适应水土资源条件的华北地区农业种植布局研究.docx

一、前言科学开展国土空间规划，优化国土开发利用和保护格局，需要因水制宜、量水而行。在实现国土空间规划、生态修复、生态体系建设的水资源供需平衡总目标下，梳理国土空间开发利用现状及存在问题，提出适应水土资源条件的国土空间利用策略具有重要意义。华北地区在诸多方面具有区位优势，在我国经济社会发展全局中具有重大影响；在水资源短缺的条件下，地区农业为保障国家食物安全、推动农村全面发展提供了关键支持，但也面临着多方面的生态环境负效应，特别是多年地下水超采形成的大幅度下降复合漏斗问题威胁着灌溉农业的可持续发展。因此，厘清水土资源现存问题，提出适应水土资源条件的区域农业种植布局方案，促进华北地区农业健康发展，兼具理论研究与实践应用价值。本研究涉及的华北地区包括北京市、天津市、河北省、山西省、山东省、河南省，区域人口占全国的比重为24.6%,相应耕地面积的全国占比为21.2%；因光热充足、土地肥沃成为我国最重要的农牧业生产和商品粮基地，也是重要的工业制造中心、城市群聚集中心。华北地区属于半干旱半湿润季风气候，水资源总量仅占全国的3.72%,人均水资源量约为全国平均水平的16%。水资源构成了制约华北地区经济社会发展、居民生活水平提高的重大障碍，也成为新一轮国土空间规划中需要考虑的关键性控制因素。已有研究多围绕华北地区水资源及农业用水配置展开，而结合国土空间规划层面的新需求，探索适应水土资源条件的华北种植布局优化等课题亟待深化。针对于此，本研究瞄准国土空间规划、生态修复、生态体系建设的水平衡总目标，分析华北主要农作区的现状年（2018年）农业种植结构与水土资源布局，考虑人口、经济、社会、气候情景、水资源承载力等约束条件，形成华北地区农业种植布局优化方案并提出应对策略建议。需要说明的是，文中涉及数据繁多，除注明引用源的数据外，均为自行建模计算及评估结果。二、华北地区农业种植与水土匹配的现状与问题（一）在耕地面积稍减的情况下，依然担负全国粮食与食物生产重任华北地区是我国重要的粮食主产区，改革开放以来主要农作物（粮食、蔬菜、油料、果树）种植面积的全国占比基本稳定。同期，华北地区粮食总产量的全国占比也基本稳定，平均水平维持在24.5%左右。小麦、玉米、谷子、油料、蔬菜的产量占比分别为45.7%63.4%、29.5%39.6%、41.2%72.3%、22.7%36.3%、29.8%40.5%。棉花、豆类产量占比明显降低：前者从1978年的26.3%下降至2021年的7.13%,后者从1991年的22.9%下降至2020年的9.44%o尽管耕地面积有所下降，但华北地区仍然担负着全国粮食和食物生产的重任，表现为农作物总播种面积的提高、大宗农作物产量的增加。例如，谷物产量从1992年的9.187x101提高到2020年的1.711x103小麦、玉米产量分别从1978年的2.555x101、1.961x101增长至2020年的8.065x10?t、8.103×107t;19782021年油料产量由1.43x101上升至1.078x10,31983-2020年棉花产量由2.72lSt下降至5.2x103豆类产量历经波动,产量范围为1.28lO4.53l6仁华北地区的种植结构变化情况如下。19782021年，粮食作物占总播种面积的比例基本稳定，最大值为1978年的83.4%,最低值为2003年的65%,多年平均值为75.1%,2020年为76.7%o小麦播种面积占粮食播种面积的比例，最大值为2006年的46.4%,最小值为1981年的39.1%,多年平均值为43.9%,2020年为43.1%。玉米播种面积占粮食播种面积的比例，最大值为2016年的46.7%,最小值为1984年的22.9%,多年平均值为33.3%,2020年为45.2%。大豆播种面积占粮食播种面积的比例从1978年的4.97%下降到2020年的2.06%。油料作物播种面积占作物播种面积的比例从1978年的4.13%提高到2020年的7.18%o蔬菜播种面积占作物播种面积的比例从1978年的2.54%提高到2020年的11.46%O从种植结构看，在华北地区的高耗水作物中，小麦占比维持在40%以上，蔬菜占比稳步增长。（二）灌溉用水效率与水分生产力不断提高，但水资源紧缺状况未得到根本性缓解在华北地区降水持续减少的背景下，根据华北六省市19812018年降水量统计及水文年型划分结果，20012018年，枯水5年、平水6年、丰水7年；其中2008-2013年为连续平水年，2003-2005年、20162018年为连续丰水区间，平水年和丰水年的占比达到72%。近20年来，华北地区的平均年降水量为601mm；其中，枯水年平均降水量为522mm、平水年为601mm、丰水年为657mm。由此可见，2000年以来华北地区降水减少的趋势有所缓解。华北地区冬小麦-夏玉米体系的生育期降水量年型划分结果显示，20012018年冬小麦生育期枯水4年、平水7年、丰水7年；其中2012-2014年为连续平水年，20152018年为连续丰水年；2010年以来降水条件变好，仅有2011年为枯水年。夏玉米生育期枯水5年、平水6年、丰水7年；除了2014-2015年为枯水年，其余年份为平水年或丰水年。春玉米生育期枯水5年、平水7年、丰水6年，2010年以来只有3个枯水年。无论是全年降水量年型分布，还是主要作物生育期降水量年型分布，21世纪以来的20年中平水年和丰水年居多。但从长期气候变化趋势看，无论在平水年还是丰水年，与上一个气候时段（19702000年）相比，华北地区60Omm等降水量线已经转移到冀鲁豫交界的黄河一线。这一重要变动表征了气候的明显变化，对认识华北地区近20年种植业用耗水历史、开展未来种植业结构“适水调整都具重要的指导意义。从冬小麦生育期看，不同水文年型中各省份的冬小麦都处于降水亏缺状态;即使在丰水年，除河南省的亏缺量低于100mm外，其他区域的水分亏缺均值为100150mm；河北平原、山东西部、河南北部是小麦水分亏缺相对严重的地区，亏缺均值为150270mm0夏玉米生育期在枯水年份，河北平原、山东西北部、河南北部依然面临降水亏缺状态。因此，从农田水均衡角度看，河南北部、山东西北部、河北平原在不同水文年型下的降水均不能满足各自的耗水需求，这一地带识别为农田水分失衡带，与华北地区地下水超采漏斗区高度吻合。因此,华北地区仍然需要相当的灌溉量才能达到目前的产量水平。地区总用水量从2000年的7.802x10nr增长到2020年的7.836x10。ms增长相对缓慢;而农业用水量从2000年的5.354x10nr下降到2020年的4.197x10。rv,降幅（21.6%）较为显著。农业用水量在总用水量中的比例从2000年的68.6%下降到2020年的53.6%,明显低于全国平均值（62.1%）,但地区分布差异很大。例如，北京市的农业用水仅占总用水量的7.9%,而天津市、河北省、河南省、山东省、山西省的对应占比分别为37.1%、58.9%、52.1%、60.2%、72.8%。华北地区在农产品增产、生产方式更加集约的情况下实现了农业用水量及占总用水量比例的明显下降，说明农业用水效率显著提高。区域内灌溉水有效利用系数从2000年的0.573提升至2020年的0.647,高于全国水平14.5%,其中天津市进步显著。2020年，天津市灌溉水有效利用系数为0.72,较2000年提高了22.6%；北京市为0.75（提高18.9%）,河南省为0.617（提高16.5%）,山东省为0.646（提高15.3%）,河北省为0.675（提高9.50%）；华北地区粮食作物水分生产力从1.058kgm3提升到1.543kgm3,高于全国水平22.8%。同期，华北地区各省份的亩均（1亩=666.67m2）灌溉量均有明显下降，普遍比全国水平低50%以上；河北省亩均灌溉量从2000年的252m3下降到2020年的157m3（降低37.7%）,河南省从197m3下降到164m3（降低16.7%）,山东省从261m3下降到160m3（降低38.7%）,北京市从290m3下降到Il9m3（降低34.1%）,天津市从275m3下降至U230m3（降低16.4%）,山西省从270m3下降至U171m3（降低36.7%）。华北地区2000-2020年的多年平均降水量为4.213×10"m3（折合水深606mm）,其中形成地表水资源量为5.935×10,°m3,形成地下水资源量5.841×10nrv,相应的水资源总量为9.467x10"nv；多年平均用水总量为7.666x101。11v,其中工业用水量为1.262×10l°m3（占比为16.5%）,城镇生活用水量为1.242×10,°m3（占比为16.2%）,农业用水量为4.846x10。rr（占比为63.2%）。同期，华北地区农田平均年耗水量为706mm。从水平衡角度（耗水量减去降水量）看，近20年的年均农田水分亏缺100mm,折合农田亏缺水量为2.43x10。m%（说明：根据作物亏缺需水得到满足后实际蒸散的水分，除以20年来平均灌溉水有效利用系数0.614即得20年的平均灌溉水量为3.96x10。ms与华北地区20年的平均农田实灌量（4.36x10。rv）的误差小于10%；文中计算结果经由水平衡方程验证,与水资源公报的统计结果基本一致）。根据华北地区近20年来的农田灌溉耗水、降水耗水特征，结合近20年来地区粮食平均水分生产力（吨粮耗水763rv）、平均粮食总产（1.438×1Ot）可测算，华北地区年均农田耗水为1.097x10Um3,其中源于灌溉水3.78x10。m源于降水7.19×10-rv。近20年来,华北地区地下供水在总供水中的平均占比为56%；因灌溉需求时空分布与地表水源不匹配，农田灌溉中源于地下水的比例高于56%O测算结果表明,华北地区近20年来的年平均抽取地下水灌溉量为3.489x10。rv,在多年平均地下水资源量中的占比达到59.7%；客观而言，这一比例是明显偏高的。（三）农业水土资源匹配失衡，农业产出与水资源承载力矛盾突出华北地区农业水土资源高度不匹配。对于单位耕地面积占有的水资源量，2000年为208m3/亩（为全国水平的16.7%）,2018年为253rrP/亩（为全国水平的18.6%）；表观上看略有增加，但因两个年份均为丰水年且耕地面积略有减少，使得相关变动不具有统计显著性。从国土空间分布看，河北省（为全国平均水平的12.4%）、山西省（14.8%）最为失衡，天津市（19.8%）、河南省（20.6%）、山东省（22.2%）均在全国水平的20%附近；仅有北京市接近全国水平（81.6%）,但这与其近年来产业政策调整引起的耕地数量减少有关。从水土匹配的时间变化看，天津市农业水土资源的不匹配状态加重，而其他各省份的农业水土匹配趋向均衡化；天津市和河北省严重缺水、山西省中度缺水的基本态势未发生改变。在当前经济社会快速发展的背景下，水土资源高度不匹配的态势很难在短期内得以扭转，这是华北地区食物安全必须面对的重大挑战。华北地区是我国粮食和食物安全的重要保障区，但其农业成就是在水资源严重短缺条件下取得的，人均水资源量、水土资源配置比例均显著低于全国平均水平；因气候干旱导致水资源量减少、工业城市发展对水资源需求量增加等因素的共同作用，区域内的农业用水总量逐年减少。然而，随着农业生产条件改善，作物产量稳步提高，如作为小麦和玉米主产省份的河北、河南、山东等地，近30年来的粮食总产量增加了5.85l07t,其中粮食单产的大幅增加是主导因素。在粮食单产方面，小麦增加了200.9kg亩（增幅为120%）,玉米增加了179kg亩（增幅为90%）,而作物耗水量并没有随着粮食单产增加而明显增长。可以认为，农业总用水量降低条件下农业产出的不断增