不同降水年型吉林省中部玉米生產(chǎn)水足跡研究

鄭曉雪，秦麗杰

(東北師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130024)

農(nóng)業(yè)水資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的要素，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的重要保障。近年來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水資源短缺的矛盾日漸凸顯[1-2]。分析和評價農(nóng)業(yè)水資源的消耗，可為提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率、促進農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展提供理論依據(jù)。

水足跡[3]將實物形態(tài)的水與虛擬形態(tài)的水聯(lián)系起來，涵蓋了“藍水”“綠水”和“灰水”，可以真實地反映水資源需求，為評價水資源利用提供了新的視角。農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡是指農(nóng)作物在生長過程中消耗的水資源總量[4]，其中，綠水足跡為農(nóng)作物生長過程中的有效降水量，藍水足跡為農(nóng)作物生長過程中的灌溉水量，灰水足跡是用于稀釋農(nóng)作物生長過程中的污染物所需的水量。目前，很多學(xué)者都開展了農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡的相關(guān)研究：Chapagain等[5]、Hanasaki等[6]分別核算了全球的水稻生產(chǎn)水足跡及主要糧食作物(玉米、大豆等)的水足跡；Yoo等[7]核算了韓國的水稻生產(chǎn)水足跡；田園宏等[8]、Sun等[9]分析了中國主要糧食作物(水稻、小麥、玉米等)的水足跡。關(guān)于吉林省農(nóng)作物生產(chǎn)的水足跡：段佩利等[10]、李紅穎等[11]分別計算了吉林省的玉米、水稻生產(chǎn)水足跡，并探究了其時空差異；秦麗杰等[12]通過大田試驗，探討了吉林省西部玉米生產(chǎn)水足跡的變化規(guī)律。然而，在本研究檢索范圍內(nèi)，針對吉林省中部地區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)的水足跡單獨開展研究的尚未見報道。

自20世紀70年代以來，經(jīng)過大規(guī)模的開發(fā)建設(shè)，吉林省中部逐漸成為我國以玉米為主的商品糧生產(chǎn)基地，素有“黃金玉米帶”之稱。2016年，吉林省中部玉米種植面積為1.60×106hm2，約占全省玉米種植面積(3.60×106hm2)的45%，約占全國玉米種植面積(3.50×107hm2)的5%；玉米總產(chǎn)量為1.40×1010kg，約占全省玉米總產(chǎn)量(2.83×1010kg)的50%，約占全國玉米總產(chǎn)量(2.10×1011kg)的7%；玉米單產(chǎn)為8 450 kg·hm-2，高于全省平均玉米單產(chǎn)(7 740 kg·hm-2)，約為全國平均玉米單產(chǎn)(5 950 kg·hm-2)的1.5倍。吉林省中部的農(nóng)安縣、榆樹市、公主嶺市、梨樹縣和德惠市躋身“全國十大產(chǎn)糧縣”，在全國糧食生產(chǎn)和保障國家糧食安全中發(fā)揮著重要作用[13-14]。有鑒于此，本文以吉林省中部玉米帶為研究區(qū)，量化玉米生產(chǎn)水足跡，探究不同降水年型下玉米生長期的耗水特征及玉米生產(chǎn)水足跡的空間分異，為農(nóng)業(yè)水資源的合理配置和農(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展提供理論依據(jù)。

以往研究在對農(nóng)作物生產(chǎn)的水足跡進行量化時，通常采用聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)提出的CropWat模型中的作物需水量法計算作物的需水量[4]，該方案假定農(nóng)作物在生長過程中不受水分的限制，即在生長期接受充分灌溉。然而，吉林省中部玉米種植面積廣闊，受水資源和灌溉條件的限制，玉米生長過程中無法實現(xiàn)充分灌溉，是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。吉林省中部采用的灌溉方式為坐水種，即在播種時灌入少量水，以創(chuàng)造適合種子發(fā)芽的土壤水分小環(huán)境，而其他階段無灌溉[15]。因此，為反映實際生產(chǎn)過程，本文采用CropWat模型中的另一種方法——灌溉制度法來計算玉米生長期的需水量，以揭示吉林省中部玉米生長過程的耗水特征。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

吉林省中部地處43°～45°N、124°～127°E，包括長春市、九臺市、農(nóng)安縣、德惠市、榆樹市、四平市、梨樹縣和公主嶺市8個縣(市)(圖1)。該地區(qū)四季分明，雨熱同季，年降水量480～600 mm，≥10 ℃積溫2 850～3 150 ℃，年無霜期130～150 d，年日照時數(shù)約3 000 h。光、熱資源豐富，土地平坦，土壤類型為黑土和黑鈣土，適合玉米的生長發(fā)育。

1.2 研究方法

1.2.1 玉米生長需水量

玉米生長需水量采用FAO推薦的Penman-Monteith模型進行計算。

首先，計算氣候因素影響下的參考作物蒸散量(ET0)：

(1)

式(1)中：Rn為作物表面的凈輻射量，MJ·m-2·d-1；G為土壤熱通量，MJ·m-2·d-1；γ為濕度計常數(shù)，kPa·℃-1；T為平均氣溫，℃；U2為離地面2 m高處的風(fēng)速，m·s-1；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實測水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓與氣溫相關(guān)曲線的斜率，kPa·℃-1。

然后，利用水分脅迫系數(shù)Ks、作物系數(shù)Kc計算玉米蒸散量(ETc)[16]。

VETc=Ks×Kc×VET0，

(2)

玉米生長需水量(CWR)為

VCWR=10×VETc，

(3)

圖1 研究區(qū)位置及所含縣(市)Fig.1 Location of study areas and regarding counties and cities

式(3)中：VCWR為玉米生長需水量，m3·hm-2；常量因子10為將水的深度轉(zhuǎn)化為單位陸地面積水量的系數(shù)。

1.2.2 農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡

農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡的計算框架由 Hoekstra等[4]于2011年提出。

W=Wblue+Wgreen+Wgrey，

(4)

式(4)中：W為農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡，m3·kg-1；Wblue為藍水足跡，m3·kg-1；Wgreen為綠水足跡，m3·kg-1；Wgrey為灰水足跡，m3·kg-1。

量化農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡的CropWat模型，為作物需水量的計算提供2種備選方案：作物需水量法和灌溉制度法[4]。作物需水量法假設(shè)作物需水量得到充分滿足，不會因水分限制而影響作物生長或作物產(chǎn)量；灌溉制度法以作物生長期的實際灌溉量為依據(jù)，計算作物需水量，無論是充分灌溉還是非充分灌溉，均可采用此方法。吉林省中部玉米在生長期無法實現(xiàn)充分灌溉，不能采用目前通用的作物需水量法；因此，根據(jù)其非充分灌溉特征，利用灌溉制度法計算玉米所需的藍水量和綠水量：

Rblue=I；

(5)

Rgreen=VCWR-I。

(6)

式(5)、(6)中：Rblue為玉米生長期所需的藍水量，m3·hm-2；I為坐水種需水量，m3·hm-2；Rgreen為玉米生長期所需的綠水量，m3·hm-2。根據(jù)實地調(diào)研和查閱文獻，玉米坐水種需水量在枯水年、正常年和豐水年分別為60、40和20 m3·hm-2[17-19]。

玉米生產(chǎn)的藍水足跡為

(7)

式(7)中Y為玉米單位面積產(chǎn)量，kg·hm-2。

玉米生長所需的綠水來源于2部分：一是有效降水(E，m3·hm-2)，一是除有效降水之外的土壤水。

當有效降水量E≥Rgreen時，玉米生產(chǎn)的綠水足跡為

(8)

當有效降水量E

(9)

式(9)中S為除有效降水之外的土壤水消耗量，m3·hm-2。

灰水足跡通常以稀釋淋失氮的需水量為代表，計算公式為

(10)

式(10)中：A為化肥中氮的施用量，kg·hm-2；α為淋失率；cmax為氮的最大容許濃度，kg·m-3；cnat為污染物的自然本底濃度，kg·m-3。

本文選擇氮肥施用量的10%作為淋失率，采用GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中集中式生活飲用水地表水源地補充項目標準限值，氮的濃度不超過10 mg·L-1。根據(jù)實地調(diào)查和查閱文獻，吉林省中部玉米的施氮量為180 kg·hm-2[20-22]。

1.3 數(shù)據(jù)來源

以1958—2016年平均降水量(608.3 mm)為基準，參照GB/T 22482—2008《水文情報預(yù)報規(guī)范》，與該值距平<-20%的年份為枯水年，-10%≤距平≤10%的年份為正常年，距平>20%的年份為豐水年。根據(jù)年降水量特征及統(tǒng)計年鑒的時限，選取2004年(476.2 mm)、2006年(632.6 mm)和2013年(736.5 mm)分別作為枯水年、正常年和豐水年。

2004、2006和2013年氣象數(shù)據(jù)(最低溫度、最高溫度、相對濕度、風(fēng)速、日照時數(shù)、降水量)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://www.escience.gov.cn/metdata/page/index.html)。研究區(qū)8個縣(市)的玉米播種面積和產(chǎn)量來源于《吉林省統(tǒng)計年鑒》。水分脅迫系數(shù)Ks、作物系數(shù)Kc參考FAO提供的CropWat 8.0軟件中的數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降水年型下玉米需水量變化

將吉林省中部2004、2006和2013年的氣象數(shù)據(jù)輸入到CropWat 8.0軟件，計算玉米生長需水量。不同降水年型下玉米生長期各階段需水量如圖2所示。

圖2 不同降水年型下玉米生長季需水量Fig.2 Water requirement in maize growing season under different rainfall years

從整個生長季玉米需水量來看，枯水年(2004年)的需水量最大(5 748 m3·hm-2)，正常年(2006年)次之(5 430 m3·hm-2)，豐水年(2013年)最小(4 985 m3·hm-2)。不同降水年型下，玉米生長季需水量均呈現(xiàn)先升后降的趨勢，拔節(jié)—抽雄期和抽雄—乳熟期為需水高峰期。播種—出苗期，玉米植株較小，需水量最低；出苗—拔節(jié)期，隨著玉米植株增大，葉面積指數(shù)增大，蒸騰量增加，需水量升高；拔節(jié)—抽雄期，玉米冠層充分發(fā)育，需水量達到最大值；抽雄—乳熟期，玉米需水量維持在較大值；乳熟—成熟期，由于植株衰老，蒸騰量減少，需水量降低。

不同降水年型下，播種—出苗期和乳熟—成熟期玉米生長需水量差異不大，而出苗—拔節(jié)期、拔節(jié)—抽雄期和抽雄—乳熟期差異較大。2004年為干旱年份，出苗—乳熟期的需水總量最高；2006年降水適中，出苗—乳熟期的需水總量居中，但該年降水量分布不均，拔節(jié)—抽雄期降水量少，需水量占整個生長季的比例反而高于2004年和2013年；2013年為降水較充足年份，出苗—乳熟期的需水總量在3種降水年型中最低。

2.2 不同降水年型下玉米生產(chǎn)水足跡的空間分異

2.2.1 不同降水年型下藍水足跡的空間分異

不同降水年型下吉林省中部玉米生產(chǎn)藍水足跡差異明顯(圖3)。枯水年(2004年)玉米生產(chǎn)藍水足跡最高，正常年(2006年)次之，豐水年(2013年)最低。隨著年降水量的增加，玉米生產(chǎn)藍水足跡減少。

玉米生產(chǎn)藍水足跡主要受坐水種水量與玉米單產(chǎn)的影響。吉林省中部耕層土壤含水量低，土壤墑情差，為實現(xiàn)玉米種子的正常發(fā)芽和生長，采取坐水種方式改善土壤小環(huán)境中的水分狀況，達到人為增墑、抗旱保苗的目的。根據(jù)土壤墑情及年降水量特征，坐水種水量依次為枯水年(2004年)>正常年(2006年)>豐水年(2013年)。同時，降水量會影響土壤中氮的含量，較多的降水會增加土壤的濕潤度和土壤微生物的活性，有助于土壤中氮素的轉(zhuǎn)化和固定，進而影響土壤的肥力與生產(chǎn)力[23]，所以不同降水年型下土壤肥力依次為枯水年(2004年)<正常年(2006年)<豐水年(2013年)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式基本相同的背景下，玉米單產(chǎn)依次為枯水年(2004年)<正常年(2006年)<豐水年(2013年)。在坐水種水量與玉米單產(chǎn)的共同作用下，玉米生產(chǎn)藍水足跡從高到低依次為枯水年(2004年)>正常年(2006年)>豐水年(2013年)。

圖3 不同降水年型下藍水足跡的空間分異Fig.3 Distribution of blue water footprint under different rainfall years

研究區(qū)北部縣(市)的玉米生產(chǎn)藍水足跡高于南部縣(市)，這是由于南、北部縣(市)的玉米單產(chǎn)存在較大差異。吉林省中部的土壤類型主要為黑土，長期不間斷的農(nóng)業(yè)耕作已使該地區(qū)的土壤肥力逐漸降低，尤其是在開發(fā)時間較早、耕作力度較大的北部，大面積的黑土受到強烈侵蝕，土壤肥力與生產(chǎn)力低于南部，在氣候條件、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式基本相同的背景下，北部的玉米單產(chǎn)低于南部。

2.2.2 不同降水年型下綠水足跡的空間分異

枯水年(2004年)玉米生產(chǎn)綠水足跡最高，正常年(2006年)次之，豐水年(2013年)最低(圖4)。隨著年降水量的增加，玉米生產(chǎn)綠水足跡減少。玉米生產(chǎn)綠水足跡受有效降水量與玉米生長所需綠水量的影響。在吉林省中部，玉米生長所需的水分來源于大氣降水和灌溉水，即用灌溉水來補充有效降水的不足，但除坐水種外，玉米生長期無灌溉，所以為滿足玉米的生長需要，除消耗有效降水外，還需消耗一定量儲存在土壤中的水分。這部分水分既可能是非生長季的有效降水形成的土壤水，也可能是地下水上升和大氣中水汽凝結(jié)形成的土壤水。因此，玉米生長消耗的綠水由2部分組成，即有效降水和其他土壤水。

圖4 不同降水年型下綠水足跡的空間分異Fig.4 Distribution of green water footprint under different rainfall years

不同降水年型下有效降水足跡與土壤水足跡的空間分異如圖4所示。枯水年(2004年)有效降水足跡約占玉米生產(chǎn)綠水足跡的58%，土壤水足跡約占42%，該年降水量較少，有效降水僅能滿足一部分的綠水量，剩余的綠水量由土壤水加以補充；正常年(2006年)有效降水足跡占綠水足跡的75%，土壤水足跡約占25%，該年有效降水可滿足大部分玉米消耗的綠水量，土壤水的消耗較小；豐水年(2013年)有效降水足跡占綠水足跡的比例達97%，土壤水足跡僅占3%，這部分的土壤水足跡產(chǎn)生于北部縣(市)。隨著年降水量增加，有效降水占玉米消耗綠水量的比例增大，在豐水年達到最大；土壤水占綠水量的比例減小，土壤水消耗在枯水年最大。根據(jù)玉米消耗綠水的組成特征，在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)采用合理技術(shù)提高有效降水的利用率，并根據(jù)降水年型的特點，對灌溉水量進行動態(tài)調(diào)整：若降水充足，則可適當減少灌溉水量；若降水短缺，則應(yīng)適當增加灌溉水量，從而保護耕層土壤水，維持土壤水分平衡。

與玉米生產(chǎn)藍水足跡類似，綠水足跡在南、北部縣(市)也具有明顯的空間分異，北部的玉米生產(chǎn)綠水足跡高于南部。

2.2.3 不同降水年型下灰水足跡的空間分異

根據(jù)實際調(diào)查及查閱文獻，吉林省中部不同縣(市)的玉米施肥量差異不大，所以玉米生產(chǎn)灰水足跡主要受玉米單產(chǎn)的影響。2004年降水較少，玉米的單產(chǎn)較低，玉米生產(chǎn)灰水足跡較高；2006年降水正常，玉米的單產(chǎn)提高，玉米生產(chǎn)灰水足跡居中；2013年降水充足，玉米單產(chǎn)在3種降水年型中最高，玉米生產(chǎn)灰水足跡最低(圖5)。玉米生產(chǎn)的灰水足跡同樣表現(xiàn)為北部高于南部。

2.2.4 不同降水年型下水足跡的空間分異

枯水年(2004年)玉米生產(chǎn)水足跡最高，正常年(2006年)次之，豐水年(2013年)最低(圖6)。隨著年降水量的增加，玉米生產(chǎn)水足跡減少。在不同降水年型下，玉米生產(chǎn)綠水足跡占總水足跡的比例都是最大的，約為75%，說明總水足跡受綠水足跡的影響最大，綠水對吉林省中部的玉米生長具有重要的作用。受土壤肥力與生產(chǎn)力的影響，北部縣(市)的玉米單產(chǎn)低于南部縣(市)，玉米生產(chǎn)水足跡北部高于南部，因此，提高北部的土壤肥力是降低農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡、提高水資源利用效率的關(guān)鍵。北部的縣(市)應(yīng)采取合理的耕作方式減緩?fù)寥狼治g速度，施用有機肥料，以減少化肥使用量、降低土壤污染，大力推廣秸稈還田技術(shù)，以改善土壤性狀、提高土壤肥力[24]。

圖5 不同降水年型下灰水足跡的空間分異Fig.5 Distribution of grey water footprint under different rainfall years

圖6 不同降水年型下水足跡的空間分異Fig.6 Distribution of water footprint under different rainfall years

3 結(jié)論與討論

水足跡理論的提出，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水評價提供了新的視角和方法。核算某一地區(qū)的農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡，可以反映該地區(qū)作物生產(chǎn)過程的耗水特征及水資源利用效率。本文根據(jù)吉林省中部玉米的灌溉特征，采用CropWat模型中的灌溉制度法核算玉米生產(chǎn)水足跡，反映玉米生產(chǎn)過程的實際需水特征，探討不同降水年型下玉米生產(chǎn)水足跡的空間分異。結(jié)果顯示，枯水年玉米生產(chǎn)水足跡最大，正常年次之，豐水年最小。無論豐水年、正常年還是枯水年，吉林省中部的玉米生產(chǎn)綠水足跡占總水足跡的比例為75%左右，而在以往研究中，吉林省中部綠水足跡所占比例隨降水年型的變化而波動，豐水年及正常年約為65%，枯水年約為55%[25]。其原因主要為計算方法的不同，以往研究采用作物需水量法計算玉米生產(chǎn)水足跡，充分灌溉條件下藍水量較大，綠水量相對較少，且均為有效降水，因此，降水年型的變化對綠水影響顯著。而本文采用灌溉制度法，非充分灌溉條件下藍水量較小，只是坐水種的灌溉量，綠水量相對較大，除有效降水外，還需消耗土壤水，枯水年消耗的土壤水量最大。因此，綠水總量所占比例在不同降水年型下無明顯變化，基本一致。但是，本文與以往研究都揭示綠水足跡在吉林省中部玉米生產(chǎn)水足跡中占較大比例，說明綠水在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要的地位，所以提高綠水的利用率應(yīng)作為吉林省中部未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重點。同時，研究區(qū)玉米生產(chǎn)的綠水足跡以有效降水足跡為主，土壤水消耗量在枯水年最大，所以應(yīng)根據(jù)降水年型的特點，在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對灌溉水量進行動態(tài)的調(diào)整：降水充足時，可適當減少灌溉量；降水缺乏時應(yīng)適當增加灌溉量，從而保護耕層土壤水，維持土壤水分平衡。研究區(qū)的玉米生產(chǎn)水足跡北部高于南部，建議采取合理措施提高北部的土壤生產(chǎn)力，適當施用有機肥料代替化肥，推廣秸稈還田技術(shù)，改善土壤周邊的生態(tài)環(huán)境條件等，以降低北部的農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡，提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率。