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基于虛擬水理論的功能農(nóng)業(yè)示范區(qū)玉米種植水足跡研究
——以山西太谷為例

2018-08-17 03:16:18王春玲
山西農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018年8期
關(guān)鍵詞:藍(lán)水太谷縣灰水

張 鑫,李 磊,于 斐,王春玲

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院,山西 太谷 030801;2.山西省環(huán)境科學(xué)研究院,山西 太原 030027;3.齊魯工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250353)

人類活動(dòng)會(huì)消耗和污染大量的水資源。其中,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)消耗了大部分的水資源,還有相當(dāng)一部分水資源用于工業(yè)生產(chǎn)和人類生活。在我國(guó),自改革開放以來,經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展加劇了大量水資源的消耗和污染,社會(huì)各部門對(duì)水的需求量給農(nóng)業(yè)用水帶來巨大壓力。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó),面臨著嚴(yán)峻的水資源壓力,根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù),2016年農(nóng)業(yè)用水量3 768億m3,占全國(guó)總用水量的62.4%,農(nóng)業(yè)用水90%以上用于灌溉,灌溉用水有效利用系數(shù)僅為0.542,被浪費(fèi)掉的水資源有1 553億m3。優(yōu)化水資源配置、提高單位農(nóng)產(chǎn)品的用水效率,可以有效促進(jìn)農(nóng)田節(jié)水的健康發(fā)展,促進(jìn)水資源的高效利用,緩解水資源壓力。

“水足跡”理論是荷蘭學(xué)者HOEKSTRA[1]基于虛擬水(virtual water,VW)概念提出的,借此可以更加全面地理解產(chǎn)品中真實(shí)的水資源消費(fèi)與需求[2]。水足跡評(píng)價(jià)手冊(cè)指出,水足跡是消費(fèi)者或生產(chǎn)者直接或間接使用水資源的衡量指標(biāo),包括水資源的消耗量和污染量[3]。作物生產(chǎn)水足跡可以反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的水資源利用效率及其真實(shí)的占有量[4],結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃Y源情況,實(shí)現(xiàn)水資源的合理利用,提高水資源利用率,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。SUTTAYAKUL等[5]研究發(fā)現(xiàn),泰國(guó)油棕的平均水足跡為1 063 m3/t,藍(lán)水、綠水和灰水分別占68%,18%,14%;HUANG等[6]研究了給北京供應(yīng)的谷物和蔬菜的水足跡,結(jié)果表明,在北京地區(qū)種植谷物較種植蔬菜減少藍(lán)水和灰水的消耗;秦麗杰等[7]對(duì)吉林省西部的玉米水足跡進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,綠水是玉米生長(zhǎng)的主要水源,只有保護(hù)好當(dāng)?shù)氐木G水資源,才能保證其生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

功能農(nóng)業(yè)作為繼高產(chǎn)農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)之后第3個(gè)農(nóng)業(yè)發(fā)展的階段,是生態(tài)高值農(nóng)業(yè)發(fā)展的進(jìn)一步延伸,可以推動(dòng)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革,提升農(nóng)業(yè)資源的可持續(xù)發(fā)展能力,促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)良性循環(huán)[8]。對(duì)功能農(nóng)業(yè)示范區(qū)主要作物的水足跡進(jìn)行研究,可以全面了解示范區(qū)內(nèi)各種水資源的利用效率,對(duì)減緩水資源壓力,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源的長(zhǎng)期可持續(xù)利用以及當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的平衡、穩(wěn)定的良性循環(huán)有著重要意義。山西太谷作為山西功能農(nóng)業(yè)的龍頭,致力于建設(shè)全國(guó)功能農(nóng)業(yè)綜合示范區(qū),將功能農(nóng)業(yè)培育成山西農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展的“新動(dòng)能”。

本研究應(yīng)用虛擬水理論方法,借助《山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》資料,分析2000—2015年太谷主要農(nóng)作物玉米種植水足跡的時(shí)空變異規(guī)律,以期對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)可持續(xù)發(fā)展提供資料支持和決策參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

太谷縣位于山西省晉中盆地東北部,降雨比較少,全年可利用的地面水和地下水資源總量為1.71億m3,人均水資源量?jī)H為562.6 m3,水資源嚴(yán)重短缺。太谷縣總面積1 033.6 km2,地理位置為東經(jīng) 112°28′~113°01′,北緯 37°12′~37°3′,屬于暖溫帶大陸性氣候,年平均氣溫為7~10℃,年降水量為458 mm左右,海拔多為767~1 900 m,全縣轄3鎮(zhèn)6鄉(xiāng)198個(gè)行政村。

1.2 研究方法

1.2.1 綠水足跡 綠水足跡是儲(chǔ)存在非飽和土壤層中并通過植被蒸散消耗掉的綠水資源,綠水有益于作物生長(zhǎng),但并不是所有的綠水都能被作物利用。農(nóng)作物的綠水足跡是指來自田地或者農(nóng)場(chǎng)的雨水總蒸散量與儲(chǔ)存在農(nóng)作物內(nèi)的水分。農(nóng)業(yè)消耗的綠水可以通過采用模擬作物蒸散發(fā)的模型進(jìn)行測(cè)量或評(píng)價(jià),而這些模型往往以氣候、土壤或作物特征為基本輸入數(shù)據(jù)[3]。

其中,WFgreen為綠水足跡(m3/a);CWUgreen為玉米生長(zhǎng)綠水消耗量(m3/hm2);A為玉米播種面積(hm2);ETgreen為綠水蒸散量(mm/d);常量因子 10是將水的深度(mm)轉(zhuǎn)化為單位陸地面積的水量(m3/hm2)的轉(zhuǎn)換系數(shù);總和∑求的是從種植日期(第1天)到收獲日期的積累量(lgp表示生長(zhǎng)期的長(zhǎng)度,以日計(jì)量);ETc是玉米蒸散量(mm);Peff是有效降水量(mm)。

1.2.2 藍(lán)水足跡 藍(lán)水足跡是藍(lán)水消耗的指標(biāo),也就是地表水和地下水的消耗指標(biāo)[3]。在農(nóng)作物的生長(zhǎng)過程中,對(duì)藍(lán)水需求量的衡量一般采用灌溉用水指標(biāo)進(jìn)行分析,藍(lán)水主要來源于地表水、可更新地下水和深層地下水[9-10]。

其中,WFblus為藍(lán)水足跡(m3/a);CWUblus為玉米生長(zhǎng)藍(lán)水消耗量(m3/hm2);ETblus為藍(lán)水蒸散量(mm/d)。

1.2.3 灰水足跡 灰水足跡是衡量水污染程度的指標(biāo),是以自然本底濃度和現(xiàn)有的環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn),將一定的污染物負(fù)荷吸收同化所需要的淡水體積[3,11]。

其中,WFgrey為灰水足跡(m3/a);α 為淋溶率,即進(jìn)入水體的污染量占總化學(xué)物質(zhì)施用量的比例;AR為每公頃土地的化肥施用量(kg/hm2);Cmax為最大容許濃度(kg/m3);Cnat為污染物的自然本底濃度(kg/m3)。

1.2.4 玉米生長(zhǎng)過程水足跡 將玉米在整個(gè)生長(zhǎng)周期中的綠水、藍(lán)水、灰水足跡的量相加,即得到玉米生長(zhǎng)過程水足跡,其表示玉米在整個(gè)生長(zhǎng)周期中所消耗的水資源量。

其中,WF為玉米生長(zhǎng)過程水足跡(m3/a)。

1.2.5 玉米生長(zhǎng)過程水足跡效率 水足跡效率表示的是單位水足跡上產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值數(shù)量,其值越大,說明水足跡的效率就越高;其值越小,則水足跡效率越低[12-13]。

其中,g為玉米水足跡效率(元/m3);GDP為太谷縣農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值(元)。

1.3 數(shù)據(jù)來源

計(jì)算數(shù)據(jù)來源包括:聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的CLIMWAT和CROP數(shù)據(jù)庫(kù)中有關(guān)山西太谷的相關(guān)氣候數(shù)據(jù);太谷縣玉米播種面積來源于《山西省統(tǒng)計(jì)年鑒》。對(duì)灰水足跡進(jìn)行計(jì)算時(shí),選取主要污染物氮肥為指標(biāo),并且取10%為氮肥淋溶率進(jìn)行計(jì)算,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中,氮肥的主要淋失形態(tài)為硝態(tài)氮[14],選取硝酸鹽的標(biāo)準(zhǔn)濃度限值為10 mg/L,故Cmax為0.01 kg/m3,Cnat為污染物在水體中的初始濃度,常以 0 計(jì)[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 太谷縣玉米生長(zhǎng)過程水足跡分析

通過借助聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的CROPWAT 8.0模型計(jì)算出玉米生長(zhǎng)周期中的蒸散量ETc和有效降雨量 Peff,并根據(jù)公式(1)~(8)最終求出 2000—2015年太谷縣玉米生長(zhǎng)過程的水足跡(圖1)。

由圖1可知,太谷縣2000—2015年玉米生長(zhǎng)過程水足跡整體呈曲折上升的趨勢(shì),水足跡大小受當(dāng)年玉米種植面積、農(nóng)田灌溉技術(shù)及當(dāng)年降雨量多少的影響。在2000—2003,2010—2011年呈下降趨勢(shì),其中,2000—2001,2010—2011年下降幅度較??;在其他年份均為上升趨勢(shì),其中,2003—2007年漲幅最大,同比增長(zhǎng)93%。在這16 a中,2015年水足跡值最大,為1.48×109m3/a,2003年水足跡最小,為0.55×109m3/a,平均水足跡為1.04×109m3/a。

2.2 太谷縣玉米綠水、藍(lán)水、灰水足跡分析

2000—2015年太谷縣玉米生長(zhǎng)過程藍(lán)水、綠水、灰水足跡的變化趨勢(shì)如圖2所示。由圖2可知,藍(lán)水足跡總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì),局部年份受降水、氣候、播種面積等因素的影響有所降低,藍(lán)水足跡最大值出現(xiàn)在2015年,為8.67×108m3/a,最小值出現(xiàn)在2003年,為3.36×108m3/a。在2001—2003,2010—2011年藍(lán)水足跡呈下降趨勢(shì),其余年份為遞增趨勢(shì),尤其2003—2007年增幅最大,增加了89%。

綠水足跡總體呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),整體變化幅度與藍(lán)水足跡相比較小,在2001—2003,2010—2011年間為下降趨勢(shì),其余年份為小幅上升趨勢(shì),其最大值出現(xiàn)在2015年,為3.74×108m3/a,最小值出現(xiàn)在2003年,為1.45×108m3/a。

灰水足跡與綠水足跡的變化趨勢(shì)大致相同,在2001—2003,2010—2011年間呈下降態(tài)勢(shì),其余年份為緩慢上升趨勢(shì),主要是受到當(dāng)?shù)赜衩追N植面積的影響。灰水足跡的最大值出現(xiàn)在2014年,為2.42×108m3/a,最小值出現(xiàn)在2003年,為0.70×108m3/a?;宜阚E的值主要取決于氮肥施用量和玉米播種面積的多少。

對(duì)2000—2015年這16 a的太谷縣玉米生長(zhǎng)過程中的藍(lán)水、綠水、灰水足跡求平均值,得出綠水平均水足跡為2.67×108m3/a,藍(lán)水平均水足跡為6.20×108m3/a,灰水平均水足跡為1.54×108m3/a。由圖3可知,在太谷縣玉米生長(zhǎng)過程中,消耗最多的為藍(lán)水,占比59.54%,其次為綠水,占比25.68%,消耗最少為灰水,占比14.78%。

2.3 太谷縣玉米水足跡效率分析

水足跡效率可以用來分析太谷縣農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值與玉米生長(zhǎng)過程水足跡的關(guān)系,借助公式(9)得出2000—2015年太谷縣玉米水足跡效率(圖4)??傮w來說,玉米水足跡效率的變化趨勢(shì)并不規(guī)整,呈現(xiàn)上升—下降—上升—下降—直線上升的趨勢(shì),與水足跡的變化趨勢(shì)不盡相同,主要原因是由于受到當(dāng)年農(nóng)產(chǎn)品收購(gòu)價(jià)格的影響,水足跡效率在2000—2002,2004—2005,2008—2014年間為遞增趨勢(shì),其余年份為下降趨勢(shì),其最小值為2004年的0.41元/m3,最大值為2014年的1.20元/m3,2014年為2004年的3倍,平均值僅為0.77元/m3,表明雖然太谷縣玉米水足跡效率在明顯提高,在單位量的水足跡上能夠產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)效益,但同時(shí)也表明太谷縣玉米水足跡效率仍處在一個(gè)較低的水平。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

本研究借助CROPWAT 8.0軟件定量分析了2000—2015年太谷縣玉米生長(zhǎng)過程水足跡的時(shí)空變化情況,并計(jì)算了各年的水足跡效率。結(jié)果表明,自進(jìn)入21世紀(jì)以來,太谷縣玉米生長(zhǎng)過程水足跡整體呈曲折上升的趨勢(shì),其中,2003—2007年漲幅最大,同比增長(zhǎng)93%,水足跡的平均值為1.04×109m3/a,最小值出現(xiàn)在2003年,為0.55×109m3/a,最大值出現(xiàn)在2015年,為1.48×109m3/a,2015年為2003年的2.7倍。

在2000—2015年間,藍(lán)水足跡總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì),最大值為2015年的8.67×108m3/a,最小值為2003年的3.36×108m3/a;綠水、灰水足跡總體均呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì),其中,綠水足跡最大值為2015年的 3.74×108m3/a,最小值為 2003年的1.45×108m3/a;灰水足跡最大值為2014年的2.42×108m3/a,最小值為2003年的0.70×108m3/a。綠水、藍(lán)水、灰水足跡均在2001—2003,2010—2011年呈下降趨勢(shì),主要是因?yàn)樵谶@幾年間玉米播種面積降低。

在2000—2015年間,太谷縣玉米生長(zhǎng)過程水足跡均由藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡構(gòu)成。其中,藍(lán)水足跡占比最大,為59.54%,綠水足跡次之,為25.68%,灰水足跡占比最小,為14.78%。所以,在太谷縣玉米生長(zhǎng)水足跡過程中以藍(lán)水足跡為主,這也體現(xiàn)了太谷縣地處我國(guó)中部干旱、半干旱區(qū)域,降水稀少,水資源嚴(yán)重短缺,農(nóng)作物的生長(zhǎng)需水量主要依靠抽取地下水灌溉的實(shí)情。

自進(jìn)入21世紀(jì)以來,玉米水足跡效率的變化趨勢(shì)并不規(guī)整,呈現(xiàn)先上升后下降又上升、下降再直線上升的趨勢(shì),其最小值為2004年的0.41元/m3,最大值為2014年的1.20元/m3,為2004年的3倍,平均值僅為0.77元/m3,表明雖然太谷縣玉米水足跡效率在明顯提高,在單位量的水足跡上能夠產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)效益,但同時(shí)也表明太谷縣玉米水足跡效率仍處在一個(gè)較低的水平。太谷縣政府乃至?xí)x中市政府應(yīng)趁著“農(nóng)谷”發(fā)展的契機(jī),優(yōu)化農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu),加大農(nóng)業(yè)科技的投入力度,研發(fā)功能性農(nóng)產(chǎn)品,增加單位農(nóng)產(chǎn)品的價(jià)格,從而實(shí)現(xiàn)太谷縣農(nóng)作物水足跡效率的穩(wěn)步提高[15-16]。

3.2 討論

本研究在對(duì)玉米灰水足跡進(jìn)行估算時(shí),只選取了氮肥中的氮素作為玉米生長(zhǎng)過程中的關(guān)鍵污染物[17-18],沒有考慮其他化肥、農(nóng)藥等污染物引發(fā)的灰水足跡,因此,灰水足跡的估算結(jié)果可能略低于實(shí)際值,生長(zhǎng)過程水足跡也比實(shí)際值偏小。本研究對(duì)太谷縣主要農(nóng)作物玉米生長(zhǎng)過程水足跡以及水足跡的構(gòu)成、水足跡效率進(jìn)行了初步評(píng)價(jià),可以間接反映出山西省中部其他干旱區(qū)現(xiàn)有農(nóng)作物的水資源利用情況,對(duì)于合理調(diào)整太谷縣乃至山西省中部農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)、面積,緩解太谷縣水資源壓力,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展都有著重要的作用。

在山西省中部的干旱、半干旱地區(qū)發(fā)展旱作農(nóng)業(yè)時(shí)首先應(yīng)考慮農(nóng)作物對(duì)水資源的消耗情況,優(yōu)先考慮低耗水的農(nóng)作物,合理配置種植比例,適當(dāng)減少高耗水農(nóng)作物的播種面積,對(duì)于高耗水農(nóng)作物進(jìn)行品種改良,從而緩解水資源嚴(yán)重短缺的局面。藍(lán)水作為干旱地區(qū)主要農(nóng)作物生長(zhǎng)的主要水源,各級(jí)政府應(yīng)該興修農(nóng)田水利設(shè)施,引進(jìn)噴灌、滴灌等節(jié)水措施,逐步減少漫灌、溝灌等傳統(tǒng)的浪費(fèi)藍(lán)水資源的灌溉方法,地方科研單位也應(yīng)積極研發(fā)適合當(dāng)?shù)匕l(fā)展需求的節(jié)水技術(shù);并且要積極植樹造林、加強(qiáng)水土保持工程、降低土壤蒸發(fā)、適當(dāng)開展人工降雨作業(yè),提高綠水利用率;此外,在農(nóng)作物生長(zhǎng)過程中還應(yīng)該優(yōu)化施肥比例,要加大農(nóng)家肥、有機(jī)肥的投入比例,減少氮磷肥的施用,不僅能降低農(nóng)作物生長(zhǎng)過程的灰水足跡,也能提高糧食的安全性;最后,各級(jí)科研單位應(yīng)趁著“農(nóng)谷”發(fā)展的契機(jī),加大農(nóng)業(yè)科技的研發(fā)力度,服務(wù)地方,研發(fā)功能型農(nóng)產(chǎn)品,提高單位農(nóng)產(chǎn)品的價(jià)格,提高農(nóng)作物的水足跡效率。

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