康绍忠院士：藏粮于水 藏水于技——发展高水效农业 保障国家食物安全
“悠悠万事，吃饭为大。”在极端天气事件频发、新冠肺炎疫情影响持续、国际形势错综复杂的背景下，把中国人的饭碗牢牢端在自己手中成为重中之重。
“吃饭”问题不仅是粮食安全问题。早在2017年中央农村工作会议上，习近平总书记就深刻指出，“现在讲粮食安全，实际上是食物安全”。2022年全国“两会”期间的政协联组会上，习近平总书记再次指出，“要树立大食物观”“在确保粮食供给的同时，保障肉类、蔬菜、水果、水产品等各类食物有效供给”，“大食物观”拓展了传统的粮食边界，指导我们从更广的维度认识和把握粮食安全。
食物安全是国家安全的基本保证，水安全是食物安全的基础。当前，水资源短缺已成为我国食物安全和农业可持续发展的刚性约束。
如何应对新形势下的新挑战？中国工程院院士、中国农业大学中国农业水问题研究中心主任康绍忠就我国水资源与食物安全形势进行分析，并从“藏粮于水，夯实国家食物安全的农业用水保障”和“藏水于技，促进高水效农业快速健康发展”两方面提出对策建议。
水资源短缺 对我国食物安全的严峻挑战
水安全与食物安全是人类社会可持续发展的最基本支撑点。日益严峻的气候危机、水土资源短缺、干旱洪涝灾害等极端事件带来的粮食减产，正在影响全球的农业生产。确保水和食物安全，已成为人类面临的重大挑战。
2016年美国发布的《2016—2045年新兴科技趋势报告》指出，到2045年，全球将有超过40%的人口面临水资源短缺。在未来几十年，最乐观的预测主食谷物的价格将会提高30%。如果全球气候变化、需求增长以及资源管理的失败按照目前的趋势继续下去，价格可能会提高100%。
在错综复杂的国际形势下，食物安全是国家安全的基本保证，中国人的饭碗要牢牢端在自己手中。从1999年到2021年，我国粮食产量由5.08亿t增长到6.84亿t，21年增长了34.6%。但从2015年到2021年，我国的粮食产量只增长了2389万t，增速变缓，粮食增产进入瓶颈期。我国是世界最大粮食进口国，2021年进口粮食1.6454亿t，接近国内产量的1/4。保持谷物基本自给、口粮绝对安全形势依然十分严峻。
习近平总书记指出，“解决好十几亿人口的吃饭问题，始终是我们党治国理政的头等大事”“粮食生产根本在耕地，命脉在水利，出路在科技”，为新形势下如何保障国家食物安全指明了方向。
水安全是食物安全的基础，水资源短缺将直接导致食物生产的波动，从而在源头上导致真正的食物危机。
我国多年平均水资源总量2.8万亿m3，居世界第6位；但人均水资源量仅1983m3，不足世界人均水平的1/3；单位耕地面积的水资源量仅为世界平均水平的1/2。特别是我国水资源与其他社会资源的空间分布不匹配，国土、耕地面积、人口、GDP分别占全国64%、46%、60%、44%的北方地区，水资源量仅占全国的18.6%。我国北方的海河、黄河、西北内陆诸河、西辽河等流域的缺水状况更为严峻。
我国在水资源短缺背景下，为了发展灌溉农业，先后建成多种类型的蓄、引、提水灌溉工程，有效灌溉面积从新中国成立时的2.4亿亩扩大到11.18亿亩，位居世界第一。
从全球来看，占总耕地面积20%的灌溉地生产了40%的农产品，80%的雨养农业生产了60%的农产品，灌溉地的产量大约是雨养农业的2.5倍。就我国来说，灌溉对粮食增产的直接贡献率约为36.27%。灌溉农业成为我国农业生产的主力军和保障国家食物安全的基石，为把饭碗牢牢端在自己手里和促进农村经济发展作出了巨大贡献。
但是，我国的农业发展与区域水资源承载力不相适应。例如，一方面国家花巨资建设南水北调工程，以缓解北方的水资源短缺，另一方面又通过“北粮南运”把水资源运回南方。而且，在一些水资源短缺地区，农业的过度开发导致农业用水量大，加之用水效率低，进一步加重了区域水资源短缺，引发了突出的生态环境问题。
如华北平原，由于灌溉发展和农业熟制变化，在农业产能大幅度提高的同时，出现了严重的地下水水位下降，形成世界上面积最大的地下水漏斗区；西北内陆干旱区塔里木河、石羊河、黑河等流域，农业开发规模超过了水资源承载力，导致流域下游土地沙化、沙进人退、绿洲萎缩；东北西辽河流域大规模抽取地下水发展浅埋滴灌，引起地下水水位大幅下降、草地退化和土地沙化；东北三江平原大面积改种水稻，导致地下水水位下降和湿地萎缩。这些都对农业可持续发展和人类生存环境形成了严峻的挑战。
灌区是我国重大的公益性基础设施工程，是国家食物安全的压舱石。但是，现有大中型灌区工程设施大多建于20世纪50年代至70年代，标准低、配套差、管理不畅，由于长期投入不足，呈现“先天不足、后天失调、周身是病、发展艰难”的严峻局面。
2021年我国灌溉水利用系数仅为0.568，单方灌溉水的产粮数大约是1.58kg，远低于发达国家的水平。“十四五”期间，全国456处大型灌区，列入国家更新改造规划的仅124处，不到全部大型灌区的1/3；而且资金投入强度远远不能满足灌区续建配套和现代化改造的实际需求。灌区发展滞后已成为保障国家食物安全和农业可持续发展的短板。
藏粮于水
夯实国家食物安全的农业用水保障
我国水资源紧缺，水土不适配，“水缺”比“地少”更为严重。水资源短缺已成为食物安全和农业可持续发展的刚性约束，挑战日益严峻。缓解水资源短缺和灌溉用水增加导致的生态环境问题，迫切需要降低灌溉用水量，然而盲目减少灌溉用水量将导致农业产能下降，威胁国家食物安全和农产品有效供给。
水安全是食物安全的基础，在当前错综复杂的国际环境、不稳定性不确定性明显增加的背景下，必须绷紧食物安全这根弦，藏粮于水，夯实国家食物安全的农业用水保障。
1.确立农业用水安全红线，为国家食物安全提供用水保障
我国粮食作物种植布局不断向北方缺水地区转移，“北粮南运”已成为我国粮食产销布局的新特征，这种生产格局的变化会进一步导致北方农业需水的增加。
大量研究表明，未来气候变化不会导致水资源明显增加、改变我国南多北少的水资源分布格局。我国后备耕地资源主要在黄淮海、东北、新疆和甘肃，未来利用这些后备耕地资源必将进一步加剧北方农业用水的紧缺态势。为此，需要未雨绸缪，确立和牢牢守住保障国家食物安全的农业用水安全红线。
农业用水安全红线是保障国家食物安全和农产品有效供给所需要的净耗水量、农业用水量、单位粮食产量净耗水量和灌溉水利用系数红线。影响农业用水安全红线划定的因素很多，包括未来人口增长与生活水平提高对粮食和其他农产品的需求、作物种植结构和耗水特征、灌区现代化、节水灌溉技术应用、科技对节水的贡献等。
我国农业用水量从20世纪90年代开始缓慢下降，到2003年降到最低值3431.4亿m3；然后又缓慢增加，2013年达到3920.3亿m3；其后再次缓慢下降，近几年基本维持在3640亿m3左右。
灌溉水利用系数从2000年的0.43持续提高到2021年的0.568。农业净耗水由2001年的1652.2亿m3下降到2003年的1509.8亿m3，然后持续上升到2017年的2050.3亿m3，近几年维持在2050亿～2070亿m3；单位粮食生产的净耗水量由0.469m3/kg降到0.404m3/kg，年均下降0.003m3/kg。
21年间，由于灌溉水利用系数增加，年节约农业用水量达到1169.57亿m3。其中，由于单位粮食生产的净耗水量减少，即通过作物水分利用效率提升而节约的年净耗水量达到375.53亿m3，相当于年节约农业用水量661.14亿m3；灌区工程配套与改造等节约农业用水量508.43亿m3。农艺节水与工程节水的比例分别为56.53%和43.47%。
从上述分析可知，目前我国农业用水总量基本稳定的根本原因是作物水分利用效率和灌溉水利用系数逐年增加的结果，如果我国的灌溉水利用系数和单位粮食生产的净耗水量仍然处于2000年的水平，目前灌溉面积和粮食产量下的农业用水量会达到4810亿m3，农业节水和高效用水无疑对控制农业用水大幅度增加作出了巨大的贡献。
统计数据表明，2021年我国粮食年消费量8.1亿t，粮食自给率为82.6%。预计粮食需求峰值可能在2035年到来，约为9.4亿t。若保持粮食自给率不变，到时我国的粮食产量需达到7.8亿t。按照过去21年间的年均用水下降速率，预计2035年我国灌区单位粮食产量的净耗水量为0.362m3/kg；根据国民经济与社会发展规划的刚性约束指标，到2030年我国的灌溉水利用系数将达到0.60，预计2035年提高到0.625；假定未来75%的粮食增加量仍由灌溉地生产。
按此计算，则粮食需求高峰期2035年前后的农业净耗水量需要增加到2421.64亿m3，农业用水需增加到3874.62亿m3。因此，在粮食需求高峰期2035年前后的农业用水安全红线宜定为：农业净耗水2422亿m3，农业用水3875亿m3，单位粮食产量的净耗水0.362m3/kg，灌溉水利用系数0.625。
2.加快建设国家农业水网，提高食物安全供水保证率
面对我国“北粮南运”的粮食产销格局，以及耕地后备资源主要集中在黄淮海、东北、新疆和甘肃，且这些区域大多受水资源制约的状况，在大力发展适水农业的同时，为了保障国家食物安全，迫切需要加快国家水网工程建设，实现水资源南北调配、东西互济的配置格局，促进水土资源有效匹配，为耕地后备资源的合理开发利用提供必要的用水保障，同时也可有效缓解现有耕地的缺水限制，提升产能。
农业水网是国家水网的毛细血管和重要组成部分，而灌区灌溉渠（管）网则是农业水网的主要载体。应把农业水网纳入国家水网建设规划，做好顶层设计，研究制定国家水网框架下系统畅通的农业水网格局，以利于全国各省、各地区的灌区现代化改造、高标准农田建设和山水林田湖草沙系统治理的有序稳步推进，避免重复投入和低效建设。
在北方水资源紧缺区，特别是新疆和河西走廊等地势落差较大、水源水质良好的区域，以及华北井灌区，应适度推进灌溉供水自来水管网化，采用大口径聚乙烯、聚氯乙烯管材或加筋聚乙烯复合管材建设管道输水系统不会显著增加工程成本，但可以减少输水损失、少占耕地。在建设农业水网的过程中，还应加强计量监测设施、信息化工程等建设，使农业水网系统管控逐渐向信息化与智慧化方向发展，加速智慧农业水网构建的进程，提高灌溉供水保证率、农业用水效率和效益。
3.充分挖掘南水北调工程给粮食生产供水的潜力，开发利用西北内陆干旱区咸水资源
在全球气候变化导致水文情势改变、未来仍有较大不确定性的背景下，保障国家食物安全用水的形势依然严峻，需要在深度节水前提下，适度增加跨流域调水，开发和安全利用非常规水源，提高农业用水保障能力。
（1）充分利用南水北调东、中线工程的外调水，提高华北地区口粮生产用水保障能力
华北地区在我国粮食生产特别是优质小麦等口粮生产中具有不可替代的重要作用，同时也是我国水资源最紧缺地区之一和南水北调东、中线工程的主要受水区。
在国家粮食安全紧平衡的背景下，需要继续利用好华北地区良好的耕地条件，稳定甚至适度扩大粮食生产，通过较大规模调整种植结构和压缩农业用水难度很大。充分利用南水北调工程的外调水，提高粮食生产用水保证率，对确保国家口粮绝对安全意义重大。
南水北调东、中线工程贯穿黄淮海地区，在沿线引黄灌区范围内一定程度上具备向农业供水的工程条件。据调查，河北农业水价的承受上限约为0.65元/m3，山东、河南也大体相当。河北全省亩均灌溉用水165m3/亩。据有关推算，南水北调东线二期工程向农业终端供水水价大约为2.14元/m3，大约每亩需补贴245.85元。
近年来国家投入京津冀地下水超采区治理的小麦休耕补贴是500元/亩，但由于休耕项目区之外的种植面积增加，节水数量有限。由于南水北调工程水价高于当地直接开采利用地下水的水价，加之工程配套不完善，导致计划供给河北的南水北调水源没有充分利用。
因此，建议把每亩500元的休耕补贴直接用于南水北调工程水价补贴，把目前河北没有用足的南水北调水直接用于水资源极度紧缺的衡水、沧州等地下水严重超采区的粮食生产，特别是小麦等口粮生产用水；对于经济作物和蔬菜生产用水仍需考虑市场对水价的调节作用。
（2）加快实施南水北调西线工程，充分挖掘河西走廊等地的后备耕地资源潜力
南水北调西线工程是从根本上解决黄河流域及西北地区水资源短缺的战略性工程。西北地区生态区位重要，光照充足、气候适宜，是我国最大的玉米、蔬菜、瓜类、花卉等对外制种基地， 占全国种子出口量的75%，全国60%以上的玉米种子来自这里，对保障国家食物安全意义重大。如果将南水北调西线调水量适量引入河西走廊，可充分利用当地后备耕地资源，无疑对保障国家食物安全、促进当地现代农业跨越式发展、助推“一带一路”建设具有重大而深远的意义。建议国家尽快纳入规划，支持开展前期工作并及早启动实施。
（3）利用丰富的太阳能资源，合理开发利用新疆内陆干旱区咸水资源
据有关调查，新疆矿化度大于3g/L的咸水资源约为100亿m3。随着科技进步，采用低温膜蒸馏技术，将苦咸水通过太阳能聚热加温、过滤，淡化成符合标准的灌溉水已不再是难题。新疆太阳能资源十分丰富，年平均日照时数2550～3500h，年辐射总量5430～6670MJ/m2，利用太阳能进行咸水淡化利用前景广阔。
2018年8月，美国能源部（DOE）支持的太阳能光热海水淡化技术研发项目，使低容量、高盐度水（如石油和天然气生产中的卤水）淡化处理成本降至1.5美元/m3，大容量、低盐度的海水或者市政盐水淡化处理成本降至0.5美元/m3。若仅淡化为可灌溉农作物或生态植被的水，其成本还可大大降低。
藏水于技 促进高水效农业快速健康发展
在水资源严重紧缺条件下要保障国家食物安全用水，必须藏水于技，通过科技创新和技术进步，减少单位食物生产的净耗水和灌溉用水，走技术进步替代灌溉用水增加之路。
藏水于技就是要通过农业高效用水核心关键技术与重大关键产品和绿色高效用水模式的突破，大幅度提高灌溉水利用率和水的生产效率，在农业发展过程中少增加或不增加、甚至减少用水的条件下，获得粮食或其他农产品产量与质量的大幅度增加。同时，通过区域水土资源的优化配置和作物种植结构、种植制度调整，合理地布局农业生产，更好地挖掘水资源的效率和效益，缓解我国“北粮南运”与南水北调的水、粮逆向流动格局。
1.加快发展高水效农业，缓解我国农业用水紧缺状况
加快发展高水效农业，大规模提高农业用水效率，是破解农业用水短缺与食物安全和其他农产品持续稳产高产矛盾的关键。习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路和“农业要节水化”等一系列指示批示精神为发展高水效农业提供了根本遵循。
高水效农业是依托生物技术、信息技术和智能装备，实现单株、农田和区域不同尺度水与作物表型信息的智能感知、用水智能决策与智能控制，达到区域水土适配和水生产力时空格局优化，实现精准用水和水效益最大化的新型农业用水体系。
具体实施路径包括在单株水平上发掘作物抗旱基因与培育抗旱节水型新品种，构建高水效理想株型，增加作物叶片光合速率，减少叶片气孔蒸腾，提高水分生产效率；在农田尺度上改进田间灌溉技术，通过设计科学的灌溉制度和作物水肥一体化，提高灌水施肥的均匀性，减少田间耗水量和灌水量，提高作物产量和田间用水效率；在区域尺度上合理配置水资源，减少水的无效损失，实现作物耗水时空格局优化，提高水的效能，用最少的水产出更多的农产品。通过技术和制度创新，实现农业用水效率的全链条调控、多过程耦合和多要素协同提升。
高水效农业是未来农业的发展方向，它是在一定的区域产量或效益目标下，在空间和时间上设计作物种植和耗水过程，使区域作物耗水最小，最大限度地提高水生产力和水生产效益；或者在农业用水、净耗水、单位粮食产量净耗水和灌溉水利用率“四条红线”控制下，通过区域作物种植和耗水时空格局优化，达到区域产量与水效率和效益最大化，实现不浪费一滴水、让每一滴水生产更多粮食与农产品的愿景。
高水效农业发展对缓解我国水资源短缺和保障食物安全贡献巨大、潜力巨大。近30年来，我国耕地灌溉面积增加了3亿多亩，灌溉用水总量则由4000亿m3下降到3610亿m3，亩均灌溉用水量由588m3下降到365m3。单方灌溉水的产粮数从20世纪80年代的0.6kg左右提高到1.58kg以上。如华北山前平原种植的节水小麦，由20世纪80年代年灌水6次、生育期亩均灌溉定额300m3左右，降低到目前年灌水2次、生育期灌溉定额100m3左右，产量由200kg/亩提高到415kg/亩以上，实现了生育期亩用水减少200m3、亩产量提高200kg的突破。
据中国工程院“农业资源环境若干重大战略问题研究”重大咨询项目预测，在当前技术水平下，2025年全国农田灌溉缺水量为136.6亿m3，在充分挖掘现有高效用水潜力的前提下，全国潜在节水量约为350亿m3，其中东北地区的节水潜力最大，为85亿m3，西北地区和黄淮海地区次之，分别为47亿m3和45亿m3。在未来降水量不低于多年平均水平及充分挖掘降水利用潜力的前提下，若将上述节水量用于合理扩大灌溉面积进行粮食生产，全国粮食产能增加潜力约6800万t。发展高水效农业无疑是保障国家食物安全的战略选择。
目前，我国的高水效农业发展水平与发达国家还有一定差距，产生这些差距的原因：一是过度追求低成本而牺牲了节水灌溉系统的均匀性；二是高效节水灌溉技术与农艺技术不配套；三是灌溉用水缺乏科学调配与精量控制；四是区域作物种植结构与水资源条件不匹配。
此外，高水效农业发展也遇到了一些瓶颈，例如农业节水补偿机制尚未形成，节水成本无人买单；土地分散经营模式限制了高效节水技术的应用；重建设、轻管理，节水工程标准低、效益差；缺乏经济、可靠、耐用、适应性广的先进实用技术；节水科技推广与技术服务体系不完善；农业高效用水监测网络尚未建立；缺乏对变化环境下农业高效用水的基础研究。这些问题需要通过政策和制度以及科技的创新加以解决。
2.积极推进国家农业用水监测网络建设，为高水效农业“四条红线”控制提供保障
农业用水监测计量是推动高水效农业技术应用、评价高水效农业发展效果和实施农业用水、净耗水、单位粮食产量净耗水和灌溉水利用系数“四条红线”控制管理的重要前提和基础。但是，目前95%以上的地表水灌区没有安装田间用水计量设备，大部分机井缺乏计量装置，影响了高水效农业的有效实施。建议加快建设和完善区域联网的农业用水监控系统，加强农业用水的有效监测和定量控制。
3.建设以县域为单元的高水效农业综合试验区，整体推进高水效农业快速健康发展
需要在全国重点缺水区率先推进以县域为单元的高水效农业综合试验区建设，积极推动农业用水、净耗水、单位粮食产量的净耗水和灌溉水利用系数“四条红线”控制，把农业水效纳入经济社会发展的考核指标范畴。
重点推进黄淮海地下水严重超采区、西北内陆干旱区、东北三江平原稻作区、西辽河流域玉米浅埋滴灌区、黄河中上游提灌区、宁蒙河套灌区等重点区域以县域为单元的高水效农业综合试验区建设，全链条多过程系统推进，多种技术优化组合，实施全域蓝绿水资源统一配置，由用水管理转变为耗水管理。科学确定县域农业用水、净耗水、单位粮食产量的净耗水和灌溉水利用系数指标，通过“四条红线”控制，整体推进高水效农业快速健康发展。
4.加强高水效农业“卡脖子”技术攻关和创新平台建设，为高水效农业快速健康发展提供科技保障
在数字化、网络化、智能化的发展格局下，数字赋能节水，发挥实时遥测感知、同步传输、数据融合、实时预报等现代技术，提升农业高效用水科技创新能力。
以解决水减粮增、农业用水紧缺问题为导向，以攻克高水效农业核心关键技术与重大关键产品“卡点”为核心，创新高水效农业科技攻关范式，改变过去以论文、专利、人才“帽子”数量为依据的传统考核模式，以“团队一体化、技术标准化、模式集成化、考核场景化、成果可视化”为导向，加强面向应用主体的项目实施效果监测与考核。
发挥新型举国体制优势，采用优势单位委托制和揭榜挂帅等方式，推进产学研用相结合，鼓励企业牵头联合行业优势高校与科研院所组建创新联合体，大幅提升我国节水设备制造企业的国际竞争力。
推进全国农业水资源高效利用重点实验室建设，彻底破解作物生命需水信息高通量表型诊断与高水效靶向立体调控、水-土-气-生系统耦合与结构解析、农业水网智慧管控、超大规模化系统高端节水装备等基础性和技术性“卡脖子”难题，为高水效农业快速健康发展提供科技支撑。
解决好十几亿人口的吃饭问题，不仅要藏粮于地、藏粮于技，还要藏粮于水、藏水于技，以技术创新替代农业用水增长，通过发展高水效农业为国家食物安全和农产品有效供给提供更加可靠的水安全保障。
作者 | 康绍忠（中国工程院院士、中国农业大学中国农业水问题研究中心主任）