21世纪我国粮食安全保障与灌溉需水预测

廖永松  黄季焜

摘要 中国是一个灌溉大国，21世纪中国粮食安全保障最可能的影响因素是水资源的不足。原有的研究常将粮食安全保障与灌溉需水之间的内在关系割裂开来。利用开发的CAPSIM-PODIUM模型为工具，以全国九大流域片为研究尺度，对2020年我国粮食需求、供给和灌溉需水进行了多方案预测分析。研究表明，2020年我国粮食(贸易粮，不包括大豆和红薯，后同)需求比2000年提高25％，但增加的粮食需求不会动摇我国粮食安全保障。

关键词  粮食安全灌溉需水CAPSIM-PODIUM模型

一、研究背景

    中国人多地少，粮食安全对灌溉存在很大的依赖性。受水资源短缺的约束，灌溉水面临严重危机：世界观察员美国的Brown甚至认为中国的水短缺会动摇世界粮食安全。国际水资源研究所(IWMI)和国际食物政策研究所(IFPRI)也对中国的水资源短缺问题表示了极大的关注。总体上前一时期更多的是从技术、制度和贸易的角度研究中国的粮食安全问题．没有将水资源作为一个明显的约束条件。最近删将全球的粮食消费、生产和贸易与水资源约束问题结合起来研究，并发展了以流域为分析单元的1MPACT-WATER模型，但是其中的很多参数都是假设的，缺乏实证基础。

    20世纪70年代以来，我国陆续开展了中长期供需水的预测工作。灌溉需水预测基本采用灌溉面积与灌溉定额相乘的方法。但已有的对灌溉需水与粮食安全保障的研究大多停留在国家水平上，或者打破流域边界，以省为单元按生态分区研究，而以流域为单元分析灌溉需水的研究，又很少考虑粮食的需求量、生产成本和价格问题。

    针对我国粮食安全和灌溉需水研究现状，我们开发了中国水与农业生产政策分析模型，对全国及九大流域片的粮食需求、供给、贸易和灌溉需水进行了研究，系统分析了未来我国粮食需求、供给、贸易和灌溉需水之间的内在关系。研究表明，2020年我国的粮食白给率在90%以上，国家总体粮食安全能得到保障：未来20年灌溉水的利用效率可提高10％～15％，平水条件下2020年灌溉需水在3650亿m3左右，但北方的黄、淮、海流域片灌溉缺水严重。

二、模型简要说明

    为了模拟分析我国粮食需求、供给、贸易与灌溉需水之间的内在关系，我们在中国农业政策研究中心研究开发的CAPSIM  (Chinese  Agricultural Policy Simulation Model)模型和IWMI研究开发的PODIUM(Policv Dialogue Model)模型的基础上，通过对原有模型程序语言和结构的修改，将两个模型连接起来，建立了一个中国水与农业生产政策分析模型(CAPSIM—PODIUM)。CAPSIM模型是利用计量经济学方法对影响农产品需求、供给和贸易的外生变量进行弹性分析，模拟预测未来国家层次上的农产品消费、生产和贸易状况。PODIUM模型主要用于流域水平上的水平衡敏感性分析。是EXCEL软件环境下由各工作表对象和控件组成的信息管理系统：利用全国、省级、县级、流域级等各层次的数据来源所建立的数据库作为支持，模拟分析各政策因素变化后未来全国、九大流域片的灌溉水平衡与粮食供求关系。

    预测流域灌溉需水时，将每一种农作物按春季与秋季分成灌溉与雨养播种面积。灌溉需水来源分别按地表水、地下水水源分开，并各自计算其灌溉水效率。各种农作物的蒸腾蒸发量(ET)和有效降雨量(EP)输入模型后，计算出作物的净灌溉需水量，然后用净灌溉需水量加上稻田渗漏量除以流域灌溉水系数，计算出灌溉总需水量。实际操作时，首先利用CAPSM模型预测2020年全国粮食需求量、各种农作物的播种面积、单产和贸易量，将生成的结果导人到CAPSIM—PODIUM模型中，然后根据一定的假设条件模拟预测流域的粮食需求、生产、贸易和灌溉需水量。

三、2020年全国粮食需求预测

    粮食需求预测包括口粮、饲料粮、种子用粮、工业非食品加工用粮、损耗等五部分。口粮的消费预测模型包括大米和其他粮食，饲料粮需求是通过对猪、牛、羊、鸡等肉类需求预测后按肉料比换算得到的。食品消费预测按农村和城市分别进行。

1. 粮食需求影响因素及预测

    人口  人口总量和增长速度是影响我国粮食需求最为重要的因素。按2000～2010年、2010～2020年的年均增长率分别为6.935‰5、5.611‰预测，2020年全国人口将达到14.45亿。

    居民收入  2000年全国城镇和农村居民的人均收入分别为6321元和2289.53元，预计到2020年分别增长到15129元和4203.2元(2000年不变价)。

　　城市化水平和进程  我国城乡居民的消费结构存在明显差异，城镇化率影响着粮食需求。预计全国城镇化率由2000年的435％上升到2020年的50.9％。

    市场发育程度  农村消费市场仍处于发育的初级阶段，农村居民消费品选择受到过高交易成本的约束，各地区居民的粮食消费行为不同。预计农产品市场发育指数由2000年的0.54将上升到2020年的0.675。

2．2020年粮食需求预测

    预计到2020年我国粮食需求量为5.07亿t，比2000年增长25％。人均口粮消费将由2000年的~86kg缓慢下降到2020年为169kg。下降的原因是城镇化和市场化对口粮消费的影响：居民收入水平提高后畜产品和水产品的消费增长很多，间接引起饲料粮尤其是玉米消费的大幅度增长。预计到2020年全国饲料粮消费在粮食消费中的比重将达39.2％。

四、2020年粮食产量及灌溉需水预测

    在利用CAySM-POD模刖预测粮食产量和灌溉需水时，我们用了不增加灌溉面积、增加灌溉面积和全国各地按照比较优势调整农村产业结构等多种方案对2020年全国及九大流域片的粮食产量和灌溉需水进行了模拟预测，本文将只讨论可能的灌溉面积发展目标下的粮食产量和灌溉需水模拟预测结果。

1．粮食产量预测

    粮食产量按照粮食播种面积和粮食单产分别进行。

    粮食播种面积预测  根据未来主要农产品相对价格变动和各种投入品价格变化，利用CAPSIM-PODIUM模型模拟未来全国各主要农作物的播种面积：未来总播种面积相对稳定在1.53亿hm2情况下，预计2020年全国粮食播种面积在8500万hm2左右。除了具有绝对比较优势的蔬菜播种面积继续保持较快增长之外。其他作物播种面积都有一定程度的下降。

     粮食单产预测  改革开放以来我国粮食单产增长很快，1980年全国粮食单产只有2.86t/hm2，到了2000年增长到4.6t/hm2,年均增长速度达到了2.4%。粮食单产增长主要是技术进步、灌溉投资、投入品和产出品的价格、政策及环境因素引起的。将影响各种作物单产的弹性系数估计后，运用到目前的CAPSIM模型中，用于模拟预测未来全国农作物的生产、消费和贸易情况；假设今后国家高度重视科技对粮食单产增长的作用，继续加大农业科技投资力度，科技投资按年均4.5％左右的速度增长，水利投资年均增长率4.5％，灌溉面积在2020年达到5966.7万hm2。预测粮食单产将由2000年的4.6t/hm2增长到2020年的5.34t/hm2。

    粮食产量预测  根据对2020年全国及流域粮食播种面积和单产预测结果，全国2020年粮食产量可以达到4.96亿t，粮食自给率达到97％的水平。  

表1　全国及九大流域片有效灌溉面积、农作物播种面积、粮食播种面积和产量预测
流域片 有效灌溉面积（万hm2） 农作物播种面积（万hm2） 粮食播种面积（万hm2） 粮食产量（万hm2）
2000年 2020年 2000年 2020年 2000年 2020年 2000年 2020年
松　辽 547 762 2050 2106 1277 1062 60 59
海　河 621 768 1267 1297 879 842 40 48
淮　河 892 1089 2269 2335 1415 141465 75 102
黄　河 552 559 1737 1379 1082 1088 44 57
长　江 1624 1529 5367 4945 2969 2799 132 151
珠　江 350 458 1502 1389 768 588 33 31
东南诸河 191 202 548 565 361 307 16 16
西南诸河 96 89 329 351 213 254 7 10
内陆河 435 488 579 626 278 351 14 21
全　国 5308 5944 15647 15292 9241 8757 419 496

2．灌溉需水预测

    作物需水量(ET)和有效降雨量(EP)在估算流域片上各作物的ET值和EP值时，将林耀民研究员利用1952～1998年多年长系列的全国县级气象资料计算的全国各县的ET值和EP值，运用CIS将全国的县级数据汇总到各流域片上，并结合陈玉民等研究的我国主要作物的需水量等值线图及石玉林等的研 究结果进行了调整，结果见表2。  

表2　我国九大流域片作物需水量与有效降雨量（mm）
水稻 小麦 玉米 其他谷物 大豆 薯类 粮类 油料作物 棉花 疏菜 其他作物
ET EP ET EP ET EP ET EP ET EP ET EP ET EP ET EP ET EP ET EP ET EP
松　辽 547 322 470 203 480 278 370 276 374 273 330 298 449 384 375 290 553 313 540 319 390 276
海　河 730 432 519 257 532 398 400 278 425 348 362 308 460 365 366 312 586 460 813 521 449 410
淮　河 807 582 455 354 380 323 388 351 441 385 382　 348 573 531 389 358 609 524 841 641 478 444
黄　河 748 487 483 299 497 373 340 290 398 327 　330 289 434 301 348 299 594 486 803 560 460 429
长　江 700 591 478 422 460 439 379 353 446 402 　374 356 596 530 401 372 633 552 905 768 487 451
珠　江 895 718 472 414 485 457 391 380 464 444 　413 399 736 668 413 400 671 582 1154 945 515 494
东南诸河 574 515 479 362 313 305 273 265 322 314 　267 262 569 490 263 255 485 460 860 656 358 349
西南诸河 736 625 469 420 544 470 401 378 458 423 　402 376 621 567 409 385 703 616 953 834 497 466
内陆河 800 147 570 125 525 135 580 100 585 105 　550 90 449 134 525 110 575 136 550 130 510 100

    流域灌溉水效率CAPSIM-PODIUM模型中所使用流域灌溉水效率{Irrigation basin efficiency)是指净灌溉需水总量除以用水量(waterwithdrawal)得到的系数。我国没有以流域为单元统计灌溉水效率，在估计2000年流域灌溉效率时，主要根据所计算的流域净灌溉用水总量与同年水利部水资源公报上的灌溉总用水量的比得出。同时参考了IFPRI的估计数。灌溉水利用效率提高的快慢取决于流域水资源状况和今后国家节水技术进步及制度保障体系建设。制度性因素在于能否从国家、流域、灌区和农户多个层面建立有效的节水激励机制，其中水市场建立、灌溉水价和灌溉水资源管理制度改革是最为重要的影响因素。

    灌溉需水量  根据我国灌溉面积发展、粮食生产和灌溉水利用率增长，2020年我国灌溉需水量预测如表4。

表3　我国流域灌溉水利用率增长预测
流域片 松辽 海河 淮河 黄河 长江 珠江 东南诸河 西南诸河 内陆河
地表水 2000年 0.42 0.53 0.45 0.42 0.40 0.38 0.41 0.42 0.50
2020年 0.52 0.60 0.58 0.52 0.45 0.43 0.46 0.48 0.60
地下水 2000年 0.53 0.66 0.63 0.63 0.60 0.58 0.58 0.60 0.60
2020年 0.63 0.75 0.75 0.70 0.60 0.58 0.58 0.60 0.65
　　　　　　　　　　　　　　　　   

表4　平水年条件下2000年和2020年流域片灌溉需水量（亿m3）
流域片 2000年 2020年
总量 地表水 地下水 总量 地表水 地下水
松　辽 368 214 154 408 233 175
海　河 280 108 172 233 90 143
淮　河 474 332 142 472 322 150
黄　河 274 198 77 255 178 77
长　江 1098 1080 18 1056 1038 17.7
珠　江 489 488 1 416 411 0.6
东南诸河 216 214 3 178 175 2.5

五、基本结论和建议

  (1)从国家宏观粮食供求平衡的角度看，未来中国的粮食安全能得到有效保障。保障国家粮食安全主要在于加大农业科技投入和确保现有的灌溉面积不减少。今后国家应进一步加强包括节水技术在内的农业科技投入，提高我国粮食单产和水分生产率。

    (2)未来粮食安全更可能是区域粮食不安全问题，北方灌溉水资源短缺会成为区域粮食不安全的最可能诱因。建议国家粮食安全政策由偏重于全国层次向全国及区域并重。

    (3)灌溉效率提高后，我国灌溉需水总量基本稳定并略有下降。但北方的黄淮海流域灌溉水资源不足将越来越严重。

    (4)如果不考虑水短缺因素，不提高灌溉水价，各区域按照地区比较优势原则进行农村产业结构调整后，灌溉需水总量没有太大的变化。建议进一步研究2004年1月开始实施的新的水价政策对农村产业结构调整和灌溉需水的影响。

    (5)本项研究通过市场均衡理论与水资源核算理论相结合，发现了许多有意义的结果。回答了一些只用市场理论或只单纯用水资源核算理论回答不了的水短缺问题。初步建立了经济、水文和农田水利相结合的可用于实践的分析框架。建议国家开展中国水与农业发展决策支持系统研究。   

注：本文的研究受到国际水资源研究所(1WMl)“PODIUM模型在中国的应用与发展”项目的资助。 

 参考文献：
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(作者廖永松为中国水利水电科学研究院水利所助理研究员，黄季焜为中国科学院中国农业政策研究中心研究员)
责任编辑  岳梦华