水安全與糧食安全

康紹忠

水資源的可持續利用與糧食安全保障是人類社會持續發展的最基本支撐點。但水資源緊缺是一個世界性的問題，水資源高效利用與保護已成為當前全球關注的熱點。為滿足人口持續增長和生活水平改善的需要，農業生產的規模和強度在過去幾十年中迅速擴大，干旱缺水和水污染已成為世界農業可持續發展和糧食安全保障的重要制約因素。農業是最主要的用水部門，消耗了全球總用水量的70%，因此，水資源高效利用的核心是農業水資源高效利用。充分認清目前及未來面臨的水資源安全和糧食安全形勢，找準農業水資源高效利用的核心問題，明晰糧食生產中不同尺度的水循環轉化規律與消耗機理，通過科技進步與管理改革提高水的利用效率，改善水環境是解決當前水危機并保障農業可持續發展與糧食安全的根本途徑。

1 水安全與糧食安全的概念

1.1 糧食安全的概念

聯合國糧農組織（FAO）對糧食安全的定義為“確保所有人在任何時候既買得到又買得起所需要的基本食品”，主要包括3個目標：確保生產足夠數量糧食，最大限度地穩定糧食供應，確保所有需要糧食的人都能獲得糧食。日益嚴峻的資源與氣候危機、水土資源短缺、干旱洪澇等極端氣候帶來的糧食減產，正在影響全球的農業生產。確保糧食安全，已成為人類面臨的重大挑戰。

1.2 水安全的概念

在一定流域或區域內，以可預見的技術、經濟和社會發展水平為依據，以可持續發展為原則，水資源、洪水和水環境能夠持續支撐經濟社會發展規模、能夠維護生態系統良性發展的狀態即為水安全，此定義最早出現在2000年斯德哥爾摩國際水會議上。

水安全狀況與經濟社會和人類生態系統的可持續發展緊密相關。隨著全球資源危機的加劇，國家安全觀念發生重大變化，水安全已成為國家安全的一個重要內容，與國防安全、經濟安全、金融安全具有同等戰略地位。

全球范圍內，用水量迅速增加、水污染持續加重以及部門間競爭性開發所導致的不合理利用，使水資源進一步短缺，水環境更加惡化，嚴重影響了社會經濟的發展，威脅著人類的福祉。1993年1月18日，第47屆聯合國大會第193號決議，確定將每年的3月22日定為“世界水日”，以推動對水資源進行綜合性統籌規劃和管理，加強水資源保護，解決日益嚴峻的缺水問題。

1.3 水安全與糧食安全的關系

聯合國教科文組織《世界水資源開發報告》明確將農業用水供需緊張列為全球水資源開發的9大問題之一。水與糧食安全已成為世界各國共同關注的重大議題，2012年世界水日的主題為水與糧食安全，FAO總干事José Grazianoda Silva指出“沒有水安全就無法實現糧食安全”。水安全是糧食安全的基礎，水資源短缺將直接導致糧食生產的波動，從而在源頭上導致真正的糧食危機。

2 水安全與糧食安全的形勢

2.1 水安全形勢

2.1.1 全球水安全形勢

全球不斷減少的水資源會給國家安全、經濟發展和社會穩定帶來嚴重隱患，對人類健康、能源儲備、糧食供應有負面影響。全球淡水總量約3500萬km3，其中約70%儲存于各類冰川中，約30%為地下水，可供人類和生態系統使用的淡水總量約為20萬km3，不足淡水總量的1%。伴隨人類活動的不斷增強，工業化、城市化過程導致嚴重的水資源污染，全球每天有200萬t的人類垃圾進入水體，發展中國家近70%工業廢棄物未經處理便直接進入人類可用的水源，由于化肥的過度使用，河流中的氮含量增加了10%～20%。全球淡水資源中的生命地球指數大幅下降，1970—1999年下降了50%。全球有26億人（包括10億兒童）缺乏基本的清潔飲用水，每20 s就有1個兒童因缺乏安全飲用水而死亡。全球人口每年預計增加8千萬，每年增加的水資源需求量達640億m3，增加人口的大多數出生在水資源短缺國家或地區，2008—2100年60%的增加人口在非洲和南亞地區。

農業是最主要的水資源消耗部門。農業用水占全球總用水量的70%，在一些非洲和亞洲國家，農業用水比例達85%～90%。過去100年全球用水量的增幅是同期人口增幅的2倍以上，預計到2025年，全球有1.8億人口將生活在嚴重缺水環境中，2/3的人口面臨水資源短缺，高度依賴灌溉農業的地區更容易出現嚴重缺水，如非洲、南亞和我國的北方地區。

氣候變化無疑會對全球水循環和水資源分布產生影響，全球變暖會使干旱出現的頻率和強度增加，更多區域可能出現水資源短缺。在水資源短缺日趨嚴重的同時，相對20世紀末，全球洪澇災害發生次數有明顯增加趨勢，受影響人數和經濟損失也明顯增加。

2.1.2 我國水安全形勢

我國降水時空分布不均，旱澇災害多發、并發問題突出。我國年均降水量649 mm，低于全球陸地平均降水量約20%，受季風氣候及地勢的影響，降水量呈南多北少，東多西少的基本格局。全國多年平均水資源總量28405億m3，居世界第6位，其中河川徑流量27328億m3，地下水資源量8226億m3，二者重復量7149億m3。我國人均淡水資源量從1962年的4110 m3減少至2010年的2100 m3，不足世界人均水平的1/3，位居第109位。

我國水資源與其他社會資源的空間分布不匹配。伴隨經濟發展，生產生活污水排放量激增，2009年全國廢污水排放量747億m3，全國地表水水功能區達標率僅47.4%，562眼監測井中，水質為Ⅳ～Ⅴ類的監測井占72.1%。淡水生態系統功能整體呈現“局部改善、整體退化”態勢，北方平原區地下水嚴重超采，形成160余個地下水超采區。

氣候變化對我國水資源影響明顯。與1956—2000年比較，2001—2009年全國降水減少2.8%，地表水資源和水資源總量分別減少5.2%和3.6%。且南北方均有所減少，其中海河流域減少最為顯著，降水減少9%，地表水減少49%，水資源總量減少31%。中國主要江河年徑流量減少，其中以海河、黃河、遼河流域減少最為顯著。青藏高原冰川面積縮小7.4%，多年凍土下界分布高度上升約71 m，季節性凍土厚度平均減小19 cm。氣候變化加劇了我國干旱發生的程度。1951—2007年，我國干旱發生頻率加快，受干旱影響的面積增大。

我國水資源利用效率仍較低。我國農田灌溉水有效利用系數和水分生產率遠低于世界先進水平。目前我國工業萬元產值用水量是發達國家的10～20倍；我國水的重復利用率為40%左右，而發達國家為75%～85%。城市生活用水浪費也十分嚴重，全國多數城市自來水管網損失率為15%～20%。

2.2 糧食安全形勢

2.2.1 全球糧食安全形勢

隨著人口增加，保障糧食安全已成為世界可持續發展的首要問題，2030年世界人口將達83億，糧食需求達30億t。灌溉是提升糧食產量的最主要條件之一，灌溉農業利用全球20%的農田生產了40%的糧食，而雨養農業用80%的農田生產了60%的糧食，灌溉農業的單產水平是雨養的2.5倍。雖然近50年以來，全球糧食生產在總量和單產水平上均有大幅提高，但由于人口和農業水平的發展不平衡，糧食不足問題仍舊突出，據FAO發布的《2010年世界糧食不安全狀況》報告，全球糧食不安全人口目前仍占16%（即10億以上），有33個國家存在糧食供應嚴重缺口、出現大范圍糧食獲取困難或者出現局部嚴重糧食不安全情況。糧食價格在2000—2006年相對穩定，但表現出緩慢上升趨勢。從2007年到2008年初，主要糧食價格均大幅上漲。大米價格上漲53%，大豆上漲29%，小麥上漲40%。糧食價格的上漲是由于糧食出口國家惡劣氣候造成作物減產及作物用于生物能源的結果。糧價上漲對低收入國家的糧食安全水平帶來了明顯的負面影響。

氣候變化導致各類農業氣象災害發生頻率更加頻發、程度加重。2012年美國、俄羅斯的干旱導致農作物減產，直接影響到全球的糧價上漲。模擬研究結果表明，當氣溫再升高0.8℃時，玉米、小麥減產可達20%，且發展中國家受到的影響較發達國家嚴重。人口增加、水資源制約、氣候變化、糧食需求增加等因素是糧食危機的主要原因。盡管目前處于全球糧食安全水平較高的時期，但受區域經濟發展水平和糧食生產能力的制約，全球仍有10億人處于極度貧困，超過9億人營養不良。

2.2.2 我國糧食安全形勢

新中國成立以后特別是改革開放以來，我國糧食生產能力大幅提高，國家糧食保障水平取得了舉世矚目的成績，糧食總產由新中國成立初期的1億t提高到6億t，主要作物單產水平也得到大幅提高，水稻由2.97 t·hm2提高到6.42 t·hm2，小麥由1.02 t·hm2提高到4.61 t·hm2，玉米由1.51 t·hm2提高到5.17 t·hm2。糧食產量的提升主要得益于品種改良，化肥、農藥投入以及灌溉條件的改善。氣候變化對我國糧食生產的影響較全球平均水平更為明顯，預計到2050年，我國糧食產量因氣候變化可能減產13%，其中水稻減產4%～14%，小麥減產2%～20%，玉米減產0～13%。為滿足不斷增長的人口需求，我國糧食產量到21世紀30年代需增加至少30%，但資源短缺，尤其水資源短缺限制了我國糧食生產水平的進一步提升；此外氣候變化對糧食生產的不利影響日益嚴峻，尤其是極端氣候出現頻率增加，導致糧食產量的波動，易出現糧食供應不足。

糧食需求與農業可供水量的矛盾是世界性的問題，水資源短缺已成為全球糧食安全的主要制約因素。為實現2030年的世界糧食需求目標，按現有用水效率計算，農業灌溉用水將增加36%（現有2810 km3），缺口達1012 km3。我國糧食增產需求與農業可供水量短缺矛盾也非常突出，2030年我國人口將達到16億，糧食需求將達6.4億t，按現有農業用水效率計算，尚缺水約800億m3。而2020年全國新增千億斤糧食規劃中，北方缺水區需貢獻新增糧食的65%。

3 糧食安全的水資源保障戰略

為糧食生產提供可持續的水資源保障是構建糧食安全的基本條件。糧食安全的水資源保障主要包括：水資源的合理配置與高效供給，水資源的農業高效利用，水污染防治和保護，應對極端氣候災害的水資源保障等方面。

在農業用水必須保持零增長或負增長的條件下，2020年我國糧食需增產500億kg，因此大規模提高農業用水效率是保障糧食安全的戰略需要。我國目前的農業用水效率仍遠低于發達國家水平，灌溉水有效利用系數約為0.5，1 m3灌溉水糧食產量1.1 kg，遠低于先進國家灌溉水有效利用系數0.7～0.8，1 m3灌溉水糧食產量2.5～3.0 kg；同時，我國農業灌溉模式落后，節水灌溉面積占全部灌溉面積的比例僅為42%。據測算，我國灌溉用水有效利用系數若由0.5提高到0.7，約可節水600億～700億m3；灌溉水生產率由1.1 kg·m-3增加到1.5 kg·m-3，在生產相同的農產品時大約可減少農作物耗水1000億m3。

農業高效用水是一個復雜的系統工程，包括作物高效用水調控、田間精量灌溉控制、灌區配水優化以及配套農藝保障措施等。水資源的農業高效利用要從3方面挖掘潛力：一方面是通過選擇（選育）抗旱作物和節水品種，在作物個體和群體生理尺度上，提高籽粒產量，降低作物耗水量；二是改進耕作模式和灌溉技術等農藝措施，提升田間管理水平，在田塊尺度上實現作物生產和耗水的多過程、多因素協調，同時提高糧食產量且降低田間灌溉水消耗量；三是提高區域水資源的動態監測和預報能力，提升配水效率，在區域（流域、灌區）尺度上協調水資源統籌分配，提升區域水資源利用效率，減少區域水資源損失。

近年來，國內外提出了許多新的灌溉概念和方法，如限水灌溉、非充分灌溉、調虧灌溉、分根區交替灌溉等，對由傳統的豐水高產型灌溉轉向節水優產型灌溉，提高水的利用效率起到了積極作用。我國近期高效灌溉技術的試驗研究和推廣發展較快。海河平原區開展的試驗研究表明，在灌溉總量3600 m3·hm2的情況下，微噴技術灌溉的冬小麥產量明顯提高，其水分利用效率（WUE）為1.7 kg·m-3，而同樣條件下，傳統畦灌冬小麥的WUE為1.5 kg·m-3。東北地區玉米膜下滴灌產量達15000 kg·hm2，比常規栽培玉米平均增產6000～7500 kg·hm2，增收6000元·hm2。灌水量比噴灌節水50%，比地面直接漫灌節水86%。除節水效益外，膜下滴灌的經濟效益也明顯提升。膜下滴灌的水源、設備、地膜及常規栽培管理等全部成本為8550元·hm2左右。按東北地區玉米產量15000 kg·hm2，單價1.2元·kg-1計算，收入18000元·hm2，純收入9450元·hm2；與常規玉米平均純收入3150元·hm2比，增加6000元·hm2以上。

渠系優化輸配水是在流域和灌區尺度上實現大規模節水灌溉的必然需要。高新技術在農業高效用水現代化管理中的應用日益廣泛，數字渠系的發展將大大促進精準灌溉和水資源精準調度的實踐。為實現渠系優化配水的要求，應用計算機和信息技術的渠道水量、流量實時調控研究也在國內外逐步興起。實現渠系現代化管理，首先要有工程控制設備的自動化，其次有先進的系統運行軟件對系統控制問題進行決策，從而建立渠系輸配水現代化管理決策支持。澳大利亞開發的系統實現了從水庫到田間的輸配水優化，包括主干渠配水口和田間放水口在內的所有閘門都安裝了傳感器，中心總節點通過各閘門節點收集各渠道水位信息和田間灌水口灌水需求信號，再通過通信網絡支配傳感器控制閘門的位置（即閘門打開的角度）和渠道實際水位，實現精確配水。

就我國節水農業的現狀和未來需求來看，筆者認為以下幾個方面是我國節水農業發展的重點：在保持產量前提下減小蒸散量（ET）或在相同ET下提高產量，構建農業節水補償機制，通過土地流轉與規模經營提升節水效率，開發經濟、可靠、耐用的先進實用節水技術，建設與完善節水科技推廣與技術服務體系，加強變化環境下節水灌溉的基礎研究工作，建設全國性農業節水試驗與監測網絡。

4 糧食生產中水高效利用的科學問題

糧食生產中水高效利用是一個系統工程，圍繞與其密切相關的水資源高效利用，水資源高效配置與調控，農業水資源消耗的生態環境效應以及應對旱澇極端氣候等主要方面尚有一系列科學問題需要通過大量的深入研究予以闡明，主要包括：作物理想耗水與多過程調控機制，強人類活動下灌區多尺度水循環與伴生過程，糧食生產—水資源—生態過程的互饋機制，農業旱澇致災機理與預警機制。

1）作物理想耗水與多過程協同調控機制。包括：作物理想耗水狀態識別，明確作物葉片、單株、群體尺度的理想耗水狀態，鑒別影響作物理想耗水狀態的生理與環境因子；作物理想耗水過程定量表征，解析作物理想耗水條件下水分生理及生化關鍵過程，定量描述作物理想耗水狀態；作物理想耗水多過程協同調控，農田最佳需水過程曲線及實時多階段動態調整，作物理想耗水多過程全要素協同調控。

2）強人類活動下灌區多尺度水循環與伴生過程。包括：灌區多尺度水循環演變機理與模擬，強人類活動下灌區多尺度水循環演變機理，灌區多尺度水循環耦合模擬；水土介質物理—化學—生物過程作用機理，水土介質多組分溶質反應性遷移機理，水土介質物理—化學—生物過程耦合作用，水循環對水土介質伴生過程的驅動機制與表征；灌區水循環與地表生態過程、能量循環的耦合作用，地表生態對強人類活動下水循環的響應機制。

3）糧食生產—水資源—生態過程的互饋機制。包括：糧食生產—水資源—生態系統作用機理與適應機制，水資源與糧食生產時空耦合機制，生態與環境系統對水資源的響應及適應機制，糧食生產與地表生態的局地微氣候互饋機制；面向糧食生產與生態環境的水資源多維臨界調控，基于生態足跡的水資源承載力，糧食生產—水資源—生態系統平衡機制，面向生態環境健康的水資源利用閾值。

4）農業旱澇致災機理與預警機制。包括：旱澇致災過程驅動機理，作物對極端干旱及澇漬響應機理，農業旱澇致災的氣象—作物—土壤水分動力學機制，旱澇突變事件對水環境及水生態的驅動機制；旱澇致災預警機制，基于陸面生態—水文過程的區域旱澇預警，區域旱澇預警智能不確定集方法，旱澇致災生態損益曲線。