图 8 华北地区耕地灌溉和降水相对比例的变化趋势
（三）华北地区农业用水历史和现状
华北农业用水总量从1998 年的5.603×1010 m3下降到2015 年的4.234×1010 m3 ，减幅为24.4%。而农业用水量占该区总用水量的比例则从1998 年的72.2% 下降到2015 年的61.7%。该区农业用水量占全国农业用水总量的比例从1998 年的14.9%下降到2015 年的11.0%。在农业用水总量中，农田灌溉所占比例最大，一直在90%~95% 波动，但是农田灌溉占农业总用水量中的比例一直处于下降趋势。由于目前还没有确切的有关农田灌溉和农业中其他部门用水量的数据，所以本文采用的是种植业中各种作物的灌溉面积来概括农田灌溉的历史和现状。
华北地区灌溉总面积从1998年的1.523×107 hm2增加到2015 年的1.602×107 hm2 ，增幅达5.1%；占耕地总面积的比例从1998 年的45.0% 提高到了2015 年的55.7%。
华北地区农田有效灌溉面积从1998年的1.436×107 hm2 增加到了2015 年的1.507×107 hm2 ；占耕地总面积的比例从1998 年的61.1% 提高到了2015 年的65.8%。而农田有效灌溉面积占总灌溉面积的比例则从1998 年的 94.2% 下降到2015 年的92.7%。从灌溉的内部结构来看，耕地灌溉占比有所下降，林地灌溉比例增幅最大，其他灌溉基本维持原状。
在华北农田有效灌溉面积占华北耕地面积比例适度提高、农田灌溉面积不断提高、农田灌溉面积占总灌溉面积有小幅下降的情况下，华北农田灌溉量却在稳步下降。从1998 年的4.512×1010 m3 下降到2015 年的 3.942×1010 m3 。平均不同水文年型的农田灌溉量，丰水年平均为4.39×1010 m3 ，偏丰水年为4.19×1010 m3 ，平水年为4.2×1010 m3 ，偏枯水年为4.67×1010 m3 ，枯水年为5.23×1010 m3 。因此，华北地区农田灌溉量的下降，一方面是由于自2003 年以来，只有两个偏枯年份，其余年份都是平水或偏丰年份；另外一方面是由于农田节水灌溉技术的大面积推广。
（四）华北粮食生产中“绿水”和“蓝水”贡献率
本文还计算了华北五省（市）四大粮食作物（水稻、玉米、小麦、大豆）产量中“绿水”和“蓝水”的贡献率。结果显示，在华北粮食生产中，绿水贡献率在60.9%~69.3%，平均为65.5%；“蓝水”贡献率在 30.7%~39.1%，平均为34.5%。即在主要粮食作物的生产中，“绿水”贡献约六成半，“蓝水”贡献约三成半。从水文年型分析，在丰水年，灌溉平均贡献率为34.0%，降水平均贡献率为66.0%；在偏丰水年，灌溉平均贡献率为 33.0%，降水平均贡献率为67.0%；在平水年，灌溉平均贡献率为33.2%，降水平均贡献率为66.8%；在偏枯水年，灌溉平均贡献率为35.4%，降水平均贡献率为64.6%；在枯水年，灌溉平均贡献率为39.0%，降水平均贡献率为 61.0%。综上，华北地区灌溉和降水对粮食生产耗水的相对贡献率的变化与水文年型是基本吻合的。但丰水年和偏丰水年的灌溉贡献率并未比平水年有很大程度的降低，这也许是多水年份用水紧张缓解后，反而会提高用水量，这与国内外许多对节水灌溉的研究所得出的“越节水越用水”的结论有可类比之处 [7~9]。
（五）全国及华北地区粮食生产耗水和水分生产力
粮食生产耗水量是指在粮食作物经济产量形成过程中消耗的实际蒸散量。水分生产力是指粮食作物单位耗水量所形成的经济产量。本文计算的粮食作物水分生产力是水稻、小麦、玉米、大豆四大粮食作物的混合水分生产力，由于四大粮食作物在粮食生产中的占比一直稳定在90% 以上，因此，这四大粮食作物的水分生产力可以代表粮食生产的总体耗水和水分生产力情况。
一般观点认为发展节水农业会在保证粮食产量稳定增长满足消费需求的前提下减少农业用水消耗，从而明显节约农业水资源。实际上，节水农业在相当长的时期内远不能达到此效果，在粮食总产量基数已经很大的情况下，大面积的粮食增产肯定会增加耗水量，用水量也会相应增加。本研究的计算结果也印证了这一结论：2004—2015 年，中国粮食生产实现“十二连增”，其中四大粮食作物总产也连年增长，而同期的四大粮食作物总耗水量也在同步增长。但增长幅度明显放缓，说明水分生产力的同步提高。
因为从1998 年我国粮食生产达到历史最高值后开始了连续几年的下滑，一直到2003 年，华北地区也不例外，也有类似的下滑趋势。因此在分析计算水分生产力的时候，排除 1998—2003 年的数据，而仅计算粮食生产恢复增长后的情况。2004—2015 年，华北地区四大粮食作物总的水分生产力从1.275 kg/m3 提高到1.801 kg/m3 ， 提高幅度达41.3%。水分生产力的提高与多种因素相关，其中最重要的因素就是粮食作物单产水平的提高。华北地区四大粮食作物总的单产水平已经从2004 年的4.95 t/hm2 提高到了2015 年的5.98 t/hm2 ，增幅达20.7%。作物单产和水分生产力之间具有明显的相关关系（见图 9）。
图 9 华北地区四大粮食作物单产和水分生产力之间关系
2015 年，全区的水土资源高度不匹配。华北耕地数量占全国的比例为16.96%，但是，该区的水资源却只占全国的2.25%，灌溉用水量占全国的10.74%。其中情况最严重的是河北、河南、山东三省，河北省用仅占全国 0.485% 的水资源耕种了全国4.83% 的耕地，而河南用仅占全国1.03% 的水资源耕种了全国6.00% 的耕地，山东则用仅占全国0.60% 的水资源耕种了全国5.64% 的耕地。1998—2015 年，该区域一直维持这种水土资源格局。这种水土资源的高度不匹配在目前高速发展的经济社会背景下，很难在短期内得以扭转，也是华北地区食物安全必须面对的重大挑战。
三、战略对策建议
根据以上结果，综合本课题其他研究成果，本文提出以下相关战略对策建议。
第一，结合当前深化农业供给侧结构性改革要求，对华北地下水严重超采区尤其是河北黑龙港地区的粮食和蔬菜生产基地进行重新定位，同时应充分认识冬小麦的生态功能，短期不宜大规模压缩小麦种植面积，而应以水限产，发展半旱地农业，通过提高小麦品质保障农民收入；适当压缩高耗水蔬菜产能，建立适水农业种植结构。
第二，要在严重缺水区降低熟制或发展半旱地农业。针对深层地下水严重超采的河北省51 个县、天津4 个区（县）；山东12 个县和河南的6 个县，共73 个县（区），涉及耕地面积4.88×104 km2 ，改变当前的“冬小麦 – 夏玉米”一年两熟制为一年一熟制。考虑到华北地区在我国小麦供应方面的重要性以及冬小麦秋播后可形成有效的地表覆盖层，对减少冬春沙尘风险有重要作用，可实施冬小麦一年一熟种植，或者实施足墒播种条件下其他生育期不灌溉的小麦 – 玉米半旱地农业种植，维持小麦 – 玉米农田年耗水量在550~600 mm，可实现这些区域深层地下水位不再下降。在此背景下，该地区粮食产量会降低2.2×1010 kg，意味着华北粮食产量将减产15.7%，相当于全国粮食总产量减产3.6%。
第三，要在缺水区降低灌溉用水强度。研究表明，减少种植面积和熟制，将增加土壤无效蒸发损失，对产量影响大，而节水效果小于单位面积减少灌溉水量的效果，减少单位面积灌溉量对冬小麦产量影响较小，有限灌溉水用于扩大灌溉面积比单位面积增加灌溉用水量对产量的影响更小，降低单位面积灌溉用水强度优于压缩灌溉面积。针对浅层地下水超采的北京市6 个区（县）、天津市9 个区（县）、河北省50 个县、山东省25 个县、河南27 个县，共117 个县（区），涉及耕地面积为7.13×104 km2 ，可保持当前的“冬小麦 – 夏玉米”一年两熟制种植制度不变，实施冬小麦减少灌溉次数，足墒播种，拔节期灌溉一次，干旱年在开花期追加一次灌水，夏玉米产量保持不变，冬小麦生育期减少耗水量在70~90 mm，冬小麦产量会降低8.6×109 kg, 占华北粮食产量的6.1%，可基本实现浅层地下水采补平衡。
第四，要在水资源富裕区充分挖掘粮食增产潜力。华北水资源严重短缺区粮食生产降低可通过黄河和淮河流域水资源富裕区的粮食生产得到弥补，通过在水资源相对丰富的江苏省49 个县、山东省16 个县、河南省南部的45 个县，共110 个县，涉及耕地面积为1.128×105 km2 ，通过技术进步提升冬小麦和夏玉米单产并适度扩大小麦、玉米种植面积，完全可弥补由于严重缺水区和缺水区粮食生产减少带来的小麦、玉米产量降低。
第五，要适度缩减蔬菜种植规模。针对华北目前蔬菜供大于求的现状，可压减蔬菜种植面积10%~15%，对区域蔬菜供应不会产生影响，在稳定蔬菜价格和提升蔬菜品质基础上，不会影响农民收益。而通过缩减蔬菜种植面积 7×106 ~8×106 亩，一年可减少灌溉水消耗达2.5×109 ~3.0×109 m3 ，对减少地下水开采效果显著。
综上所述，华北地区近 20 年来，在水资源加剧短缺和农业用水受到工业化、城市化和生态用水的竞争和挤压下，依然取得了粮食连续增产。这应归功于灌溉效率的不断提升、单产的连续提高、水分生产力的持续增长。但是，在气候变化影响下，未来华北水资源形势仍不容乐观。同时，农业用水还受到用水红线的制约，而实现食物安全又必须要有一定的水资源保障。在中央要求的“一控两减三基本”的政策约束下，以往的高投入、大强度的农业生产方式不可持续，但是经济发展、城市化和人口增长的需求又必须满足，因此，华北地区的食物安全必须转向依靠“可持续集约”的生产和经营方式。优化水土资源的匹配，加强对地下水超采的控制、大力发展适水农业，向工程、农艺、制度节水要效益，实现多目标下国际化绿色化背景下华北食物安全的水资源保障。
