李嘯虎，楊德剛

（1.新疆財經(jīng)大學(xué) 旅游學(xué)院，烏魯木齊830012；2.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊830011）

基于水足跡的節(jié)水型城郊種植業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究
——以烏魯木齊市為例

李嘯虎1，楊德剛2

（1.新疆財經(jīng)大學(xué) 旅游學(xué)院，烏魯木齊830012；2.中國科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊830011）

干旱區(qū)城郊種植業(yè)的發(fā)展進(jìn)一步加劇了當(dāng)?shù)厮Y源短缺，水足跡方法能夠完整、清晰描述作物耗水特征，基于水足跡進(jìn)行種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對于干旱區(qū)種植業(yè)持續(xù)健康發(fā)展和水資源合理高效利用具有重要的指導(dǎo)意義。以干旱區(qū)綠洲城市烏魯木齊市為例，估算當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物水足跡，并以此為基礎(chǔ)綜合考慮經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會等因素，構(gòu)建了基于水足跡的多目標(biāo)優(yōu)化模型，探討節(jié)水型城郊種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整路徑。研究表明：可持續(xù)發(fā)展模式具有藍(lán)水、灰水足跡較低、收益較高、耕地規(guī)模適宜的特點(diǎn)，可作為種植業(yè)發(fā)展規(guī)劃的基礎(chǔ)方案。根據(jù)此方案，預(yù)計到2015年，種植面積將控制在6.65萬hm2之內(nèi)，糧油作物、果蔬作物和其他作物的比例為35：49：16。就目前而言，應(yīng)通過調(diào)減高藍(lán)水消耗的糧油作物面積，增加低耗水的果蔬類作物面積，提高農(nóng)肥利用率等措施來提高種植業(yè)用水效率、降低水污染，實(shí)施結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

水足跡；城郊種植業(yè)優(yōu)化；線性規(guī)劃模型；烏魯木齊市

水是綠洲可持續(xù)發(fā)展的核心要素。隨著干旱區(qū)城市人口的持續(xù)增加和城市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對水資源的需求也在快速增長。城郊種植業(yè)發(fā)展在占用大量水資源的同時造成了植被退化、工業(yè)與生活供水不足等問題，不僅威脅著綠洲生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，而且嚴(yán)重制約了城市社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，分析種植業(yè)產(chǎn)品耗水特征并以此為基礎(chǔ)優(yōu)化作物品種結(jié)構(gòu)，挖掘種植業(yè)內(nèi)部節(jié)水潛力，建立節(jié)水型種植結(jié)構(gòu)，對于高效利用水資源，維護(hù)綠洲生態(tài)系統(tǒng)的安全，保障區(qū)域社會、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

以往種植業(yè)優(yōu)化研究僅從作物灌溉用水角度來估算作物耗水量，并以此為基礎(chǔ)調(diào)整種植結(jié)構(gòu)[1-3]，由于無法全面反映作物耗水的類型和程度，因而影響了優(yōu)化方案的實(shí)際指導(dǎo)價值。水足跡分析方法較好地解決了作物耗水的核算問題，其核算賬戶不僅包括作物生長期對地表、地下水的消耗量（藍(lán)水足跡），而且涵蓋了作物對自然降水的直接利用量（綠水足跡）及稀釋農(nóng)肥施用對自然水體污染的水量（灰水足跡），完整、清晰地刻畫了種植業(yè)發(fā)展對水資源的真實(shí)占有程度。目前，國外相關(guān)研究主要集中在全球主要農(nóng)產(chǎn)品水足跡量化研究[4-7]、國家間農(nóng)產(chǎn)品虛擬水戰(zhàn)略研究[8-10]兩個方向。國內(nèi)主要聚焦于西北干旱地區(qū)種植業(yè)虛擬水評價及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[1-14]方面。回顧以往成果，存在兩點(diǎn)不足：（1）國外研究尺度較宏觀，缺乏微觀尺度上市、縣及以下區(qū)域種植業(yè)水足跡量化及優(yōu)化的案例研究，國內(nèi)相關(guān)研究集中在寧夏、甘肅兩省，缺乏對其他干旱地區(qū)基于水足跡的種植業(yè)優(yōu)化問題探討；（2）國外種植業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化定性研究較多，定量研究較少，國內(nèi)優(yōu)化研究中只核算了農(nóng)產(chǎn)品的藍(lán)、綠水消耗及其對未來種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的影響，還未核算農(nóng)產(chǎn)品的灰水足跡并將其作為影響種植結(jié)構(gòu)的約束條件，因而優(yōu)化方案無法明確反映結(jié)構(gòu)調(diào)整對周邊水生態(tài)環(huán)境影響的變化程度。有關(guān)新疆的水足跡研究也存在類似問題[15-16]，水足跡研究成果較少且主要集中在全疆或大區(qū)域?qū)用?，研究?nèi)容只是核算了農(nóng)產(chǎn)品水足跡總量，未根據(jù)水源種類進(jìn)行細(xì)分，以上不足不利于政府和職能部門把握新疆種植業(yè)水足跡特征及制定未來種植業(yè)調(diào)整的方案。鑒于此，本文選擇干旱區(qū)城市烏魯木齊市為典型案例區(qū)，在核算其種植業(yè)綠、藍(lán)、灰水足跡的基礎(chǔ)上建立多目標(biāo)規(guī)劃模型，模擬不同情境下未來城郊種植業(yè)耗水特征及其影響，并選擇優(yōu)化方案，以期為干旱區(qū)城郊種植業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供決策參考和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

烏魯木齊市位于新疆維吾爾自治區(qū)中北部，天山北麓中段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地處42°54′16″—44°58′16″N，86°46′10″—88°59′48″E，地形東、南、西三面環(huán)山，地勢南高北低、起伏懸殊，平均海拔800 m，總面積1.38萬km2。夏季炎熱短暫，冬季酷寒漫長，寒暑變化劇烈，晝夜溫差大，年均氣溫6.4℃，年均降水量280 mm，而蒸發(fā)量卻達(dá)2 730 mm，屬典型大陸干旱型氣候區(qū)。烏魯木齊市地表水資源總量平均為11.38億m3，偏豐年可達(dá)到14.94億m3，偏枯年亦有8.56億m3，其中地表水資源平均為10.50億m3，地下水資源平均為6.14億 m3[17-18]。

烏魯木齊市種植業(yè)分布于城市外圍地帶，屬典型的內(nèi)陸干旱區(qū)城郊型種植業(yè)，主要種植小麥、水稻、玉米、大麥、豆類、油料、薯類、蔬菜、棉花、苜蓿、甜菜和水果12種農(nóng)作物，近年來，隨著城市化進(jìn)程的不斷加速，水資源供需矛盾日益突出，城郊型種植業(yè)耗水占城市生產(chǎn)性總耗水的63%，不合理的種植模式導(dǎo)致了水資源的大量消耗，使區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞，同時嚴(yán)重阻礙了工業(yè)和城市化進(jìn)程的發(fā)展。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文以2011年烏魯木齊種植業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究2015年種植業(yè)發(fā)展模式。選取小麥、水稻等12種烏魯木齊市農(nóng)作物產(chǎn)品進(jìn)行水足跡估算，研究所需的氣候數(shù)據(jù)采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織的CLIMWAT數(shù)據(jù)庫中有關(guān)烏魯木齊市的氣候數(shù)據(jù)；作物播種期、收獲期數(shù)據(jù)由安寧渠、永豐渠等農(nóng)作區(qū)實(shí)際調(diào)查資料整理所得，作物系數(shù)由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物所提供，作物年播種面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自《烏魯木齊市統(tǒng)計年鑒》（2006—2012年）[19]，其中大麥數(shù)據(jù)由烏魯木齊市農(nóng)牧局農(nóng)牧處提供，作物單價為中國農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)（www.agri.gov.cn）和中國養(yǎng)殖網(wǎng)（www.yz88.org.cn）2010年1—12月各月月末交割價格的平均值；水資源和降水總量來自《烏魯木齊市水資源公報》（2005—2011年）[20]，耕作區(qū)土壤條件通過走訪烏魯木齊縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，同時結(jié)合相關(guān)研究成果[21-23]可得，烏魯木齊市耕作區(qū)主要分布于該市南郊和北郊的烏魯木齊縣和米東區(qū)，耕地土壤主要類型有灌耕土、灌耕潮土、灌耕灰漠土、灌耕棕鈣土，成土母質(zhì)主要為洪積物、沖積物、坡積物、潮積物和冰水沉積物，土壤質(zhì)地大部分為壤土、少數(shù)為砂土和黏土，耕作層容重約為1.3～1.7 g/cm3，田間持水量（按體積計）約為8.45%～33.12%。

2 研究方法

2.1 作物水足跡

2.1.1 作物綠、藍(lán)水足跡 為了精確模擬烏魯木齊市農(nóng)作物生長期綠、藍(lán)水的消耗量，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂?、土壤特點(diǎn)，本文以FAO發(fā)布的Crop Wat 8.0軟件為計算工具，采用其中的灌溉制度法模塊模擬作物生長期實(shí)際耗水量，并估算作物綠、藍(lán)水足跡，具體步驟包括：（1）通過Penman-Monteith公式計算參考作物每日需水量；（2）在考慮土壤有效水分對作物每日耗水影響的基礎(chǔ)上，計算作物每日凈灌溉需求量、實(shí)際灌溉需求量和實(shí)際總蒸發(fā)量，其中：土壤有效水分影響程度根據(jù)土壤有效水分計算方程和土壤水分平衡方程計算得出的土壤每日最大有效含水量和土壤每日有效含水量兩項值求商獲得；（3）累加得到作物生長期總凈灌溉需求量、總實(shí)際灌溉需求量和總實(shí)際蒸發(fā)量，取總凈灌溉需求量和總實(shí)際灌溉需求量中的最小值作為作物藍(lán)水需求量，并由總實(shí)際蒸發(fā)量和作物藍(lán)水需求量的差得到作物綠水需求量；（4）將作物綠、藍(lán)需求量乘以作物播種面積除以總產(chǎn)量得到單位產(chǎn)量作物綠、藍(lán)水足跡。

2.1.2 作物灰水足跡 作物灰水足跡是指稀釋由化肥、農(nóng)藥造成的水體氮磷富營養(yǎng)化并使水質(zhì)達(dá)到環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的淡水量[24]。作物i生長期單位灰水足跡的估算采用《水足跡評價手冊2011》[25]當(dāng)中有關(guān)農(nóng)作物生長期灰水足跡方法計算：

式中：WFgreyi表示作物i的單位產(chǎn)量灰水足跡（m3/kg）；ARi表示作物i的單位面積耕地化肥施用量（kg/hm2）；αi為作物i的淋溶率（即進(jìn)入水體的污染量占總化學(xué)物質(zhì)施用量的比例）；cmax為自然水體可容納的最大污染物濃度（kg/m3）；cnet為自然水體本底污染物濃度（kg/m3）；yi表示作物i單位面積年產(chǎn)量（kg/hm2）。這里，由于數(shù)據(jù)的局限性，考慮到水體中過剩的氮元素是較難稀釋的污染物[26]，因而，以稀釋氮元素的耗水量為代表估算作物的灰水足跡。通過對研究區(qū)農(nóng)作區(qū)的實(shí)際調(diào)查，氮肥每公頃施用量為225 kg，根據(jù)相關(guān)研究成果[24-25，27]，淋溶率設(shè)定為0.1，水質(zhì)自然本底濃度假定為0，最大容納濃度定為10 mg/L，

2.2 多目標(biāo)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

2.2.1 目標(biāo)函數(shù) 在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，以種植業(yè)總收益最大、水足跡量最小為目標(biāo)建立多目標(biāo)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，如下：

式中：ZGE表示種植業(yè)年度總收益（元/a）；WF表示種植業(yè)年度總水足跡（m3/a）；xi表示作物i的耕地面積（hm2）；yi表示作物i單位面積產(chǎn)量（t/hm2）；Ei表示作物i單價（元/kg），WFgreeni，WFbluei，WFgreyi分別表示單位產(chǎn)量作物i的綠、藍(lán)和灰水足跡（m3/kg）。

2.2.2 約束條件

（1）耕地總面積約束

（2）水資源約束條件

（3）水環(huán)境約束條件

式中：Aoptim表示合理耕地總面積（hm2）；Aa表示實(shí)際耕地總面積（hm2）；ei，di分別代表作物i耕地面積比重的下限和上限；Wgreen表示可供種植業(yè)利用的綠水總量（m3）；WAA表示可供種植業(yè)利用的藍(lán)水總量（m3）；WFgrey（t）表示第t年的種植業(yè)灰水總量（m3/a）；i為第i種作物。

2.2.3 參數(shù)估算 約束條件中可供種植業(yè)利用的綠水總量（Wgreen）、藍(lán)水總量（WAA）和合理耕地面積（Aoptim）按以下思路估算。根據(jù)生態(tài)水文學(xué)的觀點(diǎn)[28]，降水總量由藍(lán)水和綠水兩部分組成，其中綠水是指自然降水賦存于土壤非飽和含水層并能以蒸散的形式為植物利用的水資源，而藍(lán)水則是自然降水賦存于河流、湖泊、水庫、池塘及蓄水層中的地表水和地下水。因此，供種植業(yè)利用的綠水總量（Wgreen）可以理解為種植業(yè)可以利用的區(qū)域降水總量減去區(qū)域地表、地下水量（不含外調(diào)水）后的水資源量，見公式（9）。根據(jù)Aldaya等[25]學(xué)者的觀點(diǎn)，可供種植業(yè)利用的藍(lán)水總量（WAA）為滿足區(qū)域生態(tài)環(huán)境需水及工業(yè)、生活用水之后剩余的區(qū)域地表、地下水資源量，見公式（11）。合理耕地規(guī)模采用王忠靜等[29]基于水熱平衡關(guān)系提出的測算方法，見公式（12）。

式中：PG表示年總降水量（m3/a）；CA 表示耕地面積；TA表示土地總面積；WG表示地區(qū)年水資源總量（m3/a）；EWD表示年生態(tài)環(huán)境需水量（m3/a），對 EWD的估算采用劉昌明院士提出西北干旱區(qū)生態(tài)需水量應(yīng)占水資源總量50%的標(biāo)準(zhǔn)計算；β表示種植業(yè)用水比重，據(jù)2005—2011年《烏魯木齊市水資源公報》[19]數(shù)據(jù)計算得出，種植業(yè)用水比重平均值為62.2%，同時，烏魯木齊市政府明確，到2015年種植業(yè)用水比重控制到60%以下，因而，本文β設(shè)定為0.6；W表示年均水資源消耗總量（m3/a）；W′表示用于工業(yè)和人畜生活的水量（m3/a）；ET0表示參考作物蒸散量（mm/a）；r表示年降水量（mm）；Kp表示主要植物的綜合植物系數(shù)，一般通過作物系數(shù)加權(quán)平均獲得；H0為綠洲設(shè)計“綠度”，主要考慮綠洲周圍的自然環(huán)境、受人工維護(hù)與干擾的程度，可定為0.75～1[29]。

3 結(jié)果與分析

3.1 烏魯木齊市作物水足跡

按照上述思路依次計算出2011年烏魯木齊市種植業(yè)產(chǎn)品的單位產(chǎn)量綠水、藍(lán)水和灰水足跡（表1），結(jié)果表明：烏魯木齊市種植業(yè)單產(chǎn)水足跡總量為19.97 m3/kg，其中，單產(chǎn)總藍(lán)水足跡為12.9 m3/kg，占單產(chǎn)水足跡總量的64.61%，居于主導(dǎo)地位；單產(chǎn)總綠水足跡和總灰水足跡分別為3.31，3.76 m3/kg，分別占單產(chǎn)水足跡總量的16.57%和18.82%。棉花（8.36 m3/kg、油料（3.01 m3/kg）、豆類（1.73 m3/kg）、大麥（1.71 m3/kg）和小麥（1.27 m3/kg）是單產(chǎn)水足跡較高的作物，單產(chǎn)高藍(lán)水、高綠水、高灰水消耗是其主要特征，5類作物單位產(chǎn)量總綠、藍(lán)、灰水足跡分別占整個作物單產(chǎn)3類水足跡總量的77.03%，82.02%和78.45%，屬典型的高耗水作物。同時，水果（0.40 m3/kg）、薯類（0.35 m3/kg）、蔬菜（0.14 m3/kg）和甜菜（0.12 m3/kg）單產(chǎn)總水足跡較低，4類作物綠、藍(lán)、灰水足跡之和僅占各類水足跡總量的4.53%，3.95%和5.59%，屬低耗水作物。此外，苜蓿（1.22 m3/kg）、水稻（0.98 m3/kg）和玉米（0.82 m3/kg）的水足跡值處于上述兩類作物之間，屬于中耗水作物。

3.2 規(guī)劃參數(shù)求解

由公式（9—10）計算可得（表2），2005—2011年種植業(yè)可用綠水總量和藍(lán)水總量。隨后求出綠水、藍(lán)水和水資源總量歷年增長率的平均值，并以2011年數(shù)值為基礎(chǔ)，求得2015年3項指標(biāo)的規(guī)劃值。

表1 烏魯木齊市作物水足跡及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

表2 2005-2011年烏魯木齊市種植業(yè)水資源量數(shù)據(jù)及2015年規(guī)劃值108 m3

由公式（11）求得烏魯木齊市適宜耕地規(guī)模為5.24～6.99萬hm2（表3），研究區(qū)2011年實(shí)際耕地面積為6.96萬hm2，為避免擴(kuò)大耕地規(guī)模而擠占更多水資源，將2015年耕地規(guī)模規(guī)劃值設(shè)定為2011年值。

3.3 優(yōu)化結(jié)果及分析

利用lingo 9.0軟件對多目標(biāo)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型進(jìn)行求解，得到2015年3種不同情境的種植業(yè)發(fā)展方案，結(jié)果見表4、表5。

表3 烏魯木齊適宜耕地規(guī)模及規(guī)劃值

表4 2015年烏魯木齊市種植業(yè)發(fā)展方案多目標(biāo)規(guī)劃分類結(jié)果

表5 2015年烏魯木齊市種植業(yè)發(fā)展方案多目標(biāo)規(guī)劃總量結(jié)果

以《烏魯木齊市十二五社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)范綱要》中提出的調(diào)減糧食作物播種面積，增加果蔬類作物種植為依據(jù)，以充分利用綠水資源、降低藍(lán)水和灰水消耗為約束，同時兼顧經(jīng)濟(jì)效益和耕地規(guī)模，模擬得到壓糧擴(kuò)果蔬發(fā)展情境，結(jié)果顯示：2015年種植業(yè)耕地規(guī)模達(dá)到6.96萬hm2，與2011年持平。耗水方面，2015年總耗水量為3.99億m3，比2011年降低7.4%，其中：綠水足跡比2011年增加11.7%，占可用綠水總量的76.7%，較2011年比重增加了1%；藍(lán)水足跡比2011年下降15.3%，處于可用藍(lán)水容量范圍內(nèi)；灰水足跡和總收益分別較2011年增加2.3%和39.6%，兩項指標(biāo)均為3種方案中的最高值。表明：增加低藍(lán)水消耗和高收益的果蔬類作物種植面積，調(diào)減高藍(lán)水消耗和低收益的糧食作物面積，有利于種植業(yè)朝低藍(lán)水消耗、高經(jīng)濟(jì)收益方向發(fā)展，同時綠水利用度較2011年有所增加，但農(nóng)肥施用對水環(huán)境影響卻在增大。說明此種情境下，種植業(yè)發(fā)展雖然減小了對藍(lán)水依賴、增加了綠水利用和經(jīng)濟(jì)收益，但對周邊水環(huán)境系統(tǒng)的干擾有所加劇。

以烏魯木齊市政府提出的發(fā)展現(xiàn)代都市農(nóng)業(yè)構(gòu)想為基礎(chǔ)，在壓糧擴(kuò)果蔬的同時保證6 700 hm2優(yōu)質(zhì)水稻和3 400 hm2薯類作物的種植規(guī)模，做強(qiáng)區(qū)域特色種植產(chǎn)業(yè)。此種情境下，種植業(yè)發(fā)展在不增加耕地面積的基礎(chǔ)上總收益較2011年增加了31.3%，增收顯著。耗水方面：總水足跡、藍(lán)水足跡分別較2011年下降5.8%和12%，雖然有一定的節(jié)水效果，但由于增加了高耗水作物水稻的播種面積，使得此種情境下的總水足跡和總藍(lán)水消耗量達(dá)到3種方案中的最高值。同時，綠水足跡占綠水總量比例為75.7%，與2011年比重持平，灰水足跡仍然比2011年增加1.2%。表明此種情境下，種植業(yè)發(fā)展雖然在凸顯區(qū)域特色產(chǎn)業(yè)的前提下兼顧了節(jié)水和增收的要求，但結(jié)構(gòu)調(diào)整不利于綠水資源的充分利用，也沒有減弱對水環(huán)境的污染。

可持續(xù)發(fā)展情境突出了種植業(yè)發(fā)展既要服從于干旱區(qū)綠洲生態(tài)和環(huán)境的需求，又要考慮到當(dāng)?shù)胤N植業(yè)的實(shí)際情況。結(jié)果顯示：此種情境下2015年的耕地規(guī)模為6.65萬hm2，小于2011年規(guī)模。種植業(yè)的總耗水較2011年下降6.3%，綠水足跡占可用綠水總量比重為71.7%，比2011年綠水比重減少5%；藍(lán)水和灰水足跡分別比2011年下降9.8%和2.3%，同時，總收益較2011年增加11.1%。這表明：此種發(fā)展模式杜絕了壓糧增果蔬和現(xiàn)代都市農(nóng)業(yè)情境造成的水環(huán)境污染加劇的問題，種植業(yè)發(fā)展趨向低土地投入、低污染、低綠水利用、高藍(lán)水節(jié)余、較高收益的模式。

綜合以上分析，考慮到烏魯木齊種植業(yè)未來在綠洲生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)發(fā)揮的服務(wù)功能，確定可持續(xù)發(fā)展模式為烏魯木齊市種植業(yè)未來優(yōu)化的基礎(chǔ)方案。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

（1）將本文計算所得的水足跡結(jié)果與前人研究對比可得，2011年 Mekonnen等[10]采用相同方法所做的有關(guān)新疆作物水足跡多數(shù)偏高，但大麥和棉花數(shù)據(jù)偏低，原因可能在于數(shù)據(jù)來源以及研究區(qū)的不同。豆類作物和甜菜是采用旱作模式估算的，藍(lán)水足跡均為0，這和實(shí)際情況有較大差異。與鄧曉軍等[30]研究結(jié)果相比，他們所估算的棉花水足跡值偏低，這主要是由于估算模型、參數(shù)設(shè)置以及研究區(qū)不同所致。軒俊偉等[31]采用作物需水量法估算了全疆主要農(nóng)作物單位面積的綠、藍(lán)水足跡，其結(jié)果與本文也有明顯差異。作物需水量法主要應(yīng)用于缺乏土壤數(shù)據(jù)的情況下，假設(shè)土壤水分完全滿足作物生長期需水狀態(tài)的作物耗水估算。而本文在研究土壤水分變化的基礎(chǔ)上，采用灌溉制度法估算綠、藍(lán)水足跡。綜上所述，水足跡結(jié)果受估算模型、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)來源、研究區(qū)選定等多因素影響，為了能更加準(zhǔn)確地反映不同區(qū)域作物耗水情況，今后進(jìn)行相關(guān)研究時需要綜合考慮上述因素。

（2）限于數(shù)據(jù)資料的制約，本次優(yōu)化中未能考慮虛擬水貿(mào)易對烏魯木齊節(jié)水型種植業(yè)發(fā)展的影響。因此，下一步應(yīng)結(jié)合虛擬水貿(mào)易的機(jī)會成本來綜合研究區(qū)域種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向和路徑。

4.2 結(jié)論

（1）水足跡計算結(jié)果顯示：作物藍(lán)水依賴度較高。12類作物中，棉花、油料、豆類、大麥、小麥屬于高耗水作物，苜蓿、水稻、玉米屬于中耗水作物，水果、薯類、蔬菜、甜菜屬于低耗水作物。

（2）優(yōu)化結(jié)果得到壓糧增果蔬模式、現(xiàn)代都市農(nóng)業(yè)模式以及可持續(xù)發(fā)展模式3種發(fā)展方案。與2011年相比，壓糧增果蔬模式、現(xiàn)代都市農(nóng)業(yè)模式具有低藍(lán)水、高綠水、高灰水、高收益、耕地規(guī)模穩(wěn)定的特點(diǎn)，可持續(xù)發(fā)展模式在低藍(lán)水、高綠水、高收益的基礎(chǔ)上凸現(xiàn)了低灰水、低耕地規(guī)模的優(yōu)勢，可作為未來烏魯木齊市種植業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)方案。

（3）目前應(yīng)從以下4方面調(diào)整種植結(jié)構(gòu)：首先優(yōu)先考慮調(diào)減單位面積、單位產(chǎn)量藍(lán)水消耗較高的棉花、油料、豆類、小麥、水稻等作物的播種面積，這對于降低本地區(qū)種植業(yè)藍(lán)水消耗將具有重要意義；第二，鼓勵和支持農(nóng)戶選擇藍(lán)水較少、具有抗旱保產(chǎn)能力且經(jīng)濟(jì)效益高的蔬菜、水果、薯類等節(jié)水農(nóng)作物進(jìn)行種植；第三，應(yīng)考慮如何在不影響作物產(chǎn)量的情況下提高農(nóng)肥利用率，減少施用量，有利于降低作物的灰水足跡。至2015年，種植面積宜控制在6.65萬hm2之內(nèi)，糧油作物、果蔬作物和其他作物的比例應(yīng)為35：49：16。

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Study of the Structure Optimization of Water-Saving Suburban Cropping in Arid Lands Based on the Water Footprint—A Case Study in Urumqi City

LI Xiaohu1，YANG Degang2
（1.College of Tourism，Xinjiang University of Finance and Economics，Urumqi830012，China；2.Xijiang Institute of Ecology and Geography，Chinese Academy of Sciences，Urumqi830011，China）

Cropping systems have been developed in the outskirts of oasis cities，which had intensified water scarcity.The water footprint method can be used to comprehensively and clearly describe the characteristics of crop water consumption，and can be used as a guide to develop sustainable cropping and suitable use of water resources by adjusting cropping structure based on the water footprint in arid land.We selected Urumqi City as a typical oasis city in the arid area.We analyzed the water consumption of crops in Urumqi City using the water footprint model，and considered the factors of economy，ecology，and society.A new multiobjective programming（MOP）model of planting structure was generated based on the water footprint in order to analyze adjustment programs for water-saving suburban planting in arid lands.This study revealed the following findings.The sustainable project had characteristics of a low blue and grey footprint，higher profit，and suitable farmland scale.Urumqi City can focus on the following approaches in order to optimize its cropping structure.Based on the results of the study，the total cropping area in 2015 should be limited to approximately 6.65×104hm2，with a ratio of 35：49：16 of grain and oil crops，fruits and vegetable crops，and other crops.The first objective in the near future is to reduce the planting areas growing crops with high consumption of blue water，such as grain and oil crops.The second is to increase the acreage of fruits and vegetables utilizing less blue water.In addition，the rate of fertilizer utilization should be improved.Thus，the water use efficiency of cropping systems can be improved and water pollution can be reduced in order to achieve structural optimization.

water footprint；optimization of suburban planting；model of linear programming；Urumqi City

F323.213;F326.1;X824

A

1005-3409（2017）01-0298-07

2015-10-03

2015-10-20

新疆財經(jīng)大學(xué)博士啟動基金“資源與環(huán)境約束下區(qū)域旅游業(yè)效率測度與全要素生產(chǎn)率評價”（2015BS001）

李嘯虎（1978—），男，新疆烏魯木齊人，博士，副教授，主要從事水資源利用與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究。E-mail：361196358＠qq.com

楊德剛（1962—），男，新疆阜康人，研究員，主要從事區(qū)域發(fā)展研究。E-mail：dgyang＠m(xù)s.xjb.ac.cn