本文選自中國工程院院刊《中國工程科學》2023年第4期
作者：趙英，王海霞，王毅，牛忠恩，胡秋麗，趙芬，索立柱，徐征和，陳小兵
黃河流域農業水資源高效利用與優化配置研究[J].中國工程科學,2023,25(4):158-168.
編者按
水資源是基本的自然資源、戰略性的經濟資源，對于黃河流域而言更是攸關上、中、下遊農業高品質發展與生态保護的核心要素；在實施“黃河流域生态保護和高品質發展”國家戰略的背景下，提高水資源利用效率并優化配置設定具有重要意義。
中國工程院院刊《中國工程科學》2023年第4期刊發魯東大學資源與環境工程學院趙英教授研究團隊的《黃河流域農業水資源高效利用與優化配置研究》一文。文章圍繞黃河流域農田水分高效利用和可持續發展，遵循流域系統水文學研究方法和大食物觀理念，立足農業高品質發展過程中水資源優化配置的理論與技術，探讨了農田水文過程的機理及用水效率提升、農業與生态的水資源優化配置、水 –糧食 – 生态協同優化、農業資訊化體系建設等方面的發展挑戰與應對政策，以期為黃河流域生态保護和高品質發展研究提供參考。
一、前言
水資源既是基本的自然資源，也是戰略性的經濟資源，缺乏水資源或其不合理配置設定将導緻潛在的生态、社會、經濟等問題。随着全球氣候變化、人類活動影響的加劇，農業水資源利用與生态環境保護之間的沖突更為尖銳，使得流域水資源管理中水資源優化配置的作用進一步凸顯。開展全流域水資源系統各要素的綜合研究、水資源高效利用與生态環境保護的深入剖析，有助于實作水資源的合理配置，解決流域不同區域、不同生态保護水準條件下的農業用水需求和用水效率問題。
黃河流域既是大陸關鍵的生态屏障，又是糧食生産核心區、保障糧食安全的重點區域，相應生态保護和農業開發都具有戰略意義。黃河流域年平均降水量僅為447 mm，明顯低于全國平均水準（628 mm）。黃河流域農業用水占全流域用水超過70%，在很大程度上擠占了生态用水空間，生産與生态之間的用水沖突尖銳；在有限水資源的條件下，實作黃河流域全域國土空間下的糧食安全、生态環境保護雙重目标，具有挑戰性。從20世紀末開始，大陸食物消費需求從“吃得飽”向“吃得好”階段快速轉變，食物結構發生了顯著變化。近年來，樹立大食物觀、建構多元化食物供給體系成為國家要求。是以，研究關注點需要從過去黃河流域農區耕地的正常農業，轉向基于整個黃河流域空間來發展“農林牧副漁”的大農業，進一步厘清黃河流域上、中、下遊之間以水為紐帶關系的系統性問題；審視農業、自然資源、生态保護各部門政策的一緻性，在大食物觀視角下建立多元化的食物生産體系，以期充分發揮政策的協同效應，提升黃河流域以水資源為紐帶關系的協同管理水準，在全球綜合應對氣候、糧食安全、自然生态系統保護等多個議題層面提供中國方案。
黃河流域生态保護、高品質發展戰略都強調“以水定城、以水定地、以水定人、以水定産”原則。着力推進生态環境保護治理，加快建設國土空間保護利用新格局，凸顯了黃河流域水資源優化管理的重要性和緊迫性。目前，針對黃河流域水資源優化配置、生态環境保護，在區域尺度上進行了深入研究，但從全流域尺度探讨“水資源 – 農業生産 – 生态環境”耦合系統的協調、優化與綜合管理的研究甚少，導緻黃河流域協調農業生産和生态保護的系統方案建構面臨支撐不足的情況。針對于此，文章采用系統、産業和生态思維，面向黃河流域農田水分高效利用和可持續發展，以水為中心并從全流域視角出發，探讨黃河全流域農業水資源高效利用與優化配置涉及的關鍵問題和技術方法，以期為黃河流域生态保護和高品質發展研究提供參考。
二、黃河流域農業水資源研究的需求和意義
（一）水資源短缺背景下的糧食安全方略
糧食安全作為國家三大基礎安全之一，一直是經濟增長和社會穩定的基礎領域，疊加積極應對全球挑戰的需要，其重要性日益凸顯。目前，大陸農業仍然存在人均占有低、總産增長率低、種糧效益低、糧食品質低的問題，導緻糧食安全形勢不容樂觀。在黃河流域，推進高品質發展意味着在壯大經濟規模的同時，必須更加注重提高品質和效益。盡管黃河流域擁有良好的光熱條件，但大部分地區屬于幹旱 / 半幹旱區，水資源條件有限，農業生産受到水資源的嚴格限制。為了保障糧食安全、提升沿黃流域的農村治理能力，亟待優化全流域水資源配置，提高水土資源的有效使用率（見圖1）。
圖1 國土空間格局與水土資源配置示意圖
（二）生态文明建設下的水資源空間優化
自20世紀下半葉以來，水資源短缺導緻的生産、生活、生态問題趨于嚴重，世界上部分地區甚至由此導緻了嚴重沖突，引起各國政府的高度關注。在大陸，黃河流域穿越9個省份，盡管不存在跨境水資源利用争端，但各地經濟社會發展水準有差異，對水資源開發和利用的訴求不一緻。部分地區水資源的大規模開發加重了地表植被、水資源數量與品質（如水污染）、生态環境等方面的問題，已超過流域的生态承載力，制約了生态文明建設的程序。黃河水量少、含沙量高，水沙關系失衡，導緻水旱災害頻發、水污染等嚴重的生态問題，使得黃河治理面臨長期、複雜和艱巨挑戰。目前，國家提出了“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水方針，因而強化黃河流域的“生态保護大局、統籌管理”的戰略思維至關重要（見圖1）。
（三）氣候變化影響下的水資源預測和優化管理
農業生産和生态環境受氣候變化的作用日益顯著，需要在流域水資源管理中充分考慮氣候變化帶來的影響。氣候變化導緻農業生産不穩定性增加，而對于不同氣候變化情景下的農業生産和流域水資源趨勢的預測能力仍顯薄弱。目前，黃河流域徑流量、泥沙量均大幅減少，但此變化在多大程度上受氣候變化的影響尚不明确。此外，大規模流域的農業水資源預測、決策管理工具等也顯缺乏，迫切需要研究黃河流域氣候智能型的水資源管理方案，支援提升流域農業生産應對全球氣候變化的能力。
（四）大食物觀理念下的适水農業發展新思路
黃河水資源總量受限，因而合理配置設定水資源、發展适水農業尤為關鍵。黃河上、中遊地區的耕地占比較高，但農業水資源非常有限且用水效率不高，耕地與水資源的時空比對沖突日益凸顯。黃河流域水資源短缺以及地區灌溉用水增長帶來的生态環境問題突出，特别是包括河套灌區等大型灌區在内的耕地次生鹽堿化的防治與鹽堿荒地的耕地化改造難度較大，迫切需要農業适水發展并突破高效利用農業水資源的核心技術。基于大食物觀理念，開展流域尺度上水資源、糧食、生态的協同優化，研究節水、減污、提質兼顧的農業管理方法，提出适水産業規模和布局方案，“宜農則農、宜牧則牧”，是黃河流域适水農業發展的新思路。
三、黃河流域上、中、下遊生态保護和農業水資源利用的現狀及不足
（一）上遊：生态系統功能和水源涵養能力降低，亟需發展節水灌溉農業
黃河源頭地區是黃河流域的“水塔”、最關鍵的水源和産流區，對整個流域的水資源、糧食産量、生态環境具有決定性作用。自1951年起，黃河源區經曆了顯著的氣候變暖和濕潤化過程，導緻冰川和積雪加速融化、凍土層逐漸消退。然而，這種濕潤化能否轉化為有效的水資源，尤其是在長時間尺度上的成效仍需進一步研究。一般來說，盡管冰川和積雪融化在一定時期内增加徑流，但會增加損耗；随着氣溫上升，凍土層下降、不飽和土層變厚，導緻産流量減少。目前，黃河源區的天然河川徑流量已呈下降趨勢，而草地退化進一步削弱了該區域的水分涵養能力。因而迫切需要探究草地植被與寒區冷生土壤水文之間的互相作用，确定草地的需水量，明確定障黃河水源涵養需求的草地恢複門檻值。
黃河上遊雖是河流源區，但降水量有限，而居民和農田多集中于河流周圍并以河水為主要水源；黃河水大部分用于灌溉，由此發展出了特色“綠洲農業”。近40年來，伴随着大面積農田的開發，灌溉用水需求不斷增加。目前，農田灌溉計劃主要根據耕作經驗和水資源可及性進行安排，水分利用效率低，深層滲漏比例大，次生鹽堿化加劇，農田排水對尾闾濕地的影響變大。整體上，該地區灌溉農業應調整為節水農業，推行節水灌溉技術、實施計劃用水、實行按方收費制度是緩解該地區水資源短缺并實作農業可持續發展的必需。
（二）中遊：植被恢複導緻土壤儲水下降，亟需發展高效旱作農業
黃河中遊是黃河流域水沙環境變化調控的“樞紐”、進行水資源優化配置的關鍵區域。黃河90%的泥沙來自黃土高原土壤侵蝕，曆史上的坡耕地行為加劇了水土流失，造成根層厚度減少、土壤蓄水能力下降。20世紀90年代末實施了包括“退耕還林（草）工程”在内的一系列大型造林活動，顯著提高了區域的植被覆寫率，有效遏制了水土流失，但也造成土壤幹燥化，特别是深層土壤儲水下降、地下水補給減弱，可能對區域水循環和氣候産生強烈的回報作用。該地區的植樹造林已接近水分承載力上限，進一步擴大造林面積将加劇土壤水分耗散、水資源短缺等問題。為此，确定植被生産的區域承載力是該地區生态系統恢複措施可持續的前提，亟需明确退耕還林（草）後生态 – 水文 – 土壤過程耦合作用及其産水、産沙機制，界定不同地貌類型區的生态水文門檻值，提出生态建設格局優化方案。
黃河中遊也是大陸的重要旱作農耕區。長期以來，該地區發展了許多節水抗旱保墒的覆寫栽培措施，如集水農業工程、結合滴灌、地膜覆寫集水增溫保墒等技術；也有衆多研究分析了黃土旱塬區不同覆寫模式下的水分高效利用潛力，評價了适合該地區的水土資源調配及合理利用途徑。面向未來，确定氣候和土地利用在土壤水準衡中的主導地位，對于制定本地區農業水資源管理政策至關重要。研究表明，實際蒸散量的變化主要受降水、溫度的影響，但地下水補給量的變化主要受農田向林地轉化的控制。為此，制定平衡的農林業生态系統、維持水資源可持續性，是未來本地區合理土地利用的重要考慮因素。
（三）下遊：河道生态系統持續保護，亟需進行多水源關聯的鹽堿農業高效發展
黃河最下遊的三角洲地區，既擁有大陸暖溫帶最為完整的濕地生态系統，又有超過5×105 hm2的鹽堿地後備耕地資源，是探索區域農業結構轉型更新、生态健康發展共赢的良好區域。建設黃河下遊綠色生态走廊，加大濕地生态系統保護，促進河道生态功能提升和入海口生态環境改善，是該地區的發展重點。目前，編制黃河三角洲濕地保護修複規劃并建設黃河口國家公園是重要舉措。精準确定濕地生态需水量是濕地水文恢複與水資源調配的前提及基礎，但缺少對濕地水文和濕地生态過程之間關系的深入了解、對濕地未來演變動态的準确預測；亟需建構具有實體過程機制的濕地生态水文模型，确定濕地保護與恢複所需的适宜生态水資源及其門檻值。
與大陸其他區域的鹽堿地相比，黃河三角洲鹽堿地受海水頂托浸潤作用明顯，地下水埋深淺且礦化度高，土壤鹽堿化嚴重且分布廣。是以，地下水管控是黃河三角洲鹽堿農業發展的關鍵因素。厘清農業生态系統和地下水文過程的互饋機制，研發基于控制性灌排工程的地下水優化調控關鍵技術，可為黃河三角洲鹽漬土改良、農業高品質發展提供理論和工程依托。可以新定義“地下水效益區間”——将地下水位調控在臨界地下水位以下、地下水産量補貼邊界（即最佳地下水位附近）兩者重疊的區間，以此作為地下水調控的理論标準。随着區域内農業種植面積的擴大，淡水資源供給更顯不足，農業用水開始轉向利用淺層地下鹹水、鹹淡水結合灌溉。高效合理地“開源節流”，對于緩解淡水資源短缺十分必要，需要探讨多水源關聯的高效利用機制，發展适合該區域的節水灌溉技術并優化相應種植結構。
（四）黃河流域上、中、下遊關聯
黃河流域跨越大陸東部、中部、西部的三大氣候帶，具有複雜的自然環境和獨特的河流特征，在治理和保護政策上需要全面規劃、統籌協調、綜合實施。在通常情況下，流域上、下遊的水文循環主要取決于中遊的可持續發展及其與上、下遊生态系統健康之間的平衡。在黃河上中遊地區，農業與生态用水之間的沖突尤為突出，導緻土壤幹燥化、地下水位下降、土壤次生鹽堿化、非點源污染等嚴重問題，對下遊地區的生态和農業發展也産生了不利影響。然而，在黃河流域生态保護和高品質發展方面，針對全流域的系統研究還較少，加之黃河水沙問題仍然突出，迫切需要協調上、中、下遊的差異性，充分認識到流域功能的整體性、系統性、綜合性。
全流域系統水文學是水文學的一個分支，主要研究全流域範圍内的水文過程和水資源管理，綜合考慮水的循環、水量與水質變化、人類活動對水資源的影響等因素。通過全流域水文過程研究，能夠更好地管理和利用水資源，促進水環境保護并減少水災害風險。近年來，随着水科學研究的不斷深入，關注重點轉向以地球關鍵帶為單元的生态 ‒ 水文過程，為流域環境綜合管理确立基礎。地球關鍵帶拓展了生态系統與水文過程的研究範疇，強化了土壤水文過程在陸地表層系統剖面、坡面、流域等多尺度物質運移及循環中的重要作用。例如，在分析自然 – 社會二進制水循環與流域生态保護關系的基礎上，針對黃河流域生态本底及特征，分别從空間格局、時間過程上提出了維護黃河流域生态系統完整性的主要原則。未來應以黃河上、中、下遊的典型農業區（如河套灌區、黃土高原旱作區、華北平原農作區、黃河下遊及三角洲地區）為關鍵區域，圍繞限制不同區域農田的水分高效利用問題，開展系統整合分析；明确不同區域農田的主導水文過程與調控方案，為黃河流域不同地區農業節水、作物優質高産、生态保育、水資源優化配置提供科學依據及技術保障；探索黃河流域節餘水權的市場配置機制，在保證不突破黃河流域水資源剛性限制紅線的前提下，通過市場調節方式促進水資源向高效益農業利用的地區轉移，進而以水資源利用效益及效率的提高來實作流域尺度上的水資源節約與集約利用。
四、黃河流域農業水資源配置的關鍵問題
（一）如何進一步提升黃河流域農田用水效率
水資源不足是制約黃河流域農業可持續發展的瓶頸因素，實作地區農業水資源高效利用是首要任務。在大陸，無論是旱作農業區還是灌溉農業區，水資源使用率、水分生産效率都明顯低于農業發達國家，主要糧食作物平均水分生産力實際值與理論值也有很大距離，說明開發潛力很大。黃河流域的農田經過了上千年的改造，特别是較為成熟的農藝和工程措施的應用，已經極大提高了水分生産力；但上遊、中遊、下遊主要作物耗水過程的系統比較分析缺失，限制了區域之間水資源調配、節水技術的推廣潛力，不利于用水效率提升。黃河流域上、中、下遊地區典型農業的作物種植與管理，如黃土高原地膜覆寫、起壟耕作、梯田工程措施對提高作物水分使用率産生顯著影響，但對根區水分傳輸機理的研究不夠深入。在氣候暖幹化、徑流急劇減少、人類用水不斷增加的背景下，亟需厘清黃河流域農田用水效率提升的作用機理，精準實施全流域、全過程、全行業節水。
（二）如何改進黃河流域水 – 糧食 – 生态協同優化技術
水土資源的合理組合對作物生産起到決定性作用，然而過去的研究更多關注總量關系，較少關注結合土地資源特性進行的時空優化配置（見圖1）。黃河流域特色農業發展亟需相應的土地利用理論和技術。水 ‒ 糧食 ‒ 生态關系錯綜複雜，探究其互動機制和協同優化是關鍵内容。目前研究集中在糧食生産的水資源安全保障、以水資源承載能力為限制的配置方案等方面，而整體協同優化仍處于概念階段。需要研究不同土地利用類型對綠水和藍水入滲、滲漏及蒸發的影響，提高綠水和藍水的綜合使用率；通過實時調配藍水并有效儲存綠水，滿足作物需水量。進一步，開發水 ‒ 糧食 ‒ 生态關系分析模拟模型，根據不同區域的水碳足迹分析結果，評估黃河流域各區域水 ‒ 糧食 ‒ 生态的适應性與風險水準。在變化的環境下，研發水資源配置方案和技術，制定水 ‒ 糧食 ‒ 生态協同安全保障政策、空間布局和調控措施，将黃河流域産業發展、循環經濟、可持續發展等目标有機結合。此外，可評估不同配置方案的水足迹，從虛拟水流動角度開展流域水 ‒ 糧食 ‒ 生态的協同優化，提出适應黃河流域氣候的智慧型農業水資源可持續管理政策（見圖2）。
圖2 水 – 糧食 – 生态紐帶關系示意圖
（三）如何建構黃河流域水資源立體監測體系
黃河流域具有廣泛的生态脆弱區域、豐富的脆弱生态類型。目前，需要深入研究黃河水沙關系長期演變趨勢及其對生态環境的影響，提高黃河流域水利工程聯合排程平台的能力，推動上、中、下遊地區防洪抗旱協同應對。例如，自2002年流域尺度水沙調節計劃實施以來，約有28%的河流徑流、57%的泥沙通過小浪底水庫的控釋而快速排放，導緻黃河三角洲的形态與景觀格局發生了明顯變化；然而由于缺乏長期監測資料和系統性實驗，黃河三角洲濕地生态對水沙排放模式的動态響應沒有得到充分研究，黃河流域水資源配置與水沙調控措施對水沙時空變化、區域生态環境的影響并不清楚。又如，盡管黃土高原植樹造林工程使區域環境得到改善、泥沙徑流明顯減小，但也導緻黃河下遊泥沙補給不足，在局部已呈現為淨侵蝕，黃河三角洲面積有所縮小（見圖3）。為量化這種人類活動導緻的水沙環境變化，需要提高黃河流域水資源監控能力，建立基于“天 ‒ 空 ‒ 地”多時空尺度、“水 ‒ 土 ‒ 氣 ‒ 生”綜合觀測協同的黃河流域網絡監測體系，實作資料融合共享；為水資源在流域尺度上的調整及優化提供基礎資料支援，指導精準農業生産、态勢感覺、預警預測、輔助決策，推動黃河流域智慧農業建設。
圖3 黃河流域水沙關系變化示意圖
（四）如何完善變化環境下的黃河流域水量配置設定方案
跨界河流分水問題事關河流健康，“人、地、水”關系，區域協調發展甚至社會穩定。1987年頒布的分水方案仍是目前黃河沿岸各省份耗水量名額的依據，在曆史上為黃河流域有序用水發揮了重要作用。然而，近年來黃河水沙條件，水資源禀賦，流域供用水背景，上、中、下遊社會經濟發展格局變化很大，如南水北調東中線一期工程已經投入運作、沿海地區海水利用規模擴大等。目前，氣候變化明顯、水資源短缺、極端氣候頻繁，需要建構黃河流域分布式生态 ‒ 水文 ‒ 泥沙耦合模型，預估未來氣候和土地利用情境下的黃河流域水文與泥沙變化過程以及時空變化趨勢，進而輔助決策水量配置設定優化方案與管理模式，確定“大穩定、小調整”。例如，可利用區域氣候模式、降尺度方法，研究黃河上、中、下遊地區近百年的氣候變化趨勢，結合野外人工氣候場，模拟不同降雨和氣溫情景下的農業水文過程，建立氣候變化對區域作物用水與産量影響的預測方法及模型，預測未來氣候變化情景下作物需水量和作物産量的變化規律；有助于遴選基于全流域農業可持續發展和生态保育多目标的水資源區域聯調方案，全面揭示變化背景下黃河流域“人地水”耦合控制機理。
五、黃河流域農業水資源持續利用的重點舉措
（一）作物高效用水與土壤水鹽過程調控技術
從産業發展、新舊動能轉換的角度看，推動節水産業和技術發展以確定水資源安全，具有明顯的時代價值。目前，不同區域農業節水技術手段既有一緻性又有差異性，不同領域、學科之間也是共識與分歧并存。以地下水資源保護為例：① 黃河上、中遊采用的節水技術導緻了地下水位下降，但黃河下遊農業開發面臨的問題恰恰出在地下水位過高；② 華北平原地區地下水超采造成了地面沉降、濕地退化等問題，對生活和生态用水不利，但地下水下降卻在一定程度上緩解了該地區土壤鹽堿化的問題，對農業（短期）生産反而有利；③ 黃土高原植樹造林改善了環境，但導緻深層土壤幹燥化乃至地下水枯竭，保護地表生态與地下水資源補給之間存在沖突；④ 國外已在地下水回補技術方面進行了大量研究和應用，而大陸的相關工作還很欠缺，有必要進行跨區域、跨部門的協同甚至跨學科的交叉融合。然而，已有研究集中于黃河流域典型生态系統或者小流域，局限在植物 ‒ 土壤格局變化對生态水文過程的影響層面；亟需從全流域尺度上開展整體性、系統性研究，揭示植被變化影響蒸散及其組分配置設定等關鍵環節的生态水文效應，刻畫人為調控措施對黃河源區、黃土高原、黃河三角洲等典型地區的生态水文效應，發展全流域尺度的農業水文模型。
人類活動通過改變流域下墊面條件來影響水循環過程。根據黃河流域上、中、下遊的水文地質條件，因地制宜建構基于農業水資源可持續管理的農作體系（包括作物、耕作、灌溉、施肥、土地管理），具有挑戰性。相關工作涉及區域适宜性評價，需要建立農業節水新理論，突破農業綠色高效用水關鍵技術。從地球關鍵帶研究的角度看，關注并揭示黃河流域上、中、下遊關聯和各地水分利用效率的差異性，才能精準提高流域系統尺度上的水資源綜合利用效率。例如，黃河流域的不同區域雖然降雨量、地下水埋深差别較大，但都存在一定的土壤鹽漬化風險；需要針對作物生境系統的主要要素及其之間的耦合作用開展深入研究，闡明農業管理措施對土壤水鹽運移、作物水分利用效率的影響機制。由此，建立綜合考慮農田土壤水文過程、作物生長及鹽分特征的機理模型，剖析灌溉和旱作農田水文過程，揭示灌溉水（降水） ‒ 土壤水 ‒ 地下水 ‒ 作物水轉化過程及伴生的土壤次生鹽堿化和面源污染成因；提出水土資源協同調控途徑，破解耕地總量不足和品質偏差難題，為其他區域水資源優化配置提供應用參照。
（二）流域系統分水政策與排程平台
跨界河流水量配置設定應以實際發展規模、用水需求為基礎，綜合考慮各種影響因素來實作發展與需求相比對的目标。現有的跨界河流分水理論以全面協調并平衡各地區之間的用水需求為主，而具有全面系統流域特征的黃河流域用水準确量化方法依然缺乏。需要發展統籌各類要素的綜合系統分水計算方法，研發嵌入水資源要素的高時空精度經濟系統模拟技術，形成契合發展實際的新時期黃河分水政策。也要注意到，現有的流域水量排程模型（如數字流域系統、數字黃河模拟系統）缺乏針對全流域水資源和水沙綜合排程功能。應優先研究統籌水源區河流水資源禀賦條件、水生态環境屬性、水工程調配能力、功能區劃定位的生态環境需水評估方法，提出各河段必須確定的生态流量（見圖4）。
圖4 黃河流域不同區域的水資源排程目标
革新管理體系是推動黃河流域生态保護和高品質發展的重要方面。需深化頂層政策構思，加強全流域監管，建構面向黃河流域水資源的複雜系統多元協同排程平台。在區域農業開發方面，以水定産、适水發展是核心目标，不能以犧牲周邊生态環境為代價；應立足精細化水資源管理需求，研發水資源安全評估與配置決策管理平台，把握區域農業和生态産業發展關系，明确資源環境的成本限制關系，科學開展全流域水資源配置設定。例如，按照政府管控、市場調節相結合的資源配置思路，采取調整配水方案和水價的方式，提高水資源利用效率；對農業用水方案、節水潛力等進行情景分析與測算，通過水權交易盤活存量。實證研究表明，在不改變單方水收益的前提下，适度減少作物種植面積即可實作節水目标。采取生态優先原則，适當減少作物種植面積，同步建立農業節水補償機制，為生态用水提供更多空間，是黃河流域生态脆弱區的可行發展政策。
（三）變化環境下農業用水與生态保護協同适應
水資源空間均衡是新時期的治水方針，相關概念及架構已有較多讨論，但面向空間均衡的水資源适應性配置方法研究較薄弱。鑒于流域水循環的特點，未來水資源配置需要進一步考慮空間、時間次元上的均衡，實作流域上、中、下遊之間，人與自然之間的協調發展。在水資源有限的黃河流域，生态保護、農業生産各有需求，經濟社會價值也不一樣，不同區域的利用效率分化，使得水資源配置顯得極為複雜。例如，從糧食安全的角度看，不同區域的農業用水、生态用水如何配置設定？從水安全和水生态的角度看，如何定産或者發展水資源高效的農業？應該看到，農業用水和生态用水既存在分水沖突，也存在“共赢”機遇；農業系統本身也是自然 ‒ 人工複合生态系統的一部分，兼具生态功能，在生态脆弱區更可發揮農業對生态環境的改善作用。這與目前提倡的鹽堿地治理新觀念（由治理鹽堿地适應作物向選育耐鹽堿植物适應鹽堿地轉變）是一緻的。
在大食物觀理念的指導下，上遊地區農業的發展宜優先考慮多重土地利用方式。例如，發展與草牧業相結合的項目，考慮協調糧畜争地沖突，合理設定各種作物的種植規模紅線，減少對水土資源的壓力；将生态要素納入考慮範疇，有效削減發展乳業帶來的溫室氣體排放，促進傳統的種植業、畜牧業、生态産業的協調發展。在中遊地區，重點在堅持水土保持的同時，強調森林和樹木對糧食安全與營養的重要性，加強對森林作用的認可與支援。在下遊地區，基于“濕地與農業：共同成長的夥伴”理念的引導，尋求糧食安全、生态安全之間的平衡點，遵循農業生态共生共存、物質循環原理，完善葦 ‒ 魚（蟹、蝦） ‒ 稻複合生态工程模式。
受近年來氣候變化明顯、極端氣候頻繁、降雨帶移動的影響，及時開展水資源格局再配置設定、再平衡背景下的水資源管理系統研究尤為重要。量化農業發展和氣候變化對流域上、中、下遊水文變化的差異化影響以及沿程傳遞效應，通過農業用水的區域差異化協同調控來強化全流域農業生産、生态保育應對全球氣候變化的能力，是機遇也是挑戰。例如，針對黃河三角洲鹽堿地，研究全球氣候變化背景下的土壤鹽漬化演變驅動機制及生态效應，開展土壤鹽漬化與植被生态對節水場景的響應與過程模拟，解析鹽漬土區的土壤 ‒ 植被 ‒ 水文耦合響應與協同适應機制，進而明确農業用水和濕地生态用水的配額配置。系統分析流域尺度用水的多過程調控理論，改進灌區用水實時調配技術，建構現代灌區高效用水調控技術內建模式，既實作水資源的高效利用，又維護并調控水肥鹽環境，減輕對灌區外圍環境的影響。從流域功能整體性出發，分析流域生态水準衡分量的格局變化規律，量化表征氣候變化、人類活動、生态系統變化之間的關聯度，解析黃河流域生态系統的時空格局變化與生态水文過程，闡明生态系統中過程 ‒ 結構 ‒ 功能 ‒ 服務 ‒ 管理的級聯效應，促進農業用水與生态保護協同适應。
（四）全流域系統水資源配置與資訊化體系
全流域系統水資源配置與資訊化體系是一套完善的資訊化管理方法，支援在整個流域内開展水資源排程與管理，達到水資源合理配置與優化利用的目标；包括水資源監測網絡、資料庫管理系統、水資源排程系統、水資源配置決策系統，支援提高水資源管理效率。目前，黃河流域上、中、下遊已有不少農業水資源高效利用技術（如節水灌溉、稭稈地膜覆寫、控制性排水）的應用，但在大範圍實施時未能充分考慮區域水資源條件，制約了推廣效果。從全流域角度看，内容具體且操作性強的頂層設計與規劃缺乏，可能導緻區域發展不平衡問題。是以，有待建構黃河流域水資源立體監測體系、農業水資源資訊化技術平台，據此提出黃河流域水資源安全保障綜合方案。此外，在經濟發展水準較高的城市，可積極利用地理優勢開發鹹水（海水）資源；盡管目前發展規模有限，但随着綜合成本降低将具有寬闊的發展空間。
目前，黃河流域農業節水控鹽試驗與監測網絡發展滞後，有關變化環境下适水農業發展的基礎研究缺乏，能夠闡明土地利用和氣候變化對水資源影響的耦合關系研究較少，可在區域層面指導生産的成果更是稀缺。重點解析流域 ‒ 子流域 ‒ 田塊等多尺度上的水資源優化配給機制，分析與作物物候相比對的節水灌溉理論與制度，提出農業高效用水應對氣候變化的政策，優化不同區域水資源調配應對措施。基于近期在土壤鹽漬化演變過程監測與多源資料融合、土壤水鹽運移過程模拟與尺度拓展、鹽漬農田灌排優化管理與邊際水安全利用等方面的進展，後續可面向農業、資源、生态、環境等領域和行業，提升農業用水資訊化水準、大資料分析能力，更好支援黃河流域水資源監控能力建設；發展多目标統籌、多限制限制的決策方案生成模型，快速生成管理方案集，形成大資料驅動下的方案優選能力。進一步，綜合已有的試驗觀測資料，結合室内、田間試驗觀測和實體模型，利用深度學習來發展空間和時間上表征土壤特性的算法；優化數字土地制圖技術，将大資料資訊化、參數化，建構“天 ‒ 空 ‒ 地”一體化的高水效農業智能管控系統；建立作物控水提質與産能提升綜合技術模式并進行示範應用，着力提升黃河流域水土資源高效利用能力。
六、結語
文章聚焦黃河流域農田水分高效利用和可持續發展，遵循大食物觀理念和水文學研究方法，突出黃河流域農田用水效率提升的作用機理、水資源配置方案及技術、全流域農業可持續發展與生态保育多目标的水資源區域聯調方案等重點研究内容，提出了作物高效用水與土壤水鹽過程調控、流域系統分水政策與排程平台、變化環境下農業用水與生态協同适應、全流域系統水資源配置與資訊化體系建構等有待攻克的關鍵技術。相關内容，有望化解農業生産用水與生态用水之間的沖突，為黃河流域生态保護和高品質發展提供新的思路。
黃河流域具有良好的農業開發條件，但高品質發展面臨多方面挑戰，如農業水資源高效利用技術實施沒有充分結合區域水資源禀賦條件，全流域水資源配置的精細規劃缺失，農業土地利用和氣候變化的耦合關系有待闡明，跨行業 / 部門 / 學科提升農業節水認知需要深化。為此，不僅需要保障生态環境并促進可持續發展，更要提高農業生産體系的産品品質和效率，精心測算并用好水土資源，從嚴從細管好水資源；在“水 ‒ 熱 ‒ 土 ‒ 氣 ‒ 生”互相作用過程取得新認識的基礎上，發展高分辨率的流域氣候 ‒ 水文 ‒ 生态 ‒ 社會經濟耦合模式并提供系統管理工具，支撐水資源高效利用及優化配置政策的實踐應用，增強流域國土空間規劃能力、水 ‒ 糧食 ‒ 生态紐帶關系統籌管理水準。
注：本文内容呈現略有調整，若需可檢視原文。
注：論文反映的是研究成果進展，不代表《中國工程科學》雜志社的觀點。