新疆2002-2016年主要農作物虛擬水含量時空分布分析

方 芳，馬 瓊,2

(1.塔里木大學 經濟與管理學院，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學 新疆南疆經濟與社會發展研究院，新疆 阿拉爾 843300)

水資源問題已引起各國學者的重視，水資源安全被認為是國家和社會發展、地區穩定的基礎性要素[1]。2018年5月4日，國家水利部召開相關會議中強調實現水資源可持續利用支撐經濟社會可持續發展的目標。4月16日，新疆維吾爾自治區水資源管理工作的專題研究會議中明確了“水利興則新疆興”的治水新理念。吳普特等在2006年預測到21世紀中葉我國農業將面臨巨大的挑戰[2]。尤其是發展中國家的農業曾被聯合國政府氣候變化專門委員會(IPCC)和聯合國糧農組織(FAO)列為最易受氣候變化影響、最脆弱的產業之一[3]。農業作為新疆的支柱性產業，2016年農業用水占比在總供水量的90%以上，水資源匱乏成為極度干旱區農業發展的關鍵限制性因素，如何尋找節水新途徑，緩解水資源危機，實現新疆生態與經濟可持續發展成為新疆農業發展中亟待解決的問題。

“虛擬水”和“虛擬水戰略”作為解決水資源匱乏問題的新路徑被提出，我國自程國棟教授于2003年首次將虛擬水引入以來[4]，徐中民等重新定義了虛擬水戰略[5]。周俊菊等基于虛擬水理論構建了種植業結構調整需水模型，分析了近33年民勤綠洲種植業結構調整對農作物需水量的影響[6]。黃敏等采用投入產出法計算了中國虛擬水進出口的貿易量，發現農業部門直接用水系數高達857.9 t/萬元，與直接用水系數最小的部門差距達600倍[7]。張潤等采用聯合國糧農組織推薦的Penman-Monteith公式計算了省際間農作物的虛擬水總量和虛擬水輸出量[8]。

在新疆這樣地處偏遠、經濟發展緩慢的極度干旱地區，水資源缺乏制約農業發展并成為影響農業發展的瓶頸，通過分析主要作物的虛擬水含量，研究作物的需水特性，對水資源的合理開發利用，提高水資源的利用效率有實用的意義。因此，基于虛擬水理論，計算了新疆6種主要作物15年的需水量，明晰了主要作物虛含量的時間及空間分布，為新疆合理分配水資源及優化作物布局結構提供依據。

1 研區概況

新疆曾是古“絲綢之路”的重要通道，現在又成為第二座“亞歐大陸橋”的橋頭堡，戰略地位十分重要。屬于溫帶大陸型氣候，降水少，氣候干燥，2016年全疆年均降水量僅139.93 mm，尤其是新疆南疆與東疆氣候極其干旱，2016年年均降水僅61.95 mm。全疆近3年無水災，但旱災平均受災面積達40 萬hm2，占播種面積的6.8%。全疆水資源總量只有全國的3.37%，而農業用水占到全國農業用水的14.07%、占全疆總供水量的94.32%。根據新疆水利廳報全疆現狀水資源開發利用率達69.4%，水資源總體上開發利用過度。2016年新疆農作物播種總面積為621.73 萬hm2，南疆最多，達277.96 萬hm2，東疆最少，為13.56 萬hm2。小麥、玉米、水稻、薯類、棉花和甜菜是主要的農作物，播種面積占新疆農作物播種總面積的73.03%，其生產耗水量(249.43 億m3)占新疆農業用水量(533.3 億m3)的46.8%。

種植業對自然資源的依賴程度相比其他產業較高，氣候和水資源等條件的差異決定了農作物專業化格局的優劣，呂娜娜等[9]研究表明水資源已經成為制約中國西北干旱區農業生產和發展的限制因素，位于該區的新疆，有著豐富的耕地儲備資源，是全國大型的糧棉基地。自改革開放近半個世紀以來，新疆的綠洲農田面積顯著擴張，尤其是新疆棉花，高產高質，2016年新疆棉花的產值已占到全國棉花總產值的70%以上。近年來，新疆棉花僅有20%供應自身的紡織工業原料，而80%的新疆棉花進入了國內或國際市場，從虛擬水貿易的角度來講，這相當于在以棉花為載體輸出虛擬水資源。馬林瀟等[10]認為在“三條紅線”用水指標的約束下政府如何布局種植業生產結構，最大限度地實現區域生態、經濟、社會三方面效益的協調統一，以提高農戶收入，促進新疆農村經濟穩定發展，這些都是保證新疆種植業持續健康發展的關鍵問題。

2 研究方法與數據來源

2.1 計算方法

作物虛擬水含量指的是單位質量的農產品消耗的虛擬水量[11]，根據農作物需水量與農作物產量計算得到，如式(1)。

(1)

式中：SWD(n,c)、SWR(n,c)、CY(n,c)分別表示n區域c作物單位質量的虛擬水含量，m3/kg、生長期內的需水量， m3/hm2、產量，kg/hm2。

農作物需水量SWR(n,c)的計算：虛擬水包括虛擬藍水、虛擬綠水。虛擬藍水是指把河流、湖泊等地表和地下的水通過灌溉方式輸送到農作物，虛擬綠水是指由降雨和降雪形成的水資源。農作物虛擬水含量的測算采用彭曼-孟(Penman-Monteith)公式[12]，如下式：

ETc=ET0×kc

(2)

(3)

式中：ETc表示n區域c作物生長期內的累計蒸發蒸騰水量，mm/d；ET0表示參考作物蒸發蒸騰水量，mm/d，由式(3)計算得到；Kc為作物系數，是用來修正參考作物與實際作物之間的差異的；式(3)中：Δ為飽和水汽壓-溫度曲線的斜率；Rn為作物表面的凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；r為干濕表常數，kPa/℃；T為作物生長區的平均溫度；ea-ed為飽和水蒸氣壓力差，kPa；U2為農作物生長區2 m高度處的風速，m/s。

2.2 數據來源

農作物虛擬水含量是從CROP和CLIMATE數據庫提取相關的氣候、土壤數據，借助FAO推薦的CROPWAT8.0軟件得到參考作物的需水量，主要農作物的參考系數Kc值是根據中國自然歷和中國主要農作物等值線圖得到。文中涉及的主要農作物的產量等相關數據來源《新疆統計年鑒》(2003-2017年)。

3 結果分析

3.1 主要農作物虛擬水含量的時間分布分析

將6種主要農作物的相關參數帶入上式中，計算出6種農作物2002-2016年的虛擬水含量，借助Excel繪制6種農作物的虛擬水含量趨勢圖。如圖1，6種主要農作物15年來虛擬水含量整體波動下降，虛擬水含量下降率最大的是小麥，為58.4%，最小的是水稻，為35.5%。董煜等[13]研究發現“風速、溫度、日照時數對需水量呈正向影響，相對濕度、日溫差、降水量對需水量呈負向影響”，根據新疆氣象資料數據顯示，隨著全球氣候變暖，新疆各區年平均氣溫變化趨勢均以 0.03 ℃/a 增加，同時海水蒸發量增加，從而使新疆山區降水水汽來源增加，作物需水量減少。

時間動態分布上，6種農作物虛擬水含量呈現下降趨勢，小麥、水稻、玉米波動下降，棉花、甜菜和薯類下降趨勢較平穩。小麥15年的虛擬水含量平均值為1.52 m3/kg；各年份小麥的虛擬水含量在2.23～0.95 m3/kg的范圍內波動；2002年小麥的虛擬水含量最大，2014年小麥的虛擬水含量最小。玉米15年的虛擬水含量平均值為1.56 m3/kg；各年份玉米的虛擬水含量在1.95～1.22 m3/kg的范圍內波動；2002年玉米的虛擬水含量最大，2016年玉米的虛擬水含量最小。水稻15年的虛擬水含量平均值為1.38 m3/kg；各年份水稻的虛擬水含量在1.63～0.95 m3/kg的范圍內波動；2002年最高，2014年最低。薯類15年的虛擬水含量平均值為0.37 m3/kg；各年份薯類的虛擬水含量在0.44～0.26 m3/kg的范圍內波動；2012年最大，2016年最小。甜菜15年的虛擬水含量平均值為0.17 m3/kg；各年份甜菜的虛擬水含量在0.24～0.13 m3/kg的范圍內波動；2002年甜菜的虛擬水含量最大，2016年甜菜的虛擬水含量最小。棉花15年的虛擬水含量平均值為6.3 m3/kg；各年份棉花的虛擬水含量在8.45～4.57 m3/kg的范圍內波動；2002年棉花的虛擬水含量最大，2014年棉花的虛擬水含量最小。小麥與水稻虛擬水含量的動態變化趨勢相似，在2002-2004年階段，呈現平穩下降狀態，2005-2007年快速下降，在2008年出現突增，2009開始趨于緩慢下降。自改革開放以來，我國糧食經歷了1998-2003年的產量大滑坡[14]，故糧食作物在2002-2003年的產量較低，虛擬水含量升高，而在此階段，薯類單產增加，虛擬水含量下降；在2003-2004階段，水稻虛擬水含量達到最高點，由于從2000年開始至2004年水稻[15]產量持續下降，導致虛擬水含量達到最高點；第三階段是2004-2007年，糧食農作物的虛擬水含量急劇下降，主要是由于自2004年開始，“三農”問題已被中央一號文件高度重視，出臺三項補貼政策、開放糧食市場流通、重點建設農村基礎設施[16]，并在2006年黨的十六大中徹底結束了延續了2 600年的“皇糧國稅”，大大激發了農民的種糧積極性，糧食產量增長[17]，虛擬水含量也隨之連續下降；在2008年糧食農作物虛擬水含量出現突增，受全球金融危機的影響，糧食農作物的種植面積減少，同時單產下降，虛擬水含量上升，之后呈現波動下降趨勢。根據新疆水資源公報“2008年全疆年降水量2 415 億m3，與多年平均值相比偏少5.1%，比上年減少7.5%，屬降水略偏枯年份?！?，且2008年新疆平均氣溫升高，這也導致了2008年作物虛擬水含量上升。相比糧食農作物，棉花與甜菜虛擬水含量呈現較穩定的逐年下降趨勢。

為了進一步探究新疆種植業虛擬水含量的時間分布，根據種植規模、生產技術水平等，分別在南疆、北疆與東疆選取代表性的區域站點進行趨勢分析。南疆以阿克蘇為樣本站點，2016年阿克蘇地區主要農作物種植面積為77.05 萬hm2，占南疆地區主要農作物面積的34.4%，阿克蘇小麥、水稻、棉花單產均高于全疆平均值。北疆以伊犁為樣本站點，2016年伊犁主要農作物種植面積達95.20 萬hm2，占北疆地區主要農作物種植面積的45%，同時伊犁的玉米、棉花、水稻單產均為全疆較高水平。東疆以哈密地區為樣本站點，2016年哈密主要農作物種植面積達5.21 萬hm2，占東疆地區主要農作物種植面積的81.5%。各樣本點的虛擬水含量如圖2(a-c)。3個樣本站點農作物的虛擬水含量整體均呈現下降趨勢。各作物虛擬水含量由高到低依次是棉花、小麥、水稻、玉米、薯類、甜菜。伊犁各年份虛擬水含量最高的是棉花，其15年的虛擬水含量均值為5.96 m3/kg，年均下降率達4.3%，虛擬水含量最小的是甜菜，15年的虛擬水含量均值為0.08 m3/kg，年均下降率為1.4%；哈密無甜菜與薯類的種植，15年棉花的虛擬水含量最高，均值為7.19 m3/kg，年均下降率為4.38%，虛擬水含量最小的是薯類，15年虛擬水含量均值為0.25 m3/kg，年均下降率為4.35%；阿克蘇棉花15年虛擬水含量均值為6.56 m3/kg，年均下降率為4.05%，虛擬水含量最小的是甜菜，15年均值為0.09 m3/kg，其中從2014年開始甜菜虛擬水含量出現突增現象，由0.08 m3/kg增加到0.12 m3/kg，其主要原因是從2005年開始阿克蘇甜菜的種植面積雖然由0.68 萬hm2增加到1.35 萬hm2，但是甜菜的單產卻由63.76 t/hm2減少至43.82 t/hm2，這是導致2014年以后年甜菜虛擬水含量增加的主要原因。

圖1 主要農作物的虛擬水含量時間分布趨勢圖Fig.1 temporal distribution trend of virtual water content of major crops

整體來看，代表站點6種主要農作物虛擬水含量平均值均呈下降趨勢，根據計算方法，農作物虛擬水含量主要受作物需水量和單產的影響，圖3為3個站點主要農作物需水量與單產時間變化趨勢圖。從圖3中可看出，2008年伊犁農作物單產降低，需水量增加，導致了單位質量虛擬水含量驟增，而自2009年開始單產波動上升，到2015年單產達到最大值，此間需水量變化幅度相對較小，故導致了這期間伊犁農作物虛擬水含量波動下降，且虛擬水含量在2015年出現最小值；哈密農作物需水量變化較平穩，2002年哈密農作物虛擬水含量最高，從圖3看出2002年哈密農作物單產較低，同時需水量較多，2007年哈密農作物單產驟降，而此時需水量上升，因此該年農作物虛擬水含量較高，自2010年開始哈密農作物單產波動下降，但下降幅度相對不大，同時需水量變化也保持相對穩定，因此自2010年哈密農作物虛擬水含量呈相對穩定趨勢；阿克蘇農作物虛擬水含量波動下降，從圖3中看出需水量變化相對平穩，而單產的驟變是造成阿克蘇農作物虛擬水含量變化的主要原因。尤其是在2009年與2012年，阿克蘇農作物單產驟增，而需水量變化不大，因此這兩年農作物虛擬水含量較低，2010年農作物單產出現驟降，導致該年農作物虛擬水含量增加。

圖2 各站點主要農作物虛擬水含量時間分布趨勢圖Fig.2 Time distribution trend of virtual water content of main crops at each site

圖3 各站點主要農作物需水量與單產時間分布趨勢圖Fig.3 Trend of water demand and yield of major crops at each site

3.2 主要農作物虛擬水含量的空間分布分析

根據新疆維吾爾自治區水資源公報數據，2009年全疆年降水量2 369 億m3(折合降水深144.1 mm)，與多年平均值相比偏少6.9%，比上年減少2.8%，屬降水枯水年份，2016年全疆年降水量3 775 億m3(折合降水深229.7 mm)，與多年均值相比偏多48.4%，比上年偏多28.3%，屬降水豐水年份。因此選取2009與2016年兩個典型水文年，計算得到六種主要農作物虛擬水含量，如表1。無論是豐水年還是枯水年，虛擬水含量最高的均是棉花，其次為水稻、小麥、玉米、薯類，最低的是甜菜。北疆的棉花、水稻、玉米虛擬水含量最低，東疆的薯類虛擬水含量最低，南疆的小麥虛擬水含量最低。由于天山橫貫在新疆，南、北、東疆的地形地貌、氣候和水分環境等存在較大差異，且農作物的種植結構、灌溉方式也不盡相同，因此空間尺度上不同水文年作物的虛擬水含量存在較大差異。在豐水年，全疆農作物虛擬水含量均低于枯水年，枯水年的虛擬水含量接近豐水年的2倍。其中甜菜的虛擬水含量在枯水年略高于豐水年，雖然氣候變化是影響作物需水量的主要影響因素，但作物需水量還與單產及其他因素有關，由于2016年塔城、阿勒泰、博州及阿克蘇地區甜菜單產下降，尤其是阿克蘇地區，由2009年的67.3 t/hm2下降到2016年的43.8 t/hm2，導致南疆地區甜菜在枯水年虛擬水含量低于豐水年。

表1 不同水文年新疆主要農作物的虛擬水含量 m3/kg

從更加微觀的層面分析(圖4-5)：小麥虛擬水含量在不同水文年差異最大的是克拉瑪依，豐水年比枯水年虛擬水減少1.55 m3/kg，差異最小的是博州，豐水年比枯水年減少0.52 m3/kg。除吐魯番與克拉瑪依外，其他地區在不同水文年虛擬水含量均低于均值，阿克蘇地區最低，豐水年僅0.71 m3/kg，克拉瑪依最高，枯水年達2.85 m3/kg。整體看小麥虛擬水含量從東北向西南降低；玉米虛擬水含量在不同水文年差異最大的是巴州，豐水年比枯水年虛擬水減少0.64 m3/kg，差異最小的是吐魯番，豐水年比枯水年減少0.18 m3/kg。虛擬水含量高于全疆均值的有吐魯番、和田等五個地區，博州虛擬水含量最低，豐水年僅0.33 m3/kg，喀什虛擬水含量最高，枯水年達1.15 m3/kg。整體來看，玉米的虛擬水含量呈現南高北低、東高西低的分布；水稻虛擬水含量在不同水文年差異最大的是烏魯木齊，豐水年比枯水年虛擬水減少1.18 m3/kg，差異最小的是喀什，豐水年比枯水年減少0.03 m3/kg。除了阿克蘇與博州，其他地區虛擬水均高于全疆平均值，巴州最高，枯水年達2.8 m3/kg，博州的最低，豐水年僅1.18 m3/kg。整體來看水稻的虛擬水含量分布較復雜，南北疆均出現較高值與較低值；薯類虛擬水含量在不同水文年差異最大的是阿勒泰，豐水年比枯水年虛擬水減少0.13 m3/kg，差異最小的是巴州，豐水年比枯水年減少0.06 m3/kg。虛擬水含量高于全疆均值的有克州、和田和烏魯木齊，最低的是昌吉，豐水年為0.11 m3/kg，最高的是克州，枯水年高達為0.48 m3/kg。整體看薯類的虛擬水含量由北向南增加。甜菜虛擬水含量在不同水文年存在較大差異，其中克拉瑪依、阿勒泰、博州、阿克蘇在豐水年虛擬水含量反而比枯水年高，可見甜菜的虛擬水含量受降雨的影響較小，查閱文獻發現這幾個地區2016年甜菜單產呈現下降趨勢，故虛擬水含量上升。整體來看甜菜的虛擬水含量高值區集中分布在從北部的烏魯木齊、克拉瑪依、塔城、博州到南部阿克蘇的弧形區域；棉花虛擬水含量在不同水文年差異最大的是克州，豐水年比枯水年虛擬水減少6.05 m3/kg，差異最小的是和田，豐水年比枯水年減少3.15 m3/kg。虛擬水含量高于全疆平均值的有吐魯番、和田等五個地區，伊犁最低，豐水年為2.5 m3/kg，吐魯番最高，枯水年達11.47 m3/kg。整體來看，全疆棉花虛擬水含量呈現東南高、西北低的分布；不同水文年型各地區作物虛擬水含量變化趨勢基本一致?？梢?，不同水文年下新疆作物虛擬水含量主要與當地的地理環境和氣候差異直接相關，除了日照時數、氣溫、相對濕度和風速等外，虛擬水含量主要與當地降雨量密切相關。因此，對于不同水文年型，各地區應及時關注當地降水變化，采取一定的灌溉方法，確保農作物的需水量。

圖4 豐水年作物虛擬水含量空間分布Fig.4 Spatial distribution of virtual water content of annual crops in high flow year

圖5 枯水年農作物虛擬水含量空間分布Fig.5 Spatial distribution of virtual water content in crops in low flow year

4 討 論

(1)新疆作為我國的農業大省，選取了新疆種植面積大且耗水量多的主要農作物進行計算分析，發現新疆各地的農作物的種植規模與水資源總量、虛擬水含量之間存在差異，表明主要農作物的布局結構在考慮自然資源條件時，并不是以水資源為關鍵因素，而是首先考慮了土地和光溫條件，以獲得高產為目標。但是新疆是極度干旱地區，水資源缺乏是農業發展的關鍵限制性因素，從虛擬水含量的視角看，新疆尤其南疆應首先考慮水資源條件，布局耗水少、附加值高的農作物，以保證新疆經濟與生態可持續發展。

(2)根據分析發現自2002年以來新疆種植業的虛擬水含量在逐漸下降，但相比其他地區虛擬水含量依然很高，白景峰等(2012)測算河南省小麥、玉米、棉花虛擬水含量分別為0.49、0.48、4.22 m3/kg，黃姣等(2011)測算了東北三省小麥、玉米、水稻虛擬水含量分別為1.67、0.82、1.1 m3/kg，朱啟榮等(2016)測算全國的小麥、玉米、棉花、水稻、甜菜的虛擬水含量分別為0.3、0.19、0.97、0.75、0.048 m3/kg。而本文測算新疆2016年小麥、玉米、棉花、水稻、甜菜和薯類虛擬水含量分別為0.87、0.6、3.5、0.98、0.09、0.34 m3/kg。因此，新疆的虛擬水含量具有很大的降低空間。

(3)本文是從虛擬水的視角進行分析的，由于各個地區的氣候環境資源不同，虛擬水含量低的地區不一定是最優良的種植基地。因此，各地區在農作物布局時，應根據當地的種植業發展目標確定種植結構。對南疆而言，農作物播種面積大、但虛擬水含量高，應當以虛擬水含量最低為標準考慮種植業結構布局，以確保經濟發展的同時資源環境可持續發展。

5 結 語

利用彭曼公式計算了新疆自2002年以來15年主要農作物的虛擬水含量，明晰了新疆主要農作物虛擬水含量的時空分布情況，發現新疆種植業虛擬水含量的時空分布特征為：

(1)不同種類農作物的虛擬水含量在區域上均存在差異。6種主要農作物的單位虛擬水含量從高到低依次為棉花、水稻、小麥、玉米、薯類、甜菜，棉花的虛擬水含量遠高于甜菜。東疆的農作物虛擬水含量均值最高，為1.41 kg/m3，北疆的農作物虛擬水含量均值最低，為0.99 kg/m3，南疆農作物的虛擬水含量均值1.33 kg/m3，高于北疆。

(2)時間分布上，新疆6種主要農作物的虛擬水含量自2002年以來整體呈下降趨勢。主要是因為隨著全球氣候變暖，新疆各區年平均氣溫變化趨勢均以0.03 ℃/a 增加，同時海水蒸發量增加，從而使新疆山區降水水汽來源增加，作物需水量減少。糧食作物的虛擬水含量在2008年與2012年發生了較大的突變，這兩年糧食農作物的單產下降，是造成作物虛擬水含量增加的主要原因，相比糧食作物，經濟作物的虛擬水含量呈平穩下降趨勢。

(3)空間分布上，新疆6種主要農作物的虛擬水含量北部低于南部，西部低于東部，但不同的農作物間又有細微的差別。且新疆不同水文年作物虛擬水含量存在較大差異，枯水年農作物虛擬水含量均值2.13 m3/kg，接近豐水年的2倍。在新疆這樣極度干旱地區想要打破農業缺水的瓶頸，可以將虛擬水含量的空間差異列入調整農作物種植布局的影響因素中。

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