新疆主要農作物生產水足跡研究

金 謙,桂東偉,高霄鵬,曾凡江,薛 杰,張齊飛

(1.中國科學院大學，北京 100049;2.中國科學院新疆生態與地理研究所,荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；3.新疆策勒荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站，新疆 策勒 848300)

水資源是人類賴以生存和發展的基礎性資源[1]，同時也是農業可持續發展的重要限制因素。目前，全球約有1/3的人口面臨著嚴重的水資源短缺壓力。區域水資源的合理分配和科學管理是可持續發展的核心環節，隨著世界范圍內人口增長及工業化、城市化擴張，水資源短缺和水環境惡化這一問題將進一步加劇[2]。農作物在生長時需要消耗大量的水資源，農業用水占全球人類活動用水的70%左右[3-4]。如何在保證農業健康可持續發展的同時，提高水資源使用效率，減小農業生產活動對水資源造成的壓力，是目前面臨的一項巨大挑戰[5-6]。

Hoekstra于2002年提出了“水足跡”概念，用以表征任何已知人口(一個國家，一個地區或一個人)在一定時間內消耗的所有產品和服務所需要的水資源量[7]。農業水足跡是指在農產品生產過程中，從作物播種到收獲整個時期內所消耗的水資源量[8-9]。農業水足跡的概念包含3個方面：藍水足跡(WFblue，生產過程中消耗的藍水資源量，包括江河湖泊等地表水以及地下水)；綠水足跡(WFgreen，降水中的能夠被作物吸收利用的有效降水部分)；灰水足跡(WFgrey，稀釋農藥、化肥等污染物至正常濃度所需要的水量)。水足跡理論使傳統的耗水評價體系得到了豐富和發展，為全面研究作物耗水特征提供了一種新的思路[10]。水足跡理論在世界范圍內得到廣泛應用，眾多學者利用水足跡方法對全球尺度或國家尺度的水資源利用現狀進行研究分析。如Arjen Y H等[10]利用水足跡理論從全球尺度上對人類生產生活水足跡進行分析；Hatem C等[11]從經濟角度來研究分析突尼斯農業水足跡問題,并以此評估區域水資源現狀；針對國內的水足跡研究，較小尺度如“省市區域”的研究主要集中在我國中東部平原農業以及經濟發達地區，如黃晶等[12-18]對“北京市水足跡及農業用水結構變化特征”的研究，利用水足跡的理論和方法計算評價北京市水足跡及水資源利用的可持續性，并進一步分析了北京市農業用水結構的變化特征；針對中東部等糧食主產區的農業水足跡研究，如蘇明濤等[13]對“吉林省主要農作物的生產水足跡研究”以及蓋力強[14]等對“華北平原小麥、玉米作物生產水足跡的研究”。

新疆地處亞歐大陸腹地，氣候極端干旱，降水稀少且在時空上分布不均，資源性缺水問題十分突出[15]。過去30年，隨著人口數量的不斷增加和社會經濟的快速發展，水資源開發利用程度不斷增強，水資源的供給也越發緊張[16-17]。2014年新疆農業生產總值占全疆經濟總量的18.12%，農業用水卻占全部水資源消耗量的75%以上，而目前卻未見有對新疆農業生產水足跡進行詳細定量的核算。隨著“一帶一路”戰略的實施，新疆作為其中的重要節點之一，其人口增長、經濟發展速度加快和生態環境建設規模的擴大，必然水資源需求量持續增加。因此本研究利用水足跡理論分析方法，對新疆主要種植的7種農作物的生產水足跡現狀進行研究分析，以闡明糧食生產與水資源消耗之間的強度關系，實現農業生產與水資源分配管理最優化設計，也為提高用水效率、解決當地農業經濟發展問題以及實現新疆商品糧基地可持續發展目標提供新的思路。

1 研究區概況

新疆維吾爾自治區位于中國西北部，其下轄14個地(州)，105個縣級行政區劃單位。新疆遠離海洋，降雨稀少，年平均降雨量約為176 mm，年平均蒸發量卻高達2 000 mm以上，屬于典型的干旱半干旱大陸性氣候，冬季嚴寒，夏季高溫酷熱。獨特的氣候條件與地理條件，使新疆成為農業大省，是我國重要的糧食生產基地，也是最重要的商品棉種植基地。本研究根據各區域不同的地理位置、氣候條件，將新疆劃分為南疆、北疆、東疆以及伊犁河谷四個區域。各地區基本情況見表1。

2 數據資料來源及研究方法

2.1 數據資料來源

本研究所需的2014年全疆縣級區域的溫度、降水、風速、日照時長等氣象數據來源于新疆氣象局；主要農作物的種植面積、產量以及灌溉量等相關數據來源于2014年新疆統計年鑒；作物生長相關數據以及土壤信息數據均來源于世界糧農組織(FAO56)；全疆縣級行政區劃單位的電子矢量地圖來源于國家科技基礎條件平臺，由于近年來新疆縣級行政區劃單位并未進行重大調整，因此沿用2008年的電子矢量地圖進行分析。

表1 各地區基本情況

2.2 研究方法

Chapagain和Hoekstra于2011年提出水足跡計算的基本理論框架。基于該理論我們利用新疆各個縣市的氣象數據，結合CROPWAT8.0模型可以計算得到新疆各地區的作物在整個生長期內的單位面積需水量(mm)，單位面積綠水蒸散發量(ETgreen，mm)，單位面積藍水蒸散發量(ETblue，mm)；進而乘以作物的種植面積，即可得到作物總需水量(m3)，總綠水消耗量(m3)以及總藍水消耗量(m3)；最后除以該種作物的產量，即可得到作物的單位質量生產水足跡[18]。因計算灰色水足跡的相關資料難以獲取，所以本研究主要關注于藍水足跡與綠水足跡，對灰水足跡則未討論。本研究計算的基本技術框架如圖1。

2.2.1 區域作物需水量 作物需水量(Crop Water Requirement,CWR，m3·hm-2)是指在一定的生長條件下，作物在生長期內正常生長的作物蒸騰量與土壤蒸發量之和，即是將生長期內的日蒸散發量(ETc,m·d-1)逐日累加而得到[19-20]。區域內主要作物需水量計算公式如下。系數10是為把ETc的單位mm·d-1轉換為m3·hm-2：

(1)

具體作物的日蒸散發量(ETc)計算如下：

ETc=K×ET0

(2)

其中，Kc是作物系數，ET0是參考作物蒸散發量。

綠水(ETgreen，mm)和藍水(ETblue，mm)的蒸散發量計算如下：

ETgreen=min(ETc,Peff)

(3)

綠水蒸散發量取的是有效降水與總蒸散發量之間的最小值；

ETblue=max(0，ETc-Peff)

(4)

藍水蒸散發量取的是總蒸散發量與有效降水的差值和0之間的最大值；

則單位質量農作物的藍水足跡計算公式為：

BWF=ETblue×Sc/Yc

(5)

其中，BWF為單位質量農作物的藍水足跡(m3·kg-1)；Sc為該種作物的種植面積(hm2)；Yc為該作物的產量(kg)。

則單位質量作物的綠水足跡計算公式為：

GWF=ETgreen×Sc/Yc

(6)

其中，GWF為單位質量農作物的綠水足跡(m3·kg-1)；Sc為該種作物的種植面積(hm2)；Yc為該作物的產量(kg)。

2.2.2 有效降水 有效降水通常指可以滿足作物蒸散發需要的那部分降水量，不包括降雨形成的地表徑流以及深層滲透量。本文選用計算有效降水的經驗公式SCS法，在農業水資源管理上應用最多，并經過簡化用于作物的有效降水計算，公式如下：

圖1 農業水足跡計算基本框架Fig.1 The basic framework of water footprint calculation

(7)

其中，Pmonth是每月降雨量(mm);Peff是有效降水量(mm)。

2.2.3 作物選取標準 依據主要農作物的選取標準：(1)單種作物的耗水量超過了全部農業用水量的1%；(2)單種作物的經濟產值在全部農業產值的比重大于5%；(3)單種作物的種植面積占全部作物種植面積的2%以上。只要滿足其中一個條件即可將其選取為主要作物[21]。根據2014年農業統計數據，全疆農業總種植面積為5 212.26 hm2，小麥、玉米、棉花、苜蓿以及向日葵的種植面積分別為1 120.98 hm2、920.80 hm2、1 718.26 hm2、184.70 hm2、145.77 hm2，分別占到總種植面積的21.51%、17.67%、32.97%、3.54%和2.80%，而水稻以及甜菜的耗水總量則分別占農業總用水量的1.54%和1.01%。根據這個標準，本文選取了水稻、小麥、玉米、棉花、苜蓿、向日葵以及甜菜這7種作物為主要作物進行研究分析，具有代表性。

2.2.4 制圖分析 為顯示全疆各地區的農業生產水足跡的分布在空間上的差異性，在計算得到每個縣(市)的農業生產水足跡總量數據之后，利用Arcgis 10.1制作得到新疆83個縣(市)農業生產水足跡圖。

3 結果與分析

3.1 主要作物水足跡分析

在計算得到7種作物水足跡結果后，分別從作物需水總量、作物生產水足跡以及水足跡構成比例三個方面進行分析。

3.1.1 主要作物的水足跡總量 在計算得到7種作物在不同地區的生產水足跡之后，再將每個地區該種作物的生產水足跡相加，即可得到全疆范圍內該作物的生產水足跡。得到結果如下表2。

表2 各作物的藍水足跡量、綠水足跡量以及總水足跡量/×108m3

結果表明，2014年全疆農業需水總量為355.47×108m3，在所有作物中棉花的需水總量最高，達到了184.52×108m3，所占比例為51.9%。這是因為新疆是全國最為重要的商品棉基地，棉花的種植范圍遍布全疆，且棉花的生長季處于一年中溫度最高的時候，蒸散發量最大，所以棉花的需水總量最大；小麥和玉米的總需水量基本處于同一水平，分別為80.54×108m3和66.78×108m3。玉米的生長期處于夏季，蒸散發量比生長在冬天和春天的小麥高很多，但小麥的種植面積遠大于玉米的種植面積，因而小麥的需水總量比玉米需水總量還要多13.76×108m3。棉花、小麥以及玉米這三種作物的需水總量達到了331.84×108m3，占總需水量的93.42%。水稻、向日葵、甜菜以及苜蓿因種植面積相對較小，總需水量均處于相對較低水平，四種作物的需水總量僅為23.94×108m3，占總需水量的6.73%。因種植范圍較小且生長期內溫度較低，甜菜的需水總量僅為3.51×108m3，在所有作物中處于最低水平。

3.1.2 不同作物生產水足跡 將作物的需水總量除以其各自產量，可以得到單位作物的生產水足跡。7種作物的平均生產水足跡如下圖2。結果表明，棉花是生產水足跡最高的作物，生產水足跡為4.80 m3·kg-1；其次是向日葵(1.69 m3·kg-1)，小麥(1.15 m3·kg-1)，水稻(1.05 m3·kg-1)，玉米(0.65 m3·kg-1)，苜蓿(0.23 m3·kg-1)，生產水足跡最低的是甜菜，為0.12 m3·kg-1。棉花的生產水足跡是向日葵的2.8倍，是甜菜的41倍。造成作物之間的生產水足跡差異性的主要原因是作物本身需水特性，以及作物種植面積和產量等。因為棉花的生長季處于一年中蒸散發量最大的時候，需水量最大，且產量相對于小麥、玉米較低，因此生產水足跡最高。

3.1.3 作物水足跡比例構成 由于新疆極端干旱、降雨稀少的氣候條件，新疆農業生產活動主要以地下水與高山融冰、融雪徑流為主，使得藍水在農業用水中所占的比例普遍處于較高水平。結果顯示，新疆農業用水中藍水所占比例為91.17%。由于作物之間以及區域氣候條件之間存在的差異，不同作物之間以及不同地區之間的藍水與綠水比例相差巨大。如表3所示，在7種作物中，棉花的藍水比例最高為 93.77%；其次是水稻，藍水比例為93.04%，而苜蓿的藍水比例最低，為80.71%。從不同地區之間來看，南疆的平均藍水比例最高，為94.83%，而伊犁地區的平均藍水比例只有84.21%，在全疆范圍內處于最低水平。由于南疆大部分地區位于塔克拉瑪干沙漠，降雨量極低而年蒸發潛力卻高達3 000 mm以上，農業用水幾乎全部來源于河水及地下水灌溉，藍水比例處于極高的水平；相反伊犁地區獨特的氣候條件，相對濕潤的環境，豐富的降雨資源降低了農業用水對地下水的依賴程度，降低了藍水所占比例。

圖2 不同作物的生產水足跡Fig.2 Water footprints of primary crops in Xinjiang

3.2 水足跡區域分布

為比較水足跡在全疆空間分布上的差異性，根據研究結果我們利用Arcgis10.1制作得到了農業生產水足跡在全疆的空間分布圖(圖3)，依次分別為全疆范圍內的藍水足跡空間分布圖(圖3a)、綠水足跡空間分布圖(圖3b)以及總水足跡空間分布圖(圖3c)。

從圖3a來看，全疆藍水足跡總量最高的是南疆地區，達到了189.73×108m3，其次是北疆地區(105.11×108m3)，伊犁地區(36.43×108m3)，最低的是東疆地區，為7.73×108m3。由于近年來新疆的農業發展實施的是“南棉北糧”的策略，即南疆地區大力發展棉花種植產業而北疆主要以糧食生產為主。而棉花作為生產水足跡最高的作物，也是藍水足跡比例最高的作物，因此全疆的藍水足跡總體上與全疆棉花產業的空間分布一致，呈現出西南高、東北低的趨勢。高山雪水作為新疆農業灌溉水的主要來源之一，在昆侖山南緣以及天山南坡附近的傳統棉花種植區域藍水足跡分布較高，南疆地區藍水足跡最高的區域是塔里木河沿岸流域。綠水足跡較高的區域主要在新疆的西北部，其中北疆地區最高，達到了14.58×108m3，其次是南疆地區(10.33×108m3)，位于西北部的伊犁地區為6.83×108m3，東疆地區綠水足跡最低，為0.46×108m3；總體呈現出西高東低的分布趨勢，基本與新疆的降水資源在空間上的分布一致。將藍水足跡量與綠水足跡量相加之后可得到總水足跡量，由于新疆地區農業用水中綠水的比例很小，因此總水足跡的分布仍然是和藍色水足跡的分布一樣，呈現出西南高東北低的態勢。

3.3 區域用水分析

計算得到每個縣(市)的農業生產水足跡后，即可得到全疆14個地(州)的農業生產水足跡總量。結合2014年新疆統計年鑒中的各地(州)農業用水的統計數據，得到表4。2014年全疆實際農業總用水量為549.18×108m3，與本研究計算得到的生產水足跡之間的差距高達193.71×108m3。實際用水量與理論水足跡(即本文計算的農作物生產水足跡)之間的差值越小則說明農業水資源的利用效率越高，節水空間就越小。反之差值越大，說明水資源利用效率越低，節水空間越大[22-23]。

表3 各作物藍水足跡、綠水足跡的比例

圖3 全疆水足跡分布示意圖Fig.3 Water footprint distribution of Xinjiang

區域Region地(州)Districts實際用水量Actual water use理論水足跡Water use in theory節水空間Potentialwater-saving合計Total東疆EasternXinjiang吐魯番地區 Turpan District12.203.288.92哈密地區 Hami District10.254.915.3414.26北疆NorthernXinjiang烏魯木齊市 Urumqi City6.511.944.57克拉瑪依市 Karamay City4.331.382.95昌吉回族自治州 Changji Hui Autonomous Prefacture44.2735.229.05塔城地區 Tacheng District41.5437.334.21阿勒泰地區 Altay District32.4515.4217.03博爾塔拉蒙古自治州 Bortala Mongol Autonomous Prefacture15.8112.533.2841.09南疆SouthernXinjang巴音郭楞蒙古自治州Bayingolin Mongolian Autonomous Prefacture52.7540.1212.63阿克蘇地區 Akesu District109.1166.1442.97克孜勒蘇柯爾克孜自治州Kzil sukotz Autonomous Prefacture12.354.887.47喀什地區 Kashi Prefacture114.5070.9543.55和田地區 Hotan Prefacture44.4518.1126.34132.9伊犁Yili region伊犁州直屬縣(市)County(city) directly under Yili48.6643.265.405.40合計 Total全疆 Tatol Xinjiang549.18355.47193.71-

從結果來看，新疆在農業生產用水方面仍然有193.71×108m3的節水空間。從各地區來看，喀什地區、阿克蘇地區以及和田地區的實際用水量與理論水足跡之間的差值最大，分別為43.55×108m3、42.97×108m3和26.34×108m3。三個地區均屬于南疆，都是以傳統農業種植方式為主的地區，無論是當地農民的綜合素質還是農業種植技術與管理水平相對其它地區都比較落后，對于水資源的管理利用相對粗放。如果政府可以以政策為導向，持續投入資金技術支持南疆地區改善農業種植方式，并加強對當地農民的教育以此提高農業水資源利用效率，可以大幅降低全疆水資源消耗水平，極大地緩解干旱區水資源短缺帶來的壓力。

4 結論與討論

2014年新疆農業生產水足跡為335.47×108m3，其中藍水足跡為324.10×108m3，所占比例為95.6%，綠水足跡為14.37×108m3，所占比例為4.4%。本研究表明，在新疆藍水是農作物生長的最主要的水源，確立了藍水足跡在新疆農業生產過程中的重要地位；綠色水足跡所占比例較低，主要分布在新疆西北部地區，雖然綠水量很少，但其作用不應該被忽視。在7種主要作物中，棉花無論是總水足跡、單位作物生產水足跡，還是藍水比例都顯著高于其它作物，是最耗水的作物，因此棉花大面積種植對全疆農業生產水足跡以及全疆水資源分配都有重要影響。從生態角度看，大面積進行棉花種植會直接增加水資源的消耗，加劇區域水資源短缺壓力。政府應該制定相應的政策，適當調整作物種植結構，充分考慮不同地區的氣候條件，在生態環境脆弱的地區減少高耗水作物的種植，因此尤其應該調整“南棉北糧”的農業發展策略，在南疆大力發展低耗水作物，減少南疆地區對水資源的持續利用壓力。

農產品作為人類生存的必需品，各種農產品中實際蘊涵、“寄存”了大量的水資源，是人類消費水足跡的主體部分[24-25]。在總水資源量有限的干旱缺水地區，用于農業生產的水資源量越多，則生態用水就越少[26]，因此降低糧食生產水足跡不僅對于減緩水資源壓力有重要作用，也可以緩解生態用水緊張局面，改善新疆整體生態環境脆弱的現狀[27-28]。而基于目前種植格局，計算結果表明當前灌溉量比作物理論水足跡高193.71×108m3，表明作物用水效率仍然需要進一步提高，這可對未來節水灌溉方案的進一步實施及具體管理提供決策支持[29]。由于受數據獲取性的影響，本研究只對2014年的農業生產水足跡進行研究，并忽略了灰色水足跡的計算；而某些縣(市)氣象數據缺失也會對水足跡計算結果的準確性造成影響，這些都是需要改進之處[30]。進一步量化計算土地、資源以及人口等因素對水足跡的影響大小以及作用機制，是尋求降低新疆農業生產水足跡的研究思路。