宁夏主要农作物生产水足迹及其变化趋势研究

2020-06-11高海燕李王成董亚萍马己安刘子西李于坤

灌溉排水学报 2020年3期

高海燕，李王成, ，李晨，董亚萍，郝璐，马己安，刘子西，李于坤

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏 750021；3. 旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏 750021）

0 引言

中国是一个农业大国，同时又是一个水资源极度缺乏的国家[1]。农作物生长需要消耗大量的水资源，有资料显示，近几年来我国农业生产用水量高达总用水量的60%，因此水资源短缺已经成为限制我国农业发展的一个重要因素。如何高效利用农业水资源成为现今中国农业发展不容忽视的问题。

农业生产水足迹[2]即单位产量的作物在其生长过程中所消耗的水量。它由蓝水足迹（作物生长过程中消耗的地下水或地表水），绿水足迹（作物生长过程中消耗的有效降水量）和灰水足迹（稀释作物生产过程中所释放的污染物以达到环境标准所消耗的水量）组成。【研究进展】现阶段国内有关于农业水足迹的研究主要集中在国家、省级、流域等范围内，如操信春等[3]、吴芳等[4]、郭相平等[5]计算并分析了近年来中国农业水足迹的变化趋势和空间差异；程雨菲等[6]、王云飞等[7]、赵恩等[8]分别对山东省、山西省、黑龙江省等中国省级地区的农作物水足迹进行了计算和分析；卓拉等[9]对黄河流域内的小麦生产水足迹进行了量化与评价；黄会平等[10]针对海河流域的冬小麦、夏玉米生产水足迹进行了量化分析；王会肖[11]以黄河流域12 种农作物为研究对象研究了其农业水足迹。而国外学者对农业水足迹的研究更为深入，2010 年Mekonnen[12]对全球小麦的绿色、蓝色和灰色水足迹进行了评估；2012 年Mekonnen 等[13]又对不同农业动物产品的水足迹进行了全面的描述；在2007年Thapat 等[14]对可持续性水稻的水足迹进行了研究；Vergé等[15]根据不同的时间步长计算了农业种植系统的灰水足迹。

在针对水资源十分紧缺的宁夏地区，张金萍等[16]详细地分析了宁夏平原农作物的用水状况及调整种植结构后的用水量和用水效率；李亚婷等[17]对宁夏部分地区2013 年农作物的生产用水状况进行调查分析；王旭等[18]对宁夏中卫市农业水资源利用情况与农业经济增长间的关系进行了评价。【本研究切入点】这些研究多集中于对宁夏地区整体水足迹、水资源状况进行评价，而对近年来不同作物间、不同区域间的农作物水足迹及其变化趋势研究较少。【研究意义】宁夏地处中国西北部，干旱缺水，而水资源利用又是以农业用水为主，对宁夏地区不同作物、不同区域内的农作物生产水足迹进行研究分析在改善宁夏地区农业用水结构以缓解水资源短缺问题上具有重大理论意义。本文以宁夏5 个地级市为单位，选取稻谷、小麦、玉米、马铃薯及大豆5 种主要农作物，计算了各市五种主要农作物生产水足迹并对其变化趋势和水足迹组成进行了系统分析，【拟解决的关键问题】以期对宁夏地区主要农作物种植结构及农业用水结构的优化提供科学依据。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

宁夏回族自治区位于中国的西北干旱区，是大陆型气候的典型代表，蒸发强度大，降水量少，且主要集中在6—9 月，水资源时空分布不均，资源性缺水问题十分突出。图1 为宁夏各地级市地区年降雨量，据国家数据资料显示，2017 年度宁夏全区的水资源总量为10.8 亿m3，约占全国水资源总量的0.04%，人均水资源量为159.19 m3/人，仅是全国人均水资源量的7.67%，宁夏已经成为我国干旱缺水最严重的地区之一。

1.2 计算方法

1.2.1 作物需水量计算

作物需水量定义为参考作物蒸散发和作物系数的乘积，参考作物蒸散发量采用联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations) 推荐的 Penman-Monteith 公式[19]计算：

式中：ETC为作物蒸散发总量（mm/d）；ET0为参考腾发速率（mm/d）；KC为作物系数；Rn为作物表面上的净辐射（MJ/m2·d）；G 为土壤热通量（MJ/（m2·d））T 为2m 高处日平均气湿（℃）；u2为2 m 高处的风速（m/s）；Es为饱和水汽压（kPa）；Ea为实际水汽压（kPa）；es-ea为饱和水汽压差（kPa）；Δ 为饱和水汽压曲线的倾率；γ 为湿度计常数（kPa/℃）。

1.2.2 作物生产水足迹量化计算

因为灰水足迹[20]是用来描述稀释农业生产所排放的污染物所消耗的水资源量，并非农作物在生长过程中真正消耗的水资源量，本研究只考虑农作物在生长过程中真正消耗的实际水资源量，即只考虑蓝水足迹和绿水足迹。

作物生产水足迹参考《The water footprint assessment manual：setting the global standard》中的方法[2]进行量化计算，主要计算式为：

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

式中：CWUgreen、CWUblue为作物所消耗的绿、蓝水资源量（m3/hm2）；Y 为作物单位面积产量（kg/hm2）；10 为单位转化系数，将单位由水深（mm）转化为单位面积水量（m3/hm2）。ETgreen、ETblue分别为作物蒸发蒸腾量中来自有效降水和灌溉水的部分（mm）；ETgreen、ETblue的计算式为：

式中：ETC为作物蒸发蒸腾量（mm），算法见式（1）、式（2）；Pe为作物生育期有效降水量（mm）。

Pe根据美国农业部土壤保持局（USDA SCS）提出的方法[21]计算：

式中：Pdee为旬降水量（mm）；Pe(dee)为旬有效降水量，作物生育期内的有效降水量可由各旬有效降水累加得到。

综合作物生产水足迹（Water footprint of integeated crop production，IWPF）量化方法为将不同种作物生产水足迹对作物产量加权得到[22]：

式中：IWFPj为区域j（本研究中j 分别为宁夏回族自治区的5 个地级市：银川市，石嘴山市，吴忠市，中卫市及固原市）的综合作物生产水足迹（m3/kg）；WFi,j为j 地区作物i（其中i 为本文计算的5 种作物）的生产水足迹（m3/kg）；Pi,j为区域j 作物i 的总产量（103t）。

1.3 数据来源

本文研究所需数据主要包括气象数据和农业统计资料，气象数据包括宁夏区内5 个地级市（银川市、石嘴山市、吴忠市、中卫市和固原市）所在的5 个气象站点1998—2017 年的降雨量、温度、湿度、风速等，气象数据来源于中国气象数据网公布的中国地面气候资料日值数据集（http://data.Cma.cn）。农业统计资料包括宁夏区内1998—2017 年主要粮食作物（稻谷、小麦、玉米、大豆、马铃薯）的种植面积、总产量、单位面积产量等数据，来源于国家数据网（http://data.stats.gov.cn）、宁夏数据网（http://nxdata.com.cn）及宁夏2009—2018统计年鉴等。

2 结果与分析

2.1 主要农作物综合水足迹分析

如表1 所示，2008—2017 年宁夏区内5 种主要农作物的生产水足迹大小依次呈现为：大豆>马铃薯>小麦>稻谷>玉米，最大值约为最小值的5 倍；如图3所示，大豆的产量表现为5 种主要农作物中最少，生产水足迹值最大，而玉米的产量表现为最大，生产水足迹值却最小；由图3 可知，5 种作物10 a 间产量呈现为玉米>稻谷>小麦>马铃薯>大豆，各作物产量随年际变化不大，较为突出的是玉米的产量呈现先增加后减小趋势，在2015年达到了研究期10 a间的峰值，小麦产量随年际变化呈减小趋势，稻谷产量逐年变化不大，马铃薯和大豆产量亦呈逐年减少趋势；玉米和稻谷作为宁夏最主要的粮食作物拥有较低的水足迹；同种作物的生产水足迹在不同年份表现出不同的差异，大豆变化幅度最大，随年际变化呈减小趋势，在2015 年达到了10 a 间最低值3.49 m3/kg；马铃薯的生产水足迹整体上呈下降趋势，2016 年呈突增态且达到研究期10 a 间的峰值3.54 m3/kg；小麦的生产水足迹在小区域内出现无明显规律的波动，其余各作物的生产水足迹在研究期10 a 间均呈稳定态。

表1 2008—2017 年宁夏主要农作物生产水足迹 Table 1 Mean water footprint of major crops production in Ningxia from 2008 to 2017 m3/kg

图2 宁夏主要作物生产水足迹变化趋势和作物产量组成 Fig.2 Water footprint variation trend and crop yield of main crops in Ningxia

2.2 综合作物生产水足迹组成

根据公式计算得到2008—2017 年宁夏区内5 种主要作物的生产绿水足迹和蓝水足迹，其整体均呈减小趋势（见图4，图5），其中马铃薯和大豆的变化幅度较大；大豆的绿水足迹居于5 种主要农作物之首，呈先减小后增大再减小的趋势，2015 年大豆绿水足迹明显减小，主要是由于2015 年大豆生育期内中卫地区降雨量相对其他年份较少所致；马铃薯的绿水足迹在5 种主要农作物中仅次于大豆，相对于大豆的绿水足迹变化较平稳，呈先增加后减小趋势；其次是小麦、玉米和稻谷，这三者的绿水足迹相差不大且变化均较平稳；5 种作物的生产蓝水足迹与绿水足迹有着不尽相同的波动规律，其中大豆和马铃薯的蓝水足迹均呈先减小后增大趋势，在2014 年出现较大幅度减小，且又在2017 年明显减小；小麦、玉米和稻谷的蓝水足迹相差不大且变化较其他2 种作物均较平稳；5 种作物生产绿水足迹从大到小依次为：大豆>马铃薯>小麦>玉米>稻谷；5 种作物生产蓝水足迹从大到小依次为：大豆>马铃薯>小麦>稻谷>玉米。

图3 宁夏主要作物生产绿水足迹变化趋势 Fig.3 Change trend of green water footprint in the production of main crops in Ningxia

图4 宁夏主要作物生产蓝水足迹变化趋势 Fig.4 Change trend of blue water footprint in the production of major crops in Ningxia

由表2 可知，宁夏地区的主要农作物均是以蓝水足迹为主，这与西北地区稀少的降雨量有关，使得农作物多需灌溉用水或地下水的补给来维持耗水。稻谷的蓝水足迹占自身水足迹比例最大，达84%；小麦和玉米的蓝水足迹占自身水足迹比例高达75%之多；大豆为五种主要农作物中绿水足迹占比最大的作物，其绿水足迹在2013 年和2014 年均达到了55%之多，超过其他作物绿水足迹所占比例；这主要跟作物的生长习性、生育期降雨量多少及作物耗水规律有关。蓝水足迹占比均值从大到小依次是：稻谷>小麦>玉米>马铃薯>大豆，绿水足迹则相反。

2.3 主要农作物生产水足迹时空差异分析

2.3.1 各地区主要农作物综合水足迹

由宁夏2009—2018 年统计年鉴可得宁夏地区2008—2017 年主要农作物年平均产量见图5，由图5可见，5 个地市级地区主要农作物产量从高到低依次为：吴忠市（91.26 万t）>银川市（85.71 万t）>固原市（73.15 万t）>中卫市（61.69 万t）>石嘴山市（45.04万t）；其中玉米在宁夏各市产量占比均为5 种主要农作物中最高，最高为吴忠市达59.5 万t，约占该市主要农作物总产量的65.2%，最低为石嘴山市达27.71万t，约占该市主要农作物总产量的61.54%；银川市和石嘴山市马铃薯产量均为0，马铃薯产量最高地区为固原市，达28.9 万t，约占该市主要农作物总产量的38.7%；固原市的稻谷产量为0，稻谷产量最高的地区为银川市，达36.16 万t，约占该市主要农作物总产量的42.18%；大豆的产量在各市较其他四种农作物产量（除石嘴山市和银川市的马铃薯、固原市的稻谷外）均较低，最低为石嘴山市0.08 万t，约占该市主要农作物总产量的0.18%，最高为固原市，为1.73万吨，约占该市主要农作物总产量的2.36%。

图6 为宁夏5 个地级市地区主要农作物2008—2017 年平均综合水足迹（根据式（9）计算得），由图6 可以看出，宁夏5 个地市级地区10 a 平均综合水足迹大小排序依次为：吴忠市（15.58 m3/kg）>中卫市（13.71 m3/kg）>石嘴山市（12.77 m3/kg）>银川市（9.46 m3/kg）>固原市（8.21 m3/kg）；大豆的水足迹依然列于各地区5 种主要农作物水足迹的首位，最高为石嘴山市9.63 m3/kg，占该市主要农作物综合水足迹的75.43%，最低为固原市3.07 m3/kg，占该市主要农作物综合水足迹的37.38%；种植马铃薯的3 个地区（吴忠市、中卫市和固原市），马铃薯的水足迹依旧仅次于大豆水足迹并占据各地区综合水足迹的较大比例，各地区（吴忠市、中卫市和固原市）马铃薯水足迹占比分别为27.09%、34.99%和27.81%；5 个地区的玉米水足迹无较明显的差异，其中最高为固原市1.11 m3/kg，占该市主要农作物综合水足迹的13.59%，最低为银川市0.82 m3/kg，占该市主要农作物综合水足迹的8.69%；小麦水足迹最高地区为固原市1.74 m3/kg，占该市主要农作物综合水足迹的21.22%，最低地区为银川市0.87 m3/kg，占该市主要农作物综合水足迹的9.21%；稻谷水足迹最高地区为石嘴山市1.12 m3/kg，占该市主要农作物综合水足迹的8.79%，最低地区（除固原市未种植外）为吴忠市0.88 m3/kg，占该市主要农作物综合水足迹的5.63%。

表2 2008—2017 年宁夏主要农作物生产水足迹组成比例 Table 2 Water footprint composition of major crops in Ningxia from 2008 to 2017 %

图5 宁夏各地区主要农作物10 a 平均产量组成 Fig.5 Composition of the average yield of major crops in each region of Ningxia in ten years

图6 宁夏各地区主要作物10 a 平均综合水足迹组成 Fig.6 Composition of 10-year average comprehensive water footprint of major crops in Ningxia

2.3.2 各地区主要农作物生产水足迹组成

图7 为宁夏5 个地市级地区5 种主要农作物的2008—2017 年综合产量变化趋势图，由图7 可看出，各地区主要农作物产量整体变幅较小，吴忠市的主要农作物产量仍居于五个地市级地区首位，第二是银川市，其次是固原市，再次是中卫市，最后是石嘴山市；吴忠市的主要农作物年总产量除2015 年和2017 年出现下降外，其余年份均呈逐年增加趋势；银川市主要农作物年总产量整体呈下降趋势，但在2009、2012年和2015 年呈上升状态，且在2008 年和2009 年超过了吴忠市居5 个地区之首；固原市的主要农作物年总产量呈现先增加后减小趋势，2014 年达到了10 a研究最大值81.86 万t；中卫市主要农作物年总产量也是呈先增大后减小趋势且在2014 年达到了10 a 研究的最大值66.85 万t；石嘴山市主要农作物年总产量变化较其他地区呈平稳变化，分别在2009 年和2016 年增大和减小。

图7 宁夏各地区主要农作物综合产量随时间变化趋势 Fig.7 The trend of the comprehensive yield of major crops in Ningxia over time

图8 为宁夏5 个地市级地区5 种主要农作物的2008—2017 年作物综合水足迹变化趋势图。由图8可看出，在作物产量总体变幅较小，作物综合水足迹总体却呈现下降趋势，从南到北依次减小趋势；固原市作物综合水足迹居于5 市的首位且变化幅度较大，分别在2010 年和2014 年出现极小值，在2011 年和2016 年出现极大值；中卫市作物综合水足迹在10 a研究期内除在2015 年出现明显增大外均呈平稳下降趋势；吴忠市、石嘴山市和银川市的作物综合水足迹变化较平稳。

图8 宁夏各地区主要农作物综合生产水足迹随时间变化趋势 Fig.8 Change trend of IWPF in Ningxia over time

图9 宁夏各地区主要农作物生产绿水足迹随时间变化趋势 Fig.9 Trend of green water footprint of major crop production in Ningxia over time

图10 宁夏各地区主要农作物生产蓝水足迹随时间变化趋势 Fig.10 Trend of blue water footprint of major crop production in Ningxia over time

图9、图10 分别为宁夏5 个地级市地区五种主要农作物2008—2017 年作物综合绿水、蓝水足迹变化趋势图，由图10 可以看出，固原市的作物综合绿水足迹远高于其他4 个地区，这主要归因于固原市远高于其他4 个地区的降雨量，各地区的作物综合绿水足迹变化趋势与各地区降雨量变化趋势不尽相同，而各地区作物综合蓝水足迹与各地区降雨量呈相反趋势变化；各地区作物综合绿水足迹从大到小依次是：固原市>中卫市>吴忠市>银川市/石嘴山市，其中银川市和石嘴山市的作物综合绿水足迹无明显的大小关系；从地理位置上呈从南到北逐渐减小趋势；各地区作物综合蓝水足迹从大到小依次是：中卫市>固原市>吴忠市>石嘴山市>银川市，且整体呈减小趋势，其中固原市的变化幅度较大，这与固原市变化幅度较大的降雨量有着极大关系。

表3 2008—2017 年宁夏各地区主要农作物综合生产水足迹组成比例 Table 3 Water footprint composition of major crops in Ningxia from 2008 to 2017 %

3 讨论

宁夏回族自治区2008—2017 年5 种主要农作物的生产水足迹及其变化趋势研究表明，各农作物的生产水足迹整体呈减小趋势，这主要是归因于各作物年际间产量的整体升高趋势。各作物生产水足迹均是以蓝水足迹为主，这与宁夏地区降雨量稀少的气候特征有关，作物生长需水多依赖于地下水和灌溉水，有效灌溉对粮食作物产量有较大影响[23]，适当调整灌溉模式有益于改善地下水利用过度问题和提高粮食产量。作物生产水足迹在空间分布上呈现从南到北依次递增趋势且差异较大，这主要归因于该地区气候特征空间分布的明显差异和农作物种植结构在空间分布上的较强的地域性和规律性[24]。宁夏主要农作物年均水足迹总量达44.25 亿m3，为宁夏10 a 平均总水资源量的4.5 倍之多，所以减少农业用水量对于宁夏地区改善水资源短缺问题具有重要意义。综上分析，宁夏地区应该采取适当措施调整农业结构，改善种植和灌溉方式，减少作物生产水足迹，提高农业生产水平，同时考虑气候和地形因素，提高降雨资源利用率，以缓解本地区的水资源压力。本文对2008—2017 年宁夏地区5 个地级市的5 种主要农作物生产水足迹进行了量分析，较单个年份单个作物来说更为精细，但仍存在很多缺陷，本文使用数据来源于多个数据源，各数据源之间的统计误差对量化作物生产水足迹会产生一定影响，同时本文未考虑灰水足迹对作物生产水足迹的影响，因此本研究还需考虑更多影响作物水足迹的因素做进一步改善和提升。