新疆于田绿洲2015年农业景观要素水足迹计算

黄秀艳，师庆东

(1.新疆大学资源与环境科学学院，乌鲁木齐830046；2.新疆绿洲生态重点实验室，乌鲁木齐830046；3. 新疆大学干旱生态环境研究所，乌鲁木齐 830046)

0 引 言

随着我国人口的增长和社会经济的发展，人类活动对生态环境的影响越来越大，由此引发的生态环境问题也日益突出[1]。西北干旱区位于亚欧大陆中心，远离海洋且四面环山，气候干旱，水资源短缺，水资源已经成为影响我国干旱区环境与发展的限制因子[2]。新疆作为典型的干旱半干旱地区，水资源短缺是其基本特征，社会、经济与生态环境用水矛盾突出。其中荒漠绿洲是干旱区重要的生态系统，是一种独特的人地关系和自然景观[3]。水是绿洲流域中下游经济发展和生态平衡的纽带，其数量和分布直接影响着景观的荒漠化和绿洲化进程。

J. Anthony Allan于1993年提出了“虚拟水”的概念，即指农产品生产过程中所消耗的水资源数量[4]。Hoekstra于2002年在虚拟水的概念上提出水足迹的概念，它是以水资源消费为基础的指示器，建立了水资源与人类消费模式之间的关系，将水资源问题拓展到社会经济领域，因而是当前衡量人类活动对水资源系统影响的最好指标[5,6]。马静、王红瑞等对中国区域的农产品及畜产品水足迹分别进行了计算[7-9]，高孟绪等运用GIS技术对中国人均水足迹进行了计算[10]，董蒙等运用投入产出法计算分析了新疆2012年的水足迹[11]，景观尺度能更好地表达和研究人类所生存环境的结构、功能和过程，与人类活动密切相关。现有的绿洲景观格局变化的研究主要集中在生态水文效应的研究[12]，耗水研究主要集中在河道内及河道外的生态需水研究，主要在于建立不同的模型对植被进行耗水计算[13-15]，对于干旱区绿洲内各类农业景观的水足迹计算研究较少。

农业主要包括种植业、林业、畜牧业和渔业等。而于田县是典型的荒漠绿洲，以农业为主，有着独立灌溉系统的中等农业县。种植业主要以种植小麦、玉米为主，瓜果有葡萄、果用瓜等，畜牧业主要以羊为主，禽肉及奶类等为辅，其渔业不发达，仅有少量的水产品。尤其是国务院发布《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》后，更应减少农业用水量，提高水的利用效率[16]。

因此，本文以于田绿洲为研究区，从种植业、林果业、畜牧业及渔业四个角度，依据2016年新疆及于田县统计年鉴，利用FAO提供的Climate、Cropwat数据库等数据计算于田县各类农业景观要素的水足迹。以期为该绿洲合理利用水资源，解决水资源短缺与粮食安全、生态环境等问题，优化配置水资源提供参考。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

新疆地处亚欧大陆腹地，气候极端干旱，降水稀少，资源性缺水十分突出。于田县位于新疆塔里木盆地南缘，是典型的荒漠绿洲，水资源就显得尤为重要。于田县隶属于新疆和田地区，东临民丰县、西临策勒县，南靠昆仑山，北临塔克拉玛干沙漠与沙雅县相接，素有中国大芸、中国胡杨、中国探险旅游之乡等美名[17]。县辖2个镇、13个乡，土地总面积为39 126.14 km2，是以维吾尔族为主的少数民族聚居区，其地势南高北低，南北高差3 500 m。于田县属暖温带内陆干旱荒漠气候，地处内陆腹地，平均蒸发量为2 420.23 mm，平均降水量为47.7 mm，平均相对湿度为42%，自然条件恶劣，经济发展缓慢。

于田县植被总特点为：结构单一，种类稀少，覆盖度低，但自然植被多具有耐旱、耐风沙、耐盐碱等特征。且自南向北形成高山、绿洲、戈壁、沙漠等地貌单元，并有典型的冰川、冻土、火山、沙漠等地貌类型。

1.2 数据来源

所用计算数据包括：①FAO的CLIMWAT数据库(http：∥www.fao.org)中有关于田部分的数据以及CROPWAT软件；②国际上有关虚拟水研究的中国主要农畜产品单位质量虚拟水含量；③2016年新疆及于田统计年鉴；④2015年于田县气温及降水数据。

1.3 主要农业要素水足迹计算

1.3.1 作物生长用水量

一个国家或地区的水足迹定义为该国家或地区的居民生产和服务的水资源需求总量[18]。而作物生产水足迹包括作物生长用水量和引起的污染用水量。作物生产水足迹包括以下三个部分：绿水足迹、蓝水足迹以及灰水足迹。其计算公式如下：

Wproc=Wgreen+Wblue+Wgrey

(1)

根据联合国粮农组织(FAO)的作物需水量和作物产量资料，分别计算于田县主要农业要素的绿水及蓝水虚拟水含量，即作物生长用水量。

(2)

Wcn=Wgreen+Wblue

(3)

式中：Vcn代表区域n作物c的虚拟水含量，m3/t；Wcn代表区域n作物c生长期内每公顷作物需水量，m3/hm2；Wgreen及Wblue代表区域内每公顷作物所需绿水及蓝水量；Ycn代表区域n作物c每公顷产量，t/hm2。

作物需水量是通过计算作物整个生长期内累积的土壤蒸发量ETc获得，ETc是根据联合国粮农组织推荐的修正的标准彭曼公式计算：

ETc=ET0×kc

(4)

(5)

式中：ETc为作物土壤蒸发量，mm/d；ET0为参照腾发量，mm/d；kc为作物系数；Rn为作物表面的净辐射量，MJ/m；G为土壤热流量，MJ/m；T为平均气温，℃；U2为离地面两米处风速，m/s；ea为饱和状态下的水气压，kPa；ed为实际水气压，kPa；Δ为蒸气压力曲线斜率，kPa/ ℃；γ为干湿度常数，kPa/ ℃。

1.3.2 作物引起的污染用水量

灰水足迹指以自然本底浓度和现有的环境水质标准为基准，将一定的污染负荷稀释至高于一定环境水质标准所需的淡水体积。采用《水足迹评价手册》[19]中的计算方法，某种作物或树木生长过程中的灰水足迹计算公式为：

(6)

式中：Y为作物产量，t/hm2。研究区地处干旱区，农田以灌溉为主不易形成地表径流，氮肥主要造成地下水的污染，根据相关文献[20]，氮肥淋溶率α设为0.1；每升饮用水中不能超过10 mg的氮，即Cmax为0.01 kg/m3；假设自然水体中氮的浓度为0，即Cnat为0 kg/m3。AR确定方法为：通过《新疆统计年鉴》分别得到于田县主要作物的施氮肥数据和种植面积，两者比值即为施氮率AR[21,22]。

1.4 动物产品水足迹计算

于田县畜牧业主要以牛、羊类为主，再加上奶类，禽蛋类。由于畜产品虚拟水含量计算较为复杂，而国内的研究数据又较为一致[23-26]。因此，本文借鉴前人的研究成果，最终确定出于田县主要畜产品单位质量虚拟水含量。计算了2015年于田县畜产品生产耗水量及城乡居民消费虚拟水含量。

表1 于田县畜产品单位质量虚拟水含量 m3/kgTab.1 The livestock products of unit mass Virtual Water content of Yutian County

2 结果与分析

2.1 主要农业要素生长需水量

根据2016年新疆统计年鉴，将新疆主要作物分为两大类：①农作物。农作物分为以下九类：粮食作物、薯类、棉花、油料、甜菜、蔬菜、果用瓜、苜蓿及特色农作物。粮食作物又可分为谷物及豆类；油料也可分为油菜、胡麻及葵花；特色农作物可分为番茄、辣椒、打瓜籽及啤酒花。其中谷物又包括水稻、小麦及玉米。②林果及坚果。林果主要有苹果、梨、葡萄、桃、杏及红枣；坚果主要有核桃等。计算于田县各类农业作物水足迹(表2)。

表2 2015年于田县主要作物Tab.2 The main crops in Yutian county in 2015

利用Cropwat软件计算于田县主要农业要素的蒸发蒸腾量，单位面积总需水量、单位面积绿水量和蓝水量。乘以于田县各农业要素播种面积，可得到于田县各农业要素总需水量、绿水量及蓝水量[27,28]。

为具体对比分析于田县九种农业要素的需水情况，计算2015年于田县各农业要素单位质量虚拟水含量(图1)。通过对比发现，于田县主要农业要素单位质量虚拟水含量棉花最大为5.78 m3/kg，小麦次之为0.97 m3/kg，棉花的单位质量虚拟水含量是小麦的近6倍。然后分别为葵花、苜蓿、玉米、薯类、葡萄、蔬菜以及果用瓜，其单位质量虚拟水含量依次为0.90、0.74、0.68、0.26、0.16、0.14及0.14 m3/kg。由此可知，棉花为于田县主要耗水作物，蔬菜及果用瓜的单位质量虚拟水含量相同，且虚拟水含量都最少。棉花的种植面积为0.536 万hm2，占于田县作物种植的13.03%，可在不减少棉花经济效益的基础上，合理减少棉花的种植面积，增加非耗水作物的面积，对于田县合理利用水资源及可持续发展有重要作用。

图1 2015年于田县单位质量虚拟水含量Fig.1 The Unit mass Virtual water content in Yutian County in 2015

通过比较于田县各主要农业要素需水量(表3)，发现于田县作物生长总需水量为2.30 亿m3/a。小麦总需水量最多，为0.652 亿m3/a，占于田县总需水量的28.35%，薯类总需水量最少，为23.0 亿m3/a。小麦及薯类都主要依靠蓝水，也就是灌溉用水量来生长，小麦所需蓝水最多，为0.630 亿m3/a，薯类所需蓝水最少，为22.3 万m3/a，所消耗的蓝水分别占各自总需水量的96.28%和95.87%。说明薯类虽所需蓝水最少，但薯类在生长过程中，较为依赖蓝水。葡萄在生长过程中，其所需蓝水量占总需水量的74.95%，说明葡萄对绿水的利用率较其他农业要素更高。

表3 于田县主要农业要素需水量Tab.3 The amount of virtual water of main crops in Yutian

2.2 主要农业要素污染用水量

通过年鉴中于田县各农业要素施氮肥量，并结合主要要素面积权重来计算于田县主要农作物的施氮肥量，进而通过公式计算各农作物灰水足迹(表4)。2015年于田县总灰水足迹为66.8 万m3，其中，棉花的总灰水足迹最大，为31.4 万m3，占总灰水足迹的47.03%，小麦次之，为18.3 万m3，占总灰水足迹的27.33%，玉米的总灰水足迹为12.5 万m3，占总灰水足迹的18.67%，棉花、小麦及玉米共占于田县总灰水足迹的93.03%，且其单位质量灰水也较大。

表4 2015年于田县主要农业要素灰水足迹Tab.4 The grey water footprint of the main crops in Yutian in 2015

2.3 畜产品生产耗水量

根据畜产品单位质量虚拟水含量，结合于田统计年鉴畜产品产量，计算畜产品生产耗水量(表5)。2015年于田县畜产品生产耗水量共计3.13 亿m3。其中，羊肉所需水量最多，为2.02亿m3，占总畜产品需水量的64.4%。

表5 2015年于田县畜产品生产耗水量Tab.5 The livestock production of water consumption of Yutian County in 2015

2.4 城乡居民农业要素虚拟水消费量

利用新疆统计年鉴中居民平均每人全年主要食品消费量、于田县城镇居民人数、乡村居民人数等相关统计结果，计算了2015年于田县城乡居民对主要农畜产品虚拟水消耗量。

城乡居民虚拟水消费总计2.27 亿m3(表6)。从于田县各产品消费总虚拟水量来看，城镇居民与乡村居民的虚拟水消费量分别为0.712 亿m3和1.56 亿m3，相差较大，这是由于于田县乡村居民人数比城镇居民人数多造成的。其中，谷物所消费的虚拟水量最多，为8 617.8 万m3，薯类所消费的虚拟水量最少，为4.7 万m3。说明于田县以谷物为主要消费产品，其他产品消费为辅。

表6 2015年于田县城乡居民消费农畜产品虚拟水含量Tab.6 The products consumed by the urban and rural residents of the virtual water in Yutian in 2015

3 结 语

3.1 讨 论

本文主要从农畜产品生产水足迹以及城乡居民消费农畜产品虚拟水含量两方面来计算2015年于田县农业景观要素生产及消费水足迹。

通过计算于田县主要农业要素生产水足迹，可以发现小麦总需水量及蓝水量都最大，其次是玉米，说明于田县小麦生长主要依靠灌溉用水量；种植棉花会导致于田县农业用水大大增加，增加于田县用水压力。各要素灰水足迹表明，棉花的单位质量灰水足迹最大，为0.60 m3/kg，可能是因为棉花在生长过程中，对肥料的利用率较低。其次，棉花、小麦及玉米三者的灰水足迹占于田县总灰水足迹的93.03%，说明这三者的种植对水资源的污染最为严重。畜牧业及渔业生产水足迹表明，羊肉及牛肉为于田县主要畜产品。因此，可以知道，小麦、玉米、棉花、羊及牛是于田县农业的优势种。

从城乡居民对主要农业要素虚拟水消耗量中可看出，乡村居民对谷物需求远高于城镇居民，对于其他农产品，如薯类、油料等，基本上是乡村居民需求量大于城镇居民。第二，羊肉为于田县主要消费的畜产品，占总畜产品消费的53.86%，这可能与于田县少数民族占多数有关，而对于禽肉、水产品及奶类，城镇居民需求高于乡村居民。说明于田县乡村居民对于农产品的需求较高。

从可持续发展角度考虑，在保证棉花经济效益的基础上，可适当的减少棉花种植面积，适量增加单位质量虚拟水含量及总需水量较小的农业要素的种植面积，以减少于田县灌溉用水量；其次，最好能够减少污染源流失或适量减少肥料的施用量，并提高肥料的利用率，以减少对水资源的污染，减轻于田县用水压力。对解决水资源短缺与粮食安全、生态环境等问题，优化配置水资源提供参考。另外，本文仅考虑了氮肥的污染，未考虑其他化肥及农药的污染，计算的灰水足迹会偏小。第三，羊肉的生产水足迹远大于消费水足迹，因此，可适量减少于田县羊肉的产量，来减轻于田县用水压力。第四，于田县作为水资源短缺的地区，水资源极大地影响了粮食的生产和安全，虚拟水贸易是一种新的水资源供应方式，可以调节于田县粮食安全及水资源安全。因此，于田县也可通过进口虚拟水来缓解缺水带来的压力。但一个国家或地区对进口虚拟水过分依赖会使其经济发展受限，因此，在进口虚拟水时，应采取合理措施，合理分配及利用当地水资源，使水资源的利用效率得到提高，以此来更好的解决水资源短缺的问题。

3.2 结 论

本文通过计算2015年于田县农业景观要素生产水足迹及城乡居民消费农畜产品虚拟水含量得到以下结论：

(1)于田县主要农业要素中单位质量虚拟水含量棉花最大为5.78 m3/kg，小麦次之为0.97 m3/kg，接下来依次为葵花(0.90 m3/kg)、苜蓿(0.74 m3/kg)、玉米(0.68 m3/kg)、薯类(0.26 m3/kg)、葡萄(0.16 m3/kg)、蔬菜(0.14 m3/kg)以及果用瓜(0.14 m3/kg)。其次，小麦总需水量最多，占于田县总需水量的28.35%。

(2)棉花无论是总灰水足迹还是单位质量灰水足迹都最大，棉花、小麦及玉米共占于田县总灰水足迹的93.03%，且此三者单位质量灰水足迹也较大。

(3)于田县农业景观水足迹中，种植业及畜产品生产水足迹分别为：2.31 亿m3及3.13 亿m3，二者消费水足迹共为2.27 亿m3。

(4)从于田县城乡居民消耗农畜产品来看，除禽肉、奶类及水产品外，乡村居民消耗均高于城镇居民消耗。

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