宁夏固原市主要农作物生产水足迹分析

齐娅荣， 张嗣曌， 唐 莲,2,3， 陈炯利

(1.宁夏大学 土木与水利工程学院， 宁夏 银川 750021； 2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏 银川 750021； 3.旱区现代农业水资源高效利用教育部创新团队， 宁夏 银川 750021)

1 研究背景

随着经济的飞速发展，人们开发利用水资源的需求越来越大，实体水利用已达到自然资源的巅峰，而"水足迹与虚拟水"的出现为解决目前水资源短缺问题提供了一条有力途径。Hoekstra等[1]于2002年提出水足迹的概念，指出水足迹为一定区域内人口消费的商品和服务所耗用的水资源量。宁夏南部山区是典型的水资源短缺地区，水足迹理论可为宁夏解决水资源短缺以及当地水资源规划管理提供参考。

目前国内主要针对北方地区的粮食作物水足迹进行研究。冯变变等[2]基于水足迹，计算了2005-2014年山西省6种主要粮食作物的蓝水和绿水足迹，得到玉米的总水足迹为全省最高且在年际间有增长趋势，但水足迹整体上均呈逐年下降趋势。马凤才等[3]对黑龙江省2005-2015年的主要粮食水足迹进行计算分析，得到蓝水足迹除了水稻呈上升趋势外，其余作物均呈下降趋势；大部分作物的绿水足迹均呈上升趋势；玉米的灰水足迹保持稳定上升的态势，小麦整体呈下降趋势。付强等[4]计算了黑龙江省各地2007-2012年的粮食水足迹，得到粮食作物灌溉用水量逐年增加，粮食蓝水足迹明显低于绿水足迹，粮食生产主要依赖绿水，这与当地降水情况密切相关。杨裕恒等[5]基于水足迹理论，对1997-2013年济南市农作物的用水量进行了计算，结果显示济南市水足迹中绿水、蓝水、灰水足迹均呈逐年增加趋势，且农作物中的小麦、玉米、蔬菜种植占主要地位，这与山东省是我国粮食生产基地的实际情况一致。宋智渊等[6]对1980-2012年敦煌市农业水足迹进行计算评价，结果得到农业水足迹呈逐年上升趋势。韩宇平等[7]分析了2000-2015年京津冀地区作物蓝水、绿水、灰水足迹，得到在此期间, 绿水足迹所占比例呈增长趋势, 蓝水足迹呈下降趋势, 灰水足迹呈先增后降趋势。李红颖等[8]计算分析了长春市1960-2012年玉米生产水足迹，得到玉米的绿水、蓝水足迹占比逐渐减少，而灰水足迹占比呈上升状态，化肥施用量的增加是导致灰水足迹上升的主要原因。通过对大量农业作物水足迹的研究，可以为当地农业种植结构以及农业水资源分配利用提供理论依据。

宁夏地区用水主要以农业为主，固原市是宁夏南部山区的代表地区，同时也是中国四大马铃薯种植基地之一和中国北方特色苗木基地[9]，故本文基于水足迹理论对固原市主要农作物的蓝水、绿水及灰水足迹进行分析，并以此为基础优化作物种植模式，提高水资源利用率，对固原市保障粮食安全和水生态安全、保障经济社会可持续发展具有重要意义。

2 研究区域概况

宁夏固原市位于我国黄土高原的西北部，属于黄土丘陵沟壑区。海拔大部分在1 500～2 200 m之间。地域范围为北纬35°14″～36°38″、东经105°20″～106°58″[9]。固原市属于半干旱暖温带，是典型的大陆性气候，具有冬天严寒漫长、夏天炎热干燥、一年四季昼夜温差大、灾害性天气多、区域降水差异大等特征。年平均气温在5.8～7.8℃之间，降水稀少，年降水量306.9 ～737.7 mm，日照充足，全年降水时空分布不均，出现间歇性干旱[9]。

3 研究方法与数据来源

3.1 研究方法

3.1.1 作物生长过程中蓝水、绿水足迹计算 1995年，Falkenmark以雨养农业和粮食安全问题为基础提出了蓝水、绿水的概念[1]，2002年，Hoekstra等[1]又进一步指出将蓝水和绿水足迹作为测量水资源消耗的指标。蓝水足迹是指作物生长过程中所消耗的地表水和地下水，这里主要指作物生长过程中消耗的灌概用水量[10]；绿水足迹主要指作物在生长过程中吸收和利用的有效降水量[11]。计算公式如下：

ETblue=max(0,ETc-Peff)

(1)

ETgreen=min(ETc,Peff)

(2)

式中：ETblue为蓝水蒸发蒸腾量，mm；ETgreen为绿水蒸发蒸腾量，mm；ETc为作物的蒸发蒸腾量，mm；Peff为有效降水量，mm。 若Peff大于ETc，则ETblue为0，否则ETblue为ETc与Peff之差；ETgreen取决于ETc与Peff中的较小值。

根据CROPWAT8.0软件可得单位面积作物的蒸发蒸腾量(ETc)和有效降水量(Peff)。

由公式(1)、(2)计算可得作物的蓝水、绿水蒸发蒸腾量，根据作物需水量的计算，作物的蒸发蒸腾量即为作物的需水量。蓝水足迹、绿水足迹公式如(3)、(4)所示：

WFblue=CWRblue·A=10ETblue·A

(3)

WFgreen=CWRgreen·A=10ETgreen·A

(4)

式中：WFblue、WFgreen分别为蓝水足迹、绿水足迹，m3/a；CWR为单位面积作物的年需水量，m3/(hm2·a)；A为作物的种植面积，hm2； 10为水深(mm)转化为单位陆地面积水量(m3/ hm2)的转化系数。

3.1.2 作物生长过程中灰水足迹计算 灰水足迹的概念由Hoekstra等[12]于2008年首次提出，后经水足迹网络灰水足迹工作小组完善, 将其定义为以自然本底浓度和现有的环境水质标准为基准，吸收一定的污染物负荷所需的淡水水量[13]。农业生产通常会使用大量的化肥和农药来提高农作物的产量，这些多余的肥料及农药会渗入地下或进入地表径流造成地下水和地表水的污染[14]。根据对固原市化肥使用情况了解得知，氮肥在所有使用的化肥中占比最大。因此，以氮元素作为作物灰水足迹的研究指标[15]。受数据收集影响，本文灰水足迹计算仅考虑氮肥对水质造成的污染，没有考虑其他农药对水质的影响。

作物灰水足迹计算公式如下[16]：

(5)

式中：WFgrey为灰水足迹，m3/a；L为年产量，kg/a; ∂为氮肥的淋失率；Appl为氮肥使用量，kg/a；Cmax为现有环境水质标准下氮元素的最高排放浓度，kg/m3；Cnat为自然条件下水体中氮元素的质量浓度，kg/m3。

根据《第一次全国污染源普查-农业污染源肥料流失系数手册》将氮元素淋失率确定为10%[15]；Cmax值根据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中的Ⅲ类水标准确定为0.01 kg/m3[17]；Cnat值通常设定为0[17]。

3.1.3 作物生长过程中总水足迹计算 作物生长总水足迹是指作物在整个生长过程中所利用的总水资源量，包括有效降水(绿水)、来自地表或地下的灌溉用水(蓝水)以及由氮肥所引起的污染水(灰水)，其为评价作物生产过程中水资源消耗及用水效率的综合指标[18]，计算公式如下[19]：

WF总=WFgreen+WFblue+WFgrey

(6)

式中：WF总为灰水足迹，m3/a；WFgreen、WFblue、WFgrey分别为绿水足迹、蓝水足迹、灰水足迹，m3/a。

3.2 数据来源

主要农作物的播种面积、产量及化肥使用情况均来源于《宁夏统计年鉴(2009-2017)》；利用CROPWAT8.0软件计算所需数据来源于联合国粮农组织的CROP数据库、CLIMATE2.0 数据库(http://www.fao.org/land-water/databases-and-software/en/)；宁夏固原市气候数据(月最高气温、月最低气温、平均湿度、平均风速、日照时数)来源于《宁夏统计年鉴(2009-2017)》和中国气象数据网(http://data.cma.cn/)；固原市主要农作物(马铃薯、油料、玉米、瓜果类、蔬菜、小麦)产量数据来源于《宁夏统计年鉴(2009-2017)》。

4 固原市主要农作物生产水足迹计算与分析

4.1 主要农作物种植面积现状分析

根据《宁夏统计年鉴(2009-2017)》所统计的宁夏固原市的主要农作物播种面积及其变化趋势以及2017年各主要农作物播种面积所占比重分别见图1和2。

由图1可以看出： 2009 -2017年，固原市主要作物年均播种面积按大小排列为：马铃薯、玉米、小麦、蔬菜、油料作物以及瓜果类。2009-2016年，马铃薯的种植面积一直位居第1，但呈现逐年下降趋势；小麦的播种面积在2010年最大，自此之后也呈现不断减少的趋势；玉米的播种面积呈平稳增长趋势；油料作物与蔬菜种植面积变化趋势都是呈现先增长后下降趋势，不同的是油料作物从2012年开始出现明显下降趋势，而蔬菜从2016年开始呈现下降趋势，在此之前均为稳定上升趋势；瓜果类的种植面积最小且变化趋势不明显。

由图2可以看出：2017年玉米的种植面积最大，为8.98×104hm2，占总种植面积的36%；马铃薯种植面积仅次于玉米，为7.21×104hm2，占总种植面积的29%；小麦为4.17×104hm2，占总种植面积的17%；蔬菜种植面积为3.19×104hm2，占总种植面积的13%；油料作物的种植面积为1.61×104hm2，占总种植面积的6%；瓜果的种植面积为0.01×104hm2，占总种植面积的0.1%。宁夏固原市粮食作物播种面积占总种植面积的81%，远高出其他作物的种植面积；经济作物占总播种面积的19%，其中主要为蔬菜。由此可以得出宁夏固原市农业是以粮食作物为主、经济作物为辅的种植结构。

4.2 主要农作物水足迹分析

4.2.1 主要农作物蓝水足迹分析 根据公式(1)和(3)，借助CROPWAT8.0软件对作物的蓝水足迹进行计算，计算结果如表1所示。

由表1可以得出： 2015年固原市的蓝水足迹最高，这也表明2015年灌溉用水量最高。其次为2011年，2013年最低。2015年各主要作物中，瓜果的蓝水足迹最低，为0.0075×108m3，占2015年固原市总蓝水足迹的0.065%；马铃薯的蓝水足迹最高，为4.3937×108m3，占2015年总蓝水足迹的38.28%，这主要是由于马铃薯的种植面积为所有作物中最大，因此所用的灌溉水量最多；其次是玉米为2.5108×108m3，占2015年总蓝水足迹的21.87%；小麦的蓝水足迹为1.7428×108m3，油料作物的蓝水足迹为1.5800×108m3，蔬菜的蓝水足迹为1.2435×108m3，占比分别为15.18%、13.77%、10.83%。2011年各主要作物中，瓜果的蓝水足迹最低，为0.0091×108m3，占2011年总蓝水足迹的0.084%；马铃薯的蓝水足迹最高为3.9614×108m3，所占比重为36.72%；其次是小麦为2.9330×108m3，占比为27.19%；玉米是1.2380×108m3，油料作物是1.8373×108m3，蔬菜是0.8085×108m3，分别占2015年总蓝水足迹的11.48%、17.03%、7.49%。

4.2.2 主要农作物绿水足迹分析 根据公式(2)和(4)，借助CROPWAT8.0软件对作物的绿水足迹进行计算，计算结果如表2所示。

图1 宁夏固原市主要农作物多年种植面积变化趋势 图2 2017年宁夏固原市主要农作物种植面积所占比例

表1 宁夏固原市2009-2017年各主要农作物蓝水足迹 108 m3

表2 宁夏固原市2009-2017年各主要农作物绿水足迹 108 m3

由表2可以看出：2013年固原市总绿水足迹最高，这与农作物的种植面积密切相关。

由图1统计可知，2013年固原市农作物种植面积为2009-2017年中最大。绿水足迹主是指作物在生长发育过程中吸收和利用的有效降水量，这也表明2013年固原市自然降水量最高。其次为2014年，2015年最低。2013年各主要作物中，瓜果的绿水足迹最低，为0.0240×108m3，占2013年总绿水足迹的0.23%；马铃薯的绿水足迹最高，为4.8433×108m3，占2013年的47.40%，这同样是由于马铃薯的种植面积为最大；其次是玉米为2.1250×108m3，占2013年绿水足迹的20.80%；油料作物是1.4432×108m3，占比为14.12%，蔬菜与小麦的绿水足迹相差较小，分别为0.8471×108和0.9356×108m3，占比分别为8.30%和9.16%。2014年各主要作物中，瓜果的绿水足迹最低，为0.0252×108m3，占比为0.31%；马铃薯的绿水足迹最高，为3.3502×108m3，所占比例为41.53%；其次玉米为1.8543×108m3，占比为22.99%；油料作物、小麦与蔬菜所占比例位列第3、第4、第5位，分别为13.71%、12.49%、8.97%。

4.2.3 主要农作物蓝、绿、灰水足迹多年变化趋势分析 宁夏固原市2009-2017年主要农作物蓝、绿、灰、总水足迹变化趋势见图3及表3。

图3 宁夏固原市2009-2017年主要农作物水足迹变化趋势

由图3(a)和表3可知：固原市总水足迹以2016年为分界，之前趋势波动起伏但稳定在21×108m3左右，之后2017年骤降至17.717×108m3。对于蓝水足迹来说，2013年最低，为6.6656×108m3，2015年最高，为11.4782×108m3。蓝水足迹在2009-2012年保持稳定波动趋势，2013年比2012年下降了约32%，2014-2015年又连续增长了72%以上，而从2016-2017年又呈现下降趋势。对于绿水足迹来说，2009 -2012年也是保持稳定波动趋势，但均低于蓝水足迹，这表明在农业用水中自然降水量少于灌溉用水；2013年绿水足迹达到最大，而蓝水足迹最小，说明2013年可利用的自然降水量最多，而灌溉用水量最少；2013-2015年，绿水足迹的变化趋势则与蓝水足迹相反，呈下降趋势且下降至最低点4.7172×108m3，这是由于2015年的降水量是最小的。而2016又升高至7.0309×108m3，2017年又略有下降。这表明在满足农作物一定需水量的前提下，自然降水量多的时候灌溉用水有所减少，自然降水量少的时候就得增加灌溉用水量，二者此消彼长。对于灰水足迹来说，所消耗的水量小于蓝水足迹和绿水足迹，但多年保持稳定增长趋势。除2011-2012年和2017年灰水足迹略微下降外，其他年份灰水足迹均呈增长趋势。这说明近年来固原市农业生产中化肥的使用率有所增加。

由图3(b)作物的蓝水足迹分析可以看出，同种作物在不同年份的蓝水足迹也不相同。对于小麦来说，2009年蓝水足迹最大，其余年份呈现逐年下降趋势，说明由于小麦种植面积的减少，利用的灌溉水也随之减少；对于玉米和马铃薯来说，两种作物2015年的蓝水足迹都达到最高，表明所需要的灌溉用水量最多，2013年最低。油料作物2012年的蓝水足迹达到最大，蔬菜在2015年达到最大，这是由于2012年油料的种植面积达到最大，2015年蔬菜的种植面积达到最大。瓜果类由于种植面积很少，计算的蓝水足迹接近于0，故不进行分析。

由图3(c)作物的绿水足迹分析可得，同种作物在不同年份的绿水足迹也不相同。对于小麦来说，2010年绿水足迹达到最大，这是因为2010年小麦的种植面积为最大。其余年份变化不大。对于玉米和马铃薯来说，两种作物2013年的绿水足迹均为最高，表明可利用的自然降水量最多，2015年最低或较低，这正好与同年蓝水足迹相反。对于油料作物与蔬菜来说，同样在2013年绿水足迹达到最大值，原因是2013年的降水为最大值。

综上所述，为满足作物一定需水量的要求，当所利用的灌溉水量低时，需要可利用的有效降水量就高，反之可利用的有效降水量低；对于不同年份来说，蓝水足迹与绿水足迹保持波浪式发展趋势，此消彼长，互相补充；对于不同的作物，由于种植面积以及可利用的降水量不同，绿水足迹与蓝水足迹变化趋势也不尽相同；灰水足迹虽数量上远低于蓝水和绿水足迹，但呈现逐年增长趋势，说明固原市为提高粮食产量增加了化肥的使用量，从而用于减少土壤和水体污染所消耗的淡水资源量就会增多，造成水资源利用率降低。

表3 宁夏固原市2009-2017年主要农作物蓝、绿、灰、总水足迹 108 m3

4.2.4 主要农作物蓝、绿、灰水足迹占比分析 宁夏固原市2009-2017年主要农作物的蓝水足迹占作物生产总水足迹的比例为44%，绿水足迹占比为33%，灰水足迹占比为23%。蓝水足迹在作物生产水足迹中占优势，所占比例高于绿水和灰水足迹，这表明固原市农作物的种植主要来源于灌溉水，呈现出以蓝水为主、绿水为辅的农作物生产用水格局。灰水足迹占作物生产水足迹的比例相对较高，表明目前化肥的使用已成为固原市水环境恶化的重要原因之一。

4.3 讨 论

宁夏固原市经济发展是以农业为主，农作物的种植结构对于宁夏固原市农业水资源合理分配具有重要的影响。本文对宁夏固原市主要农作物的水足迹进行了初步计算，基于水足迹理论分析了绿水、蓝水及灰水足迹所占比重以及各个水足迹多年变化趋势，探讨了各个水足迹在固原市农作物种植过程中的影响，对宁夏固原市农业水资源利用有一定的参考价值。

建议在农业灌概用水充分的条件下，建立节水型农业种植模式，减少高耗水农作物的种植，提高自然降水的利用率，最大限度地提高氮肥利用效率、减少氮肥在使用过程中的损失，但是由于缺乏更加详细的经济数据和氮肥使用数据，针对固原市的灰水足迹分析还存在一定的不足之处，其讨论结果还存在一定程度的局限性，将来对宁夏固原市主要农作物水足迹的研究还需要更为详细的水资源资料和其他经济相关数据，以便获得更好的结果来反映该地区的实际状况。

5 结 论

本文在水足迹理论的基础上，借助CROPWAT8.0软件，利用《宁夏统计年鉴》和《宁夏水资源公报》等资料，对宁夏固原市主要作物的绿水足迹和蓝水足迹进行了计算，并对固原市的灰水足迹进行了研究，得到以下结论：

(1)宁夏固原市2009-2017年主要农作物平均种植面积按面积大小排列为：马铃薯>玉米>小麦>蔬菜>油料作物>瓜果类。表明固原市农作物种植主要以粮食作物为主，经济作物为辅。

(2)分析2009-2017年宁夏固原市主要农作物的蓝水、绿水、灰水足迹和各个水足迹多年增长趋势及其所占比重，结果表明：蓝水足迹占比最大，绿水足迹次之，说明固原市农作物生长需水主要来自灌溉水，其次是自然降水，自然降水的利用率相对较低；在满足作物一定需水量的要求时，当蓝水足迹高时，绿水足迹则降低，反之绿水足迹升高。蓝水与绿水足迹此消彼长，但整体趋势保持稳定发展。

(3)对固原市的灰水足迹进行计算分析，得到灰水足迹虽占比最少，变化幅度也不大，但连年保持增长的趋势。这表明固原市为保证农作物的产量而大量使用化肥，对水环境与水生态安全造成了一定的影响。