華北地區(qū)糧食作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整及水土資源利用效應(yīng)

劉曉敏 王煜

摘要 華北地區(qū)糧食生產(chǎn)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整對水土資源消耗的影響，對農(nóng)業(yè)甚至國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以初期 （2001年）種植結(jié)構(gòu)不變?yōu)閰⒄涨樾?，在末期?019年）糧食產(chǎn)量一定的條件下，估算了2001—2019年華北地區(qū)糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的水土資源效應(yīng)。結(jié)果表明：2001—2019年華北地區(qū)糧食播種面積增加，玉米是糧食作物播種面積增加的主要因素，2001—2019年華北地區(qū)小麥播種面積增加，小麥播種面積占糧食播種面積比重降低幅度較??；2001—2019年華北地區(qū)糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整一定程度上緩解了耕地資源有限、水資源短缺、地下水超采壓力。提出以下建議：通過加大輪作休耕、旱作雨養(yǎng)面積等政策措施減少高耗水作物種植面積，進一步降低華北地區(qū)水土資源消耗壓力；進一步提高山東省和河南省因糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整播種面積節(jié)約率；進一步提高山東省、河南省、河北省糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的節(jié)水效應(yīng)。

關(guān)鍵詞 糧食作物；種植結(jié)構(gòu)調(diào)整；水土資源利用效應(yīng)；華北地區(qū)

中圖分類號 F326.1 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2023）09-0211-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.09.050

Abstract The influence of grain production planting structure adjustment on the consumption of water and soil resources in North China is of great significance to the sustainable development of agriculture and even national economy.Using statistical data，this paper estimated the effects of grain planting structure adjustment on water and soil resources in North China from 2001 to 2019 under the condition that the initial planting structure in 2001 was not changed to the reference situation and the grain yield in 2019 was fixed.The results showed that the sown area of grain increased in North China from 2001 to 2019，and corn was the main factor for the increase of sown area of grain crops.The sown area of wheat increased in North China from 2001 to 2019，but the proportion of sown area of wheat in sown area of grain decreased slightly.The adjustment of grain planting structure in North China from 2001 to 2019 relieved the pressure of arable land resource utilization to a certain extent，and alleviated the pressure of water resource shortage and groundwater overexploitation to a certain extent.Suggestions： Reduce the planting area of highwaterconsuming crops by increasing crop rotation and fallow and increasing rainfed area，and further reduce the pressure of water and soil resources consumption in North China.Further improve the saving rate of planting area adjusted by grain planting structure in Shandong province and Henan Province;Further improve the watersaving effect of grain planting structure adjustment in Shandong，Henan and Hebei provinces.

Key words Food crops;Adjustment of planting structure;Consumption effect of water and soil resources;North China

基金項目 河北省自然科學(xué)基金青年項目（G2020207002）；河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)京津冀協(xié)同發(fā)展河北省協(xié)同創(chuàng)新中心經(jīng)費資助項目（0112200360）。

作者簡介 劉曉敏（1975—），女，河北蠡縣人，副研究員，博士，從事資源與環(huán)境經(jīng)濟研究。

華北地區(qū)地下水超采造成嚴重的生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)問題成為該區(qū)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和地下水資源可持續(xù)利用的瓶頸。隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，華北地區(qū)用水量逐步增長，由20世紀70年代不到600億m3增長到目前的760億m3左右［1］，部分地區(qū)水資源開發(fā)利用率超過100％，人口經(jīng)濟與水資源承載能力嚴重失衡。華北地區(qū)近一半供水為開采地下水［2］，對地下水依賴程度高。華北地區(qū)地下水經(jīng)歷了長期的超采過程，深層地下水位下降，形成了大面積的地下水降落漏斗［3］，引起淺層地下水向下越流補給、咸水下移、弱透水層壓縮和地面沉降、濕地變干、河流枯竭、海水入侵等生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)問題［4-7］。華北地區(qū)地下水嚴重超采，對該區(qū)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生嚴重影響，成為該區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的主要制約瓶頸［8-9］。在各類用水需求中農(nóng)業(yè)灌溉用水占地下水開采量的70%以上，是華北地區(qū)地下水超采的主導(dǎo)因素［10-12］。通過減少農(nóng)業(yè)灌溉用水量來緩解地下水資源危機的戰(zhàn)略已成為共識［13-14］。

調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)是減少農(nóng)業(yè)灌溉用水量的重要途徑之一。隨著灌溉條件的改善，華北地區(qū)種植制度從兩年三熟、三年四熟、一年一熟向一年兩熟轉(zhuǎn)變，低耗水作物減少，高耗水作物種植比例增加［15］，種植結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變導(dǎo)致農(nóng)業(yè)灌溉用水量增加。地下水超采問題逐漸受到國家決策者的重視。2019年水利部、財政部、國家發(fā)展改革委、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部聯(lián)合印發(fā)《華北地區(qū)地下水超采綜合治理行動方案》，嚴格控制發(fā)展高耗水農(nóng)作物，擴大低耗水和耐旱作物種植比例。在無地表水源置換和地下水嚴重超采地區(qū)，實施輪作休耕、旱作雨養(yǎng)等措施，減少地下水開采。

糧食是消耗耕地資源和淡水資源的密集型產(chǎn)品，華北地區(qū)省域糧食生產(chǎn)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整對水土資源消耗的影響，對農(nóng)業(yè)甚至國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。張雅芳等［16］估算了華北平原2012年相比2002年的種植結(jié)構(gòu)變化對水資源的影響，發(fā)現(xiàn)華北平原整體上作物需水量呈現(xiàn)減少的趨勢，作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整減少了作物需水量；金濤［17］論證了1996—2015年中國糧食格局變遷過程的水土資源影響效應(yīng)，以糧食種植結(jié)構(gòu)無調(diào)整為參照情景，一定產(chǎn)量下，發(fā)現(xiàn)2015年相比1996年國家和區(qū)域?qū)用婕Z食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整都實現(xiàn)了減省效應(yīng)，而且水土資源消耗的減省效應(yīng)北方都高于南方；沈方等［18］通過虛擬水理論，測算了1990—2015年河北省糧食生產(chǎn)結(jié)構(gòu)變化及對水土資源的影響，發(fā)現(xiàn)從全省看，糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整實現(xiàn)了節(jié)地節(jié)水的作用，在空間上糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整水土資源效應(yīng)差異較大；周俊菊等［19］通過虛擬水理論，構(gòu)建種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整模型，以1978年為參考年，分析了甘肅民勤綠洲1978—2010年種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對農(nóng)作物需水量的影響，發(fā)現(xiàn)糧食播種面積下降，主要由小麥播種面積快速減少引起；李天祥等［20］以2003年為基期、2012 年為報告期估算了我國糧食產(chǎn)量十年增的糧食內(nèi)部種植結(jié)構(gòu)調(diào)整對水土資源利用的影響，發(fā)現(xiàn)2003—2012年，我國糧食生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整實現(xiàn)了節(jié)省676.67萬hm2的播種面積和310.6億m3的水資源消耗。區(qū)域上，糧食生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整在東北、華北、華中、西南和西北地區(qū)水土資源減省作用較好。前人關(guān)于通過虛擬水、虛擬土概念，估測農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整對水土資源的影響，為本研究提供了借鑒意義。

該研究對華北地區(qū)糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的水土資源利用效應(yīng)進行綜合論證，一方面豐富我國糧食格局變化對水土資源影響的綜合論證研究；另一方面發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的作用，為國家有關(guān)政策的調(diào)整和出臺提供依據(jù)。根據(jù)我國農(nóng)作物的區(qū)域種植特點，該研究中華北地區(qū)包括的區(qū)域為北京市、天津市、河北省、山西省、山東省、河南省［20］。根據(jù)相關(guān)資料，估算了2019年相比2001年華北地區(qū)糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的水土資源效應(yīng)。

1 數(shù)據(jù)來源與處理方法

該研究數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局地區(qū)年度數(shù)據(jù)。

1.1 糧食作物結(jié)構(gòu)調(diào)整對土地資源消耗的影響

通常情況下，作物單產(chǎn)的水平，稻谷＞玉米＞小麥＞薯類＞豆類。假定產(chǎn)量一定條件下，那么低產(chǎn)作物種植面積更多，需要占用更多的耕地資源。糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整引起種植面積變化的估測方法如下［17，20］：

式中，Q為糧食產(chǎn)量；A為糧食播種面積；Y為糧食單產(chǎn)；ai為糧食作物i的種植面積；yi為i作物單產(chǎn)水平；si為i作物種植面積占糧食總播種面積的比重。假定糧食種植結(jié)構(gòu)無調(diào)整，即保持初期（0）結(jié)構(gòu)不變，在末期（t）糧食產(chǎn)量一定的條件下：

由式（2），可以得到無結(jié)構(gòu)調(diào)整情景種植面積（A′t）與實際有結(jié)構(gòu)調(diào)整的種植面積 （At）的關(guān)系為：

A′t-At的差值，就是產(chǎn)量一定的條件下，和無結(jié)構(gòu)調(diào)整相比較，糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)省的種植面積。

1.2 糧食作物結(jié)構(gòu)調(diào)整對水資源消耗的影響 農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)消耗多少水資源量，估算方法一般是農(nóng)作物生長發(fā)育期間累積的蒸發(fā)蒸騰水量，也就是農(nóng)作物產(chǎn)品虛擬水含量［21］。基于農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量值，種植結(jié)構(gòu)調(diào)整影響水資源消耗量變化的估測方法如下［17，20］：

式中，W為糧食生產(chǎn)所需水量；mi為單位質(zhì)量的作物i生長所耗水量。在產(chǎn)量一定的條件下，和無種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的耗水量（W′t）相比較，因種植結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)省的耗水量為：

2 結(jié)果與分析

2.1 華北地區(qū)糧食種植結(jié)構(gòu)變化趨勢

將北京市、天津市、河北省、山西省、山東省、河南省糧食生產(chǎn)相加換算出華北地區(qū)2001—2019年糧食生產(chǎn)情況，具體見圖1和圖2。

2.1.1 華北地區(qū)糧食作物播種面積的變化趨勢分析。

由圖1可看出，2001—2019年華北地區(qū)糧食播種面積總體上呈現(xiàn)增長的趨勢，2001—2004年呈現(xiàn)下降趨勢，2005—2016年呈現(xiàn)增長的趨勢，2017—2019年呈現(xiàn)下降趨勢，2019年比2001年糧食播種面積增加300.39萬hm2，2019年比2001年糧食播種面積增長11.54%。2001—2019年華北地區(qū)糧食播種面積增加，玉米是2001—2019年華北地區(qū)糧食播種面積增加最多的作物，小麥和稻谷播種面積小幅增長，薯類播種面積減少較多，大豆播種面積減少幅度也較大。

2.1.2 華北地區(qū)糧食作物構(gòu)成趨勢分析。

由圖2可看出，2001—2019年華北地區(qū)小麥和玉米是構(gòu)成糧食播種面積的主體。華北地區(qū)小麥播種面積占糧食播種面積比重2001—2019年總體呈現(xiàn)下降趨勢。華北地區(qū)玉米播種面積占糧食播種面積比重2001—2019年總體呈現(xiàn)增長趨勢。2001—2019年華北地區(qū)稻谷播種面積占糧食播種面積比重較低，增長幅度甚微。2001—2019年華北地區(qū)大豆播種面積占糧食播種面積比重呈現(xiàn)下降趨勢。2001—2019年華北地區(qū)薯類播種面積占糧食播種面積比重呈現(xiàn)下降趨勢。玉米播種面積是2001—2019年華北地區(qū)占糧食播種面積比重變化最大的作物，是2001—2019年華北地區(qū)糧食作物播種面積增加的主要因素。

2.2 華北地區(qū)結(jié)構(gòu)調(diào)整對糧食種植面積的影響

以初期 （2001年）種植結(jié)構(gòu)不變?yōu)閰⒄涨樾危谀┢冢?019年）糧食產(chǎn)量一定的條件下，通過公式（1）～（3）測算出末期（2019年）因糧食種植結(jié)構(gòu)節(jié)約的播種面積山西省最多，北京市最少（表1）。在既定產(chǎn)量下，2001—2019年華北地區(qū)各省市糧食因種植結(jié)構(gòu)調(diào)整都或多或少地節(jié)約了播種面積，尤其是山西省、河南省、河北省節(jié)約播種面積較多。天津市和北京市雖然糧食因種植結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)約的播種面積不多，但是結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)約的比率卻不低，天津市在六省市中最高。2001—2019年華北地區(qū)糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整一定程度上緩解了耕地資源利用壓力。

2.3 華北地區(qū)結(jié)構(gòu)調(diào)整對水資源消耗的影響

以初期（2001年）種植結(jié)構(gòu)不變?yōu)閰⒄涨樾危冢?019年）期糧食產(chǎn)量一定的條件下，利用表2華北地區(qū)各省市主要糧食作物虛擬水含量［21］，通過公式（4）、（5）測算出末期（2019年）因糧食種植結(jié)構(gòu)節(jié)約的耗水量山西省最多，北京市最少（表3）。在既定產(chǎn)量下，2001—2019年華北地區(qū)各省市糧食因種植結(jié)構(gòu)調(diào)整都節(jié)約了耗水量，尤其是山西省、河南省、河北省節(jié)約耗水量較多，山西省因糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)水率高達20.84%，在6個省市里最高。天津市和北京市雖然糧食因種植結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)約的耗水量不多，但是結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)水率相比山東省、河南省、河北省較高。2001—2019年華北地區(qū)糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整一定程度上緩解了水資源短缺、地下水超采壓力。 山東省、河南省、河北省糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的節(jié)水效應(yīng)還有待提高。

3 結(jié)論與建議

華北地區(qū)人均水資源、水土資源配置比例均低于全國平均水平，卻是我國重要的糧食生產(chǎn)基地［22］。華北地區(qū)地下水超采問題已經(jīng)威脅到生態(tài)環(huán)境安全及社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，通過減少農(nóng)業(yè)灌溉用水量來緩解地下水資源超采問題已成為國家戰(zhàn)略。在地下水超采區(qū)調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，低耗水作物逐漸代替高耗水作物，減少農(nóng)業(yè)灌溉地下水開采量。利用統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以初期（2001年）種植結(jié)構(gòu)不變?yōu)閰⒄涨樾?，在末期?019年）糧食產(chǎn)量一定的條件下，估算了2001—2019年華北地區(qū)糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的水土資源效應(yīng)。主要結(jié)論及建議如下：

（1）2001—2019年華北地區(qū)糧食播種面積增加，玉米播種面積增長幅度較大，小麥和稻谷播種面積小幅增長，薯類和大豆播種面積大幅減少。2001—2019年華北地區(qū)小麥和玉米是構(gòu)成糧食播種面積的主體。玉米是2001—2019年華北地區(qū)糧食作物播種面積增加的主要因素。華北地區(qū)地下水資源相對短缺，而農(nóng)業(yè)灌溉依賴地下水，華北地區(qū)降雨集中在夏季，玉米生長在雨熱同期的夏季，可以較大程度上減少地下水灌溉。小麥主要生長在降雨較少的春季，小麥生長期耗水量較大，因此降低小麥播種面積是華北地區(qū)緩解地下水超采程度的重要手段，但是2001—2019年華北地區(qū)小麥播種面積增加，而且小麥播種面積占糧食播種面積比重降低幅度較小。建議通過加大輪作休耕、旱作雨養(yǎng)面積等政策措施減少高耗水作物種植面積，降低水土資源消耗壓力。

（2）在既定產(chǎn)量下，2001—2019年華北地區(qū)各省市糧食因種植結(jié)構(gòu)調(diào)整都或多或少的節(jié)約了播種面積，山西省、河南省、河北省節(jié)約播種面積較多。華北地區(qū)2001—2019年糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整一定程度上緩解了耕地資源利用壓力。山東省和河南省因糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整播種面積節(jié)約率相比華北地區(qū)其他省市有待進一步提高，建議山東省和河南省進一步提高糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的播種面積節(jié)約率。

（3）在既定產(chǎn)量下，2001—2019年華北地區(qū)各省市糧食因種植結(jié)構(gòu)調(diào)整都或多或少的節(jié)約了耗水量，山西省、河南省、河北省節(jié)約耗水量較多，山西省因糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整節(jié)水率在6個省市里最高。華北地區(qū)2001—2019年糧食種植結(jié)構(gòu)調(diào)整一定程度上緩解了水資源短缺、地下水超采壓力。建議進一步提高山東省、河南省、河北省的糧食作物生產(chǎn)節(jié)水率，進一步提高華北地區(qū)糧食作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的節(jié)水效應(yīng)。

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