基于虚拟水理论的功能农业示范区玉米种植水足迹研究——以山西太谷为例

张 鑫，李 磊，于 斐，王春玲

（1.山西农业大学城乡建设学院，山西 太谷 030801；2.山西省环境科学研究院，山西 太原 030027；3.齐鲁工业大学环境科学与工程学院，山东 济南 250353）

人类活动会消耗和污染大量的水资源。其中，农业生产消耗了大部分的水资源，还有相当一部分水资源用于工业生产和人类生活。在我国，自改革开放以来，经济的快速发展加剧了大量水资源的消耗和污染，社会各部门对水的需求量给农业用水带来巨大压力。我国作为农业大国，面临着严峻的水资源压力，根据国家统计局数据，2016年农业用水量3 768亿m3，占全国总用水量的62.4%，农业用水90%以上用于灌溉，灌溉用水有效利用系数仅为0.542，被浪费掉的水资源有1 553亿m3。优化水资源配置、提高单位农产品的用水效率，可以有效促进农田节水的健康发展，促进水资源的高效利用，缓解水资源压力。

“水足迹”理论是荷兰学者HOEKSTRA[1]基于虚拟水（virtual water，VW）概念提出的，借此可以更加全面地理解产品中真实的水资源消费与需求[2]。水足迹评价手册指出，水足迹是消费者或生产者直接或间接使用水资源的衡量指标，包括水资源的消耗量和污染量[3]。作物生产水足迹可以反映农业生产过程中的水资源利用效率及其真实的占有量[4]，结合当地的水资源情况，实现水资源的合理利用，提高水资源利用率，保护生态环境，促进农业的可持续发展。SUTTAYAKUL等[5]研究发现，泰国油棕的平均水足迹为1 063 m3/t，蓝水、绿水和灰水分别占68%，18%，14%；HUANG等[6]研究了给北京供应的谷物和蔬菜的水足迹，结果表明，在北京地区种植谷物较种植蔬菜减少蓝水和灰水的消耗；秦丽杰等[7]对吉林省西部的玉米水足迹进行了研究，结果表明，绿水是玉米生长的主要水源，只有保护好当地的绿水资源，才能保证其生产的可持续发展。

功能农业作为继高产农业、绿色农业之后第3个农业发展的阶段，是生态高值农业发展的进一步延伸，可以推动农业供给侧结构性改革，提升农业资源的可持续发展能力，促进生态系统的持续良性循环[8]。对功能农业示范区主要作物的水足迹进行研究，可以全面了解示范区内各种水资源的利用效率，对减缓水资源压力，实现农业水资源的长期可持续利用以及当地生态系统的平衡、稳定的良性循环有着重要意义。山西太谷作为山西功能农业的龙头，致力于建设全国功能农业综合示范区，将功能农业培育成山西农业农村发展的“新动能”。

本研究应用虚拟水理论方法，借助《山西省统计年鉴》资料，分析2000—2015年太谷主要农作物玉米种植水足迹的时空变异规律，以期对当地的生态可持续发展提供资料支持和决策参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

太谷县位于山西省晋中盆地东北部，降雨比较少，全年可利用的地面水和地下水资源总量为1.71亿m3，人均水资源量仅为562.6 m3，水资源严重短缺。太谷县总面积1 033.6 km2，地理位置为东经 112°28′～113°01′，北纬 37°12′～37°3′，属于暖温带大陆性气候，年平均气温为7～10℃，年降水量为458 mm左右，海拔多为767～1 900 m，全县辖3镇6乡198个行政村。

1.2 研究方法

1.2.1 绿水足迹 绿水足迹是储存在非饱和土壤层中并通过植被蒸散消耗掉的绿水资源，绿水有益于作物生长，但并不是所有的绿水都能被作物利用。农作物的绿水足迹是指来自田地或者农场的雨水总蒸散量与储存在农作物内的水分。农业消耗的绿水可以通过采用模拟作物蒸散发的模型进行测量或评价，而这些模型往往以气候、土壤或作物特征为基本输入数据[3]。

其中，WFgreen为绿水足迹（m3/a）；CWUgreen为玉米生长绿水消耗量（m3/hm2）；A为玉米播种面积（hm2）；ETgreen为绿水蒸散量（mm/d）；常量因子 10是将水的深度（mm）转化为单位陆地面积的水量（m3/hm2）的转换系数；总和∑求的是从种植日期（第1天）到收获日期的积累量（lgp表示生长期的长度，以日计量）；ETc是玉米蒸散量（mm）；Peff是有效降水量（mm）。

1.2.2 蓝水足迹 蓝水足迹是蓝水消耗的指标，也就是地表水和地下水的消耗指标[3]。在农作物的生长过程中，对蓝水需求量的衡量一般采用灌溉用水指标进行分析，蓝水主要来源于地表水、可更新地下水和深层地下水[9-10]。

其中，WFblus为蓝水足迹（m3/a）；CWUblus为玉米生长蓝水消耗量（m3/hm2）；ETblus为蓝水蒸散量（mm/d）。

1.2.3 灰水足迹 灰水足迹是衡量水污染程度的指标，是以自然本底浓度和现有的环境水质标准为基准，将一定的污染物负荷吸收同化所需要的淡水体积[3，11]。

其中，WFgrey为灰水足迹（m3/a）；α 为淋溶率，即进入水体的污染量占总化学物质施用量的比例；AR为每公顷土地的化肥施用量（kg/hm2）；Cmax为最大容许浓度（kg/m3）；Cnat为污染物的自然本底浓度（kg/m3）。

1.2.4 玉米生长过程水足迹 将玉米在整个生长周期中的绿水、蓝水、灰水足迹的量相加，即得到玉米生长过程水足迹，其表示玉米在整个生长周期中所消耗的水资源量。

其中，WF为玉米生长过程水足迹（m3/a）。

1.2.5 玉米生长过程水足迹效率 水足迹效率表示的是单位水足迹上产生的农业总产值数量，其值越大，说明水足迹的效率就越高；其值越小，则水足迹效率越低[12-13]。

其中，g为玉米水足迹效率（元/m3）；GDP为太谷县农业总产值（元）。

1.3 数据来源

计算数据来源包括：联合国粮农组织的CLIMWAT和CROP数据库中有关山西太谷的相关气候数据；太谷县玉米播种面积来源于《山西省统计年鉴》。对灰水足迹进行计算时，选取主要污染物氮肥为指标，并且取10%为氮肥淋溶率进行计算，在农业生产活动中，氮肥的主要淋失形态为硝态氮[14]，选取硝酸盐的标准浓度限值为10 mg/L，故Cmax为0.01 kg/m3，Cnat为污染物在水体中的初始浓度，常以 0 计[9]。

2 结果与分析

2.1 太谷县玉米生长过程水足迹分析

通过借助联合国粮农组织推荐的CROPWAT 8.0模型计算出玉米生长周期中的蒸散量ETc和有效降雨量 Peff，并根据公式（1）～（8）最终求出 2000—2015年太谷县玉米生长过程的水足迹（图1）。

由图1可知，太谷县2000—2015年玉米生长过程水足迹整体呈曲折上升的趋势，水足迹大小受当年玉米种植面积、农田灌溉技术及当年降雨量多少的影响。在2000—2003，2010—2011年呈下降趋势，其中，2000—2001，2010—2011年下降幅度较小；在其他年份均为上升趋势，其中，2003—2007年涨幅最大，同比增长93%。在这16 a中，2015年水足迹值最大，为1.48×109m3/a，2003年水足迹最小，为0.55×109m3/a，平均水足迹为1.04×109m3/a。

2.2 太谷县玉米绿水、蓝水、灰水足迹分析

2000—2015年太谷县玉米生长过程蓝水、绿水、灰水足迹的变化趋势如图2所示。由图2可知，蓝水足迹总体呈波动上升趋势，局部年份受降水、气候、播种面积等因素的影响有所降低，蓝水足迹最大值出现在2015年，为8.67×108m3/a，最小值出现在2003年，为3.36×108m3/a。在2001—2003，2010—2011年蓝水足迹呈下降趋势，其余年份为递增趋势，尤其2003—2007年增幅最大，增加了89%。

绿水足迹总体呈现缓慢增长趋势，整体变化幅度与蓝水足迹相比较小，在2001—2003，2010—2011年间为下降趋势，其余年份为小幅上升趋势，其最大值出现在2015年，为3.74×108m3/a，最小值出现在2003年，为1.45×108m3/a。

灰水足迹与绿水足迹的变化趋势大致相同，在2001—2003，2010—2011年间呈下降态势，其余年份为缓慢上升趋势，主要是受到当地玉米种植面积的影响。灰水足迹的最大值出现在2014年，为2.42×108m3/a，最小值出现在2003年，为0.70×108m3/a。灰水足迹的值主要取决于氮肥施用量和玉米播种面积的多少。

对2000—2015年这16 a的太谷县玉米生长过程中的蓝水、绿水、灰水足迹求平均值，得出绿水平均水足迹为2.67×108m3/a，蓝水平均水足迹为6.20×108m3/a，灰水平均水足迹为1.54×108m3/a。由图3可知，在太谷县玉米生长过程中，消耗最多的为蓝水，占比59.54%，其次为绿水，占比25.68%，消耗最少为灰水，占比14.78%。

2.3 太谷县玉米水足迹效率分析

水足迹效率可以用来分析太谷县农业总产值与玉米生长过程水足迹的关系，借助公式（9）得出2000—2015年太谷县玉米水足迹效率（图4）。总体来说，玉米水足迹效率的变化趋势并不规整，呈现上升—下降—上升—下降—直线上升的趋势，与水足迹的变化趋势不尽相同，主要原因是由于受到当年农产品收购价格的影响，水足迹效率在2000—2002，2004—2005，2008—2014年间为递增趋势，其余年份为下降趋势，其最小值为2004年的0.41元/m3，最大值为2014年的1.20元/m3，2014年为2004年的3倍，平均值仅为0.77元/m3，表明虽然太谷县玉米水足迹效率在明显提高，在单位量的水足迹上能够产生更高的经济效益，但同时也表明太谷县玉米水足迹效率仍处在一个较低的水平。

3 结论与讨论

3.1 结论

本研究借助CROPWAT 8.0软件定量分析了2000—2015年太谷县玉米生长过程水足迹的时空变化情况，并计算了各年的水足迹效率。结果表明，自进入21世纪以来，太谷县玉米生长过程水足迹整体呈曲折上升的趋势，其中，2003—2007年涨幅最大，同比增长93%，水足迹的平均值为1.04×109m3/a，最小值出现在2003年，为0.55×109m3/a，最大值出现在2015年，为1.48×109m3/a，2015年为2003年的2.7倍。

在2000—2015年间，蓝水足迹总体呈波动上升趋势，最大值为2015年的8.67×108m3/a，最小值为2003年的3.36×108m3/a；绿水、灰水足迹总体均呈现缓慢增长趋势，其中，绿水足迹最大值为2015年的 3.74×108m3/a，最小值为 2003年的1.45×108m3/a；灰水足迹最大值为2014年的2.42×108m3/a，最小值为2003年的0.70×108m3/a。绿水、蓝水、灰水足迹均在2001—2003，2010—2011年呈下降趋势，主要是因为在这几年间玉米播种面积降低。

在2000—2015年间，太谷县玉米生长过程水足迹均由蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹构成。其中，蓝水足迹占比最大，为59.54%，绿水足迹次之，为25.68%，灰水足迹占比最小，为14.78%。所以，在太谷县玉米生长水足迹过程中以蓝水足迹为主，这也体现了太谷县地处我国中部干旱、半干旱区域，降水稀少，水资源严重短缺，农作物的生长需水量主要依靠抽取地下水灌溉的实情。

自进入21世纪以来，玉米水足迹效率的变化趋势并不规整，呈现先上升后下降又上升、下降再直线上升的趋势，其最小值为2004年的0.41元/m3，最大值为2014年的1.20元/m3，为2004年的3倍，平均值仅为0.77元/m3，表明虽然太谷县玉米水足迹效率在明显提高，在单位量的水足迹上能够产生更高的经济效益，但同时也表明太谷县玉米水足迹效率仍处在一个较低的水平。太谷县政府乃至晋中市政府应趁着“农谷”发展的契机，优化农作物种植结构，加大农业科技的投入力度，研发功能性农产品，增加单位农产品的价格，从而实现太谷县农作物水足迹效率的稳步提高[15-16]。

3.2 讨论

本研究在对玉米灰水足迹进行估算时，只选取了氮肥中的氮素作为玉米生长过程中的关键污染物[17-18]，没有考虑其他化肥、农药等污染物引发的灰水足迹，因此，灰水足迹的估算结果可能略低于实际值，生长过程水足迹也比实际值偏小。本研究对太谷县主要农作物玉米生长过程水足迹以及水足迹的构成、水足迹效率进行了初步评价，可以间接反映出山西省中部其他干旱区现有农作物的水资源利用情况，对于合理调整太谷县乃至山西省中部农作物的种植结构、面积，缓解太谷县水资源压力，保护生态环境，促进当地经济社会的协调发展都有着重要的作用。

在山西省中部的干旱、半干旱地区发展旱作农业时首先应考虑农作物对水资源的消耗情况，优先考虑低耗水的农作物，合理配置种植比例，适当减少高耗水农作物的播种面积，对于高耗水农作物进行品种改良，从而缓解水资源严重短缺的局面。蓝水作为干旱地区主要农作物生长的主要水源，各级政府应该兴修农田水利设施，引进喷灌、滴灌等节水措施，逐步减少漫灌、沟灌等传统的浪费蓝水资源的灌溉方法，地方科研单位也应积极研发适合当地发展需求的节水技术；并且要积极植树造林、加强水土保持工程、降低土壤蒸发、适当开展人工降雨作业，提高绿水利用率；此外，在农作物生长过程中还应该优化施肥比例，要加大农家肥、有机肥的投入比例，减少氮磷肥的施用，不仅能降低农作物生长过程的灰水足迹，也能提高粮食的安全性；最后，各级科研单位应趁着“农谷”发展的契机，加大农业科技的研发力度，服务地方，研发功能型农产品，提高单位农产品的价格，提高农作物的水足迹效率。