基于水足跡的黃山市農(nóng)業(yè)節(jié)水分析

徐維葳 吳 凡

(1.深圳市水文水質(zhì)中心，廣東 深圳 518055；2.安徽省駟馬山引江工程管理處，安徽 和縣 238251)

在我國供水受到約束，而用水又呈增長的態(tài)勢下，節(jié)水成為緩解水資源供需矛盾的根本路徑[1]。許多學(xué)者從節(jié)水指標(biāo)體系建設(shè)、節(jié)水技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)核算等層面，對水分利用效率、節(jié)水潛力進(jìn)行了定量的分析[2-5]。

從水足跡概念的角度評估農(nóng)作物對水資源的利用效率，在農(nóng)業(yè)節(jié)水評估方面越來越受到重視[6]。作物生產(chǎn)水足跡反映了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中消耗的水資源總量以及水資源的利用類型，許多研究者對大尺度范圍的作物生產(chǎn)水足跡進(jìn)行了量化或評價[7-9]研究。水足跡主要包含了藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡，見圖1。藍(lán)水足跡是作物生長過程中消耗使用的地表水和地下水的水資源量；綠水足跡是作物生長過程中蒸發(fā)所消耗的儲存在非飽和土壤層中的水資源量；灰水足跡是以自然本底濃度和現(xiàn)有的水質(zhì)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，將一定的污染負(fù)荷吸收同化所需的淡水量。

作物生產(chǎn)水足跡是作物生長過程中所消耗的藍(lán)水、綠水和灰水之和，但是灰水是將一定的污染負(fù)荷吸收同化達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)所需的淡水量，并不是作物生長期直接消耗的水資源量。鑒于農(nóng)作物的施肥、農(nóng)藥等統(tǒng)計數(shù)據(jù)難以獲取，因此在進(jìn)行農(nóng)作物水足跡計算時，許多研究只對藍(lán)水和綠水進(jìn)行分析計算，以此作為糧食生產(chǎn)水足跡。評估農(nóng)作物藍(lán)水、綠水的利用情況對農(nóng)業(yè)水資源管理十分重要，不僅可以通過改變種植結(jié)構(gòu)達(dá)到節(jié)水的目的，還能夠通過調(diào)整作物耗水結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)節(jié)水目標(biāo)[10]。

因此，本文以黃山市為例，計算黃山市的主要糧食作物生產(chǎn)水足跡，分析其變化趨勢，以期對黃山市主要糧食作物種植結(jié)構(gòu)及農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黃山市位于安徽省的最南端，總面積9807km2，約占安徽省總面積的7%。黃山市年平均氣溫在15.5～16.4℃之間，平均年降水量為1670mm，最高可達(dá)2708mm，降水多集中在5—8月，多年平均水資源總量約102.13億m3。全市地表起伏大，以山地丘陵為主，其中山地面積占黃山市總面積的一半，黃山市地勢見圖2。

圖2 黃山市地勢

黃山市降水充沛，水資源量豐富，糧食生產(chǎn)以稻谷、玉米、豆類以及薯類為主。因此，本文選取稻谷、玉米、豆類、薯類為代表研究黃山市糧食生產(chǎn)水足跡及變化情況。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所需的氣象數(shù)據(jù)為2000—2019年各縣區(qū)逐日數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。水資源數(shù)據(jù)來源于2001—2020年《安徽省水資源公報》《黃山市水資源公報》。主要糧食作物系數(shù)參考聯(lián)合國糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)庫的推薦值，并根據(jù)相鄰區(qū)域已有研究成果進(jìn)行適當(dāng)修正。糧食作物產(chǎn)量、單位面積產(chǎn)量、播種面積等數(shù)據(jù)來源于2001—2020年《安徽省統(tǒng)計年鑒》和《黃山市統(tǒng)計年鑒》。

2 作物生產(chǎn)水足跡計算方法

2.1 作物需水量計算

作物需水量為參考作物蒸散發(fā)和作物系數(shù)的乘積，利用Penman-Monteith公式進(jìn)行計算，具體計算公式見文獻(xiàn)[8]。

2.2 糧食生產(chǎn)水足跡計算

灰水足跡是稀釋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的污染物消耗的水資源量，并非農(nóng)作物生長過程中直接消耗的水資源量，所以本文只考慮農(nóng)作物在生長周期內(nèi)直接消耗的實際水資源量，即藍(lán)水足跡和綠水足跡。計算公式為

WF=WFgreen+WFblue

(1)

(2)

(3)

式中：WF為作物生產(chǎn)水足跡，m3/kg；WFgreen為綠水足跡，m3/kg；WFblue為藍(lán)水足跡，m3/kg；CWUgreen和CWUblue分別為作物生長期綠水和藍(lán)水的消耗量，m3/hm2；Y為作物單位面積產(chǎn)量，kg/hm2；ETgreen和ETblue為作物生育期蒸發(fā)蒸騰量中來自綠水和藍(lán)水的量,mm，計算公式為

ETgreen=min(ETC,P)

(4)

ETblue=max(0,ETC-P)

(5)

(6)

(7)

式中：P為作物生長期內(nèi)的有效降雨量,mm；Pt為旬降雨量,mm；Pe為有效旬降雨量，mm；n為生長期旬的個數(shù)；ETC為作物蒸發(fā)蒸騰量，mm；Pe,j為第j個旬有效降雨量,mm。

將不同種類作物生產(chǎn)水足跡和作物產(chǎn)量加權(quán)得到綜合作物生產(chǎn)水足跡，計算公式為

(8)

2.3 作物生產(chǎn)水足跡變化特征

將計算得到的作物水足跡采用Mann-Kendall檢驗法(簡稱M-K方法)進(jìn)行統(tǒng)計檢驗，對作物的生產(chǎn)水足跡和綜合作物生產(chǎn)水足跡進(jìn)行趨勢分析。M-K方法的應(yīng)用十分成熟，具體計算過程本文不再贅述，采用胡琦等[10]人的方法進(jìn)行計算。

3 結(jié)果與分析

3.1 主要糧食作物生產(chǎn)水足跡計算結(jié)果

根據(jù)上述公式，計算出2000—2019年黃山市4種主要糧食作物的生產(chǎn)水足跡，結(jié)果見表1。黃山市4種主要糧食作物的生產(chǎn)水足跡為：豆類>稻谷>玉米>薯類，最大值約為最小值的3.4倍。同種作物的生產(chǎn)水足跡在不同年份表現(xiàn)出不同的差異，玉米的變化幅度最大，極值比達(dá)到了7.44；稻谷的生產(chǎn)水足跡在不同年份差異最小，極值比為1.73。4種作物的產(chǎn)量變化見圖3，從圖3中可以看出，豆類的產(chǎn)量最少，但計算得到的生產(chǎn)水足跡值最大；稻谷的產(chǎn)量最大，這與黃山濕潤的氣候條件有關(guān)，更適合稻谷的種植；其次是薯類和玉米。玉米和豆類的產(chǎn)量年際變化不大，較為突出的是稻谷的產(chǎn)量下降趨勢明顯，玉米的產(chǎn)量呈增加趨勢。從統(tǒng)計的糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)中可知，黃山市糧食總產(chǎn)量在減少，主要原因是由稻谷產(chǎn)量減少引起的，同時，薯類和豆類產(chǎn)量在近幾年也呈減少趨勢。

表1 黃山市主要糧食作物生產(chǎn)水足跡 單位：m3/kg

圖3 黃山市主要糧食作物產(chǎn)量變化

3.2 主要糧食作物生產(chǎn)水足跡變化特征

根據(jù)式(8)計算得到2000—2019年黃山市4種主要作物的綜合生產(chǎn)水足跡以及綠水足跡和藍(lán)水足跡的趨勢變化，其整體均呈減小趨勢(見表2及圖4)，其中稻谷的藍(lán)水足跡、綠水足跡以及綜合生產(chǎn)水足跡均呈現(xiàn)不顯著減小趨勢；玉米和豆類的藍(lán)水足跡和綜合生產(chǎn)水足跡均呈顯著減小趨勢，這與農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步和大力推廣節(jié)水密不可分。稻谷產(chǎn)量的降低主要是由種植面積減少引起的，稻谷的種植面積由2000年的564.85km2降至2019年的332.75km2，產(chǎn)量從2000年的31.82萬t降至2019年的22.04萬t，盡管單位面積產(chǎn)量有所提升，但總產(chǎn)量大幅減少，因而計算得到的稻谷生產(chǎn)水足跡呈減小趨勢。玉米的生長周期較短，其生育期與一年內(nèi)雨季的一致性較好，在很大程度上降低了對灌溉的需求，隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和用水效率的提高，單位面積產(chǎn)量大幅提升，因此計算得到的水足跡較低。薯類的水足跡表現(xiàn)為不顯著增加趨勢，薯類作物對水分的要求比較低，黃山市多年平均降水量完全滿足薯類產(chǎn)品對水分的需求，因此綜合生產(chǎn)水足跡遠(yuǎn)低于其他幾種作物。

表2 黃山市主要糧食作物生產(chǎn)水足跡M-K檢驗結(jié)果

圖4 黃山市主要糧食作物藍(lán)綠足跡變化趨勢

豆類的水足跡居于4種主要農(nóng)作物之首，豆類屬于高耗水作物，多年平均藍(lán)水足跡占綜合生產(chǎn)水足跡的44%。4種糧食作物生產(chǎn)綠水足跡為：豆類>玉米>稻谷>薯類；4種糧食作物生產(chǎn)藍(lán)水足跡為：豆類>稻谷>玉米>薯類。

4 討 論

對黃山市2000—2019年4種主要糧食作物生產(chǎn)水足跡及其變化趨勢的研究表明，由于農(nóng)作物單產(chǎn)的提升，農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡整體呈減小趨勢。豆類的水足跡較高，但豆類不是黃山市的主要糧食作物，其種植面積和產(chǎn)量與稻谷相比有很大差距，尤其是近幾年，種植面積和產(chǎn)量比以往大幅減少。薯類藍(lán)水足跡較少，說明對藍(lán)水的依賴較低，是一種比較節(jié)水的農(nóng)作物，但是種植面積很少。稻谷的藍(lán)水足跡較大，這與稻谷的生長周期有關(guān)，作物生長需水多依賴灌溉水，灌溉對稻谷的產(chǎn)量有很大影響，適當(dāng)調(diào)整灌溉模式有益于提高水資源利用效率和提高糧食產(chǎn)量。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不僅消耗藍(lán)水，還消耗綠水。當(dāng)前，黃山市灌溉水利用系數(shù)較2000年前后有了很大提高，但總體利用效率仍然不高，糧食生產(chǎn)水足跡還可以進(jìn)一步降低。改造提升傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，在適宜的氣候條件和地區(qū)，用低耗水的農(nóng)產(chǎn)品替代高耗水的農(nóng)產(chǎn)品，提高農(nóng)業(yè)用水效率，對提高黃山市水資源利用效率具有重要意義。加強(qiáng)節(jié)水技術(shù)研發(fā)和推廣力度，提高農(nóng)田水利建設(shè)水平，優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，有助于打破節(jié)水困境，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)。

5 結(jié) 語

本文對2000—2019年黃山市的4種主要糧食作物生產(chǎn)水足跡進(jìn)行了定量計算和分析，較單個年份單個作物來說更為精細(xì)，但仍存在一定的誤差，所使用的數(shù)據(jù)既有統(tǒng)計年鑒的數(shù)據(jù)，也有公報數(shù)據(jù)，由于時間周期較長，數(shù)據(jù)統(tǒng)計誤差對量化作物生產(chǎn)水足跡會產(chǎn)生不利影響。盡管本文未考慮灰水足跡對作物生產(chǎn)水足跡的影響，導(dǎo)致計算結(jié)果偏低，但仍對水資源利用效率分析具有一定的參考價值。