保障水与粮食安全的国际农业用水管理先进技术与经验
Management of agricultural water use to safeguard water and food security: International advanced technologies and experiences
高占义，胡亚琼
（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，100048，北京）
摘要：水与粮食安全是世界各国和相关国际组织持续关注的议题。受人口增长、耕地条件、水资源约束及气候变化影响，粮食安全问题需要通过持续改善提升现有灌排工程设施，发展新的灌排工程设施，应用先进管理技术和措施，以及改革管理体制机制等综合措施来解决。灌排系统是一个包含农业生产、生态及水资源循环过程的大系统工程，其中灌溉和排水对生态环境影响日益受到关注。在开展农业节水的同时要关注节水的尺度效应，在提高灌区灌溉水利用率的同时，需综合考虑灌排系统的水循环过程和水资源整体利用效率、效益及对生态环境的影响。研究总结了国际上保障水与粮食安全的农业用水管理先进技术与经验，包括世界灌排发展现状与趋势、挑战、对策和创新，以及基于蒸散发管理的节水概念、技术和措施等内容。
关键词：粮食安全；灌排系统；节水灌溉；环境影响
作者简介：高占义，中国水利水电科学研究院原总工程师，国际灌溉排水委员会荣誉主席，正高级工程师。
联合国粮食及农业组织（FAO）1996年给出的粮食安全定义是：让所有人在任何时候都能在物质上和经济上获得充足、安全和有营养的食物，来满足其积极和健康生活的膳食需要及食物喜好。粮食安全包含四个方面内涵：粮食的可获性（Food Availability）、获取粮食的能力（Food Access）、满足营养需求（Meeting Nutritional Requirements）、稳定性（Stability）。一个国家要维持粮食安全必须能持续获得满足国民营养需求的粮食，包括本国生产的粮食和从国际市场购买到的粮食。在过去几十年中，灌溉发展在提高全球农业生产力和改善全球粮食安全方面发挥了重要作用，目前全球45%以上的粮食是在灌溉耕地上生产的，而灌溉耕地只占全球可耕地面积的20%左右。
世界灌排发展现状与趋势
水土资源是保障粮食生产的基础。目前，世界总耕地面积为15.4亿hm²，其中无灌排设施耕地10.47亿hm²，只有灌溉设施的耕地2.46亿hm²，只有排水设施的耕地1.87亿hm²，既有灌溉设施又有排水设施的耕地0.6亿hm²。
据联合国粮农组织统计，占世界耕地面积21%的灌溉面积生产了全世界45%的粮食。随着气候变化引发的极端干旱洪涝灾害频次增加，雨养农业耕地生产粮食波动性加剧，对粮食安全构成严重挑战。发展灌溉农业是保障粮食安全的必由之路。
根据国际灌溉与排水委员会的统计，世界耕地灌溉面积前十位的国家共有灌溉面积2.14亿hm²，占全世界耕地灌溉面积的67.7%。
▲世界耕地灌溉面积前十位国家
全世界有排水设施耕地面积前十位国家，共计有排水设施耕地面积1.19亿hm²，占世界有排水设施耕地面积的63.7%。
▲ 世界有排水设施耕地面积前十位国家
从耕地灌溉面积来看，世界耕地灌溉面积前十位的国家中7个在亚洲、3个在美洲；从有排水设施耕地面积来看，世界有排水设施耕地面积前十位的国家中4个在欧洲、3个在亚洲、3个在美洲。我国耕地灌溉面积世界第一，有排水设施耕地面积世界第二；美国有排水设施耕地面积世界第一，灌溉面积世界第三。总的来看，各国粮食产量与灌溉面积和有排水设施耕地面积占比密切相关。
到2050年，预计全球人口将超过90亿人。据联合国粮农组织分析，未来25~30年全球粮食需求将增加70%，这些粮食的80%~90%将来自现有耕地，10%~20%来自新开垦耕地。增加粮食产量主要依靠以下措施：①提高单产及复种指数；②发展灌溉排水面积；③对已有的灌溉系统进行现代化改造；④发展排水设施；⑤加强雨水管理，提高雨养耕地的生产效率。
灌溉发展面临的挑战
1.水资源短缺和用水竞争
随着全球经济社会发展对水资源的需求不断增加，水资源短缺已经在许多国家和地区出现，不同用户和用途之间的用水竞争正在加剧。目前，耕地灌溉是世界最大的用水户，其用水量占全球每年淡水供水量的70%。根据目前的水利用模式和水分生产率测算，到2050年，生产所需粮食产量的农业灌溉用水需求将增加70%~90%（FAO，2018），远远超过可用水量。据联合国粮农组织估计，在可持续发展的情况下，全球每年灌溉用水的增加量必须限制在10%以内。未来几十年，需要用更少的水生产出更多的粮食。
2.经济和农业转型
过去几十年的全球化和城市化伴随着经济转型和人口的变化，特别在发展中国家和转型经济体中尤为明显。农业系统正从传统的自给自足农业转向更加多样化和商业化，形成了价值链相连的农业综合企业系统。这些系统需要更可靠、灵活和多样化的供水服务，以及创新的制度和融资安排。灌溉需要更好地与农业发展相结合，并将灌溉管理扩大到农业用水管理范畴。然而，目前许多灌溉工程系统没有跟上这种转型，需要对工程设施、运营策略和管理体制机制进行系统更新，以达到期望的目标。
3.环境恶化影响
环境的迅速恶化，尤其是新兴经济体的环境问题，已经引起全球关注。近几十年来，一些国家的农业“绿色革命”被认为是导致土地资源和水资源退化的主要因素。传统的灌溉工程用水效率低下、系统运行效果差，不合理的灌溉与排水发展造成了水资源过度使用或不正确使用、面源污染蔓延、土壤盐碱化加重和地下水枯竭。国际社会和各国政府正在制定和实施更具限制性的环境保护法规。各国农业部门正推动第一代农业“绿色革命”向可持续集约化农业转变，需要更仔细地研究和跟踪灌溉发展对环境变化的影响过程。
4.气候变化影响
全球气候变化加剧，引发极端天气事件发生频率增加，在这些变化条件下农作物需水量可能增加。现有灌溉和排水系统所面临的天气和水文条件与系统开发时的情况不同，将不得不对现有的灌溉和排水系统工程设施、技术方法和管理策略进行改造和调整，以有效应对气候变化影响。新开发的灌溉和排水系统需要采用新的设计标准，这些标准应在历史水文记录的基础上，考虑到气候变化的预估影响。
5.投资限制
为在2050年之前实现灌溉面积发展目标，每年需要大量投资保障更新、改造和发展灌溉设施。其中90%为现有系统改造或替代平衡，以保障灌溉面积的净增加。全球灌溉投资在20世纪70年代末、80年代初达到顶峰，此后总体呈下降趋势。灌溉投资减少的主要原因包括其他部门对水利投资的竞争以及灌溉系统成本回收率低等。在2007—2008年出现世界粮食危机之后，灌溉投资有所恢复，但总体规模仍远低于需求。
发展对策与创新
1.水务管理和土地使用权改革
水务管理和土地使用权改革是指为进行水土资源开发与管理建立的政治、社会、经济和行政制度 ，旨在帮助解决灌溉投资业务中诸如利益攸关方的利益冲突、获得土地和水资源的公平性及可持续性保障等方面的问题。国际组织和各国政府对有关概念和备选方案已有深入的讨论和研究，例如《全球水伙伴关系：有效的水治理》一书中有详细探讨。
2.建立水核算和审计制度
水核算和审计是指对特定区域的供水、需求、可获取性和使用量等方面的现状和趋势进行系统研究 ，为在水资源短缺、竞争、环境退化和气候变化背景下将灌溉发展纳入河流流域水资源综合管理奠定基础。联合国粮农组织等有关机构和伙伴组织已经制定相关的框架并使用了相关技术。
3.节水灌溉创新
节水灌溉旨在提高灌溉用水效率和水分生产率。 早期的节水灌溉工作主要是减少渗漏和径流造成的水量损失，这导致在许多灌溉工程中对渠道衬砌作用的片面理解。由于灌溉工程渗漏和径流损失的一部分水可能被下游用户和当地生态系统利用，因此从流域水管理的角度来看并不是真正的“损失”。最新的节水举措侧重于管理灌溉面积内的总体蒸散量（ET），这意味着需要对节水的工程措施、技术和管理方案进行改进和完善。节水灌溉措施包括：①利用激光平整农田；②渠道衬砌、管道输水；③根据土壤含水率安排灌溉和输配水方案；④应用新的灌溉技术，如滴灌、喷灌、波涌灌溉；⑤利用灌溉回归水；⑥采用智慧化、自动化控制技术；⑦将部分灌溉农田转为旱作农田。
4.灌区现代化改造
灌区现代化改造是对灌溉系统的工程、技术和管理水平进行提升的过程 ，其目的是提高资源(水资源、土地资源、劳动力、投入资金等）利用率，提高供水服务水平，而不是单纯的工程改造。灌区现代化改造已开展十多年，并开发出一系列技术、出版物和培训材料。例如联合国粮农组织编写的渠道运行技术对比分析与服务（Mapping System and Services for Canal Operation Techniques，MASSCOTE）手册，主要应用于大中型灌区灌溉系统的现代化改造规划。渠道运行技术对比分析与服务手册内容包括以下10个方面：灌区现状评估、灌排系统能力分析、敏感性分析、水量平衡分析、运行成本分析、对用户的服务、管理单元划分、运行管理需求分析、运行管理策略制定和改造方案集成。通过对以上10个方面的系统分析制定出完整的灌区现代化改造方案。联合国粮农组织和世界银行已经与一些国家政府在亚洲和近东地区开展了这套灌区现代化改造方案制定方法的培训和应用。
▲灌区现代化改造整体方案分析过程
灌区对用水户的服务水平从灌溉和排水的充足性、可靠性、公平性、灵活性四个方面评价。
▲灌区对用水户服务水平评价指标
5.灌溉系统的多种功能服务
灌溉系统的多种功能旨在通过多样化的服务，包括灌溉和排水、城乡供水、工业供水、渔业、水力发电及生态环境保护，最大程度发挥灌溉系统的效益。 灌溉系统的多用途是全球灌溉系统发展的共同特征，目前有超过90%的灌区具有多功能供水服务特征。有的灌溉系统在最初设计时就设置多功能服务，有的灌溉系统是在运行中逐步增加功能。考虑到灌溉系统的多功能特点，在未来投资中更好地协调相关职责、权益、运行安排，将有助于更好地挖掘和实现多重效益，实现灌溉工程可持续运行管理。自2009年第五届世界水论坛以来，国际社会一直就这一领域开展合作。联合国粮农组织为促进灌溉系统的多功能利用制定了具体框架，并开展案例研究。
6.农业用水管理
农业用水管理旨在为农业农村发展提供全面和多样化的用水服务。 在农业、经济的快速转型以及农业综合企业和价值链发展的推动下，灌溉已经向更全面的农业用水管理发展。供配水系统设计、投资标准以及制度和融资安排变得更加灵活和多样化，以应对农业综合企业发展的特定模式和需求。提升农业用水管理的措施包括：①发展农业节水灌溉，提高灌溉农业的水分生产率；②促进非常规水源的安全利用，提升污水处理、中水循环使用和咸水淡化利用；③增加用于农业灌溉的蓄水量；④促进地下水可持续开发利用；⑤改变作物品种和种植结构；⑥减少粮食流通和消费环节的损失，提高食品供应链的效率。
7.水-能源-粮食关系评估
水-能源-粮食关系评估旨在分析评估水、能源和粮食之间的相互依存关系， 并为与之相关的发展战略、政策措施、规划制定及机构设置或干预对策措施等提供数据和材料。 例如针对如何解决粮食生产与生物能源开发对水土资源的竞争问题，联合国粮农组织开发了一个快速评估工具，可评估特定背景下水、能源和粮食系统之间的相互作用，评估技术或政策干预在这种特定背景下的表现，并已开展案例研究。
8.发展气候智能型农业
近年来，灌溉农业应对气候变化成为热点问题，研究重点集中在：①减缓气候变化方面，包括减少农业生产温室气体排放，利用农业抵消其他部门的温室气体排放量；②适应气候变化方面，包括避免负面影响，利用正面影响，增加农业系统的弹性。2009年由新西兰倡议成立了全球农业温室气体研究联盟（Global Research Alliance on Agricultural Greenhouse Gases）。该联盟是一个应对全球气候变化的研究组织，其主要宗旨是致力于减少农业源温室气体排放和提高生产效率。目前联盟有46个成员国，下设畜牧、稻田、旱地等研究工作组，其中稻田组成员国主要来自亚洲和南美洲。
发展气候智能型农业 （Climate-Smart Agriculture，CSA）旨在适应和增强对气候变化的抵御能力，持续提高农业生产力和收入，并在可能的情况下减少和（或）消除温室气体排放。主要措施有：改造灌溉系统以提升供水服务，增强农业系统的抗旱能力；改善水稻灌溉的水资源管理，减少受干扰地区的化肥和农药流失；优化能源和工业产品的利用；降低洪水风险并管理自身的碳足迹。相关资料有联合国粮农组织出版的《气候智能型农业资料集》等。
9.发展参与式灌溉管理
发展参与式灌溉管理旨在让各利益相关者，特别是受益农民，充分参与灌溉系统的运营和维护，以确保灌溉系统的可持续性。参与式灌溉管理已提倡几十年，且一直在发展。虽然早期工作主要由政府部门发起，旨在转移或分散现有公共系统的管理责任，但近年发展扩大至利益相关者对规划全过程的参与，包括灌溉系统的设计、建设、运营和管理。在这一过程中，关于灌溉服务协议的谈判及建立功能性运营和维护机构是关键，需要根据当地的需求和条件构建服务导向型的灌溉发展和管理模式。
10.政府和社会资本合作模式
政府和社会资本合作模式（PPP）旨在鼓励社会资本参与灌溉发展和管理，以多样化的融资来源与公共投资合作加快灌溉发展。传统上，作为利益相关者的受益农民为全世界的公共投资系统作出了贡献，主要以实物捐助和水费的形式。随着发展中国家和转型经济体农业综合企业、价值链和农业商业化系统的发展，PPP模式迎来良好的发展机遇。近年来各国政府和捐助机构实践表明，PPP模式在一定条件下发挥了显著作用。
11.现代信息与通信技术
现代信息与通信技术发展迅速，为基于信息的决策和智慧管理提供了良好基础，主要包括遥感、遥测、地理信息系统、互联网和大众传媒技术。水资源管理部门及灌溉部门开发应用了许多基于现代信息与通信技术的系统和工具，包括用于水核算和审计的各种水文模型，用于水管理的蒸散发监测系统，灌溉监控和数据采集系统，以及服务于水信息、早期预警和技术推广的数字和移动信息系统。
12.负责任的投资
负责任的投资旨在促进粮食安全和营养保障，从而支持逐步实现保障国家粮食安全的适足食物权。2014年世界粮食安全委员会批准通过了《农业和粮食系统负责任投资原则》。其规定的原则涵盖食物安全和营养的构成、保有权、透明度和问责制、协商和参与、法律、社会和环境可持续性、性别平等、赋予妇女和青年权利及文化遗产等内容，是农业价值链和粮食系统中各类投资的指导原则。
基于蒸散发管理的节水措施
1.基于蒸散发管理的节水概念
传统上，灌溉节水用灌溉水利用率表示。20世纪30年代，Orson W. Israelsen将灌溉水利用率定义为灌溉农场或灌区作物消耗的灌溉水与从河流或其他天然水源引入农场或灌区渠道（渠系）水量的比率：
式中， E ᵢ 为灌溉水利用率； W c 为农作物消 耗的灌溉用水； W ᵣ 为从河流或其他自然水源引取的水量。
多年来，这种灌溉水利用率的基本核算方法没有发生根本性变化。灌溉水利用率进一步分为输配水利用率和田间灌溉利用率。常规的节水措施包括采用渠道衬砌来减少输配水过程中的渠系渗漏量，提高输配水利用率，并通过喷灌、滴灌技术以及改进地面灌溉来提高田间水利用率（Perry C，2007）。
这种计算方法对于工程设计来说是恰当和有用的。提高灌溉水利用率的好处是水可以及时到达田间灌溉作物；缺点是在大多数情况下通过提高灌溉水利用率而节省的水并不是真实的节水。因为在更大的尺度上看，一部分节约的水量是回归水，可以被下游用户或生态系统利用，因而不是真正的“损失”（FAO，2018）。
在用水过程中，引入灌溉系统的水可分为消耗水量和非消耗水量。消耗水量包括有益消耗水量和无益消耗水量。非消耗水量包括可回收水量和不可回收水量。蒸散量（ET）是灌溉系统中的消耗水量，是评估灌溉系统节水的有效指标。基于ET的节水是基于水文循环中的质量连续性原理，强调采取措施减少灌溉系统的无益消耗水量，甚至减少有益消耗水量。随着这种理念带来的转变，1997年查尔斯·伯特（Charles M. Burt）将灌溉水利用率定义为：
式中，Wbu是灌溉用水中有益利用的部分，包括作物蒸腾量和淋溶盐分所需的水量；Ws-sc是灌溉供水量减去储存水量变化值，包括流入地下含水层、系统储水设施和水库等的水量。
2.基于蒸散发管理的节水措施
在将水量分配给工业、生活、农业和生态环境之前，必须了解在不破坏生态环境的情况下，所有部门实际可以利用的总水量是多少，确定目标ET，即所有用水户在不破坏生态环境情况下的最大消耗性用水量。然后在用水户之间根据优先次序或权重分配目标 ET，指导原则有：①考虑基本的农业、工业和其他方面（清洁饮用水的可获得性、生活用水）；②国家、区域和地方行政目标及原则；③用水竞争实体之间用水生产效率的差异。
在将允许的目标ET分配给指定行业后，该行业的重点将从限制引水转移到提高分配的单位ET水分生产效率上。在流域水平上，农业目标ET可以进一步分配到地区，并通过灌区系统分配到田地，然后分配到每个用水户。基于ET的节水目标是在农场或灌溉系统水平上采取措施控制用水量，以确保实际ET水平等于或低于目标ET。基于ET的节水措施包括：通过平整土地减少无益ET，应用先进的灌溉技术提高灌溉水的均匀度，应用有压灌溉系统，应用地膜或作物秸秆覆盖土地，以及利用节水品种代替常规品种减少有益ET。
结论
世界灌溉与排水发展过程表明，农业用水管理对保障粮食安全具有特别重要的作用。 农业用水管理从为农田提供及时的供水和排水服务，发展到综合考虑水土资源、劳动力、投资、工程管理、新技术和新理念，以及生态环境和气候变化等多种要素相互作用，以高效利用资源和可持续发展的方式保障粮食安全。 粮食安全需要通过持续改善提升现有灌排工程设施，发展新的灌排工程设施，应用先进管理理念及技术措施，以及改革管理体制机制等综合措施来解决。 在开展农业节水的同时，要关注节水的尺度效应； 在提高灌区灌溉水利用效率的同时，综合考虑灌排系统的水循环过程、水资源整体利用效率与效益以及对生态环境的影响。 联合国粮农组织等有关组织和机构开发了针对灌区现代化改造和节水灌溉的分析评估工具，可以参考应用。
Abstract: Water and food security have drawn long-lasting attention from countries around the world and relevant international organizations. Due to population growth, limitations in cultivated land conditions, constraints on water resources, and the impact of climate change, food security issues need to be addressed through comprehensive measures. These include the continuous improvement and upgrading of existing irrigation and drainage systems, the development of new irrigation and drainage projects, the application of advanced management technologies and tools, and the reform of management systems and mechanisms. Irrigation and drainage systems are large-scale engineering projects that involve agricultural production, ecological processes, and water resource cycling, with increasing attention being paid to their impact on the ecological environment. When emphasizing agricultural water conservation, attention should be given to the scale effectiveness of water-saving practices. While improving the utilization rate of irrigation water, overall consideration should be given to the water cycling process within the irrigation and drainage system, overall water use efficiency and benefits, and the impact on the ecological environment. This study summarizes international advanced technologies and experiences in managing agricultural water use to safeguard water and food security, including the current status and trends of irrigation and drainage development, challenges, strategies, innovations, as well as water-saving concepts, technologies, and measures based on evapotranspiration management.
Keywords: food security; irrigation and drainage system; water-saving irrigation; environmental impact
本文引用格式：
高占义，胡亚琼.保障水与粮食安全的国际农业用水管理先进技术与经验[J].中国水利，2024（18）：38-43.
责编｜吕彩霞
校对｜李博远
审核｜王慧
监制｜轩玮
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