寧夏玉米生長過程水足跡研究

陳紅翔，馬 芮

（寧夏師范學院 資源環(huán)境與生命科學學院，寧夏 固原 756000）

0 引言

農(nóng)業(yè)水足跡是一種能反映出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與消費對水資源影響的綜合性指標。農(nóng)業(yè)水足跡主要包括農(nóng)業(yè)綠水足跡、農(nóng)業(yè)藍水足跡、農(nóng)業(yè)灰水足跡。近年來針對農(nóng)作物水足跡的研究迅速發(fā)展，主要集中在水足跡量化和驅動力分析等方面。國外學者Mekonnen等［1-2］通過建立基于柵格數(shù)據(jù)的水量平衡模型，估算了全球主要農(nóng)作物的藍水、綠水和灰水生長過程中的水足跡；Silalertruksa等［3］研究了可持續(xù)性水稻的水足跡。國內學者田園宏等［4-9］對中國主要糧食作物即華北平原的小麥和玉米以及湖南、山東、山西、黑龍江等省份的農(nóng)作物水足跡分別進行了計算和分析；卓拉等［10］對黃河流域內的小麥生產(chǎn)水足跡進行了量化與評價；黃會平等［11］針對海河流域的冬小麥、夏玉米生產(chǎn)水足跡進行了量化分析；高海燕等［12］研究了寧夏主要農(nóng)作物的生產(chǎn)水足跡及其變化趨勢；齊婭榮等［13］研究了固原市主要農(nóng)作物的生產(chǎn)水足跡。總體看來，目前研究多集中于對區(qū)域農(nóng)作物整體水足跡、水資源狀況進行評價，而針對同一作物在不同時間和區(qū)域空間的水足跡及其變化趨勢的深入研究較少。本文旨在合理量化玉米藍、綠水足跡，探究寧夏5個地級市玉米生產(chǎn)用水的空間格局，為寧夏玉米種植結構的合理調整和農(nóng)業(yè)用水結構的優(yōu)化提供重要依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

寧夏地處中國西北干旱區(qū)，屬于典型的溫帶大陸性干旱、半干旱氣候，具有秋冬長、春夏短，氣候干燥、蒸發(fā)旺盛、降水季節(jié)變化明顯等特征。目前寧夏全區(qū)的水資源總量約為11億m3，人均水資源儲量為160 m3，寧夏已經(jīng)成為我國干旱缺水最嚴重的地區(qū)之一［12］。

2 研究方法和數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

2.1.1 玉米生長過程水足跡的計算 玉米生長過程水足跡是指玉米在生長過程中對水資源的消耗總量，主要有藍水足跡、綠水足跡以及灰水足跡。由于灰水足跡描述的是稀釋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所排放的污染物所消耗的水資源量，并不是農(nóng)作物在生長過程中真正消耗的水資源量，故本研究只考慮農(nóng)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，水足跡的計算公式為［14］：

式（1）中：WF 為玉米生長過程水足跡(m3/t)；WFgreen為綠水足跡(m3/t)； WFblue為藍水足跡(m3/t)。

2.1.2 藍水足跡和綠水足跡的計算 本文水足跡的計算是建立在聯(lián)合國糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations)推薦的Penman-Monteith 公式［15］的基礎上，運用該公式計算玉米的參考騰發(fā)速率ET0，在此基礎上可以得到作物蒸發(fā)騰發(fā)速率ETC，根據(jù)水足跡參考手冊中的相關公式計算得到玉米單位質量的綠水足跡值和藍水足跡值。隨后，根據(jù)寧夏的玉米產(chǎn)量計算寧夏的水足跡值。其中藍水是指降水過程中形成的地表水和地下水，一般包括河流、湖泊以及地下蓄水層中的水，在玉米生長過程的用水需求中經(jīng)常用灌溉用水來表示；綠水是降水下滲到不飽和土壤層中用于植物生長的水，在玉米生長過程的用水需求中主要指有效降水。

在對玉米生長周期的蒸散發(fā)總量進行計算之前需要對作物參考騰發(fā)速率ET0進行計算，公式為：

式（2）中： ET0為參考騰發(fā)速率(mm/d)； 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為日平均氣溫(℃)； u2為風速(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(shù)(kPa/℃)。

再計算出作物蒸發(fā)蒸騰量ETC，其計算公式為：

式（3）中：KC為作物系數(shù)。

然后根據(jù)作物水足跡參考手冊《The water footprint assessment manual：setting the global standard》中的方法進行量化計算，主要計算公式為：

式（4）~式（5）中： WFgreen為玉米生產(chǎn)綠水足跡(m3/kg)； WFblue為玉米生產(chǎn)藍水足跡(m3/kg)；CWUgreen、CWUblue分別為玉米所消耗的綠、藍水資源量(m3/hm2）；Y為作物單位面積產(chǎn)量(kg/hm2）；10為單位轉化系數(shù)，將單位由水深(mm)轉化為單位面積水量(m3/hm2）。

接著計算出作物蒸發(fā)蒸騰量中來自有效降水和灌溉水的部分（mm），計算公式為：

式（6）~式（7）中：ETC為玉米蒸發(fā)蒸騰量(mm)；Pe為玉米生長期的有效降水量(mm)。

作物生育期的有效降雨量采用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的方法 USDA SCS來計算，公式為:

式（8）中：Pdee為旬降水量(mm)； Pe(dee)為旬有效降水量(mm)。玉米生長周期內的有效降水量可由各旬有效降水相加得到［16］。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文主要研究數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其中寧夏回族自治區(qū)內的5個地級市（銀川市、石嘴山市、吳忠市、中衛(wèi)市和固原市）2006—2020年的降雨量、氣溫等數(shù)據(jù)來源于相關氣象站點。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)來源于國家數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.stats.gov.cn)、寧夏數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://nxdata.com.cn)及寧夏2006—2020年的統(tǒng)計年鑒等。

3 玉米生長過程水足跡計算結果與分析

3.1 寧夏玉米生長過程水足跡時間序列特征

從寧夏數(shù)據(jù)網(wǎng)獲取了2006—2020年寧夏玉米的播種面積（表1）。

從表1可以看出，2006—2020年寧夏的玉米播種面積整體呈增長趨勢，其中吳忠市玉米播種面積最廣，2020年達到最大值94550 hm2；固原市玉米播種面積增速最快，2020年固原市玉米播種面積已達到83337 hm2，排名第2位；銀川市、石嘴山市和中衛(wèi)市3市的玉米播種面積有增有減，起伏不大，較為平穩(wěn)。

采用Penman Monteith模型先計算玉米生長需水量以及有效降水量，接著計算出寧夏各市玉米生長過程中的藍水、綠水蒸散量，最后逐年計算各市玉米生長的藍水、綠水足跡，計算結果如表2~表3。

表2 2006—2020年寧夏5市的玉米生長綠水足跡 m3/t

表3 2006—2020年寧夏5市玉米生長藍水足跡 m3/t

圖 1 2006—2020年寧夏5市玉米生長水足跡的變化

表 4 不同降水年型寧夏玉米生長過程水足跡

由表2可知，2018年寧夏5市的玉米生長綠水足跡達到最高，為1239.323 m3/t；2009年寧夏5市的玉米生長綠水足跡最低，為923.475 m3/t。2006—2020年寧夏5市的玉米生長過程綠水足跡平均值為1076.134 m3/t，其中固原市綠水足跡值排名第1位，這與固原市年降水量最多的實際情況相吻合。

由表3可知，寧夏各市的玉米水足跡均是以藍水足跡為主，這是因為西北地區(qū)降雨量稀少，使得農(nóng)作物大多通過灌溉用水或地下水的補給來維持其耗水需求量。具體來看，2006年寧夏玉米生長藍水足跡最高，為6706.088 m3/t；2019年寧夏玉米生長藍水足跡最低，為4743.934 m3/t；多年藍水足跡平均值為5497.461 m3/t，是綠水足跡平均值（1076.134 m3/t）的5倍。

將每年的藍水足跡、綠水足跡進行相加，得到2006—2020年寧夏5市玉米生長的水足跡情況（圖1）。從圖1可看出，2006—2020年寧夏5市玉米生長過程中水足跡整體處于波動下降的變化趨勢。2006—2020年玉米生長過程總水足跡的平均值為6573.595 m3/t，其中綠水足跡占16%，藍水足跡占84%。5市之中固原市的總水足跡波動最大，2017年固原市玉米生產(chǎn)總水足跡達到峰值，為2162.885 m3/t，突破2000 m3/t，這主要與固原市玉米生育期降雨量多及作物耗水規(guī)律有關。

3.2 不同降水年型玉米生長過程水足跡

根據(jù)2006—2020年寧夏玉米生長期有效降水量的多少，分別選擇2009年（122.50 mm）、2010年（148.97 mm）、2012年（177.38 mm）作為枯水年、平水年、豐水年（表4）。

從表4可以看出：2009年寧夏玉米生長期平均降水量最少，播種面積為215078 hm2，此時的玉米生長過程總水足跡為6866.596 m3/t，是選取代表年份中水足跡的最高值；2010年平水年降水量適中，玉米播種面積為223405 hm2，其玉米生長過程總水足跡值為6402.228 m3/t；2012年降水最豐富，玉米播種面積為245896 hm2，此年出現(xiàn)玉米生長過程總水足跡的最低值，為6247.015 m3/t。數(shù)據(jù)表明寧夏玉米生長過程水足跡值的大小不僅受降水量的影響，同時還受到播種面積和灌溉條件等因素的影響。根據(jù)玉米生長過程水足跡構成計算得出，2009年玉米生長過程水足跡值中藍水足跡占87%、綠水足跡占13%；2010年玉米生長過程水足跡值中藍水足跡占83%、綠水足跡占17%；2012年玉米生長過程水足跡值中藍水足跡占81%，綠水足跡占19%；說明降水量與玉米藍水足跡呈負相關，而與玉米綠水足跡呈正相關［17］。

3.3 寧夏玉米生長過程水足跡的空間分異特征

3.3.1 寧夏玉米生長過程水足跡的空間分布 由于各地氣候、降雨的不均勻性，播種面積也有一定的差異，使得玉米生產(chǎn)過程中消耗的水資源量也不盡相同，因而呈現(xiàn)出不同的地域空間特征［18-20］。選取3個具有代表性的年份運用Arc GIS軟件繪制寧夏不同降水年型各市玉米生長過程水足跡的空間分布圖（圖2）。

圖2 寧夏不同降水年型玉米生長過程水足跡的空間分布

通過圖2a可以看出，枯水年（2009年）寧夏5市玉米水足跡值大小排序為固原市＞銀川市＞石嘴山市＞中衛(wèi)市＞吳忠市；圖2b顯示平水年（2010年）寧夏5市水足跡值大小排序為固原市＞吳忠市＞石嘴山市＞中衛(wèi)市＞銀川市；圖2c顯示豐水年（2012年）寧夏5市水足跡值大小排序為固原市＞石嘴山市＞銀川市＞中衛(wèi)市＞吳忠市。

總體來看，固原市的水足跡始終排名第1位，這是因為固原市受地形和氣候等因素的影響，其降水量遠遠高于其他4市，說明降水量是玉米生長過程水足跡的主要影響因素之一。枯水年總的水足跡大于豐水年的水足跡，且藍水足跡值最大，說明灌溉用水是枯水年玉米生長過程中水足跡的主力軍，藍水足跡是影響寧夏玉米生長過程水足跡的最重要因素。

3.3.2 玉米生長過程水足跡的區(qū)域差異 為了更進一步對比研究寧夏不同地區(qū)玉米生長過程水資源的利用情況，將寧夏5市分為3個區(qū)域，北部包括銀川市和石嘴山市，中部包括吳忠市和中衛(wèi)市，南部為固原市。分別計算各區(qū)域的玉米生長過程水足跡，如圖3所示。

圖3 寧夏不同地區(qū)玉米生長過程水足跡的分布情況

由圖3可以看出，不同年份寧夏藍水足跡值大小排序為北部＞中部＞南部，豐水年藍水足跡南北差異最大；綠水足跡值大小排序為南部＞北部＞中部，豐水年綠水足跡3個地區(qū)差異最小；總水足跡值大小排序為北部＞中部＞南部，總水足跡在北部地區(qū)不同年份之間差距較小，而南部地區(qū)水足跡總量最小。

分區(qū)域來看，寧夏北部地區(qū)不同年份玉米藍水足跡持續(xù)減少，綠水足跡不斷增加，總水足跡呈現(xiàn)緩慢減少趨勢；寧夏中部地區(qū)藍水足跡持續(xù)減少，綠水足跡明顯增加，總水足跡變化不大，降幅較小；寧夏南部地區(qū)藍水足跡有波動，2012年較2010年有小幅增加但漲幅不明顯，綠水足跡也有波動，2012年綠水足跡相較于2010年有所下降，但總水足跡整體處于持續(xù)下降趨勢。

整體來看，寧夏各地區(qū)藍水足跡均遠遠大于綠水足跡，說明灌溉用水依舊為寧夏農(nóng)業(yè)發(fā)展的關鍵因素。

4 結論與討論

4.1 結論

本文參考水足跡理論，對2006—2020年寧夏玉米生產(chǎn)水足跡進行了時空量化分析，主要結論為：（1）研究時段內，寧夏玉米生長過程水足跡整體呈減小趨勢。（2）寧夏玉米生長過程中，水足跡以藍水足跡為主導，綠水足跡為輔助。通過對寧夏玉米生長過程中藍水、綠水足跡的增長趨勢以及所占比重發(fā)現(xiàn)：藍水足跡占比最大，綠水足跡占比較小。說明寧夏玉米生長用水以灌溉用水為主，自然降水次之，對自然降水的利用率也較低，當藍水足跡值較高時，綠水足跡會有一定程度的降低。（3）從5個地市的玉米生長水足跡空間分布格局來看，枯水年（2009年）寧夏5市玉米水足跡值大小排序為固原市＞銀川市＞石嘴山市＞中衛(wèi)市＞吳忠市；平水年（2010年）寧夏5市水足跡值大小排序為固原市＞吳忠市＞石嘴山市＞中衛(wèi)市＞銀川市；豐水年（2012年）寧夏5市水足跡值大小排序為固原市＞石嘴山市＞銀川市＞中衛(wèi)市＞吳忠市，各年份中固原市的玉米水足跡值始終名列前茅。

4.2 討論

寧夏目前以藍水為玉米生長的主要水源，綠水占比較小。雖然玉米生產(chǎn)過程水足跡整體呈減少趨勢，但其嚴重依賴灌溉水和地下水。寧夏水資源十分短缺，不利于玉米種植的可持續(xù)發(fā)展。因此如何解決并改善寧夏的水資源短缺問題，減少農(nóng)業(yè)用水量，調整灌溉模式以達到提高糧食產(chǎn)量，減小玉米生產(chǎn)過程藍水足跡的問題仍需進一步深入研究。

此外，本文對玉米生長過程水足跡進行量化計算時，使用的數(shù)據(jù)部分存在計算誤差，從而可能對計算的水足跡產(chǎn)生了影響，因此后期還需考慮更多影響玉米水足跡的因素來進行完善。