水足跡視角下哈爾濱市玉米生產用水分析

紀鴻飛 李翔鵬 李方豪 聶堂哲

(黑龍江大學水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

引言

水安全和糧食安全是當今世界的2個基本問題。我國人均水資源不足，隨著社會經濟的發展和生活水平的提高，未來中國的水資源將更加稀缺。水資源短缺將嚴重威脅糧食安全，特別是在干旱地區。我國作為人口和農業大國，水資源和糧食安全面臨著嚴峻的壓力，未來人口增長、工業用水競爭加劇以及氣候變化將給農業用水帶來更大挑戰[1]。水足跡理論旨在為緩解區域水資源壓力、實現區域可持續發展提供新途徑。農業水足跡包括綠水足跡、藍水足跡和灰色水足跡。綠水足跡指土壤中沒有流失或補給地下水且儲存在土壤中或暫時停留在土壤中可被植物生長利用的降水量。藍水足跡是指農作物生產所消耗的地表水和地下水量。灰水足跡是指在給定自然背景濃度和現有環境水質標準的情況下，用于稀釋生產或消費過程中進入水體的污染物濃度至標準值所需水量[2]。

黑龍江省是我國重要的商品糧基地，玉米作為黑龍江省3大糧食作物(玉米、水稻、大豆)之一，其產量約占糧食總產量的50%[3]，哈爾濱玉米產量多年處于全省首位。然而，哈爾濱市水資源總量并不豐富，人均水資源量低于全國水平，農業用水約占總用水量的75%[4]，單位面積灌溉水量比全國平均值高5～6倍[5]，農業水資源利用效率低[6,7]。本文利用CROPWAT 8.0軟件估算2005—2015年哈爾濱玉米綠水足跡、藍水足跡和灰水足跡，并分析其時間變化規律。利用水足跡效益、藍水足跡虧損和藍水足跡比例指標分析哈爾濱市玉米生產用水狀況。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

哈爾濱市位于中國東北平原東北部地區(E125°42′～130°10′，N44°04′～46°40′)，黑龍江省南部。該地區屬中溫帶大陸性季風氣候，全年平均降水量569.1mm，夏季降水量占全年的60%，年均氣溫3.5℃。土壤類型為黑土，其養分含量比較豐富，適于各種農作物生長[8,9]。

哈爾濱市總面積5.31×104km2，糧食作物播種面積1.975×106hm2，其中，玉米播種面積高于糧食總播種面積的50%(1.096×106hm2)。2020年玉米產量8.14×106t，高居全省第1。本文選取2005—2015年哈爾濱市玉米為研究對象[10]。

1.2 作物需水量

利用世界糧農組織(FAO)推薦的彭曼公式計算參考作物蒸發蒸騰量(ET0)，再利用作物系數Kc計算ETc[11]，計算公式：

ETc=Kc×ET0

(1)

式中，ET0為參考作物蒸發蒸騰量；ETc為作物蒸發蒸騰量，mm；Kc為作物系數。

1.3 有效降雨量

有效降雨量計算方法采用美國農業部土壤保持局推薦公式計算，計算公式：

(2)

式中，Peff為有效降雨量，P為降雨量，mm。

1.4 玉米水足跡

玉米水足跡計算基于Mekonnen等[12]開發的方法。

總水足跡計算公式：

WFc=WFgreen+WFblue+WFgrey

(3)

式中，WFc為總水足跡；WFgreen為綠水足跡；WFblue為藍水足跡；WFgrey為灰水足跡，m3·t-1。

綠水足跡計算公式：

WFgreen=10ETgreen/Y

(4)

ETgreen=min(ETc,Peff)

(5)

式中，ETgreen為綠水蒸發蒸騰量；Peff為玉米生長期內有效降雨量，mm；Y為玉米單位面積產量，t·hm2-。

藍水足跡計算公式：

WFblue=10ETblue/Y

(6)

ETblue=max(0,ETc-Peff)

(7)

式中，ETblue為藍水蒸發蒸騰量，mm。

灰水足跡計算公式：

(8)

式中，WFgrey為灰水足跡，m3·t-1；AR為氮肥的施用量，kg·hm-2；α為淋溶率(進入水體的污染量占總化學物質施用量的比例)；Cmax為氮的最大容許濃度；Cnat為氮的自然本底濃度，kg·m-3。

本研究中，選取10%的氮肥施用量作為淋溶氮，α為10%，Cmax為0.01kg·m-3，遵循中國地表水環境質量標準(GB 3838-2002)[13]，假定Cnat為0。

1.5 水足跡效益

用玉米總虛擬耗水量(WF總)與玉米總產值的比值表示玉米水足跡效益，亦是玉米生產過程中水資源的利用效率，即單位產值的玉米虛擬耗水量[14]。其值越大，表示水資源的利用效率越低。反之，水資源的利用效率越高。計算公式：

WF總=WFc×Yc

(9)

GDPm=PMY×SA

(10)

g=WF總/GDPm

(11)

式中，WF總為玉米總虛擬耗水量，m3；Yc為玉米總產量，t；GDPm為玉米總產值，萬元；PMY為玉米每公頃產值，萬元·hm-2；SA為玉米播種面積，hm2；g為玉米水足跡效益，m3/萬元。

1.6 藍水足跡虧損

為了將灌溉需水量與有效灌溉水量區分開來，運用藍水足跡需求量的概念。由于二者之間的差異來自于作物是否得到充分灌溉，因此，引用了藍水足跡虧損(WFbd)，其表示藍水蒸發蒸騰量與有效灌溉水量的差值，反映了單位產量下灌溉水量的盈虧情況[14]。計算公式：

(12)

WFbd=WFbr-WFbi

(13)

式中，WFbr為玉米生育期藍水足跡需求量(數值上等同于ETblue與單產的比值)，m3·t-1；WFbi為玉米生育期內實際的藍水足跡消耗量，m3·t-1；Fbd為玉米藍色水足跡虧損，m3·t-1；ID為不同水文年灌溉定額平均值，m3·hm-2；η為農業灌溉水利用系數。

當WFbd<0時，表示藍水足跡過剩；當WFbd=0時，表示實際藍水足跡消耗量剛好滿足藍水足跡需求量；當WFbd>0時，表示藍水足跡短缺。

1.7 藍水足跡比例

綠、藍水足跡的數量不足以表示農業用水所依賴的水資源類型情況，因此，引用藍水足跡在綠水足跡中的占比關系，來反映水足跡的構成差異[15]。計算公式：

(14)

式中，WFbp為玉米藍水足跡比例。

2 結果與分析

2.1 水足跡時間變化趨勢

2005—2015年哈爾濱市玉米綠水足跡在204.5～365.2m3·t-1區間內上下浮動，見圖1a，平均值為269.2m3·t-1，其以每10a下降18.4m3·t-1的趨勢變化；藍水足跡整體呈下降趨勢，見圖1b，其值在0～314.3m3·t-1范圍內變化，平均值為186.7m3·t-1，其以每10a下降102.6m3·t-1的趨勢變化；灰水足跡呈波動下降趨勢，見圖1c，其值在89.4～120.7m3·t-1范圍內浮動，平均值為108.3m3·t-1，其以每10a減小6.3m3·t-1的趨勢變化。2005—2015年哈爾濱市玉米總水足跡呈波動下降趨勢，見圖1d，其值在454.7～680.6m3·t-1范圍內變化，平均值為564.2m3·t-1，最大值和最小值出現在2007年和2012年，分別為680.6m3·t-1和454.7m3·t-1。總體上看，總水足跡以每10a減少127.3m3·t-1的趨勢變化。

圖1 2005—2015年哈爾濱玉米水足跡時間變化規律

2.2 玉米水足跡效益

2005—2015年哈爾濱市玉米水足跡效益如圖2所示，哈爾濱市玉米水足跡效益數值浮動較大，范圍在2954.71～7390.26m3/萬元，平均值為4822.31m3/萬元。哈爾濱市玉米水足跡效益總體以每10a下降4980m3/萬元的趨勢變化，說明哈爾濱市玉米生產用水資源效率在穩步提高。而2013—2015年稍有回升，主要由于玉米播種面積增加明顯，產量較大，玉米WFc值較大，導致水足跡效益有增長趨勢。

圖2 2005—2015年哈爾濱市玉米水足跡效益

2.3 玉米藍水足跡虧損

2005—2015年哈爾濱市藍水足跡虧損如圖3所示。由于灌溉用水效率的提高，哈爾濱市藍水足跡虧損整體呈下降趨勢，然而2007年、2008年灌溉面積的擴大加劇了需水量的增加，使得2007年藍水足跡虧損增加到研究期最大值201m3·t-1，藍水足跡短缺最嚴重。2012年有效降雨量最大，藍水足跡虧損達到最小值(-24.4m3·t-1)，灌溉水量達到過剩狀態。

圖3 2005—2015年哈爾濱市玉米藍水足跡虧損

2.4 玉米藍水足跡比例

通過引入藍水足跡比例，發現哈爾濱市在研究期內有9a藍水足跡比例高于50%，見圖4。這主要是由于有效降雨量不能滿足玉米生長所需水量，進而導致灌水資源消耗量較大，所以藍水足跡比例較高。其中，2012年哈爾濱市降雨量充沛，有效降雨量基本滿足玉米生育期內所需水量，導致這一年藍水足跡比例為0。

圖4 2005—2015年哈爾濱市玉米藍水足跡比例

3 討論

綠水足跡受降水量和玉米產量嚴重影響，藍水足跡的大小與灌溉水量和玉米產量密切相關。2007年有效降水量較低，且玉米種植面積擴大，導致灌溉需水量較高，藍水足跡最高。在玉米水足跡中，綠水足跡平均值最大，玉米生產所消耗的綠水資源占比最大；玉米藍水足跡下降速率最快，表示灌溉水資源利用效率提高的最快；單位面積產量和氮肥施用量是影響玉米灰水足跡的重要因素。研究期內氮肥施用量變化不大，而單位面積產量總體呈上升趨勢，以至于玉米灰水足跡波動下降。2012年玉米單位面積產量最高，所以灰水足跡最低。因此，在大規模農業生產過程中，應指導農民正確使用化肥來控制灰水足跡消耗；氣候變暖導致降水減少和蒸發加快，這使玉米生產過程中的有效降水量減少。此外，隨著工業的發展，加大了水資源的消耗[16]，促進了農業機械化的發展，使得玉米生產用水效率得以提高，玉米總水足跡下降。

更高的玉米產量并不一定意味著更高的經濟效益，由于玉米價格、勞動力成本不穩定等因素，經濟效益總是在變化。因此，本文通過計算哈爾濱市玉米水足跡效益，對單位產值虛擬耗水量的變化趨勢進行分析。結果表明，哈爾濱市玉米水足跡效益整體上不斷下降，水資源利用效率不斷提高，2015年水足跡效益降至3128.26m3/萬元，但其數值仍然較大，需要進一步解決水資源短缺瓶頸。黑龍江省農業灌溉消耗大量水資源，尤其是地下水資源[17,18]。因此，大力加強節水灌溉顯得尤為緊迫，以科技為支撐推動農業現代化建設，提高農作物單產量，是減少農作物水足跡、提高水資源利用效率的最主要途徑。雖然研究期內哈爾濱市玉米藍水足跡虧損總體上不斷減少，但除2012年外始終為正值。這表明玉米生產過程中不能總是得到充分灌溉，加上哈爾濱市農業生產水資源消耗巨大，給當地水資源造成巨大壓力。因此，應控制耕地擴張，甚至退耕還林，是哈爾濱市降低玉米需水量的首要任務。同時，要根據玉米不同水文年類型的藍水足跡需求量進行灌溉[19]。哈爾濱市的灌溉系統較不完善，降水在玉米生產中發揮了重要作用。提高綠水資源的開發利用水平，成為緩解地區用水壓力和促進水資源可持續發展的重要任務[20]。因此，要合理開發利用高效節水灌溉技術，提高農業生產用水效率，并且通過引進含水量高的產品替代當地產品來緩解地區水資源短缺的狀況；要合理增加水庫的建設，開發城市雨水收集儲存系統以及河流徑流的取用。

4 結論

2005—2015年哈爾濱市玉米總水足跡整體呈下降趨勢，2007年達到最高，2012年最低，水資源利用效率不斷提高。

玉米水足跡效益數值總體呈波動下降趨勢，水資源利用效率穩步提高，11a間平均值為4822.31m3/萬元，最小值為2012年的2954.71m3/萬元，最大值為2017年的7390.26m3/萬元。

玉米藍水足跡虧損從2005年的120.8m3·t-1上升到2007年的201m3·t-1，達到研究期間最高值，在2012年下降到最低值的-24.4m3·t-1，玉米藍水足跡虧損整體呈下降趨勢，灌溉缺水情況略有轉好，但玉米仍不總是能得到充分灌溉。

研究期內有9a藍水足跡比例高于50%，玉米生長較依賴灌水資源，導致灌溉水資源消耗量較大。