徐維葳 吳 凡

(1.深圳市水文水質(zhì)中心，廣東 深圳 518055；2.安徽省駟馬山引江工程管理處，安徽 和縣 238251)

在我國供水受到約束，而用水又呈增長的態(tài)勢下，節(jié)水成為緩解水資源供需矛盾的根本路徑[1]。許多學(xué)者從節(jié)水指標體系建設(shè)、節(jié)水技術(shù)標準核算等層面，對水分利用效率、節(jié)水潛力進行了定量的分析[2-5]。

從水足跡概念的角度評估農(nóng)作物對水資源的利用效率，在農(nóng)業(yè)節(jié)水評估方面越來越受到重視[6]。作物生產(chǎn)水足跡反映了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中消耗的水資源總量以及水資源的利用類型，許多研究者對大尺度范圍的作物生產(chǎn)水足跡進行了量化或評價[7-9]研究。水足跡主要包含了藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡，見圖1。藍水足跡是作物生長過程中消耗使用的地表水和地下水的水資源量；綠水足跡是作物生長過程中蒸發(fā)所消耗的儲存在非飽和土壤層中的水資源量；灰水足跡是以自然本底濃度和現(xiàn)有的水質(zhì)環(huán)境標準為基準，將一定的污染負荷吸收同化所需的淡水量。

作物生產(chǎn)水足跡是作物生長過程中所消耗的藍水、綠水和灰水之和，但是灰水是將一定的污染負荷吸收同化達到一定的標準所需的淡水量，并不是作物生長期直接消耗的水資源量。鑒于農(nóng)作物的施肥、農(nóng)藥等統(tǒng)計數(shù)據(jù)難以獲取，因此在進行農(nóng)作物水足跡計算時，許多研究只對藍水和綠水進行分析計算，以此作為糧食生產(chǎn)水足跡。評估農(nóng)作物藍水、綠水的利用情況對農(nóng)業(yè)水資源管理十分重要，不僅可以通過改變種植結(jié)構(gòu)達到節(jié)水的目的，還能夠通過調(diào)整作物耗水結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)節(jié)水目標[10]。

因此，本文以黃山市為例，計算黃山市的主要糧食作物生產(chǎn)水足跡，分析其變化趨勢，以期對黃山市主要糧食作物種植結(jié)構(gòu)及農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黃山市位于安徽省的最南端，總面積9807km2，約占安徽省總面積的7%。黃山市年平均氣溫在15.5～16.4℃之間，平均年降水量為1670mm，最高可達2708mm，降水多集中在5—8月，多年平均水資源總量約102.13億m3。全市地表起伏大，以山地丘陵為主，其中山地面積占黃山市總面積的一半，黃山市地勢見圖2。

圖2 黃山市地勢

黃山市降水充沛，水資源量豐富，糧食生產(chǎn)以稻谷、玉米、豆類以及薯類為主。因此，本文選取稻谷、玉米、豆類、薯類為代表研究黃山市糧食生產(chǎn)水足跡及變化情況。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所需的氣象數(shù)據(jù)為2000—2019年各縣區(qū)逐日數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。水資源數(shù)據(jù)來源于2001—2020年《安徽省水資源公報》《黃山市水資源公報》。主要糧食作物系數(shù)參考聯(lián)合國糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)庫的推薦值，并根據(jù)相鄰區(qū)域已有研究成果進行適當(dāng)修正。糧食作物產(chǎn)量、單位面積產(chǎn)量、播種面積等數(shù)據(jù)來源于2001—2020年《安徽省統(tǒng)計年鑒》和《黃山市統(tǒng)計年鑒》。

2 作物生產(chǎn)水足跡計算方法

2.1 作物需水量計算

作物需水量為參考作物蒸散發(fā)和作物系數(shù)的乘積，利用Penman-Monteith公式進行計算，具體計算公式見文獻[8]。

2.2 糧食生產(chǎn)水足跡計算

灰水足跡是稀釋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的污染物消耗的水資源量，并非農(nóng)作物生長過程中直接消耗的水資源量，所以本文只考慮農(nóng)作物在生長周期內(nèi)直接消耗的實際水資源量，即藍水足跡和綠水足跡。計算公式為

WF=WFgreen+WFblue

(1)

(2)

(3)

式中：WF為作物生產(chǎn)水足跡，m3/kg；WFgreen為綠水足跡，m3/kg；WFblue為藍水足跡，m3/kg；CWUgreen和CWUblue分別為作物生長期綠水和藍水的消耗量，m3/hm2；Y為作物單位面積產(chǎn)量，kg/hm2；ETgreen和ETblue為作物生育期蒸發(fā)蒸騰量中來自綠水和藍水的量,mm，計算公式為

ETgreen=min(ETC,P)

(4)

ETblue=max(0,ETC-P)

(5)

(6)

(7)

式中：P為作物生長期內(nèi)的有效降雨量,mm；Pt為旬降雨量,mm；Pe為有效旬降雨量，mm；n為生長期旬的個數(shù)；ETC為作物蒸發(fā)蒸騰量，mm；Pe,j為第j個旬有效降雨量,mm。

將不同種類作物生產(chǎn)水足跡和作物產(chǎn)量加權(quán)得到綜合作物生產(chǎn)水足跡，計算公式為

(8)

2.3 作物生產(chǎn)水足跡變化特征

將計算得到的作物水足跡采用Mann-Kendall檢驗法(簡稱M-K方法)進行統(tǒng)計檢驗，對作物的生產(chǎn)水足跡和綜合作物生產(chǎn)水足跡進行趨勢分析。M-K方法的應(yīng)用十分成熟，具體計算過程本文不再贅述，采用胡琦等[10]人的方法進行計算。

3 結(jié)果與分析

3.1 主要糧食作物生產(chǎn)水足跡計算結(jié)果

根據(jù)上述公式，計算出2000—2019年黃山市4種主要糧食作物的生產(chǎn)水足跡，結(jié)果見表1。黃山市4種主要糧食作物的生產(chǎn)水足跡為：豆類>稻谷>玉米>薯類，最大值約為最小值的3.4倍。同種作物的生產(chǎn)水足跡在不同年份表現(xiàn)出不同的差異，玉米的變化幅度最大，極值比達到了7.44；稻谷的生產(chǎn)水足跡在不同年份差異最小，極值比為1.73。4種作物的產(chǎn)量變化見圖3，從圖3中可以看出，豆類的產(chǎn)量最少，但計算得到的生產(chǎn)水足跡值最大；稻谷的產(chǎn)量最大，這與黃山濕潤的氣候條件有關(guān)，更適合稻谷的種植；其次是薯類和玉米。玉米和豆類的產(chǎn)量年際變化不大，較為突出的是稻谷的產(chǎn)量下降趨勢明顯，玉米的產(chǎn)量呈增加趨勢。從統(tǒng)計的糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)中可知，黃山市糧食總產(chǎn)量在減少，主要原因是由稻谷產(chǎn)量減少引起的，同時，薯類和豆類產(chǎn)量在近幾年也呈減少趨勢。

表1 黃山市主要糧食作物生產(chǎn)水足跡 單位：m3/kg

圖3 黃山市主要糧食作物產(chǎn)量變化

3.2 主要糧食作物生產(chǎn)水足跡變化特征

根據(jù)式(8)計算得到2000—2019年黃山市4種主要作物的綜合生產(chǎn)水足跡以及綠水足跡和藍水足跡的趨勢變化，其整體均呈減小趨勢(見表2及圖4)，其中稻谷的藍水足跡、綠水足跡以及綜合生產(chǎn)水足跡均呈現(xiàn)不顯著減小趨勢；玉米和豆類的藍水足跡和綜合生產(chǎn)水足跡均呈顯著減小趨勢，這與農(nóng)業(yè)技術(shù)進步和大力推廣節(jié)水密不可分。稻谷產(chǎn)量的降低主要是由種植面積減少引起的，稻谷的種植面積由2000年的564.85km2降至2019年的332.75km2，產(chǎn)量從2000年的31.82萬t降至2019年的22.04萬t，盡管單位面積產(chǎn)量有所提升，但總產(chǎn)量大幅減少，因而計算得到的稻谷生產(chǎn)水足跡呈減小趨勢。玉米的生長周期較短，其生育期與一年內(nèi)雨季的一致性較好，在很大程度上降低了對灌溉的需求，隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的進步和用水效率的提高，單位面積產(chǎn)量大幅提升，因此計算得到的水足跡較低。薯類的水足跡表現(xiàn)為不顯著增加趨勢，薯類作物對水分的要求比較低，黃山市多年平均降水量完全滿足薯類產(chǎn)品對水分的需求，因此綜合生產(chǎn)水足跡遠低于其他幾種作物。

表2 黃山市主要糧食作物生產(chǎn)水足跡M-K檢驗結(jié)果

圖4 黃山市主要糧食作物藍綠足跡變化趨勢

豆類的水足跡居于4種主要農(nóng)作物之首，豆類屬于高耗水作物，多年平均藍水足跡占綜合生產(chǎn)水足跡的44%。4種糧食作物生產(chǎn)綠水足跡為：豆類>玉米>稻谷>薯類；4種糧食作物生產(chǎn)藍水足跡為：豆類>稻谷>玉米>薯類。

4 討 論

對黃山市2000—2019年4種主要糧食作物生產(chǎn)水足跡及其變化趨勢的研究表明，由于農(nóng)作物單產(chǎn)的提升，農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡整體呈減小趨勢。豆類的水足跡較高，但豆類不是黃山市的主要糧食作物，其種植面積和產(chǎn)量與稻谷相比有很大差距，尤其是近幾年，種植面積和產(chǎn)量比以往大幅減少。薯類藍水足跡較少，說明對藍水的依賴較低，是一種比較節(jié)水的農(nóng)作物，但是種植面積很少。稻谷的藍水足跡較大，這與稻谷的生長周期有關(guān)，作物生長需水多依賴灌溉水，灌溉對稻谷的產(chǎn)量有很大影響，適當(dāng)調(diào)整灌溉模式有益于提高水資源利用效率和提高糧食產(chǎn)量。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不僅消耗藍水，還消耗綠水。當(dāng)前，黃山市灌溉水利用系數(shù)較2000年前后有了很大提高，但總體利用效率仍然不高，糧食生產(chǎn)水足跡還可以進一步降低。改造提升傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，在適宜的氣候條件和地區(qū)，用低耗水的農(nóng)產(chǎn)品替代高耗水的農(nóng)產(chǎn)品，提高農(nóng)業(yè)用水效率，對提高黃山市水資源利用效率具有重要意義。加強節(jié)水技術(shù)研發(fā)和推廣力度，提高農(nóng)田水利建設(shè)水平，優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，有助于打破節(jié)水困境，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)。

5 結(jié) 語

本文對2000—2019年黃山市的4種主要糧食作物生產(chǎn)水足跡進行了定量計算和分析，較單個年份單個作物來說更為精細，但仍存在一定的誤差，所使用的數(shù)據(jù)既有統(tǒng)計年鑒的數(shù)據(jù)，也有公報數(shù)據(jù)，由于時間周期較長，數(shù)據(jù)統(tǒng)計誤差對量化作物生產(chǎn)水足跡會產(chǎn)生不利影響。盡管本文未考慮灰水足跡對作物生產(chǎn)水足跡的影響，導(dǎo)致計算結(jié)果偏低，但仍對水資源利用效率分析具有一定的參考價值。