(遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

1 研究背景

水資源作為促進(jìn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的必要因子，農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展離不開水資源的支持。我國是農(nóng)業(yè)用水較多的國家。據(jù)最新數(shù)據(jù)顯示，我國農(nóng)業(yè)用水占社會(huì)總用水量的62.1%[1]。隨著人口增長(zhǎng)和氣候不斷演變，國家各項(xiàng)水利工程投入巨大，我國農(nóng)業(yè)用水需求有所緩解，但農(nóng)業(yè)經(jīng)營粗放、灌溉方式不健全等問題仍然存在。因此，合理分析作物用水組成和用水效率是急需解決的關(guān)鍵問題。水足跡作為區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源合理管理和評(píng)價(jià)的重要研究方法，為科學(xué)評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中水資源使用狀況提供了新視角[2]。通過對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡研究，能夠清楚地反映出某一地區(qū)農(nóng)業(yè)需水量狀況，并科學(xué)地指導(dǎo)區(qū)域水資源利用和調(diào)配情況，在農(nóng)業(yè)發(fā)展和水資源管理方面理論和現(xiàn)實(shí)意義巨大。

目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于作物生產(chǎn)水足跡在農(nóng)業(yè)方面的變化做了很多研究。國外學(xué)者對(duì)作物水足跡研究主要從全球或者國家角度展開。Chapagain等[3]在全球水稻背景下，對(duì)其水足跡測(cè)算評(píng)估，得出全球水稻生產(chǎn)的水足跡為784 km3/a，其中綠色水足跡(44%)和藍(lán)色水足跡(48%)占比幾乎相等。Garofalo 等[4]在氣候變化影響下，評(píng)估德國(大陸地區(qū))和意大利(地中海地區(qū))糧食產(chǎn)量和耗水量未來趨勢(shì)，分析不同旱作和灌溉條件下綠水足跡和總水足跡，得出德國和意大利作物生產(chǎn)效率平均增長(zhǎng)22%和19%。在未來的預(yù)測(cè)中，作物用水量(綠色和藍(lán)色)將保持穩(wěn)定。Govere 等[5]通過研究歷史氣候變化對(duì)津巴布韋冬小麥生產(chǎn)藍(lán)水足跡影響，得出1980—2000年間花期太陽輻射和7、8、9月份最高氣溫的耦合效應(yīng)使小麥減產(chǎn)6.65%。氣候變化對(duì)作物需水量和小麥產(chǎn)量累積效應(yīng)使藍(lán)水足跡增加4%。

中國國內(nèi)學(xué)者對(duì)作物生產(chǎn)水足跡分析研究熱點(diǎn)主要是探討其影響因子，對(duì)其時(shí)空演變規(guī)律進(jìn)行討論[6-8]。高海燕等[9]結(jié)合氣象因素與作物產(chǎn)量，對(duì)寧夏回族自治區(qū)2008—2017年主要農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡進(jìn)行了時(shí)空分布及變化趨勢(shì)分析，得出研究期各地區(qū)綜合作物生產(chǎn)水足跡最大為吳忠市(15.58 m3/kg)、最小為固原市(8.21 m3/kg)。張沛等[10]通過對(duì)新疆1988—2015年近20種農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡計(jì)算，分析新疆農(nóng)作物水足跡時(shí)空變化，揭示全疆范圍內(nèi)農(nóng)作物水足跡在28 a間總量增加了256%。崔克蓉等[11]對(duì)2001—2015年湖南省水稻生產(chǎn)水足跡的研究表明水稻水足跡在研究時(shí)段內(nèi)呈下降態(tài)勢(shì)，農(nóng)機(jī)動(dòng)力、化肥投入、成災(zāi)率是水足跡主要影響因素。張旭東等[12]在對(duì)影響玉米水足跡的17個(gè)因子進(jìn)行顯著性分析后，對(duì)遼寧省玉米生產(chǎn)水足跡進(jìn)行空間聚類，從而促進(jìn)遼寧省玉米生產(chǎn)空間合理布局。

以往研究尺度較大，無法適應(yīng)于具體研究區(qū)域；其次，以往研究容易忽視灰水足跡在水足跡中重要作用，無法更加全面地反映作物全部耗水狀況，水環(huán)境污染問題考慮欠缺。同時(shí)，作為我國重要玉米產(chǎn)地之一，對(duì)河北省水足跡演變相關(guān)研究成果較少。因此，本文在參考相關(guān)研究成果基礎(chǔ)上，綜合灰水足跡對(duì)區(qū)域環(huán)境影響，對(duì)河北省區(qū)域范圍內(nèi)水足跡演變進(jìn)行探究。

隨著人們對(duì)糧食作物需求增加，我國玉米播種面積不斷增加[13]。河北省承擔(dān)著重要玉米生產(chǎn)任務(wù)，這意味著河北省業(yè)用水需求也在日益增長(zhǎng)。目前河北省農(nóng)業(yè)灌溉用水除了地表水以外，大多來自地下水，且存在超采現(xiàn)象嚴(yán)重問題。就2018年而言，河北省農(nóng)業(yè)地下水開采量占全省地下水開采量的72.9%、占農(nóng)業(yè)用水量的63.8%，在全國省份中均為第一[14]。綜合目前河北省農(nóng)業(yè)用水形勢(shì)，本文通過對(duì)河北省2002—2018年夏玉米生產(chǎn)水足跡進(jìn)行計(jì)算，探討其時(shí)空演變規(guī)律，分析了影響夏玉米生產(chǎn)水足跡因素，從而通過相應(yīng)政策調(diào)整和多因子分析指導(dǎo)河北省農(nóng)業(yè)水資源合理高效利用，優(yōu)化夏玉米地域分布。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

溫帶大陸性季風(fēng)氣候下的河北省在我國華北地區(qū)，該省四季分明，降水年際變化大，雨量呈東南向西北逐漸遞減的空間分布趨勢(shì)。河北省是我國缺水農(nóng)業(yè)大省，也是中國糧食和蔬菜的主產(chǎn)區(qū)，水資源量占全國的0.6%，其中農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的60%[15]，糧食生產(chǎn)占全國的6%[14]，是玉米主產(chǎn)地之一，播種面積和總產(chǎn)約居全國第六位[16]。近年來夏玉米在河北省農(nóng)作物中所占的比重越來越大，其種植主要集中于河北省中南部地區(qū)，其他地區(qū)略有分布。不同氣候地形區(qū)夏玉米產(chǎn)量高低差異顯著，不同地區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)投入和田間管理措施也對(duì)夏玉米產(chǎn)量具有一定影響。因此，本文基于水足跡相關(guān)理論，對(duì)河北省玉米生產(chǎn)水足跡時(shí)空變化特征進(jìn)行探究，并對(duì)其相關(guān)變化進(jìn)行歸因分析，以期為調(diào)整河北省夏玉米種植結(jié)構(gòu)和水資源合理有效利用。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文選取的河北省內(nèi)2002—2019年相關(guān)氣象數(shù)據(jù)包括秦皇島、遵化、唐山等17個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1)經(jīng)緯度和海拔高程等地理數(shù)據(jù)，日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)及平均相對(duì)濕度來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)平臺(tái)(http：∥data.cma.cn)。農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)出于《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》和《河北省農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》，主要包括河北省夏玉米產(chǎn)量、播種面積和化肥施用量等。最后，作物相關(guān)數(shù)據(jù)當(dāng)中，玉米生育期主要經(jīng)歷了初始生長(zhǎng)期、發(fā)育期、發(fā)育中期和全熟期幾個(gè)階段，6月16日—9月25日(6月中旬—9月下旬)全育期數(shù)據(jù)源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心。

圖1 河北省氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of meteorological stations inHebei Province

3 研究方法

作物水足跡是指在整個(gè)生長(zhǎng)過程中，某一作物每單位質(zhì)量消耗的水資源量，主要由綠水足跡(WFgreen)、藍(lán)水足跡(WFblue)和灰水足跡(WFgray)三部分構(gòu)成。此概念由荷蘭學(xué)者Hoekstra等[17-18]2011年提出，其具體的計(jì)算方法為

WFtotal=WFgreen+WFblue+WFgray。

(1)

式中：WFtotal為農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡(m3/t)；WFgreen為綠水足跡(m3/t)；WFblue為藍(lán)水足跡(m3/t)；WFgray為灰水足跡(m3/t)。

綠水足跡、藍(lán)水足跡與灰水足跡中，土壤中供植物生長(zhǎng)利用的水為綠水，通常用有效降水量來表示；地表水和地下水的總和為藍(lán)水，通常用灌溉用水量來表示；灰水消耗的水資源量主要是作物生育期內(nèi)氮肥稀釋所產(chǎn)生[17]。綠水和藍(lán)水足跡的計(jì)算式為：

WFgreen=10ETgreen/Y；

(2)

WFblue=10ETblue/Y。

(3)

式中：ETgreen和ETblue分別為綠水和藍(lán)水的蒸散發(fā)值(mm)；Y為作物單位面積的產(chǎn)量(t/hm2)，10為單位變換系數(shù)，將水深單位變換成單位面積水量(m3/hm2)來進(jìn)行計(jì)算。

綠水和藍(lán)水的蒸散發(fā)值的計(jì)算式為：

ETgreen=min(ETc，Pe) ；

(4)

ETblue=max(0，ETc-Pe) 。

(5)

式中：ETc為調(diào)整后的農(nóng)作物蒸散量；Pe為作物生育期有效降水量的值，其計(jì)算參考美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局(USDA-SCS)提出的方法進(jìn)行計(jì)算，即

式中：Pd為旬降水量(mm),即作物生長(zhǎng)期內(nèi)旬降水量之和。

農(nóng)作物蒸散量通常指農(nóng)作物在生長(zhǎng)期間用于蒸發(fā)蒸騰的水資源量，大多采用聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO)推薦的Penman-Monteith模型計(jì)算農(nóng)作物蒸散量ET0。但采用該模型計(jì)算的蒸散量從氣候角度出發(fā)，不能夠具體地反映出農(nóng)作物水量變化，因此又通過作物系數(shù)Kc來計(jì)算出調(diào)整后的農(nóng)作物蒸散量ETc[19]。ET0、ETc的表達(dá)式分別為：

(7)

ETc=KcET0。

(8)

式中：Rn為凈輻射(MJ/m2·d)；G為土壤熱通量密度(MJ/(m2·d))；T為日平均溫度(℃)；u2為2 m高處風(fēng)速(m/s)；es為飽和空氣水汽壓(kPa)；ea為空氣水汽壓(kPa)；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線的梯度(kPa/℃)；γ為濕度計(jì)常數(shù)；Gn、Gd為常數(shù)，在計(jì)算過程中分取值900和0.34。

灰足跡WFgray的計(jì)算式為

(9)

式中：AR為單位面積化肥施用量(kg/hm2)；α為氮肥淋溶率，一般取氮肥施用量的10%作為其淋溶率；Cmax為最大污染物濃度(kg/m3)，根據(jù)國家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2017)，氮元素單位質(zhì)量濃度不得超過0.01 kg/L；Cnat為收納水體的自然本底濃度，取值為0 kg/m3。

4 研究結(jié)果與分析

4.1 河北省夏玉米水足跡時(shí)間演變特征

根據(jù)水足跡計(jì)算公式可得，河北省夏玉米多年總水足跡平均值為759.03 m3/t。其中，綠水、藍(lán)水和灰水足跡多年平均值分別為494.77、68.57、195.4 m3/t。2002—2018年河北省夏玉米總水足跡時(shí)間演變情況見圖2、圖3。從圖2可看出，河北省夏玉米生產(chǎn)總水足跡以11.10 m3/t呈下降趨勢(shì)，這主要與河北省農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)改變有關(guān)，糧食作物種植比重不斷減少，經(jīng)濟(jì)作物種植比重在不斷增加[20]。其中，綠水足跡變化趨勢(shì)與總水足跡趨勢(shì)保持一致，綠水足跡的最大值出現(xiàn)在2004年，為608.25 m3/t，藍(lán)水足跡時(shí)間變化趨勢(shì)波動(dòng)較大，2002年的最大值237.3 m3/t與2013年的最小值8.84 m3/t形成鮮明對(duì)比，灰水足跡變化波動(dòng)幅度較小，整體以0.05 m3/t輕微下降，說明近年來化肥施用對(duì)河北省夏玉米污染程度逐年減少。圖3表明多年綠水足跡、灰水足跡和藍(lán)水足跡總體構(gòu)成，其中綠水足跡占主要地位，其次是灰水足跡，占比最少的是藍(lán)水足跡，三者占比分別為65%、26%和9%，說明有效降水為夏玉米生長(zhǎng)過程中的主要耗水，灰水足跡變化離不開化肥大量使用對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的負(fù)作用。由圖2可以看出，整體趨勢(shì)來看，綠水足跡、藍(lán)水足跡和灰水足跡都以整體下降趨勢(shì)出現(xiàn)，藍(lán)水足跡變動(dòng)趨勢(shì)最大，尤其是2002—2003年藍(lán)水足跡變化值最高達(dá)154.39 m3/t。

圖2 河北省夏玉米水足跡年際變化Fig.2 Interannual variation of water footprint ofsummer maize in Hebei Province

圖3 河北省夏玉米多年水足跡構(gòu)成Fig.3 Constitution of multi-year water footprint ofsummer maize in Hebei Province

圖4是河北省夏玉米綠水足跡、藍(lán)水足跡和灰水足跡2002—2018年變化趨勢(shì)。

圖4 河北省夏玉米綠水足跡、藍(lán)水足跡和灰水足跡年際變化Fig.4 Interannual changes of green water footprint,blue water footprint and grey water footprint ofsummer maize in Hebei Province

整體上綠水足跡在研究時(shí)段內(nèi)以6.41 m3/t速率減少，其多年平均值可達(dá)494.77 m3/t，在總水足跡中所占比重高達(dá)65%，最大值出現(xiàn)在2004年，高達(dá)608.25 m3/t；最小值出現(xiàn)在2014年，僅有411.47 m3/t。通過河北省夏玉米生育期數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，研究時(shí)段內(nèi)蒸散量ETC與降水量呈現(xiàn)較大的波動(dòng)，且二者在生育期內(nèi)的數(shù)值相差不大，夏玉米綠水足跡與蒸散量ETC大致呈反向變動(dòng)，與降水量數(shù)值變化基本一致，即該年降水量多，綠水足跡大；反之，則綠水足跡小。其中，在2003—2005年、2010年、2013年等年份中夏玉米生產(chǎn)綠水足跡較高，這與向亮等[21]對(duì)于河北省降水時(shí)空分布及變化特征和劉增進(jìn)等[22]對(duì)河北省干旱時(shí)空變化特征分析研究結(jié)果相一致。但在特殊年份(2006—2007年間)，伴隨著蒸散量ETC與降水量減少，綠水足跡也相應(yīng)減少。此外，夏玉米綠水足跡還與當(dāng)年玉米產(chǎn)量緊密相關(guān)；在2002年降水量?jī)H僅只有207.17 mm時(shí)，夏玉米綠水足跡卻達(dá)到較高值，為515.5 m3/t，這與當(dāng)年玉米單產(chǎn)值較低有關(guān)。

藍(lán)水足跡在2002—2018年間以4.64 m3/t速率減少，其減少速率小于綠水足跡，研究時(shí)段內(nèi)波動(dòng)起伏變化較大，其多年平均值為68.86 m3/t，在總水足跡中所占比重最少，只有9%;最大值出現(xiàn)在2002年，高達(dá)237.3 m3/t;最小值只有8.84 m3/t，出現(xiàn)于2013年。藍(lán)水足跡變化也與蒸散量ETC和降水量有關(guān)，夏玉米藍(lán)水足跡變動(dòng)趨勢(shì)與降水量變動(dòng)趨勢(shì)相反，即該年降水量多藍(lán)水足跡?。环粗?，則藍(lán)水足跡大。2004年、2008年、2010年、2012—2013年和2016—2017年夏玉米生育期期間降水量較多，有效降水量也隨之較大，藍(lán)水足跡較??；其他年份降水量較小情況下，河北省夏玉米藍(lán)水足跡較大，主要原因是夏玉米在研究年份期間雷雨大風(fēng)災(zāi)害在研究年份發(fā)生次數(shù)高達(dá)百次，使得農(nóng)作物受災(zāi)嚴(yán)重[23]；其次旱澇災(zāi)害在省內(nèi)的頻繁發(fā)生對(duì)農(nóng)業(yè)造成的損失較大[24]。與此同時(shí)，河北省2019年水資源公報(bào)數(shù)據(jù)顯示，截至2019年,省內(nèi)累計(jì)壓采地下水資源7.3 億m3，地下水治理省份涉及范圍廣。研究期間河北省采取節(jié)水壓采措施減少地下水開采，使得藍(lán)水足跡在研究年份期間呈降低趨勢(shì)[25]。

圖5 河北省夏玉米生產(chǎn)綠水足跡空間演變特征Fig.5 Spatial evolution characteristics of green water footprint of summer maize production in Hebei Province

灰水足跡在2002—2018年間變化較為穩(wěn)定，計(jì)算所得數(shù)據(jù)值變化不明顯，以0.05 m3/t速率在減少，多年平均值為195.4 m3/t，總水足跡中比重為26%，最大值出現(xiàn)于2015年，高達(dá)216.23 m3/t?；宜阚E變化與蒸散發(fā)量ETC和降水量的相關(guān)程度較小，其主要取決于農(nóng)作物單位面積內(nèi)氮肥施用量?；宜怯糜谙♂屛廴疚锏乃?，其能否達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)糧食安全起著極其重要的作用。其中，在2003—2004年、2010年、2014年、2016年間河北省夏玉米灰水足跡較高，總量都>200 m3/t，這主要是化肥農(nóng)藥使用增加導(dǎo)致。研究時(shí)段內(nèi)河北省夏玉米產(chǎn)量呈上升趨勢(shì)且較為穩(wěn)定，并且每公頃化肥使用有所降低但下降幅度不大，使得灰水足跡呈現(xiàn)波動(dòng)性輕微下降[26]。

4.2 河北省夏玉米水足跡空間演變特征

為進(jìn)一步探究河北省夏玉米水足跡空間演變特征，本文在夏玉米生育期降水量和蒸散量變化特征基礎(chǔ)上，將2002—2018年夏玉米整個(gè)生育期內(nèi)降水量最少的2002年(207.17 mm)、降水量最接近多年平均值的2003年(288.03 mm)和降水量最多的2013年(356.85 mm)分別作為枯水年、平水年和豐水年進(jìn)行研究，運(yùn)用反距離權(quán)重插值法探究河北省夏玉米生產(chǎn)水足跡空間演變情況，并加以分析。根據(jù)河北省夏玉米生育期內(nèi)降水量變化，通過選取3個(gè)研究年份(2002年、2003年和2013年)，繪制河北省夏玉米生產(chǎn)綠水足跡時(shí)空演變特征圖，如圖5所示。由圖5可知：

(1)河北省夏玉米綠水足跡在枯水年(2002年)、平水年(2003年)和豐水年(2013年)空間分布差異顯著，總體表現(xiàn)為研究年份綠水足跡值整體上水平相當(dāng)。2002年和2003年綠水足跡高值區(qū)主要集中在東部地區(qū)，主要原因是東部地區(qū)濕潤度較西部地區(qū)大，降水量多，綠水蒸散較高所致。此外，青龍、黃驊及其周圍地區(qū)綠水足跡相對(duì)省內(nèi)其他地區(qū)較高，這主要是研究年份這些地區(qū)有效降水量較大；而河北省南部和西北部地區(qū)有效降水量較小，故綠水足跡較低。

(2)2013年河北省夏玉米生產(chǎn)綠水足跡高值區(qū)在保定及其周圍地區(qū)，主要原因是在研究年份該地區(qū)有效降水量和蒸散發(fā)值都比較大，使得綠水足跡值較高。

(3)2002年、2003年與2013年低值區(qū)都主要集中在河北省西部地區(qū)，主要由于這些地區(qū)位于河北省西北部，海拔高，在2002年、2003年與2013年降水量較其他地區(qū)少，故有效降水量小，夏玉米生長(zhǎng)所需綠水資源也少[21]。

綠水作為在非飽和土壤中供農(nóng)作物生長(zhǎng)的降水，今后應(yīng)該采用合理的抗旱耕作措施促進(jìn)降水利用，為農(nóng)作物生長(zhǎng)提供充足的水分。其次，還需要對(duì)現(xiàn)有的耕層加深，促進(jìn)土壤肥力的形成，從而使農(nóng)作物更好地利用綠水資源。

圖6 河北省夏玉米生產(chǎn)藍(lán)水足跡空間演變特征Fig.6 Spatial evolution characteristics of blue water footprint of summer maize production in Hebei Province

根據(jù)河北省夏玉米生育期內(nèi)降水量變化，通過選取3個(gè)研究年份(2002年、2003年和2013年)，繪制河北省夏玉米生產(chǎn)藍(lán)水足跡時(shí)空演變特征圖，如圖6所示。由圖6可知：

(1)河北省夏玉米綠水足跡在枯水年(2002年)、平水年(2003年)和豐水年(2013年)空間分布差異顯著，總體表現(xiàn)為2002年藍(lán)水足跡整體上高于2003年和2013年藍(lán)水足跡。

(2)2002年，河北省藍(lán)水足跡高值區(qū)主要位于西部地區(qū)，主要以張北、張家口地區(qū)和南宮周圍地帶，這主要與研究年該地區(qū)有效降水量少，藍(lán)水蒸散量較大密切相關(guān)；低值區(qū)主要在秦皇島、青龍和饒陽地區(qū)，原因是該地區(qū)在2002年有效降水量比其他地區(qū)高，故藍(lán)水蒸散量較低，藍(lán)水足跡也相應(yīng)偏低。

(3)2003年和2013年，河北省大部分地區(qū)藍(lán)水足跡較低，張家口及其周圍地區(qū)藍(lán)水足跡較高，主要是在2002年、2003年與2013年有效降水量較其他地區(qū)少，藍(lán)水蒸散量較大，故藍(lán)水足跡高；其他地區(qū)藍(lán)水足跡較低主要是由于有效降水量多導(dǎo)致藍(lán)水蒸散量小。

藍(lán)水作為促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的灌溉用水，今后需要將地表水和地下水有機(jī)結(jié)合起來，制定相應(yīng)的節(jié)水措施，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有水資源對(duì)農(nóng)作物的合理灌溉。其次，要選用低耗水、中度水價(jià)值的品種進(jìn)行種植，促進(jìn)夏玉米穩(wěn)步增產(chǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)河北省農(nóng)業(yè)健康發(fā)展具有重要意義[20]。

4.3 河北省夏玉米水足跡與各影響因子相關(guān)性分析

作物生產(chǎn)的水足跡受作物整個(gè)生長(zhǎng)過程的影響，盡管它與水資源消耗和單位面積作物產(chǎn)量聯(lián)系密切，但研究區(qū)農(nóng)業(yè)氣象條件、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)投入、地形單元和田間管理等因素也會(huì)與作物生產(chǎn)水足跡存在一定的聯(lián)系。為了進(jìn)一步探究河北省玉米水足跡時(shí)空變化影響因子，分析了相關(guān)地理數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和作物數(shù)據(jù)等因素，對(duì)其相關(guān)性程度進(jìn)行探討。

根據(jù)選取河北省2002—2018年間相關(guān)氣象因子與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)因子，主要包括平均氣溫(X1)、平均相對(duì)濕度(X2)、平均風(fēng)速(X3)、平均日照時(shí)數(shù)(X4)、降雨量(X5)、蒸散量(X6)、夏玉米播種面積(X7)、夏玉米總產(chǎn)值(X8)、單位面積氮肥施用量(X9)、農(nóng)藥使用量(X10)、農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力使用量(X11)、有效灌溉面積(X12)，探討它們與夏玉米生產(chǎn)水足跡(X13)之間的相關(guān)關(guān)系，利用SPSS軟件分析建立相關(guān)矩陣表，具體結(jié)果如表1所示。

由表1可知，蒸散量(X6)和有效灌溉面積(X12)與夏玉米生產(chǎn)水足跡(X13)呈正相關(guān)關(guān)系。其余各項(xiàng)指標(biāo)都與夏玉米生產(chǎn)水足跡呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，影響程度最高為夏玉米總產(chǎn)值，最低為平均日照時(shí)數(shù)。負(fù)相關(guān)關(guān)系中，平均相對(duì)濕度和降雨量達(dá)到顯著水平；平均風(fēng)速、夏玉米播種面積、夏玉米總產(chǎn)值和單位面積氮肥施用量達(dá)到極顯著水平。說明河北省夏玉米播種面積越大，總產(chǎn)值越大，降水量越大的情況下，夏玉米生產(chǎn)水足跡會(huì)越小。主要原因是降水量大時(shí)相隨濕度較高，蒸散量會(huì)相應(yīng)降低，作物生長(zhǎng)所需水分減少，作物生產(chǎn)水足跡減少；反之，作物生產(chǎn)水足跡就會(huì)增大。

主成分分析能夠更為直觀地看出主導(dǎo)因素對(duì)河北省夏玉米生產(chǎn)水足跡影響程度。因此，對(duì)選定的13個(gè)影響因素進(jìn)行了KMO檢驗(yàn)和Bartlett球度檢驗(yàn)之后發(fā)現(xiàn)，KMO值=0.573>0.5，表明因子分析可順利進(jìn)行；Sig值=0<0.05，表明所選因素之間存在相關(guān)性，可以進(jìn)行主成分分析。表2數(shù)據(jù)顯示，前4個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率高達(dá)84.56%，表明前4個(gè)主成分的選擇可以解釋13個(gè)指標(biāo)大部分信息量。因此，通過選取前4個(gè)主成分來進(jìn)一步探究影響河北省夏玉米生產(chǎn)水足跡的因素。

表1 各影響因素與夏玉米生產(chǎn)水足跡相關(guān)分析Table 1 Correlation between each influencing factor and water footprint of summer maize production

表2 各主成分分析總方差解釋Table 2 Explanation of total variance of eachprincipal component

由表3可知，夏玉米播種面積(X7)、夏玉米總產(chǎn)值(X8)、單位面積氮肥施用量(X9)在主成分1中作用顯著，而平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、降雨量等的影響相對(duì)較弱，表明這些因子可以大部分解釋主成分1中的內(nèi)容。主成分2中平均氣溫(X1)、蒸散量(X6)、夏玉米生產(chǎn)水足跡(X13)三個(gè)因子之間相關(guān)性顯著。主成分3中農(nóng)藥施用量(X10)、農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力使用量(X11)、有效灌溉面積(X12)等因子主要反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)投入的影響。主成分4中平均日照時(shí)數(shù)(X4)相關(guān)系數(shù)較高，能夠一定程度上反映該主成分中氣象因素平均日照時(shí)數(shù)的影響。

表3 主成分載荷矩陣荷載取值Table 3 Load values in principal component load matrix

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié) 論

農(nóng)業(yè)水資源對(duì)于解決水資源短缺和糧食安全問題至關(guān)重要。研究時(shí)段2002—2018年河北省夏玉米生產(chǎn)水足跡總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在河北省經(jīng)濟(jì)作物種植比重不斷增加影響下變動(dòng)，與王月英等[27]研究結(jié)果一致。但是與韓宇平等[20]研究結(jié)果略有不同，主要是由于選取研究時(shí)段步長(zhǎng)和研究對(duì)象綜合性存在一定差異。如何合理高效控制夏玉米生產(chǎn)水足跡，對(duì)實(shí)現(xiàn)水資源和糧食安全發(fā)展具有雙贏的效果?；宜阚E在2002—2018年下降幅度不大，與何立新等[25]結(jié)果相一致。得出的主要結(jié)論有：

(1)河北省夏玉米生產(chǎn)水足跡在研究時(shí)段內(nèi)呈波動(dòng)式下降趨勢(shì)，整體以11.10 m3/t趨勢(shì)下降，研究時(shí)段內(nèi)多年平均值為759.03 m3/t，總水足跡構(gòu)成中綠水足跡占主要地位，第二為灰水足跡，藍(lán)水足跡占比最少，三者整體以下降趨勢(shì)出現(xiàn)，但下降趨勢(shì)差異顯著，藍(lán)水足跡變動(dòng)趨勢(shì)最大，灰水足跡變動(dòng)趨勢(shì)最小，三者在水足跡中占比分別為65%、26%和9%。

(2)河北省夏玉米綠水足跡和藍(lán)水足跡在枯水年(2002年)、平水年(2003年)和豐水年(2013年)空間分布差異較大。其中，2002年和2003年綠水足跡在東部地區(qū)為高值區(qū)域，南部和西北部地區(qū)為低值區(qū)域；2013年河北省夏玉米生產(chǎn)綠水足跡高值區(qū)在保定及其周圍地區(qū)。2002年、2003年與2018年低值區(qū)都主要集中在河北省西部地區(qū)，主要由于這些地區(qū)地理位置原因，在研究時(shí)段降水量較其他地區(qū)少，故有效降水量小。

(3)通過對(duì)選取的13個(gè)影響因子進(jìn)行相關(guān)性分析后，得出蒸散量和有效灌溉面積與夏玉米生產(chǎn)水足跡呈正相關(guān)關(guān)系。與夏玉米生產(chǎn)水足跡呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的為剩余11個(gè)指標(biāo)，其中，平均相對(duì)濕度和降雨量達(dá)到顯著水平；平均風(fēng)速、夏玉米播種面積、夏玉米總產(chǎn)值和單位面積氮肥施用量達(dá)到極顯著水平。

5.2 討 論

研究區(qū)河北省灰水足跡所產(chǎn)生的面源污染對(duì)區(qū)域水資源環(huán)境威脅極大，尤其是在河北省水資源匱乏情況下嚴(yán)重性更大。需通過科學(xué)管理手段，保障產(chǎn)量穩(wěn)定情況下合理規(guī)劃施肥。研究結(jié)論表明：要因地制宜考慮整個(gè)省份不同地帶氣候特征和水資源狀況，根據(jù)區(qū)域內(nèi)種植優(yōu)勢(shì)，合理安排農(nóng)作物布局。同時(shí)須制定區(qū)域內(nèi)合理灌溉制度，促進(jìn)節(jié)水型農(nóng)業(yè)發(fā)展。

本研究在水足跡理論指導(dǎo)下，對(duì)河北省夏玉米水足跡進(jìn)行量化與分析，得到一些初步結(jié)論，但是由于數(shù)據(jù)和研究方法局限性，目前仍然存在許多不足。主要有：

(1)由于灰水足跡與化肥施用量有關(guān)，這部分資料是從統(tǒng)計(jì)年鑒中獲取的省級(jí)數(shù)據(jù)，因此不適宜作空間分析。

(2)影響夏玉米生產(chǎn)水足跡因子涉及多個(gè)方面，本文研究因子僅涉及到氣象和農(nóng)業(yè)方面，但是對(duì)人口因素、經(jīng)濟(jì)因素和人類活動(dòng)等因子還沒有考慮進(jìn)去。

因此，在今后研究中，應(yīng)該多方面因子進(jìn)行綜合考量，提高對(duì)農(nóng)業(yè)水足跡綜合評(píng)價(jià)能力，為農(nóng)業(yè)水資源的科學(xué)管理和合理調(diào)配提供參考依據(jù)。