水安全与粮食安全

康绍忠

水资源的可持续利用与粮食安全保障是人类社会持续发展的最基本支撑点。但水资源紧缺是一个世界性的问题，水资源高效利用与保护已成为当前全球关注的热点。为满足人口持续增长和生活水平改善的需要，农业生产的规模和强度在过去几十年中迅速扩大，干旱缺水和水污染已成为世界农业可持续发展和粮食安全保障的重要制约因素。农业是最主要的用水部门，消耗了全球总用水量的70%，因此，水资源高效利用的核心是农业水资源高效利用。充分认清目前及未来面临的水资源安全和粮食安全形势，找准农业水资源高效利用的核心问题，明晰粮食生产中不同尺度的水循环转化规律与消耗机理，通过科技进步与管理改革提高水的利用效率，改善水环境是解决当前水危机并保障农业可持续发展与粮食安全的根本途径。

1 水安全与粮食安全的概念

1.1 粮食安全的概念

联合国粮农组织（FAO）对粮食安全的定义为“确保所有人在任何时候既买得到又买得起所需要的基本食品”，主要包括3个目标：确保生产足够数量粮食，最大限度地稳定粮食供应，确保所有需要粮食的人都能获得粮食。日益严峻的资源与气候危机、水土资源短缺、干旱洪涝等极端气候带来的粮食减产，正在影响全球的农业生产。确保粮食安全，已成为人类面临的重大挑战。

1.2 水安全的概念

在一定流域或区域内，以可预见的技术、经济和社会发展水平为依据，以可持续发展为原则，水资源、洪水和水环境能够持续支撑经济社会发展规模、能够维护生态系统良性发展的状态即为水安全，此定义最早出现在2000年斯德哥尔摩国际水会议上。

水安全状况与经济社会和人类生态系统的可持续发展紧密相关。随着全球资源危机的加剧，国家安全观念发生重大变化，水安全已成为国家安全的一个重要内容，与国防安全、经济安全、金融安全具有同等战略地位。

全球范围内，用水量迅速增加、水污染持续加重以及部门间竞争性开发所导致的不合理利用，使水资源进一步短缺，水环境更加恶化，严重影响了社会经济的发展，威胁着人类的福祉。1993年1月18日，第47届联合国大会第193号决议，确定将每年的3月22日定为“世界水日”，以推动对水资源进行综合性统筹规划和管理，加强水资源保护，解决日益严峻的缺水问题。

1.3 水安全与粮食安全的关系

联合国教科文组织《世界水资源开发报告》明确将农业用水供需紧张列为全球水资源开发的9大问题之一。水与粮食安全已成为世界各国共同关注的重大议题，2012年世界水日的主题为水与粮食安全，FAO总干事José Grazianoda Silva指出“没有水安全就无法实现粮食安全”。水安全是粮食安全的基础，水资源短缺将直接导致粮食生产的波动，从而在源头上导致真正的粮食危机。

2 水安全与粮食安全的形势

2.1 水安全形势

2.1.1 全球水安全形势

全球不断减少的水资源会给国家安全、经济发展和社会稳定带来严重隐患，对人类健康、能源储备、粮食供应有负面影响。全球淡水总量约3500万km3，其中约70%储存于各类冰川中，约30%为地下水，可供人类和生态系统使用的淡水总量约为20万km3，不足淡水总量的1%。伴随人类活动的不断增强，工业化、城市化过程导致严重的水资源污染，全球每天有200万t的人类垃圾进入水体，发展中国家近70%工业废弃物未经处理便直接进入人类可用的水源，由于化肥的过度使用，河流中的氮含量增加了10%～20%。全球淡水资源中的生命地球指数大幅下降，1970—1999年下降了50%。全球有26亿人（包括10亿儿童）缺乏基本的清洁饮用水，每20 s就有1个儿童因缺乏安全饮用水而死亡。全球人口每年预计增加8千万，每年增加的水资源需求量达640亿m3，增加人口的大多数出生在水资源短缺国家或地区，2008—2100年60%的增加人口在非洲和南亚地区。

农业是最主要的水资源消耗部门。农业用水占全球总用水量的70%，在一些非洲和亚洲国家，农业用水比例达85%～90%。过去100年全球用水量的增幅是同期人口增幅的2倍以上，预计到2025年，全球有1.8亿人口将生活在严重缺水环境中，2/3的人口面临水资源短缺，高度依赖灌溉农业的地区更容易出现严重缺水，如非洲、南亚和我国的北方地区。

气候变化无疑会对全球水循环和水资源分布产生影响，全球变暖会使干旱出现的频率和强度增加，更多区域可能出现水资源短缺。在水资源短缺日趋严重的同时，相对20世纪末，全球洪涝灾害发生次数有明显增加趋势，受影响人数和经济损失也明显增加。

2.1.2 我国水安全形势

我国降水时空分布不均，旱涝灾害多发、并发问题突出。我国年均降水量649 mm，低于全球陆地平均降水量约20%，受季风气候及地势的影响，降水量呈南多北少，东多西少的基本格局。全国多年平均水资源总量28405亿m3，居世界第6位，其中河川径流量27328亿m3，地下水资源量8226亿m3，二者重复量7149亿m3。我国人均淡水资源量从1962年的4110 m3减少至2010年的2100 m3，不足世界人均水平的1/3，位居第109位。

我国水资源与其他社会资源的空间分布不匹配。伴随经济发展，生产生活污水排放量激增，2009年全国废污水排放量747亿m3，全国地表水水功能区达标率仅47.4%，562眼监测井中，水质为Ⅳ～Ⅴ类的监测井占72.1%。淡水生态系统功能整体呈现“局部改善、整体退化”态势，北方平原区地下水严重超采，形成160余个地下水超采区。

气候变化对我国水资源影响明显。与1956—2000年比较，2001—2009年全国降水减少2.8%，地表水资源和水资源总量分别减少5.2%和3.6%。且南北方均有所减少，其中海河流域减少最为显著，降水减少9%，地表水减少49%，水资源总量减少31%。中国主要江河年径流量减少，其中以海河、黄河、辽河流域减少最为显著。青藏高原冰川面积缩小7.4%，多年冻土下界分布高度上升约71 m，季节性冻土厚度平均减小19 cm。气候变化加剧了我国干旱发生的程度。1951—2007年，我国干旱发生频率加快，受干旱影响的面积增大。

我国水资源利用效率仍较低。我国农田灌溉水有效利用系数和水分生产率远低于世界先进水平。目前我国工业万元产值用水量是发达国家的10～20倍；我国水的重复利用率为40%左右，而发达国家为75%～85%。城市生活用水浪费也十分严重，全国多数城市自来水管网损失率为15%～20%。

2.2 粮食安全形势

2.2.1 全球粮食安全形势

随着人口增加，保障粮食安全已成为世界可持续发展的首要问题，2030年世界人口将达83亿，粮食需求达30亿t。灌溉是提升粮食产量的最主要条件之一，灌溉农业利用全球20%的农田生产了40%的粮食，而雨养农业用80%的农田生产了60%的粮食，灌溉农业的单产水平是雨养的2.5倍。虽然近50年以来，全球粮食生产在总量和单产水平上均有大幅提高，但由于人口和农业水平的发展不平衡，粮食不足问题仍旧突出，据FAO发布的《2010年世界粮食不安全状况》报告，全球粮食不安全人口目前仍占16%（即10亿以上），有33个国家存在粮食供应严重缺口、出现大范围粮食获取困难或者出现局部严重粮食不安全情况。粮食价格在2000—2006年相对稳定，但表现出缓慢上升趋势。从2007年到2008年初，主要粮食价格均大幅上涨。大米价格上涨53%，大豆上涨29%，小麦上涨40%。粮食价格的上涨是由于粮食出口国家恶劣气候造成作物减产及作物用于生物能源的结果。粮价上涨对低收入国家的粮食安全水平带来了明显的负面影响。

气候变化导致各类农业气象灾害发生频率更加频发、程度加重。2012年美国、俄罗斯的干旱导致农作物减产，直接影响到全球的粮价上涨。模拟研究结果表明，当气温再升高0.8℃时，玉米、小麦减产可达20%，且发展中国家受到的影响较发达国家严重。人口增加、水资源制约、气候变化、粮食需求增加等因素是粮食危机的主要原因。尽管目前处于全球粮食安全水平较高的时期，但受区域经济发展水平和粮食生产能力的制约，全球仍有10亿人处于极度贫困，超过9亿人营养不良。

2.2.2 我国粮食安全形势

新中国成立以后特别是改革开放以来，我国粮食生产能力大幅提高，国家粮食保障水平取得了举世瞩目的成绩，粮食总产由新中国成立初期的1亿t提高到6亿t，主要作物单产水平也得到大幅提高，水稻由2.97 t·hm2提高到6.42 t·hm2，小麦由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。粮食产量的提升主要得益于品种改良，化肥、农药投入以及灌溉条件的改善。气候变化对我国粮食生产的影响较全球平均水平更为明显，预计到2050年，我国粮食产量因气候变化可能减产13%，其中水稻减产4%～14%，小麦减产2%～20%，玉米减产0～13%。为满足不断增长的人口需求，我国粮食产量到21世纪30年代需增加至少30%，但资源短缺，尤其水资源短缺限制了我国粮食生产水平的进一步提升；此外气候变化对粮食生产的不利影响日益严峻，尤其是极端气候出现频率增加，导致粮食产量的波动，易出现粮食供应不足。

粮食需求与农业可供水量的矛盾是世界性的问题，水资源短缺已成为全球粮食安全的主要制约因素。为实现2030年的世界粮食需求目标，按现有用水效率计算，农业灌溉用水将增加36%（现有2810 km3），缺口达1012 km3。我国粮食增产需求与农业可供水量短缺矛盾也非常突出，2030年我国人口将达到16亿，粮食需求将达6.4亿t，按现有农业用水效率计算，尚缺水约800亿m3。而2020年全国新增千亿斤粮食规划中，北方缺水区需贡献新增粮食的65%。

3 粮食安全的水资源保障战略

为粮食生产提供可持续的水资源保障是构建粮食安全的基本条件。粮食安全的水资源保障主要包括：水资源的合理配置与高效供给，水资源的农业高效利用，水污染防治和保护，应对极端气候灾害的水资源保障等方面。

在农业用水必须保持零增长或负增长的条件下，2020年我国粮食需增产500亿kg，因此大规模提高农业用水效率是保障粮食安全的战略需要。我国目前的农业用水效率仍远低于发达国家水平，灌溉水有效利用系数约为0.5，1 m3灌溉水粮食产量1.1 kg，远低于先进国家灌溉水有效利用系数0.7～0.8，1 m3灌溉水粮食产量2.5～3.0 kg；同时，我国农业灌溉模式落后，节水灌溉面积占全部灌溉面积的比例仅为42%。据测算，我国灌溉用水有效利用系数若由0.5提高到0.7，约可节水600亿～700亿m3；灌溉水生产率由1.1 kg·m-3增加到1.5 kg·m-3，在生产相同的农产品时大约可减少农作物耗水1000亿m3。

农业高效用水是一个复杂的系统工程，包括作物高效用水调控、田间精量灌溉控制、灌区配水优化以及配套农艺保障措施等。水资源的农业高效利用要从3方面挖掘潜力：一方面是通过选择（选育）抗旱作物和节水品种，在作物个体和群体生理尺度上，提高籽粒产量，降低作物耗水量；二是改进耕作模式和灌溉技术等农艺措施，提升田间管理水平，在田块尺度上实现作物生产和耗水的多过程、多因素协调，同时提高粮食产量且降低田间灌溉水消耗量；三是提高区域水资源的动态监测和预报能力，提升配水效率，在区域（流域、灌区）尺度上协调水资源统筹分配，提升区域水资源利用效率，减少区域水资源损失。

近年来，国内外提出了许多新的灌溉概念和方法，如限水灌溉、非充分灌溉、调亏灌溉、分根区交替灌溉等，对由传统的丰水高产型灌溉转向节水优产型灌溉，提高水的利用效率起到了积极作用。我国近期高效灌溉技术的试验研究和推广发展较快。海河平原区开展的试验研究表明，在灌溉总量3600 m3·hm2的情况下，微喷技术灌溉的冬小麦产量明显提高，其水分利用效率（WUE）为1.7 kg·m-3，而同样条件下，传统畦灌冬小麦的WUE为1.5 kg·m-3。东北地区玉米膜下滴灌产量达15000 kg·hm2，比常规栽培玉米平均增产6000～7500 kg·hm2，增收6000元·hm2。灌水量比喷灌节水50%，比地面直接漫灌节水86%。除节水效益外，膜下滴灌的经济效益也明显提升。膜下滴灌的水源、设备、地膜及常规栽培管理等全部成本为8550元·hm2左右。按东北地区玉米产量15000 kg·hm2，单价1.2元·kg-1计算，收入18000元·hm2，纯收入9450元·hm2；与常规玉米平均纯收入3150元·hm2比，增加6000元·hm2以上。

渠系优化输配水是在流域和灌区尺度上实现大规模节水灌溉的必然需要。高新技术在农业高效用水现代化管理中的应用日益广泛，数字渠系的发展将大大促进精准灌溉和水资源精准调度的实践。为实现渠系优化配水的要求，应用计算机和信息技术的渠道水量、流量实时调控研究也在国内外逐步兴起。实现渠系现代化管理，首先要有工程控制设备的自动化，其次有先进的系统运行软件对系统控制问题进行决策，从而建立渠系输配水现代化管理决策支持。澳大利亚开发的系统实现了从水库到田间的输配水优化，包括主干渠配水口和田间放水口在内的所有闸门都安装了传感器，中心总节点通过各闸门节点收集各渠道水位信息和田间灌水口灌水需求信号，再通过通信网络支配传感器控制闸门的位置（即闸门打开的角度）和渠道实际水位，实现精确配水。

就我国节水农业的现状和未来需求来看，笔者认为以下几个方面是我国节水农业发展的重点：在保持产量前提下减小蒸散量（ET）或在相同ET下提高产量，构建农业节水补偿机制，通过土地流转与规模经营提升节水效率，开发经济、可靠、耐用的先进实用节水技术，建设与完善节水科技推广与技术服务体系，加强变化环境下节水灌溉的基础研究工作，建设全国性农业节水试验与监测网络。

4 粮食生产中水高效利用的科学问题

粮食生产中水高效利用是一个系统工程，围绕与其密切相关的水资源高效利用，水资源高效配置与调控，农业水资源消耗的生态环境效应以及应对旱涝极端气候等主要方面尚有一系列科学问题需要通过大量的深入研究予以阐明，主要包括：作物理想耗水与多过程调控机制，强人类活动下灌区多尺度水循环与伴生过程，粮食生产—水资源—生态过程的互馈机制，农业旱涝致灾机理与预警机制。

1）作物理想耗水与多过程协同调控机制。包括：作物理想耗水状态识别，明确作物叶片、单株、群体尺度的理想耗水状态，鉴别影响作物理想耗水状态的生理与环境因子；作物理想耗水过程定量表征，解析作物理想耗水条件下水分生理及生化关键过程，定量描述作物理想耗水状态；作物理想耗水多过程协同调控，农田最佳需水过程曲线及实时多阶段动态调整，作物理想耗水多过程全要素协同调控。

2）强人类活动下灌区多尺度水循环与伴生过程。包括：灌区多尺度水循环演变机理与模拟，强人类活动下灌区多尺度水循环演变机理，灌区多尺度水循环耦合模拟；水土介质物理—化学—生物过程作用机理，水土介质多组分溶质反应性迁移机理，水土介质物理—化学—生物过程耦合作用，水循环对水土介质伴生过程的驱动机制与表征；灌区水循环与地表生态过程、能量循环的耦合作用，地表生态对强人类活动下水循环的响应机制。

3）粮食生产—水资源—生态过程的互馈机制。包括：粮食生产—水资源—生态系统作用机理与适应机制，水资源与粮食生产时空耦合机制，生态与环境系统对水资源的响应及适应机制，粮食生产与地表生态的局地微气候互馈机制；面向粮食生产与生态环境的水资源多维临界调控，基于生态足迹的水资源承载力，粮食生产—水资源—生态系统平衡机制，面向生态环境健康的水资源利用阈值。

4）农业旱涝致灾机理与预警机制。包括：旱涝致灾过程驱动机理，作物对极端干旱及涝渍响应机理，农业旱涝致灾的气象—作物—土壤水分动力学机制，旱涝突变事件对水环境及水生态的驱动机制；旱涝致灾预警机制，基于陆面生态—水文过程的区域旱涝预警，区域旱涝预警智能不确定集方法，旱涝致灾生态损益曲线。