新疆2002-2016年主要农作物虚拟水含量时空分布分析

方 芳，马 琼,2

(1.塔里木大学 经济与管理学院，新疆 阿拉尔 843300；2.塔里木大学 新疆南疆经济与社会发展研究院，新疆 阿拉尔 843300)

水资源问题已引起各国学者的重视，水资源安全被认为是国家和社会发展、地区稳定的基础性要素[1]。2018年5月4日，国家水利部召开相关会议中强调实现水资源可持续利用支撑经济社会可持续发展的目标。4月16日，新疆维吾尔自治区水资源管理工作的专题研究会议中明确了“水利兴则新疆兴”的治水新理念。吴普特等在2006年预测到21世纪中叶我国农业将面临巨大的挑战[2]。尤其是发展中国家的农业曾被联合国政府气候变化专门委员会(IPCC)和联合国粮农组织(FAO)列为最易受气候变化影响、最脆弱的产业之一[3]。农业作为新疆的支柱性产业，2016年农业用水占比在总供水量的90%以上，水资源匮乏成为极度干旱区农业发展的关键限制性因素，如何寻找节水新途径，缓解水资源危机，实现新疆生态与经济可持续发展成为新疆农业发展中亟待解决的问题。

“虚拟水”和“虚拟水战略”作为解决水资源匮乏问题的新路径被提出，我国自程国栋教授于2003年首次将虚拟水引入以来[4]，徐中民等重新定义了虚拟水战略[5]。周俊菊等基于虚拟水理论构建了种植业结构调整需水模型，分析了近33年民勤绿洲种植业结构调整对农作物需水量的影响[6]。黄敏等采用投入产出法计算了中国虚拟水进出口的贸易量，发现农业部门直接用水系数高达857.9 t/万元，与直接用水系数最小的部门差距达600倍[7]。张润等采用联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith公式计算了省际间农作物的虚拟水总量和虚拟水输出量[8]。

在新疆这样地处偏远、经济发展缓慢的极度干旱地区，水资源缺乏制约农业发展并成为影响农业发展的瓶颈，通过分析主要作物的虚拟水含量，研究作物的需水特性，对水资源的合理开发利用，提高水资源的利用效率有实用的意义。因此，基于虚拟水理论，计算了新疆6种主要作物15年的需水量，明晰了主要作物虚含量的时间及空间分布，为新疆合理分配水资源及优化作物布局结构提供依据。

1 研区概况

新疆曾是古“丝绸之路”的重要通道，现在又成为第二座“亚欧大陆桥”的桥头堡，战略地位十分重要。属于温带大陆型气候，降水少，气候干燥，2016年全疆年均降水量仅139.93 mm，尤其是新疆南疆与东疆气候极其干旱，2016年年均降水仅61.95 mm。全疆近3年无水灾，但旱灾平均受灾面积达40 万hm2，占播种面积的6.8%。全疆水资源总量只有全国的3.37%，而农业用水占到全国农业用水的14.07%、占全疆总供水量的94.32%。根据新疆水利厅报全疆现状水资源开发利用率达69.4%，水资源总体上开发利用过度。2016年新疆农作物播种总面积为621.73 万hm2，南疆最多，达277.96 万hm2，东疆最少，为13.56 万hm2。小麦、玉米、水稻、薯类、棉花和甜菜是主要的农作物，播种面积占新疆农作物播种总面积的73.03%，其生产耗水量(249.43 亿m3)占新疆农业用水量(533.3 亿m3)的46.8%。

种植业对自然资源的依赖程度相比其他产业较高，气候和水资源等条件的差异决定了农作物专业化格局的优劣，吕娜娜等[9]研究表明水资源已经成为制约中国西北干旱区农业生产和发展的限制因素，位于该区的新疆，有着丰富的耕地储备资源，是全国大型的粮棉基地。自改革开放近半个世纪以来，新疆的绿洲农田面积显著扩张，尤其是新疆棉花，高产高质，2016年新疆棉花的产值已占到全国棉花总产值的70%以上。近年来，新疆棉花仅有20%供应自身的纺织工业原料，而80%的新疆棉花进入了国内或国际市场，从虚拟水贸易的角度来讲，这相当于在以棉花为载体输出虚拟水资源。马林潇等[10]认为在“三条红线”用水指标的约束下政府如何布局种植业生产结构，最大限度地实现区域生态、经济、社会三方面效益的协调统一，以提高农户收入，促进新疆农村经济稳定发展，这些都是保证新疆种植业持续健康发展的关键问题。

2 研究方法与数据来源

2.1 计算方法

作物虚拟水含量指的是单位质量的农产品消耗的虚拟水量[11]，根据农作物需水量与农作物产量计算得到，如式(1)。

(1)

式中：SWD(n,c)、SWR(n,c)、CY(n,c)分别表示n区域c作物单位质量的虚拟水含量，m3/kg、生长期内的需水量， m3/hm2、产量，kg/hm2。

农作物需水量SWR(n,c)的计算：虚拟水包括虚拟蓝水、虚拟绿水。虚拟蓝水是指把河流、湖泊等地表和地下的水通过灌溉方式输送到农作物，虚拟绿水是指由降雨和降雪形成的水资源。农作物虚拟水含量的测算采用彭曼-孟(Penman-Monteith)公式[12]，如下式：

ETc=ET0×kc

(2)

(3)

式中：ETc表示n区域c作物生长期内的累计蒸发蒸腾水量，mm/d；ET0表示参考作物蒸发蒸腾水量，mm/d，由式(3)计算得到；Kc为作物系数，是用来修正参考作物与实际作物之间的差异的；式(3)中：Δ为饱和水汽压-温度曲线的斜率；Rn为作物表面的净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；r为干湿表常数，kPa/℃；T为作物生长区的平均温度；ea-ed为饱和水蒸气压力差，kPa；U2为农作物生长区2 m高度处的风速，m/s。

2.2 数据来源

农作物虚拟水含量是从CROP和CLIMATE数据库提取相关的气候、土壤数据，借助FAO推荐的CROPWAT8.0软件得到参考作物的需水量，主要农作物的参考系数Kc值是根据中国自然历和中国主要农作物等值线图得到。文中涉及的主要农作物的产量等相关数据来源《新疆统计年鉴》(2003-2017年)。

3 结果分析

3.1 主要农作物虚拟水含量的时间分布分析

将6种主要农作物的相关参数带入上式中，计算出6种农作物2002-2016年的虚拟水含量，借助Excel绘制6种农作物的虚拟水含量趋势图。如图1，6种主要农作物15年来虚拟水含量整体波动下降，虚拟水含量下降率最大的是小麦，为58.4%，最小的是水稻，为35.5%。董煜等[13]研究发现“风速、温度、日照时数对需水量呈正向影响，相对湿度、日温差、降水量对需水量呈负向影响”，根据新疆气象资料数据显示，随着全球气候变暖，新疆各区年平均气温变化趋势均以 0.03 ℃/a 增加，同时海水蒸发量增加，从而使新疆山区降水水汽来源增加，作物需水量减少。

时间动态分布上，6种农作物虚拟水含量呈现下降趋势，小麦、水稻、玉米波动下降，棉花、甜菜和薯类下降趋势较平稳。小麦15年的虚拟水含量平均值为1.52 m3/kg；各年份小麦的虚拟水含量在2.23～0.95 m3/kg的范围内波动；2002年小麦的虚拟水含量最大，2014年小麦的虚拟水含量最小。玉米15年的虚拟水含量平均值为1.56 m3/kg；各年份玉米的虚拟水含量在1.95～1.22 m3/kg的范围内波动；2002年玉米的虚拟水含量最大，2016年玉米的虚拟水含量最小。水稻15年的虚拟水含量平均值为1.38 m3/kg；各年份水稻的虚拟水含量在1.63～0.95 m3/kg的范围内波动；2002年最高，2014年最低。薯类15年的虚拟水含量平均值为0.37 m3/kg；各年份薯类的虚拟水含量在0.44～0.26 m3/kg的范围内波动；2012年最大，2016年最小。甜菜15年的虚拟水含量平均值为0.17 m3/kg；各年份甜菜的虚拟水含量在0.24～0.13 m3/kg的范围内波动；2002年甜菜的虚拟水含量最大，2016年甜菜的虚拟水含量最小。棉花15年的虚拟水含量平均值为6.3 m3/kg；各年份棉花的虚拟水含量在8.45～4.57 m3/kg的范围内波动；2002年棉花的虚拟水含量最大，2014年棉花的虚拟水含量最小。小麦与水稻虚拟水含量的动态变化趋势相似，在2002-2004年阶段，呈现平稳下降状态，2005-2007年快速下降，在2008年出现突增，2009开始趋于缓慢下降。自改革开放以来，我国粮食经历了1998-2003年的产量大滑坡[14]，故粮食作物在2002-2003年的产量较低，虚拟水含量升高，而在此阶段，薯类单产增加，虚拟水含量下降；在2003-2004阶段，水稻虚拟水含量达到最高点，由于从2000年开始至2004年水稻[15]产量持续下降，导致虚拟水含量达到最高点；第三阶段是2004-2007年，粮食农作物的虚拟水含量急剧下降，主要是由于自2004年开始，“三农”问题已被中央一号文件高度重视，出台三项补贴政策、开放粮食市场流通、重点建设农村基础设施[16]，并在2006年党的十六大中彻底结束了延续了2 600年的“皇粮国税”，大大激发了农民的种粮积极性，粮食产量增长[17]，虚拟水含量也随之连续下降；在2008年粮食农作物虚拟水含量出现突增，受全球金融危机的影响，粮食农作物的种植面积减少，同时单产下降，虚拟水含量上升，之后呈现波动下降趋势。根据新疆水资源公报“2008年全疆年降水量2 415 亿m3，与多年平均值相比偏少5.1%，比上年减少7.5%，属降水略偏枯年份。”，且2008年新疆平均气温升高，这也导致了2008年作物虚拟水含量上升。相比粮食农作物，棉花与甜菜虚拟水含量呈现较稳定的逐年下降趋势。

为了进一步探究新疆种植业虚拟水含量的时间分布，根据种植规模、生产技术水平等，分别在南疆、北疆与东疆选取代表性的区域站点进行趋势分析。南疆以阿克苏为样本站点，2016年阿克苏地区主要农作物种植面积为77.05 万hm2，占南疆地区主要农作物面积的34.4%，阿克苏小麦、水稻、棉花单产均高于全疆平均值。北疆以伊犁为样本站点，2016年伊犁主要农作物种植面积达95.20 万hm2，占北疆地区主要农作物种植面积的45%，同时伊犁的玉米、棉花、水稻单产均为全疆较高水平。东疆以哈密地区为样本站点，2016年哈密主要农作物种植面积达5.21 万hm2，占东疆地区主要农作物种植面积的81.5%。各样本点的虚拟水含量如图2(a-c)。3个样本站点农作物的虚拟水含量整体均呈现下降趋势。各作物虚拟水含量由高到低依次是棉花、小麦、水稻、玉米、薯类、甜菜。伊犁各年份虚拟水含量最高的是棉花，其15年的虚拟水含量均值为5.96 m3/kg，年均下降率达4.3%，虚拟水含量最小的是甜菜，15年的虚拟水含量均值为0.08 m3/kg，年均下降率为1.4%；哈密无甜菜与薯类的种植，15年棉花的虚拟水含量最高，均值为7.19 m3/kg，年均下降率为4.38%，虚拟水含量最小的是薯类，15年虚拟水含量均值为0.25 m3/kg，年均下降率为4.35%；阿克苏棉花15年虚拟水含量均值为6.56 m3/kg，年均下降率为4.05%，虚拟水含量最小的是甜菜，15年均值为0.09 m3/kg，其中从2014年开始甜菜虚拟水含量出现突增现象，由0.08 m3/kg增加到0.12 m3/kg，其主要原因是从2005年开始阿克苏甜菜的种植面积虽然由0.68 万hm2增加到1.35 万hm2，但是甜菜的单产却由63.76 t/hm2减少至43.82 t/hm2，这是导致2014年以后年甜菜虚拟水含量增加的主要原因。

图1 主要农作物的虚拟水含量时间分布趋势图Fig.1 temporal distribution trend of virtual water content of major crops

整体来看，代表站点6种主要农作物虚拟水含量平均值均呈下降趋势，根据计算方法，农作物虚拟水含量主要受作物需水量和单产的影响，图3为3个站点主要农作物需水量与单产时间变化趋势图。从图3中可看出，2008年伊犁农作物单产降低，需水量增加，导致了单位质量虚拟水含量骤增，而自2009年开始单产波动上升，到2015年单产达到最大值，此间需水量变化幅度相对较小，故导致了这期间伊犁农作物虚拟水含量波动下降，且虚拟水含量在2015年出现最小值；哈密农作物需水量变化较平稳，2002年哈密农作物虚拟水含量最高，从图3看出2002年哈密农作物单产较低，同时需水量较多，2007年哈密农作物单产骤降，而此时需水量上升，因此该年农作物虚拟水含量较高，自2010年开始哈密农作物单产波动下降，但下降幅度相对不大，同时需水量变化也保持相对稳定，因此自2010年哈密农作物虚拟水含量呈相对稳定趋势；阿克苏农作物虚拟水含量波动下降，从图3中看出需水量变化相对平稳，而单产的骤变是造成阿克苏农作物虚拟水含量变化的主要原因。尤其是在2009年与2012年，阿克苏农作物单产骤增，而需水量变化不大，因此这两年农作物虚拟水含量较低，2010年农作物单产出现骤降，导致该年农作物虚拟水含量增加。

图2 各站点主要农作物虚拟水含量时间分布趋势图Fig.2 Time distribution trend of virtual water content of main crops at each site

图3 各站点主要农作物需水量与单产时间分布趋势图Fig.3 Trend of water demand and yield of major crops at each site

3.2 主要农作物虚拟水含量的空间分布分析

根据新疆维吾尔自治区水资源公报数据，2009年全疆年降水量2 369 亿m3(折合降水深144.1 mm)，与多年平均值相比偏少6.9%，比上年减少2.8%，属降水枯水年份，2016年全疆年降水量3 775 亿m3(折合降水深229.7 mm)，与多年均值相比偏多48.4%，比上年偏多28.3%，属降水丰水年份。因此选取2009与2016年两个典型水文年，计算得到六种主要农作物虚拟水含量，如表1。无论是丰水年还是枯水年，虚拟水含量最高的均是棉花，其次为水稻、小麦、玉米、薯类，最低的是甜菜。北疆的棉花、水稻、玉米虚拟水含量最低，东疆的薯类虚拟水含量最低，南疆的小麦虚拟水含量最低。由于天山横贯在新疆，南、北、东疆的地形地貌、气候和水分环境等存在较大差异，且农作物的种植结构、灌溉方式也不尽相同，因此空间尺度上不同水文年作物的虚拟水含量存在较大差异。在丰水年，全疆农作物虚拟水含量均低于枯水年，枯水年的虚拟水含量接近丰水年的2倍。其中甜菜的虚拟水含量在枯水年略高于丰水年，虽然气候变化是影响作物需水量的主要影响因素，但作物需水量还与单产及其他因素有关，由于2016年塔城、阿勒泰、博州及阿克苏地区甜菜单产下降，尤其是阿克苏地区，由2009年的67.3 t/hm2下降到2016年的43.8 t/hm2，导致南疆地区甜菜在枯水年虚拟水含量低于丰水年。

表1 不同水文年新疆主要农作物的虚拟水含量 m3/kg

从更加微观的层面分析(图4-5)：小麦虚拟水含量在不同水文年差异最大的是克拉玛依，丰水年比枯水年虚拟水减少1.55 m3/kg，差异最小的是博州，丰水年比枯水年减少0.52 m3/kg。除吐鲁番与克拉玛依外，其他地区在不同水文年虚拟水含量均低于均值，阿克苏地区最低，丰水年仅0.71 m3/kg，克拉玛依最高，枯水年达2.85 m3/kg。整体看小麦虚拟水含量从东北向西南降低；玉米虚拟水含量在不同水文年差异最大的是巴州，丰水年比枯水年虚拟水减少0.64 m3/kg，差异最小的是吐鲁番，丰水年比枯水年减少0.18 m3/kg。虚拟水含量高于全疆均值的有吐鲁番、和田等五个地区，博州虚拟水含量最低，丰水年仅0.33 m3/kg，喀什虚拟水含量最高，枯水年达1.15 m3/kg。整体来看，玉米的虚拟水含量呈现南高北低、东高西低的分布；水稻虚拟水含量在不同水文年差异最大的是乌鲁木齐，丰水年比枯水年虚拟水减少1.18 m3/kg，差异最小的是喀什，丰水年比枯水年减少0.03 m3/kg。除了阿克苏与博州，其他地区虚拟水均高于全疆平均值，巴州最高，枯水年达2.8 m3/kg，博州的最低，丰水年仅1.18 m3/kg。整体来看水稻的虚拟水含量分布较复杂，南北疆均出现较高值与较低值；薯类虚拟水含量在不同水文年差异最大的是阿勒泰，丰水年比枯水年虚拟水减少0.13 m3/kg，差异最小的是巴州，丰水年比枯水年减少0.06 m3/kg。虚拟水含量高于全疆均值的有克州、和田和乌鲁木齐，最低的是昌吉，丰水年为0.11 m3/kg，最高的是克州，枯水年高达为0.48 m3/kg。整体看薯类的虚拟水含量由北向南增加。甜菜虚拟水含量在不同水文年存在较大差异，其中克拉玛依、阿勒泰、博州、阿克苏在丰水年虚拟水含量反而比枯水年高，可见甜菜的虚拟水含量受降雨的影响较小，查阅文献发现这几个地区2016年甜菜单产呈现下降趋势，故虚拟水含量上升。整体来看甜菜的虚拟水含量高值区集中分布在从北部的乌鲁木齐、克拉玛依、塔城、博州到南部阿克苏的弧形区域；棉花虚拟水含量在不同水文年差异最大的是克州，丰水年比枯水年虚拟水减少6.05 m3/kg，差异最小的是和田，丰水年比枯水年减少3.15 m3/kg。虚拟水含量高于全疆平均值的有吐鲁番、和田等五个地区，伊犁最低，丰水年为2.5 m3/kg，吐鲁番最高，枯水年达11.47 m3/kg。整体来看，全疆棉花虚拟水含量呈现东南高、西北低的分布；不同水文年型各地区作物虚拟水含量变化趋势基本一致。可见，不同水文年下新疆作物虚拟水含量主要与当地的地理环境和气候差异直接相关，除了日照时数、气温、相对湿度和风速等外，虚拟水含量主要与当地降雨量密切相关。因此，对于不同水文年型，各地区应及时关注当地降水变化，采取一定的灌溉方法，确保农作物的需水量。

图4 丰水年作物虚拟水含量空间分布Fig.4 Spatial distribution of virtual water content of annual crops in high flow year

图5 枯水年农作物虚拟水含量空间分布Fig.5 Spatial distribution of virtual water content in crops in low flow year

4 讨 论

(1)新疆作为我国的农业大省，选取了新疆种植面积大且耗水量多的主要农作物进行计算分析，发现新疆各地的农作物的种植规模与水资源总量、虚拟水含量之间存在差异，表明主要农作物的布局结构在考虑自然资源条件时，并不是以水资源为关键因素，而是首先考虑了土地和光温条件，以获得高产为目标。但是新疆是极度干旱地区，水资源缺乏是农业发展的关键限制性因素，从虚拟水含量的视角看，新疆尤其南疆应首先考虑水资源条件，布局耗水少、附加值高的农作物，以保证新疆经济与生态可持续发展。

(2)根据分析发现自2002年以来新疆种植业的虚拟水含量在逐渐下降，但相比其他地区虚拟水含量依然很高，白景峰等(2012)测算河南省小麦、玉米、棉花虚拟水含量分别为0.49、0.48、4.22 m3/kg，黄姣等(2011)测算了东北三省小麦、玉米、水稻虚拟水含量分别为1.67、0.82、1.1 m3/kg，朱启荣等(2016)测算全国的小麦、玉米、棉花、水稻、甜菜的虚拟水含量分别为0.3、0.19、0.97、0.75、0.048 m3/kg。而本文测算新疆2016年小麦、玉米、棉花、水稻、甜菜和薯类虚拟水含量分别为0.87、0.6、3.5、0.98、0.09、0.34 m3/kg。因此，新疆的虚拟水含量具有很大的降低空间。

(3)本文是从虚拟水的视角进行分析的，由于各个地区的气候环境资源不同，虚拟水含量低的地区不一定是最优良的种植基地。因此，各地区在农作物布局时，应根据当地的种植业发展目标确定种植结构。对南疆而言，农作物播种面积大、但虚拟水含量高，应当以虚拟水含量最低为标准考虑种植业结构布局，以确保经济发展的同时资源环境可持续发展。

5 结 语

利用彭曼公式计算了新疆自2002年以来15年主要农作物的虚拟水含量，明晰了新疆主要农作物虚拟水含量的时空分布情况，发现新疆种植业虚拟水含量的时空分布特征为：

(1)不同种类农作物的虚拟水含量在区域上均存在差异。6种主要农作物的单位虚拟水含量从高到低依次为棉花、水稻、小麦、玉米、薯类、甜菜，棉花的虚拟水含量远高于甜菜。东疆的农作物虚拟水含量均值最高，为1.41 kg/m3，北疆的农作物虚拟水含量均值最低，为0.99 kg/m3，南疆农作物的虚拟水含量均值1.33 kg/m3，高于北疆。

(2)时间分布上，新疆6种主要农作物的虚拟水含量自2002年以来整体呈下降趋势。主要是因为随着全球气候变暖，新疆各区年平均气温变化趋势均以0.03 ℃/a 增加，同时海水蒸发量增加，从而使新疆山区降水水汽来源增加，作物需水量减少。粮食作物的虚拟水含量在2008年与2012年发生了较大的突变，这两年粮食农作物的单产下降，是造成作物虚拟水含量增加的主要原因，相比粮食作物，经济作物的虚拟水含量呈平稳下降趋势。

(3)空间分布上，新疆6种主要农作物的虚拟水含量北部低于南部，西部低于东部，但不同的农作物间又有细微的差别。且新疆不同水文年作物虚拟水含量存在较大差异，枯水年农作物虚拟水含量均值2.13 m3/kg，接近丰水年的2倍。在新疆这样极度干旱地区想要打破农业缺水的瓶颈，可以将虚拟水含量的空间差异列入调整农作物种植布局的影响因素中。

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