長春市農作物虛擬水量時空分異特征研究

秦麗杰，沈淑平，段佩利

（東北師范大學城市與環境科學學院，吉林 長春 130024）

長春市農作物虛擬水量時空分異特征研究

秦麗杰，沈淑平，段佩利

（東北師范大學城市與環境科學學院，吉林 長春 130024）

通過對長春市1998—2008年農作物虛擬水量的計算與分析，探討了其時空分異規律.結果表明：11年來長春市農作物虛擬水量呈現不斷波動趨勢，與糧食作物的變化趨勢相一致.糧食作物的虛擬水量在2000年、2004年和2007年出現高峰值，經濟作物、蔬菜和瓜果的虛擬水量變化不大.對比分析1998年、2004年和2008年長春市所轄5縣市區農作物虛擬水量的空間分布，1998年5縣市區虛擬水量只分為3個等級，沒有達到第四等級；2004年榆樹市和農安縣達到第四等級，位居首位，德惠市上升到第三等級，排名第2，九臺市和市區均由第一等級上升到第二等級，但排名最末；到2008年德惠市由第三等級降到第二等級，九臺市、市區由第二等級降低到第一等級，而榆樹市、農安縣仍為第四等級.

農作物；虛擬水；時空分異；長春市

長春市位于我國東北松遼平原腹地，地理位置為43°05′～45°15′N，124°18′～127°02′E.全市總面積2.06×104km2，由市區、榆樹市、農安縣、德惠市和九臺市5個縣市區構成，2008年耕地面積1.19×106hm2，占全市總面積的57.8%.長春市地處世界三大黃金玉米帶——吉林黃金玉米帶的核心區域，農業高度發達，特別是糧食生產，長期在我國商品糧生產中占據極為重要的位置.長春市屬大陸性季風氣候，具有四季分明，雨熱同季，干濕適中的氣候特征.市內大小河流百余條，其中集水面積大于20km2以上的河流119條，較大的河流有飲馬河、伊通河和拉林河，水資源總量約為25.48×108m3［1－3］.由于水資源時空分布不均及生產、生活用水的增加，長春市水資源供給一直比較緊張［4－5］.農業是用水大戶，如何保障農業用水、提高農業用水效率，是長春市亟須解決的問題.

虛擬水是Tony Allan于20世紀90年代提出的新概念，是指生產商品和服務所需要的水資源數量［6－7］.虛擬水概念的提出不僅對緩解國家或地區出現的水資源短缺、保證缺水地區的糧食安全和水資源安全提供了新的思路，而且對資源配置優化、區域經濟結構調整、水資源遷移和存儲提供了新的途徑［8－15］.農作物虛擬水量實質上就是農作物為產出初級農產品所需要的水資源量，主要取決于農作物的類型、生長區的自然地理條件、灌溉條件和管理方式等，是連接糧食安全與水資源安全的重要紐帶，對其進行研究具有重要的理論意義和實踐意義.本文在計算了長春市農作物虛擬水量的基礎上，分析了其時空分布特征，為實現水土資源的合理配置提供了依據.

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文研究所需的長春市農作物播種面積、農作物產量來源于《吉林省統計年鑒》、《長春市統計年鑒》，長春市氣象數據來源于中國氣象局國家氣象信息中心.計算各種農作物的虛擬水量時，所需作物系數Kc借助于聯合國糧農組織提供的Cropwat8.0軟件中的數據.

1.2 研究方法

根據統計年鑒，將農作物分成4類：①糧食作物，包括水稻、玉米、大豆、小麥、谷子、高粱、馬鈴薯和其他谷物；②經濟作物，包括油料作物、葵花籽、甜菜和煙葉；③蔬菜；④瓜果.利用聯合國糧農組織提供的Cropwat8.0軟件，對長春市農作物虛擬水量進行測度.農作物虛擬水量的計算步驟如圖1所示［16－20］.

圖1 農作物虛擬水量計算流程圖

式中：Rn為作物表面的凈輻射量（MJ／（m2·d））；G為土壤熱通量 （MJ／（m2·d））；T為平均氣溫 （℃）；U2為離地面2m高處的風速（m／s）；es為飽和水氣壓 （kPa）；ea為實測水氣壓（kPa）；（es－ea）為飽和水氣壓與實際水氣壓的差額（kPa）；Δ為飽和水氣壓與溫度相關曲線的斜率（kPa／℃）；γ為濕度計常數（kPa／℃）.

然后，用作物系數Kc對ET0進行調整，獲得具體農作物生長需水ETc：單位質量農作物初級產品的虛擬水量S（m3／t）：

其中：S［e，c］為區域e作物c單位重量的虛擬水量（m3／t）；C［e，c］為區域e作物c的實際耗水量（m3／hm2）；Y［e，c］為區域e作物c的單位面積產量（t／hm2）.

利用Arcgis軟件繪制農作物虛擬水量的空間分布圖，可直觀、形象地將虛擬水量的空間分布表現出來.

2 結果與分析

2.1 農作物虛擬水量的時間特征

通過計算長春市1998—2008年農作物的虛擬水量 （見表1）可以看出，長春市農作物虛擬水量呈波狀起伏變化，2007年農作物虛擬水量最大，達65.0×108m3；其次為2000年，農作物虛擬水量為64.0×108m3；2005年最小，為47.0×108m3.其中，糧食作物的虛擬水量也呈波動變化，2004年、2000年和2007年糧食作物虛擬水量依次增至最高，其他年份波動幅度較小.經濟作物虛擬水量1998—2007年間趨于平穩，2008年降到最低值.蔬菜虛擬水量變化不大，總體上表現為前期高、后期低；瓜果的虛擬水量相對比較平穩，變化較小.由于糧食作物虛擬水量占農作物虛擬水總量的85%以上，因此農作物虛擬水量的變化趨勢基本與糧食作物虛擬水量的變化趨勢一致.其中2000年和2004年受氣象因素影響，降水量偏少，糧食作物虛擬水量較大，而2007年受降水量偏少和種植面積增加雙重因素影響，糧食作物虛擬水量最大.

長春市農作物虛擬水量的變化是由五個縣市區共同決定的，每個縣市區的種植面積、種植結構、灌溉條件和管理方式的調整都會影響虛擬水總量的變化，各縣市區11年來虛擬水量隨時間變化的趨勢如圖2所示.

市區（見圖2a）在11年間虛擬水量變化不大.由于市區可耕種面積較少，糧食總產量不高，虛擬水量與其他各縣市相比，其值最小.農作物的虛擬水量與糧食作物的虛擬水量的變化趨勢保持一致，經濟作物、蔬菜和水果的虛擬水量保持相對穩定的狀態.2007年農作物的虛擬水量最高.

表1 長春市1998—2008年農作物虛擬水量 km3

榆樹市（見圖2b）虛擬水量的變化較大，2000年、2004年和2007年峰值明顯，2007年達到11年間的最大值.除受氣象因素影響外，2007年玉米種植面積達到11年間的最大值，2004年水稻種植面積大幅度提高，總播種面積處于第二位，其他年份的播種面積處于動態穩定狀態，而經濟作物、蔬菜和水果一直處于相對穩定狀態.

農安縣（見圖2c）虛擬水量波動不大，2000年、2004年、2007年峰值較明顯.2007年由于種植面積的增加，導致這一年農作物的虛擬水量最大.在2001年至2003年間由于種植結構的調整，玉米種植面積減少，大豆和甜菜的種植面積增加，出現了糧食作物的虛擬水量與農作物的虛擬水量的整體擬合度不如其他年份高.經濟作物、蔬菜和水果相對處于穩定狀態，總體變化不大.

九臺市（見圖2d）虛擬水量在五縣市區中接近于市區，總體波動不大，種植面積和種植結構沒有重大的改變.農作物虛擬水量隨時間的變化趨勢基本與糧食作物的變化趨勢保持一致.

德惠市（見圖2e）農作物虛擬水量呈現不斷波動變化狀態，2000年、2004年和2007年峰值明顯，其變化趨勢與長春市總體的虛擬水量變化趨勢相吻合.1998—2008年間由于種植結構的調整，糧食作物種植面積增加，但總播種面積漲幅不大.

從5縣市區農作物虛擬水量的時序變化可以看出，長春市農作物虛擬水量隨時間的變化趨勢基本與糧食作物的變化趨勢相一致，總體呈現不斷波動變化的狀態.農作物生長季降水量的變化、種植面積和種植結構的調整是導致農作物虛擬水量變化的主要因素，合理安排種植結構和種植面積可為水安全和糧食安全提供保障.

2.2 農作物虛擬水量的空間特征

在計算農作物虛擬水量的基礎上，運用Arcgis軟件，選取長春市5縣市區1998年、2004年和2008年農作物虛擬水量作為分類標準，將虛擬水量劃分為4個等級，虛擬水量≤7.5×108m3為第一等級，7.6×108～10.5×108m3為第二等級，10.6×108～13.5×108m3為第三等級，≥13.6×108m3為第四等級.將長春市5縣市區進行分類，得出長春市農作物虛擬水量的空間分布特征，如圖3所示.

圖3 農作物虛擬水量空間分布

1998年降水量充足，長春市農作物虛擬水量只達到了3個等級（見圖3a）.榆樹市和農安縣是糧食大縣，虛擬水量分布在第三級，位于5縣市區之首；德惠市次之，處于第二等級；九臺市和市區虛擬水量最少，處于第一等級.

2004年為干旱年，農作物虛擬水量的空間分布發生了巨大的變化（見圖3b），各縣市區的虛擬水量均上升了一個等級，這不僅與種植面積增加和種植結構調整有直接關系，而且與干旱的氣象條件密切相關.農安縣和榆樹市虛擬水量增長最大，虛擬水量達到第四等級.榆樹市農作物播種面積占總面積的65%，2004年播種面積比1998年增加39 444hm2；農安縣農作物播種面積占總面積的56%，2004年播種面積比1998年增加27 243hm2.而由于降水量少，榆樹市、農安縣2004年單位質量農作物虛擬水量均高于1998年，如榆樹市2004年單位質量玉米虛擬水量為0.53m3／kg，單位質量水稻虛擬水量為0.84m3／kg，而1998年單位質量玉米虛擬水量為0.45m3／kg，單位質量水稻虛擬水量為0.73m3／kg；農安縣2004年單位質量玉米虛擬水量為0.58m3／kg，單位質量水稻虛擬水量為0.92m3／kg，而1998年單位質量玉米虛擬水量為0.44m3／kg，單位質量水稻虛擬水量為0.67m3／kg.因此，單位質量農作物虛擬水量的增加，再加上播種面積的擴大，使得榆樹市、農安縣虛擬水總量大幅增加.德惠市、九臺市及市區2004年的單位質量農作物虛擬水量也均高于1998年.德惠市2004年播種面積增長47 808hm2，是5縣市區中增長最大的，其虛擬量上升為第三等級.九臺市播種面積增長了21 738hm2，市區播種面積增長了18 493hm2，虛擬水量由第一等級上升為第二等級，位于5縣市區最末.

2008年降水豐沛，農作物虛擬水量等級同2004年相比變化較明顯（見圖3c）.長春市2008年降水量比2004年多240.6mm，單位質量農作物虛擬水量均低于2004年.雖然全市2008年總播種面積比2004年增加了50 553hm2，但虛擬水總量卻減少了6.32×108m3.其中德惠市2008年的總播種面積比2004年減少了1 640hm2，而虛擬水量相對不高的玉米種植面積卻增加了13 986hm2.因此，德惠市虛擬水量減少的最多，為1.96×108m3，虛擬水量由第三等級下降到第二等級.九臺市2008年比2004年總播種面積增加1 513hm2，虛擬水量卻減少0.92×108m3，由第二等級下降到第一等級.市區播種面積變化不大，虛擬水量亦下降為第一等級.農安縣和榆樹市的虛擬水量等級仍位于第四級.

長春市1998—2008年各縣市區的虛擬水總量在不斷變化，榆樹市和農安縣的虛擬水量在5縣市區中始終最高，德惠市虛擬水量次之，九臺市虛擬水量再次之，市區虛擬水量最低.農作物虛擬水量的變化不僅與作物播種面積、種植結構相關，而且與降水量的變化密切相關.

3 結論

（1）長春市1998—2008年農作物虛擬水量隨時間變化的趨勢基本與糧食作物虛擬水量的變化趨勢相一致，經濟作物、蔬菜和水果的虛擬水量變化不大，2000年、2004年和2007年農作物虛擬水量較高.5縣市區農作物種植面積和種植結構的調整導致虛擬水量不斷變化，而且受氣象條件影響，在降水量較少的干旱年份農作物虛擬水量較大.

（2）對比分析1998年、2004年和2008年5縣市區虛擬水量的空間分布特征，2004年各縣市區虛擬水量比1998年均上升1個等級，榆樹市和農安縣排在第1位，德惠市次之，九臺市、市區最末.2008年與2004年相比，德惠市由第三等級下降到第二等級，九臺市、市區由第二等級下降到第一等級，而榆樹市、農安縣仍為第四等級.

（3）研究長春市農作物虛擬水量的時空變化規律，可以了解長春市農作物生產的耗水狀況，認識長春市農業用水及水資源利用、分配的合理性，為農業生產結構的調整提供理論依據，以保證糧食安全與水資源安全.

［1］ 王祁春，李誠固，丁萬均.長春市城市地域結構體系研究［J］.地理科學，2001，21（1）：82-88.

［2］ 趙云升，杜嘉，松開山，等.基于衛星遙感的夏季長春市城區熱場分析［J］.地理科學，2006，26（1）：70-74.

［3］ 張約翰，張平宇.長春低碳生態城市發展測評研究［J］.東北師大學報：自然科學版，2011，43（2）：151-156.

［4］ 靳英華，秦麗杰，劉輝.松遼流域水資源承載力與安全對策研究［J］.東北師大學報：自然科學版，2005，37（4）：121-126.

［5］ 陳定貴，呂憲國，王艷平.長春市城市發展與水資源環境約束關系研究［J］.東北師大學報：自然科學版，2008，40（2）：130-135.

［6］ ALLAN J A.Fortunately there are substitutes for water otherwise our hydro political futures would be impossible［G］／／ODA.Priorities for water resources allocation and management.London：ODA，1993：13-26.

［7］ ALLAN J A.Overall perspectives on countries and regions［G］／／ROGERS P，LYDON P.Water in the Arab world：perspectives and prognoses.Cambridge，Massachusetts：Harvard University Press，1994：65-100.

［8］ 程國棟.虛擬水——中國水資源安全戰略的新思路［J］.中國科學院院刊，2003（4）：260-265.

［9］ 王紅瑞，韓兆興，韓魯杰，等.虛擬水理論與方法的研究進展［J］.中國水利水電科學研究院報，2008，6（1）：66-73.

［10］ 王新華，徐中民，李應海.甘肅省2003年的水足跡評價［J］.自然資源學報，2005，20（6）：909-915.

［11］ 鄒君，謝楊艷，李伯華，等.虛擬水戰略背景下的中國糧食生產空間布局優化研究［J］.地域研究與開發，2010，29（5）：22-27.

［12］ 鄒君，楊玉蓉，毛德華.湖南省虛擬水戰略初步研究［J］.地域研究與開發，2008，27（3）：75-78.

［13］ MERRET S.Virtual water and the Kyoto consensus a water forum contribution［J］.Water International，2003，28（4）：540-542.

［14］ WICHELNS D.The policy relevance of virtual water can be enhanced by considering comparative advantages［J］.Agricultual Water Management，2004，66（1）：49-63.

［15］ 秦麗杰，張輝，王樹生，等.延邊朝鮮族自治州農作物虛擬水時空分異特征研究［G］／／長白山地理系統與生態安全.長春：東北師范大學出版社，2011：225-231.

［16］ 王紅瑞，王巖，王軍紅.北京農業虛擬水水結構變化及貿易研究［J］.環境科學，2007，28（12）：2877-2884.

［17］ 陳效逑，彭嘉棟，李慧敏.內蒙古地區氣溫變化的季節和區域差異［J］.地理研究，2009，28（1）：27-35.

［18］ 周姣，史安娜.區域虛擬水貿易計算方法及實證［J］.中國人口·資源與環境，2008（4）：184-188.

［19］ VELAZQUEZ E.Water trade in Andalusia.Virtual water：an alternative way to manage water use［J］.Ecological Economics，2007，63（1）：201-208.

［20］ GUAN DABO，HUBACEK K.Assessment of regional trade and virtual water flows in China［J］.Ecological Economics，2007，61（1）：159-170.

Study on spatial-temporal distribution characteristics of crop virtual water in Changchun City

QIN Li-jie，SHEN Shu-ping，DUAN Pei-li
（College of Urban and Environmental Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China）

Virtual water is the important research field of food security and water security.In order to provide scientific basis for agricultural sustainable development in Changchun city，the crop virtual water of Changchun City from 1998to 2008is calculated to study its spatial-temporal distribution rules.The crop virtual water in Changchun City presented a series of changes，which was consistent to the change trend of grain crops.The virtual water of grain crops appeared high peaks in 2000，2004and 2007，and that of the economic crops，vegetable，melons and fruits changed little.Compared with the spatial distribution of crop virtual water content in 1998，2004and 2007in five counties，there were larger change.In 1998the crop virtual water was divided into three levels，not arrived at the fourth level.In 2004Yushu county and Nong'an county reached the fourth level，Dehui county reached the third level，Jiutai county and the urban district were at the second level.In 2008Dehui county decreased to the second level，Jiutai county and the urban district decreased to the first level，and Yushu county and Nong'an county were still at the fourth level.

crop；virtual water；Changchun City；spatial-temporal distribution

F 319.9

790·19

A

1000-1832（2012）01-0149-06

2011-08-22

國家重點基礎研究發展計劃（973）項目（2009CB426305）；教育部人文社會科學規劃基金資助項目（10YJA840032）；吉

林省教育廳社會科學項目.

秦麗杰（1966—），女，博士，副教授，主要從事水資源與水環境研究.

方 林）