长春市农作物虚拟水量时空分异特征研究

秦丽杰，沈淑平，段佩利

（东北师范大学城市与环境科学学院，吉林 长春 130024）

长春市农作物虚拟水量时空分异特征研究

秦丽杰，沈淑平，段佩利

（东北师范大学城市与环境科学学院，吉林 长春 130024）

通过对长春市1998—2008年农作物虚拟水量的计算与分析，探讨了其时空分异规律.结果表明：11年来长春市农作物虚拟水量呈现不断波动趋势，与粮食作物的变化趋势相一致.粮食作物的虚拟水量在2000年、2004年和2007年出现高峰值，经济作物、蔬菜和瓜果的虚拟水量变化不大.对比分析1998年、2004年和2008年长春市所辖5县市区农作物虚拟水量的空间分布，1998年5县市区虚拟水量只分为3个等级，没有达到第四等级；2004年榆树市和农安县达到第四等级，位居首位，德惠市上升到第三等级，排名第2，九台市和市区均由第一等级上升到第二等级，但排名最末；到2008年德惠市由第三等级降到第二等级，九台市、市区由第二等级降低到第一等级，而榆树市、农安县仍为第四等级.

农作物；虚拟水；时空分异；长春市

长春市位于我国东北松辽平原腹地，地理位置为43°05′～45°15′N，124°18′～127°02′E.全市总面积2.06×104km2，由市区、榆树市、农安县、德惠市和九台市5个县市区构成，2008年耕地面积1.19×106hm2，占全市总面积的57.8%.长春市地处世界三大黄金玉米带——吉林黄金玉米带的核心区域，农业高度发达，特别是粮食生产，长期在我国商品粮生产中占据极为重要的位置.长春市属大陆性季风气候，具有四季分明，雨热同季，干湿适中的气候特征.市内大小河流百余条，其中集水面积大于20km2以上的河流119条，较大的河流有饮马河、伊通河和拉林河，水资源总量约为25.48×108m3［1－3］.由于水资源时空分布不均及生产、生活用水的增加，长春市水资源供给一直比较紧张［4－5］.农业是用水大户，如何保障农业用水、提高农业用水效率，是长春市亟须解决的问题.

虚拟水是Tony Allan于20世纪90年代提出的新概念，是指生产商品和服务所需要的水资源数量［6－7］.虚拟水概念的提出不仅对缓解国家或地区出现的水资源短缺、保证缺水地区的粮食安全和水资源安全提供了新的思路，而且对资源配置优化、区域经济结构调整、水资源迁移和存储提供了新的途径［8－15］.农作物虚拟水量实质上就是农作物为产出初级农产品所需要的水资源量，主要取决于农作物的类型、生长区的自然地理条件、灌溉条件和管理方式等，是连接粮食安全与水资源安全的重要纽带，对其进行研究具有重要的理论意义和实践意义.本文在计算了长春市农作物虚拟水量的基础上，分析了其时空分布特征，为实现水土资源的合理配置提供了依据.

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文研究所需的长春市农作物播种面积、农作物产量来源于《吉林省统计年鉴》、《长春市统计年鉴》，长春市气象数据来源于中国气象局国家气象信息中心.计算各种农作物的虚拟水量时，所需作物系数Kc借助于联合国粮农组织提供的Cropwat8.0软件中的数据.

1.2 研究方法

根据统计年鉴，将农作物分成4类：①粮食作物，包括水稻、玉米、大豆、小麦、谷子、高粱、马铃薯和其他谷物；②经济作物，包括油料作物、葵花籽、甜菜和烟叶；③蔬菜；④瓜果.利用联合国粮农组织提供的Cropwat8.0软件，对长春市农作物虚拟水量进行测度.农作物虚拟水量的计算步骤如图1所示［16－20］.

图1 农作物虚拟水量计算流程图

式中：Rn为作物表面的净辐射量（MJ／（m2·d））；G为土壤热通量 （MJ／（m2·d））；T为平均气温 （℃）；U2为离地面2m高处的风速（m／s）；es为饱和水气压 （kPa）；ea为实测水气压（kPa）；（es－ea）为饱和水气压与实际水气压的差额（kPa）；Δ为饱和水气压与温度相关曲线的斜率（kPa／℃）；γ为湿度计常数（kPa／℃）.

然后，用作物系数Kc对ET0进行调整，获得具体农作物生长需水ETc：单位质量农作物初级产品的虚拟水量S（m3／t）：

其中：S［e，c］为区域e作物c单位重量的虚拟水量（m3／t）；C［e，c］为区域e作物c的实际耗水量（m3／hm2）；Y［e，c］为区域e作物c的单位面积产量（t／hm2）.

利用Arcgis软件绘制农作物虚拟水量的空间分布图，可直观、形象地将虚拟水量的空间分布表现出来.

2 结果与分析

2.1 农作物虚拟水量的时间特征

通过计算长春市1998—2008年农作物的虚拟水量 （见表1）可以看出，长春市农作物虚拟水量呈波状起伏变化，2007年农作物虚拟水量最大，达65.0×108m3；其次为2000年，农作物虚拟水量为64.0×108m3；2005年最小，为47.0×108m3.其中，粮食作物的虚拟水量也呈波动变化，2004年、2000年和2007年粮食作物虚拟水量依次增至最高，其他年份波动幅度较小.经济作物虚拟水量1998—2007年间趋于平稳，2008年降到最低值.蔬菜虚拟水量变化不大，总体上表现为前期高、后期低；瓜果的虚拟水量相对比较平稳，变化较小.由于粮食作物虚拟水量占农作物虚拟水总量的85%以上，因此农作物虚拟水量的变化趋势基本与粮食作物虚拟水量的变化趋势一致.其中2000年和2004年受气象因素影响，降水量偏少，粮食作物虚拟水量较大，而2007年受降水量偏少和种植面积增加双重因素影响，粮食作物虚拟水量最大.

长春市农作物虚拟水量的变化是由五个县市区共同决定的，每个县市区的种植面积、种植结构、灌溉条件和管理方式的调整都会影响虚拟水总量的变化，各县市区11年来虚拟水量随时间变化的趋势如图2所示.

市区（见图2a）在11年间虚拟水量变化不大.由于市区可耕种面积较少，粮食总产量不高，虚拟水量与其他各县市相比，其值最小.农作物的虚拟水量与粮食作物的虚拟水量的变化趋势保持一致，经济作物、蔬菜和水果的虚拟水量保持相对稳定的状态.2007年农作物的虚拟水量最高.

表1 长春市1998—2008年农作物虚拟水量 km3

榆树市（见图2b）虚拟水量的变化较大，2000年、2004年和2007年峰值明显，2007年达到11年间的最大值.除受气象因素影响外，2007年玉米种植面积达到11年间的最大值，2004年水稻种植面积大幅度提高，总播种面积处于第二位，其他年份的播种面积处于动态稳定状态，而经济作物、蔬菜和水果一直处于相对稳定状态.

农安县（见图2c）虚拟水量波动不大，2000年、2004年、2007年峰值较明显.2007年由于种植面积的增加，导致这一年农作物的虚拟水量最大.在2001年至2003年间由于种植结构的调整，玉米种植面积减少，大豆和甜菜的种植面积增加，出现了粮食作物的虚拟水量与农作物的虚拟水量的整体拟合度不如其他年份高.经济作物、蔬菜和水果相对处于稳定状态，总体变化不大.

九台市（见图2d）虚拟水量在五县市区中接近于市区，总体波动不大，种植面积和种植结构没有重大的改变.农作物虚拟水量随时间的变化趋势基本与粮食作物的变化趋势保持一致.

德惠市（见图2e）农作物虚拟水量呈现不断波动变化状态，2000年、2004年和2007年峰值明显，其变化趋势与长春市总体的虚拟水量变化趋势相吻合.1998—2008年间由于种植结构的调整，粮食作物种植面积增加，但总播种面积涨幅不大.

从5县市区农作物虚拟水量的时序变化可以看出，长春市农作物虚拟水量随时间的变化趋势基本与粮食作物的变化趋势相一致，总体呈现不断波动变化的状态.农作物生长季降水量的变化、种植面积和种植结构的调整是导致农作物虚拟水量变化的主要因素，合理安排种植结构和种植面积可为水安全和粮食安全提供保障.

2.2 农作物虚拟水量的空间特征

在计算农作物虚拟水量的基础上，运用Arcgis软件，选取长春市5县市区1998年、2004年和2008年农作物虚拟水量作为分类标准，将虚拟水量划分为4个等级，虚拟水量≤7.5×108m3为第一等级，7.6×108～10.5×108m3为第二等级，10.6×108～13.5×108m3为第三等级，≥13.6×108m3为第四等级.将长春市5县市区进行分类，得出长春市农作物虚拟水量的空间分布特征，如图3所示.

图3 农作物虚拟水量空间分布

1998年降水量充足，长春市农作物虚拟水量只达到了3个等级（见图3a）.榆树市和农安县是粮食大县，虚拟水量分布在第三级，位于5县市区之首；德惠市次之，处于第二等级；九台市和市区虚拟水量最少，处于第一等级.

2004年为干旱年，农作物虚拟水量的空间分布发生了巨大的变化（见图3b），各县市区的虚拟水量均上升了一个等级，这不仅与种植面积增加和种植结构调整有直接关系，而且与干旱的气象条件密切相关.农安县和榆树市虚拟水量增长最大，虚拟水量达到第四等级.榆树市农作物播种面积占总面积的65%，2004年播种面积比1998年增加39 444hm2；农安县农作物播种面积占总面积的56%，2004年播种面积比1998年增加27 243hm2.而由于降水量少，榆树市、农安县2004年单位质量农作物虚拟水量均高于1998年，如榆树市2004年单位质量玉米虚拟水量为0.53m3／kg，单位质量水稻虚拟水量为0.84m3／kg，而1998年单位质量玉米虚拟水量为0.45m3／kg，单位质量水稻虚拟水量为0.73m3／kg；农安县2004年单位质量玉米虚拟水量为0.58m3／kg，单位质量水稻虚拟水量为0.92m3／kg，而1998年单位质量玉米虚拟水量为0.44m3／kg，单位质量水稻虚拟水量为0.67m3／kg.因此，单位质量农作物虚拟水量的增加，再加上播种面积的扩大，使得榆树市、农安县虚拟水总量大幅增加.德惠市、九台市及市区2004年的单位质量农作物虚拟水量也均高于1998年.德惠市2004年播种面积增长47 808hm2，是5县市区中增长最大的，其虚拟量上升为第三等级.九台市播种面积增长了21 738hm2，市区播种面积增长了18 493hm2，虚拟水量由第一等级上升为第二等级，位于5县市区最末.

2008年降水丰沛，农作物虚拟水量等级同2004年相比变化较明显（见图3c）.长春市2008年降水量比2004年多240.6mm，单位质量农作物虚拟水量均低于2004年.虽然全市2008年总播种面积比2004年增加了50 553hm2，但虚拟水总量却减少了6.32×108m3.其中德惠市2008年的总播种面积比2004年减少了1 640hm2，而虚拟水量相对不高的玉米种植面积却增加了13 986hm2.因此，德惠市虚拟水量减少的最多，为1.96×108m3，虚拟水量由第三等级下降到第二等级.九台市2008年比2004年总播种面积增加1 513hm2，虚拟水量却减少0.92×108m3，由第二等级下降到第一等级.市区播种面积变化不大，虚拟水量亦下降为第一等级.农安县和榆树市的虚拟水量等级仍位于第四级.

长春市1998—2008年各县市区的虚拟水总量在不断变化，榆树市和农安县的虚拟水量在5县市区中始终最高，德惠市虚拟水量次之，九台市虚拟水量再次之，市区虚拟水量最低.农作物虚拟水量的变化不仅与作物播种面积、种植结构相关，而且与降水量的变化密切相关.

3 结论

（1）长春市1998—2008年农作物虚拟水量随时间变化的趋势基本与粮食作物虚拟水量的变化趋势相一致，经济作物、蔬菜和水果的虚拟水量变化不大，2000年、2004年和2007年农作物虚拟水量较高.5县市区农作物种植面积和种植结构的调整导致虚拟水量不断变化，而且受气象条件影响，在降水量较少的干旱年份农作物虚拟水量较大.

（2）对比分析1998年、2004年和2008年5县市区虚拟水量的空间分布特征，2004年各县市区虚拟水量比1998年均上升1个等级，榆树市和农安县排在第1位，德惠市次之，九台市、市区最末.2008年与2004年相比，德惠市由第三等级下降到第二等级，九台市、市区由第二等级下降到第一等级，而榆树市、农安县仍为第四等级.

（3）研究长春市农作物虚拟水量的时空变化规律，可以了解长春市农作物生产的耗水状况，认识长春市农业用水及水资源利用、分配的合理性，为农业生产结构的调整提供理论依据，以保证粮食安全与水资源安全.

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Study on spatial-temporal distribution characteristics of crop virtual water in Changchun City

QIN Li-jie，SHEN Shu-ping，DUAN Pei-li
（College of Urban and Environmental Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China）

Virtual water is the important research field of food security and water security.In order to provide scientific basis for agricultural sustainable development in Changchun city，the crop virtual water of Changchun City from 1998to 2008is calculated to study its spatial-temporal distribution rules.The crop virtual water in Changchun City presented a series of changes，which was consistent to the change trend of grain crops.The virtual water of grain crops appeared high peaks in 2000，2004and 2007，and that of the economic crops，vegetable，melons and fruits changed little.Compared with the spatial distribution of crop virtual water content in 1998，2004and 2007in five counties，there were larger change.In 1998the crop virtual water was divided into three levels，not arrived at the fourth level.In 2004Yushu county and Nong'an county reached the fourth level，Dehui county reached the third level，Jiutai county and the urban district were at the second level.In 2008Dehui county decreased to the second level，Jiutai county and the urban district decreased to the first level，and Yushu county and Nong'an county were still at the fourth level.

crop；virtual water；Changchun City；spatial-temporal distribution

F 319.9

790·19

A

1000-1832（2012）01-0149-06

2011-08-22

国家重点基础研究发展计划（973）项目（2009CB426305）；教育部人文社会科学规划基金资助项目（10YJA840032）；吉

林省教育厅社会科学项目.

秦丽杰（1966—），女，博士，副教授，主要从事水资源与水环境研究.

方 林）