黑龍江省農業播種水足跡及其變化趨勢分析

趙 恩，張麗麗，王天祎，李程宇

(1.河海大學設計研究院有限公司，南京 210098；2.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080；3.山東省沂南縣第一中學，山東 沂南 276300)

0 前 言

農業生產不僅需要投入大量的水資源，還會產生面源污染而對水環境產生影響。提高農業用水效率并控制用水總量對區域農業生產和水資源可持續利用有重要的目的[1-2]。水足跡被定義人類活動對水資源的真實利用，可以從水量和水質兩方面量化生產活動水資源的利用和影響[3]。具體到農作物生產活動，農作物水足跡為作物播種和生長過程中的水資源需求量，可以分為藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡[4]。藍水足跡和綠水足跡分別為作物對藍水資源和綠水資源的需求量，農業藍水資源即為灌溉水，綠水資源為可能為作物生長過程消耗的有效降水量[5-6]。灰水足跡是用于稀釋農業面源污染需要的水資源量。當前學者多農業生產用水效率和水足跡進行了大量的研究和分析，但是研究對象主要針對糧食作物[7-9]。糧食生產具有重大的現實意義，同時，大部分地區的糧食作物在播種規模、水資源利用以及水足跡上均占主要地位，這是農業水足跡分析多針對糧食作物的主要原因。但是不考慮其他作物難以明晰區域農業生產行業對水資源的實際需求，從而不能為區域水資源合理配置、種植結構調整等策略的實施提供全局的信息。

作為中國最重要的糧食主產區之一，黑龍江省的農業生產及其水資源利用情況受到極大的關注和研究，包括水資源利用效率和農業水足跡的分析[10-11]。但是均為某一年份針對特定作物或糧食作物，在對該省種植業對水資源的需求的總體研究還存在不夠全面，這樣不能分辨各類作物或糧食作物水足跡在種植業用水中的地位極其隨時間變化趨勢。為此，文章從黑龍江省1996-2015年農業播種水足跡出發，量化不同種類作物水足跡，分析農業水足跡及其構成的隨時間變化過程，為區域農業水資源管理提供參考。

1 農業播種水足跡計算

農業播種水足跡計算為一個區域種植所有農作物而產生的水足跡，可以衡量研究區種植業對水資源的真實需求。農業播種水足跡為各種作物水足跡之和，每種作物的水足跡(CWF)又可劃分為藍水足跡(CWFblue)、綠水足跡(CWFgreen)和灰水足跡(CWFgrey)：

CWF=CWFblue+CWFgreen+CWFgrey

(1)

式中：CWFblue與CWFgreen之和等于作物蒸發蒸騰量，可以利用聯合國糧農組織推薦的彭曼公式計算得出。灰水足跡的根據化肥中氮的流失而需要的稀釋水量來計算：

CWFgrey=(α×AR)/(cmax-cmin)

(2)

式中：α為總氮流失量率，通用標準為10%；AR為化肥中總氮流失量；cmax與cmin分別為環境容許的最大濃度和實際濃度，cmax來自國家水環境標準，cmin為一般取0。文章計算的作物為黑龍江省的所有農作物，包括小麥、玉米、稻谷、豆類、薯類、油料、花生、甜菜、麻類、煙葉以及水果等，與統計年鑒分類相對應。

2 黑龍江省農業播種水足跡

黑龍江省在1996-2015年農業播種水足跡的平均值約為603.0億m3，其中藍水、綠水和灰水足跡分別為71.3、414.6及117.2億m3，分別占總量的11.8%、68.8%和19.4%。計算出1996-2015年歷年的黑龍江省農業播種水足跡總量與藍水足跡、綠水足跡及灰水足跡量和比例，見表1。

表1 1996-2015年黑龍江省農業播種水足跡及其組成

續表1 1996-2015年黑龍江省農業播種水足跡及其組成

表1顯示，全省農業播種藍水足跡、綠水足跡、灰水足跡以及總水足跡均呈現隨時間穩定上升的趨勢，水足跡總量由1996年的517.8億m3增大到了2015年的700億m3以上。說明黑龍江由于作物播種和農產品生產對水資源的需求一直在增加。綠水足跡在所有年份均明顯>藍水足跡和灰水足跡，約分別為藍水和灰水足跡的5.8倍和3.5倍。綠水是黑龍江農作物生長發育所需水資源的最重要來源，在維持該地區農產品正常生產和糧食安全保障的重要水資源基礎。綠水足跡在1996-2006年間呈有規律的升高趨勢，由355.9億m3持續增長到395.5億m3。而在2007-2015年間一直保持在465億m3左右，未見明顯變化趨勢。藍水足跡和灰水足跡在2000-2005年間有一個微弱的跌落區間，但是并不影響二者增加的趨勢，分別由初始年份的53.9與108.8億m3增大到最近年份的94.9及149.1億m3，且藍水和灰水足跡均在2015年達到歷史最大值。雖然藍水和灰水足跡在20a間的凈增加量基本相等，均為41.0億m3左右，但是也由于灰水足跡的基數一直明顯>藍水足跡，所以在所有年份藍水足跡均<灰水足跡。藍水、綠水及灰水足跡的變化趨勢不同于主要由它們的影響因素去作物需水量、作物播種總面積、施肥情況等決定的。

從各水足跡組分所占比例來看，三者均有不同表現：藍水足跡占總水足跡的比例呈持續增大趨勢，由1996年的10.4%增大到最近5 a的13.5%左右；綠水足跡比例的初始值為68.6%，與年均值非常接近，隨后出現先上升后下降的態勢，在2003年達到73.0%的最大值，近三年下降到65.5%左右，低于1996年；與綠水足跡比例變化趨勢相反，灰水足跡比例隨時間先下降后上升，經歷了2000-2008年的低值區間之后，在2015年達到21.0%，與1996年別列為研究時段的最大值。總的來說，黑龍江省種植業生產對水資源的需求一直在增大，這主要是由該地區農業生產規模、種植結構、灌溉面積等農業生產條件的變化決定的。綠水支撐了作物生長發育所需水資源的絕大部分，藍水足跡雖然在總水足跡比例較小，但是其水量已經接近了100億m3，在考慮該地區灌溉水利用效率不高，所以對農業灌溉的投入和灌區管理的任務仍然繁重。灰水足跡是農業生產對環境的影響評價，該部分比例在黑龍江省一直穩定在1/5左右，甚至明顯大于藍水足跡，這說明農業生產對水環境的影響應該引起重視。藍水、綠水和灰水足跡占總水足跡的比例在均在穩定、動態變化過程當中，但是不會對總體格局產生影響。

3 農業播種水足跡構成及其變化

各個作物水足跡占總播種水足跡的比例變化可以反映出全省農業播種水足跡變化的原因。由各個作物水足跡計算結果可發現，薯類、油料、花生、甜菜、麻類以及煙葉等幾類作物水足跡均不足5億m3，故將這些作物水足跡統一考慮為其他作物。為此，所有作物歸納為小麥、玉米、稻谷、豆類、水果及其他六類。歷年各類作物水足跡占總農業播種水足跡的比例如圖1所示。

圖1 歷年各類作物水足跡占總量的比例變化

小麥、玉米、稻谷、豆類、水果及其他作物水足跡占總量比例年均值分別為3.9%、27.1%、23.9%、28.6%、13.4%以及3.9%。作物水足跡占水足跡總量的比例隨時間變化趨勢可以衡量出該作物需水規模在黑龍江省地位的變化情況。從圖1可以看出，各類作物水足跡占總量比例均隨時間發生了明顯的變化。具體來說，小麥水足跡比例持續下降，有初始的接近10.0%降低到近3a不足1.0%，其中2015年僅為0.4%左右，小麥生產及其對水資源影響的地位幾乎可以忽略；稻谷水足跡比例在經歷前10a的波動變化后，從2006年開始顯著增大，從20.0%左右增大到近3a達到30.0%以上；玉米水足跡比例與稻谷擁有相似的變化規律，由1996年的25.0%左右增大到2015年的40.9%；豆類水足跡比例的變化趨勢不同于其他任何作物，由初始值為22.0%左右逐漸上升至2005年的38.5%，此后一路下降，并于2015年跌落至18.1%，甚至低于1996年的值；水果與其他類別作物水足跡比例均呈現下降趨勢，分別由21.2%和6.6%降低到8.8%與0.9%。2015年玉米、稻谷、豆類三大類作物水足跡之和達到了637.3億m3，占黑龍江省農業播種水足跡的89.9%，接近90.0%。包括玉米、稻谷以及豆類等糧食作物水足跡在該省占主導地位，這受黑龍江省近年逐漸轉變為我國最重要的糧食主產區、糧食作物播種和商品糧生產的任務加重影響。為了從水足跡上觀察這種轉變過程，計算出歷年糧食作物(包括小麥、玉米、稻谷、薯類以及豆類)水足跡及其占農業播種水足跡的比例，見圖2。

圖2 歷年黑龍江省糧食作物水足跡及其占農業播種水足跡比例

從圖2可以清晰地看出，糧食作物水足跡及其比例均呈現隨時間增加的總體趨勢。然而，糧食作物水足跡值并不是有規律或者均勻地增加，而是在2006-2007年間出現跳躍式增長。1999-2006年間，糧食作物水足跡在400-450億m3之間波動性增長，而在2007-2015年基本保持在600-640億m3之間穩定增加。糧食作物水足跡之和由1996年的389.2億m3增大到2015年的643.4億m3，這主要與糧食作物播種規模的變化規律有關。糧食作物水足跡占總量的比例隨時間一直升高，2015年達到了91.8%。糧食作物水足跡的增大是黑龍江省農業播種水足跡增大的主要原因。農業播種水足跡增大使得農業生產可能從藍水、綠水和灰水的角度增大了對水資源或者水環境的影響。維持農業生產用水過程的正常進行和農產品的持續供應需要加強農業水資源管理或水足跡調控。然而藍水、綠水和灰水足跡的性質不同、其利用、管理和調控措施也存在差異，所以分析各自在農業播種水足跡變化的地位可以明晰水足跡變化與作物水足跡組成之間的關系不僅可以了解種植結構變化對水足跡及其構成的影響，也可以為未來水足跡調控措施的制定與實施提供依據。觀察發現，圖1中分類的各類作物水足跡構成在20a間均無明顯變化，故計算出各類作物藍水、綠水及灰水足跡比例在1996-2015年的平均值，比較不同種類作物水足跡構成及其對區域水足跡變化的潛在影響，結果如圖3所示。

圖3 1996-2015年各類作物水足跡構成比例

圖3顯示，雖然綠水在水足跡中均占主體地位，但不同作物種類間藍水、綠水及灰水足跡的比例差異較大。豆類綠水足跡占作物水足跡總量的90.2%，接下來為其他作物的77.6%和玉米的71.1%。水果和小麥的綠水足跡比例也超過了一般，分別為65.2%和52.4%，大于最低值稻谷的43.8%。玉米、豆類和其他作物的藍水足跡比例非常低，僅分別為2.5%、2.1和1.3%，水果的藍水足跡比例也較低，為5.5%左右。說明在黑龍江絕大部分種類的農作物對灌溉水的依賴較小，即在不灌溉的情況下就能獲得較高產量。小麥和稻谷的藍水足跡比例較大，分別達到了26.6%和36.6%，這兩種作物需依賴大量的灌溉才能獲得較高的農產品收獲。灰水足跡比例方面，僅豆類較低，為7.1%左右，這是因為大部分豆類作物擁有固氮作用從而減少了對化肥的需求，進而降低灰水足跡比例。稻谷灰水足跡比例為19.6%，其余四類作物的灰水足跡比例均超過了20.0%，其中水果最大，為29.3%。

結合表1、圖1以及圖3可以發現，黑龍江農業播種水足跡的增加主要受稻谷和玉米水足跡的增大影響。其中總藍水足跡的增長主要受稻谷藍水足跡的增加和藍水比例較大決定，而玉米在總綠水足跡的增大中起到了主要作用。稻谷和玉米共同對總灰水足跡的增加起到推動作用。豆類灰水足跡較低，但是其水足跡占農業播種水足跡比例在2006年之后急劇減低，使得其灰水足跡較低的優點沒有得到充分發揮。總的來說，種植結構改變在黑龍江省農業播種水足跡變化中起到重要作用。

4 總 結

水足跡可以水量消耗和污染兩方面衡量區域農業生產過程對水足跡的真實需求。文章研究發現，黑龍江省農作物播種水足跡呈現明顯的隨時間增大的趨勢，在2015年超過了700億m3，而其中的近92.0%是由糧食作物產生的。其中稻谷和玉米的水足跡的增大是農業播種水足跡增長的直接原因。對糧食作物水足跡進行調控和管理是降低農業播種水足跡的重點領域。未來應該注重稻谷生產過程灌溉水資源管理、既提灌溉水資源利用效率可以減緩區域農業播種藍水足跡的增加速度，而對玉米等作物綠水利用效率加以研究對區域農業播種綠水足跡的調控有重要意義。所有作物種植技術的提高從而降低區域農業播種灰水足跡是實現水環境可持續的重要措施。優化種植結構，提高灰水足跡較低作物的種植比例也是控制區域農業灰水足跡從而維持水環境安全的重要的措施。

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