紀(jì)鴻飛 李翔鵬 李方豪 聶堂哲

(黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

引言

水安全和糧食安全是當(dāng)今世界的2個基本問題。我國人均水資源不足，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，未來中國的水資源將更加稀缺。水資源短缺將嚴(yán)重威脅糧食安全，特別是在干旱地區(qū)。我國作為人口和農(nóng)業(yè)大國，水資源和糧食安全面臨著嚴(yán)峻的壓力，未來人口增長、工業(yè)用水競爭加劇以及氣候變化將給農(nóng)業(yè)用水帶來更大挑戰(zhàn)[1]。水足跡理論旨在為緩解區(qū)域水資源壓力、實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供新途徑。農(nóng)業(yè)水足跡包括綠水足跡、藍(lán)水足跡和灰色水足跡。綠水足跡指土壤中沒有流失或補(bǔ)給地下水且儲存在土壤中或暫時停留在土壤中可被植物生長利用的降水量。藍(lán)水足跡是指農(nóng)作物生產(chǎn)所消耗的地表水和地下水量?；宜阚E是指在給定自然背景濃度和現(xiàn)有環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，用于稀釋生產(chǎn)或消費(fèi)過程中進(jìn)入水體的污染物濃度至標(biāo)準(zhǔn)值所需水量[2]。

黑龍江省是我國重要的商品糧基地，玉米作為黑龍江省3大糧食作物(玉米、水稻、大豆)之一，其產(chǎn)量約占糧食總產(chǎn)量的50%[3]，哈爾濱玉米產(chǎn)量多年處于全省首位。然而，哈爾濱市水資源總量并不豐富，人均水資源量低于全國水平，農(nóng)業(yè)用水約占總用水量的75%[4]，單位面積灌溉水量比全國平均值高5～6倍[5]，農(nóng)業(yè)水資源利用效率低[6,7]。本文利用CROPWAT 8.0軟件估算2005—2015年哈爾濱玉米綠水足跡、藍(lán)水足跡和灰水足跡，并分析其時間變化規(guī)律。利用水足跡效益、藍(lán)水足跡虧損和藍(lán)水足跡比例指標(biāo)分析哈爾濱市玉米生產(chǎn)用水狀況。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

哈爾濱市位于中國東北平原東北部地區(qū)(E125°42′～130°10′，N44°04′～46°40′)，黑龍江省南部。該地區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年平均降水量569.1mm，夏季降水量占全年的60%，年均氣溫3.5℃。土壤類型為黑土，其養(yǎng)分含量比較豐富，適于各種農(nóng)作物生長[8,9]。

哈爾濱市總面積5.31×104km2，糧食作物播種面積1.975×106hm2，其中，玉米播種面積高于糧食總播種面積的50%(1.096×106hm2)。2020年玉米產(chǎn)量8.14×106t，高居全省第1。本文選取2005—2015年哈爾濱市玉米為研究對象[10]。

1.2 作物需水量

利用世界糧農(nóng)組織(FAO)推薦的彭曼公式計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)，再利用作物系數(shù)Kc計算ETc[11]，計算公式：

ETc=Kc×ET0

(1)

式中，ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量；ETc為作物蒸發(fā)蒸騰量，mm；Kc為作物系數(shù)。

1.3 有效降雨量

有效降雨量計算方法采用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦公式計算，計算公式：

(2)

式中，Peff為有效降雨量，P為降雨量，mm。

1.4 玉米水足跡

玉米水足跡計算基于Mekonnen等[12]開發(fā)的方法。

總水足跡計算公式：

WFc=WFgreen+WFblue+WFgrey

(3)

式中，WFc為總水足跡；WFgreen為綠水足跡；WFblue為藍(lán)水足跡；WFgrey為灰水足跡，m3·t-1。

綠水足跡計算公式：

WFgreen=10ETgreen/Y

(4)

ETgreen=min(ETc,Peff)

(5)

式中，ETgreen為綠水蒸發(fā)蒸騰量；Peff為玉米生長期內(nèi)有效降雨量，mm；Y為玉米單位面積產(chǎn)量，t·hm2-。

藍(lán)水足跡計算公式：

WFblue=10ETblue/Y

(6)

ETblue=max(0,ETc-Peff)

(7)

式中，ETblue為藍(lán)水蒸發(fā)蒸騰量，mm。

灰水足跡計算公式：

(8)

式中，WFgrey為灰水足跡，m3·t-1；AR為氮肥的施用量，kg·hm-2；α為淋溶率(進(jìn)入水體的污染量占總化學(xué)物質(zhì)施用量的比例)；Cmax為氮的最大容許濃度；Cnat為氮的自然本底濃度，kg·m-3。

本研究中，選取10%的氮肥施用量作為淋溶氮，α為10%，Cmax為0.01kg·m-3，遵循中國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)[13]，假定Cnat為0。

1.5 水足跡效益

用玉米總虛擬耗水量(WF總)與玉米總產(chǎn)值的比值表示玉米水足跡效益，亦是玉米生產(chǎn)過程中水資源的利用效率，即單位產(chǎn)值的玉米虛擬耗水量[14]。其值越大，表示水資源的利用效率越低。反之，水資源的利用效率越高。計算公式：

WF總=WFc×Yc

(9)

GDPm=PMY×SA

(10)

g=WF總/GDPm

(11)

式中，WF總為玉米總虛擬耗水量，m3；Yc為玉米總產(chǎn)量，t；GDPm為玉米總產(chǎn)值，萬元；PMY為玉米每公頃產(chǎn)值，萬元·hm-2；SA為玉米播種面積，hm2；g為玉米水足跡效益，m3/萬元。

1.6 藍(lán)水足跡虧損

為了將灌溉需水量與有效灌溉水量區(qū)分開來，運(yùn)用藍(lán)水足跡需求量的概念。由于二者之間的差異來自于作物是否得到充分灌溉，因此，引用了藍(lán)水足跡虧損(WFbd)，其表示藍(lán)水蒸發(fā)蒸騰量與有效灌溉水量的差值，反映了單位產(chǎn)量下灌溉水量的盈虧情況[14]。計算公式：

(12)

WFbd=WFbr-WFbi

(13)

式中，WFbr為玉米生育期藍(lán)水足跡需求量(數(shù)值上等同于ETblue與單產(chǎn)的比值)，m3·t-1；WFbi為玉米生育期內(nèi)實際的藍(lán)水足跡消耗量，m3·t-1；Fbd為玉米藍(lán)色水足跡虧損，m3·t-1；ID為不同水文年灌溉定額平均值，m3·hm-2；η為農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)。

當(dāng)WFbd<0時，表示藍(lán)水足跡過剩；當(dāng)WFbd=0時，表示實際藍(lán)水足跡消耗量剛好滿足藍(lán)水足跡需求量；當(dāng)WFbd>0時，表示藍(lán)水足跡短缺。

1.7 藍(lán)水足跡比例

綠、藍(lán)水足跡的數(shù)量不足以表示農(nóng)業(yè)用水所依賴的水資源類型情況，因此，引用藍(lán)水足跡在綠水足跡中的占比關(guān)系，來反映水足跡的構(gòu)成差異[15]。計算公式：

(14)

式中，WFbp為玉米藍(lán)水足跡比例。

2 結(jié)果與分析

2.1 水足跡時間變化趨勢

2005—2015年哈爾濱市玉米綠水足跡在204.5～365.2m3·t-1區(qū)間內(nèi)上下浮動，見圖1a，平均值為269.2m3·t-1，其以每10a下降18.4m3·t-1的趨勢變化；藍(lán)水足跡整體呈下降趨勢，見圖1b，其值在0～314.3m3·t-1范圍內(nèi)變化，平均值為186.7m3·t-1，其以每10a下降102.6m3·t-1的趨勢變化；灰水足跡呈波動下降趨勢，見圖1c，其值在89.4～120.7m3·t-1范圍內(nèi)浮動，平均值為108.3m3·t-1，其以每10a減小6.3m3·t-1的趨勢變化。2005—2015年哈爾濱市玉米總水足跡呈波動下降趨勢，見圖1d，其值在454.7～680.6m3·t-1范圍內(nèi)變化，平均值為564.2m3·t-1，最大值和最小值出現(xiàn)在2007年和2012年，分別為680.6m3·t-1和454.7m3·t-1?？傮w上看，總水足跡以每10a減少127.3m3·t-1的趨勢變化。

圖1 2005—2015年哈爾濱玉米水足跡時間變化規(guī)律

2.2 玉米水足跡效益

2005—2015年哈爾濱市玉米水足跡效益如圖2所示，哈爾濱市玉米水足跡效益數(shù)值浮動較大，范圍在2954.71～7390.26m3/萬元，平均值為4822.31m3/萬元。哈爾濱市玉米水足跡效益總體以每10a下降4980m3/萬元的趨勢變化，說明哈爾濱市玉米生產(chǎn)用水資源效率在穩(wěn)步提高。而2013—2015年稍有回升，主要由于玉米播種面積增加明顯，產(chǎn)量較大，玉米WFc值較大，導(dǎo)致水足跡效益有增長趨勢。

圖2 2005—2015年哈爾濱市玉米水足跡效益

2.3 玉米藍(lán)水足跡虧損

2005—2015年哈爾濱市藍(lán)水足跡虧損如圖3所示。由于灌溉用水效率的提高，哈爾濱市藍(lán)水足跡虧損整體呈下降趨勢，然而2007年、2008年灌溉面積的擴(kuò)大加劇了需水量的增加，使得2007年藍(lán)水足跡虧損增加到研究期最大值201m3·t-1，藍(lán)水足跡短缺最嚴(yán)重。2012年有效降雨量最大，藍(lán)水足跡虧損達(dá)到最小值(-24.4m3·t-1)，灌溉水量達(dá)到過剩狀態(tài)。

圖3 2005—2015年哈爾濱市玉米藍(lán)水足跡虧損

2.4 玉米藍(lán)水足跡比例

通過引入藍(lán)水足跡比例，發(fā)現(xiàn)哈爾濱市在研究期內(nèi)有9a藍(lán)水足跡比例高于50%，見圖4。這主要是由于有效降雨量不能滿足玉米生長所需水量，進(jìn)而導(dǎo)致灌水資源消耗量較大，所以藍(lán)水足跡比例較高。其中，2012年哈爾濱市降雨量充沛，有效降雨量基本滿足玉米生育期內(nèi)所需水量，導(dǎo)致這一年藍(lán)水足跡比例為0。

圖4 2005—2015年哈爾濱市玉米藍(lán)水足跡比例

3 討論

綠水足跡受降水量和玉米產(chǎn)量嚴(yán)重影響，藍(lán)水足跡的大小與灌溉水量和玉米產(chǎn)量密切相關(guān)。2007年有效降水量較低，且玉米種植面積擴(kuò)大，導(dǎo)致灌溉需水量較高，藍(lán)水足跡最高。在玉米水足跡中，綠水足跡平均值最大，玉米生產(chǎn)所消耗的綠水資源占比最大；玉米藍(lán)水足跡下降速率最快，表示灌溉水資源利用效率提高的最快；單位面積產(chǎn)量和氮肥施用量是影響玉米灰水足跡的重要因素。研究期內(nèi)氮肥施用量變化不大，而單位面積產(chǎn)量總體呈上升趨勢，以至于玉米灰水足跡波動下降。2012年玉米單位面積產(chǎn)量最高，所以灰水足跡最低。因此，在大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，應(yīng)指導(dǎo)農(nóng)民正確使用化肥來控制灰水足跡消耗；氣候變暖導(dǎo)致降水減少和蒸發(fā)加快，這使玉米生產(chǎn)過程中的有效降水量減少。此外，隨著工業(yè)的發(fā)展，加大了水資源的消耗[16]，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，使得玉米生產(chǎn)用水效率得以提高，玉米總水足跡下降。

更高的玉米產(chǎn)量并不一定意味著更高的經(jīng)濟(jì)效益，由于玉米價格、勞動力成本不穩(wěn)定等因素，經(jīng)濟(jì)效益總是在變化。因此，本文通過計算哈爾濱市玉米水足跡效益，對單位產(chǎn)值虛擬耗水量的變化趨勢進(jìn)行分析。結(jié)果表明，哈爾濱市玉米水足跡效益整體上不斷下降，水資源利用效率不斷提高，2015年水足跡效益降至3128.26m3/萬元，但其數(shù)值仍然較大，需要進(jìn)一步解決水資源短缺瓶頸。黑龍江省農(nóng)業(yè)灌溉消耗大量水資源，尤其是地下水資源[17,18]。因此，大力加強(qiáng)節(jié)水灌溉顯得尤為緊迫，以科技為支撐推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)，提高農(nóng)作物單產(chǎn)量，是減少農(nóng)作物水足跡、提高水資源利用效率的最主要途徑。雖然研究期內(nèi)哈爾濱市玉米藍(lán)水足跡虧損總體上不斷減少，但除2012年外始終為正值。這表明玉米生產(chǎn)過程中不能總是得到充分灌溉，加上哈爾濱市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水資源消耗巨大，給當(dāng)?shù)厮Y源造成巨大壓力。因此，應(yīng)控制耕地擴(kuò)張，甚至退耕還林，是哈爾濱市降低玉米需水量的首要任務(wù)。同時，要根據(jù)玉米不同水文年類型的藍(lán)水足跡需求量進(jìn)行灌溉[19]。哈爾濱市的灌溉系統(tǒng)較不完善，降水在玉米生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。提高綠水資源的開發(fā)利用水平，成為緩解地區(qū)用水壓力和促進(jìn)水資源可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)[20]。因此，要合理開發(fā)利用高效節(jié)水灌溉技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水效率，并且通過引進(jìn)含水量高的產(chǎn)品替代當(dāng)?shù)禺a(chǎn)品來緩解地區(qū)水資源短缺的狀況；要合理增加水庫的建設(shè)，開發(fā)城市雨水收集儲存系統(tǒng)以及河流徑流的取用。

4 結(jié)論

2005—2015年哈爾濱市玉米總水足跡整體呈下降趨勢，2007年達(dá)到最高，2012年最低，水資源利用效率不斷提高。

玉米水足跡效益數(shù)值總體呈波動下降趨勢，水資源利用效率穩(wěn)步提高，11a間平均值為4822.31m3/萬元，最小值為2012年的2954.71m3/萬元，最大值為2017年的7390.26m3/萬元。

玉米藍(lán)水足跡虧損從2005年的120.8m3·t-1上升到2007年的201m3·t-1，達(dá)到研究期間最高值，在2012年下降到最低值的-24.4m3·t-1，玉米藍(lán)水足跡虧損整體呈下降趨勢，灌溉缺水情況略有轉(zhuǎn)好，但玉米仍不總是能得到充分灌溉。

研究期內(nèi)有9a藍(lán)水足跡比例高于50%，玉米生長較依賴灌水資源，導(dǎo)致灌溉水資源消耗量較大。