黑龙江省农业播种水足迹及其变化趋势分析

赵 恩，张丽丽，王天祎，李程宇

(1.河海大学设计研究院有限公司，南京 210098；2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080；3.山东省沂南县第一中学，山东 沂南 276300)

0 前 言

农业生产不仅需要投入大量的水资源，还会产生面源污染而对水环境产生影响。提高农业用水效率并控制用水总量对区域农业生产和水资源可持续利用有重要的目的[1-2]。水足迹被定义人类活动对水资源的真实利用，可以从水量和水质两方面量化生产活动水资源的利用和影响[3]。具体到农作物生产活动，农作物水足迹为作物播种和生长过程中的水资源需求量，可以分为蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹[4]。蓝水足迹和绿水足迹分别为作物对蓝水资源和绿水资源的需求量，农业蓝水资源即为灌溉水，绿水资源为可能为作物生长过程消耗的有效降水量[5-6]。灰水足迹是用于稀释农业面源污染需要的水资源量。当前学者多农业生产用水效率和水足迹进行了大量的研究和分析，但是研究对象主要针对粮食作物[7-9]。粮食生产具有重大的现实意义，同时，大部分地区的粮食作物在播种规模、水资源利用以及水足迹上均占主要地位，这是农业水足迹分析多针对粮食作物的主要原因。但是不考虑其他作物难以明晰区域农业生产行业对水资源的实际需求，从而不能为区域水资源合理配置、种植结构调整等策略的实施提供全局的信息。

作为中国最重要的粮食主产区之一，黑龙江省的农业生产及其水资源利用情况受到极大的关注和研究，包括水资源利用效率和农业水足迹的分析[10-11]。但是均为某一年份针对特定作物或粮食作物，在对该省种植业对水资源的需求的总体研究还存在不够全面，这样不能分辨各类作物或粮食作物水足迹在种植业用水中的地位极其随时间变化趋势。为此，文章从黑龙江省1996-2015年农业播种水足迹出发，量化不同种类作物水足迹，分析农业水足迹及其构成的随时间变化过程，为区域农业水资源管理提供参考。

1 农业播种水足迹计算

农业播种水足迹计算为一个区域种植所有农作物而产生的水足迹，可以衡量研究区种植业对水资源的真实需求。农业播种水足迹为各种作物水足迹之和，每种作物的水足迹(CWF)又可划分为蓝水足迹(CWFblue)、绿水足迹(CWFgreen)和灰水足迹(CWFgrey)：

CWF=CWFblue+CWFgreen+CWFgrey

(1)

式中：CWFblue与CWFgreen之和等于作物蒸发蒸腾量，可以利用联合国粮农组织推荐的彭曼公式计算得出。灰水足迹的根据化肥中氮的流失而需要的稀释水量来计算：

CWFgrey=(α×AR)/(cmax-cmin)

(2)

式中：α为总氮流失量率，通用标准为10%；AR为化肥中总氮流失量；cmax与cmin分别为环境容许的最大浓度和实际浓度，cmax来自国家水环境标准，cmin为一般取0。文章计算的作物为黑龙江省的所有农作物，包括小麦、玉米、稻谷、豆类、薯类、油料、花生、甜菜、麻类、烟叶以及水果等，与统计年鉴分类相对应。

2 黑龙江省农业播种水足迹

黑龙江省在1996-2015年农业播种水足迹的平均值约为603.0亿m3，其中蓝水、绿水和灰水足迹分别为71.3、414.6及117.2亿m3，分别占总量的11.8%、68.8%和19.4%。计算出1996-2015年历年的黑龙江省农业播种水足迹总量与蓝水足迹、绿水足迹及灰水足迹量和比例，见表1。

表1 1996-2015年黑龙江省农业播种水足迹及其组成

续表1 1996-2015年黑龙江省农业播种水足迹及其组成

表1显示，全省农业播种蓝水足迹、绿水足迹、灰水足迹以及总水足迹均呈现随时间稳定上升的趋势，水足迹总量由1996年的517.8亿m3增大到了2015年的700亿m3以上。说明黑龙江由于作物播种和农产品生产对水资源的需求一直在增加。绿水足迹在所有年份均明显>蓝水足迹和灰水足迹，约分别为蓝水和灰水足迹的5.8倍和3.5倍。绿水是黑龙江农作物生长发育所需水资源的最重要来源，在维持该地区农产品正常生产和粮食安全保障的重要水资源基础。绿水足迹在1996-2006年间呈有规律的升高趋势，由355.9亿m3持续增长到395.5亿m3。而在2007-2015年间一直保持在465亿m3左右，未见明显变化趋势。蓝水足迹和灰水足迹在2000-2005年间有一个微弱的跌落区间，但是并不影响二者增加的趋势，分别由初始年份的53.9与108.8亿m3增大到最近年份的94.9及149.1亿m3，且蓝水和灰水足迹均在2015年达到历史最大值。虽然蓝水和灰水足迹在20a间的净增加量基本相等，均为41.0亿m3左右，但是也由于灰水足迹的基数一直明显>蓝水足迹，所以在所有年份蓝水足迹均<灰水足迹。蓝水、绿水及灰水足迹的变化趋势不同于主要由它们的影响因素去作物需水量、作物播种总面积、施肥情况等决定的。

从各水足迹组分所占比例来看，三者均有不同表现：蓝水足迹占总水足迹的比例呈持续增大趋势，由1996年的10.4%增大到最近5 a的13.5%左右；绿水足迹比例的初始值为68.6%，与年均值非常接近，随后出现先上升后下降的态势，在2003年达到73.0%的最大值，近三年下降到65.5%左右，低于1996年；与绿水足迹比例变化趋势相反，灰水足迹比例随时间先下降后上升，经历了2000-2008年的低值区间之后，在2015年达到21.0%，与1996年别列为研究时段的最大值。总的来说，黑龙江省种植业生产对水资源的需求一直在增大，这主要是由该地区农业生产规模、种植结构、灌溉面积等农业生产条件的变化决定的。绿水支撑了作物生长发育所需水资源的绝大部分，蓝水足迹虽然在总水足迹比例较小，但是其水量已经接近了100亿m3，在考虑该地区灌溉水利用效率不高，所以对农业灌溉的投入和灌区管理的任务仍然繁重。灰水足迹是农业生产对环境的影响评价，该部分比例在黑龙江省一直稳定在1/5左右，甚至明显大于蓝水足迹，这说明农业生产对水环境的影响应该引起重视。蓝水、绿水和灰水足迹占总水足迹的比例在均在稳定、动态变化过程当中，但是不会对总体格局产生影响。

3 农业播种水足迹构成及其变化

各个作物水足迹占总播种水足迹的比例变化可以反映出全省农业播种水足迹变化的原因。由各个作物水足迹计算结果可发现，薯类、油料、花生、甜菜、麻类以及烟叶等几类作物水足迹均不足5亿m3，故将这些作物水足迹统一考虑为其他作物。为此，所有作物归纳为小麦、玉米、稻谷、豆类、水果及其他六类。历年各类作物水足迹占总农业播种水足迹的比例如图1所示。

图1 历年各类作物水足迹占总量的比例变化

小麦、玉米、稻谷、豆类、水果及其他作物水足迹占总量比例年均值分别为3.9%、27.1%、23.9%、28.6%、13.4%以及3.9%。作物水足迹占水足迹总量的比例随时间变化趋势可以衡量出该作物需水规模在黑龙江省地位的变化情况。从图1可以看出，各类作物水足迹占总量比例均随时间发生了明显的变化。具体来说，小麦水足迹比例持续下降，有初始的接近10.0%降低到近3a不足1.0%，其中2015年仅为0.4%左右，小麦生产及其对水资源影响的地位几乎可以忽略；稻谷水足迹比例在经历前10a的波动变化后，从2006年开始显著增大，从20.0%左右增大到近3a达到30.0%以上；玉米水足迹比例与稻谷拥有相似的变化规律，由1996年的25.0%左右增大到2015年的40.9%；豆类水足迹比例的变化趋势不同于其他任何作物，由初始值为22.0%左右逐渐上升至2005年的38.5%，此后一路下降，并于2015年跌落至18.1%，甚至低于1996年的值；水果与其他类别作物水足迹比例均呈现下降趋势，分别由21.2%和6.6%降低到8.8%与0.9%。2015年玉米、稻谷、豆类三大类作物水足迹之和达到了637.3亿m3，占黑龙江省农业播种水足迹的89.9%，接近90.0%。包括玉米、稻谷以及豆类等粮食作物水足迹在该省占主导地位，这受黑龙江省近年逐渐转变为我国最重要的粮食主产区、粮食作物播种和商品粮生产的任务加重影响。为了从水足迹上观察这种转变过程，计算出历年粮食作物(包括小麦、玉米、稻谷、薯类以及豆类)水足迹及其占农业播种水足迹的比例，见图2。

图2 历年黑龙江省粮食作物水足迹及其占农业播种水足迹比例

从图2可以清晰地看出，粮食作物水足迹及其比例均呈现随时间增加的总体趋势。然而，粮食作物水足迹值并不是有规律或者均匀地增加，而是在2006-2007年间出现跳跃式增长。1999-2006年间，粮食作物水足迹在400-450亿m3之间波动性增长，而在2007-2015年基本保持在600-640亿m3之间稳定增加。粮食作物水足迹之和由1996年的389.2亿m3增大到2015年的643.4亿m3，这主要与粮食作物播种规模的变化规律有关。粮食作物水足迹占总量的比例随时间一直升高，2015年达到了91.8%。粮食作物水足迹的增大是黑龙江省农业播种水足迹增大的主要原因。农业播种水足迹增大使得农业生产可能从蓝水、绿水和灰水的角度增大了对水资源或者水环境的影响。维持农业生产用水过程的正常进行和农产品的持续供应需要加强农业水资源管理或水足迹调控。然而蓝水、绿水和灰水足迹的性质不同、其利用、管理和调控措施也存在差异，所以分析各自在农业播种水足迹变化的地位可以明晰水足迹变化与作物水足迹组成之间的关系不仅可以了解种植结构变化对水足迹及其构成的影响，也可以为未来水足迹调控措施的制定与实施提供依据。观察发现，图1中分类的各类作物水足迹构成在20a间均无明显变化，故计算出各类作物蓝水、绿水及灰水足迹比例在1996-2015年的平均值，比较不同种类作物水足迹构成及其对区域水足迹变化的潜在影响，结果如图3所示。

图3 1996-2015年各类作物水足迹构成比例

图3显示，虽然绿水在水足迹中均占主体地位，但不同作物种类间蓝水、绿水及灰水足迹的比例差异较大。豆类绿水足迹占作物水足迹总量的90.2%，接下来为其他作物的77.6%和玉米的71.1%。水果和小麦的绿水足迹比例也超过了一般，分别为65.2%和52.4%，大于最低值稻谷的43.8%。玉米、豆类和其他作物的蓝水足迹比例非常低，仅分别为2.5%、2.1和1.3%，水果的蓝水足迹比例也较低，为5.5%左右。说明在黑龙江绝大部分种类的农作物对灌溉水的依赖较小，即在不灌溉的情况下就能获得较高产量。小麦和稻谷的蓝水足迹比例较大，分别达到了26.6%和36.6%，这两种作物需依赖大量的灌溉才能获得较高的农产品收获。灰水足迹比例方面，仅豆类较低，为7.1%左右，这是因为大部分豆类作物拥有固氮作用从而减少了对化肥的需求，进而降低灰水足迹比例。稻谷灰水足迹比例为19.6%，其余四类作物的灰水足迹比例均超过了20.0%，其中水果最大，为29.3%。

结合表1、图1以及图3可以发现，黑龙江农业播种水足迹的增加主要受稻谷和玉米水足迹的增大影响。其中总蓝水足迹的增长主要受稻谷蓝水足迹的增加和蓝水比例较大决定，而玉米在总绿水足迹的增大中起到了主要作用。稻谷和玉米共同对总灰水足迹的增加起到推动作用。豆类灰水足迹较低，但是其水足迹占农业播种水足迹比例在2006年之后急剧减低，使得其灰水足迹较低的优点没有得到充分发挥。总的来说，种植结构改变在黑龙江省农业播种水足迹变化中起到重要作用。

4 总 结

水足迹可以水量消耗和污染两方面衡量区域农业生产过程对水足迹的真实需求。文章研究发现，黑龙江省农作物播种水足迹呈现明显的随时间增大的趋势，在2015年超过了700亿m3，而其中的近92.0%是由粮食作物产生的。其中稻谷和玉米的水足迹的增大是农业播种水足迹增长的直接原因。对粮食作物水足迹进行调控和管理是降低农业播种水足迹的重点领域。未来应该注重稻谷生产过程灌溉水资源管理、既提灌溉水资源利用效率可以减缓区域农业播种蓝水足迹的增加速度，而对玉米等作物绿水利用效率加以研究对区域农业播种绿水足迹的调控有重要意义。所有作物种植技术的提高从而降低区域农业播种灰水足迹是实现水环境可持续的重要措施。优化种植结构，提高灰水足迹较低作物的种植比例也是控制区域农业灰水足迹从而维持水环境安全的重要的措施。

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