水足迹与虚拟水是当前水资源利用与管理领域研究的热点,而人类消费水足迹和虚拟水贸易的量化需以具体产品的生产水足迹为基础. 作物的生产水足迹为生长过程中所需消耗的水资源数量,通常用单位质量产品对应水资源消耗量来表示,在涉及产品交换时,也称为产品的虚拟水含量. 这里的水资源包括赋存于河流、湖泊、水库及地下蓄水层中的蓝水和储存在土壤非饱和含水层并以蒸散的形式被植物利用的绿水[1]. 由于农业是水资源需求与利用最大的领域,所以当前水足迹、虚拟水贸易量化及评价的研究都主要集中在农业与农产品上[2 -3]. 水足迹概念的提出者 Heokstra 等[4]计算整理了全球 66 个主要国家的 287 种农作物和 122 种畜牧产品的生产水足迹,以此为基础,Heokstra 及其他学者进行了大量关于消费水足迹、虚拟水贸易及其评价的研究[5 -8]. 国内的农产品生产水足迹方面,曹建廷等[9]阐述了农畜产品虚拟水研究的背景和计算方法,并提出虚拟水在提高水资源效率、制定水资源战略中的作用,以及对社会经济、水资源管理等方面的重要影响; 张蕾[10]比较系统、全面地计算了我国各省( 市) 主要农产品的虚拟水含量,同时做了初步的空间差异性分析; 王红瑞等[11]、崔嫱等[12]分别分析了北京市及浙江省主要农作物虚拟水含量及其区域分布特征; 何浩等[13]以典型气象站为代表点,研究了1960-2008 年湖南省水稻生产水足迹的变化情况;盖力强等[14]计算了在充分灌溉假设前提下的华北地区小麦、玉米的虚拟水含量和生产水足迹. 上述作物生产水足迹的计算都是根据 Penman - Monteith公式、利用 Cropwat 软件、基于作物需水量进行. 作物需水量是理想状态下的作物消耗的水量[15],只与气候条件与农作物( 作物品种、叶面积指数、生育阶段等) 有关,与现实水资源供应、农业生产条件无关. 作物耗水量是作物从播种到收获期间因蒸发蒸腾所实际消耗的水量总和[16]. 作物耗水量与农田的具体实际情况,如水分供给状况、灌水方式等直接相关. 基于作物耗水的生产水足迹计算能反映农产品生产对广义水资源及其组成的真实占有,并明确其时间和空间属性.
陕西关中地区包括宝鸡、咸阳、西安、渭南及铜川五市( 地区) ,总面积约 55 384 km²,约占全省的26. 7% . 该地区以小麦 - 玉米轮作为主,拥有全省37 个商品粮基地中的 29 个,也是我国重要的粮食、水果生产基地. 宝鸡峡、泾惠渠灌区等 11 个大型灌区及其他中小型灌区为其农业生产提供灌溉. 文中以上述 5 个地区为研究区域,以灌区、统计年鉴、试验及调查数据为基础,基于作物生产过程对水分的实际消耗计算、分析 2 种粮食的生产水足迹. 以期为作物虚拟水及生产水足迹的计算提供新的视角,为水资源的科学管理、农业生产的合理规划提供决策支持.
1 研究方法与数据来源
以灌区为研究单位,以水量平衡法为基础,作物生育期的实际耗水量为
式中: Wcon为某一灌区作物生育期的平均耗水量,mm; P 为有效降水量,mm,即降水进入土壤可被作物吸收利用的绿水,P = αP0,α 为降水有效利用系数,P0为作物生育期的降水量,以灌区所灌溉各县的降水量的平均值计; E 为作物生长阶段的灌溉水量,mm; U 为地下水补给量,mm,研究区域的地下水位一般大于 3 m,U 可以不予考虑[17]; ΔS 为作物生长期土壤水的变化量,mm.
由于灌区的灌溉范围和行政单位存在交叉现象,忽略县级行政区域面积的大小对灌区所辐射市的作物需水量的贡献的影响,各市的作物实际耗水量 W'con及其组成可由其行政区域内各灌区所灌溉县级行政单位的个数加权得到,即
式中: W'con,k为 k 地区的作物实际耗水量,mm; Wkcon,i为对 k 市( 地区) 有灌溉贡献的第 i 个灌区的平均实际耗水量,mm; nki为对 k 市( 地区) 有灌溉贡献的第 i个灌区所灌及的内部县级行政单位的个数; Nk=∑nki,为受所有灌区灌溉的县级行政单位的个数,因有可能同一县级行政单位受几个灌区的灌溉,所以 Nk的计算中可能存在县级行政单位的重复.
在此基础上,粮食作物的生产水足迹为
式中: CPWFcrop为作物生产水足迹,m³/ kg; Y 为粮食单产,kg/hm²; CPWFgreen,CPWFblue分别绿、蓝水足迹,m³/ kg; 100 为单位换算系数.
文中选取 1998,2005 及 2010 这 3 个水平年,计算分析陕西关中地区各市小麦、玉米的作物耗水生产水足迹状况. 降水量、粮食产量、种植面积等资料来自所需年份的《陕西统计年鉴》和《陕西农业统计年鉴》; 平均灌溉水量通过各灌区管理局的统计资料得到; 相关气象数据来自中国气象科学数据共享服务网[18]; 多年降水有效利用系数和小麦、玉米生育期土壤水分的变化值参考宝鸡峡、武功( 杨凌) 、交口、洛川等灌溉实验站的测量值[17],对于内部无灌溉试验站的灌区,以灌区管理局为计算点,以已知灌溉实验站的位置和数据为基础,通过泰森多边形法[19]计算得到.
2 结果与分析
2. 1 作物实际耗水情况
直接决定作物耗水量的因素是种植期的自然条件和实际管理方式,如降水量、灌水量、土壤水分状况. 研究年份小麦、玉米生长过程中的单位面积有效降水量可由实际降水量乘以试验测得的降雨有效利用系数获得. 利用式( 1) 可以计算关中地区 11 个大型灌区 1998,2005 及 2010 年 2 种作物耗水量. 代表年各灌区小麦、玉米耗水量及组成的计算分别如表1,2 所示.
从表 1,2 可以看出,由于降水量及灌溉水保障程度的差异,同一年份同一作物不同灌区中的耗水量存在较大差异: 如 2006 年泾惠渠灌区的小麦耗水量达 424. 0 mm,是最小值( 石堡川灌区) 的 1. 6 倍,同时,玉米耗水量的最大值( 石头河灌区) 比最小值( 羊毛湾灌区) 大 71. 3%; 各个灌区小麦和玉米的耗水都来自天然降水( 绿水) 和灌溉水( 蓝水) ,但是水分来源的时空上有区别. 玉米的生长期为 6-10 月,正值研究地区的雨季( 关中地区全年降水量的 60%以上集中在 6-9 月[20]) ,但是由于需水总量大于降水总量,同时作物部分关键需水期和降水期存在错位,因此还需要灌溉一定的水量予以补偿,多余的降水储存在土壤中; 小麦除需要生长期内相当数量的灌溉水和有效降水外,还消耗了其生育期以外的水分; 11 个灌区中,小麦平均利用生育期以外的水分为 52 mm 左右,相当于每公顷耕地减少净灌溉水量510 mm³. 这不仅体现了"土壤水库"[21]的强大功效,也间接减少了灌溉水量、增加绿水资源的利用率,对保障粮食产量起到了重要作用.
11 个大型灌区几乎覆盖关中全境,同时,假设其他小型灌区灌水状况和大型灌区类似. 利用式( 2) 可以计算出 5 个地级市、2 种作物实际耗水量 3个代表年的平均值,如表 3 所示. 同时根据气象资料、利用 FAO 的 Cropwat 软件计算得到各代表年的作物需水量平均值 Wre. 表 3 中需水耗水量之间的偏差率 β 为两者之间的差值除以实际耗水量,即需水量比耗水量高出的百分比.
表 3 显示,2 种作物的实际耗水量和需水量之间都存在不同程度的差异,且除宝鸡地区外,作物实际耗水小于需水; 关中 5 市小麦和玉米的耗水量比需水量分别小 16. 2%和 12. 4%; 关中东部各地区的作物需水量和实际耗水量之间的差距较大; 铜川与其他地区的气候差异较大,造成小麦需水量最大而玉米需水量最小; 咸阳地区的 2 种作物需水量普遍较大,作物耗水量与需水量的差距最大,后者比前者大近 1/3,这与该地区远离宝鸡峡灌区渠首、输水损失大使得灌溉水的保障程度相对较低有关; 虽然玉米生产过程中造成了少量水资源的浪费,但宝鸡地区的实际耗水基本上与作物需水量一致,说明该地区的灌溉制度合理、灌溉保障度高,田间管理水平较高,这也与实际情况相符. 总之,受农业生产实际的影响,作物的实际耗水量和需水量之间会存在一定的差别,由于灌区设施的限制使得灌溉保证率不足,往往造成前者小于后者.
2. 2 作物生产水足迹
农产品虚拟水含量是计算作物生产水足迹的基础,可以用生产单位对应产品所消耗的水资源数量来表示. 将作物生长期的实际耗水量和粮食单产通过式( 3) 运算就可求出各地级市的小麦、玉米单位质量的生产水足迹. 表 4 给出了各地区各代表年 2种粮食作物的生产水足迹值及年平均值.
各地区的 2 种作物生产水足迹都有随时间减少的趋势,1998 年普遍大于 2006 年和 2010 年值( 后两者相差不大) ,这可能与作物品种的改变、高产作物品种的栽培有关; 铜川地区小麦灌水量大于玉米,但后者能依靠当地较优良的光热条件得到较大的单产,故小麦生产水足迹最大而玉米最小; 不同市之间3 年作物生产水足迹差异较大,西安小麦生产水足迹为 0. 86 mm³/ kg,而铜川高达 1. 32 mm³/ kg,同时,宝鸡玉米虚拟水含量近 0. 90 mm³/ kg,铜川则刚过 0. 60mm³/ kg,这与区域间作物实际耗水及产量差异有关.
据张蕾[10]的计算,陕西省 1996-2006 年小麦、玉米产品的虚拟水含量分别为 1. 42,1. 18 mm³/ kg. 从表 4可以看出,基于实际耗水的作物产品虚拟水很大程度上小于基于作物需水的计算结果. 所以,利用作物理想需水量来计算其生产水足迹往往会忽略田间实际情况( 如耕作方式、灌溉方式、作物品种等) 对作物利用水分的影响,从而无法反映其生长过程中对水资源的真实利用情况,不利于区域农业水足迹的可持续性评价和基于虚拟水贸易的宏观政策的制定.
2. 3 作物生产水足迹组成
作物生长过程耗水量来自绿水和蓝水之和,蓝水、绿水足迹在总生产水足迹中构成能反映农业生产对不同水资源存在形式的利用状况. 考虑灌溉的目的在于缓解水资源缺乏,认为玉米生长过程中土壤水分的增加全部来自降水,故 2 种作物的蓝水足迹皆为来自实际灌水,在式( 3) 的基础上就可以分别计算各作物所利用的蓝水、绿水资源量. 图 1 给出了各地区 3 个代表年小麦、玉米生长期耗水量中蓝水占总量的比例.
蓝水的占有比例反映了一个地区的农业生产水平的高低. 各地区生产小麦的蓝水比例在 10% ~40% ,而玉米在 20% ~ 50% 内变化,这可能因为 2种作物的灌溉水量相当而玉米的总耗水量相对较小. 同一年份不同地区间的蓝水比例大小关系无明显趋势,说明各灌区的供水情势不尽相同,无统一规律; 2005 年,各地区小麦蓝水占有比例明显高于1998 及 2010 年,而玉米则正好相反,这可能与该灌区渠首供水量有限同时年内天然降水集中于夏季有关; 根据多年平均情况,西安、咸阳、宝鸡、渭南和铜川地区的小麦蓝水占有比例为 24. 2%,20. 3%,23. 5% ,22. 5% 及 21. 0% 左右,玉米分别在 40. 6% ,33. 3% ,34. 5% ,36. 8% 及 30. 5% 左右.
作物生产水足迹与粮食产量的乘积为生产粮食所消耗的水资源总量( 总水足迹) ,1998,2005 和2010 年关中地区用于生产小麦、玉米 2 种粮食的总水资源量分别为 70. 1,59. 8 及 60. 7 亿 mm³,皆超过了该地区的水资源总量的 57. 7 亿 mm³. 粮食总产量逐年增加的情况下,所利用的广义水资源用量有减少的趋势,这与田间管理方式的改善、优良高产作物品种的推广等因素有关. 从组成上,3 个代表年 2 种作物总生产水足迹中灌溉水比例分别为 31. 1%,31. 5% 及 24. 6% ,平均值为 29. 1% ,灌溉的充分性没有得到满足的同时说明天然降水在保障该区域粮食生产中起到了十分重要的作用. 同时,各灌区的灌溉水利用系数不足 0. 5,可见,进行灌区改造、提高灌溉水利用率、增加蓝水足迹比例的潜力尚存.
3 结 论
基于作物耗水量,计算得到西安、咸阳、宝鸡、渭南、铜川地区 1998,2005 和 2010 年平均小麦虚拟水含量分别为 0. 86,0. 90,1. 01,0. 99,1. 32 mm³/ kg,玉米虚拟水的 3 个代表年均值分别为 0. 79,0. 70,0. 89,0. 79 及 0. 61 mm³/ kg; 整个关中地区的小麦、玉米产品的虚拟水含量的平均值分别为 0. 96,0. 77mm³/ kg,其中蓝水分别占 22. 3% 和 35. 1% . 小麦、玉米 2 种粮食的生产水足迹总量的 3 个代表年份平均值为 63. 5 亿 mm³,其中灌溉水贡献率为 29. 1%,用水总量大于该地区的水资源总量,可见发展节水农业、减小作物生产水足迹对缓解该区域的水资源压力有重要意义.
由于农田生产实际的影响,作物在生育期实际消耗的水量往往不会等于其取得高产潜力的条件下为满足植株蒸腾、棵间蒸发、组成植株体所需要的水量,即作物需水量. 陕西中部地区小麦的理论需水量高出实际耗水量 16. 2%,玉米高出 12. 4%. 所以基于作物实际耗水计算其生产水足迹更能反映农业生产对水资源的真实占用,符合水足迹概念提出的初衷.
农业为工业生产和人类生活提供基本物质来源,同时也是一个国家用水量和节水潜力最大的领域. 基于作物实际耗水计算农业生产水足迹有利于真实计算国家的生产、消费水足迹,在真实反映人类活动对水资源的真实占有的同时,合理地指导基于水足迹控制和虚拟水贸易的科学研究及政策制定.
同时,基于作物实际耗水的生产水足迹计算的限制因素在于各地区基础数据的获取难度较大,不少地区的试验条件有限,造成如降水有效利用系数、作物生育期土壤水分的变化等数据的缺乏. 因此进行全国范围农业水土基础数据的试验和收集有利于水足迹的进一步研究和实践.
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