí)為高水資源壓力。

表2 西北地區(qū)與國(guó)內(nèi)其他地區(qū)作物貿(mào)易產(chǎn)生的虛擬水貿(mào)易量 ×108 m3

西北地區(qū)水資源壓力在中高水資源壓力與高水資源壓力界線浮動(dòng)，而全國(guó)水資源壓力在中低水資源壓力和中高水資源壓力界限浮動(dòng)，說(shuō)明西北地區(qū)面臨的水資源短缺已非常嚴(yán)峻（見(jiàn)表3）。

四、西北地區(qū)糧食生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)用水預(yù)測(cè)

借助線性回歸和灰色系統(tǒng)模型中的GM(1,1)模型對(duì)西北地區(qū)糧食單產(chǎn)、糧食產(chǎn)量、作物生產(chǎn)水足跡和降水變化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。按照預(yù)測(cè)的糧食單產(chǎn)和糧食產(chǎn)量，未來(lái)西北地區(qū)糧食的種植面積有一定增加，即便按糧食種植面積不變進(jìn)行保守估計(jì)，未來(lái)西北地區(qū)人均糧食產(chǎn)量仍高于全國(guó)均值，即西北地區(qū)作為糧食輸出區(qū)的現(xiàn)狀在未來(lái)仍然不會(huì)改變。未來(lái)西北地區(qū)降水會(huì)有小幅度增加，但考慮到未來(lái)氣候變化的溫度升高會(huì)造成蒸散增大，需要合理控制西北地區(qū)的耕地面積和作物種植結(jié)構(gòu)并適當(dāng)發(fā)展旱作農(nóng)業(yè)，以確保未來(lái)作物藍(lán)水足跡能有所下降，農(nóng)業(yè)用水壓力不會(huì)增大（見(jiàn)表4）。

五、政策建議

（一）逐步減少農(nóng)業(yè)用水總量

依據(jù)食物綠色化要求，應(yīng)考慮土地資源儲(chǔ)備、耕地質(zhì)量保育、水資源壓力和生態(tài)承載力等因素的綜合影響，對(duì)西北地區(qū)進(jìn)行合理開(kāi)發(fā)和保護(hù)。西北地區(qū)是我國(guó)最為干旱的地區(qū)，也是我國(guó)水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)，其生態(tài)系統(tǒng)又極度依賴(lài)于水資源系統(tǒng)，而西北地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用率超過(guò)了40%，屬于高水資源壓力，農(nóng)業(yè)用水占總用水量比例高，因此應(yīng)逐步減小農(nóng)業(yè)用水規(guī)模，促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

（二）優(yōu)化調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)

在確?？诩Z供給的前提下，依據(jù)同一區(qū)域不同作物間的絕對(duì)比較優(yōu)勢(shì)和同一作物不同區(qū)域間的相對(duì)比較優(yōu)勢(shì)，調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)，減少高耗水作物面積，增加作物降水利用比例，提高用水效率和用水效益，減少區(qū)域水資源使用量，緩解區(qū)域水資源壓力。西北地區(qū)應(yīng)增加飼料作物種植比例，改變當(dāng)前的糧經(jīng)二元作物結(jié)構(gòu)為糧經(jīng)飼三元作物結(jié)構(gòu)。

表3 西北和中國(guó)農(nóng)業(yè)用水及對(duì)水資源壓力的貢獻(xiàn)率 %

表4 西北地區(qū)人口、糧食單產(chǎn)、糧食產(chǎn)量、作物藍(lán)水足跡和降水量預(yù)測(cè)值

（三）實(shí)施絲路經(jīng)濟(jì)帶虛擬水工程

我國(guó)人口持續(xù)增長(zhǎng)，尤其全面放開(kāi)二胎政策會(huì)導(dǎo)致糧食消費(fèi)量的增加，到2035年還需要新增1.0×108t糧食。耕地資源和水資源的限制，以及我國(guó)居民對(duì)食物質(zhì)量和結(jié)構(gòu)多樣性的要求，已很難通過(guò)發(fā)展國(guó)內(nèi)生產(chǎn)來(lái)滿(mǎn)足糧食持續(xù)增長(zhǎng)的需求。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)糧食主要進(jìn)口國(guó)比較單一，運(yùn)輸距離遠(yuǎn)，給糧食安全帶來(lái)巨大隱患。“一帶一路”倡議的實(shí)施，為中國(guó)糧食安全提供了新的契機(jī)?！耙粠б宦贰毖鼐€多是發(fā)展中國(guó)家，各國(guó)都有發(fā)展農(nóng)業(yè)合作、促進(jìn)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的共同訴求。比較人均耕地資源和糧食生產(chǎn)現(xiàn)狀，中亞五國(guó)（哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、吉爾吉斯斯坦、土庫(kù)曼斯坦、塔吉克斯坦）具備打造成中國(guó)戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備糧倉(cāng)的潛力。

中亞五國(guó)與我國(guó)西北地區(qū)類(lèi)似，光熱資源豐富，國(guó)土面積合計(jì)約為4×106km2，其中耕地面積為3.241×107hm2，相當(dāng)于我國(guó)耕地面積總量的1/4，草地面積為2.5×108hm2，相當(dāng)于我國(guó)的3/4 [7～9]；另有部分可耕地未被利用。年降水量為160～700 mm，人均水資源量均低于8000 m3，但高于我國(guó)西北地區(qū)人均水資源量2310 m3的水平。

中亞五國(guó)農(nóng)業(yè)以種植業(yè)和畜牧業(yè)為主，每一農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力平均擁有5 hm2耕地和39 hm2草場(chǎng)。種植業(yè)以糧食（小麥、玉米和水稻）、油料和棉花這三類(lèi)土地密集型產(chǎn)品為主，畜牧業(yè)以養(yǎng)羊、牛、馬為主。農(nóng)業(yè)投入嚴(yán)重不足，生產(chǎn)技術(shù)落后，糧食單產(chǎn)低、灌溉定額大，用水效率低[9]。

中亞五國(guó)與我國(guó)，尤其是西北地區(qū)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有較好的互補(bǔ)性和互利性，具備很好的農(nóng)業(yè)合作潛力。中亞五國(guó)與我國(guó)西北地區(qū)毗鄰，邊境線大于3000 km，有九個(gè)跨界同緣民族，語(yǔ)言和風(fēng)俗習(xí)慣類(lèi)似，文化生活聯(lián)系廣泛[9]。依靠這種地緣優(yōu)勢(shì)，西北地區(qū)已經(jīng)成為我國(guó)向西開(kāi)放的前沿陣地，成為與中亞國(guó)家對(duì)外經(jīng)濟(jì)合作重要的承接地和聚合點(diǎn)。此外歐亞大陸橋的貫通，上海合作組織合作平臺(tái)的建立，國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)、絲路經(jīng)濟(jì)帶政策的實(shí)施為西北地區(qū)食物貿(mào)易提供了戰(zhàn)略機(jī)遇，也為食物虛擬水工程奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（1）提升中亞五國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及用水水平。中亞五國(guó)農(nóng)業(yè)投入普遍不足，農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展相對(duì)滯后，勞動(dòng)力生產(chǎn)率低，有巨大潛力可以挖掘。中亞五國(guó)現(xiàn)有谷物播種面積為1.774×107hm2，相當(dāng)于我國(guó)的19%，我國(guó)西北地區(qū)的234%；年谷物總產(chǎn)量為2.9×107t，相當(dāng)于我國(guó)的5%，我國(guó)西北地區(qū)的74%；單產(chǎn)為1635 kg/hm2，相當(dāng)于我國(guó)的27%，我國(guó)西北地區(qū)的32%，若其單產(chǎn)能提高到我國(guó)西北地區(qū)水平，則年增產(chǎn)達(dá)6.164×107t，若其單產(chǎn)能提高到我國(guó)平均水平，則年增產(chǎn)達(dá)7.843×107t，接近我國(guó)目前的糧食總進(jìn)口量。農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉面積較少，用水效率低下，灌溉水利用效率不及我國(guó)西北地區(qū)的20%，故對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)具有極強(qiáng)的需求；而我國(guó)西北地區(qū)具有資金優(yōu)勢(shì)，農(nóng)業(yè)機(jī)械化率和農(nóng)業(yè)科技水平相比中亞國(guó)家較高，如新疆在地膜覆蓋技術(shù)和膜下滴灌技術(shù)方面具有較成熟的經(jīng)驗(yàn)和較高的技術(shù)水平，擁有自主研發(fā)的節(jié)水灌溉產(chǎn)品及技術(shù)。因此，絲路經(jīng)濟(jì)帶食物虛擬水工程應(yīng)首先加強(qiáng)對(duì)中亞五國(guó)農(nóng)業(yè)的技術(shù)與資金支持，在盡量不增加其農(nóng)業(yè)水資源利用量和耕地面積的前提下，提升其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和用水水平進(jìn)而提高糧食產(chǎn)量。

（2）優(yōu)化調(diào)整我國(guó)西北地區(qū)、中亞五國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及種植結(jié)構(gòu)。中亞五國(guó)降水主要集中在冬春季，我國(guó)西北地區(qū)降水主要集中在6—9月，因此中亞五國(guó)小麥、油料作物的降水利用比例相對(duì)較高，灌溉水需求較少；中亞五國(guó)草地資源豐富，有利于發(fā)展畜牧產(chǎn)業(yè)，但由于食品加工業(yè)發(fā)展嚴(yán)重滯后，畜產(chǎn)品加工產(chǎn)品少。我國(guó)畜禽產(chǎn)業(yè)使用飼料糧較多，需要耗用較多的水資源。因此，應(yīng)將我國(guó)西北地區(qū)和中亞五國(guó)食物產(chǎn)業(yè)統(tǒng)籌考慮，加強(qiáng)地區(qū)之間的協(xié)調(diào)，將水資源作為重點(diǎn)考慮因素，優(yōu)化調(diào)整我國(guó)西北地區(qū)和中亞五國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及種植結(jié)構(gòu)，使得各區(qū)域建立起適水型的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和種植結(jié)構(gòu)。

（3）發(fā)展我國(guó)西北地區(qū)與中亞五國(guó)食物虛擬水貿(mào)易。進(jìn)一步改善區(qū)域之間的交通設(shè)施，完善雙邊和多邊貿(mào)易協(xié)調(diào)機(jī)制，建立“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”商業(yè)營(yíng)銷(xiāo)模式等，為我國(guó)西北地區(qū)與中亞五國(guó)食物虛擬水貿(mào)易的實(shí)施奠定基礎(chǔ)。