基于作物需水量的城市農業水資源評估
——以貴州省貴陽市為例

李 亮, 馬良瑞, 熊康寧

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院, 貴州 貴陽 550001; 2.貴州財經大學 管科學院,貴州 貴陽 550025; 3.貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴州 貴陽 550001)

2018年，世界上55%的人口居住在城市中，由于人口從農村到城市的遷移和人口自然增長，城市以增量開發的地域擴張，使得城市與農村二元格局在空間上逐漸密切起來。盡管人們普遍認為城市居民購買食物，而不是自己生產，但自16世紀的馬丘比丘市城市環境中的有農業活動記載開始，城市農業成為許多城市居民生計的重要組成部分[1]。在城市危機時期，如戰爭或經濟蕭條時期，被用作一種生存策略，緩解社會動蕩的手段[2]。城市農業定義為“在城市和城鎮內外種植植物和飼養動物作為食物和其他用途，以及相關活動”[3]。它包括不同的空間尺度，從家庭的陽臺、建筑物之間間隙地到公共綠地的農業[4]。一般來說，養殖活動不如種植活動常見[5]，蔬菜在各種作物中占主導地位[6]。Mougeot[7]認為，城市農業顯著的特點在于它是城市經濟、社會和生態系統的重要組成部分，它既影響城市環境，同時又受到城市環境的影響。城市農業使用本地土地、勞動力、有機廢棄物與水等資源,為城市居民提供食物,保障底層居民糧食需求，并對環境產生影響[3]。通常，城市農業具有積極的提升城市圈生態、生態服務功能、增加綠化面積、豐富城市景觀和功能等經濟、社會和生態影響[8]，提供多種生態系統服務[9]。然而，如果使用措施不當，它也可能造成生態系統的損害[10]，甚至可能對人類健康和環境產生真正的風險[3]。農業發生和發展的先決條件和重中之重就是水的問題。迄今為止，就城市水的問題研究而言，注意力主要集中在廢水的利用上，其積極影響(廢物資源的再利用)[11-12]和消極影響(對健康和環境的風險)[13-14]。與此相反，國內外對城市農業生產所消耗的水資源的評估鮮有研究，johnson等人[15]開發了一個模型，通過結合激光雷達的數據輸入得到太陽輻射模型，用于評估作物生長用水量。在Lupia and Pulighe[16]和Lupia等人[17]的研究中，住宅菜園的灌溉需求是基于氣候數據和實際土地使用類型(菜園、葡萄園、橄欖園、果園、混合作物)來計算。由于人口增長和氣候變化[18]，以及農業、工業和國內地區之間對淡水資源的競爭日益加劇，世界各地的供水和水質受到越來越大的威脅[19-20]。城市地區對水的競爭尤其激烈，因此，城市農業水的利用效率對水的可持續性具有關鍵作用。在這種情況下，必須區分作物用水的來源和用水量。Siebert和Doll[21]將消耗性藍水定義為灌溉產生的作物蒸散發量，而綠色水定義為雨水滲入土壤的產生的作物蒸散發量。作物總需水是藍色和綠色用水的總和，與作物實際蒸散發總量相對應。這種方法可以通過水足跡(WF)的概念應用于農產品。作物的水足跡定義為在種植期內計算的蒸散發量和作物產量之間的比率[22]。綠水水足跡(WFg)和藍水水足跡(WFb)的計算方法是將作物的綠水用水量(CWUg)和藍水用水量(CWUb)除以作物產量[22]。評估環境可為特定作物提供多少綠水，以及因此需要多少藍水來滿足其蒸散發需求，對于監測和規劃地方的水資源使用具有戰略意義[23]。在這方面，一些研究分析了不同的作物和環境，但大多不涉及城市地區，因為城市農業的空間分布格局破碎，限于筆者局限,目前僅查詢到Johnson等人[15]、Lupia，Pulighe[16]和Lupia等人[17]3篇考慮到了城市水足跡的相關研究。基于上述考慮，本文利用作物需水量方法，通過水足跡視角，評估貴陽市城市農業綠水、藍水用水量及作物需水量，以期對于監測和規劃城市的水資源使用提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區域

貴陽市位于貴州省中部，東經106°07′—107°17′，北緯26°11′—27°22′。轄區包括南明區、云巖區、花溪區、烏當區、觀山湖區、白云區、開陽縣、息烽縣、修文縣、清鎮市，國土總面積8 034 km2。2017年貴陽市年末常住人口為3 580萬人，實現生產總值3 538億元，耕地有效灌溉面積7.20×104hm2，實際灌溉面積6.75×104hm2，糧食常量4.59×105t。貴陽市多年平均地表水資源量為4.52×109m3(思南以上區4.24×109m3，蒙江區2.72×108m3)，地下水資源量為1.36×109m3，多年平均水資源總量為4.52×109m3，偏枯年(p=75%)、特枯年(p=95%)水資源量分別為3.78×109m3和3.25×109m3。

1.2 樣地選擇

以生產主要目的(自給、販賣、休閑等)、主城區分布狀況、種植面積(≥100 m2)和主要種植作物(蔬菜)為標準確定6個貴陽市城市農業社區菜園作為調查樣地(表1)。

1.3 數據來源

1.3.1 田野調查 在確定城市農業調查樣地上開展問卷調查，問卷信息涉及：種植面積、土壤類型、灌溉(包括灌溉方法、用水來源和用水管理制度)、種植結構和播種期，以及收益率等信息(表1)；除調查問卷外，也對社區居民進行城市農業種植目的深入的訪談。

1.3.2 資料收集 2017年的氣溫(最低溫Tmin和最高溫Tmax)、潛在蒸發量(ET0)、降雨量(P)和有效降雨量(Peff)的氣象數據來自貴陽市氣象局。2017年貴陽市社區農業統計數據來自貴陽市園林局城市綠化管理處。

1.4 研究方法

采用了作物需水量(CWR)方法，利用氣候與作物數據，通過計算作物蒸散發過程中的綠水和藍水用水量，評估調查樣地農作物生產過程中的水消耗量和水足跡。作物需水量的定義是：在特定氣候下，作物從播種到收獲，作物蒸散發所需要的總用水量。并且通過降雨和/或灌溉來維持土壤的水充足，實現植物的生長和作物的產量最優[17]，在此條件下對蒸散發量進行計算，即作物蒸散發量等于作物需水量。進而，通過在整個生長期內的每日作物蒸散發量(mm/d)的累積來計算作物對水的需求量。

以作物蒸散發量(ETc)與有效降雨量(ER)之間的最小值來計算綠水蒸散發量(ETgreen)：

ETgreen=min(ETc,ER)

(1)

在灌溉季節計算藍水蒸散發量(ETblue)，如果總有效降雨量低于作物蒸散發量，則藍水蒸散發量等于作物蒸散發量與有效降雨量之間的差值；如果有效降雨量高于作物蒸散發量，則藍水蒸散發量為0：

ETblue=max(0,ETc-ER)

(2)

作物綠水、藍水蒸散發量(ET)單位為mm乘以10換算為作物用水量(m3/hm2)：

CWUgreen=ETgreen×10； CWUblue=ETblue×10

(3)

綠水足跡(WFgreen，m3/t)為作物綠水用水量除以作物單位面積產量(Y，t/hm2)。同理，藍水足跡計算為：

(4)

(5)

此外，根據作物用水情況(調查樣地和作物的平均值)，以及所調查的社區花園采用的不同灌溉方法及其效率計算灌溉需求。最后，計算貴陽市農業活動所需的潛在總耗水量。貴陽市園林局城市綠化管理處統計數據顯示，2017年符合Mougeot[7]定義城市農業總面積為105.95 hm2，貴陽市城市農業活動所需的總耗水量即為所得總面積(hm2)乘以平均作物用水量(m3/hm2)。

2 結果與討論

2.1 調查樣地基本信息特征

本研究所分析的6個貴陽市城市農業調查樣地的種植總面積為2 801.5 m2，根據問卷調查顯示，2017年貴陽市各調查樣地之間的特征差異較大(表1)。單個調查樣地的種植面積從143.2 m2(調查樣地3) 到1 532.1 m2(調查樣地5)。6個調查樣地土壤類型以地帶性黃壤、黃棕壤為主。各個調查樣地的耕地被劃分為不同的種植區，專門用于種植特定的作物。在灌溉方式上，6個調查樣地中有3個作物灌溉方式為噴灌，2個則用的是溝灌，1個使用滴灌。水源來源為雨水、自來水。調查涉及的調查樣地既沒有采用水質檢測系統，也無水管理規范。所有調查樣地的有機農業生產管理方式均符合《有機產品國家標準(GB/T19630)》。

2.2 調查樣地蔬菜產出情況

6個調查樣地種植的主要蔬菜種類有番茄、茄子、辣椒、豇豆、黃瓜(表2)。訪談與定量測算均顯示番茄是產量最高的作物，平均產量為30.5 t/hm2，其次是番茄和辣椒。根據變異系數值顯示，蔬菜在不同的調查樣地中獲得的作物產量存在相當大的差異，其中，茄子在6個調查樣地種植產量差異顯著。

表1 調查樣地蔬菜種植基本信息

表2 調查樣地與貴陽市種植的作物平均產量與變異系數

2.3 貴陽市2017年氣候特征

氣候與農業生產和作物生長發育密切相關，氣候中的氣溫、光照、降水等是作物生長發育不可缺少的因素[24-25]，城市農業作為農業類型之一，受氣候影響是其固有特征。2017年貴陽市年均溫、年降雨量與近50 a平均氣象數據(年平均氣溫15.3 ℃；7月平均氣溫為24 ℃，1月平均氣溫是4.6 ℃，年平均總降水量為1 129.5 mm)相比較為溫暖和潮濕(表3)。1—8月，潛在蒸散發量增加，從25.4～124.2 mm不等，12月逐漸減少到33.2 mm。

2.4 調查樣地作物綠水、藍水與總水足跡

根據公式(1)—(4)計算得到6個調查樣地的每種作物綠水足跡、藍水足跡和總水足跡。由表4可知，由于作物單位面積產量不同，水足跡數值差異較大(表4)。尤其是黃瓜，在調查樣地5中的數值最高(綠水足跡741.60 m3/t，藍水足跡424.44 m3/t)，而在調查樣地1中的茄子的數值最低(綠水足跡153.48 m3/t，藍水足跡87.84 m3/t)。在研究中發現的水足跡極值取決于調查樣地作物單位面積產量的極值(調查樣地5的黃瓜11.25 t/hm2)，調查樣地1的茄子16.87 t/hm2)。由于城市農業總體缺定量的產量數據，在一定程度上給評估每一地點和每一作物的用水情況帶來困難，通過利用6個調查樣地的平均產量，得以克服了這些困難。由表2可知，調查樣地平均產量與貴陽市農業統計數據相比，由于調查樣地的典型非專業農業生產活動，故差異顯著。

表3 貴陽市2017年氣象數據

表4 調查樣地的種植作物的綠水與藍水足跡 單位：m3/t

注：—表示未耕種。

2.5 調查樣地作物需水量及綠水、藍水比重

調查樣地中用于不同作物的消耗綠水量均高于藍水量。根據計算結果，調查樣地作物平均需水量，辣椒是消耗最多的作物(357.05 m3)，而豇豆是水消耗最低的作物(65.12 m3，圖1)。另一方面，綠水和藍水的比例顯示，在所有作物中，綠水占總使用量的一半以上，范圍從最低53.81%(豇豆)到最高63.60%(番茄)。以上結果僅為2017年的特定氣候條件下有效，與貴陽市近50 a平均氣候相比，2017年的氣候更溫暖、濕潤。反之，在較干旱的年份，綠水的比例將大幅下降，需要更多的灌溉來滿足作物的用水需求，則將加劇城市地區由于干旱頻率增加而導致水資源緊張。

圖1 調查樣地作物平均用水量

由于不同灌溉方式存在灌溉效率高低，作物生長用水量需要額外的藍水量來滿足。根據計算，6個調查樣地采用了三種方式：溝灌方式、噴灌方式和滴灌方式的效率分別為27.23%，69.45%與80.32%。因此，計算每1 hm2作物所需的藍水量時也需考慮不同灌溉方式的效率(圖2)。調查樣地每hm2所有種植作物所需的藍水總量平均為3 792.78 m3/hm2。將這種藍水需求轉化為灌溉需求，每1 hm2藍水需水量隨著灌溉方式效率的下降而增加，從最低滴灌方式的4 539.08 m3增加到最高溝灌溉方式的6 541.32 m3/hm2。

圖2 調查樣地不同灌溉方式作物平均需水量與藍水量

2017年貴陽市城市農業用地的空間存量(105.95 hm2)，假設所有城市農業用地與調查樣地分析的條件相同(氣候、作物、產量、灌溉方式)，計算城市農業總用水需求量為1.29×106m3，其中8.84×105m3是綠水量，4.02×105m3是藍水量。由于所選擇的灌溉方式效率的差異，考慮到最好的(滴灌)和最差的(溝灌)情況，藍色水量灌溉需求量從大約4.81×105m3增加到6.93×105m3。Pulighe和Lupia等人[16]也強調了灌溉方式的重要性，定量研究了意大利羅馬社區菜園蔬菜作物灌溉效率，溝灌和滴灌對灌溉用水的需求比約為2∶1。

作物需水量給出了一個計算城市農業對城市水資源壓力的方法。事實上，該方法使用了假設(即作物在最佳條件下種植)和簡化(即不考慮土壤質地和水文特性)。再加上缺乏實測產量/生物量數據，可能導致灌溉用水量計算過高或過低。然而，由于城市農業在城市環境中是一個非常復雜、分布破碎與面積占比較小土地利用類型，未被重視而導致相關精確研究資料貧乏，而作物需水量法則提供簡單操作以解決實際需求。

精確的定量數據將有效改善計算結果，包括土壤數據、水質數據、灌溉方式和農藝管理、作物產量、耕地的精確面積以及用于保持土壤濕度的農藝做法(覆膜)等是評估城市農業可持續性的關鍵要素。從這個意義上講，為了使作物需水法方法更加可靠和便于推廣，迫切需要在不同的環境(氣候、土壤、社會經濟、農業實踐)和不同的作物中使用監測數據進行更一步的案例研究。此外，考慮了城市建筑物和樹木造成的遮蔭效應[26]，在一般情況下對蒸散發量的影響大于降水量，從而影響到水足跡定量計算。

社區菜園作物產量空間差異不僅取決于氣候條件，而且還取決于有關種植作物、灌溉方式和農藝管理的選擇。另一方面，社區菜園以及其他類型的城市農業往往是“看不見的地方”和“未開發的生境”，這既因為難以獲得數據，也因為其他方面，特別是與城市農業提供的生態系統有關的服務，是未來調查研究的領域(即熱島緩解、碳儲存、社會聯系)。

3 結 論

(1) 貴陽市城市農業作物水足跡與作物單位面積產量呈正相關。作物水足跡隨著作物單位面積產量的增加而增加，由于作物單位面積產量不同，導致作物水足跡差異較大，作物水足跡極值取決于作物單位面積產量的極值。

(2) 貴陽市城市農業常見種植類型中，辣椒需水量最多，豇豆反之。同時，不同作物生長的消耗綠水量與藍水量比差異較大，綠藍水比值番茄最大，豇豆反之，且每種作物消耗的綠水量均高于藍水量。

(3) 在2017年貴陽市當年氣候條件下，由貴陽市主城區6個調查樣地的平均狀況推演整體城市農業，得到城市農業用水量1.29×106m3，其中8.84×105m3是綠水量，4.02×105m3是藍水量。

(4) 灌溉方式(滴灌)對貴陽市城市農業水資源管理最大貢獻率53.09%。貴陽市城市農業灌溉方式若全部選著滴灌方式，將比傳統溝灌方式提升53.09%用水效率。這對于規劃可持續的城市農業來講是一個非常關鍵的要素，因為僅基于所使用的灌溉方式就有可能節約近53.09%的水量。