人们生产粮食的需水量与营养状况、饮食习惯、粮食生产区的水文气候 状况、农业水土管理技术等有关。管理技术影响生产某种粮食需要的绿水量， 通常是用人均生活需要的粮食产量来讨论粮食生产的水分需求。然而，通常 认为能够满足人类水需要的水量为人均1500m3/a，但在不同的气候区域有较 大差异，使得在保障水安全的对策方面有很宽的选择范围。极端的例子是欧 洲和非洲的有些国家完全依靠绿水流来满足人们对水资源的需求，而在中东 地区，则完全依靠蓝水资源。
大多数人类依赖的食物 (除了部分鱼类) 都需要经过植物来生产，也就 是说需要消耗绿水用于植物的蒸腾。因为对动物产品，绿水是通过动物食用 的牧草、饲料而有间接联系。粮食生产用水包括生产性和非生产性用水 (蒸 发、蒸腾、渗漏等)。下面用绿水流 (总蒸散发量) 来说明粮食生产中的消耗 性水利用，然后讨论生产性和非生产性绿水流之间差异的重要意义，以提高 水分利用效率和作物产量。
为了确定人类的实际水利用量、未来水需求量和保障充足的粮食供给， 就需要计算保障粮食安全生产的水资源量。现在，世界上有8亿人口缺乏营 养，能量摄入量低于健康人的最小需要量，这些人口占发展中国家人口的 18%。过去30年，在全球尺度上缺乏营养的人口始终处于较高的数量，在 1969～1970年达到了高峰，缺乏营养人口为9.6亿。而且，在同一时期，发展 中国家的人口从26亿增加到44亿，由于世界总人口上涨的速度较快，表明世 界缺乏营养的相对人口数量在下降。中国已经成功地解决了贫困人口的温饱 问题，然而，世界上减少缺乏营养的人口数量仍然存在巨大的挑战，特别在 非洲和东南亚地区，分别有33%、23%、13%的人口缺乏营养。非洲的情况是 最严重的，摄入能量的平均值持续较低，自从上世纪60年代以来，始终维持 在每人8360～8780kJ/d。世界人口的增长加重了解决缺乏营养问题的难度。现 在估计世界每年人口的净增长量为0.77亿人，到2050年 (2000～2050)，地球 人口数量将增加30亿人。因此，在保障供给粮食生产的水资源方面就存在两 个挑战： 一方面是解决现有10亿人口的营养缺乏问题，另一方面是保障供给 未来另外30亿人口的粮食安全问题 (FAO，2001; UNFPA，2002)。
现在的主要问题是需要多少的水量就能保障粮食安全? FAO在1996年的 世界粮食政府首脑会议上，对生产平衡饮食每人11290kJ/d需要的水量进行了 计算，植物产品提供每人9610kJ/d，动物产品提供1670kJ/d，肉食品占食物量 的15%，这是比较低的数量。欧洲和北美的饮食中肉食品约占35%，而非洲 和亚洲在1%～15%之间 (Gleick，2000)。通常认为平均1m3绿水流能够生产 4500kJ的植物食品，5m3能够生产4200kJ的动物食品。植物食品和动物食品用 水量的差异主要是基于集约化生产动物食品计算的，主要是用粮食饲养动物。 粮食转化为肉类的转化率约为20%，因此，在提供相同数量的能量条件下， 动物食品消耗的水量是植物食品的5倍。计算得出生产一个人需要的平衡饮食 需要的水量每天为4300L，年需要量为1600m3。这个结果是通过平均值简单计 算获得的，并没有反映不同水文气候环境下生产粮食和动物产品的巨大差异。
依据FAO对世界不同地区提出的平均饮食数据资料，Gleick (2000) 估计 了1980年后不同区域满足饮食需要的水量。欧洲和北美需要1700～1800m3/a， 非洲和亚洲需要600～900m3/a。工业化国家和发展中国家需水量存在很大差 异，部分是由于人们摄入能量差异、部分是发展中国家用较低的水量生产动 物食品。估计上世纪90年代中期全球用于生产粮食的平均水量是每人1200m3/ a。Gleick通过估计世界不同区域的用水量，认为全球平均值为1220m3/a。这 些数据或许反映了当今全球粮食生产需水量的平均水平。从全球的角度看， 水文气候、技术水平、农艺措施的差异，使得世界不同区域生产粮食所需要 的水量不完全相同。一般是热带生态系统比温带生态系统生产相同数量的粮 食需要较多的水量。这意味着欧洲与非洲和亚洲的有些地区相比，生产相同 数量的粮食需要较多的用水。然而，气候造成不同区域之间需水量差异不是 非常显著。
用于生产粮食的水资源一般包括总的绿水流量，既非生产性蒸发和生产 性蒸腾。作物的水分利用包括的这两个完全不同的水流，都是受大气蒸发力 驱动，但是有完全不同的生理过程： 蒸腾直接与作物的生长有关，蒸发只是 把土壤、水体和植物冠层的水分转化为水汽。
作物的蒸腾直接与作物的生长有关，植物蒸腾的水分越多，生长就越快， 这种关系是线性关系。只要水分不是限制因子，就很难通过管理措施影响植 物生产单位生物量的蒸腾量。不同的作物对蒸腾用水量的需要不同，如果土 壤条件如肥力和通气性、土壤可利用水分不是限制因子，则多数作物、树木 和其他植物的蒸腾量是由气候条件和植物的生理特性决定的。
驱动植物蒸腾的气候因子是太阳辐射、空气温度、风速、叶子的水汽压 差等。通常，强太阳辐射、高的空气温度和干燥空气使大气有很强蒸发驱动 力，增加了潜在蒸发量。空气的干燥性、临近叶子的水汽压亏缺是驱动植物 蒸腾的关键因子。水汽压亏缺使叶子的水分通过气孔散失到空气中来平衡空 气和叶子之间的压力差，同时降低叶面温度，保持叶子的活力。在稀疏植被 地区，叶子表面的水汽很快会被风带走，使叶子表面空气处于干燥状况，因 此，风可以保持植物叶子和空气中间有较高的水汽压差，如果没有别的限制 因子限制植物的蒸腾作用，则风可使植物有较高的蒸腾速率。
从动力学的观点看，位于干燥和炎热的热带生态系统的植物，要比在凉 爽的温带生态系统的植物要蒸腾更多的水分，因为水汽流动力较高： 强太阳 辐射、较高温度、较大水汽压差。因此需要更多的水分才能固定相同数量的 碳，因为大气中的CO2浓度在不同的水文气候区没有很大的差异，这意味着 植物积累单位数量的物质在热带比在温带需要蒸腾较多的水分，即使植物种 相同也是这种情况。然而，热带地区的植物通常与温带植物比较有不同的生 理学特点。例如，温带粮食作物 (小麦、大麦、黑麦、燕麦) 的光合系统需 要持续吸收CO2才能维持光合作用，意味着植物必须持续使气孔张开吸收 CO2，植物必须持续蒸腾消耗水分，这些植物通常是C3植物。许多热带粮食作 物的光合作用系统则是通过叶子中贮存的CO2完成光合作用的，因此水分利 用效率较高，有这种光合作用特征的植物称为C4植物。C4植物单位蒸腾水量 的碳同化量是C3植物的两倍，不同作物的同化能力在一定水汽压差条件下是 相当稳定的。这意味着温带粮食作物生长在更湿润的环境下，有较低的蒸腾 量补偿它较低效率的光合途径，相反，热带作物更有效的光合途径补偿了干 燥环境下水汽压差较大的大气环境。不同的植物种单位蒸腾水量生产的干物 质数量存在很大的差异，即使相同的植物种，蒸腾效率的波动也很大。但是， 在一般意义上，绿水的生物产量为2～3kg/mm/hm2 (Loomis，1992)。
地球上不同区域的作物生产单位粮食所需的绿水量没有很大的差异，这 是一个很重要的观点，因为它改正了热带地区生产单位粮食需要更多水的误 解，这种误解认为炎热干燥的热带地区生产粮食是低效的，与凉爽湿润的温 带地区相比，则不适于粮食生产。实际上，半干旱的热带地区是谷物的主产 区。虽然热带作物能够高效利用绿水，但是作为蒸发的非生产性水也较高。 已经报道的世界上不同作物的水分需要量的统计数据，多数是用总的绿水量 即包括蒸发量来表示的。这些数据认为热带作物利用更多的水，但是如果我 们关注植物的蒸腾水量，即植物生产性用水，则用水量就没有很大差异。另 外，蒸发量与大气蒸发需求直接相关，热带湿润土壤比温带区域的土壤蒸发 量较高。然而，可以通过各种覆盖措施、间作、增加作物的冠层覆盖等管理 方法减少土壤蒸发损失。
即使蒸发包括在消耗性用水中，不同水文区域的各种作物的用水量差异 仍然较小。通常认为热带粮食作物如水稻与温带的小麦比较要消耗较多的水 量。热带作物由于积累碳水化合物的方式更有效，单位绿水生产的生物量在 不同水文气候区没有差异。大多数谷类作物生产1t粮食需要1000～2000m3的绿 水量，世界上的许多植物包括水稻都在这个范围之内。块茎植物如马铃薯一 般水分利用效率较高，生产1t马铃薯的用水量低于1000m3，番茄的也较高。 不考虑管理技术造成的植物用水效率的差异，则全球生产1t以陆地植物为基 础的粮食需要绿水量1500m3，等于150mm/t/hm2。然而，有许多管理技术影响 这些数据。在农田里实际绿水的用量范围在1000～6000m3/t之间。这表明作物 的水分需要量能够通过管理措施调节，管理技术造成的用水量的差别比作物 生理特性差异的影响要大。对生态水文学家而言，就要寻找对生态系统水资 源可利用能力影响最小同时能够生产更多粮食的对策。通过采用先进的管理 措施，则有很多种途径可以改变现今农业对水资源低效利用的行为。
这里的基础问题是，水分生产效率只是表明了植物在某种环境中的相对 用水效率，但是不?芩得髦参锬芄簧さ幕肪程跫Ｒ桓龅厍耐寥览嘈汀? 温度状况、生长季节的分布和长度、累计水需要量等决定植物生长和适应能 力。例如，甘蔗是世界上水分生产效率最高的植物，生产1t干物质甘蔗只需 要水量200m3，但是甘蔗只能够在湿润的热带地区栽培，需要有适宜的温度和 光照环境，而且需水量也很大，季节需水量为1500～2500mm/hm2。甘蔗产量 很高，为150t/hm2，水分生产效率高，需水量很大。因此，水分生产效率在生 态水文学方面有重要意义，但是对农民来说，水资源短缺时更关注的是作物 需水量和产量。平衡人类与自然对水资源的需求，就要懂得支持社会和生态 系统健康持续发展的实际水资源需求，人类活动对有限淡水资源造成的巨大 压力，驱使人们必须高效利用水资源。