京津冀地區主要農作物生產水足跡研究

王勤勤，劉俊國,2，趙丹丹

(1. 北京林業大學自然保護區學院，北京 100083；2. 南方科技大學環境科學與工程學院，廣東 深圳 518055)

農業部門是世界上最大的水資源利用部門，正確評價一個國家或地區的糧食生產用水狀況對于提升農業用水效率、促進區域可持續發展具有十分重要的意義[1-3]。然而，傳統的研究往往只關注灌溉用水，卻忽略了作物生長過程中對土壤水即綠水的利用以及農藥化肥等物質對水環境的影響。

水足跡是由Chapagain等[4-5]在2002年提出的一個關于水資源消耗指標的概念，可定義為人類生產和消費過程中消耗的淡水資源總量。按照用水類型，水足跡可劃分為藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡。藍水指存在于江、河、湖泊及含水層中的地表水與地下水的總和，即是通常所說的水資源；綠水是指源于降水，未形成徑流或未補充地下水，但存儲于土壤或暫時儲留在土壤或植物表面的水[6-7]；灰水是指人類生產過程中未被利用，用于吸納污染物的水。據此，農作物生產水足跡中的藍水足跡是作物生長過程中消耗使用的地表水和地下水的水資源量，即農田灌溉水量；綠水足跡是作物生長過程中蒸發所消耗的儲存在非飽和土壤層中的水資源量；灰水足跡是以自然本底濃度和現有的水質環境標準為基準，將一定的污染負荷吸收同化所需的淡水量[7-9]?；宜阚E實現了從水質的角度定量評價水污染程度的目的，能夠更直觀地反映水污染對可用水資源量的影響。

目前水足跡的研究主要集中在全球、國家、省級或流域等較大尺度[10-13]，同一水文單元內的不同區域的研究較少，尤其是水資源十分短缺的地區，如主要處于海河流域的京津冀地區。筆者基于水足跡理論及相關評定方法，以京津冀城市群內的13個地區為研究對象，評價該區域內主要農作物的生產水足跡及空間分布特征，以期為科學管理水資源以及合理規劃主要農作物的種植結構提供科學依據。

1 研究區概況

京津冀地區包括北京、天津2個直轄市以及河北省的保定、廊坊、唐山、張家口、承德、秦皇島、滄州、衡水、邢臺市、邯鄲、石家莊11個地級市。位于東經113°27′～119°50′，北緯36°05′～42°40′，總面積約為22萬km2，占國土區域面積的2.3%。京津冀大部分地區處于海河流域，部分位于灤河流域。其中，北京位于海河流域中下游，天津位于海河流域下游至入?？冢颖贝蟛糠治挥诤：恿饔虻纳嫌蝃14]。同時京津冀地區地處華北平原，屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季變化明顯，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨。華北平原土層深厚，土壤肥沃，是中國重要的糧棉油生產基地?！吨袊h境統計年鑒(2015年)》顯示2014年京津冀地區的水資源總量為137.9×108m3，北京、天津、河北年人均水資源量分別為95.1 m3、76.1 m3、144.3 m3，都遠低于國際公認的1700 m3的水資源短缺閾值[15-16]。地處水資源極為短缺的海河流域，多年平均水資源量僅占全國的1%，卻承載著全國8%的人口、6%的糧食生產和10%的GDP[17-18]。該地區屬于資源型嚴重缺水地區，是全國農業水資源最緊缺的地區之一，京津冀城市群內的13個區域位置見圖1。

圖1 京津冀區域位置

2 研究方法和數據來源

2.1 研究方法

2.1.1 作物需水量

作物需水量定義為作物系數與參考作物蒸散發的乘積。該方法是假定在理想的生長條件下模擬種植作物的蒸散發。理想條件是指在給定的氣象條件下作物無病蟲害，肥力條件好，大面積種植，土壤水分最優并獲得最高產量。模擬作物需水量僅需要氣象數據和作物數據。一般采用聯合國糧農組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations)推薦的Penman-Monteith計算和CROPWAT模型[19-20]模擬，計算公式為

Etc=KcEto

(1)

其中：

CWR=10Etc

(2)

式中：Etc為作物蒸散發總量，mm；Kc為作物系數；Eto為參考作物蒸散發，mm；CWR為作物單位面積需水量，m3/hm2；Δ為飽和水汽壓與溫度相關曲線的斜率，kPa/℃；Rn為作物表面的凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；r為濕度計常數，kPa/℃；T為平均氣溫，℃；V2為2 m高處的風速，m/s；Pa為飽和水汽壓，kPa；Pd為實測水汽壓，kPa。

2.1.2 農作物藍水足跡和綠水足跡

農作物生長需水量一般包括綠水(土壤水)和藍水(灌溉用水)兩部分。采用目前應用較為廣泛的由美國農業部土壤保護局(the United States Department of Agriculture Soil Conservation Service)提出的方法計算有效降雨量，可通過CROPWAT模型模擬獲得，灌溉需水量、綠水足跡和藍水足跡的計算公式為

IR=CWR-ER

(3)

WF-green=AER

(4)

WF-blue=AIR

(5)

式中：IR為單位面積有效灌溉量，m3/hm2；ER為單位面積有效降雨量，m3/hm2，當ER≥CWR時，IR=0;WF-green為農作物綠水足跡，m3；WF-blue為農作物藍水足跡，m3；A為區域某種農作物的種植面積，hm2。

2.1.3 灰水足跡

作物生長過程中，化肥和農藥的使用都會對水質產生污染。土壤中的磷能與其他礦物質結合生成不容易溶解的化合物，鉀離子能被土壤膠體離子吸附，所以磷和鉀離子不容易產生流動，對土壤及地下水的污染有限[1-2]。氮肥的施用很容易引起地表水和地下水的污染，因此采用氮元素作為灰水足跡的衡量指標[21]，最簡單的計算是假定一部分污染物最終會到達地表水或地下水，進入水體的污染物與總施肥量中該物質的比例為一個固定值[8]，即淋失率。因此可用稀釋土壤淋失氮肥以達到現有水環境水質標準所需要消耗的淡水量計算農業部門的灰水足跡，根據已有文獻的研究，選取華北地區2003—2006年均氮肥的施用量的7.4%[22]作為淋失率?；宜阚E的計算公式為

(6)

式中：WF-grey為灰水足跡，m3；Appl為施用的化學物質量，kg；α為氮的淋失率，取7.4%；Cmax為環境可以稀釋的氮元素的最大濃度，采用《地表水環境質量標準基本項目標準限值》(GB3838—2002)中Ⅲ類水質標準閾值，取10 mg/L；Cnat為氮元素的自然本地濃度，一般假設為0。

2.1.4 農作物的生產水足跡

根據水足跡的概念，某種農作物的生產水足跡WF-prod是其生長期內所消耗的水資源總量，計算公式為

WF-prod=WF-blue+WF-green+WF-grey

(7)

2.2 數據來源

為研究京津冀地區農作物水足跡，選取小麥、玉米、大豆、花生和棉花5種主要農作物。2014年，小麥、玉米和大豆的種植面積和種植產量分別占京津冀地區糧食作物的89%和92%，花生的種植面積和種植產量分別占京津冀地區油料作物的76%和86%，棉花是主要的經濟作物，故選取這5種極具代表性的農作物來核算該地區農作物的水足跡。作物生長參數數據來源于聯合國糧農組織CROP數據庫中有關中國的部分數據；京津冀各地區降雨量、溫度、濕度、風速等氣象數據來源于中國氣象數據網公布的中國地面氣候資料月值數據集(http://data.cma.cn)；不同作物類型的種植面積、產量及化肥折純量數據來自于2015年《北京統計年鑒》《天津統計年鑒》《河北農村統計年鑒》《中國農村統計年鑒》等。

3 結果與分析

3.1 京津冀地區主要農作物需水量

京津冀地區主要農作物需水量結果見表1。由表1可知，2014年京津冀地區單位面積作物需水量最大的是棉花為670.0 mm；最小的是大豆為322.4 mm；小麥、玉米和花生的單位面積需水量分別為516.4 mm、367.8 mm和501.5 mm。其中小麥在滄州地區的單位面積作物需水量最大為629.0 mm；玉米、大豆、花生和棉花在張家口的單位面積需水量最大分別為450.1 mm、394.2 mm、594.8 mm和805.6 mm；小麥、大豆、花生和棉花在秦皇島地區的單位面積作物需水量最小分別為405.6 mm、284.8 mm、420.2 mm和576.9 mm；玉米在石家莊的單位面積需水量最小為316.5 mm。不同地區相同農作物的需水量存在一定的差異，這與當地的地理環境條件有關，而不同農作物之間的差異則與農作物的生物學特性有關。

表1 2014年京津冀地區主要農作物蒸散發量、有效降雨量和灌溉量 mm

表2 2014年京津冀各地區主要農作物的生產水足跡 108 m3

3.2 京津冀地區主要農作物的生產水足跡

京津冀各地區主要農作物的生產水足跡見表2，從表2可以看出小麥在整個生長期需水量主要以藍水足跡為主。滄州的小麥綠水足跡和藍水足跡最高分別為3.96×108m3和20.16×108m3；除張家口、承德沒有小麥種植外，秦皇島的小麥綠水足跡和藍水足跡最小分別為0.04×108m3和0.09×108m3。玉米在整個生長期主要以綠水足跡為主。保定的玉米綠水足跡最大為12.88×108m3；秦皇島的玉米綠水足跡最小為1.80×108m3；滄州的玉米藍水足跡最大為10.07×108m3；唐山的玉米藍水足跡最小為1.01×108m3。大豆在石家莊、秦皇島、張家口和滄州地區生長期主要以藍水足跡為主，其他地區主要以綠水足跡為主。滄州的大豆綠水足跡和藍水足跡最大分別為0.42×108m3和0.43×108m3；唐山的大豆綠水足跡最小為0.08×108m3；北京的大豆藍水足跡最小為0.03×108m3?；ㄉ谑仪f、邢臺、保定、張家口和滄州地區種植期主要以藍水足跡為主，其他地區以綠水足跡為主。石家莊的花生綠水足跡最大為2.53×108m3；保定的花生藍水足跡最大為1.73×108m3；承德的花生綠水足跡和藍水足跡最小分別為30×104m3和96×104m3。棉花在張家口、承德沒有種植，而在北京種植面積很小，可忽略不計。邢臺的棉花綠水足跡和藍水足跡最大分別為4.72×108m3和5.00×108m3。由于不同地區氣候和作物的生物學特性等因素不同導致作物生長期的需水量不同，不同農作物的種植面積也直接影響藍綠水足跡的大小。

3.3 京津冀地區主要農作物灰水足跡

京津冀地區主要農作物灰水足跡結果見表3。從表3可知，2014年京津冀地區農作物生產灰水足跡為123.30×108m3，其中石家莊灰水足跡最大為19.53×108m3，張家口灰水足跡最小為3.59×108m3?；宜阚E與氮肥的施用量存在直接關系，即一個地區的氮肥施用總量越大，其灰水足跡也越大。

表3 2014年京津冀各地區氮肥施肥情況和灰水足跡

為了更加直觀地比較京津冀各地區的灰水足跡，計算了單位面積灰水足跡(灰水足跡與農作物的播種面積比值)，用來分析各地區灰水足跡的強度，結果見表3。單位面積灰水足跡最大的地區是北京，為2 025.6 m3/hm2，其次是石家莊，為1 942.9 m3/hm2，單位面積灰水足跡最小的地區是張家口，為509.2 m3/hm2。單位面積播種的氮肥施肥量越多，說明可能存在過度施肥的現象，提高農作物的化肥利用率降低損失率是減少其灰水足跡的主要途徑。

3.4 京津冀地區主要農作物總生產水足跡

2014年京津冀各地區主要農作物總生產水足跡見圖2。由圖2可知，2014年京津冀地區主要農作物總生產水足跡為437.04×108m3，其中綠水足跡為137.71×108m3，占生產水足跡的31.5%；藍水足跡為176.03×108m3，占生產水足跡的40.3%；灰水足跡為123.30×108m3，占生產水足跡的28.2%。

(a) 綠水足跡

圖2 2014年京津冀各地區主要農作物總生產水足跡

北京、天津和河北省分別占整個京津冀地區總生產水足跡的2.1%、5.7%和92.2%。

京津冀各地區主要農作物生產水足跡總量差異明顯，滄州地區主要農作物總生產水足跡最大為66.29×108m3，秦皇島地區主要農作物總生產水足跡最小為8.23×108m3。滄州地區藍水足跡最大為36.25×108m3；承德是藍水足跡最小的地區為1.34×108m3。保定地區的綠水足跡最大為18.88×108m3，占其總生產水足跡的32.9%；秦皇島地區綠水足跡最小為2.41×108m3。石家莊灰水足跡最大為19.53×108m3，占其總生產水足跡的39.3%；張家口灰水足跡最小為3.59×108m3，占其生產水足跡的29.8%。

滄州地區藍水足跡占其總生產水足跡比重最大為54.7%，承德地區藍水足跡占其總生產水足跡比重最小為12.1%。承德地區綠水足跡占其總生產水足跡的比重最大為51.5%，秦皇島地區綠水足跡占其總生產水足跡的比重最小為29.3%。秦皇島地區灰水足跡占其總生產水足跡的比重最大為45.5%，承德地區灰水足跡占其總生產水足跡的比重最小為17.7%。

3.5 京津冀各地區主要農作物生產水足跡空間格局

京津冀各地區主要農作物生產水足跡空間格局分布見圖3。由圖3可知，京津冀地區農作物藍綠水足跡由南向北呈逐漸減少的趨勢，灰水足跡呈現先減少后增加再減少的趨勢。大部分地區的農作物藍水足跡要高于綠水足跡和灰水足跡，北京、張家口、承德、秦皇島的農作物綠水足跡大于藍水足跡。邯鄲、保定、滄州的綠水足跡最大，均在18×108m3以上，張家口、北京、秦皇島的綠水足跡最小，均在5×108m3以下。滄州地區的藍水足跡最大，邯鄲、邢臺、衡水、石家莊和保定藍水足跡相差較小，均在20×108m3左右，京津冀東北部地區的北京、承德、秦皇島藍水足跡最小，均在2.5×108m3以下。石家莊、保定的灰水足跡最大，均在15×108m3以上，北京、張家口、承德、秦皇島的灰水足跡較小，均在5×108m3以下。由于不同地區氣候、地形條件、種植結構等因素不同導致農作物的生產水足跡之間存在明顯差異。

4 結 論

通過對2014年京津冀地區主要農作物綠水足跡、藍水足跡以及灰水足跡的計算，揭示了不同農作物在生產過程中對水資源的實際消耗情況，并從灰水足跡的角度分析了農作物生產所引起的水質污染問題。

a. 棉花是京津冀各地區農作物需水量最大的農作物，但由于種植面積較少，并未在農業生產過程中占主導地位。小麥和玉米是京津冀地區農作物總耗水量最大的作物，小麥的藍水足跡占其總生產水足跡的比例最大，玉米的綠水足跡占其總生產水足跡的比例最大。綠水相對于藍水來說具有較低的成本，從水資源高效利用和經濟學的角度看，建議減少或控制高耗水小麥的種植規模，適當的增加雨養農業如玉米的種植，進一步優化種植結構。

b. 北京、天津、石家莊、唐山、秦皇島單位面積的灰水足跡最大，說明這些地區單位播種面積的氮肥使用量過多，存在過度施肥的問題?？梢酝ㄟ^減少氮肥使用量、提高氮肥使用效率等途徑減少化肥對水資源的污染。

c. 京津冀地區農作物藍、綠水足跡由南向北呈逐漸減少的趨勢，灰水足跡呈現先減少后增加再減少的趨勢。大部分地區的農作物藍水足跡要高于綠水足跡和灰水足跡，北京、張家口、承德、秦皇島的農作物綠水足跡大于藍水足跡。

[1]蓋力強,謝高地,李士美,等.華北平原小麥、玉米作物生產水足跡的研究[J].資源科學,2010,32(11):2066-2071.(GAI Liqiang,XIE Gaodi,LI Shimei,et al.A study on production water footprint of winter-wheat and maize in the North China plain[J].Resources Science,2010,32(11):2066-2070.(in Chinese))

[2]徐鵬程,張興奇.江蘇省主要農作物的生產水足跡研究[J].水資源與水工程學報,2016,27(1):232-237.(XU Pengcheng,ZHANG Xingqi.Study on water footprint of main crops production in Jiangsu Province[J].Journal of Water Resources and Water Engineering,2016,27(1):232-237.(in Chinese))

[3]史利潔.西北旱區糧食作物生產水足跡空間差異分析[D].楊凌：西北農林科技大學,2016.

[4]CHAPAGAIN A, HOEKSTRA A Y.Virtual water trade:a quantification of virtual water flows between nations in relation to international crop trade[M].Delft: VNESCO-IHE,2003.

[5]HOEKSTRA A Y,CHAPAGAIN A K.Water footprints of nations:water use by people as a function of their consumption pattern[J].Water Resources Management,2007,21(1):35-48.

[6]FALKENMARK M.Land andwater integration and river basin management[J].FAO Land and Water Bulletin,1995,1:15-16.

[7]劉俊國,曾昭,馬坤,等.水足跡評價手冊[M].北京:科學出版社,2012:1-147.

[8]王丹陽,李景保,葉亞亞,等.基于不同受納水體的湖南省農業灰水足跡分析[J].水資源保護,2016,32(4):49-54.(WANG Danyang,LI Jingbao,YE Yaya,et al.Analysis of agricultural grey water footprint in Hunan Province based on different receiving water bodies[J].Water Resources Protection,2016,32(4):49-54.(in Chinese))

[9]黃晶,王學春,陳阜.水足跡研究進展及其對農業水資源利用的啟示[J].水資源保護,2016,32(1):135-141.(HUANG Jing,WANG Xuechun,CHEN Fu.Research progress of water footprint and its implication for utilization of agricultural water[J].Water Resources Protection,2016,32(1):135-141.(in Chinese))

[10]王新華,徐中民,龍愛華.中國2000年水足跡的初步計算分析[J].冰川凍土,2005,27(5):774-780.(WANG Xinhua,XU Zhongmin,LONG Aihua.Estimation of water footprint of China in 2000[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2005,27(5):774-780.(in Chinese))

[11]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.(WANG Xinhua,XU Zhongmin,LI Yinghai.A rough estimate of water footprint of Gansu Province in 2003[J].Journal of Natural Resources,2005,20(6):909-915.(in Chinese))

[12]馬靜,汪黨獻,來海亮,等.中國區域水足跡的估算[J].資源科學,2005,27(5):96-100.(MA Jing,WANG Dangxian,LAI Hailiang,et al.Water footprint：an application in water resources research[J].Resources Science,2005,27(5):96-100.(in Chinese))

[13]LIU J G,WILLIAMS J R,ZEHNDER A J B,et al.GEPIC-modelling wheat yield and crop water productivity with high resolution on a global scale[J].Agricultural Systems,2007,94(2):478-493.

[14]單純宇,王素芬.海河流域作物水足跡研究[J].灌溉排水學報,2016,35(5):50-55.(SHAN Chunyu,WANG Sufen.Study on the crop water footprint in the Haihe River Basin[J].Journal of Irrigation and Drainage,2016,35(5):50-55.(in Chinese))

[15]國家統計局,環境保護部.中國環境統計年鑒[M].北京:中國統計出版社,2015.

[16]FALKENMARK M,WIDSTRAND C.Population and water resources:a delicate balance[J].Population Bulletin,1992,47(3):1-36.

[17]劉瑜潔,劉俊國,趙旭,等.京津冀水資源脆弱性評價[J].水土保持通報,2016,36(3):211-218.(LIU Yujie,LIU Junguo,ZHAO Xu,et al.Assessment of vulnerability of water resource in Beijing-Tianjing-Hebei Region[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2016,36(3):211-218.(in Chinese))

[18]劉寧.基于水足跡的京津冀水資源合理配置研究[D].北京：中國地質大學,2016.

[19]Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO).CROPWAT8.0 model [EB/OL].[2017-02-11]http://www.fao.org/nr/water/infores_databases_cropwat.html,2010a.last access date:1/3/2012.

[20]ALLEN R G,PEREIRA L S,RAES D,et al.Crop evapotranspiration-guidelines for computing crop water requirements-FAO Irrigation and drainage paper 56[M].Rome:Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO),1998.

[21]程存旺,石嫣,溫鐵軍.氮肥的真實成本[J].綠葉,2013(4):77-88.(CHENG Cunwang,SHI Yan,WEN Tiejun.True cost of nitrogen fertilizer[J].Green Leaf,2013(4):77-88.(in Chinese))

[22]JU X T,XING G X,CHEN X P,et al.Reducing environmental risk by improving N management in intensive Chinese agricultural systems[J].Proceedings of the National Academy of Sciences,2009,106(9):3041-3046.