寧夏主要農作物生產水足跡及其變化趨勢研究

高海燕，李王成, ，李 晨，董亞萍，郝 璐，馬己安，劉子西，李于坤

（1.寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 750021；2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術 研究中心，寧夏 750021；3. 旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 750021）

0 引 言

中國是一個農業大國，同時又是一個水資源極度缺乏的國家[1]。農作物生長需要消耗大量的水資源，有資料顯示，近幾年來我國農業生產用水量高達總用水量的60%，因此水資源短缺已經成為限制我國農業發展的一個重要因素。如何高效利用農業水資源成為現今中國農業發展不容忽視的問題。

農業生產水足跡[2]即單位產量的作物在其生長過程中所消耗的水量。它由藍水足跡（作物生長過程中消耗的地下水或地表水），綠水足跡（作物生長過程中消耗的有效降水量）和灰水足跡（稀釋作物生產過程中所釋放的污染物以達到環境標準所消耗的水量）組成。【研究進展】現階段國內有關于農業水足跡的研究主要集中在國家、省級、流域等范圍內，如操信春等[3]、吳芳等[4]、郭相平等[5]計算并分析了近年來中國農業水足跡的變化趨勢和空間差異；程雨菲等[6]、王云飛等[7]、趙恩等[8]分別對山東省、山西省、黑龍江省等中國省級地區的農作物水足跡進行了計算和分析；卓拉等[9]對黃河流域內的小麥生產水足跡進行了量化與評價；黃會平等[10]針對海河流域的冬小麥、夏玉米生產水足跡進行了量化分析；王會肖[11]以黃河流域12 種農作物為研究對象研究了其農業水足跡。而國外學者對農業水足跡的研究更為深入，2010 年Mekonnen[12]對全球小麥的綠色、藍色和灰色水足跡進行了評估；2012 年Mekonnen 等[13]又對不同農業動物產品的水足跡進行了全面的描述；在2007年Thapat 等[14]對可持續性水稻的水足跡進行了研究；Vergé等[15]根據不同的時間步長計算了農業種植系統的灰水足跡。

在針對水資源十分緊缺的寧夏地區，張金萍等[16]詳細地分析了寧夏平原農作物的用水狀況及調整種植結構后的用水量和用水效率；李亞婷等[17]對寧夏部分地區2013 年農作物的生產用水狀況進行調查分析；王旭等[18]對寧夏中衛市農業水資源利用情況與農業經濟增長間的關系進行了評價。【本研究切入點】這些研究多集中于對寧夏地區整體水足跡、水資源狀況進行評價，而對近年來不同作物間、不同區域間的農作物水足跡及其變化趨勢研究較少。【研究意義】寧夏地處中國西北部，干旱缺水，而水資源利用又是以農業用水為主，對寧夏地區不同作物、不同區域內的農作物生產水足跡進行研究分析在改善寧夏地區農業用水結構以緩解水資源短缺問題上具有重大理論意義。本文以寧夏5 個地級市為單位，選取稻谷、小麥、玉米、馬鈴薯及大豆5 種主要農作物，計算了各市五種主要農作物生產水足跡并對其變化趨勢和水足跡組成進行了系統分析，【擬解決的關鍵問題】以期對寧夏地區主要農作物種植結構及農業用水結構的優化提供科學依據。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

寧夏回族自治區位于中國的西北干旱區，是大陸型氣候的典型代表，蒸發強度大，降水量少，且主要集中在6—9 月，水資源時空分布不均，資源性缺水問題十分突出。圖1 為寧夏各地級市地區年降雨量，據國家數據資料顯示，2017 年度寧夏全區的水資源總量為10.8 億m3，約占全國水資源總量的0.04%，人均水資源量為159.19 m3/人，僅是全國人均水資源量的7.67%，寧夏已經成為我國干旱缺水最嚴重的地區之一。

1.2 計算方法

1.2.1 作物需水量計算

作物需水量定義為參考作物蒸散發和作物系數的乘積，參考作物蒸散發量采用聯合國糧農組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations) 推薦的 Penman-Monteith 公式[19]計算：

式中：ETC為作物蒸散發總量（mm/d）；ET0為參考騰發速率（mm/d）；KC為作物系數；Rn為作物表面上的凈輻射（MJ/m2·d）；G 為土壤熱通量（MJ/（m2·d））T 為2m 高處日平均氣濕（℃）；u2為2 m 高處的風速（m/s）；Es為飽和水汽壓（kPa）；Ea為實際水汽壓（kPa）；es-ea為飽和水汽壓差（kPa）；Δ 為飽和水汽壓曲線的傾率；γ 為濕度計常數（kPa/℃）。

1.2.2 作物生產水足跡量化計算

因為灰水足跡[20]是用來描述稀釋農業生產所排放的污染物所消耗的水資源量，并非農作物在生長過程中真正消耗的水資源量，本研究只考慮農作物在生長過程中真正消耗的實際水資源量，即只考慮藍水足跡和綠水足跡。

作物生產水足跡參考《The water footprint assessment manual：setting the global standard》中的方法[2]進行量化計算，主要計算式為：

式中：WFgreen為作物生產綠水足跡（m3/kg）；WFblue為作物生產藍水足跡（m3/kg）。

式中：CWUgreen、CWUblue為作物所消耗的綠、藍水資源量（m3/hm2）；Y 為作物單位面積產量（kg/hm2）；10 為單位轉化系數，將單位由水深（mm）轉化為單位面積水量（m3/hm2）。ETgreen、ETblue分別為作物蒸發蒸騰量中來自有效降水和灌溉水的部分（mm）；ETgreen、ETblue的計算式為：

式中：ETC為作物蒸發蒸騰量（mm），算法見式（1）、式（2）；Pe為作物生育期有效降水量（mm）。

Pe根據美國農業部土壤保持局（USDA SCS）提出的方法[21]計算：

式中：Pdee為旬降水量（mm）；Pe(dee)為旬有效降水量，作物生育期內的有效降水量可由各旬有效降水累加得到。

綜合作物生產水足跡（Water footprint of integeated crop production，IWPF）量化方法為將不同種作物生產水足跡對作物產量加權得到[22]：

式中：IWFPj為區域j（本研究中j 分別為寧夏回族自治區的5 個地級市：銀川市，石嘴山市，吳忠市，中衛市及固原市）的綜合作物生產水足跡（m3/kg）；WFi,j為j 地區作物i（其中i 為本文計算的5 種作物）的生產水足跡（m3/kg）；Pi,j為區域j 作物i 的總產量（103t）。

1.3 數據來源

本文研究所需數據主要包括氣象數據和農業統計資料，氣象數據包括寧夏區內5 個地級市（銀川市、石嘴山市、吳忠市、中衛市和固原市）所在的5 個氣象站點1998—2017 年的降雨量、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日值數據集（http://data.Cma.cn）。農業統計資料包括寧夏區內1998—2017 年主要糧食作物（稻谷、小麥、玉米、大豆、馬鈴薯）的種植面積、總產量、單位面積產量等數據，來源于國家數據網（http://data.stats.gov.cn）、寧夏數據網（http://nxdata.com.cn）及寧夏2009—2018統計年鑒等。

2 結果與分析

2.1 主要農作物綜合水足跡分析

如表1 所示，2008—2017 年寧夏區內5 種主要農作物的生產水足跡大小依次呈現為：大豆>馬鈴薯>小麥>稻谷>玉米，最大值約為最小值的5 倍；如圖3所示，大豆的產量表現為5 種主要農作物中最少，生產水足跡值最大，而玉米的產量表現為最大，生產水足跡值卻最小；由圖3 可知，5 種作物10 a 間產量呈現為玉米>稻谷>小麥>馬鈴薯>大豆，各作物產量隨年際變化不大，較為突出的是玉米的產量呈現先增加后減小趨勢，在2015年達到了研究期10 a間的峰值，小麥產量隨年際變化呈減小趨勢，稻谷產量逐年變化不大，馬鈴薯和大豆產量亦呈逐年減少趨勢；玉米和稻谷作為寧夏最主要的糧食作物擁有較低的水足跡；同種作物的生產水足跡在不同年份表現出不同的差異，大豆變化幅度最大，隨年際變化呈減小趨勢，在2015 年達到了10 a 間最低值3.49 m3/kg；馬鈴薯的生產水足跡整體上呈下降趨勢，2016 年呈突增態且達到研究期10 a 間的峰值3.54 m3/kg；小麥的生產水足跡在小區域內出現無明顯規律的波動，其余各作物的生產水足跡在研究期10 a 間均呈穩定態。

表1 2008—2017 年寧夏主要農作物生產水足跡 Table 1 Mean water footprint of major crops production in Ningxia from 2008 to 2017 m3/kg

圖2 寧夏主要作物生產水足跡變化趨勢和作物產量組成 Fig.2 Water footprint variation trend and crop yield of main crops in Ningxia

2.2 綜合作物生產水足跡組成

根據公式計算得到2008—2017 年寧夏區內5 種主要作物的生產綠水足跡和藍水足跡，其整體均呈減小趨勢（見圖4，圖5），其中馬鈴薯和大豆的變化幅度較大；大豆的綠水足跡居于5 種主要農作物之首，呈先減小后增大再減小的趨勢，2015 年大豆綠水足跡明顯減小，主要是由于2015 年大豆生育期內中衛地區降雨量相對其他年份較少所致；馬鈴薯的綠水足跡在5 種主要農作物中僅次于大豆，相對于大豆的綠水足跡變化較平穩，呈先增加后減小趨勢；其次是小麥、玉米和稻谷，這三者的綠水足跡相差不大且變化均較平穩；5 種作物的生產藍水足跡與綠水足跡有著不盡相同的波動規律，其中大豆和馬鈴薯的藍水足跡均呈先減小后增大趨勢，在2014 年出現較大幅度減小，且又在2017 年明顯減小；小麥、玉米和稻谷的藍水足跡相差不大且變化較其他2 種作物均較平穩；5 種作物生產綠水足跡從大到小依次為：大豆>馬鈴薯>小麥>玉米>稻谷；5 種作物生產藍水足跡從大到小依次為：大豆>馬鈴薯>小麥>稻谷>玉米。

圖3 寧夏主要作物生產綠水足跡變化趨勢 Fig.3 Change trend of green water footprint in the production of main crops in Ningxia

圖4 寧夏主要作物生產藍水足跡變化趨勢 Fig.4 Change trend of blue water footprint in the production of major crops in Ningxia

由表2 可知，寧夏地區的主要農作物均是以藍水足跡為主，這與西北地區稀少的降雨量有關，使得農作物多需灌溉用水或地下水的補給來維持耗水。稻谷的藍水足跡占自身水足跡比例最大，達84%；小麥和玉米的藍水足跡占自身水足跡比例高達75%之多；大豆為五種主要農作物中綠水足跡占比最大的作物，其綠水足跡在2013 年和2014 年均達到了55%之多，超過其他作物綠水足跡所占比例；這主要跟作物的生長習性、生育期降雨量多少及作物耗水規律有關。藍水足跡占比均值從大到小依次是：稻谷>小麥>玉米>馬鈴薯>大豆，綠水足跡則相反。

2.3 主要農作物生產水足跡時空差異分析

2.3.1 各地區主要農作物綜合水足跡

由寧夏2009—2018 年統計年鑒可得寧夏地區2008—2017 年主要農作物年平均產量見圖5，由圖5可見，5 個地市級地區主要農作物產量從高到低依次為：吳忠市（91.26 萬t）>銀川市（85.71 萬t）>固原市（73.15 萬t）>中衛市（61.69 萬t）>石嘴山市（45.04萬t）；其中玉米在寧夏各市產量占比均為5 種主要農作物中最高，最高為吳忠市達59.5 萬t，約占該市主要農作物總產量的65.2%，最低為石嘴山市達27.71萬t，約占該市主要農作物總產量的61.54%；銀川市和石嘴山市馬鈴薯產量均為0，馬鈴薯產量最高地區為固原市，達28.9 萬t，約占該市主要農作物總產量的38.7%；固原市的稻谷產量為0，稻谷產量最高的地區為銀川市，達36.16 萬t，約占該市主要農作物總產量的42.18%；大豆的產量在各市較其他四種農作物產量（除石嘴山市和銀川市的馬鈴薯、固原市的稻谷外）均較低，最低為石嘴山市0.08 萬t，約占該市主要農作物總產量的0.18%，最高為固原市，為1.73萬噸，約占該市主要農作物總產量的2.36%。

圖6 為寧夏5 個地級市地區主要農作物2008—2017 年平均綜合水足跡（根據式（9）計算得），由圖6 可以看出，寧夏5 個地市級地區10 a 平均綜合水足跡大小排序依次為：吳忠市（15.58 m3/kg）>中衛市（13.71 m3/kg）>石嘴山市（12.77 m3/kg）>銀川市（9.46 m3/kg）>固原市（8.21 m3/kg）；大豆的水足跡依然列于各地區5 種主要農作物水足跡的首位，最高為石嘴山市9.63 m3/kg，占該市主要農作物綜合水足跡的75.43%，最低為固原市3.07 m3/kg，占該市主要農作物綜合水足跡的37.38%；種植馬鈴薯的3 個地區（吳忠市、中衛市和固原市），馬鈴薯的水足跡依舊僅次于大豆水足跡并占據各地區綜合水足跡的較大比例，各地區（吳忠市、中衛市和固原市）馬鈴薯水足跡占比分別為27.09%、34.99%和27.81%；5 個地區的玉米水足跡無較明顯的差異，其中最高為固原市1.11 m3/kg，占該市主要農作物綜合水足跡的13.59%，最低為銀川市0.82 m3/kg，占該市主要農作物綜合水足跡的8.69%；小麥水足跡最高地區為固原市1.74 m3/kg，占該市主要農作物綜合水足跡的21.22%，最低地區為銀川市0.87 m3/kg，占該市主要農作物綜合水足跡的9.21%；稻谷水足跡最高地區為石嘴山市1.12 m3/kg，占該市主要農作物綜合水足跡的8.79%，最低地區（除固原市未種植外）為吳忠市0.88 m3/kg，占該市主要農作物綜合水足跡的5.63%。

表2 2008—2017 年寧夏主要農作物生產水足跡組成比例 Table 2 Water footprint composition of major crops in Ningxia from 2008 to 2017 %

圖5 寧夏各地區主要農作物10 a 平均產量組成 Fig.5 Composition of the average yield of major crops in each region of Ningxia in ten years

圖6 寧夏各地區主要作物10 a 平均綜合水足跡組成 Fig.6 Composition of 10-year average comprehensive water footprint of major crops in Ningxia

2.3.2 各地區主要農作物生產水足跡組成

圖7 為寧夏5 個地市級地區5 種主要農作物的2008—2017 年綜合產量變化趨勢圖，由圖7 可看出，各地區主要農作物產量整體變幅較小，吳忠市的主要農作物產量仍居于五個地市級地區首位，第二是銀川市，其次是固原市，再次是中衛市，最后是石嘴山市；吳忠市的主要農作物年總產量除2015 年和2017 年出現下降外，其余年份均呈逐年增加趨勢；銀川市主要農作物年總產量整體呈下降趨勢，但在2009、2012年和2015 年呈上升狀態，且在2008 年和2009 年超過了吳忠市居5 個地區之首；固原市的主要農作物年總產量呈現先增加后減小趨勢，2014 年達到了10 a研究最大值81.86 萬t；中衛市主要農作物年總產量也是呈先增大后減小趨勢且在2014 年達到了10 a 研究的最大值66.85 萬t；石嘴山市主要農作物年總產量變化較其他地區呈平穩變化，分別在2009 年和2016 年增大和減小。

圖7 寧夏各地區主要農作物綜合產量隨時間變化趨勢 Fig.7 The trend of the comprehensive yield of major crops in Ningxia over time

圖8 為寧夏5 個地市級地區5 種主要農作物的2008—2017 年作物綜合水足跡變化趨勢圖。由圖8可看出，在作物產量總體變幅較小，作物綜合水足跡總體卻呈現下降趨勢，從南到北依次減小趨勢；固原市作物綜合水足跡居于5 市的首位且變化幅度較大，分別在2010 年和2014 年出現極小值，在2011 年和2016 年出現極大值；中衛市作物綜合水足跡在10 a研究期內除在2015 年出現明顯增大外均呈平穩下降趨勢；吳忠市、石嘴山市和銀川市的作物綜合水足跡變化較平穩。

圖8 寧夏各地區主要農作物綜合生產水足跡隨時間變化趨勢 Fig.8 Change trend of IWPF in Ningxia over time

圖9 寧夏各地區主要農作物生產綠水足跡隨時間變化趨勢 Fig.9 Trend of green water footprint of major crop production in Ningxia over time

圖10 寧夏各地區主要農作物生產藍水足跡隨時間變化趨勢 Fig.10 Trend of blue water footprint of major crop production in Ningxia over time

圖9、圖10 分別為寧夏5 個地級市地區五種主要農作物2008—2017 年作物綜合綠水、藍水足跡變化趨勢圖，由圖10 可以看出，固原市的作物綜合綠水足跡遠高于其他4 個地區，這主要歸因于固原市遠高于其他4 個地區的降雨量，各地區的作物綜合綠水足跡變化趨勢與各地區降雨量變化趨勢不盡相同，而各地區作物綜合藍水足跡與各地區降雨量呈相反趨勢變化；各地區作物綜合綠水足跡從大到小依次是：固原市>中衛市>吳忠市>銀川市/石嘴山市，其中銀川市和石嘴山市的作物綜合綠水足跡無明顯的大小關系；從地理位置上呈從南到北逐漸減小趨勢；各地區作物綜合藍水足跡從大到小依次是：中衛市>固原市>吳忠市>石嘴山市>銀川市，且整體呈減小趨勢，其中固原市的變化幅度較大，這與固原市變化幅度較大的降雨量有著極大關系。

表3 2008—2017 年寧夏各地區主要農作物綜合生產水足跡組成比例 Table 3 Water footprint composition of major crops in Ningxia from 2008 to 2017 %

3 討 論

寧夏回族自治區2008—2017 年5 種主要農作物的生產水足跡及其變化趨勢研究表明，各農作物的生產水足跡整體呈減小趨勢，這主要是歸因于各作物年際間產量的整體升高趨勢。各作物生產水足跡均是以藍水足跡為主，這與寧夏地區降雨量稀少的氣候特征有關，作物生長需水多依賴于地下水和灌溉水，有效灌溉對糧食作物產量有較大影響[23]，適當調整灌溉模式有益于改善地下水利用過度問題和提高糧食產量。作物生產水足跡在空間分布上呈現從南到北依次遞增趨勢且差異較大，這主要歸因于該地區氣候特征空間分布的明顯差異和農作物種植結構在空間分布上的較強的地域性和規律性[24]。寧夏主要農作物年均水足跡總量達44.25 億m3，為寧夏10 a 平均總水資源量的4.5 倍之多，所以減少農業用水量對于寧夏地區改善水資源短缺問題具有重要意義。綜上分析，寧夏地區應該采取適當措施調整農業結構，改善種植和灌溉方式，減少作物生產水足跡，提高農業生產水平，同時考慮氣候和地形因素，提高降雨資源利用率，以緩解本地區的水資源壓力。本文對2008—2017 年寧夏地區5 個地級市的5 種主要農作物生產水足跡進行了量分析，較單個年份單個作物來說更為精細，但仍存在很多缺陷，本文使用數據來源于多個數據源，各數據源之間的統計誤差對量化作物生產水足跡會產生一定影響，同時本文未考慮灰水足跡對作物生產水足跡的影響，因此本研究還需考慮更多影響作物水足跡的因素做進一步改善和提升。

4 結 論

1）寧夏地區10 a 研究期間5 種主要農作物的生產水足跡整體呈減小趨勢，大豆是5 種主要農作物中綜合生產水足跡最大的作物，這與孫世坤等[25]、馮變變等[26]的研究結果一致，但在寧夏地區大豆的種植面積較小。綜合生產水足跡除大豆最大外，依次是馬鈴薯、小麥、稻谷和玉米。

2）由于降雨量稀少，寧夏地區五種主要農作物均是以藍水足跡為主，各作物藍綠水足跡比例最大的是稻谷，為5∶1，是最小值大豆的3.5 倍之多，大小排列為：稻谷>小麥>玉米>馬鈴薯>大豆。

3）研究期各地區綜合作物水足跡大小排序為：吳忠市>中衛市>石嘴山市>銀川市>固原市，這主要受各地區的氣候和種植結構差異影響；各地區藍綠水足跡比例從南到北依次遞增，分別是：石嘴山市>吳忠市>銀川市>中衛市>固原市。