馮變變, 劉小芳, 趙勇鋼, 李 軻

(山西師范大學 生命科學學院, 山西 臨汾 041000)

隨著人口增長和社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國面臨的水資源短缺壓力也愈發(fā)突出。農(nóng)業(yè)作為我國的用水大戶，據(jù)統(tǒng)計2014年用水量已占到全國總用水量63.5%[1]，合理調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的用水結構、提高單位水資源的農(nóng)作物產(chǎn)量是實現(xiàn)我國水安全和糧食安全的重要途徑。水足跡理論以虛擬水理論為基礎，從生產(chǎn)和消費角度揭示人類對水資源的真實需求和占用量，為水資源評價和管理提供了新的方向[2]，近幾年已被廣泛應用于農(nóng)業(yè)水資源管理和節(jié)水農(nóng)業(yè)研究中[3-7]。

作物生產(chǎn)水足跡(Water footprint of crop production，WFP)作為農(nóng)業(yè)用水的評價指標不僅能夠表征農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中消耗的水資源總量，而且可以反映水資源的利用類型(綠水、藍水)[8]。藍水是指地表水或地下水，即儲存在淡水湖泊、河流和含水層中的水；綠水指來源于降水并通過作物蒸發(fā)蒸騰消耗掉的水[9]。目前，對作物生產(chǎn)水足跡在不同時間序列中的動態(tài)變化以及在不同空間尺度上的分布特征已進行了一定的研究。吳普特等[3]以省級行政區(qū)為計算單元，量化了2010年中國31個省級行政區(qū)的糧食生產(chǎn)水足跡與區(qū)域虛擬水流動情況。操信春等[4]量化了中國灌區(qū)糧食生產(chǎn)水足跡并對其用水效率進行了評價。史利潔等[5]量化了2000—2012年陜西省主要作物生產(chǎn)水足跡與水資源壓力指數(shù)的時空分異特征，此外還有多眾多學者就不同尺度區(qū)域作物生產(chǎn)水足跡進行了量化[6-7]。以上研究推動了水足跡理論的完善和進一步發(fā)展。然而，目前的研究多集中在較大尺度區(qū)域作物生產(chǎn)水足跡的量化，對于省級以下區(qū)域尺度的研究不多，并且對于造成水足跡差異影響因素的分析還相對較少。本研究基于水足跡理論，對2005—2014年山西省11個地級市6種主要糧食作物生產(chǎn)藍水足跡和綠水足跡進行量化，分析其時空演變特征并采用通徑分析方法對其影響因素進行分析，以期為區(qū)域水資源的高效利用和管理以及種植結構優(yōu)化提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

山西省位于黃土高原東翼，地勢表現(xiàn)為東北高、西南低，地貌復雜多樣，山多川少，山地丘陵面積占全省總面積的80%以上。氣候?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂颍媳辈町愝^大，氣溫從北向南遞增，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨。全年日照時數(shù)為2 200～2 900 h，年蒸發(fā)量為1 500～2 300 mm，無霜期為120～220 d。年降雨量400～650 mm，由東南向西北遞減，干旱缺水制約著山西省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1.2 研究方法

1.2.1 作物生產(chǎn)水足跡計算 作物生產(chǎn)水足跡是指生產(chǎn)單位重量的作物所消耗的水資源，按照所消耗的水資源類型可以分為藍水足跡和綠水足跡，本研究中作物生產(chǎn)過程中水足跡的計算按照《水足跡評價手冊》[10]所提供的方法計算，其公式如下：

式中：WFP為作物生產(chǎn)水足跡(m3/kg)；WFPg為作物生產(chǎn)綠水足跡(m3/kg)；WFPb為作物生產(chǎn)藍水足跡(m3/kg)；ETg為作物綠水蒸發(fā)蒸騰量(mm)；ETb為作物藍水蒸發(fā)蒸騰量(mm)；10為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)；Y為作物產(chǎn)量；ETc為作物蒸發(fā)蒸騰量(mm)；ETc通過收集的氣象數(shù)據(jù)結合CROPWAT 8.0軟件求出；Pe為作物生育期的有效降雨量(mm)，可根據(jù)CROPWAT 8.0模型中內(nèi)嵌的美國農(nóng)業(yè)部土壤保護局(USDA SCS)有效降雨量公式進行計算[11]：

(2)

式中：Pe為作物生育期的旬有效降雨量(mm)；P為作物生育期旬降雨量(mm)。

綜合作物生產(chǎn)水足跡(Water footprint of integrated crop production,IWFP)是將不同種作物生產(chǎn)水足跡對作物產(chǎn)量加權得到的綜合各作物的生產(chǎn)水足跡，能夠綜合衡量區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水資源利用狀況，計算公式如下[5]:

(3)

式中：IWFPj為區(qū)域j(為山西省的11個地級市：大同、朔州、忻州、太原、呂梁、陽泉、晉中、長治、晉城、臨汾、運城)的綜合作物生產(chǎn)水足跡(m3/kg)；WFPi,j為地區(qū)j作物i(6種糧食作物:玉米、小麥、高粱、谷子、大豆、馬鈴薯)的生產(chǎn)水足跡(m3/kg)；Pi,j為區(qū)域j作物i的總產(chǎn)量(t)。

1.2.2 Manna-Kendall趨勢分析方法 Mann-Kendall是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，用來判斷趨勢的顯著性，它無需樣本服從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，計算公式如下[12-13]：設定時間序列Xt=(x1，x2，…，xn，n為序列長度)，

(4)

s(S)=n(n-1)(2n+5)/18

(5)

式中：sgn是符號函數(shù)；當給定顯著性水平α=5%后，若|Z|≤Z1-α/2，則接收原假設，即趨勢不顯著；若|Z|>Z1-α/2，則拒絕原假設，即趨勢顯著；在計算結果滿足上述二條件情況下，如果Z為正，則表明被檢測序列具有上升趨勢；若Z為負時，說明被檢測序列趨勢是下降的；當Z為0時，表明無顯著趨勢。

1.2.3 作物生產(chǎn)水足跡影響因素分析 各影響因素和作物生產(chǎn)水足跡關系的分析，采用SPSS 17.0軟件進行Pearson相關分析，并在此基礎上采用通徑分析確定各因素對作物生產(chǎn)水足跡的影響。通徑分析能夠分析多個自變量與應變量之間的線性關系，是回歸分析的拓展，可以處理較為復雜的變量關系[14]。

1.3 數(shù)據(jù)及來源

氣象數(shù)據(jù)包括2005—2014年山西省各地區(qū)逐月平均最高氣溫、月平均最低氣溫、月平均氣溫、平均風速、相對濕度、日照時數(shù)、降雨量，數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)，缺失的氣象數(shù)據(jù)通過反距離權重差值方法取得。作物系數(shù)和生育期參考《北方地區(qū)主要農(nóng)作物用水灌溉定額》和聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)數(shù)據(jù)庫。11個市逐年的作物產(chǎn)量、單位面積產(chǎn)量、播種面積、化肥使用量和農(nóng)業(yè)機械總動力等數(shù)據(jù)來源于山西省統(tǒng)計年鑒及各地區(qū)統(tǒng)計年鑒(2006—2015年)。

2 結果與分析

2.1 山西省糧食作物生產(chǎn)藍綠水足跡時間變化趨勢

2005—2014年山西省6種糧食作物生產(chǎn)消耗藍水和綠水量總體上呈現(xiàn)下降趨勢，這與作物單產(chǎn)的增加趨勢相反(圖1)。6種作物中玉米、大豆、馬鈴薯、谷子藍水足跡下降趨勢均達到顯著(M-K檢驗值均小于-1.96)，而綠水足跡中僅有谷子下降趨勢達到顯著，且綠水足跡變異系數(shù)均小于藍水，表明作物藍水足跡下降趨勢和下降幅度均小于綠水足跡。此外，作物水足跡在作物間差異顯著，6種作物中大豆藍水足跡和綠水足跡年均值皆最大為2.74，2.11 m3/kg，玉米和小麥作為山西省最主要的糧食作物擁有較低的水足跡，生產(chǎn)單位質(zhì)量玉米所需藍水資源最小為0.42 m3/kg，小麥所需綠水資源最小為0.41 m3/kg。

山西省11個市綜合作物生產(chǎn)水足跡在研究時段內(nèi)均呈下降趨勢(圖2)。大同和呂梁的綜合作物生產(chǎn)水足跡下降幅度和波動幅度均較大，2個區(qū)域綜合作物生產(chǎn)綠水足跡極差為0.6 m3/kg左右，其余地區(qū)極差均小于0.55 m3/kg。區(qū)域間綜合作物生產(chǎn)藍水足跡下降幅度和波動幅度均大于綠水足跡。大同和呂梁綜合作物生產(chǎn)藍水足跡的極差為1.9，1.41 m3/kg，長治和晉城綜合作物生產(chǎn)藍水足跡呈現(xiàn)相對平穩(wěn)的下降趨勢，極差均小于0.3 m3/kg，其他區(qū)域為0.5 m3/kg左右，年際波動相對較大。區(qū)域間綜合作物整體表現(xiàn)為作物水足跡越高的地區(qū)有越大的年際波動。

圖12005-2014年山西省糧食作物生產(chǎn)藍綠水足跡及單位面積產(chǎn)量時間演變

2.2 山西省糧食作物生產(chǎn)藍綠水足跡空間分布

山西省糧食作物生產(chǎn)藍水足跡和綠水足跡在區(qū)域間差異顯著，整體表現(xiàn)為由北向南波動中下降的趨勢(圖3)。大同的玉米、高粱、大豆生產(chǎn)藍水足跡均為全省最高，分別為1.04，1.71，5.22 m3/kg，小麥和谷子生產(chǎn)藍水足跡為呂梁市最高，分別為1.67，2.24 m3/kg。同樣，呂梁市玉米和谷子生產(chǎn)綠水足跡也達到全省最高，分別為0.65，2.64 m3/kg。晉南地區(qū)(包括臨汾、運城、晉城市)和晉中市作物生產(chǎn)藍水足跡和綠水足跡都比較低。此外，作物間的空間差異水平也有所不同。大豆、谷子和馬鈴薯生產(chǎn)水足跡波動范圍較廣，谷子藍綠水足跡極差均大于1.7 m3/kg，大豆藍綠水足跡極差分別為3.68，1.97 m3/kg，空間差異顯著。馬鈴薯生產(chǎn)綠水足跡和藍水足跡極差分別為1.1，1.6 m3/kg，空間差異也較大。而小麥和玉米作為山西省最主要的糧食作物，生產(chǎn)水足跡較低，綠水足跡極差最低為0.2 m3/kg。

圖2山西省各地區(qū)綜合作物生產(chǎn)藍水和綠水足跡時間演變

圖3山西省主要糧食作物生產(chǎn)藍水和綠水足跡空間分布

2.3 作物生產(chǎn)水足跡組成

山西省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水組成在區(qū)域間存在較大差異(表1)，晉南地區(qū)(包括晉城、臨汾、運城市)糧食作物藍水消耗占比52%低于晉北地區(qū)(包括大同、朔州、忻州市)的56%，晉北地區(qū)中忻州市各作物藍水消耗比例明顯低于其他地區(qū)。作物水足跡組成在作物間差異顯著(表1)，馬鈴薯、大豆生產(chǎn)水足跡組成具有相似的空間分布，生產(chǎn)消耗均以藍水為主，占比均值為55%和56%。玉米藍綠水消耗基本持平，藍水利用率由北向南逐漸減小。谷子和高粱生產(chǎn)消耗用水除大同市藍水消耗較多外，其他地區(qū)均小于50%。小麥綠水利用率較低，水資源消耗以藍水為主。

2.4 影響因素分析

為了進一步定性分析山西省氣候變化和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素投入對于作物生產(chǎn)水足跡的影響，選取氣候因子(降雨量X1，平均風速X2，相對濕度X3，日照時數(shù)X4，平均氣溫X5)和生產(chǎn)要素(化肥使用量X6和農(nóng)業(yè)機械總動力X7)與綜合作物生產(chǎn)水足跡進行相關分析。

表1 2005-2014年山西省11市糧食作物生產(chǎn)藍水足跡比例

據(jù)表2可知，氣象因子中降雨量、相對濕度、平均氣溫與綜合作物水足跡、綜合作物藍水足跡均呈負相關，且相關性達到顯著。平均風速、日照與綜合作物生產(chǎn)水足跡呈正相關關系，且與日照達到顯著相關。而相對濕度、日照、平均氣溫與綜合作物綠水足跡也達到顯著相關。生產(chǎn)投入因子中化肥使用量、農(nóng)業(yè)機械總動力與綜合作物總水足跡和藍水足跡呈顯著負相關。在具體作物中，氣候因子、生產(chǎn)要素投入與玉米水足跡的相關性較強，除風速外其他因子均與水足跡達到顯著相關。高粱、大豆、馬鈴薯水足跡與降雨量呈顯著負相關關系。高粱水足跡和日照呈顯著正相關關系。

表2 作物生產(chǎn)水足跡與影響因素的相關分析

注：*表示顯著相關(p<0.05)，**表示極顯著相關(p<0.01)，WFP，WFPg和WFPb分別代表作物生產(chǎn)總水足跡、綠水足跡和藍水足跡。

將綜合作物生產(chǎn)水足跡與各影響因素進行通徑分析(表3)。從各因素對于綜合作物生產(chǎn)水足跡的總體影響來看，日照對于綜合作物生產(chǎn)水足跡的影響最大，其次是平均氣溫、降水量、平均濕度、農(nóng)業(yè)機械總動力、化肥使用量、風速。其中風速和日照時數(shù)對綜合作物生產(chǎn)水足跡的作用為正作用，其余因素皆為負作用，與相關分析結果相一致。降雨量和日照對綜合作物生產(chǎn)水足跡的直接影響較大。

表3 山西省作物生產(chǎn)水足跡影響因素通徑分析

注：WF為綜合作物生產(chǎn)水足跡。X1—X7分別為降雨量、平均風速、平均濕度、日照、平均氣溫、農(nóng)用化肥總使用量、農(nóng)機總動力。

3 討論與結論

山西省作物生產(chǎn)水足跡在研究時段內(nèi)均呈現(xiàn)下降趨勢,且作物藍水足跡年際波動和下降趨勢較綠水足跡明顯，表明灌溉水資源利用效率在逐年提高。在空間上作物生產(chǎn)水足跡呈現(xiàn)出由南向北增長的趨勢，這主要與區(qū)域作物生產(chǎn)的氣候條件、用水效率、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術和管理等因素的差異有關。孫世坤等[15]將中國不同區(qū)域小麥生產(chǎn)水足跡與區(qū)域降水量和作物單產(chǎn)進行對比得出三者在空間分布上的一致性。山西省降水量南北差異顯著，從東南向西北遞減，晉南地區(qū)降雨豐富，水利設施便利，更能滿足作物生長發(fā)育，且作物單產(chǎn)較高，其中晉南地區(qū)大豆、馬鈴薯單產(chǎn)達到晉北地區(qū)的2倍[16-17]。小麥生產(chǎn)水足跡與其他作物呈現(xiàn)不同的空間分布主要是因為晉北地區(qū)氣候條件和土壤條件與其他地區(qū)有較大差異，不同于晉南和晉中部地區(qū)種植冬小麥，晉北部地區(qū)種植春小麥，生育期不同，降水量差異也較大，生產(chǎn)單位質(zhì)量小麥所需水分也有不同[18]。

山西省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水組成在區(qū)域間和作物間差異顯著，區(qū)域間藍水比例由南向北逐漸增大，作物間小麥綠水足跡比例較低。作物生產(chǎn)綠水足跡來源于降雨，相比較藍水(灌溉水)來說，具有較低的機會成本，且綠水在維持陸地生態(tài)系統(tǒng)和雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)糧食安全方面具有重要意義[19]，因此分析作物水足跡組成對于明晰區(qū)域作物生產(chǎn)過程中水資源利用類型，改善用水結構方面具有重要意義。水足跡組成和降雨關系密切，晉南地區(qū)氣候濕潤，降水充沛，這是晉南地區(qū)藍水足跡比例較小的主要原因。同處晉北的大同和忻州，研究時段內(nèi)大同年平均降水量為384 mm，而忻州地區(qū)年平均降水量約為433 mm，降水相對豐富是忻州地區(qū)綠水足跡比例高于大同地區(qū)的主要原因。作物對于綠水資源的利用，受當?shù)氐慕邓?、降水時間與作物生育期吻合度影響。山西省各市降雨集中在6—8月，與玉米、高粱、谷子等作物生育期比較吻合，這是這類作物綠水比例高于小麥的主要原因。

歸因分析結果顯示區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和氣候因素都對作物生產(chǎn)水足跡產(chǎn)生影響，其中氣候因素中日照和降雨是造成水足跡差異的最直接因素。分析原因主要為：日照直接影響作物光合作用，從而影響作物生長發(fā)育和產(chǎn)量，降雨量直接影響作物生長過程中的綠水消耗[15]。日照時數(shù)通過平均氣溫對作物生產(chǎn)水足跡的間接作用較大，降水量除了直接影響外，主要通過相對濕度對作物生產(chǎn)水足跡起作用。風速主要通過影響作物冠層的水汽擴散速率進而影響作物生產(chǎn)水足跡[20]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料方面，已有研究表明化肥和農(nóng)機總動力可大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，促進作物產(chǎn)量提高[21]。

結合作物生產(chǎn)水足跡內(nèi)涵及其影響因素來看，控制和減緩作物水足跡增長的途徑有：(1) 調(diào)整種植業(yè)結構，擴大生產(chǎn)水足跡比較優(yōu)勢區(qū)作物的播種面積，降低缺乏生產(chǎn)水足跡比較優(yōu)勢作物的播種面積，并通過虛擬水戰(zhàn)略方式進口高耗水作物[22]；(2) 增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入，加強農(nóng)業(yè)機械化，提高作物單位面積產(chǎn)量；(3) 加強節(jié)水技術的應用和推廣，提高降雨和灌溉水利用率。此外，化肥雖然是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入要素，在提高作物單產(chǎn)方面具有重要作用，但是過度使用化肥會造成土壤肥力下降和農(nóng)業(yè)面源污染[23]，同時隨著化肥和農(nóng)業(yè)機械動力投入的增加其邊際效應逐漸減弱，對于作物增產(chǎn)方面的作用會逐漸降低，因此，提高水資源利用效率是降低水足跡的一項綜合性的技術措施。

本文以地級市為計算單元研究山西省近10 a的6種糧食作物生產(chǎn)藍水和綠水足跡，尺度較為精細，時間序列較長，作物種類較全，更能綜合反映山西省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的用水效率，但是受限于數(shù)據(jù)的制約，本文未對灰水足跡進行量化。此外，在對造成作物生產(chǎn)水足跡差異影響因素分析時僅考慮了氣候因子和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的影響，而未對人口、生產(chǎn)規(guī)模、農(nóng)業(yè)技術和經(jīng)濟發(fā)展等因素進行分析，闡明這些因素對作物生產(chǎn)水足跡的影響大小及其作用機制可為降低作物生產(chǎn)水足跡提供較為全面的思路。這些都需要做進一步的研究。

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