SN07 | 共筑粮安，造就未来

原创 姜鹏 中国城市中心规划院 收录于话题#SN | 三农笔记（系列原创）8个

作者：姜鹏，城市中心规划院信息室主任。原文刊载在《北京规划建设》2020年06期，图文有删改。

【全文约6500字】

重视农业发展，保障粮食安全，绝非仅是乡村地区的份内琐事，而是关系国家发展和世界稳定的头等大事，所有人都不应该也不能够置身事外。本文基于前文所述的现实困境和未来挑战进一步梳理现行思路、对策和方法，为《农业用水与粮食安全》三部曲画上句号，也为推动农业转型发展和更好筑牢粮食安全展开一扇未来之窗。

01

共筑粮安

世界不会忘记，世界粮食计划署（WFP）在2019年向88个国家近1亿人提供了粮食援助。同年，世界粮食计划署还在中国开展了4个创新扶贫试点项目，改善儿童营养，推广农作物种植。10月9日，2020年诺贝尔和平奖授予世界粮食计划署，以表彰其突出贡献。

中国也心系世界，在10月16日的第40个世界粮食日（World Food Day），中国开展了为期一周的粮食安全宣传活动，并将主题定为“端牢中国饭碗 共筑全球粮安”，在美国肆意“退群”之际，高举国际道义的大旗。

粮食安全关系所有人，出了问题就会引发粮食危机并造成深远影响。粮食安全的意涵并非粮食产量能够支撑人口总量如此简单，其概念系由世界粮农组织（FAQ）正式定义。1974年，第一次世界粮食首脑会议首次定义粮食安全为：保证任何人在任何时候，都能得到为了生存和健康所需要的足够食物；1983年，粮农组织第二次界定粮食安全：确保所有人在任何时候，既能买得到又能买得起所需要的基本食物；1996年，第二次世界粮食首脑会议对粮食安全进行了第三次表述：让所有人在任何时候都能享有充足的粮食，过上健康和富有朝气的生活。新的定义既包括充足的粮食供给，也包括获得粮食的能力，更包括两者的可靠性。

在此背景下，世界粮食日得以提出并设立于1981年，以唤起全世界对发展粮食和农业生产的高度重视，积极应对饥饿和营养不良。20世纪80年代，世界粮食日主要聚焦农业、农村发展。90年代，主题视角不断多元化。进入21世纪后，愈加强调可持续发展和现实的行动（图1）。

图1，历年世界粮食日主题（据公开资料整理）

02

此消彼长

人均可再生资源量取决于两个基本因素：可再生流量和人口规模。即便可再生水资源总量保持不衰减，人口规模的快速增长，也会造成众多国家的人均可再生淡水资源量及世界平均水平不断下降（图2左）。以水资源最丰富的国家巴西为例。1962年巴西人口为7651.43万人，2014年增加到20276.37万人，是1962年的2.65倍，跻身世界第五人口大国，仅次于中国、印度、美国与印度尼西亚。此消彼长，其人均可再生淡水资源量则由1962年的73929.21立方米下降到2014年的27721.04立方米，仅为1962年水平的37.5%（图2右）。

图2，部分人口大国的人口规模及人均可再生淡水资源量，来源OurWorldinData

生态环境的破坏导致可再生淡水资源总量急剧减少，许多地区旱涝灾情频发，进一步加剧了水资源的供需紧张。仍以巴西为例，拥有世界淡水总量的12%，其中有70%集中在西部亚马孙雨林。亚马孙雨林拥有世界1/5的森林面积和一半以上的雨林面积，生产着地球上约20％的氧气，是名副其实的世界之肺，却一直遭受非常严重的砍伐，还有大火。数据显示，仅2018年8月–2019年7月，一年间的毁林面积就达9762平方公里，同期在其境内的塞拉多生态区，森林砍伐面积也达到6483平方公里。数量之巨令人震惊。

图3，世界主要农业大国的农业用水量，来源OurWorldinData

无论雨水还是灌溉，水资源都是全球农业的重要支撑。总体而言，发展中国家更显著地选择将更多的水用于灌溉、畜牧和水产养殖。以印度为例。印度农业用水量一直快速增长，1975年至2010年几乎翻了一番，2010年达到7000亿立方米，居世界首位。相对而言，中国的农业用水量稳中有降，特别是在2010年以后（图3）。研究发现，农业用水量在总用水量中的占比与人均GDP总体呈现负相关，随着人均收入的增加，农业用水占比往往会下降（图4）。

图4，农业用水量比重与人均GDP的关系（1990-2012年），来源OurWorldinData图5，工业用水量（左）及其在总用水量中的比重（右），来源OurWorldinData

世界总用水量的约19％被用于发展工业（不含水力发电用水）。与农业用水的全球分布相反，工业用水往往在发达国家占据用水主导地位。中欧和东欧的占比约为70％，美国约为一半，而整个撒哈拉以南非洲地区通常不到2％。美国是世界头号工业用水大国，年工业用水量一度超过3000亿立方米，为中国的两倍（图5）。

图6，农业用地的灌溉比例（包括耕地和牧场），来源OurWorldinData

最近几十年，为有力增加农作物单产，许多国家非常重视农田灌溉。灌溉用水成为农业用水量增加的重要推力。灌溉在东南亚和中东尤为普遍，巴基斯坦、孟加拉和韩国的农业用地灌溉面积超过一半，印度也达到35％（图6）。农业界普遍认为，灌溉的持续增长是实现国际社会为减少饥饿和贫穷而通过的目标的必要条件，预计未来还会有更多土地被灌溉。随着人口增长和城镇化发展，工业和生活等用水量也在不断扩大，其与农业用水之间的矛盾愈加紧张。

03

区域调水

水资源供需矛盾不仅反映在总量调控上，还体现在地域和时空分布不均。如亚马孙雨林集中了巴西70%的淡水总量，人口却仅占全国的7%；而全国30%的人口居住在仅拥有3%淡水量的东北部；日益频发的局部干旱，使很多地区深感无力。中国也是如此，水资源时空分布极其不均，地表水只有28%可以有效利用，超过80%的水资源集中在长江流域及以南地区（图7），北方众多地区常年缺水，粮食、能源及产业生产布局与水资源分布的耦合失衡，进一步加剧了困境。在此背景下，跨区域调水成为重要破题途径。

图7，中国水资源的时空分布不均，引自王浩院士《中国水资源危机与应对》报告（2017）

早在1952年，毛泽东主席就提出“南方水多，北方水少，如有可能，借点水来也是可以的”这一伟大构想。历经50年的科学论证和50多个方案比选，南水北调工程在2002年开工，2013年东线一期工程通水，2014年中线一期工程通水。截至2019年底，南水北调中线工程累计调水300亿立方米，直接受益人口超过1.2亿人。

图8，南水北调线路示意，引自中国南水北调工程官网http://nsbd.mwr.gov.cn/zw/gcgk/

南水北调工程在长江下游、中游、上游规划了三个调水区，形成了东线、中线、西线三条调水线路，与长江、淮河、黄河、海河相互连接，构成“四横三纵、南北调配、东西互济”的总体格局（图8）。供水区域控制面积145万平方公里，占陆域国土面积15%。主要目的是解决北方地区，尤其是黄淮海流域的水资源短缺问题，改善生态环境，保持经济发展和社会进步。

跨区域调水古已有之，更非我国特有。4000多年前，世界上就有了调水工程。迄今共有40多个国家达400多项调水工程。澳大利亚如今也在谋划调水，其东部有条南北走向的“大分水岭”，以东地区水资源丰富，以西广大地区终年高温干旱、水资源稀少（图9）。为缓解水资源紧张，特别是解决墨累-达令盆地重要的小麦种植和养羊业的混合发展用水需求，澳大利亚也设计提出“东水西调”工程，从大分水岭东部地区向西调水，只是规模上相对较小。

图9，澳大利亚地势及东水西调工程示意，来源：地理沙龙号

与其他调水工程相比，南水北调工程不仅是水资源配置工程，更是综合性生态工程。其近期主要供水对象多为城市，远期通水后，可在保证城市发展用水的同时，逐步置换被挤占的农业及生态用水，利用丰水年增加北调水量，恢复和改善地下水环境，增加北方地区农业、生态用水的大盘子。

04

虚拟补水

生产以粮食为典型代表的农产品，需要耗费大量的水。我国自改革开放以来，粮食生产重心日益北移，使得北方地区水土资源不相匹配的矛盾日益尖锐。全国每年粮食流通近2亿吨，差不多一半是“北粮南运”，陆水联运发挥了重要作用。以辽宁锦州港为例。2000年以来累计出港玉米2亿吨，最多的年份有90%多份额流向南方。若按1立方米水生产1公斤粮食计算，相当于上千亿立方米的“虚拟”水跟随农产品从缺水的北方流到了水资源丰富的南方。

图10，主要农作物中的虚拟水含量（立方米/公斤），引自中国国家地理2018年05期

早在20世纪90年代初，虚拟水的概念就被提出，用以计算食品和消费品在生产销售过程中消耗的用水量（图10）。2002年，荷兰学者进一步提出“水足迹”的概念，用于界定一定时间内消费的产品和服务所需要的用水量。这一概念被世界自然基金会（WWF）在2008年的《地球生命力报告》中引入，并用国家水足迹来计算一个国家用于农业、工业和生活的河水、湖水、地下水，以及供作物生长的雨水，用个人水足迹来计算一个人用于生产和消费的总水量。

图11，全球虚拟水研究主要关键词，来源http://doi.org/10.11867/j.issn.1001-8166.2018.06.0653

虚拟水概念提供了新视角，相关研究增长迅速，将水资源问题引入社会经济系统，从虚拟水角度认识和解决水污染问题，拓展解决水资源短缺的方案选择集，推进水资源可持续利用。各国的研究侧重略有不同,如流域水资源评估、虚拟水贸易、农业水资源利用等，但整体趋向于基于虚拟水视角来分析评估水资源的分布和流动问题，以提高水资源利用效率。虚拟水概念的跨学科特性，决定了相关应用的广泛性（图11）。

图12，电力生产地区到消费地区的虚拟水传输，来源http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.11.052

如《应用能源》（Applied Energy）期刊2017年的一篇文章研究了以输电为代表的跨省虚拟调水总量，认为远距离输电工程将扩大我国西北地区的虚拟水外流规模，并可能增加其水压力（图12）。《北京大学学报》2019年的一篇文章则分析了虚拟水流动的空间变化特征及驱动因素，发现中国城市化进程中的虚拟水主要由内陆向沿海地区输送，并与区域间人口迁移的特征关联性很强，建议结合产业结构优化战略, 在区域间合理调配虚拟水（图13）。

图13，中国省际间虚拟水置换，来源http://doi.org/10.13209/j.0479-8023.2019.117

城镇化和工农业的迅速发展使城市用水量日趋增加，从贸易和消费的角度核算虚拟水可为城市水资源管理提供新视角。《生态学报》2018年的一篇文章就分析了北京市的虚拟水核算，发现其为虚拟水净进口城市，进口量相当于用水总量的82%，农业和制造业是主要虚拟水进口部门。文章指出，北京市虚拟水出口结构不合理，出口产品的虚拟水占最终消费隐含虚拟水85%，同样主要发生在农业部门,建议减少出口虚拟水含量大且经济价值不高的农产品（图14）。

图14，最终需求比例及其对应的虚拟水消费比例，来源http://doi.org/10.5846/stxb201612112547

虚拟水概念也为理解粮食贸易和调水工程提供了全新角度。在中国农产品虚拟水贸易中，80%源于省际间贸易，20%源于国际贸易。近年诸多知名期刊发表了对我国区域间粮食虚拟水流动的定量评估，认为我国主要农产品虚拟水贸易存在一定风险，愈加频繁的省际粮食虚拟水流动整体呈现由北向南的逆向流动格局，并进一步向黑龙江等产粮大省集中，加剧了北方水资源压力；各省农业用水效率存在巨大差异，很多地区的虚拟水贸易处于较不安全和临界状态，出现粮食危机和水危机的风险较大；建议提高农业用水效率，优化作物种植结构，实施虚拟水补偿，借助虚拟水贸易有效缓解水资源压力并保障粮食安全。

虚拟水概念及其理论已经在一些水资源短缺的国家和地区得到了应用。约旦、以色列等干旱国家开始有意识地制定规划政策来减少高水分产品出口，特别是约旦通过虚拟水形式进口了所需的80%-90%的虚拟水。据估算，中东地区每年靠粮食贸易购买的虚拟水数量相当于整个尼罗河的年径流量。《资源与生态学报》2019底的一篇研究计算了“一带一路”沿线65个国家的水资源承载指标，并分析了我国重点大宗农产品国际贸易的净进口虚拟水含量，认为虚拟水进口能提高中国水资源承载潜力。2012-2016年间，大豆为主的油料作物年均净虚拟水进口量高达2337亿立方米，其次是谷物和棉花（图15）。

图15，农产品净进口虚拟水价值，来源：https://doi.org/10.5814/j.issn.1674-764X.2019.06.002

未来几十年，水资源将一直掣肘农业发展，尤其是在亚洲和非洲。我国正处于城镇化和工业化的上升时期，许多深层次的资源利用矛盾正不断激化，需要深刻认识和积极应对，并配合给力的政策设定与机制调整。如强化国家水资源安全和粮食安全战略，借助虚拟水优化农业生产区域布局，调控北方缺水地区的水密集型产品的生产和输出；完善生态补偿机制、税收制度和激励机制，关注地下水和虚拟水的生态补偿，探索高耗水产品“虚拟水出口关税”和“水基金”，建立市场化约束和激励机制，逐步优化水资源配置，提高用水效率。

05

技术路径

水资源已经成为“最大的刚性约束”，成为耕地之外的另一条重要红线。国家、区域和城市都要积极作为，强化政策配套，优化产业结构，调控高耗水农产品生产和有效减少粮食浪费，更加高效地治水、管水和用水。社区和个人也是密切的利益相关者。干旱地区的农民可以尝试改种价值高、耗水少的作物，消费者需要调整不健康的生活方式，不吃太多肉，少打高尔夫，节约用水和杜绝浪费。

图16，可持续的集约化作物水分管理，来源https://doi.org/10.1088/1748-9326/11/9/091001

此外，还应积极推动新技术运用和先进管理实践，重视更可持续的替代性生产方式升级。尽管1961年以来单位粮食生产的耗水量已经减少了一半，但提高农业用水效率的潜力仍然很大。在全球范围内，技术性灌溉节水和改善作物水管理空间巨大，即通过减少非生产性水消耗来增加作物水供应和降低灌溉用水，实现作物水管理与土壤和养分等管理之间的强大协同作用（图16）。恰当的干预措施可以进一步使全球农业用水缺口在2050年之前减少一半，并缓冲潜在的负面气候变化影响，这对保障粮食安全和缓解淡水供应至关重要。

图17，农业生产与市场、政策和新技术的结合，来源https://doi.org/10.1073/pnas.1707462114

农业发展经历过许多革命，几千年前的动植物驯化，几百年前的耕种改良和系统轮作，几十年前的育种改良和人造肥料、农药。如今，指数级增长的新技术应用表现出前所未有的破坏性潜力，正推动农业进入第四次革命（图17）。自动除草、施肥和收获的机器人，借助遥感信号和传感器管理牲畜的虚拟围栏，观测作物生长和土壤养分的自控无人机，帮助农民区分植物病害的可视化模型，以及通过传感器优化农药化肥和水的使用，多样化的创新和实践不断发生。

图18，搭载LiDAR的无人机影像（https://doi.org/10.1073/pnas.1911285116）和量子纠缠辅助磁强计（https://doi.org/10.1073/pnas.1912326116）

新的遥感技术、图像技术和AI辅助技术，可以穿透茂密的植被直达地下，推导呈现更为直观的高清模型，帮助快速评估作物的最佳基因组合、产量性状和气候适应性（图18左）。未来农业一定是知识密集型系统，廉价移动终端的普及无疑会创造出最好的知识社区和系统通道，实现全场景的智能管理和决策支持。而量子技术也开始靠近商业现实的边缘，改进和应用潜力巨大。如哥本哈根一个小组将激光束导向充满铯蒸气的玻璃电池（图18右），借助原子团纠缠将磁力计提高到新的量子水平，具备更强的灵敏度和更广泛的监测范围。

06

发展视角

缓解用水矛盾和保护耕地，仅是保障粮食安全的部分行动。以粮食生产和食物供给为核心的农业生产，面临越来越复杂的挑战。农业发展一直是人类对环境的最大影响之一（图19），促进经济繁荣的人类行动会一直持续到水资源的数量或质量以及环境状况开始因环境退化和降低生产力的成本而阻碍进一步增长。粮食系统是最脆弱的自然人类耦合系统，与人类社会发展和全球环境变化存在多重相互作用；而水安全问题也日益转向强调水安全-粮食安全-能源安全-生态安全的综合研究。

图19，农业生产的环境可持续性评估，来源https://doi.org/10.1073/pnas.1912710116

世界范围内饥饿人口的增加，极端不可控因素的冲击和农业系统所面临的诸多问题，都在促使从科学和政策角度处理粮食安全的方式发生范式转变。为保障粮食生产所采取的行动需要考虑可持续发展目标2（零饥饿）与其他可持续发展目标之间的协同增效，需要在消除饥饿和实现社会公平、环境可持续发展之间权衡；需要重新认识农业生产与粮食安全，明确更可行的地区可持续发展路径。

图20，描述和试图改进粮食系统的术语（自译），来源CCAFS《气候变化下改变粮食系统的行动》

根据国际农业研究磋商组织气候变化、农业和粮食安全研究计划（CCAFS）联合联合国开发计划署等20家机构于2020年6月发布的《气候变化下改变粮食系统的行动》，这些年有着太多用于描述和试图改进粮食生产系统的术语、理论和方法（图20），但“我们的粮食系统让我们倍感挫败”。越来越多的文献集中在关于粮食系统无能为力的四种主要失败类型上：一是生产更多的粮食来喂养不断增长的世界人口；二是满足营养需求；三是在当前粮食系统中出现过度消费和消费不足的现象；四是粮食系统对环境和自然资源的负面影响。气候变化正日益对粮食系统产生严重的负面影响，建立可持续、包容、健康和适应气候变化的粮食系统，需要包括粮食系统在内的诸多变革。

未来，一定建立在

强大的农业现代化之上

… …

It will continue.

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原标题：《SN07 | 共筑粮安，造就未来》

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