河套灌區(qū)春小麥生產(chǎn)水足跡影響因子敏感性及貢獻(xiàn)率分析

孫世坤，劉文艷，劉 靜，王玉寶，陳帝伊，吳普特

（1西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西楊凌 712100；3河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098）

河套灌區(qū)春小麥生產(chǎn)水足跡影響因子敏感性及貢獻(xiàn)率分析

孫世坤1，2，劉文艷1，劉 靜3，王玉寶1，2，陳帝伊1，吳普特1，2

（1西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西楊凌 712100；3河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098）

【目的】農(nóng)業(yè)水資源高效利用是保障國(guó)家糧食和水資源安全的重要途徑，作物用水評(píng)價(jià)是農(nóng)業(yè)用水管理的主要研究課題之一。水足跡為農(nóng)業(yè)用水評(píng)價(jià)提供了新的指標(biāo)體系，研究旨在通過(guò)對(duì)作物生產(chǎn)水足跡影響因素進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，進(jìn)而進(jìn)行水足跡調(diào)控，以便實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源高效利用。【方法】以河套灌區(qū)為研究區(qū)域，基于水足跡概念體系，利用改進(jìn)的水足跡量化方法對(duì)河套灌區(qū)春小麥生產(chǎn)水足跡進(jìn)行量化并分析其在研究時(shí)段內(nèi)的演變特征；利用單因素輪換（One-At-A-Time，OAT）敏感性分析方法和貢獻(xiàn)率分析方法探究氣候、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入因子和水資源利用效率對(duì)春小麥生產(chǎn)水足跡變化的驅(qū)動(dòng)力。【結(jié)果】春小麥生產(chǎn)水足跡在研究時(shí)段內(nèi)呈顯著下降趨勢(shì)，從1981年的4.71 m3·kg-1，下降到2010年的1.52 m3·kg-1；同時(shí)年際變化呈現(xiàn)出較為明顯的階段性特征，可劃分為波動(dòng)性下降期（1981—1987年）、快速下降期（1988—1995年）、緩慢下降期（1996—2010年），該變化規(guī)律與灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和灌溉水平的發(fā)展特征基本一致；從水足跡的藍(lán)、綠水構(gòu)成來(lái)看，河套灌區(qū)春小麥生產(chǎn)水足跡中藍(lán)水足跡比例超過(guò)90%，而綠水足跡比例不足10%，這與灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水特征相一致。敏感性分析顯示，水足跡對(duì)各個(gè)因子的敏感性差別十分顯著，日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、降水量、灌溉水利用系數(shù)和單位面積化肥用量在±20%波動(dòng)的情況下，春小麥生產(chǎn)水足跡的波動(dòng)范圍分別為±30%、±24%、±2%、±63%和±4%，春小麥生產(chǎn)水足跡對(duì)灌溉水利用系數(shù)、日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度的敏感性較高，對(duì)其余影響因子的敏感性較低。貢獻(xiàn)率分析顯示，研究時(shí)段內(nèi)相對(duì)濕度的減少和降水量的增加促使春小麥生產(chǎn)水足跡的增加。而日照時(shí)數(shù)的下降、化肥使用量以及灌區(qū)用水效率的提高促使了春小麥生產(chǎn)水足跡的降低。定量分析結(jié)果顯示，化肥和灌溉水利用系數(shù)對(duì)春小麥生產(chǎn)水足跡變化的貢獻(xiàn)率分別為-36.89%和-39.42%，而氣候因子的綜合貢獻(xiàn)率僅為 2.80%，對(duì)研究時(shí)段內(nèi)春小麥生產(chǎn)水足跡下降貢獻(xiàn)率最大的是灌溉水利用系數(shù)，其次為單位面積化肥用量，而相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和降水量三者的貢獻(xiàn)率相近，貢獻(xiàn)率最小的是日照時(shí)數(shù)，這主要是因?yàn)槿照諘r(shí)數(shù)在研究時(shí)段內(nèi)的變率較小。【結(jié)論】氣候、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料投入和水資源利用效率是影響作物生產(chǎn)水足跡的主要因素，就河套灌區(qū)而言，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料投入和水資源利用效率的提高是促使灌區(qū)春小麥生產(chǎn)水足跡下降的主要因素，而氣候因子在研究時(shí)段內(nèi)對(duì)春小麥生產(chǎn)水足跡的影響較小。

水足跡；敏感性分析；貢獻(xiàn)率分析；河套灌區(qū)；春小麥

0　引言

【研究意義】水資源是重要的自然資源和經(jīng)濟(jì)資源，隨著人口增長(zhǎng)與各行業(yè)用水增加，水資源供需矛盾不斷加劇。作為人口和農(nóng)業(yè)大國(guó)，中國(guó)面臨著嚴(yán)峻的水資源和糧食安全壓力。在氣候變化的背景下，全球氣溫、降水和水資源分布格局都將發(fā)生變化，從而對(duì)區(qū)域水資源狀況和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)不確定性［1］。近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的快速發(fā)展，水資源短缺形勢(shì)愈來(lái)愈嚴(yán)峻。農(nóng)業(yè)是中國(guó)主要的水資源消耗行業(yè)，其用水占全國(guó)用水總量的 60%左右［2］，而灌溉用水占農(nóng)業(yè)用水的近90%，灌區(qū)水資源利用效率的提高對(duì)于提高中國(guó)農(nóng)業(yè)水資源利用效率，緩解農(nóng)業(yè)用水壓力具有重要意義。同時(shí)，灌溉農(nóng)業(yè)對(duì)保障中國(guó)糧食安全發(fā)揮著重要作用，占全國(guó)耕地面積49%的灌區(qū)生產(chǎn)出約占全國(guó)總量 75%的糧食［3］。因此，合理評(píng)價(jià)灌區(qū)作物生產(chǎn)過(guò)程中水資源利用情況可為提高灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源管理和調(diào)控水平提供理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源的持續(xù)、高效利用。水足跡作為一個(gè)較新的水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從水資源消耗數(shù)量、類型和效率等幾個(gè)層面評(píng)價(jià)了人類生產(chǎn)、消費(fèi)活動(dòng)對(duì)水資源的多重影響［4］，有別于傳統(tǒng)的用水量評(píng)價(jià)指標(biāo)，它是一個(gè)體現(xiàn)消耗的水量、水源類型以及污染量和污染類型的多層面指標(biāo)。同時(shí)，作物生產(chǎn)水足跡的量化是進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品虛擬水貿(mào)易分析的基礎(chǔ)，開(kāi)展水足跡與虛擬水的研究有助于理解淡水資源的全球?qū)傩约跋M(fèi)和貿(mào)易對(duì)水資源使用的影響。對(duì)作物生產(chǎn)水足跡影響因子敏感性進(jìn)行研究有助于明晰作物生產(chǎn)水足跡的主要影響因素，并為水足跡調(diào)控和農(nóng)業(yè)水資源管理提供理論依據(jù)。【前人研究進(jìn)展】目前，國(guó)際上對(duì)水足跡的研究大致集中在3個(gè)方面：一是水足跡理論框架及量化方法的研究；二是水足跡的案例研究；三是基于水足跡的水資源評(píng)價(jià)和管理研究。在水足跡理論及量化方法研究方面：HOEKSTRA等［4］探討了水足跡在水資源管理中的應(yīng)用前景，并初步構(gòu)建了水足跡量化與可持續(xù)評(píng)價(jià)框架。MEKONNEN等［5］構(gòu)建了基于柵格尺度的動(dòng)態(tài)水分平衡模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)全球作物的生產(chǎn)水足跡進(jìn)行了量化。在水足跡案例研究方面：龍愛(ài)華等［6］、馬靜等［7］、HOEKSTRA等［8］、CAZCARRO等［9］分別以省（區(qū)）、國(guó)家和全球?yàn)榭臻g分析單元，研究了區(qū)域、國(guó)家和全球的消費(fèi)水足跡以及行業(yè)水足跡（旅游業(yè)）。在基于水足跡的水資源評(píng)價(jià)方面：ZHANG等［10］指出水足跡為明確人類消費(fèi)活動(dòng)對(duì)水資源的影響提供了新的途徑，通過(guò)進(jìn)行水足跡評(píng)價(jià)，可以幫助管理機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。ERCIN等［11］分析了未來(lái)人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)變化情景下，全球消費(fèi)和生產(chǎn)水足跡的變化情況，為政府和相關(guān)機(jī)構(gòu)制定水資源管理策略提供參考［12］。上述研究對(duì)于水足跡理論和應(yīng)用的發(fā)展提供了有益的借鑒，但目前對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡的量化方法還比較單一，針對(duì)不同尺度和評(píng)價(jià)目標(biāo)的量化體系尚未建立，以往對(duì)作物生產(chǎn)水足跡的量化主要通過(guò)計(jì)算田間尺度作物蒸散量求得，沒(méi)有考慮灌溉水在輸配水及田間灌水過(guò)程中的損失，因而無(wú)法反映區(qū)域尺度農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的水資源利用狀況。同時(shí)，有關(guān)水足跡的研究大多還停留在對(duì)水足跡的量化和評(píng)價(jià)方面，對(duì)作物生產(chǎn)水足跡影響因子敏感性及貢獻(xiàn)率的研究還較少。ZHUO等［13］評(píng)價(jià)了降水量、作物系數(shù)、生育期等對(duì)作物生產(chǎn)水足跡的影響，開(kāi)始了作物生產(chǎn)水足跡影響因素的初步探討。【本研究切入點(diǎn)】農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的自然、社會(huì)交融的生產(chǎn)過(guò)程，氣候等自然因素對(duì)作物生產(chǎn)水足跡產(chǎn)生重要的影響，但“綠色革命”以來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入對(duì)作物單產(chǎn)水平的提高發(fā)揮了重要作用，而作物單產(chǎn)是影響作物生產(chǎn)水足跡的重要因素，同時(shí)灌溉水利用效率水平也將直接影響作物生產(chǎn)水足跡。因此，綜合評(píng)價(jià)氣候、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)因子和灌溉水平對(duì)作物生產(chǎn)水足跡的影響對(duì)于全面評(píng)價(jià)作物生產(chǎn)水足跡的影響因素，進(jìn)而提出水足跡調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)和措施具有重要意義。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以河套灌區(qū)為研究區(qū)域，基于水足跡概念體系，利用改進(jìn)的水足跡量化方法對(duì)河套灌區(qū)春小麥生產(chǎn)水足跡進(jìn)行量化并分析其在研究時(shí)段內(nèi)的演變特征；利用單因素輪換（One-At-A-Time，OAT）敏感性分析方法和貢獻(xiàn)率分析方法探究氣候、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入因子和灌溉水平對(duì)春小麥生產(chǎn)水足跡變化的驅(qū)動(dòng)力，以期為灌區(qū)水足跡調(diào)控和水資源管理提供依據(jù)。

1　數(shù)據(jù)與方法

1.1研究區(qū)概況

河套灌區(qū)位于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市（圖1），灌區(qū)地處干旱、半干旱荒漠草原地帶，大陸性氣候特征明顯，冬季嚴(yán)寒少雪，夏季高溫干熱，年平均氣溫6—8℃，灌區(qū)降雨量少，年平均降水量為130—215 mm，年蒸發(fā)量為2 100—2 300 mm［14］。灌區(qū)有效灌溉面積57.4萬(wàn)hm2，灌區(qū)主要種植作物為春小麥、玉米和向日葵等。引黃水是灌區(qū)主要的水源，河套灌區(qū)多年平均引黃水量為50億m3左右。但由于黃河年徑流量的下降，同時(shí)隨著黃河統(tǒng)一調(diào)度，河套灌區(qū)配水量日益減少，灌區(qū)水資源供需矛盾不斷加劇［15］。

圖1　河套灌區(qū)示意圖Fig.1 Location of Hetao irrigation district

1.2數(shù)據(jù)及來(lái)源

研究所需數(shù)據(jù)包括：氣象數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料和農(nóng)業(yè)用水資料。研究所需的氣象數(shù)據(jù)包括河套灌區(qū)1981—2010年月平均最高氣溫、月平均最低氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、降水量等參數(shù)，數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)和巴彥淖爾市氣象局［16］。研究區(qū)作物產(chǎn)量、播種面積、單產(chǎn)、生產(chǎn)資料投入等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)自灌區(qū)管理年報(bào)和《內(nèi)蒙古統(tǒng)計(jì)年鑒》［17］。灌區(qū)歷年引、排水、灌溉定額、灌溉水利用系數(shù)等數(shù)據(jù)來(lái)源于河套灌區(qū)管理年報(bào)、《巴彥淖爾市水資源公報(bào)》等資料［18］。

1.3作物生產(chǎn)水足跡計(jì)算方法

作物生產(chǎn)水足跡可表述為生產(chǎn)作物單位產(chǎn)量（通常為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量）所消耗的廣義水資源量，它由藍(lán)水足跡（作物生產(chǎn)所消耗的地表水或地下水，即灌溉水）、綠水足跡（作物生產(chǎn)過(guò)程消耗的有效降水）和灰水足跡（用于稀釋作物生產(chǎn)過(guò)程排放的污染物，使其達(dá)到環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)所需的水資源量）組成。其中藍(lán)水足跡與綠水足跡為作物消耗性用水，而灰水足跡為改善環(huán)境性用水。由于河套灌區(qū)所面臨的主要環(huán)境問(wèn)題為土壤鹽漬化，而目前國(guó)際上關(guān)于農(nóng)業(yè)灰水足跡的污染源多界定為化肥、農(nóng)藥等造成的水體污染，因此，本研究主要關(guān)注春小麥生產(chǎn)過(guò)程中的消耗性用水（即藍(lán)水足跡與綠水足跡），暫不考慮灰水足跡［4，12］。目前國(guó)際上對(duì)作物生產(chǎn)水足跡的量化主要通過(guò)計(jì)算田間尺度作物蒸散量求得，沒(méi)有考慮灌溉水在輸配水及田間灌水過(guò)程中的損失，因而無(wú)法反映區(qū)域尺度農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的水資源利用狀況。針對(duì)該方法的不足，本研究在已有研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)作物生產(chǎn)水足跡定義，提出了改進(jìn)的作物生產(chǎn)藍(lán)水足跡計(jì)算方法，即將灌溉水損失量中的渠道蒸發(fā)、深層滲漏后隨地下水流出研究區(qū)域外的灌溉水量納入藍(lán)水足跡量化之中，從而反映區(qū)域作物生產(chǎn)過(guò)程中的水資源利用特征，主要計(jì)算過(guò)程如下［15］：

式中，WFgreen為春小麥綠水足跡（m3·kg-1）；WFblue為春小麥藍(lán)水足跡（m3·kg-1）；Wgreen為春小麥單位面積消耗的綠水資源量（m3·hm-2）；Wblue為春小麥單位面積消耗的藍(lán)水資源量（m3·hm-2）；10為單位換算系數(shù)；ETc為春小麥生育期蒸發(fā)蒸騰量（mm）；Pe為春小麥生育期有效降水量（mm）；IRG為作物單位面積消耗的灌溉水量（m3·hm-2）；Y為作物單位面積產(chǎn)量（kg·hm-2）。

Pe根據(jù) CROPWAT模型中內(nèi)嵌的有效降水量計(jì)算公式進(jìn)行量化，該公式為美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持局（USDA SCS）提出的方法［19］：

式中，Pdec為旬降水量（mm）；Pe（dec）為旬有效降水量（mm）。根據(jù)作物生育期對(duì)Pe（dec）進(jìn)行求和即可得到作物整個(gè)生育期的有效降水量，沈成［20］、AUGUSTIN［21］等人的研究表明，該方法在河套灌區(qū)具有較好的適用性。

式中，WA為灌區(qū)種植業(yè)灌溉水總消耗量（m3）；α為春小麥灌溉水消耗量占灌區(qū)灌溉水消耗總量的比例；AW為春小麥的播種面積（hm2）。

WA根據(jù)灌區(qū)水量平衡進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)下式：

式中，WIn為灌區(qū)引水量（m3）；WP為灌區(qū)降水補(bǔ)給量（m3）；WG為地下水補(bǔ)給量（m3）；Wout為灌區(qū)排水量（m3）；ΔW為灌區(qū)內(nèi)部蓄水的變化量（m3）；WPe為灌區(qū)種植業(yè)消耗的有效降水量（m3）；WI為工業(yè)生產(chǎn)耗水量（m3）；WL為城鄉(xiāng)生活耗水量（m3）；WE為生態(tài)環(huán)境耗水量（m3）。

α根據(jù)下式計(jì)算［15］：

1.4水足跡敏感性分析

因子敏感性是表征一個(gè)或幾個(gè)相關(guān)影響因子發(fā)生變化時(shí)，對(duì)因變量影響程度的定量參數(shù)［22-24］。論文利用OAT（One-at-a-Time）敏感性分析法分析春小麥生產(chǎn)水足跡對(duì)其影響因素的敏感性。OAT分析是一種篩選式的試驗(yàn)方法，綜合了局部和全局的敏感性分析方法，通過(guò)改變準(zhǔn)則因子的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估因變量對(duì)自變量的敏感性［25-27］。

1.5因子貢獻(xiàn)率分析

根據(jù)水足跡基本理論，作物生產(chǎn)水足跡是由作物耗水量與單位面積產(chǎn)量共同決定，作物單產(chǎn)受當(dāng)?shù)責(zé)崃俊⑺帧⑤椛涞绒r(nóng)業(yè)氣候資源，以及化肥、農(nóng)藥、機(jī)械化水平等生產(chǎn)資料因子的影響，用函數(shù)表示其關(guān)系為［15］：

式中，Ci、Si分別為影響作物單位面積產(chǎn)量的氣象因子及生產(chǎn)資料投入因子。

作物生產(chǎn)過(guò)程的水資源消耗主要與區(qū)域氣候條件及灌溉設(shè)施和技術(shù)水平有關(guān)，作物耗水量可用下式表示［15］：

式中，CWU為作物單位面積水資源消耗量（m3·hm-2）；Si為作物生產(chǎn)過(guò)程中與水資源消耗相關(guān)的生產(chǎn)變量，如灌溉水利用系數(shù)。

因此，作物生產(chǎn)水足跡可用下式表示［15］：

對(duì)等式兩邊分別取對(duì)數(shù)進(jìn)行線性化可得：

對(duì)上式進(jìn)行多元線性回歸得到以下回歸方程：

式中，e為回歸方程常數(shù)項(xiàng)，其他參數(shù)與上同。

根據(jù)彈性系數(shù)的定義，利用Eviews 8.0軟件對(duì)上式進(jìn)行多元線性回歸，回歸系數(shù)即為各因子的彈性系數(shù)（一定時(shí)期內(nèi)相互聯(lián)系的兩個(gè)指標(biāo)變化速度的比率），農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料和氣象因子變化對(duì)水足跡變化的貢獻(xiàn)率可按下式計(jì)算［15，28-29］：

式中，δi為第 i項(xiàng)生產(chǎn)資料對(duì)作物生產(chǎn)水足跡變化的貢獻(xiàn)率；αi為第i項(xiàng)生產(chǎn)資料的彈性系數(shù)；ΔSi為第i項(xiàng)生產(chǎn)資料投入的變化量；ΔWF為作物生產(chǎn)水足跡的變化量；γi為第i項(xiàng)氣象因子對(duì)作物生產(chǎn)水足跡變化的貢獻(xiàn)率；bi為第i項(xiàng)氣象因子的彈性系數(shù)；ΔCi為第i項(xiàng)氣象因子的變化量。

2　結(jié)果

2.1春小麥生產(chǎn)水足跡年際變化分析

春小麥生產(chǎn)過(guò)程的水資源消耗有兩種類型：藍(lán)水（灌溉水）和綠水（有效降水）。對(duì)河套灌區(qū)春小麥生產(chǎn)過(guò)程中的水資源消耗分析顯示，在研究時(shí)段內(nèi)，春小麥生育期水資源消耗主要依靠灌溉水供給，而由于降水稀少，春小麥消耗的降水較少。從年代變化來(lái)看，由于區(qū)域灌溉系統(tǒng)運(yùn)行水平的提高，單位面積灌溉水消耗量呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，而降水消耗量受降水波動(dòng)性的影響，其在研究時(shí)段內(nèi)也呈現(xiàn)出較為明顯的波動(dòng)趨勢(shì)（圖2）。

根據(jù)灌區(qū)氣象、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和灌區(qū)用水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)河套灌區(qū)1981—2010年的春小麥生產(chǎn)水足跡進(jìn)行量化。利用趨勢(shì)分析和M-K檢驗(yàn)［30-31］分析了春小麥生產(chǎn)水足跡的時(shí)間演變特征。圖3中生產(chǎn)水足跡在研究時(shí)段內(nèi)呈顯著下降趨勢(shì)，從1981年的4.71 m3·kg-1，下降到2010年的1.52 m3·kg-1，年均下降率為0.11 m3·kg-1。M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)值為-6.71，說(shuō)明下降趨勢(shì)達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）。同時(shí)，春小麥生產(chǎn)水足跡年際變化呈現(xiàn)出較為明顯的階段性特征：1981—1987年間主要呈現(xiàn)出波動(dòng)性下降的趨勢(shì)；1988—1995年間呈現(xiàn)出快速下降的變化趨勢(shì)；1995年之后呈現(xiàn)出較為平緩的下降趨勢(shì)。從水足跡的藍(lán)、綠水構(gòu)成來(lái)看，河套灌區(qū)春小麥生產(chǎn)水足跡中藍(lán)水足跡比例超過(guò)90%，而綠水足跡比例不足10%，灌區(qū)春小麥生產(chǎn)主要依靠藍(lán)水資源。從二者在研究時(shí)段內(nèi)的變化趨勢(shì)來(lái)看，春小麥生產(chǎn)藍(lán)水足跡下降趨勢(shì)較春小麥生產(chǎn)綠水足跡更為顯著。

圖2　區(qū)域尺度春小麥單位面積耗水量年際變化Fig.2 Interannual variation of water consumption of spring wheat at regional scale

圖3　春小麥生產(chǎn)水足跡年際變化Fig.3 Interannual variation of water footprint of spring wheat

春小麥生產(chǎn)水足跡是由春小麥生產(chǎn)過(guò)程中的水資源消耗量和春小麥單位面積產(chǎn)量共同決定，通過(guò)分析研究時(shí)段二者的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)（圖 4），春小麥生產(chǎn)水足跡的快速下降階段與春小麥單產(chǎn)大幅度提高（伴隨著化肥、農(nóng)藥使用量的增加）的階段基本吻合，進(jìn)入1995年之后，春小麥單產(chǎn)增速放緩，其水足跡的下降主要是在單位面積耗水量下降的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)的。

2.2影響因子敏感性分析

鑒于河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠藍(lán)水資源，春小麥藍(lán)水足跡占春小麥生產(chǎn)水足跡總量的比例在90%以上，春小麥藍(lán)水足跡與春小麥總水足跡的影響因子敏感性具有大體一致的特性。因此，本研究著重分析春小麥總水足跡的因子敏感性及貢獻(xiàn)率。利用 OAT方法對(duì)春小麥生產(chǎn)水足跡的影響因素進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果顯示（圖 5）：對(duì)于氣象因子而言，春小麥生產(chǎn)水足跡與日照時(shí)數(shù)和降水量呈正相關(guān)關(guān)系，與相對(duì)濕度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，即春小麥生產(chǎn)水足跡隨著日照時(shí)數(shù)和降水量的增加而增加，隨著相對(duì)濕度的增加而減小。對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)因子而言，春小麥生產(chǎn)水足跡與化肥使用量和灌溉水利用效率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即春小麥生產(chǎn)水足跡隨著化肥使用量的增加、灌溉水利用系數(shù)的提高而降低。

圖4　春小麥單位面積產(chǎn)量及耗水量年際變化Fig.4 Interannual variation of yield and water consumption per unit area of spring wheat

氣象因子中，水足跡對(duì)日照時(shí)數(shù)的敏感性最大，日照時(shí)數(shù)在±20%的波動(dòng)的情況下，春小麥生產(chǎn)水足跡的變化范圍約為±30%；相對(duì)濕度的敏感性次之，在±20%的波動(dòng)的情況下，春小麥生產(chǎn)水足跡的變化范圍約為±24%；而水足跡對(duì)降水的敏感性較低。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平因子中，水足跡對(duì)灌溉水利用率的敏感性較高，灌溉水利用系數(shù)在±20%變動(dòng)的幅度下，春小麥生產(chǎn)水足跡的變動(dòng)幅度達(dá)到±60%以上；但是春小麥生產(chǎn)水足跡對(duì)化肥使用量的敏感性較低，單位面積化肥用量在±20%的波動(dòng)的情況下，春小麥生產(chǎn)水足跡的變化范圍約為±4%左右。由此可見(jiàn)，水足跡對(duì)各個(gè)因子的敏感性差別十分顯著，春小麥生產(chǎn)水足跡對(duì)灌溉水利用系數(shù)、日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度的敏感性較高，對(duì)其余影響因子的敏感性較低。

2.3影響因子貢獻(xiàn)率分析

作物生產(chǎn)水足跡影響因子在研究時(shí)段內(nèi)的變化對(duì)春小麥生產(chǎn)水足跡產(chǎn)生一定的影響，為了評(píng)價(jià)影響因子變化對(duì)春小麥生產(chǎn)水足跡變化的貢獻(xiàn)程度，采用貢獻(xiàn)率分析方法定量分析了各個(gè)影響因子對(duì)春小麥生產(chǎn)水足跡變化的貢獻(xiàn)程度。影響因子變化率分析結(jié)果顯示：相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)在研究時(shí)段內(nèi)的變率分別為-3.04%和-0.35%，而降水量、化肥使用量和灌溉水利用系數(shù)在研究時(shí)段內(nèi)的變率分別為31.40%、406.70% 和26.22%，這說(shuō)明灌區(qū)相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)在研究時(shí)段內(nèi)呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，而降水量、化肥使用量和灌溉水利用系數(shù)在研究時(shí)段內(nèi)呈增加態(tài)勢(shì)。

上述影響因子在研究時(shí)段內(nèi)的變化將會(huì)對(duì)春小麥生產(chǎn)水足跡產(chǎn)生影響，各影響因子貢獻(xiàn)率分析結(jié)果表明（表1），相對(duì)濕度和降水量的貢獻(xiàn)率為正值，日照時(shí)數(shù)、單位面積化肥用量及灌溉水利用系數(shù)的貢獻(xiàn)率為負(fù)值。這說(shuō)明，研究時(shí)段內(nèi)相對(duì)濕度的減少和降水量的增加促使春小麥生產(chǎn)水足跡的增加。而日照時(shí)數(shù)的下降、化肥使用量以及灌區(qū)用水效率的提高促使了春小麥生產(chǎn)水足跡的降低。定量分析結(jié)果表明，對(duì)春小麥生產(chǎn)水足跡值貢獻(xiàn)率最大的是灌溉水利用系數(shù)，其次為單位面積化肥用量，而相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和降水量三者的貢獻(xiàn)率相近，貢獻(xiàn)率最小的是日照時(shí)數(shù)，這主要是因?yàn)槿照諘r(shí)數(shù)在研究時(shí)段內(nèi)的變率最小。

圖5　春小麥生產(chǎn)水足跡影響因子敏感性Fig.5 Sensitivity of influencing factors of wheat water footprint

進(jìn)一步分析因子貢獻(xiàn)率差異的原因可以發(fā)現(xiàn)，灌溉水利用系數(shù)的彈性系數(shù)和研究時(shí)段內(nèi)的變率均較大，所以其貢獻(xiàn)率也最大。相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)的彈性系數(shù)雖然較大，但是其研究時(shí)段內(nèi)的變率較小，所以對(duì)水足跡的貢獻(xiàn)也較小。此外，雖然相對(duì)濕度的敏感系數(shù)為負(fù)值，但是由于年際減少的變化趨勢(shì)，其對(duì)春小麥生產(chǎn)水足跡的貢獻(xiàn)率為正。

表1　春小麥生產(chǎn)水足跡影響因子貢獻(xiàn)率分析Table 1 Contribution rate analysis of influencing factors of wheat water footprint

3　討論

氣象因子對(duì)作物生產(chǎn)水足跡的影響主要通過(guò)其對(duì)作物單位面積產(chǎn)量和耗水量的作用實(shí)現(xiàn)。關(guān)于氣象因子對(duì)作物耗水量的影響，已有學(xué)者進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。陳素英等［32］研究指出相對(duì)濕度的變化將會(huì)影響作物蒸散和氣孔導(dǎo)度，濕度越大將會(huì)導(dǎo)致大氣蒸發(fā)能力下降，作物需水量下降。同時(shí)濕度增加將會(huì)導(dǎo)致作物氣孔導(dǎo)度減小，影響作物光合作用，降低作物生物量［32］。日照時(shí)數(shù)影響著作物生育期的太陽(yáng)輻射量，從而對(duì)作物生物量的積累產(chǎn)生影響，另一方面，根據(jù)水氣擴(kuò)散理論，太陽(yáng)輻射將為作物蒸散提供能量，因此日照時(shí)數(shù)的改變將會(huì)影響太陽(yáng)輻射從而影響作物產(chǎn)量和作物耗水量。趙璐等［27］對(duì)川中丘陵區(qū)近 60年參考作物蒸發(fā)蒸騰量變化成因進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速減小對(duì)參考作物蒸發(fā)蒸騰量變化的貢獻(xiàn)率分別為-5.403%和-2.054%；相對(duì)濕度減小和溫度增加對(duì)參考作物蒸發(fā)蒸騰量變化的貢獻(xiàn)率分別為 2.085%和 0.562%，研究指出日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速減小是引起該區(qū)域參考作物蒸發(fā)蒸騰量下降的主要原因。

氣候因子對(duì)作物生產(chǎn)水足跡的影響途徑如下：隨著空氣相對(duì)濕度的增加大氣蒸發(fā)能力下降，作物耗水量也隨之下降，從而促使作物生產(chǎn)水足跡下降。日照時(shí)數(shù)決定著作物生育期的太陽(yáng)輻射量，日照時(shí)數(shù)的改變將會(huì)影響太陽(yáng)輻射從而影響作物產(chǎn)量和作物耗水量，在二者共同作用下對(duì)作物生產(chǎn)水足跡產(chǎn)生影響。降水作為綠水的來(lái)源，只有轉(zhuǎn)化為土壤有效水并被作物利用的那部分降水構(gòu)成了作物綠水足跡，由于河套灌區(qū)地處西北內(nèi)陸干旱區(qū)，夏季高溫干旱、冬季嚴(yán)寒少雪，降水稀少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠灌溉，因此該區(qū)域作物生產(chǎn)水足跡受降水的影響較小。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料投入及灌溉水平對(duì)作物生產(chǎn)水足跡影響途徑如下：施肥能提高土壤肥力，是提高作物單位面積產(chǎn)量的有效措施，因此化肥使用量的增加將會(huì)促使作物生產(chǎn)水足跡的下降。而灌溉水利用系數(shù)則直接決定了藍(lán)水資源的利用效率，灌溉水利用系數(shù)的提高將會(huì)使作物生育期的水資源消耗量下降，從而促使作物生產(chǎn)水足跡的下降。

河套灌區(qū)春小麥生產(chǎn)水足跡、單位面積產(chǎn)量和耗水量的年際變化結(jié)果顯示，21世紀(jì)90年代之后，由于作物單位面積產(chǎn)量年均增加幅度放緩，因而通過(guò)提高作物單產(chǎn)水平以降低作物生產(chǎn)水足跡的空間有限，同時(shí)LIU等［33］和ZHANG等［34］的研究表明由于化肥和農(nóng)藥的“邊際效益”遞減，二者使用所帶來(lái)的單產(chǎn)水平提高幅度越來(lái)越小。這一點(diǎn)也從研究中水足跡對(duì)化肥的敏感性較低這一結(jié)論得到佐證，而且使用過(guò)多的化肥、農(nóng)藥將會(huì)帶來(lái)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的惡化。因此，河套灌區(qū)作物生產(chǎn)水足跡調(diào)控的重點(diǎn)和發(fā)展方向是提高農(nóng)業(yè)水資源利用率和利用效率，降低作物生產(chǎn)的水資源消耗量。春小麥生產(chǎn)水足跡影響因子敏感性分析結(jié)果表明，對(duì)于河套灌區(qū)而言，春小麥生產(chǎn)水足跡對(duì)灌溉水利用效率敏感性較高，因此通過(guò)農(nóng)田水利設(shè)施和雨水積蓄利用設(shè)施建設(shè)提高灌溉水和降水利用系數(shù)，同時(shí)合理控制化肥和農(nóng)藥用量，在維持高產(chǎn)的同時(shí)，減小化肥、農(nóng)藥對(duì)區(qū)域土壤、水環(huán)境的影響，是實(shí)現(xiàn)區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源高效、可持續(xù)利用的主要措施。

本研究利用敏感性和貢獻(xiàn)率分析對(duì)水足跡影響因素的敏感性和貢獻(xiàn)率進(jìn)行了研究，并得到了一些具有參考價(jià)值的初步結(jié)論，該結(jié)論可為灌區(qū)實(shí)施水足跡調(diào)控，實(shí)現(xiàn)水資源定量化管理提供有效的途徑和方向。但本研究還存在以下局限性：數(shù)據(jù)是水足跡評(píng)價(jià)研究的基礎(chǔ)，水足跡量化及評(píng)價(jià)所涉及的數(shù)據(jù)面廣、量大，對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、完整性和有效性都有較高的要求，由于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)口徑和誤差，導(dǎo)致基礎(chǔ)數(shù)據(jù)本身存在一定的不確定性，同時(shí)受限于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列較短，可能導(dǎo)致敏感性和貢獻(xiàn)率分析結(jié)果存在一定的誤差。另外，本研究利用傳統(tǒng)的水量平衡進(jìn)行水足跡計(jì)算，未來(lái)可借助開(kāi)發(fā)適用于灌區(qū)的分布式水文模型對(duì)水足跡進(jìn)行量化，可為分析農(nóng)業(yè)水文循環(huán)過(guò)程和機(jī)理提供借鑒。

4　結(jié)論

（1）在研究時(shí)段內(nèi)，河套灌區(qū)春小麥生育期水資源消耗主要依靠灌溉水供給。從年代變化來(lái)看，由于區(qū)域灌溉系統(tǒng)運(yùn)行水平的提高，單位面積灌溉水消耗量呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，而降水消耗量受降水波動(dòng)性的影響，其在研究時(shí)段內(nèi)也呈現(xiàn)出較為明顯的波動(dòng)趨勢(shì)。春小麥生產(chǎn)水足跡在研究時(shí)段內(nèi)呈顯著下降趨勢(shì)，年均下降率為0.11 m3·kg-1，同時(shí)其年際變化呈現(xiàn)出較為明顯的階段性特征，可劃分為波動(dòng)性下降期（1981—1987年）、快速下降期（1988—1995年）、緩慢下降期（1996—2010年），這個(gè)變化規(guī)律與灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和灌溉水平的發(fā)展特征基本一致。

（2）河套灌區(qū)春小麥生產(chǎn)水足跡與日照時(shí)數(shù)和降水量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，與相對(duì)濕度、化肥使用量和灌溉水利用系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；敏感性定量分析顯示，春小麥生產(chǎn)水足跡對(duì)灌溉水利用系數(shù)最敏感，其次是日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、化肥使用量和降水量。貢獻(xiàn)率分析結(jié)果顯示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料（表現(xiàn)為化肥的投入）和水資源利用效率（表現(xiàn)為灌溉水利用系數(shù)）的提高是促使河套灌區(qū)春小麥生產(chǎn)水足跡在研究時(shí)段內(nèi)下降的主要因素，而氣候因素由于在研究時(shí)段內(nèi)變率較小，其對(duì)春小麥生產(chǎn)水足跡的影響較小。

（3）作物生產(chǎn)水足跡對(duì)化肥的敏感性較低表明：由于“邊際效益”遞減，化肥和農(nóng)藥的使用所帶來(lái)的單產(chǎn)水平提高幅度越來(lái)越小，而且過(guò)多的使用化肥、農(nóng)藥將會(huì)帶來(lái)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的惡化。根據(jù)因子敏感性和貢獻(xiàn)率分析結(jié)果，河套灌區(qū)作物生產(chǎn)水足跡調(diào)控的方向是提高農(nóng)業(yè)水資源利用率和利用效率，降低作物生產(chǎn)的水資源消耗量。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Sensitivity and Contribution Rate Analysis of the Influencing Factors of Spring Wheat Water Footprint in Hetao Irrigation District

SUN Shi-kun1，2，LIU Wen-yan1，LIU jing3，WANG Yu-bao1，2，CHEN Di-yi1，WU Pu-te1，2
（1Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas of Ministry of Education，Northwest A&F University，Yangling 712100，Shaanxi；2Institute of Water Saving Agriculture in Arid regions of China，Northwest A&F University，Yangling 712100，Shaanxi；3College of Hydrology and Water Resources，Hohai University，Nanjing 210098）

【Objective】The efficient utilization of agricultural water resources is a key measure to guarantee national food and water security. Crop water use efficiency evaluation is one of the main research fields of agricultural water management. Water footprint provides a new index for agricultural water use evaluation，and the quantitative evaluation on the influencing factors of crop water footprint will be helpful to the implementation of water footprint control and improvement of the agricultural water use efficiency. 【Method】Based on the concept of water footprint，the water footprint of spring wheat in Hetao irrigation district was quantified by using an improved calculation method and the temporal variation was analyzed. Sensitivity and contribution rate analysis were used to quantify the relationship between crop water footprint and its influencing factors. 【Result】The results show that water footprint of wheat declined significantly during the study period. It decreased from 4.71 m3·kg-1in 1981 to 1.52 m3·kg-1in 2010. The variation of water footprint of wheat displayed an obvious stage characteristic. It can be divided into three stages: fluctuate declining stage （1981-1987），rapid declining stage （1988-1995） and slow declining stage （1996-2010）. And this variation characteristic was consistent with the variation of agricultural production and irrigation level in Hetao irrigation district. The blue water footprint accounted for the larger proportion （more than 90%），while for the share of green water footprint it was relatively small. Therefore，the production of wheat in the Hetao irrigation district mainly depended on blue water （irrigation water）. Sensitivity analysis shows that the difference of sensitivity between the influencing factors was significant. The variations of water footprint of spring wheat was ±30%，±24%，±2%，±63% and ±4% when sunshine hours，relative humidity，precipitation，irrigation water use coefficient and fertilizer rate per unit area varied at ±20%. Irrigation water use coefficient is the most sensitivity factor of wheat water footprint，following by sunshine hours，relative humidity，fertilizer usage and precipitation. Contribution analysis results show that the decline of relative humidity and the increase of precipitation led to the increase of wheat water footprint. On the contrary，the decrease of sunshine hours combined with the increase of fertilizer usage and irrigation water use efficiency led to the decrease of wheat water footprint. The contribution rates of fertilizer and irrigation water use coefficient were -36.89% and -39.42%，respectively，while the contribution rate of the total climatic factors was 2.80%. The increase of utilization coefficient of irrigation water had the largest contribution rate to the decrease of wheat water footprint during the study period，followed by fertilizer usage. The relative humidity，sunshine hours and precipitation had similar contribution rate to the variation of wheat water footprint. 【Conclusion】 The main kinds of influencing factors of crop water footprint are climate，agricultural production inputs and water use efficiency. As for Hetao irrigation district，the improvement of agricultural production and water use efficiency are the major driving forces that cause the variation of wheat water footprint in Hetao irrigation district，while the climate factors have little effect on wheat water footprint. The results of this study could provide reference for the water footprint control.

water footprint； sensitivity analysis； contribution rate analysis； Hetao irrigation district； spring wheat

2015-12-14；接受日期：2016-05-27

國(guó)家自然科學(xué)基金（51409218）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2014YB050）、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2016JQ5092）

聯(lián)系方式：孫世坤，E-mail：ssksci@163.com。通信作者王玉寶，E-mail：wyb0406@sina.com