河南省农作物虚拟水含量时空分异特征

黄会平，曹明明，宋进喜，韩宇平，陈姗姗

(1.西北大学城市与环境学院，西安710127;2.华北水利水电大学资源与环境学院，郑州450045)

0 引言

河南省位于中国中东部、黄河中下游，介于31°23＇～36°22＇N，110°21＇～116°39＇E之间，土地总面积16.7万km2，辖18个地市，是中国农业大省，主要作物类型有小麦、玉米、棉花、花生、油菜籽、芝麻、大豆、蔬菜等。

河南水资源总量多年平均值413.4 m3，人均水量和单位土地面积水量只相当于全国的1/5和1/6，不足世界平均数的1/25，且时空分布不均，属严重缺水省份。如何弥补水资源不足成为河南省可持续发展中应解决的重点问题之一。虚拟水是指产品生产或服务中所需的水资源量，英国学者T.Allan在1993年提出并将其定义为生产农产品所需要的水资源量［1］，D.Zimmer等进一步拓展形成目前公认的虚拟水概念，即生产商品和服务所需要的水资源数量［2］。因此，农作物虚拟水可定义为农作物为产出初级农产品所需要的水资源量。目前虚拟水在全球水资源安全中的作用已经得到科学界的广泛认同，虚拟水的研究范围不断扩大，研究内容不断深入，研究方法和手段也在逐步增加，且更加注重其实证研究［3－4］。程国栋首次将虚拟水的概念引入国内，并以西北地区为例阐述了虚拟水概念和虚拟水战略对于区域水资源安全和水资源管理的指导意义［5］。此后，学者从不同侧面对虚拟水进行了全面和深入的研究:1)虚拟水概念及其计算方法研究。徐中民等［6］、龙爱华等［7］以甘肃及西北4省为例介绍了虚拟水的计算方法。2)虚拟水贸易及其可行性研究。虚拟水贸易量可通过投入－产出分析及消费、生产数据进行计算，同时可作为跨流域调水的补充，对水资源危机可起到缓解作用［8－10］。3)虚拟水区域实证研究。用定量化方法对虚拟水进行区域实证研究［11－15］，对虚拟水时空分布特征进行探讨。河南省是中国粮食生产大省，目前对河南省主要农作物虚拟水的时空分布特征尚无较系统的分析。本研究对河南省小麦、玉米、花生、棉花、油料作物、蔬菜的虚拟水进行时空方面的探讨，对合理规划布局河南省的粮食生产具有十分重要的指导意义。

1 计算方法及数据来源

1.1 计算方法

采用FAO－56推荐的计算方法，选取冬小麦、夏玉米、花生、棉花、油料作物(芝麻、大豆和油菜籽)、蔬菜等农作物进行虚拟水计算(图1)。计算的虚拟水量为作物在生长发育期间的累积蒸发蒸腾水量。影响作物虚拟水量的因素主要包括作物生长期间的气温、气压、风速、湿度、水汽压、日照时数、作物生育期、单位面积作物产量及作物总产量等。

图1 虚拟水计算步骤Fig.1 Calculation of virtual water of crops

1.1.1 潜在蒸散量。潜在蒸散量是水循环、能量循环系统的重要组成部分，是自然界保持水分平衡的最大需水量，它表示在一定气象条件下水分供应不受限制时某一固定下垫面可能达到的最大蒸散量。由于潜在蒸散量受多种因素影响，对它在较大区域范围内进行实测存在一定困难。因此，通常都采用模型来估算。采用联合国粮农组织推荐的修正的标准彭曼(Penman－Monteith)公式［16］计算潜在蒸散量，其公式为:

式中:E0为潜在蒸散量(mm/d);Δ为饱和水汽压与温度相关曲线的斜率(kPa/°C);Rn是作物表面的净辐射量(MJ/m2);G是土壤热通量(MJ·m－2·d－1);γ为湿度计常数(kPa/°C);T为平均气温(°C);U2为2 m高的风速(m/s);ea是饱和水汽压(kPa);ed是实测水汽压(kPa);(ea－ed)是饱和水汽压与实测水汽压的差额。

模型中辐射项是以经验公式计算得来的，其准确性取决于经验系数的选取，经验系数往往只在特定地区有效，具有区域局限性。因此，根据经辐射校正的FAO56－PM模型计算E0。校正后的净辐射为［17］:

式中:δ为Stenfan－Boltzmann常数(4.903×10－9MJ·K－4·m－2·d－1);Tx，k和Tn，k分别为绝对温标的最高、最低气温(K);ea为饱和水汽压;n为实际日照时数(h);N为可照时数(h);Rsa为晴天辐射(MJ/m2)。土壤热通量G相对净辐射而言很小，在日时间尺度上G≈0。

1.1.2 作物系数。作物系数以当前一些研究者对河南省作物系数的研究结果为基础［18－19］，对于没有相关研究的作物参照FAO－56的数据，各种作物的相关参数、播种时间、收获时间和全生育期天数为多年观测的平均值［20－22］。

1.2 数据来源及处理方法

气候数据为中国气象科学数据共享服务网1978—2013年的逐日气候观测数据，作物单位面积产量及总产量来源于《河南省统计年鉴》(1999—2014)。

先获取河南省19个气象站点的经纬度、高程、日最高气温、最低气温、平均气温、平均相对湿度、平均风速、日照时数和平均水汽压，计算出每个气象站点每日的潜在蒸散E0，导入到Excel中，编写程序采用可视化界面分别输入作物播种时间、每个发育期的天数及其对应的作物系数计算得到单位面积作物需水量Wc，再根据作物单位面积产量及总产量即可计算出作物单位虚拟水含量及总虚拟水量。计算过程借助自编程序、修正的标准彭曼公式和Excel实现。

2 结果分析

计算1978—2013年河南省不同类型的农作物单位质量虚拟水含量及虚拟水总量、2013年河南省各行政区主要农作物单位质量虚拟水含量表及虚拟水总量，在此基础上，得到河南省各行政区域虚拟水分级图。

2.1 主要农作物虚拟水差异

某种农作物的单位质量虚拟水含量乘以该年作物总产量，即得到作物的虚拟水总量。虚拟水总量反映了某年生产该种作物的总体用水规模，计算了主要农作物虚拟水量的多年平均值及其变异，以便更好地分析不同作物类型间用水的变化(表1)。河南省多年平均虚拟水量最高的为小麦，其多年平均值为233.8亿m3，其次为玉米、蔬菜(包括叶类蔬菜和茄类)、棉花、花生、油料作物。2013年河南省主要农作物所含的虚拟水总量为623.9亿m3，其中小麦为304.8亿m3，玉米为127.9亿m3，蔬菜为95.5亿m3，花生为39.1亿m3，棉花为18.6亿m3，它们占到主要作物虚拟水量的93.9%。

表1 河南省主要农作物1978—2013年虚拟水总量亿m3Tab.1 Total virtual water of the main crops in Henan Province from 1978 to 2013

2.2 单位质量虚拟水含量的时间特征

根据图1计算得到6种作物逐年的单位质量虚拟水含量(全省每种作物单位面积作物需水量Wc为河南省气象站点计算值的平均)(表2)。在农作物类型中，棉花的单位质量虚拟水量最高，多年平均为8 077.4 m3/t，特别是在1978，2003年，分别达到了18 945.1，14 020.1 m3/t，其次为油料作物、花生、小麦、玉米，单位质量虚拟水含量最低的为蔬菜，多年平均仅为160 m3/t，但其值在12年间变化很小。除油料作物外其他农作物在1978年单位质量虚拟水含量最大，且基本趋势表现为随时间逐渐下降，主要因为所有农产品单位面积产量不断提高。在农作物单位质量虚拟水含量随时间下降的总体趋势下，又表现为中间的波动，1995—2013年中，2003年出现峰值，因为2003年河南省遭遇气象灾害，几乎所有农作物单位面积产量降低，其他时期表现为下降大趋势下的小波动，这些特征反映出的某种信息还需要进一步探讨。1978—2013年间，每种农作物单位质量虚拟水含量的变异系数值变化花生最大，达到0.62，蔬菜最小为0.20。由虚拟水计算公式分析，农作物单位质量虚拟水含量的差异取决于该作物全生育期的潜在蒸散量、作物系数及单位面积产量等因子。从计算数据分析可知，作物不同年际间全生育期内潜在蒸散量变化不大，因此，其变异系数主要和作物单位面积产量密切相关，因此，提高作物单位面积产量是降低作物单位质量虚拟水量的重要途径。

表2 1978—2013年河南省主要农作物单位质量虚拟水含量m3/tTab.2 Virtual water of per unit about the main crops in Henan Province from 1978 to 2013

2.3 单位质量虚拟水含量的空间特征

根据2013年河南省各行政区主要农作物单位质量虚拟水含量表，在GIS软件中按照自然间断点方法进行分级，得出河南省内区域间虚拟水含量的差异(图2)。

2.3.1 小麦。小麦一直是河南省种植面积最大、产量最高的农作物类型，2013年河南省小麦单位质量虚拟水含量平均为722.5 m3/t，郑州市最高为1 417 m3/t，其次为三门峡，周口市最低为667 m3/t，高于平均值的按大小依次为洛阳、济源、信阳、平顶山、开封、南阳等。各地区之间的变异系数(Cv)值为0.25。从整体看，东部地区的周口、许昌、漯河较低，而黄河沿岸值偏大，向省南北两侧又逐渐减小。

图2 河南省2013年农作物单位质量虚拟水含量分级Fig.2 Classification of virtual water of the per unit in Henan Province in 2013

2.3.2 玉米。玉米是河南省在种植面积和产量上仅次于小麦的农作物，在农业中也占有非常重要的地位，全省平均值为700 m3/t，其中最高值出现在三门峡为998.2 m3/t，其次为信阳947.6 m3/t，高于全省平均值由高到低依次为郑州、开封，而平顶山、洛阳、南阳、济源、驻马店略高于平均值。最低为焦作，仅为571.6 m3/t，各地区之间的Cv值为0.19。从整体看，玉米虚拟水含量由西南向东北方向逐渐减少。

2.3.3 棉花。在所有农作物类型中，棉花单位质量虚拟水含量最高，全省平均值8 077.4 m3/t，是蔬菜的50.5倍，是小麦的7.6倍。最高鹤壁为9 912.6 m3/t，三门峡为9 123.3 m3/t，郑州、濮阳、平顶山、济源高于平均值，其他市均低于平均值，最低的周口为5 547.1 m3/t，全省的Cv值为0.17。全省棉花的单位质量虚拟水含量从东南向西北逐渐增加，周口、商丘一带最低，西北除洛阳外，值偏高。

2.3.4 花生。花生是河南省播种面积最大、产量最多的油料作物和经济作物，在国民经济和社会发展中占有重要地位。全省均值762.1 m3/t，济源市最高为1 736 m3/t，三门峡为1 567.1 m3/t，其他高于平均值的依次为许昌、漯河、郑州，最低值出现在周口，为709.4 m3/t，全省的Cv值为0.3，是所有农作物中最大的，说明其区域之间差异大，更需要根据单位质量虚拟水含量来选择优势地区。从整体看，花生单位质量虚拟水含量为东南、中部、西北值较高，而西南、西北和东部地区值较低。

2.3.5 蔬菜。蔬菜在2006—2013年间单位面积产量和总产量一直居全省首位。2013年的单位面积产量为40 741 kg/hm2，蔬菜在所有农作物类型中单位质量虚拟水含量最低，全省平均值仅为131.7 m3/t，最高信阳为181.9 m3/t，三门峡为165.9 m3/t，其他高于平均值的依次为郑州、驻马店、济源、濮阳、南阳、漯河，最低的安阳为109.9 m3/t，全省的Cv值仅为0.15，是差异最小的作物类型。从整体看，由西南向东北、由西向东逐渐降低。

2.3.6 油料作物(油菜籽、芝麻、大豆)。2013年，河南省花生产量471.4万t，这3种油料作物的产量189.6万t，前者为后者的2.5倍，2006—2010年间，基本也在2倍左右。单位质量虚拟水含量全省均值为1 583.8 m3/t，鹤壁最高2 439.3 m3/t，信阳为2 425.9 m3/t，其他高于均值的区域依次为郑州、济源、安阳、驻马店、三门峡，最低周口为1 164.6 m3/t，全省的Cv值为0.26。从整体来看，南部、北部值较大，而东部、中部值略小。把以上6种作物单位质量虚拟水含量乘以其2013年的产量，得到2013年河南省虚拟水含量加权分级图(图3)，可以看出，第一等级区域为三门峡、郑州、信阳;第二等级为平顶山、洛阳、济源、开封;第三等级为南阳、驻马店、新乡、鹤壁、安阳、濮阳;第四等级为漯河;最低为许昌、周口、商丘、焦作。从整体看，西部、南部虚拟水含量高，而北部、东部虚拟水含量低。

图3 2013年河南省虚拟水含量加权分级Fig.3 Weight classification of the virtual water in Henan Province in 2013

2.4 水资源总量与主要农作物虚拟水总量

根据河南省水资源数据［23］和2013年各地区主要农作物虚拟水总量，对比分析河南省各地市农作物生长发育需要的虚拟水总量与可利用的水资源总量之间的关系(表3)。河南省水资源总量地区分布不平衡，南阳、洛阳、信阳、三门峡4市占河南省水资源总量的50%，即西部、南部水资源总量相对丰富，这也是6种主要农作物单位质量虚拟水含量相对较高的地区。但这4个地区2013年小麦总产量为全省的19%，玉米为全省总产量的15.9%，油料作物为35.5%，棉花为20.2%，水资源量的地区分布与农作物产量地区分布之间不平衡［24］。表3中河南省只有洛阳、平顶山、三门峡、济源4个地区水资源总量大于该地区的农作物虚拟水含量，而其他地区水资源总量则不能满足农作物需水的要求。说明在河南省提高作物单位面积产量和水资源利用效率是解决目前整体缺水状况的有效途径。

表3 2013年河南省水资源总量与主要农作物虚拟水量Tab.3 The total water resources and the total virtual water of the main crops of Henan Province in 2013

3 结论与讨论

在研究的作物类型中，棉花的单位虚拟水含量多年平均最高，达到8 294.3 m3/t，其次为油料作物、花生、小麦、玉米和蔬菜。但每种作物单位质量虚拟水含量有逐年降低的趋势，期间有小的波动，主要是受到农作物单位面积产量的影响，而单位面积产量易受气象条件影响，所以，减少气象灾害对农业的影响、提高单位面积产量是降低农产品单位质量虚拟水含量的重要途径。在空间分布上，6种作物单位质量虚拟水之间及区域之间存在差异，从作物类型看，棉花的单位质量虚拟水含量最高，其全省平均值是蔬菜的50.5倍，是小麦的7.6倍，是玉米的8.7倍。单从用水角度看，生产棉花相对于其他作物类型来讲是不经济的。从区域间看，棉花单位质量虚拟水含量最高的2个地区为鹤壁、三门峡，分别为9 919.6，9 129.4 m3/t，最低的是周口、商丘，分别为5 553.2，5 686.9 m3/t，即在周口种植棉花比在鹤壁种植每t可节约水4 366 t。小麦单位质量虚拟水含量最低的2个地区为周口、许昌，这2个地区的小麦分别比最高的三门峡每t节约水695，634 t，即三门峡的单位质量小麦耗水量是周口和许昌的2倍。玉米单位质量虚拟水含量最低的为焦作、商丘，蔬菜单位质量虚拟水含量最低的为安阳、鹤壁，花生单位质量虚拟水含量最低的为周口、商丘，油料作物单位质量虚拟水含量最低的为周口、洛阳。河南省水资源空间分布极其不平衡，从比较优势理论的角度来讲，应该从宏观上调整河南省农作物的空间布局，达到水资源的节约有效利用。

通过对河南省主要农作物虚拟水量的时空分布格局探讨，可以了解河南省主要农作物生长发育期间需水量的时空分布规律，辨析农业需水的基本特征，为农业生产的合理布局及种植结构的调整提供理论依据。

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