我国农业用水安全的分区及发展对策*

(1.中国人民大学农业与农村发展学院 北京 100872;2.云南省大理州农业局 大理 671000; 3.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050022)

王西琴1吴若然1李兆捷2杨永辉3

我国农业用水安全的分区及发展对策*

(1.中国人民大学农业与农村发展学院 北京 100872;2.云南省大理州农业局 大理 671000; 3.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050022)

王西琴1吴若然1李兆捷2杨永辉3

针对我国农业用水区域差异特点,选择水资源状况、农业用水特征、经济发展水平、农业生产条件等4个方面的10个指标,采用聚类分析方法,以2013年为基准年对我国农业用水进行分区,为我国农业用水安全提供依据。结果表明,按照省级行政单元农业用水可划分为8类地区,第1类地区包括江西、湖南、湖北等3省,农业用水量和粮食产量分别占全国农业用水量和粮食产量的13.3%和12.5%;第2类地区包括贵州、云南、安徽、四川、重庆、广西等6个省(直辖市、自治区),上述2个指标分别为23.6%和20.3%;第3类地区是海南省，上述2个指标分别为0.9%和0.3%;第4类地区包括山东、河南、河北、辽宁、山西、陕西、甘肃等7省,以占6.8%的水资源量、19.2%的农业用水量,生产了33.7%的农业产值和32.4%的粮食;第5类地区包括吉林、黑龙江、内蒙古等3省(自治区),以占6.9%的水资源量、12.0%的农业用水量,生产了20.5%的粮食;第6类地区包括宁夏、新疆、西藏、青海等4个省(自治区),农业用水量、粮食产量分别占16.2%和3.2%; 第7类地区包括福建、广东、江苏、浙江等4省,农业用水量和粮食产量占全国比例分别为19.5%和10.2%;第8类地区包括天津、上海、北京等3个直辖市，农业用水量与粮食产量最低，分别占全国比例为1.1%和0.6%。第4类和第5类地区合计农业用水量和粮食产量占全国比例分别为31.2%和52.9%,是我国农业水资源管理特别关注的地区。在此基础上,提出了我国农业用水分区对策,第1类地区以节水为主;第2类地区以提高灌溉水利用系数为主;第3类地区增加有效灌溉面积;第4类地区在挖掘本地区节水潜力的前提下,通过外流域调水或水权交易增加水资源总量;第5类地区以提高农业用水保障程度为主;第6类地区以保护水资源和水源涵养为主;第7类、第8类地区以提高农业用水效益为主。本文研究结果可为我国农业用水安全提供科学依据。

农业用水安全 水资源利用 用水分区 农产品

水在农业生产中起着不可替代的作用,2011年“中央一号文件水被定义为“生命之源,生产之要,生态之基”[1]。我国人均水资源量约2 300～2 500 m3,约为世界人均水量的1/4,被联合国列为13个贫水国家之一,农业用水严重缺乏,缺水量达3 000×108m3。水资源安全是粮食安全的基础,粮食安全必须依靠水资源保障[2],随着我国粮食进口的持续增加,2014年粮食安全被提升至国家一号战略[3]。我国粮食主产区即长江中下游平原、华北平原、东北平原和西北地区4大粮仓等,水资源安全尤为重要[4]。在农业用水匮乏的条件下,我国的农业用水还存在水资源空间分布不均、水土资源布局不合理等问题,如南方地区人口占53%,耕地占35%,水资源占81%,北方地区人口占47%,耕地占64%,水资源占19%;同时,农业用水无论是在用水效益还是用水保障程度方面,均存在着地区差异,灌溉用水利用系数地区差异0.33,进一步加剧了农业水资源安全及由此引发的粮食安全、农业生态环境安全、农业经济安全、农村社会安全等问题[5-6]。因此,对农业用水进行区域划分,在此基础上提出针对性的分区战略对策,对于有效利用农业用水具有非常重要的现实意义。已有相关成果为本文研究提供了参考。陈守煜等[7]采用模糊聚类研究全国水资源分区。其他学者研究了流域水资源分区,如海河流域水资源分区[8]、黄河流域水资源分区[9]、长江上游地区水资源分区研究[10]等。刘玉凤等[11]以地貌、气候、灌溉程度、缺水程度等作为分区指标,采用模糊聚类方法将华北地区分为10个节水型农业分区,并提出未来不同分区节水重点。申元村等[12]以区域地理位置和大地貌格局将我国西部地区划分为5个生态农业区,并指出各区建立特色农业的方向。吕敬堂等[13]以贵州省农业系统为研究对象,根据农业产品供给、就业和生活保障、生态调节和生态约束、文化传承和休闲等4类指标,应用聚类分析方法,将贵州省88个县划分为4个区域,指出各农业区域的功能及其拓展方向。倪深海等[14]综合考虑农业受旱成灾情况、水利设施抗旱能力、耕地灌溉率以及当地的水资源状况等因素,采用层次分析法,将全国受旱成灾地区划分为极严重脆弱区、严重脆弱区、一般脆弱区、轻度脆弱区4类地区。上述研究主要集中在水资源分区、节水型农业分区、生态农业分区、农业功能分区、农业干旱脆弱性分区等,以农业用水作为对象进行的分区研究比较鲜见。本文借签前人的研究成果,采用聚类分析方法,选取关键的农业用水指标,以行政区为单元,对我国农业用水进行分区,为我国农业用水安全提供依据。

1 研究方法

1.1 聚类分析方法

聚类分析方法具有过程简单、结果直观的优点,被广泛应用于不同类型的区域划分研究中[7-13]。聚类分析有7种分类方法及其7种距离测度方法[8]。本文选择离差平方和法,距离测度采用欧氏距离平方进行计算,根据方差分析,同类内样本离差平方和较小,不同类之间的平方和较大,分类灵敏度较高。按照距离从大到小的原则,利用离差平方和法和欧氏距离平方聚类的谱系图,确定分类的数量。具体通过SPSS19.0统计软件Q型聚类实现,为避免由于指标变量的量纲不同或数量级差异造成可比性问题,使用软件中的标准化功能,对数据进行标准化处理。

1.2 分区指标与评价标准

分区的关键是确定分区指标，本文参考水资源评价[15]、农业用水可持续利用评价[16]以及相关分区指标[11-16]等指标,建立包括水资源状况、农业用水特征、经济发展水平、农业生产条件等4个方面的13个指标作为备选指标,并对这些指标进行Pearson相关性检验。结果显示,人均GDP、农村居民纯收入及人均财政收入等3个变量之间在0.05水平(双侧)上显著相关,万元农业产值用水量与单位粮食生产用水量等两个变量之间在0.01水平(双侧)上显著相关。故剔除农村居民纯收入、人均财政收入、单位粮食生产用水量3项相关性较高的指标,以10个指标作为本文的分区指标(表1)。

评价标准依据如下:1)以历史统计数据为依据,按照一定的统计概率作为标准的依据,如50%、75%、90%等;2)对于一些有国际标准的指标,采用国际标准作为依据,如人均水资源量、人均GDP、第一产业产值比重等;3)以全国2013年平均值作为标准等级。最终确定各指标的标准列入表1。

表1 农业用水分区指标与标准Table 1 Indicators and standards of agricultural water consumption zoning

1.3 数据来源

数据主要来源于3个方面:1)统计年鉴。如农业用水量、耕地面积、库容量、粮食产量、第一产值比重等指标,可以直接从统计年鉴获得。2)全国水资源公报、全国水资源综合规划、省级水资源公报、流域水资源综合规划等。如水资源总量、灌溉水利用系数等;3)根据上述资料计算获得。如单位国土面积水资源量、人均水资源量、人均GDP、人均耕地面积、粮食单产、单位耕地库容量、万元农业产值用水量等指标。

2 结果与分析

根据上述方法,以2013年为基准年,对全国31个省(自治区、直辖市)进行聚类分区。将全国农业用水分为8类地区，这8类地区主要指标特征值表现出明显的差异(表2,3)。

2.1 各区农业用水量与粮食产量

第1类地区包括江西、湖南、湖北等3省,农业用水量和粮食产量占全国同类指标的比例分别为13.3%和12.5%。第2类地区包括贵州、云南、安徽、四川、重庆、广西等6个省(直辖市、自治区),农业用水量在8类地区中占全国同类指标比例最大,为23.6%,粮食产量占全国20.3%,排序第3位,其中广西自治区的农业用水量超过209.4×108m3,居全国第4位。第3类地区为海南省,农业用水量与粮食产量分别占全国的0.9%和0.3%。第4类地区包括山东、河南、河北、辽宁、山西、陕西、甘肃等7个省,以占全国6.8%的水资源量和19.2%的农业用水量生产了占全国32.4%的粮食产量。第5类地区包括吉林、黑龙江、内蒙古等3省(自治区),以占全国6.9%的水资源量、12.0%的农业用水量生产了占全国20.5%的粮食产量,其中黑龙江省的农业用水量位居全国第2,为第310.2×108m3。4、5类地区合计农业用水量占全国的31.2%、粮食产量占全国53%。第6类地区包括宁夏、新疆、西藏、青海等4个省(自治区),占全国农业用水量的16.2%,粮食产量仅占全国3.2%,其中新疆自治区农业用水量在全国最高,为557.7×108m3。第7类地区包括福建、广东、江苏、浙江等4省,农业用水量占全国比例19.5%,粮食产量仅占全国10.2%,其中江苏省农业用水量位于全国第3,约为301.9×108m3。第8类地区农业用水量与粮食产量最低,分别占全国的比例为1.1% 和0.6%。

表2 我国农业用水各分区主要用水指标占全国的比例Table 2 Proportions of water consumption indicators of each agricultural water consumption zone to the country of China %

2.2 各分区农业用水保障程度与节水潜力

由于降水季节与农作物需水季节的差异性,我国大部分地区以灌溉农业为主,农田水利在保障农业生产过程中的作用十分重要。2013年我国水库总容量8 298.21×108m3,各省平均库容量为267.68×108m3。从水库总容量看,主要粮食产区第4类和第5类地区水库库容占全国比例分别为17.7%、8.4%,特别是第4类地区的山西、陕西、甘肃等3省的水库库容仅为69.2×108m3、88.5×108m3、105.4×108m3,农业用水保障程度低。

灌溉水利用系数是灌入田间可被作物利用的水量与渠首引进的总水量的比值[17],我国灌溉水利用系数从2000年的0.43提高至目前的0.49,但与发达国家农业灌溉水利用系数0.7～0.8相比,还有较大差距[18]。第4和第5类地区灌溉水利用系数分别为0.51 和0.54,其中第4类地区除河北省较高为0.64外,其余均较低,特别是山西、甘肃2省低于0.5,大约为0.49,第5类地区的黑龙江、吉林省的灌溉水利用系数分别为0.54和0.51。第2类地区低于全国平均水平,平均约为0.43,其中广西灌溉水利用系数为0.39。第6类地区较低为0.45,其中宁夏和新疆的灌溉水利用系数分别为0.43和0.47。

国内外对节水潜力的内涵还没有一个公认的、统一的标准,相应地,对于节水潜力的计算也就缺乏一致的方法。有关节水潜力计算的文献大多以灌溉水利用系数及田间净灌溉定额为评价标准[19]。本文根据灌溉用水利用系数计算各分区的节水潜力(表3),结果显示,在耕地面积、种植结构保持不变,提高灌溉水利用系数的情况下,2030年我国农业节水潜力约731.9×108m3,其中第2、第4和第5类等分区的节水潜力分别约为159.3×108m3、118.7×108m3和77.3×108m3。

表3 我国农业用水各分区农业用水主要指标比较Table 3 Comparison of water consumption indicators of each agricultural water consumption zone of China

2.3 各分区农产品构成

进一步考察各分区农产品产量的地区差异(表4),可以看出,第4、第5、第2类地区是粮食主产区,合计占全国粮食产量的73.1%。第6、第4和第1类地区是棉花产量主要分布区,分别占39.6%、36.2%和12.8%,仅前两者就占75.8%。第4、第2和第1类地区是油料作物主要分布区,合计占全国总产量的79.4%。水果、肉类和禽蛋等农产品主要分布在第4、第7和第2类地区,合计水果占77.6%,肉类占72.0%,禽蛋占78.6%,水产品主要分布在第4、第7和第1类地区,合计占82.4%,奶类以第4、第5类为主,占78.9%。

综上所述,粮食、油料等作物主要集中分布在第4、第2和第5类地区,棉花集中分布在第6类地区。其中第4类地区粮食、棉花、油料、肉类、奶类等均在30%以上,水果、禽蛋类在46%以上,是最重要的农产品生产地区。

表4 我国农业用水各分区主要农产品产量占全国比例Table 4 Proportions of major agricultural products of each agricultural water consumption zone to that of the country of China %

3 讨论与结论

1)根据农业用水特点并结合水资源条件、农业生产、经济发展等,对我国农业用水进行了分区,将全国31个省(直辖市、自治区)划分为8类地区,并给出各分区农业用水保障程度、节水潜力、粮食产量以及其他农产品的特征值,识别了重要粮食产区及其农业用水面临的问题,从而为未来保障粮食安全的农业用水战略提供了依据,为分区分类的农业水资源管理提供参考。

2)根据本文农业用水分区结果,未来我国农业用水应充分体现各分区分类的战略重点。第1类地区水资源较为缺乏,农业用水的重点是在保证农业正常生产的前提下,减少单位耕地水资源投入,提高灌溉水利用系数。主要从灌溉技术、工程改善等方面加强节水力度。由于第1类地区人均GDP、农村居民年纯收入等均低于全国水平,经济发展较为落后,节水资金投入应依靠中央财政予以扶持。第2类、第4类、第5类地区,以占全国土地面积的49.9%、耕地面积的75%、水资源总量的44.7%、农业用水的54.8%,生产出占全国70.8%的粮食产量。这3个地区农业用水与农业的稳固与发展,直接关系到我国粮食安全和农业发展的问题,是今后我国农业用水战略的重点地区。特别是第4类地区以占全国水资源量的6.8%、国土面积的15.3%,产出了占全国33.7%的农业产值、32.4%的粮食,是农业水资源管理应该特别关注的地区。第2类地区灌溉用水有效利用系数约为0.42,为全国平均水平的85.19%,因此提高灌溉水利用系数是其改进的重点。第4类地区水资源开发利用率远超出警戒线,甚至部分地区超过了100%,可进一步开发利用的后备水资源严重不足。因此,今后的战略重点是在挖掘本地区节水潜力的前提下,通过外流域调水或水权交易增加水资源总量,以保障粮食安全。第5类地区如黑龙江、吉林省近年粮食产量在全国的地位逐年突出,该地区以占全国水资源的6.9%、水库库容的8.4%,生产出了20.5%的粮食,节水潜力十分有限,仅为77.3×108m3,粮食生产与水资源之间的矛盾逐渐显现,未来农业用水的战略重点是在节水和提高灌溉水利用系数的同时,加强水利建设,提高农业用水保障程度。第3类地区海南省水资源较为丰富,目前以第一产业为主导产业,农业用水效益较低,是全国平均水平的1.53倍,有效灌溉面积比约为33.4%。因此,今后的重点应该以提高用水效率和增加有效灌溉面积为主。第6类地区位于我国大江大河的上游地区,水资源丰富(宁夏除外),是我国重要的生态功能保护区。因此,需要特别注意农业生产与水资源保护之间的协调关系,以保护水资源和水源涵养为主。第7类地区灌溉水利用系数略高于全国平均水平,该分区是我国经济、科技较为发达的地区,在农业产业化发展上具备资金和科技的优势,因此农业产业链延伸是其重点,通过调整农业结构和发展生态农业,进一步提高农业用水的经济效益。第8类地区水资源利用效率和经济效益处于全国较高水平,但与发达国家相比较仍然有潜力可挖,因此要发挥自身经济实力和科技能力,进一步提高农业用水效益,提高节水灌溉面积和水分生产能力。

3)分区是为了更好地识别区域差异特征,进而提出因地制宜的发展对策。比如,我国已有的《全国水资源分区》、《中国综合自然区划》、《全国生态区划》、《中国综合农业区划》等,在水资源评价与规划、自然资源开发利用与保护、生态功能识别与重要生态功能区保护、以及农业生产发展方向和建设途径等方面发挥了重要的作用。本文仅从宏观层次对我国农业用水分区作了初步研究,揭示了各分区农业用水特点、节水潜力,以及各分区粮食产量和其他农产品的特征,为农业用水安全保障及其水资源管理战略重点提供决策依据。由于受数据资料的限制,在指标体系的建立以及标准的确定等方面还有待改进,希望在今后的研究中进一步深入和完善。

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Agricultural water security zoning and developmental countermeasures in China*

WANG Xiqin1,WU Ruoran1,LI Zhaojie2,YANG Yonghui3
(1.School of Agricultural Economics and Rural Development,Renmin University of China,Beijing 100872,China;2.Dali Agriculture Bureau of Yunnan Province,Dali 671000,China;3.Center for Agricultural Resources Research,Institute of Genetics and Developmental Biology,Chinese Academy of Sciences,Shijiazhuang 050022,China)

Although water resources is the basis of food security,agricultural water shortage is rampant in China.In view of regional differences in agricultural water use in the country,10 indicators were selected and adopted for zoning of agricultural water consumption.Ten indicators belong to four groups(the conditions of water resources,the level of economic development,the state of agricultural production,and the features of agricultural water use)were selected,and cluster analysis used to divide agricultural water consumption zones with 2013 as the base year.The results indicated that China was divided in8 zones of agricultural water consumption based on administrative units at provincial level.The first zone included Jiangxi, Hunan and Hubei Provinces,where the proportions of total agricultural water use(TAWU)and grain production in the country were 13.3%and 12.5%,respectively.The second zone included Guizhou,Yunnan,Anhui,Sichuan,Chongqing and Guangxi Provinces(City or Autonomous Region),where TAWU and grain production were 23.6%and 20.3%,respectively.The third zone covered Hainan Province for which the TAWU and grain production were 0.9%and 0.3%,respectively.Then the forth zone included Shandong,Henan,Hebei,Liaoning,Shanxi,Shaanxi and Gansu Provinces with a combined agricultural output accounting for 33.7%of the total agricultural output of the country and accounted for 32.4%of the China’s total grain production.However,it had only 6.8%of the total amount of water and used only 19.2%water resources of the country.The fifth zone included Jilin,Heilongjiang and Inner Mongolia Provinces(Autonomous Region),accounting for 20.5%of the country’s total grain production,6.9%of its total water amount and 12.0%of the TAWU.The sixth zone covered Ningxia, Xinjiang,Tibet and Qinghai,accounting respectively for 16.2%and 3.2%of the country’s TAWU and grain production.The seventh zone included Fujian,Guangdong,Jiangsu and Zhejiang Provinces,with 19.5%and 10.2%of China’s TAWU and grain production,respectively.The eighth zone included Tianjin,Shanghai,Beijing,etc.,which accounted for 1.1%and 0.6%of the China’s TAWU and grain production,respectively.As the agricultural water use and grain production in the fourth and fifth zones accounted respectively for 31.2%and 52.9%of the country’s total,there was need to treat the two zones with a specific concern in terms of agricultural water management.Among the countermeasures to agricultural water use put forward for the zones,water saving was important for the first zone,improved irrigation water use coefficient for the second zone,increased effective irrigation area in the third zone,and improved total water resources through water transfer from other basins and increased water-saving potential inside the basins for forth zone.There was the need to increase the degree of water assurance in the fifth zone,to focus on water resources protection and conservation in the sixth zone,and to promote water utilization efficiency in the seventh and eighth zones.The paper therefore solidly laid the scientific basis for sustainable utilization of water resources in the whole of China.

Agricultural water security;Water utilization;Water consumption zoning;Agricultural product

,WANG Xiqin,E-mail:wxiqin@ruc.edu.cn

F

A 文章编号:1671-3990(2016)10-1428-07

10.13930/j.cnki.cjea.160017

* 国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07501-001)和中国科学院农业水资源重点实验室开放基金项目(KF311201303081)资助

王西琴,从事资源管理与环境经济学方面研究。E-mail:wxiqin@ruc.edu.cn

2016-03-25 接受日期:2016-06-01

* This work was supported by the National Science Major Project of Water Pollution Control and Treatment(2012ZX07501-001)and the Open Fund of the Key Laboratory of Agricultural Water Resources,Chinese Academy of Sciences(KF311201303081).

Received Mar.25,2016;accepted Jun.1,2016