水足迹计算分析农作物论文

1材料与方法

1．1研究区概况

新疆幅员辽阔，地形非常有特色，横亘中部的天山将新疆分作天山北部、天山南部两块区域，再加上东部地区形成新疆三大区域，即:北疆、南疆和东疆。北疆包括:乌鲁木齐市、克拉玛依市、昌吉回族自治州、博尔塔拉蒙古自治州、伊犁州直属县(市)、阿勒泰地区、塔城地区、石河子市;南疆包括:巴音郭楞蒙古自治州、阿克苏地区、喀什地区、和田地区、克孜勒苏柯尔克孜自治州;东疆包括吐鲁番地区、哈密地区。本文在研究农作物生产水足迹时，由于克拉玛依市、石河子市的数据缺失未包括在内，因此总计13个地(州)。新疆是灌溉农业区，小麦、玉米、棉花是主要农作物，2011年小麦、玉米、棉花的播种面积分别占全区总播种面积的21．63%、14．61%、32．87%。小麦面积中冬小麦播种面积占60%左右，春小麦占40%左右。北疆以种植春小麦为主，南疆以种植冬小麦为主，其中天山南北两侧从丘陵到山前平原多为冬春麦混种区［13］。玉米在新疆粮食作物中的地位仅次于小麦，根据播种时间的不同可分为夏玉米和春玉米。北疆和焉耆、拜城盆地主要为春播玉米区，南疆和东疆大部分地区，以夏播玉米为主。

1．2研究方法

1．2．1作物需水量

作物需水量是在理想的生长条件下作物从种植到收获所需的蒸散量，等于生长期内蓝水和绿水蒸发量之和。作物的需水量一般采用联合国粮农组织(FAO)推荐的以Penman－Monteith公式为基础的作物系数法。ET=Kc×ET0(1)式中，ET、Kc、ET0分别表示某一时期内，作物需水量、作物系数及参考作物腾发蒸腾量。其中，作物系数反映实际作物和参考作物之间需水量的差异。而参考作物腾发蒸腾量，是一种假想的参考作物冠层腾发速率，其大小只与气象因素有关，采用FAO推荐的最新修正Penman－Monteith公式进行计算［14］。作物理想生长条件下，绿水的蒸散发即降雨的蒸散发等于总作物蒸散发与有效降水的较小值。蓝水蒸散发即农田灌溉用水的蒸散发，等于总作物蒸散发减去有效降水。当有效降水超过作物蒸散发时，其值为0。绿水和蓝水的计算公式如下:ETgreen=min(ETc，P)(2)ETblue=max(0，ETc－P)(3)式中，ETgreen为绿水蒸散发量;ETblue为蓝水蒸散发量;ETc为总作物蒸散发量;P为有效降水，是总降水中能被作物利用的那一部分水分。本研究使用美国农业部土壤保护局(USDASCS)的方法来计算有效降水量。

1．2．2灰水

灰水足迹指以自然本底浓度和现有的环境水质标准为基准，将一定的污染负荷稀释至高于一定环境水质标准所需的淡水体积［15］。这一部分水由于不能被人类利用，所以形象地称之为灰水。农业生产过程中，为了获得更高的产量，通常需要施用大量的化肥和农药。而化肥并不能被作物全部吸收利用，多余的肥料及农药会渗入地下或进入地表径流造成地下水和地表水的污染。由于氮肥是造成地下水及地表水污染的主要来源，一般以淋失氮的需水量作为灰水足迹。根据相关文献［16］，本研究选取氮肥施用量的10%作为淋失量。由于研究区地处干旱区，农田以灌溉为主不易形成地表径流，氮肥主要造成地下水的污染，所以本文采用中国地下水质量标准(GBT14848－93)中的Ⅲ类标准，氮的最大容许浓度为20mg·L－1，氮的自然本底浓度一般取零。具体作物生产过程的灰水足迹计算公式如下:WFgrey=(a×AR)/(Cmax－Cnat)(4)其中，WFgrey为作物灰水足迹;AR为氮肥施用量;a为氮淋失量(即进入水体的污染量占总氮肥施用量的比例);Cmax为氮肥的最大容许浓度;Cnat为污染物的自然本底浓度。

1．2．3作物生产水足迹

水足迹是指一个国家或地区，生产一定人群(个体、城市或国家)消费的产品和服务所需要的水资源数［17］。而作物生产水足迹是指作物在整个生长过程中，所利用的淡水资源和引起的污染用水总量［15］。其组成包括三个部分:来自地表或地下的灌溉用水(蓝水)、降雨(绿水)和氮肥所引起的污染水(灰水)，其中，蓝水和绿水的总量即为作物整个生长期的需水量。作物生产水足迹计算公式如下:WFproc=WFgreen+WFblue+WFgrey(5)1．3数据来源计算所需的气象数据来自联合国粮农组织(FAO)ClimWat数据库中新疆地区的12个气象站点数据。作物参数包括作物系数和作物物候数据，参考FAO数据库及相关文献［18－21］。新疆2011年各地(州)主要农作物总产量、单位面积产量、耕种面积及化肥施用量数据均源于《新疆统计年鉴2012》。

2结果与分析

2．1主要农作物需水量利用

CROPWAT软件可计算得到新疆各地(州)小麦、玉米、棉花在整个生长期内的单位面积总需水量、单位面积绿水量及单位面积蓝水量。然后，乘以各地(州)主要农作物的播种面积，可得到各地(州)主要农作物总需水量、绿水量及蓝水量，再除以作物总产量，即可得到各地(州)小麦、玉米、棉花单位质量的需水量。图1为2011年北疆、南疆、东疆以及全疆主要农作物单位面积需水量对比图。由图1可知，在新疆全区范围内，农作物单位面积需水量棉花最高为8650m3·hm－2、小麦为5742m3/hm－2、玉米为5052m3/hm－2。但玉米、小麦的单位面积需水量在不同区域互有高低，在北疆和东疆玉米大于小麦，而在南疆小麦却小于玉米。产生这种差异的原因主要是作物的种植模式及气候因素。北疆及东疆地区主要种植春小麦，而南疆主要种植冬小麦，春小麦的生长周期较短导致其整个生长期内的需水量相比冬小麦少，再加上南疆气温较北疆、东疆高，造成其在生长期内的作物蒸散量较大，需水量也较大。以上因素共同导致小麦、玉米在新疆不同区域的单位面积需水量呈现空间异质性。为从不同角度对比新疆三种主要农作物的需水差异，本文计算了各农作物单位质量的需水量情况，结果见图2。由图2可知，新疆各区域单位质量农作物需水量同样是棉花最大为4．82m3·kg－1、小麦次之为0．99m3·kg－1、玉米最小为0．54m3·kg－1。新疆地区棉花单位质量的需水量是小麦的5倍、结合表1比较新疆全区各主要农作物(小麦、玉米、棉花)的蓝水比重，可知棉花的蓝水比重最高、玉米次之、小麦最小，但南疆地区的小麦蓝水比重大于玉米的蓝水比重。其原因可能是由于南疆地区主要种植冬小麦，生长周期较长，生长期内降雨量又较少，导致南疆地区的小麦蓝水比重较大。从蓝水利用总量分析，2011年新疆各地(州)主要农作物蓝水利用量最小的是乌鲁木齐市为6．15×107m3、最大是喀什地区为375．64×107m3。根据表1从更大的区域尺度上分析，主要农作物的蓝水利用总量为南疆最大、北疆次之、东疆最小，分别考察三种主要农作物的蓝水利用量，可知小麦、棉花符合以上空间分布规律。但对于玉米来说，北疆的玉米蓝水利用量却大于南疆，可能的原因是北疆的玉米种植面积较大，致使其总蓝水需水量较大。

2．2灰水足迹

利用统计年鉴中各地(州)总氮肥施用量，结合主要农作物的面积权重可得到各地(州)主要农作物氮肥施肥总量，进而通过农作物灰水足迹公式计算得到各地(州)主要农作物灰水足迹及单位面积灰水足迹值。由表2可知，2011年新疆地区主要农作物生产灰水足迹为2107．82×106m3，其中乌鲁木齐灰水足迹最小为8．37×106m3，喀什地区灰水足迹最大为484．38×106m3，一个地区的氮肥施用总量越大，其灰水足迹也越大。为便于比较新疆各地(州)的灰水足迹强度，计算单位面积灰水足迹值作为评价指标，结果见表2。从表2可以看出，伊犁州直属县(市)主要农作物的单位面积灰水足迹最小为341．23×m3·hm－2，巴音郭楞蒙古自治州的单位面积灰水足迹最大为1148．93×m3·hm－2。说明巴州单位播种面积的氮肥施用量较多，可能存在过度施肥的问题，可以利用减少氮肥施用量、提高氮肥利用率等方式来减少化肥对地下水的污染，从而减少灰水足迹。

2．3农作物生产水足迹

在计算新疆各地(州)主要农作物需水量及灰水足迹的基础上，根据公式5可计算得到各地(州)主要农作物总的生产水足迹。结果显示:2011年新疆全区主要农作物生产水足迹为2049．31×107m3，其中蓝水足迹为1651．65×107m3，绿水足迹为186．88×107m3，灰水足迹为210．78×107m3;新疆各地(州)农作物生产水足迹总量差异明显，乌鲁木齐的主要农作物生产水足迹最小为9．26×107m3，而喀什地区的主要农作物生产水足迹最大为445．86×107m3。为表征新疆地区主要农作物生产水足迹的空间分布差异，将各地(州)主要农作物总的生产水足迹除以本地区主要农作物的播种面积得到单位播种面积的生产水足迹，然后利用ArcMap制作得到新疆各地(州)主要农作物单位播种面积生产水足迹图(图3)。图3各地(州)农作物单位面积水足迹Fig．3Spatialdistributionofproductionwaterfootprintsinperunitareaofmaincrops由图3可知:乌鲁木齐、昌吉回族自治州、伊犁州直属县(市)、塔城及阿勒泰地区，主要农作物单位播种面积生产水足迹较小，值范围为5700～6700m3·hm－2;巴音郭楞蒙古自治州及吐鲁番地区，主要农作物单位播种面积生产水足迹较大，值范围为9700～12000m3·hm－2。从空间分布来看，新疆北部地区单位播种面积生产水足迹偏小、新疆西南部及东部地区单位播种面积生产水足迹为中间水平、而新疆中南部地区单位播种面积生产水足迹最大。

3讨论

通过计算新疆地区主要农作物的需水量发现，棉花的单位面积需水量、单位质量需水量及其蓝水比重均大于玉米和棉花，为最耗水的农作物。但棉花作为一种经济作物，其单位面积经济效益分别是玉米的2．5倍、小麦的3倍。另外，通过计算农作物的单位水产值(即用于作物生长的单位水量所获得的经济收益)可知，棉花为3．8元·m－3、玉米为3．0元·m－3、小麦为2．1元·m－3，棉花也稍高于玉米和小麦。因此，从经济效益角度出发，棉花种植有其独特优势，这也是自治区政府将棉花作为重点优势资源的原因。但是快速增长的棉花种植面积也导致了新疆地区农业用水量的增加，加剧了本地区的水资源压力。因此，要从可持续发展的角度出发，在保持棉花种植的经济效益基础上，还要适宜地控制棉花的种植面积，特别是控制单位面积需水量较大的南疆地区的种植规模，以减少本地区农业用水总量。农作物蓝水利用计算结果表明:南疆地区蓝水利用总量最大、北疆次之、东疆最小;蓝水比重东疆最大、南疆次之、北疆最小;主要农作物中棉花的蓝水比重最高、玉米及小麦次之，南疆地区小麦的蓝水比重大于玉米。由于东疆地区作物种植面积较少，虽然其蓝水比重较大，但总的蓝水利用量较小，南疆地区农作物的蓝水比重较大且其作物种植面积也较大，特别是种植蓝水比重高的棉花的面积较大，因此导致其蓝水利用量最大。蓝水利用量大也就是意味着农业生产所需的灌溉用水较多，可以通过调整种植结构，如在南疆地区可以适宜增加蓝水比重和单位面积需水量均较小的玉米种植面积，减少棉花、小麦的种植面积，来减少本地区农业灌溉用水量。灰水足迹表征的是农业生产过程中所引起的污染用水总量，对新疆各地(州)的灰水足迹计算表明，一个地区的氮肥施用总量越大，其灰水足迹也越大。但一个地区氮肥施用量是与农作物的播种面积呈正比关系的，所以一个地区总的灰水足迹大并不表示其化肥污染最严重。为此需要考察研究区内主要农作物的单位面积灰水足迹，结果表明，巴州、阿克苏及吐鲁番地区的单位面积灰水足迹最大，说明这些地区单位播种面积的氮肥施用量较多，可能存在过度施肥的问题。可以通过减少氮肥施用量、提高氮肥利用率等方式减少化肥对地下水的污染，进而减少灰水足迹。另外，本研究在计算灰水足迹时，借鉴国外的灰水研究，只考虑了化肥产生的污染，并未包含农药引起的水体污染，因此，灰水足迹的研究还需进一步的深入完善。农作物生产水足迹综合反映了农作物生产过程中所消耗的水资源总量。2013年1月国务院颁布了《实行最严格水资源管理制度考核办法》，其中规定新疆2015、2020、2030年的用水总量控制目标分别为515．60×108m3、515．97×108m3、526．74×108m3。计算结果表明，2011年新疆全区仅三种主要农作物的生产水足迹就高达204．93×108m3，而新疆地区目前的灌溉渠系水利用系数仅为0．468，意味着用水总量中有一半以上损失在灌溉渠系上，两者相加就已经接近新疆用水总量的控制目标，因此能否有效地控制农业用水量是新疆落实最严格水资源管理制度的关键。另外，从新疆各地(州)农作物单位面积生产水足迹空间分布来看，南疆及东疆地区特别是巴州、吐鲁番、阿克苏及喀什地区的水足迹值较大，并且除吐鲁番地区外，其它三个地区的农作物生产水足迹总量也较大，是水资源治理的主要地区。总之，通过因地制宜地调整农作物种植类型，控制高耗水作物种植面积，减少氮肥施用量及提高氮肥利用率等措施，可以有效地减少研究区农业用水量，为尽快实现国务院规定的最严格水资源管理制度指标奠定良好的基础。

4结论

本文通过计算、分析2011年新疆地区13个地(州)主要农作物(小麦、玉米及棉花)的生产水足迹得到以下结论:(1)新疆地区棉花的需水量及蓝水比重均大于小麦、玉米等粮食作物，为最耗水的农作物，限制棉花种植面积可以有效控制本地区的农业用水总量。(2)新疆各地(州)主要农作物生产水足迹组成以蓝水为主，南疆地区蓝水利用量最大，棉花的蓝水比重最高，玉米及小麦次之，南疆地区小麦的蓝水比重大于玉米。通过调整种植结构，如在南疆地区增加蓝水比重较小的玉米种植面积，减少棉花、小麦的种植面积，可以有效地减少本地区农业灌溉用水量。(3)灰水足迹表征的是农业生产过程中所引起的污染用水总量，一个地区的氮肥施用总量越大，其灰水足迹也越大，巴州、阿克苏及吐鲁番地区的单位面积灰水足迹最大，表明这些地区单位播种面积的氮肥施用量较多，存在过度施肥及化肥利用率较低的问题。(4)2011年新疆全区仅三种主要农作物的生产水足迹加上灌溉渠系所损失的水量，就已经接近国务院颁布的《实行最严格水资源管理制度考核办法》所规定的用水总量指标，因此有效地控制农业用水量对新疆落实最严格水资源管理制度有着重要的意义。其中，南疆及东疆地区特别是巴州、阿克苏、喀什地区农作物的单位面积水足迹值和总生产水足迹均较大，是落实最严格水资源管理制度的关键地区。总之，对于地处干旱区、水资源缺乏的新疆地区来说，通过因地制宜地调整农作物种植类型、控制高耗水作物种植面积、减少氮肥施用量及提高氮肥利用率等措施，可以有效地减少研究区农业用水量，为完成最严格水资源管理制度考核指标奠定良好基础。

作者:轩俊伟 单位:新疆大学资源与环境科学学院