黃峰，楊曉琳，方瑜，王素芬，康紹忠

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083）

一、前言

科學(xué)開展國(guó)土空間規(guī)劃，優(yōu)化國(guó)土開發(fā)利用和保護(hù)格局，需要因水制宜、量水而行。在實(shí)現(xiàn)國(guó)土空間規(guī)劃、生態(tài)修復(fù)、生態(tài)體系建設(shè)的水資源供需平衡總目標(biāo)下，梳理國(guó)土空間開發(fā)利用現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，提出適應(yīng)水土資源條件的國(guó)土空間利用策略具有重要意義。華北地區(qū)在諸多方面具有區(qū)位優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全局中具有重大影響；在水資源短缺的條件下，地區(qū)農(nóng)業(yè)為保障國(guó)家食物安全、推動(dòng)農(nóng)村全面發(fā)展提供了關(guān)鍵支持，但也面臨著多方面的生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)，特別是多年地下水超采形成的大幅度下降復(fù)合漏斗問(wèn)題威脅著灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，厘清水土資源現(xiàn)存問(wèn)題，提出適應(yīng)水土資源條件的區(qū)域農(nóng)業(yè)種植布局方案，促進(jìn)華北地區(qū)農(nóng)業(yè)健康發(fā)展，兼具理論研究與實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

本研究涉及的華北地區(qū)包括北京市、天津市、河北省、山西省、山東省、河南省，區(qū)域人口占全國(guó)的比重為24.6%，相應(yīng)耕地面積的全國(guó)占比為21.2%；因光熱充足、土地肥沃成為我國(guó)最重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和商品糧基地，也是重要的工業(yè)制造中心、城市群聚集中心。華北地區(qū)屬于半干旱半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，水資源總量?jī)H占全國(guó)的3.72%，人均水資源量約為全國(guó)平均水平的16%[1]。水資源構(gòu)成了制約華北地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、居民生活水平提高的重大障礙，也成為新一輪國(guó)土空間規(guī)劃中需要考慮的關(guān)鍵性控制因素。

已有研究多圍繞華北地區(qū)水資源及農(nóng)業(yè)用水配置[1～4]展開，而結(jié)合國(guó)土空間規(guī)劃層面的新需求[5]，探索適應(yīng)水土資源條件的華北種植布局優(yōu)化等課題亟待深化。針對(duì)于此，本研究瞄準(zhǔn)國(guó)土空間規(guī)劃、生態(tài)修復(fù)、生態(tài)體系建設(shè)的水平衡總目標(biāo)，分析華北主要農(nóng)作區(qū)的現(xiàn)狀年（2018年）農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)與水土資源布局，考慮人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、氣候情景、水資源承載力等約束條件，形成華北地區(qū)農(nóng)業(yè)種植布局優(yōu)化方案并提出應(yīng)對(duì)策略建議。需要說(shuō)明的是，文中涉及數(shù)據(jù)繁多，除注明引用源的數(shù)據(jù)外，均為自行建模計(jì)算及評(píng)估結(jié)果。

二、華北地區(qū)農(nóng)業(yè)種植與水土匹配的現(xiàn)狀與問(wèn)題

（一）在耕地面積稍減的情況下，依然擔(dān)負(fù)全國(guó)糧食與食物生產(chǎn)重任

華北地區(qū)是我國(guó)重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，改革開放以來(lái)主要農(nóng)作物（糧食、蔬菜、油料、果樹）種植面積的全國(guó)占比基本穩(wěn)定。同期，華北地區(qū)糧食總產(chǎn)量的全國(guó)占比也基本穩(wěn)定，平均水平維持在24.5%左右。小麥、玉米、谷子、油料、蔬菜的產(chǎn)量占比分別為45.7%～63.4%、29.5%～39.6%、41.2%～72.3%、22.7%～36.3%、29.8%～40.5%。棉花、豆類產(chǎn)量占比明顯降低：前者從1978年的26.3%下降至2021年的7.13%，后者從1991年的22.9%下降至2020年的9.44%[6]。

盡管耕地面積有所下降，但華北地區(qū)仍然擔(dān)負(fù)著全國(guó)糧食和食物生產(chǎn)的重任，表現(xiàn)為農(nóng)作物總播種面積的提高、大宗農(nóng)作物產(chǎn)量的增加。例如，谷物產(chǎn)量從1992年的9.187×107t提高到2020年的1.711×108t，小麥、玉米產(chǎn)量分別從1978年的2.555×107t、1.961×107t增長(zhǎng)至2020年的8.065×107t、8.103×107t；1978—2021年油料產(chǎn)量由1.43×106t上升至1.078×107t，1983—2020年棉花產(chǎn)量由2.72×106t下降至5.2×105t，豆類產(chǎn)量歷經(jīng)波動(dòng)，產(chǎn)量范圍為1.28×106～4.53×106t[6]。

華北地區(qū)的種植結(jié)構(gòu)變化情況如下。1978—2021年，糧食作物占總播種面積的比例基本穩(wěn)定，最大值為1978年的83.4%，最低值為2003年的65%，多年平均值為75.1%，2020年為76.7%。小麥播種面積占糧食播種面積的比例，最大值為2006年的46.4%，最小值為1981年的39.1%，多年平均值為43.9%，2020年為43.1%。玉米播種面積占糧食播種面積的比例，最大值為2016年的46.7%，最小值為1984年的22.9%，多年平均值為33.3%，2020年為45.1%。大豆播種面積占糧食播種面積的比例從1978年的4.97%下降到2020年的2.06%。油料作物播種面積占作物播種面積的比例從1978年的4.13%提高到2020年的7.18%。蔬菜播種面積占作物播種面積的比例從1978年的2.54%提高到2020年的11.46%。從種植結(jié)構(gòu)看，在華北地區(qū)的高耗水作物中，小麥占比維持在40%以上，蔬菜占比穩(wěn)步增長(zhǎng)[6]。

（二）灌溉用水效率與水分生產(chǎn)力不斷提高，但水資源緊缺狀況未得到根本性緩解

在華北地區(qū)降水持續(xù)減少的背景下，根據(jù)華北六省市1981—2018年降水量統(tǒng)計(jì)及水文年型劃分結(jié)果，2001—2018年，枯水5年、平水6年、豐水7年；其中2008—2013年為連續(xù)平水年，2003—2005年、2016—2018年為連續(xù)豐水區(qū)間，平水年和豐水年的占比達(dá)到72%。近20年來(lái)，華北地區(qū)的平均年降水量為601 mm；其中，枯水年平均降水量為522 mm、平水年為601 mm、豐水年為657 mm。由此可見(jiàn)，2000年以來(lái)華北地區(qū)降水減少的趨勢(shì)有所緩解。

華北地區(qū)冬小麥-夏玉米體系的生育期降水量年型劃分結(jié)果顯示，2001—2018年冬小麥生育期枯水4年、平水7年、豐水7年；其中2012—2014年為連續(xù)平水年，2015—2018年為連續(xù)豐水年；2010年以來(lái)降水條件變好，僅有2011年為枯水年。夏玉米生育期枯水5年、平水6年、豐水7年；除了2014—2015年為枯水年，其余年份為平水年或豐水年。春玉米生育期枯水5年、平水7年、豐水6年，2010年以來(lái)只有3個(gè)枯水年。無(wú)論是全年降水量年型分布，還是主要作物生育期降水量年型分布，21世紀(jì)以來(lái)的20年中平水年和豐水年居多。但從長(zhǎng)期氣候變化趨勢(shì)看，無(wú)論在平水年還是豐水年，與上一個(gè)氣候時(shí)段（1970—2000年）相比，華北地區(qū)600 mm等降水量線已經(jīng)轉(zhuǎn)移到冀魯豫交界的黃河一線。這一重要變動(dòng)表征了氣候的明顯變化，對(duì)認(rèn)識(shí)華北地區(qū)近20年種植業(yè)用耗水歷史、開展未來(lái)種植業(yè)結(jié)構(gòu)“適水調(diào)整”都具重要的指導(dǎo)意義。

從冬小麥生育期看，不同水文年型中各省份的冬小麥都處于降水虧缺狀態(tài)；即使在豐水年，除河南省的虧缺量低于100 mm外，其他區(qū)域的水分虧缺均值為100～150 mm；河北平原、山東西部、河南北部是小麥水分虧缺相對(duì)嚴(yán)重的地區(qū)，虧缺均值為150～270 mm。夏玉米生育期在枯水年份，河北平原、山東西北部、河南北部依然面臨降水虧缺狀態(tài)。因此，從農(nóng)田水均衡角度看，河南北部、山東西北部、河北平原在不同水文年型下的降水均不能滿足各自的耗水需求，這一地帶識(shí)別為“農(nóng)田水分失衡帶”，與華北地區(qū)“地下水超采漏斗區(qū)”高度吻合。因此，華北地區(qū)仍然需要相當(dāng)?shù)墓喔攘坎拍苓_(dá)到目前的產(chǎn)量水平。地區(qū)總用水量從2000年的7.802×1010m3增長(zhǎng)到2020年的7.836×1010m3，增長(zhǎng)相對(duì)緩慢；而農(nóng)業(yè)用水量從2000年的5.354×1010m3下降到2020年的4.197×1010m3，降幅（21.6%）較為顯著。農(nóng)業(yè)用水量在總用水量中的比例從2000年的68.6%下降到2020年的53.6%，明顯低于全國(guó)平均值（62.1%），但地區(qū)分布差異很大。例如，北京市的農(nóng)業(yè)用水僅占總用水量的7.9%，而天津市、河北省、河南省、山東省、山西省的對(duì)應(yīng)占比分別為37.1%、58.9%、52.1%、60.2%、72.8%[7]。

華北地區(qū)在農(nóng)產(chǎn)品增產(chǎn)、生產(chǎn)方式更加集約的情況下實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)用水量及占總用水量比例的明顯下降，說(shuō)明農(nóng)業(yè)用水效率顯著提高。區(qū)域內(nèi)灌溉水有效利用系數(shù)從2000年的0.573提升至2020年的0.647，高于全國(guó)水平14.5%，其中天津市進(jìn)步顯著。2020年，天津市灌溉水有效利用系數(shù)為0.72，較2000年提高了22.6%；北京市為0.75（提高18.9%），河南省為0.617（提高16.5%），山東省為0.646（提高15.3%），河北省為0.675（提高9.50%）；華北地區(qū)糧食作物水分生產(chǎn)力從1.058 kg/m3提升到1.543 kg/m3，高于全國(guó)水平22.8%[8]。同期，華北地區(qū)各省份的畝均（1畝≈666.67 m2）灌溉量均有明顯下降，普遍比全國(guó)水平低50%以上；河北省畝均灌溉量從2000年的252 m3下降到2020年的157 m3（降低37.7%），河南省從197 m3下降到164 m3（降低16.7%），山東省從261 m3下降到160 m3（降低38.7%），北京市從290 m3下降到119 m3（降低34.1%），天津市從275 m3下降到230 m3（降低16.4%），山西省從270 m3下降到171 m3（降低36.7%）[7]。

華北地區(qū)2000—2020年的多年平均降水量為4.213×1011m3（折合水深606 mm），其中形成地表水資源量為5.935×1010m3，形成地下水資源量5.841×1011m3，相應(yīng)的水資源總量為9.467×1011m3；多年平均用水總量為7.666×1010m3，其中工業(yè)用水量為1.262×1010m3（占比為16.5%），城鎮(zhèn)生活用水量為1.242×1010m3（占比為16.2%），農(nóng)業(yè)用水量為4.846×1010m3（占比為63.2%）[7]。同期，華北地區(qū)農(nóng)田平均年耗水量為706 mm。從水平衡角度（耗水量減去降水量）看，近20年的年均農(nóng)田水分虧缺100 mm，折合農(nóng)田虧缺水量為2.43×1010m3。（說(shuō)明：根據(jù)作物虧缺需水得到滿足后實(shí)際蒸散的水分，除以20年來(lái)平均灌溉水有效利用系數(shù)0.614即得20年的平均灌溉水量為3.96×1010m3，與華北地區(qū)20年的平均農(nóng)田實(shí)灌量（4.36×1010m3）的誤差小于10%；文中計(jì)算結(jié)果經(jīng)由水平衡方程驗(yàn)證，與水資源公報(bào)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致）。

根據(jù)華北地區(qū)近20年來(lái)的農(nóng)田灌溉耗水、降水耗水特征[1]，結(jié)合近20年來(lái)地區(qū)糧食平均水分生產(chǎn)力（噸糧耗水763 m3）、平均糧食總產(chǎn)（1.438×108t）[8]可測(cè)算，華北地區(qū)年均農(nóng)田耗水為1.097×1011m3，其中源于灌溉水3.78×1010m3、源于降水7.19×1010m3。近20年來(lái)，華北地區(qū)地下供水在總供水中的平均占比為56%；因灌溉需求時(shí)空分布與地表水源不匹配，農(nóng)田灌溉中源于地下水的比例高于56%。測(cè)算結(jié)果表明，華北地區(qū)近20年來(lái)的年平均抽取地下水灌溉量為3.489×1010m3，在多年平均地下水資源量中的占比達(dá)到59.7%；客觀而言，這一比例是明顯偏高的。

（三）農(nóng)業(yè)水土資源匹配失衡，農(nóng)業(yè)產(chǎn)出與水資源承載力矛盾突出

華北地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源高度不匹配。對(duì)于單位耕地面積占有的水資源量，2000年為208 m3/畝（為全國(guó)水平的16.7%），2018年為253 m3/畝（為全國(guó)水平的18.6%）；表觀上看略有增加，但因兩個(gè)年份均為豐水年且耕地面積略有減少，使得相關(guān)變動(dòng)不具有統(tǒng)計(jì)顯著性。從國(guó)土空間分布看，河北?。槿珖?guó)平均水平的12.4%）、山西?。?4.8%）最為失衡，天津市（19.8%）、河南?。?0.6%）、山東?。?2.2%）均在全國(guó)水平的20%附近；僅有北京市接近全國(guó)水平（81.6%），但這與其近年來(lái)產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整引起的耕地?cái)?shù)量減少有關(guān)。從水土匹配的時(shí)間變化看，天津市農(nóng)業(yè)水土資源的不匹配狀態(tài)加重，而其他各省份的農(nóng)業(yè)水土匹配趨向均衡化；天津市和河北省嚴(yán)重缺水、山西省中度缺水的基本態(tài)勢(shì)未發(fā)生改變。在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的背景下，水土資源高度不匹配的態(tài)勢(shì)很難在短期內(nèi)得以扭轉(zhuǎn)，這是華北地區(qū)食物安全必須面對(duì)的重大挑戰(zhàn)。

華北地區(qū)是我國(guó)糧食和食物安全的重要保障區(qū)，但其農(nóng)業(yè)成就是在水資源嚴(yán)重短缺條件下取得的，人均水資源量、水土資源配置比例均顯著低于全國(guó)平均水平；因氣候干旱導(dǎo)致水資源量減少、工業(yè)城市發(fā)展對(duì)水資源需求量增加等因素的共同作用，區(qū)域內(nèi)的農(nóng)業(yè)用水總量逐年減少。然而，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件改善，作物產(chǎn)量穩(wěn)步提高，如作為小麥和玉米主產(chǎn)省份的河北、河南、山東等地，近30年來(lái)的糧食總產(chǎn)量增加了5.85×107t，其中糧食單產(chǎn)的大幅增加是主導(dǎo)因素。在糧食單產(chǎn)方面，小麥增加了200.9 kg/畝（增幅為120%），玉米增加了179 kg/畝（增幅為90%），而作物耗水量并沒(méi)有隨著糧食單產(chǎn)增加而明顯增長(zhǎng)。可以認(rèn)為，農(nóng)業(yè)總用水量降低條件下農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的不斷增加，主要得益于農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施條件改善。也要注意到，在未來(lái)華北地區(qū)氣候變干變暖的趨勢(shì)下，農(nóng)業(yè)能否持續(xù)承載這樣的生產(chǎn)規(guī)模是難以回避的重大問(wèn)題。

除了滿足區(qū)域內(nèi)的食物熱量需求，華北地區(qū)農(nóng)業(yè)還肩負(fù)著全國(guó)糧食和食物安全的重任。華北地區(qū)在1998—2018年食物熱量供給充足，自給率不斷上升；但食物消費(fèi)的剛性增長(zhǎng)與資源環(huán)境硬約束并存，在供給能力提升的同時(shí)，耕地資源和水資源必然面臨考驗(yàn)，尤其是北京市、天津市、山西省的熱量供需虧缺嚴(yán)重。在不加重水土資源負(fù)荷的前提下穩(wěn)定保持河南省、山東省、河北省等糧食主產(chǎn)區(qū)的生產(chǎn)能力，“適水”發(fā)展是根本出路。

根據(jù)華北地區(qū)水土資源承載力評(píng)價(jià)研究結(jié)果，北京市的農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)、污水處理率、農(nóng)業(yè)用水比例及墾殖率均處于I等級(jí)，這是北京市農(nóng)業(yè)水土資源可承載力較高的主要原因。然而，北京市人口密度高、城市化水平高、第一產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)率低等因素限制了農(nóng)業(yè)的發(fā)展規(guī)模；農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿τ写嵘?，通過(guò)提升農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力應(yīng)用水平方式來(lái)提高糧食產(chǎn)量，會(huì)使農(nóng)業(yè)水土資源承載力更佳。天津市作為北方大城市，和北京市一樣具有人口密度大、城市化水平高、第一產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)率低的特征，農(nóng)業(yè)不是主要發(fā)展行業(yè)；地區(qū)水質(zhì)較差（水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率、污水處理率均處于IV等級(jí)）也是水土資源承載力較低的主要原因。

河北省面積較大，人口密度相比京津兩市也較低，相應(yīng)地農(nóng)業(yè)占比稍高一些，第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)貢獻(xiàn)率為9.27%；農(nóng)業(yè)機(jī)械化較為發(fā)達(dá)，單位面積耕地的用電量、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力均處于I等級(jí)。造成河北省水土資源承載力不高的主要因素為水質(zhì)偏低（主要為劣質(zhì)水），如黑龍港地區(qū)淺層咸水量大（2～5 g/L微咸水年可利用量約為2.2×109m3）而污水量較小。河北省的水功能區(qū)達(dá)標(biāo)率、污水處理率、萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）產(chǎn)污量及化學(xué)需氧量等均處于IV～V等級(jí)，亟待改善。應(yīng)高度重視本地區(qū)的水質(zhì)問(wèn)題，以提高污水處理率、減少污水排放等措施來(lái)優(yōu)化水土資源承載力。

山西省農(nóng)業(yè)水土資源承載力在華北地區(qū)居后（僅為0.362），處于超載狀態(tài)。究其原因，農(nóng)業(yè)水土資源匹配系數(shù)較低、農(nóng)業(yè)萬(wàn)元GDP耗水量較高、農(nóng)業(yè)用水比例較高、農(nóng)田有效灌溉比率較低、單位面積耕地用電量及農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力較低是主要因素。這些指標(biāo)等級(jí)也反映出了山西省農(nóng)業(yè)發(fā)展較為滯后，農(nóng)業(yè)水資源利用效率低造成了農(nóng)業(yè)水資源浪費(fèi)。需要推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，促進(jìn)節(jié)水事業(yè)發(fā)展，才能實(shí)質(zhì)性改善山西省的水土資源承載力。河南省和山東省處于水土資源承載的臨界狀態(tài)，主要是因?yàn)楫?dāng)?shù)貕ㄖ陈屎娃r(nóng)業(yè)用水比例較高，如河南省墾殖率為48.58%、山東省墾殖率為48.07%。此外，林草覆蓋率較低也是影響山東省水土資源承載力的原因之一。

三、水土資源約束下的華北地區(qū)農(nóng)業(yè)種植國(guó)土空間優(yōu)化配置

（一）華北地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)

農(nóng)業(yè)水資源承載力主要體現(xiàn)在兩方面：農(nóng)業(yè)可利用水資源對(duì)耕地有效灌溉面積的承載能力；農(nóng)業(yè)可利用水資源灌溉生產(chǎn)的糧食對(duì)流域人口的承載能力。河北省、山東省、河南省、山西省是全國(guó)糧食增長(zhǎng)的核心區(qū)域之一，影響區(qū)域糧食生產(chǎn)的主要制約因素在于地表水開發(fā)潛力小、地下水超采嚴(yán)重、供水明顯不足。采用多類方案，建立了“承載灌溉面積”“承載糧食生產(chǎn)”“承載人口規(guī)模”計(jì)算模型；考慮節(jié)水、氣候、技術(shù)等動(dòng)態(tài)變化因素，討論了多年平均來(lái)水條件下華北地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源承載能力。

首先，分析了區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)可利用的灌溉水資源量。華北地區(qū)生產(chǎn)發(fā)達(dá)、人口稠密，不同行業(yè)用水競(jìng)爭(zhēng)激烈，經(jīng)濟(jì)社會(huì)需水模數(shù)較大，而水資源衰減問(wèn)題相對(duì)嚴(yán)重，水資源短缺、水生態(tài)退化、水環(huán)境污染現(xiàn)象較為突出。為了實(shí)現(xiàn)華北地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，需要建立水資源配置工程體系，綜合利用地表水、地下水、引黃水、南水北調(diào)水、非常規(guī)水。為此，選取2025年、2030年、2035年為預(yù)測(cè)年份，依據(jù)南水北調(diào)工程總體規(guī)劃及中/東線工程規(guī)劃、華北六省市水資源公報(bào)及規(guī)劃報(bào)告等數(shù)據(jù)源，預(yù)測(cè)了黃河水供水、長(zhǎng)江水供水、地表水及地下水供水情況；綜合考慮各省份相關(guān)行業(yè)部門規(guī)劃、技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性等制約因素，測(cè)算了華北地區(qū)非常規(guī)水源供水量；灌溉用水比例以2014—2018年各省份的灌溉用水比例變化趨勢(shì)為基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)下降5%～10%，由此推算出2025年、2030年、2035年各省份的灌溉用水比例，從而計(jì)算得出農(nóng)業(yè)灌溉可用水量。

其次，區(qū)域可承載的有效灌溉面積按灌溉供水量與畝均灌溉用水量之比來(lái)計(jì)算。推廣節(jié)水設(shè)施可減少農(nóng)業(yè)可利用灌溉水量，從而支持可承載有效灌溉面積的增加；根據(jù)節(jié)水面積的近10年變化情況來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)節(jié)水因子。氣候變暖、降水量減少等氣候因子將增大畝均灌溉水量，對(duì)有效灌溉面積造成不利影響。根據(jù)測(cè)算，華北六省市2025年、2030年、2035年灌溉用水量可承載的有效灌溉面積均比現(xiàn)狀年高。例如2025年，北京市可多承載7.42%～17.3%，天津市可多承載42.78%～97.54%，河北省可多承載29.11%～46.77%，河南省可多承載17.22%～28.82%，山東省可多承載17.92%～29.64%，山西省可多承載0.7%～16.23%；具體來(lái)看，北京市增幅較小是因?yàn)楣?jié)水設(shè)施已經(jīng)得到了普遍推廣（節(jié)水灌溉比率已接近1），河南省和山東省增幅較小是因?yàn)楫€均灌溉水量已達(dá)較好水平（難以進(jìn)一步降低）。2030年、2035年華北六省市隨著外來(lái)水量的不斷增加以及農(nóng)田水利設(shè)施的持續(xù)完善，由灌溉水量承載的有效灌溉面積均將進(jìn)一步增加。

第三，區(qū)域可承載的糧食產(chǎn)量按畝均糧食產(chǎn)量與種植面積之積計(jì)算，種植面積根據(jù)華北六省市的灌溉面積與種植面積關(guān)系計(jì)算得到。農(nóng)業(yè)機(jī)械耕作、節(jié)水灌溉、施肥等科技因子會(huì)提高糧食產(chǎn)量，根據(jù)近年的科技進(jìn)展以及文獻(xiàn)研究結(jié)果，預(yù)測(cè)未來(lái)年份的科技因子區(qū)間。相比現(xiàn)狀年的糧食產(chǎn)量，2025年北京市可多承載35.12%～49%，天津市可多承載59.21%～122.31%，河北省可多承載36.91%～57.1%，河南省可多承載20.93%～34.13%，山東省可多承載20.51%～33.76%，山西省可多承載6.87%～24.41%。

最后，區(qū)域可承載的人口規(guī)模按糧食總產(chǎn)量與人均糧食需求量之比計(jì)算。2025年、2030年、2035年，華北地區(qū)（除去北京市和天津市）人口在不同程度地高于現(xiàn)狀地區(qū)的實(shí)際人口規(guī)模，說(shuō)明不同省份之間存在糧食的調(diào)入/調(diào)出情況。這一結(jié)果對(duì)應(yīng)于已有文獻(xiàn)的研究結(jié)論：河北、河南、山東、山西四省為糧食輸出區(qū)、北京、天津兩市為糧食輸入?yún)^(qū)。

預(yù)測(cè)結(jié)果表明，2025年、2030年、2035年華北地區(qū)灌溉水量分別為5.675×1010m3、5.842×1010m3、5.818×1010m3，可支撐的灌溉面積分別為3.466億畝、3.618億畝、3.646億畝，可承載的糧食產(chǎn)量分別為2.273×1011kg、2.419×1011kg、2.487×1011kg，可承載的人口數(shù)量分別為5.88億人、6.26億人、6.44億人。

（二）華北地區(qū)“農(nóng)田水分失衡帶”的“適水種植”優(yōu)化方案

河南北部、山東西北部、河北平原構(gòu)成了華北地區(qū)“農(nóng)田水分失衡帶”。以地下水超采相對(duì)嚴(yán)重的河北平原為例，探討了“適水種植”優(yōu)化方案。

河北省的地下水超采區(qū)主要分布在河北平原，其中淺層地下水超采區(qū)分布在河北平原西部的太行山山前平原區(qū)（包括保定市、石家莊市、邢臺(tái)市、邯鄲市西部，張家口壩上的部分縣域），深層地下水超采區(qū)分布在黑龍港地區(qū)（以滄州市、衡水市、邢臺(tái)-邯鄲東部縣域?yàn)橹?，還有唐山南部縣域）。該地區(qū)冬小麥-夏玉米一年兩熟的種植制度主要靠抽取地下水進(jìn)行灌溉，尤其是冬小麥生育期的自然降水嚴(yán)重不足，需抽取大量地下水進(jìn)行灌溉以滿足冬小麥生長(zhǎng)需求。為了緩解地下水水位下降速率、維持地下水資源可持續(xù)開采，應(yīng)適時(shí)調(diào)整地下水超采區(qū)的冬小麥種植格局，也要考慮調(diào)整高耗水蔬菜的種植規(guī)模。為此，提出了兩類種植結(jié)構(gòu)調(diào)整模式以支持“節(jié)水壓采”：保持原有冬小麥-夏玉米體系不變，減少每年的冬小麥種植面積，實(shí)現(xiàn)季節(jié)性休耕；冬小麥采取“適應(yīng)降水種植”方式，根據(jù)水文年型的不同組合來(lái)預(yù)先確定冬小麥的種植規(guī)模。

在冬小麥生育期抽取地下水進(jìn)行灌溉是導(dǎo)致地下水位下降的主要原因，因而減少冬小麥種植面積成為減少灌溉耗水的直接途徑。以河北省地下水超采區(qū)灌溉節(jié)水50 m3/畝為基礎(chǔ)目標(biāo)，探討了不同水文年型時(shí)冬小麥需減少的種植比例（本研究基于降水與耗水的差值來(lái)計(jì)算灌溉耗水，豐水年降水多故單位灌溉耗水少；在同樣的灌溉節(jié)水目標(biāo)下，豐水年需要減少更多的冬小麥種植面積，而枯水年則相反）。由于降水是冬小麥生育期需水的唯一天然來(lái)源，為了充分利用降水資源、減少地下水抽取，“適應(yīng)降水種植”（主要指根據(jù)水文年型調(diào)整種植規(guī)模，后續(xù)還要考慮采用旱地小麥種植模式）的冬小麥種植模式應(yīng)成為當(dāng)前考慮的重點(diǎn)。為達(dá)到“枯水年少種，豐水年多種”的目標(biāo)，在以灌溉節(jié)水為度量時(shí)，應(yīng)充分考慮降水的年際變化、水文年型的分布，即“豐水年節(jié)水目標(biāo)低，枯水年節(jié)水目標(biāo)高，實(shí)現(xiàn)總體節(jié)水平衡”。此外，對(duì)于冬小麥生育期耗水，枯水年最高、豐水年最低，因而適應(yīng)降水的種植模式，應(yīng)盡量降低冬小麥生育期的耗水量。

基于以上分析，從降水的年際分布出發(fā)，進(jìn)一步討論水文年型與種植模式的所有組合中冬小麥灌溉耗水與節(jié)水的規(guī)律、冬小麥種植面積與灌溉定額以及灌溉節(jié)水目標(biāo)之間的關(guān)系，據(jù)此制定“適應(yīng)降水種植”的冬小麥種植模式。

（三）華北地區(qū)“適水種植制度”研究

綜合分析了過(guò)去30年來(lái)華北平原31種多樣化種植制度的“適水種植”效應(yīng)，通過(guò)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)明確了傳統(tǒng)冬小麥-夏玉米一年兩熟種植制度的優(yōu)化節(jié)水灌溉模式與節(jié)水潛力，探究了30種種植制度（含單作和輪作在雨養(yǎng)、灌溉等條件）的地下水消耗、產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益、水分利用效率等適應(yīng)性指標(biāo)。從華北地區(qū)的水土適配角度看，需統(tǒng)籌考慮光/熱/水資源稟賦，因地制宜發(fā)展多樣化的種植制度，確保華北地區(qū)水資源可持續(xù)利用與糧食生產(chǎn)雙重安全、農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的協(xié)調(diào)。

四、華北地區(qū)農(nóng)業(yè)種植布局的優(yōu)化舉措

（一）調(diào)整地區(qū)功能定位

針對(duì)華北地區(qū)的水資源現(xiàn)狀、未來(lái)氣候變化以及社會(huì)發(fā)展情景，需從國(guó)家全局層面開展華北地區(qū)糧食和食物安全地位的重新評(píng)估與定位調(diào)整；位于華北地下水超采區(qū)的京津冀、豫北、魯西北等尤為迫切。在滿足華北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化建設(shè)、居民生活需求，保障華北以及全國(guó)的糧食和食物安全的基礎(chǔ)上，在今后一段時(shí)期內(nèi)，可適度減輕華北地區(qū)商品糧和其他商品化農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)與供應(yīng)負(fù)擔(dān)。給予華北地區(qū)耕地、水資源、生態(tài)系統(tǒng)“休養(yǎng)生息”時(shí)間，支持未來(lái)華北以及全國(guó)糧食和食物安全的可持續(xù)性，最終實(shí)現(xiàn)適應(yīng)多重目標(biāo)、反映國(guó)際化和綠色化背景的華北地區(qū)水資源保障能力。

（二）加強(qiáng)水土適配

西部地區(qū)水資源開發(fā)利用程度高、東部地區(qū)土地資源開發(fā)利用程度高，“西北缺水、東南缺土”的水土資源整體格局反映了全國(guó)水土資源分布極不均衡的現(xiàn)狀。水資源短缺是造成華北地區(qū)水土匹配現(xiàn)狀的關(guān)鍵因素，改善農(nóng)業(yè)水土資源的匹配性是提高華北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綜合效益的有效途徑。對(duì)于農(nóng)業(yè)用水量比例遠(yuǎn)高于其耕地面積比例的北京市和天津市、略高于耕地面積比例的山東省和河北省，應(yīng)采取積極措施以調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)，改種低耗水作物或擴(kuò)大節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用，嚴(yán)格落實(shí)水資源管理制度，守住水資源紅線和耕地面積紅線。

（三）提升資源承載力

華北地區(qū)的水土資源承載力存在明顯的時(shí)空差異性，各省份的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展水平受到約束。在考慮節(jié)水、氣候變化、農(nóng)業(yè)科技等方面動(dòng)態(tài)演進(jìn)的條件下，基于華北地區(qū)未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果，明確各省份提升水土資源承載力的途徑為：天津市以提高水質(zhì)為主要改善舉措，河北省在改善水質(zhì)的同時(shí)可通過(guò)調(diào)水等方式緩解水資源短缺局面，山西省宜大力推廣農(nóng)業(yè)機(jī)械化、農(nóng)業(yè)節(jié)水普及化并據(jù)此提高農(nóng)業(yè)用水效率、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，山東省和河南省需進(jìn)行適度休耕（以減少耕地面積）并提升林草覆蓋率。

（四）優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植空間布局

在綜合考慮水文年型、地下水采補(bǔ)平衡、灌溉節(jié)水目標(biāo)、糧食和食物及營(yíng)養(yǎng)熱量安全等多重目標(biāo)的基礎(chǔ)上，華北地區(qū)抓緊調(diào)整種植業(yè)生產(chǎn)的國(guó)土空間布局，實(shí)質(zhì)性落實(shí)“以水定地”。在華北地下水深層超采區(qū)，采取科學(xué)方法和堅(jiān)決措施，優(yōu)化以冬小麥（降水與需水不匹配型）、蔬菜（高耗水型）為代表的灌溉水需求“大戶”的種植空間布局，“該減則減”；而因壓減造成的產(chǎn)能下降，可考慮在地區(qū)內(nèi)甚至全國(guó)范圍進(jìn)行補(bǔ)償及平衡。具體而言，深層地下水超采嚴(yán)重的河北平原東南部（滄州市、衡水市、邢臺(tái)-邯鄲東部縣域）和天津市，淺層地下水超采區(qū)（太行山山前平原、豫北、魯西北），需要因地制宜，嚴(yán)格按照當(dāng)?shù)氐乃Y源、人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)承載量，科學(xué)規(guī)劃并合理配置農(nóng)業(yè)及種植業(yè)水資源；發(fā)展“適應(yīng)降水”的半旱地種植制度和結(jié)構(gòu)，根據(jù)地下水回補(bǔ)上升的速率決定“休養(yǎng)生息”時(shí)段的長(zhǎng)短。

（五）適水調(diào)整種植結(jié)構(gòu)

在華北地區(qū)，對(duì)于嚴(yán)重地下水超采區(qū)，應(yīng)適度降低高耗水作物的種植規(guī)模，合理增加休耕比例，嘗試單作、冬小麥-夏玉米復(fù)種的季節(jié)性休耕、雨養(yǎng)種植模式。對(duì)于中度地下水超采區(qū)，可發(fā)展經(jīng)濟(jì)作物的糧食基多樣化輪作模式（1.25≤復(fù)種指數(shù)≤1.67），以此增加休耕比例、降低耗水并提高經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于糧食功能區(qū)，建議保留冬小麥-夏玉米種植模式，推廣配套的綜合節(jié)水技術(shù)應(yīng)用，如“麥2玉1”的優(yōu)化灌溉制度、貯墑旱作提高土壤水分利用效率等農(nóng)藝節(jié)水措施，滴灌/微噴灌等水肥一體化的工程節(jié)水技術(shù)，節(jié)水抗旱品種的生物節(jié)水技術(shù)等；還需配套一定的節(jié)水管理政策。

五、結(jié)語(yǔ)

華北地區(qū)是全國(guó)糧食和食物安全的關(guān)鍵區(qū)域，盡管近20年來(lái)降水條件相比過(guò)去30年（1980—2010年）的平均情況已有好轉(zhuǎn)，但與前一個(gè)氣候時(shí)間段（1970—2000年）相比，降水和水資源仍整體減少，地下水超采嚴(yán)重，因而壓減地下水開采仍是今后的艱巨任務(wù)。本研究提出了適應(yīng)水土資源條件的華北地區(qū)農(nóng)業(yè)布局可持續(xù)發(fā)展構(gòu)思：抓住一條主線（適水發(fā)展）、依靠?jī)蓚€(gè)落實(shí)（以水定產(chǎn)、以水定地），突出四大重點(diǎn)（增強(qiáng)水土適配、提升資源承載力、優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局、適水調(diào)整種植結(jié)構(gòu)）。在充分考慮氣候變化、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)上，運(yùn)用“水文年型-種植結(jié)構(gòu)-節(jié)水灌溉”目標(biāo)組合，力求發(fā)揮“節(jié)水保產(chǎn)、節(jié)水穩(wěn)產(chǎn)”效應(yīng)，盡可能壓低菜果生產(chǎn)中的地下水開采需求，追求“節(jié)水”“糧豐”雙贏。相關(guān)研究結(jié)果豐富了已有研究結(jié)論[9～13]，為解決華北地區(qū)糧食安全用水問(wèn)題提供了路徑依據(jù)。

確保華北地區(qū)未來(lái)糧食和食物安全的生產(chǎn)用水，還需考慮劃定“農(nóng)業(yè)用水安全紅線”，具體包括農(nóng)業(yè)用水總量紅線、灌溉水有效利用系數(shù)紅線、耗水總量紅線、單位耗水紅線四方面。未來(lái)，華北地區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源匹配、糧食和食物安全都需在上述水資源與農(nóng)業(yè)用水歷程的基礎(chǔ)上加強(qiáng)水土資源適配性。