华北地区粮食作物种植结构调整及水土资源利用效应

刘晓敏 王煜

摘要 华北地区粮食生产种植结构调整对水土资源消耗的影响，对农业甚至国民经济的可持续发展有重要意义。利用统计数据，以初期 （2001年）种植结构不变为参照情形，在末期（2019年）粮食产量一定的条件下，估算了2001—2019年华北地区粮食种植结构调整的水土资源效应。结果表明：2001—2019年华北地区粮食播种面积增加，玉米是粮食作物播种面积增加的主要因素，2001—2019年华北地区小麦播种面积增加，小麦播种面积占粮食播种面积比重降低幅度较小；2001—2019年华北地区粮食种植结构调整一定程度上缓解了耕地资源有限、水资源短缺、地下水超采压力。提出以下建议：通过加大轮作休耕、旱作雨养面积等政策措施减少高耗水作物种植面积，进一步降低华北地区水土资源消耗壓力；进一步提高山东省和河南省因粮食种植结构调整播种面积节约率；进一步提高山东省、河南省、河北省粮食种植结构调整的节水效应。

关键词 粮食作物；种植结构调整；水土资源利用效应；华北地区

中图分类号 F326.1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2023）09-0211-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.09.050

Abstract The influence of grain production planting structure adjustment on the consumption of water and soil resources in North China is of great significance to the sustainable development of agriculture and even national economy.Using statistical data，this paper estimated the effects of grain planting structure adjustment on water and soil resources in North China from 2001 to 2019 under the condition that the initial planting structure in 2001 was not changed to the reference situation and the grain yield in 2019 was fixed.The results showed that the sown area of grain increased in North China from 2001 to 2019，and corn was the main factor for the increase of sown area of grain crops.The sown area of wheat increased in North China from 2001 to 2019，but the proportion of sown area of wheat in sown area of grain decreased slightly.The adjustment of grain planting structure in North China from 2001 to 2019 relieved the pressure of arable land resource utilization to a certain extent，and alleviated the pressure of water resource shortage and groundwater overexploitation to a certain extent.Suggestions： Reduce the planting area of highwaterconsuming crops by increasing crop rotation and fallow and increasing rainfed area，and further reduce the pressure of water and soil resources consumption in North China.Further improve the saving rate of planting area adjusted by grain planting structure in Shandong province and Henan Province;Further improve the watersaving effect of grain planting structure adjustment in Shandong，Henan and Hebei provinces.

Key words Food crops;Adjustment of planting structure;Consumption effect of water and soil resources;North China

基金项目 河北省自然科学基金青年项目（G2020207002）；河北经贸大学京津冀协同发展河北省协同创新中心经费资助项目（0112200360）。

作者简介 刘晓敏（1975—），女，河北蠡县人，副研究员，博士，从事资源与环境经济研究。

华北地区地下水超采造成严重的生态环境和地质问题成为该区社会经济可持续发展和地下水资源可持续利用的瓶颈。随着经济社会快速发展，华北地区用水量逐步增长，由20世纪70年代不到600亿m3增长到目前的760亿m3左右［1］，部分地区水资源开发利用率超过100％，人口经济与水资源承载能力严重失衡。华北地区近一半供水为开采地下水［2］，对地下水依赖程度高。华北地区地下水经历了长期的超采过程，深层地下水位下降，形成了大面积的地下水降落漏斗［3］，引起浅层地下水向下越流补给、咸水下移、弱透水层压缩和地面沉降、湿地变干、河流枯竭、海水入侵等生态环境和地质问题［4-7］。华北地区地下水严重超采，对该区经济社会可持续发展产生严重影响，成为该区经济社会发展的主要制约瓶颈［8-9］。在各类用水需求中农业灌溉用水占地下水开采量的70%以上，是华北地区地下水超采的主导因素［10-12］。通过减少农业灌溉用水量来缓解地下水资源危机的战略已成为共识［13-14］。

调整农业种植结构是减少农业灌溉用水量的重要途径之一。随着灌溉条件的改善，华北地区种植制度从两年三熟、三年四熟、一年一熟向一年两熟转变，低耗水作物减少，高耗水作物种植比例增加［15］，种植结构转变导致农业灌溉用水量增加。地下水超采问题逐渐受到国家决策者的重视。2019年水利部、财政部、国家发展改革委、农业农村部联合印发《华北地区地下水超采综合治理行动方案》，严格控制发展高耗水农作物，扩大低耗水和耐旱作物种植比例。在无地表水源置换和地下水严重超采地区，实施轮作休耕、旱作雨养等措施，减少地下水开采。

粮食是消耗耕地资源和淡水资源的密集型产品，华北地区省域粮食生产种植结构调整對水土资源消耗的影响，对农业甚至国民经济的可持续发展有重要意义。张雅芳等［16］估算了华北平原2012年相比2002年的种植结构变化对水资源的影响，发现华北平原整体上作物需水量呈现减少的趋势，作物种植结构调整减少了作物需水量；金涛［17］论证了1996—2015年中国粮食格局变迁过程的水土资源影响效应，以粮食种植结构无调整为参照情景，一定产量下，发现2015年相比1996年国家和区域层面粮食种植结构调整都实现了减省效应，而且水土资源消耗的减省效应北方都高于南方；沈方等［18］通过虚拟水理论，测算了1990—2015年河北省粮食生产结构变化及对水土资源的影响，发现从全省看，粮食种植结构调整实现了节地节水的作用，在空间上粮食种植结构调整水土资源效应差异较大；周俊菊等［19］通过虚拟水理论，构建种植业结构调整模型，以1978年为参考年，分析了甘肃民勤绿洲1978—2010年种植业结构调整对农作物需水量的影响，发现粮食播种面积下降，主要由小麦播种面积快速减少引起；李天祥等［20］以2003年为基期、2012 年为报告期估算了我国粮食产量十年增的粮食内部种植结构调整对水土资源利用的影响，发现2003—2012年，我国粮食生产结构调整实现了节省676.67万hm2的播种面积和310.6亿m3的水资源消耗。区域上，粮食生产结构调整在东北、华北、华中、西南和西北地区水土资源减省作用较好。前人关于通过虚拟水、虚拟土概念，估测农作物种植结构调整对水土资源的影响，为本研究提供了借鉴意义。

该研究对华北地区粮食种植结构调整的水土资源利用效应进行综合论证，一方面丰富我国粮食格局变化对水土资源影响的综合论证研究；另一方面发现华北地区粮食种植结构调整的作用，为国家有关政策的调整和出台提供依据。根据我国农作物的区域种植特点，该研究中华北地区包括的区域为北京市、天津市、河北省、山西省、山东省、河南省［20］。根据相关资料，估算了2019年相比2001年华北地区粮食种植结构调整的水土资源效应。

1 数据来源与处理方法

该研究数据来源于国家统计局地区年度数据。

1.1 粮食作物结构调整对土地资源消耗的影响

通常情况下，作物单产的水平，稻谷＞玉米＞小麦＞薯类＞豆类。假定产量一定条件下，那么低产作物种植面积更多，需要占用更多的耕地资源。粮食种植结构调整引起种植面积变化的估测方法如下［17，20］：

式中，Q为粮食产量；A为粮食播种面积；Y为粮食单产；ai为粮食作物i的种植面积；yi为i作物单产水平；si为i作物种植面积占粮食总播种面积的比重。假定粮食种植结构无调整，即保持初期（0）结构不变，在末期（t）粮食产量一定的条件下：

由式（2），可以得到无结构调整情景种植面积（A′t）与实际有结构调整的种植面积 （At）的关系为：

A′t-At的差值，就是产量一定的条件下，和无结构调整相比较，粮食种植结构调整节省的种植面积。

1.2 粮食作物结构调整对水资源消耗的影响 农产品生产消耗多少水资源量，估算方法一般是农作物生长发育期间累积的蒸发蒸腾水量，也就是农作物产品虚拟水含量［21］。基于农产品虚拟水含量值，种植结构调整影响水资源消耗量变化的估测方法如下［17，20］：

式中，W为粮食生产所需水量；mi为单位质量的作物i生长所耗水量。在产量一定的条件下，和无种植结构调整的耗水量（W′t）相比较，因种植结构调整节省的耗水量为：

2 结果与分析

2.1 华北地区粮食种植结构变化趋势

将北京市、天津市、河北省、山西省、山东省、河南省粮食生产相加换算出华北地区2001—2019年粮食生产情况，具体见图1和图2。

2.1.1 华北地区粮食作物播种面积的变化趋势分析。

由图1可看出，2001—2019年华北地区粮食播种面积总体上呈现增长的趋势，2001—2004年呈现下降趋势，2005—2016年呈现增长的趋势，2017—2019年呈现下降趋势，2019年比2001年粮食播种面积增加300.39万hm2，2019年比2001年粮食播种面积增长11.54%。2001—2019年华北地区粮食播种面积增加，玉米是2001—2019年华北地区粮食播种面积增加最多的作物，小麦和稻谷播种面积小幅增长，薯类播种面积减少较多，大豆播种面积减少幅度也较大。

2.1.2 华北地区粮食作物构成趋势分析。

由图2可看出，2001—2019年华北地区小麦和玉米是构成粮食播种面积的主体。华北地区小麦播种面积占粮食播种面积比重2001—2019年总体呈现下降趋势。华北地区玉米播种面积占粮食播种面积比重2001—2019年总体呈现增长趋势。2001—2019年华北地区稻谷播种面积占粮食播种面积比重较低，增长幅度甚微。2001—2019年华北地区大豆播种面积占粮食播种面积比重呈现下降趋势。2001—2019年华北地区薯类播种面积占粮食播种面积比重呈现下降趋势。玉米播种面积是2001—2019年华北地区占粮食播种面积比重变化最大的作物，是2001—2019年华北地区粮食作物播种面积增加的主要因素。

2.2 华北地区结构调整对粮食种植面积的影响

以初期 （2001年）种植结构不变为参照情形，在末期（2019年）粮食产量一定的条件下，通过公式（1）～（3）测算出末期（2019年）因粮食种植结构节约的播种面积山西省最多，北京市最少（表1）。在既定产量下，2001—2019年华北地区各省市粮食因种植结构调整都或多或少地节约了播种面积，尤其是山西省、河南省、河北省节约播种面积较多。天津市和北京市虽然粮食因种植结构调节约的播种面积不多，但是结构调整节约的比率却不低，天津市在六省市中最高。2001—2019年华北地区粮食种植结构调整一定程度上缓解了耕地资源利用压力。

2.3 华北地区结构调整对水资源消耗的影响

以初期（2001年）种植结构不变为参照情形，在（2019年）期粮食产量一定的条件下，利用表2华北地区各省市主要粮食作物虚拟水含量［21］，通过公式（4）、（5）测算出末期（2019年）因粮食种植结构节约的耗水量山西省最多，北京市最少（表3）。在既定产量下，2001—2019年华北地区各省市粮食因种植结构调整都节约了耗水量，尤其是山西省、河南省、河北省节约耗水量较多，山西省因粮食种植结构调整节水率高达20.84%，在6个省市里最高。天津市和北京市虽然粮食因种植结构调节约的耗水量不多，但是结构调整节水率相比山东省、河南省、河北省较高。2001—2019年华北地区粮食种植结构调整一定程度上缓解了水资源短缺、地下水超采压力。 山东省、河南省、河北省粮食种植结构调整的节水效应还有待提高。

3 结论与建议

华北地区人均水资源、水土资源配置比例均低于全国平均水平，却是我国重要的粮食生产基地［22］。华北地区地下水超采问题已经威胁到生态环境安全及社会经济的可持续发展，通过减少农业灌溉用水量来缓解地下水资源超采问题已成为国家战略。在地下水超采区调整种植结构，低耗水作物逐渐代替高耗水作物，减少农业灌溉地下水开采量。利用统计数据，以初期（2001年）种植结构不变为参照情形，在末期（2019年）粮食产量一定的条件下，估算了2001—2019年华北地区粮食种植结构调整的水土资源效应。主要结论及建议如下：

（1）2001—2019年华北地区粮食播种面积增加，玉米播种面积增长幅度较大，小麦和稻谷播种面积小幅增长，薯类和大豆播种面积大幅减少。2001—2019年华北地区小麦和玉米是构成粮食播种面积的主体。玉米是2001—2019年华北地区粮食作物播种面积增加的主要因素。华北地区地下水资源相对短缺，而农业灌溉依赖地下水，华北地区降雨集中在夏季，玉米生长在雨热同期的夏季，可以较大程度上减少地下水灌溉。小麦主要生长在降雨较少的春季，小麦生长期耗水量较大，因此降低小麦播种面积是华北地区缓解地下水超采程度的重要手段，但是2001—2019年华北地区小麦播种面积增加，而且小麦播种面积占粮食播种面积比重降低幅度较小。建议通过加大轮作休耕、旱作雨养面积等政策措施减少高耗水作物种植面积，降低水土资源消耗压力。

（2）在既定产量下，2001—2019年华北地区各省市粮食因种植结构调整都或多或少的节约了播种面积，山西省、河南省、河北省节约播种面积较多。华北地区2001—2019年粮食种植结构调整一定程度上缓解了耕地资源利用压力。山东省和河南省因粮食种植结构调整播种面积节约率相比华北地区其他省市有待进一步提高，建议山东省和河南省进一步提高粮食种植结构调整的播种面积节约率。

（3）在既定产量下，2001—2019年华北地区各省市粮食因种植结构调整都或多或少的节约了耗水量，山西省、河南省、河北省节约耗水量较多，山西省因粮食种植结构调整节水率在6个省市里最高。华北地区2001—2019年粮食种植结构调整一定程度上缓解了水资源短缺、地下水超采压力。建议进一步提高山东省、河南省、河北省的粮食作物生产节水率，进一步提高华北地区粮食作物种植结构调整的节水效应。

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