西北地区水资源与食物安全可持续发展研究

王玉宝 , 刘显 , 史利洁 , 上官周平 , 吴普特 , 山仑 , 赵西宁

中国工程科学 ›› 2019, Vol. 21 ›› Issue (5) : 38 -44.

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中国工程科学 ›› 2019, Vol. 21 ›› Issue (5) : 38 -44. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2019.05.017
国际化绿色化背景下国家区域食物安全可持续发展战略研究

西北地区水资源与食物安全可持续发展研究

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Sustainable Development of Water Resources and Food Security in Northwest China

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摘要

西北地区光热土资源丰富，区域食物安全的可持续发展主要受限于其有限的水资源。本文以水足迹和虚拟水为分析工具，评估了西北地区作物生产用水效率、水资源压力和作物虚拟水输出情况。基于国际化绿色化背景，以及西北地区粮食生产及农业用水的预测结果，提出逐步减少区域农业用水总量，优化调整作物种植结构和实施丝路经济带虚拟水工程，以期为区域水资源合理利用和食物安全战略的制定提供参考。

Abstract

Northwest China has abundant light, heat, and land resources, but limited water resources which has restricted the sustainable development of food security in this region. Water-use efficiency in crop production, water resources stress, and virtual water output of crops in Northwest China are evaluated using water footprint and virtual water as analysis tools. Grain production and agricultural water use in Northwest China are predicted. Furthermore, policy suggestions are proposed to guarantee the sustainable development of water resources and food security in Northwest China, including gradually reducing the scale of agricultural water use in this region, optimizing the crop planting structure, and implementing a virtual water project along the Silk Road Economic Belt. This study is hoped to provide a reference for the rational utilization of regional water resources and the formulation of food security strategies.

关键词

西北地区 / 食物安全 / 水资源 / 可持续发展

Key words

西北地区 / 食物安全 / 水资源 / 可持续发展 / Northwest China / food security / water resource / sustainable development

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王玉宝,刘显,史利洁,上官周平,吴普特,山仑,赵西宁. 西北地区水资源与食物安全可持续发展研究[J]. 中国工程科学, 2019, 21(5): 38-44 DOI:10.15302/J-SSCAE-2019.05.017

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一、前言

近年来，西北地区食物生产取得了较大进步，当前粮食、蔬菜和瓜果等食物人均产量均已超过全国水平。但是，西北地区水资源极度缺乏，大量的食物生产给区域脆弱的生态环境带来了巨大灾难 [1]。人口的持续增长，动物性食物消费比例的提高，气候变化引起的蒸散增加等情况，将进一步加剧区域水资源危机。水资源已成为区域食物安全可持续发展的瓶颈 [2]。但同时，西北地区农业用水浪费严重，水分生产率低于全国平均水平。

伴随着中国南方经济的快速发展，大量的耕地被占用，未来我国北方旱区仍将为粮食主产地区；同时，因经济社会发展、城镇化建设和生态保护等的需要，未来西北地区的农业生产将面临产量有所增加而用水量不增加甚至负增长的挑战。此外，气候变化和极端天气的增加也给未来西北地区粮食安全生产带来潜在威胁 [3]。

本文立足国际化绿色化背景，结合中国现代农业发展的整体战略布局，围绕西北地区农业生产结构及其宏观布局，通过分析西北地区主要粮、经作物生产水足迹，农业生产水资源压力，区域食物虚拟水流动，研究西北地区农业用水与食物安全的关系，提出改善西北地区农业用水状况，促进区域农业生产可持续发展和食物安全的措施。

二、西北地区水资源现状及农业用水评价

（一）西北地区水资源现状

西北地区幅员辽阔，光热土资源丰富，国土面积约占全国的41.4%，是中国重要的粮食生产后备基地，以约占全国10% 的水资源量和15% 的粮食种植面积生产全国12% 的粮食。西北地区的粮食生产对确保我国粮食安全具有重要意义。但西北地区水资源缺乏，是我国最为干旱的地区，降水稀少、蒸发强烈。降水集中发生在6—9 月份，多以大雨或暴雨形式出现，水土流失严重。亩均水资源量不到全国平均水平的一半，且水土资源在空间上极不匹配，而降水稀少又使得西北地区农业生产高度依赖灌溉。由于经济发展相对滞后，长期以来，西北地区农牧业发展耗用了大量水资源，水资源开发利用率高，部分流域如石羊河流域水资源开发利用率超过了100%，引起了一系列生态问题 [1,4]。此外，水源枯竭正进一步恶化水资源匮乏的现状。冰川退缩、雪线上升，导致地表水径流减少 [5]。在资源型缺水加剧的同时，西北地区的水质也在逐步恶化 [6]。

（二）西北地区农业用水评价

农业在西北地区的经济发展中具有重要地位，农田灌溉用水占总用水量接近70%，部分地区农业用水比例达到了90% 以上。西北地区农田灌溉用水量占区域总用水量的百分比高于全国值，其中新疆、宁夏和甘肃尤为突出。近年来，随着其他行业对农业用水的挤占，农业灌溉用水量比例在逐步下降（见表 1）。

表 1 西北地区农业灌溉总体情况

以水足迹为工具，分析西北地区9 种主要作物的生产水足迹，以量化西北地区农业对降水（绿水）和灌溉水（蓝水）的利用情况，并进一步分析作物生产水足迹的时空演变特征。作物生产水足迹是区域生产单位作物产品所消耗的水资源量（包括蓝水和绿水）。

如图 1 所示，西北地区综合粮食作物生产水足迹均呈波动下降趋势，作物生产蓝水足迹占作物生产水足迹的比例也多呈波动下降趋势，但下降幅度相对较小。

图 1 西北地区综合粮食作物生产水足迹及其组成演变趋势（2000—2016）

从西北整体来看，2010 年以前，西北地区综合粮食作物生产水足迹均大于全国平均水平，近年来西北地区综合粮食作物生产水足迹稍低于全国平均水平。在研究时段内，西北地区蓝水生产足迹始终高于全国平均水平，但差距有明显的减小。绿水生产足迹始终低于全国平均水平，且两者间的差距有增大的趋势。表明西北地区粮食生产消耗了更多的蓝水资源。

对于西北地区9 种作物生产水足迹及其组成，同一区域不同作物之间差异显著，即存在绝对比较优势；同一作物不同区域之间差异也显著，即存在相对比较优势。

虚拟水是指生产商品和服务中所需要的水资源量。当一个地区的某种作物产品生产不能满足或超过本地区的需求时，就可能产生区域间该种作物产品的贸易，随之也产生了虚拟水在区域间的流动。西北地区与中国其他区域间的粮食贸易过程中，主要是粮食输出的角色，且呈波动上升趋势，2016 年西北地区输出粮食量超过1.0×107 t，输出的经济作物量超过2.9×107 t。伴随着作物产品的贸易，2008年之后，西北地区每年向外输出的虚拟水量均超过1.0×1010 m3 ，2016 年更是高达2.527×1010 m3 （见表 2）。

表 2 西北地区与国内其他地区作物贸易产生的虚拟水贸易量  ×108 m3 

注：负号表示虚拟水流入西北地区；反之为虚拟水流出西北地区。

三、西北地区水资源压力评价

以水资源开发利用率来衡量区域水资源压力，当水资源开发利用率小于10% 时为低水资源压力；当水资源开发利用率大于10%、小于20% 时为中低水资源压力；当水资源开发利用率大于20%、小于40% 时为中高水资源压力；当水资源开发利用率大于 40% 时为高水资源压力。

西北地区水资源压力在中高水资源压力与高水资源压力界线浮动，而全国水资源压力在中低水资源压力和中高水资源压力界限浮动，说明西北地区面临的水资源短缺已非常严峻（见表 3）。

表 3 西北和中国农业用水及对水资源压力的贡献率 %

四、西北地区粮食生产及农业用水预测

借助线性回归和灰色系统模型中的GM(1,1)模型对西北地区粮食单产、粮食产量、作物生产水足迹和降水变化情况进行预测。按照预测的粮食单产和粮食产量，未来西北地区粮食的种植面积有一定增加，即便按粮食种植面积不变进行保守估计，未来西北地区人均粮食产量仍高于全国均值，即西北地区作为粮食输出区的现状在未来仍然不会改变。未来西北地区降水会有小幅度增加，但考虑到未来气候变化的温度升高会造成蒸散增大，需要合理控制西北地区的耕地面积和作物种植结构并适当发展旱作农业，以确保未来作物蓝水足迹能有所下降，农业用水压力不会增大（见表 4）。

表 4 西北地区人口、粮食单产、粮食产量、作物蓝水足迹和降水量预测值

五、政策建议

（一）逐步减少农业用水总量

依据食物绿色化要求，应考虑土地资源储备、耕地质量保育、水资源压力和生态承载力等因素的综合影响，对西北地区进行合理开发和保护。西北地区是我国最为干旱的地区，也是我国水土流失最为严重的地区，其生态系统又极度依赖于水资源系统，而西北地区水资源开发利用率超过了40%，属于高水资源压力，农业用水占总用水量比例高，因此应逐步减小农业用水规模，促进区域可持续发展。

（二）优化调整作物种植结构

在确保口粮供给的前提下，依据同一区域不同作物间的绝对比较优势和同一作物不同区域间的相对比较优势，调整作物种植结构，减少高耗水作物面积，增加作物降水利用比例，提高用水效率和用水效益，减少区域水资源使用量，缓解区域水资源压力。西北地区应增加饲料作物种植比例，改变当前的粮经二元作物结构为粮经饲三元作物结构。

（三）实施丝路经济带虚拟水工程

我国人口持续增长，尤其全面放开二胎政策会导致粮食消费量的增加，到2035 年还需要新增1.0×108 t 粮食。耕地资源和水资源的限制，以及我国居民对食物质量和结构多样性的要求，已很难通过发展国内生产来满足粮食持续增长的需求。长期以来，我国粮食主要进口国比较单一，运输距离远，给粮食安全带来巨大隐患。“一带一路”倡议的实施，为中国粮食安全提供了新的契机。“一带一路”沿线多是发展中国家，各国都有发展农业合作、促进农业转型升级的共同诉求。比较人均耕地资源和粮食生产现状，中亚五国（哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、吉尔吉斯斯坦、土库曼斯坦、塔吉克斯坦）具备打造成中国战略储备粮仓的潜力。

中亚五国与我国西北地区类似，光热资源丰富，国土面积合计约为4×106 km2 ，其中耕地面积为 3.241×107 hm2 ，相当于我国耕地面积总量的1/4，草地面积为2.5×108 hm2 ，相当于我国的3/4 [7~9]；另有部分可耕地未被利用。年降水量为160~700 mm，人均水资源量均低于8000 m3 ，但高于我国西北地区人均水资源量2310 m3 的水平。

中亚五国农业以种植业和畜牧业为主，每一农业劳动力平均拥有5 hm2 耕地和39 hm2 草场。种植业以粮食（小麦、玉米和水稻）、油料和棉花这三类土地密集型产品为主，畜牧业以养羊、牛、马为主。农业投入严重不足，生产技术落后，粮食单产低、灌溉定额大，用水效率低 [9]。

中亚五国与我国，尤其是西北地区在农业领域有较好的互补性和互利性，具备很好的农业合作潜力。中亚五国与我国西北地区毗邻，边境线大于3000 km，有九个跨界同缘民族，语言和风俗习惯类似，文化生活联系广泛 [9]。依靠这种地缘优势，西北地区已经成为我国向西开放的前沿阵地，成为与中亚国家对外经济合作重要的承接地和聚合点。此外欧亚大陆桥的贯通，上海合作组织合作平台的建立，国家西部大开发、丝路经济带政策的实施为西北地区食物贸易提供了战略机遇，也为食物虚拟水工程奠定了坚实的基础。

（1）提升中亚五国农业生产及用水水平。中亚五国农业投入普遍不足，农业机械发展相对滞后，劳动力生产率低，有巨大潜力可以挖掘。中亚五国现有谷物播种面积为1.774×107 hm2 ，相当于我国的19%，我国西北地区的234%；年谷物总产量为2.9×107 t，相当于我国的5%，我国西北地区的74%；单产为1635 kg/hm2 ，相当于我国的 27%，我国西北地区的32%，若其单产能提高到我国西北地区水平，则年增产达6.164×107 t，若其单产能提高到我国平均水平，则年增产达7.843×107 t，接近我国目前的粮食总进口量。农业节水灌溉面积较少，用水效率低下，灌溉水利用效率不及我国西北地区的20%，故对农业节水灌溉技术具有极强的需求；而我国西北地区具有资金优势，农业机械化率和农业科技水平相比中亚国家较高，如新疆在地膜覆盖技术和膜下滴灌技术方面具有较成熟的经验和较高的技术水平，拥有自主研发的节水灌溉产品及技术。因此，丝路经济带食物虚拟水工程应首先加强对中亚五国农业的技术与资金支持，在尽量不增加其农业水资源利用量和耕地面积的前提下，提升其农业生产水平和用水水平进而提高粮食产量。

（2）优化调整我国西北地区、中亚五国产业结构及种植结构。中亚五国降水主要集中在冬春季，我国西北地区降水主要集中在6—9 月，因此中亚五国小麦、油料作物的降水利用比例相对较高，灌溉水需求较少；中亚五国草地资源丰富，有利于发展畜牧产业，但由于食品加工业发展严重滞后，畜产品加工产品少。我国畜禽产业使用饲料粮较多，需要耗用较多的水资源。因此，应将我国西北地区和中亚五国食物产业统筹考虑，加强地区之间的协调，将水资源作为重点考虑因素，优化调整我国西北地区和中亚五国产业结构及种植结构，使得各区域建立起适水型的产业结构和种植结构。

（3）发展我国西北地区与中亚五国食物虚拟水贸易。进一步改善区域之间的交通设施，完善双边和多边贸易协调机制，建立“互联网 + 现代农业”商业营销模式等，为我国西北地区与中亚五国食物虚拟水贸易的实施奠定基础。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
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中国工程院咨询项目“国际化绿色化背景下国家区域食物安全可持续发展战略研究”(2016-ZD-09)()

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