河南冬小麦—夏玉米生产耗水结构及其时空差异分析——基于水足迹视角

秦娅青,王 锐,李瑞华,马守臣

(1.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院,河南 焦作 454000;2.国土资源部土地资源综合监测与持续利用野外科学观测研究基地,河南 焦作 454000)

1 引言

农业用水是粮食生产的重要基础资源[1]。随着工业、生活和生态等非农业用水量的大幅增加,我国农业用水量占总用水量的比重从2000年的68.8%降至2016年的62.4%[2,3],水资源紧缺对粮食生产的刚性约束在持续加强,将有限的水资源为粮食生产提供可持续保障面临着巨大挑战[4]。在农业用水趋紧的形势下，对作物生产用水来源、组成和效率的量化成为亟需解决的问题。传统意义上的作物生产用水一般指灌溉用水[5,6],1993年“虚拟水”的提出发展了对农业生产中作物用水的认识[7]。之后，荷兰学者Hoekstra于2002年提出用“水足迹”来衡量任何已知人口(国家、区域或个人)在一定时间内生产或消费产品和服务所需水资源的数量，相应的作物生产水足迹为作物生产过程中所消耗的水资源数量[8]。虽然以往对农业生产用水的计量主要以灌溉用水(蓝水)使用量为核算标准,但是降水(绿水)在维持生态系统和粮食生产中同样具有重要的作用[9,10],因此农业生产用水计量研究对象和内容由单一的蓝水计算发展到包含蓝水和绿水在内[11]。同时,鉴于区域降水时空分布和水土资源匹配的差异性,作物生产用水中蓝绿水计量与构成[12,13]、粮食流通所带来的虚拟水流动对粮食输出区的影响[14]等成为研究热点。操信春等学者[15,16]对我国灌区粮食作物生产水足迹进行了量化分析,并对其构成、用水效率进行了分析评价;吴普特等学者[17,18]从虚拟水角度得出在“北粮南运”过程中,伴随着“北水南调”对粮食输出区作物生产耗水有了重新认识;严冬等学者[19]对作物种植水资源消耗量进行了控制研究,分析了如何调控粮食流通格局以改变虚拟水的流向。

河南省作为我国粮食主产省之一,以冬小麦—夏玉米“一年两熟”的种植模式为主,其农业用水的保障是其粮食安全战略中的重要一环[20]。对农业供水而言,河南省多年平均降水量为500—900mm[21],折合降水资源量1100—1600亿m3。有效利用降水资源可不同程度地满足作物生长需要,但由于河南省降水的时空差异明显,有效降水对粮食生产贡献的量化较为困难。农业生产水足迹理论对作物生产过程中消耗蓝绿水数量和构成进行了核算,深化了传统水资源核算和评价体系,也促进了对绿水贡献量化的研究[22]。基于此,本文基于水足迹理论对河南省18个地市主要粮食作物生产耗水进行量化并对其构成进行分析,以明晰降水和灌溉水对粮食生产的贡献,在此基础上运用空间自相关分析法对各地市进行时空差异分析,对不同地市的农业用水结构进行分区,为制定全省的农业用水政策，改善农业用水状况提供理论依据和参考。

2 研究区概况

河南省位于我国中部,地理位置为31°23′—36°22′N、110°21′—116°39′E,土地总面积16.7万 km2,其中耕地面积8.14万km2；地势西高东低,平原和盆地、山地、丘陵分别占总面积的55.7%、26.6%和17.7%;属暖温带—亚热带湿润半湿润季风气候,全年无霜期由北向南为180—240天；年均降水量约为500—900mm,南部和西部山地较多,大别山区年均降水量可达1100 mm以上。河南省地跨长江、淮河、黄河、海河4大流域,多年平均水资源总量403.5亿m3,其中南阳、信阳、驻马店、周口等市水资源最为丰富。自2002年开始,河南省粮食总产量实现“十三连增”,持续保持全国第一的位次,对保障我国的粮食安全做出了巨大的贡献。其中小麦、稻谷占全国的种植比例自2006年的21.2%、2.1%增加到2015年的22.5%、2.2%，玉米种植比例减少了0.3%[23,24]。鉴于水稻种植限于新乡和信阳局部地区,因此本研究选用冬小麦和夏玉米作为研究对象。

由于历史与地理因素的影响,将河南省划分为豫东、豫西、豫南、豫北、豫中5个地区。其中,豫东包括开封、商丘、周口;豫西包括洛阳、三门峡;豫南包括南阳、驻马店、信阳;豫北包括安阳、新乡、焦作、濮阳、鹤壁、济源6市;豫中包括郑州、许昌、漯河、平顶山。文中按照该行政区划进行描述。

3 研究数据和方法

3.1 研究数据来源

本研究采用CROPWAT8.0模型计算作物需水量，研究数据包括:①气象数据。包括河南省18个地市20个气象站点经度、纬度和海拔高度,以及2006—2015年月平均最高温度、月平均最低温度、相对湿度、风速、日照时数和降水量数据。数据来源于中国气象科学数据共享网。②作物数据。生育期数据来源于中国气象科学数据共享网,作物系数来源于FAO数据库。③农业统计数据。包括18个地市冬小麦和夏玉米的种植面积、产量等,来源于2006—2016年《河南省统计年鉴》。

3.2 研究方法

本研究中作物生产水足迹是指生产单位重量的作物(一般为经济产量)所消耗的广义水资源量[1,25],按来源不同可分为蓝水足迹和绿水足迹。本文应用CROPWAT8.0模型得出的田间作物蒸散发量结合作物单产进行计算,计算公式为:

WF=WFgreen+WFblue

(1)

式中,WF为作物生产水足迹(m3/kg);WFgreen为作物生产绿水足迹(m3/kg);WFblue为作物生产蓝水足迹(m3/kg)。

作物生产绿水足迹和蓝水足迹根据作物生育期的绿水消耗量和蓝水消耗量结合作物单位面积产量进行量化,按下式计算:

WFgreen=CWUgreen/Y=10ETgreen/Y

(2)

WFblue=CWUblue/Y=10ETblue/Y

(3)

式中,CWUgreen和CWUblue为作物生长绿水和蓝水资源消耗量(m3/hm2);Y为作物单位面积产量(kg/hm2);常量因子10是将水的深度(mm)转化为单位陆地面积水量(m3/hm2)的转化系数;ETgreen和ETblue为作物蒸发蒸腾量中有效降水和灌溉水的部分(mm)。ETgreen和ETblue按下式计算:

ETgreen=min(ETc,Peff)

(4)

ETblue=max(0,ETc-Peff)

(5)

式中,ETc为作物蒸发蒸腾量(mm);Peff为作物生育期所利用的有效降水量(mm)。

作物蒸散发量ETc按下式计算:

ETc=Kc×ET0

(6)

式中,Kc为作物系数;ET0为参考作物蒸发蒸腾量(mm)。根据当地气象资料，运用CROPWAT模型内嵌的Penman-Monteith公式对参考作物蒸发蒸腾量进行计算。

有效降水量是指降水储存在土壤中可供作物生长有效利用的那部分降水量。本研究中Peff采用CROPWAT模型中推荐的美国农业部土壤保持局(USDA-SCS)提出的计算方法,公式为:

(7)

式中,Pmonth为月降水量(mm);Pe(month)为月有效降雨量(mm)。该经验公式主要是以美国22个不同气候和土壤条件实验站的50年降水实验数据为基础得到,在国内外研究中已得到较为广泛的应用[15,26]。

4 结果与分析

4.1 作物生产水足迹的时空变化

本文运用CROPWAT模型计算河南省2006—2015年18个地市冬小麦和夏玉米生长蓝绿水消耗量,结合各地市作物单产分别对其生产水足迹进行量化,得到2006—2015年各地市作物生产水足迹。选取2006年、2010年、2015年为代表年,冬小麦和夏玉米生产水足迹见图1。

图1 2006年、2010年和2015年冬小麦和夏玉米生产水足迹

从图1可见,冬小麦生产的水足迹总体上高于夏玉米,总体上全省冬小麦生产的水足迹为0.89m3/kg,夏玉米生产水足迹为0.62m3/kg。在年际变化方面,除豫北安阳、鹤壁、濮阳等市冬小麦生产水足迹2015年高于2006年、2010年外,其他地市均呈递减趋势。其中,郑州、开封和信阳降幅最大,表明该地市研究期内生产单位冬小麦耗水量在减少,用水效率在提高。而夏玉米生产水足迹呈不规律分布,随年际间降水量丰枯而波动较大,其中洛阳、三门峡、信阳变幅最大,同时作物生产水足迹呈现一定的空间差异。为了方便统计,本文以全省作物生产水足迹10年均值为基础分析其空间上的总体差异特征,结果见图2。

图2 河南省冬小麦和夏玉米生产水足迹空间分布

全省冬小麦、夏玉米生产水足迹表现出一定的空间集聚性(图2)。除信阳外,总体上自西北向东南递减,高值区主要分布在三门峡、洛阳、郑州。其中,三门峡冬小麦和夏玉米生产水足迹最高,分别为1.31m3/kg和0.83m3/kg;低值区主要分布在周口、漯河、许昌,其中周口冬小麦和夏玉米生产水足迹最低,分别为0.60m3/kg和0.49m3/kg,不难看出冬小麦生产水足迹空间差异程度明显大于夏玉米。

冬小麦生育期内降水量少,使降水对冬小麦生长需水满足程度较低,灌溉用水需求大。生产水足迹中蓝水足迹呈西北高东南低,与冬季降水量分布相似。其中,最高值的郑州为0.85m3/kg,比最低值的信阳高0.59m3/kg;夏玉米生育期同步的雨季降水量多,作物生育期内水分条件得到保证,对夏玉米需水量满足程度较高,使夏玉米生产以绿水满足为主,全省范围内绿水足迹比重均在60%以上,甚至在商丘、驻马店、信阳等地市达到90%,即丰沛的降水理论上可基本满足夏玉米生育期所需。

作物生育期需水量由有效降水和灌溉水量来保证,作物生产水足迹的高低由年内作物耗水量和单产决定(图3)。本研究中冬小麦—夏玉米作物需水量10年间变化不大,作物耗水量的高低直接受到有效降水的影响。因此，有效降水和作物单产水平均较高的地区,如周口、漯河和许昌等地市水足迹最低;有效降水和作物单产均较低的地区，如三门峡、洛阳、郑州等水足迹最高。

图3 河南省主要粮食作物单产和年均降水量

4.2 生产水足迹空间自相关分析

通过以上分析可知,河南省冬小麦和夏玉米生产水足迹在空间上呈一定的集聚分布状态,说明可能受邻近地市的自然、社会、经济条件的相似而存在空间关联[16]。而具体的空间关联性如何,需要从全局和局部分别进行量化分析,由此进行生产水足迹空间分区格局分析,为分区制定科学合理的用水策略提供理论依据。

全局空间自相关分析:全局空间自相关能描述某要素属性间的总体空间关联及其差异情况[28]。本文运用GeoDa软件得出河南省代表年份冬小麦和夏玉米水足迹全局Moran′s I估计值与检验，见表1。

表1 代表年冬小麦—夏玉米生产水足迹的Moran′s I与检验

从表1可见,代表年全局Moran′s I估计值均大于0,但并不是所有年份都通过了显著性检验(P=0.05时临界值为1.96)。从10年总体平均情况来看,冬小麦通过显著性检验,即冬小麦水足迹的高值区在空间上呈集聚分布,低值区趋于相邻;夏玉米则没有通过显著性检验,即夏玉米的水足迹在95%置信区间上呈离散分布。

粮食生产水足迹与区域气候、作物类型、土壤等自然因素有关,同时也与区域用水效率和粮食产量等社会、经济、管理技术等因素有关[1,10,16]。本研究中夏玉米生产水足迹离散分布的主要原因在于:全省各分区有效降水量和作物单产量差异小,使夏玉米生产水足迹在全省各分区间差异不明显,呈不显著集聚;而冬小麦生育期降水不足、不同灌溉方式和用水效率影响蓝水消耗量的多少,同时水资源消耗量、水土匹配状态、管理技术水平间的差异造成小麦单产的差异,因此基于自然、社会、经济、技术等条件会在区域上表现出地理空间上的相似性,形成全省毗邻地市冬小麦生产水足迹的空间集聚性。

表2 代表年作物生产水足迹的LISA属性

注:HH表示某一地市和周围地市的属性值都较高，LH表示某一地市属性值较低而其周围地市较高，LL表示某一地市和周围地市的属性值都较低，HL表示某一地市属性值较高而其周围较低;*表示达到p=0.05显著水平。

局部空间自相关分析:由于全局Moran′s I指数为总体自相关统计量,并不能表示具体区域的空间集聚特征,因此采用空间关联局域指标LISA指数来进一步分析全省冬小麦—夏玉米生产水足迹区域分布的时空演变特征。本文利用GeoDa软件得出河南省不同地市的LISA指数,显著性检验见表2。

表2显示,河南省各地市间冬小麦和夏玉米局部空间自相关属性差异明显,但从年际变化上看总体较稳定,说明作物生产水足迹的局部分异特征随作物类型的差异较大,随时间变化的差异较小。具体来看,冬小麦生产的水足迹局部属性表现为正相关(HH和LL)的地市个数占较大部分,不同年份均在11个地市以上。其中,豫西三门峡、洛阳因高耗水低单产稳定处于HH区,豫东、豫南漯河、周口、商丘、驻马店因其粮食生产水平高,水资源利用效率高稳定处于LL区,表明冬小麦生产水足迹高值地市和低值地市分别形成显著的集聚区,而低值区地市个数多于高值区地市,表明冬小麦生产水足迹低值区集聚性更强。相比较而言,夏玉米生产水足迹整体呈不显著集聚(表1),局部分异特征表现为正相关(HH和LL)的地市个数仅占1/2左右,表明夏玉米生产的水足迹高值区与低值区集聚性相较冬小麦更弱,而HL和LH区地市较多表明空间稳定性较弱,非典型性地市较多。

5 政策建议

由于全省各地区间存在水土资源空间分布不均[29]、利用效率不一[30]等问题，康绍忠院士在华北地区适水农业发展报告中指出,缓解用水紧张可从压面积、调结构、新品种、增供水四个层面入手,但面对农业用水占比持续降低和河南省传统种植模式调整困难的现实条件,在作物生长期实施开源节流措施成为河南省适水农业的主要发展方向。由于河南省各地市的自然与社会经济条件与农业管理间的差异,作物生产耗水量和用水效率也呈现明显不同，因此根据蓝绿水资源特点和水足迹分异特征,制定粮食生产用水效率分区改进措施,因地制宜地实施节水是农业发展的必经之路。

考虑河南省行政区划和作物生产耗水空间分布特征,对全省各分区提出以下几条改进措施:①豫北地区地势平坦、土壤肥沃,良好的种植传统使其作物生产水足迹较低,但是冬季降水量少直接导致冬小麦生育期内对地下水的过量开采,研究期内地下水埋深变化明显。王书吉等[31]通过实验得出，减少单位面积灌溉水量对冬小麦产量的影响较小,冬小麦生长中水分适度亏缺并不一定造成减产的结论在研究中得到验证。因此,发展半旱地农业可作为一个更好的选择,在充分利用降水基础上实施少量灌溉水以有效缓解冬季灌水紧缺态势,减轻对地下水的过分开采;或将雨季多余降水资源进行储备、调蓄,用作作物生育期灌溉用水,以减少灌溉用水消耗。②豫西地区作物生产水足迹高是由于作物生产耗水高单产低,借鉴赵西宁[32]、山仑[33]对黄土高原和黄淮海典型区农业发展研究,充分利用当地天然供水,对降水在时间空间上进行调配、存储,优化水资源的时空分布用作缺水期作物生长灌溉所需。豫西山地丘陵地形具备集雨补灌实施条件;或针对其地形条件通过修筑梯田拦蓄水流以增加土壤入渗,将降水资源有效多转化为土壤水,在提高降水有效利用的同时实现产量与用水效率同步提高。③豫东平原区许昌、周口农业生产条件优越、作物生产水足迹低,夏玉米单产仍有提升潜力,因此节水高效的精准农业是未来的最佳发展方向[34]。同时也应认识到，农业生产的集约化和适度规模化是先进的水利灌溉技术和管理体制充分发挥作用的重要因素。④豫南的驻马店、信阳、南阳是降水资源最为丰富的地区,但实际生产中作物单产低、生产水足迹高。究其原因，该地区在于用水效率低,水资源浪费严重。从这些地区冬小麦生产水足迹呈递减之势可见,其农业用水效率在逐步提高。此外,信阳市是河南省的水稻主产区,耕作、灌溉方式都会对用水效率产生较大影响[35],在这种情况下,应加大管理技术投入力度、完善相关配套设施、适当调整种植结构、优化灌溉模式，以充分利用降水资源,提高用水效率[36]。⑤农业种植比较效益低导致农业发展受限一直都是农业发展中不可回避的现实问题,在经济快速发展地区表现得更为明显[37]。如豫中郑州、洛阳等市农业种植中耕地不足,作物单产低、用水效率低，该区域应利用经济技术优势,大力引进农业节水设备,发展节水农业。同时,城市发展中对地下水只增不减的需求同样需要控制,通过提高水资源利用效率以逐渐缓解地下水埋深中心的扩大,减轻对地下水系统施加的压力。

综合河南省各地市降水条件、粮食生产水平、用水效率以及地市水土资源匹配状态和社会经济发展能力,讨论不同类型地市粮食生产中农业用水发展的相关建议。过分依赖地下水不是长远发展之计,切实进行农业(灌溉)用水供给侧改革,加大对集雨及其他工程供水的技术投入,减轻对地下水的掠夺,扼制地下水漏斗区的蔓延,才能在维护生态健康发展的同时实现农业的可持续发展。

6 讨论与结论

CROPWAT模型中作物蒸散发量有作物需水量法和灌溉制度法两种计算方法：前者是估算作物生长不受水分胁迫的理想状态的作物蒸散发量,后者则依据地区不同灌溉方式,估算土壤水分胁迫影响下的作物蒸散发量。鉴于省域研究尺度下各地市自然气候条件有一定的差异,灌溉条件不一、数据收集完整度差,因此本研究选用作物需水量法进行估算,考量不受水分胁迫影响下的作物需水量中有效降水和灌溉耗水构成。在没有灌溉水源补充的情况下,作物生育期水分消耗仅靠雨季降水的支撑,使该方法计算下的作物生产蓝水足迹偏高,有效降水对作物生长的贡献度也高于数值计算结果。但是通过对全省取多年均值进行生产耗水构成和时空差异分析仍可得出河南省全省范围内农业用水的整体结构以及区域分布差异特征。

本文以作物生产水足迹为核算指标,对2006—2015年河南省冬小麦—夏玉米种植模式下的作物生产耗水分别进行量化并对其构成时空差异进行分析，初步得出以下结论:①冬小麦生产水足迹总体高于夏玉米,总体上全省冬小麦生产水足迹为0.89m3/kg,夏玉米生产水足迹为0.62m3/kg。在年际变化方面,冬小麦生产水足迹总体呈递减趋势,其中郑州、开封和信阳降幅最大;而夏玉米生产的水足迹呈不规律分布,随年际间降水量丰枯而波动较大。②作物生产水足迹的高低由年内作物耗水量和单位面积产量决定。全省范围内冬小麦最高值与最低值分别为1.31m3/kg、0.60m3/kg,夏玉米分别为0.83m3/kg、0.50m3/kg。在空间分布特征方面,冬小麦生产水足迹高值地市和低值地市分别形成显著的集聚区;夏玉米生产水足迹则非典型性地市较多,分区间集聚性相较于冬小麦更弱。③在作物生产耗水构成方面,冬小麦蓝水足迹占生产水足迹比值高于夏玉米,呈北高南低的分布特征;夏玉米则绿水足迹占生产水足迹比值高于冬小麦,验证了时空分布不均的降水资源在农业生产中的重要作用,应加强对农业生产主要供水来源的降水资源的有效利用。