河南省冬小麦生产水足迹时空变化特征及影响因素分析

姜旭海 李帆 史仓颉

摘 要：通过量化2011—2018年河南省18个地市冬小麦生产水足迹，分析灌溉水和降水对粮食生产的作用，并采用通径分析方法分析影响农业生产水足迹的因子。结果表明，在年际变化方面，冬小麦蓝水足迹及总生产水足迹呈动态下降的趋势，而绿水足迹呈动态上升的趋势;在空间变化方面，冬小麦生产水足迹空间聚集性比较明显，除信阳外，主要农作物的生产水足迹呈现出由西南向东北递减的趋势;影响水足迹总量的因子中，生育期降水量、平均温度和日照时数等气象因子对冬小麦水足迹的直接通径系数较大，化肥投入量的增加可以促进冬小麦单位面积产量的提高，进而降低了冬小麦生产水足迹。

关键词：生产水足迹;冬小麦;通径分析;河南省

中图分类号：S512.1;TV93       文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200930001

引言

随着我国工业化和城镇化的加速发展，水土资源利用不足的趋势日益严峻，水土资源利用差异日益明显。水资源安全问题制约着我国经济发展，尤其是农业经济的发展，水资源的合理高效利用越来越被人们所关注。因此，在农作物生产过程中，对农业生产用水的来源及其利用效率进行量化分析成为研究农业用水效率及其存在问题的重要环节，农业生产水足迹的理论应运而生。

国际上水足迹研究最早出现于20世纪80年代，Haddadin引入了“外生水”的概念。Tony Allan在1993年首次阐述了“虚拟水”的概念，Hoekstra[1]在2002年提出了水足迹研究方法，即将真实形态的水与虚拟形式的水结合在一起的方法，极大地促进了虚拟水量化领域的研究进展，自此水足迹理论被学术界广泛应用。Chapagain等人[2]利用水足迹理论对部分国家的水足迹进行了计算、分析与对比。侯庆丰[3]利用CROPWAT软件和联合国粮农组织（ FAO） 的 CLIMWAT数据库，计算得出甘肃省农作物生产水足迹的组成具有明显地区性差异的结论。张容等[4]对农业水足迹影响因素进行研究，得出气象因素的变化与人工施加的农业技术是影响作物水足迹的主要因素的结论。郭相平等[5]分析了我国主要农作物水足迹时空分布趋势与影响因子的关系，发现我国区域内水足迹在空间上呈现出线性变化趋势，而降雨量、人均纯收入对水足迹的空间分布具有重要影响。冯变变等[6]分析了山西省农作物中的生产水足迹，得出区域间蓝水比例在全省内随纬度的增大而增大，主要粮食作物中小麦生产水足迹的绿水足迹比例较低的结论。韩宇平等人[7]利用通径分析的方法核算了海河流域在1958—2016年间冬小麦水足迹，结果表明海河流域冬小麦水足迹呈整体下降趋势，影响因素中农业生产投入因素对冬小麦水足跡直接通径系数最大。

冬小麦是河南省主要的粮食作物，冬小麦生育期较长，约230～270d，整个生长过程对于水资源的依赖程度较大。因此，本文主要研究河南省冬小麦水足迹时空分布的动态变化，从水足迹视角出发，通过对2011—2018年河南省18个地市生产冬小麦所需的水资源量进行量化分析，明确灌溉水和降水对粮食生产的作用，并采用通径分析，对农业生产水足迹的影响因子进行分析，可为河南省农业水资源合理管理及科学利用提供参考。

1 研究区概况

研究区域处于我国黄河中下游地区的河南省，河南省界于N31°23'～36°22'，E110°21'～116°39'。河南省近10a内年平均气温为12.8～16.4℃，年平均日照时数1501.7～2253.3h，年平均降水量为461.1～1144.2mm，降水主要集中在7月份，年平均无霜期206.6～278.0d，属于大陆性季风气候，适宜多种农作物生长。河南省土地总面积约为16.70×104km2，其中耕地面积约为8.16×104km2，人均耕地面积0.075hm2，低于全国人均耕地水平（2018年河南省统计年鉴）。冬小麦在河南省农作物播种面积中占有较大比重，2018年冬小麦播种面积5739.85 × 103hm2，占该年省内主要农作物播种面积的38.86%。

由图2可知，2011—2018年间，河南省冬小麦蓝水足迹呈现下降趋势，绿水足迹呈现上升趋势，总生产水足迹呈现下降趋势。

冬小麦蓝水足迹在研究期间平均值为0.243m3·kg-1，最大值出现在2011年，为0.315 m3·kg-1，最小值出现在2015年，为0.141 m3·kg-1;由距平百分率可知，2015年冬小麦蓝水足迹相对于多年蓝水足迹平均值变化最大，且为负变化。冬小麦绿水足迹在研究期间平均值为0.357m3·kg-1，最大值出现在2015年，为0.448m3·kg-1，最小值出现在2012年，为0.229m3·kg-1;由距平百分率可知，2012年冬小麦绿水足迹相对于多年绿水足迹平均值变化最大，且为负变化。冬小麦总生产水足迹在研究期间平均值为0.600m3·kg-1，最大值出现在2011年，为0.694m3·kg-1，最小值出现在2012年，为0.539m3·kg-1;由距平百分率可知，2011年冬小麦总生产水足迹相对于多年总生产水足迹平均值变化最大，且为正变化。

作物生产水足迹由作物耗水量和作物单产共同决定[12]。2011—2018年间，河南省冬小麦总生产水足迹2011年最大，2012年最低，这是因为在2011年和2012年冬小麦单产相差不大的前提下，2011年的降水量大于2012年。总体来看，2011—2018年间，冬小麦蓝水足迹及总生产水足迹呈动态下降的趋势，绿水足迹呈动态上升的趋势，说明近些年来，河南省传统农业灌溉用水效率及降水资源的利用效率逐步提高，河南省农作物总的生产用水效率在逐渐提高。

3.2 空间变化特征

冬小麦生产水足迹具有一定的空间差异性，以2011—2018年间冬小麦生产水足迹8a均值为基础分作冬小麦在空间上的总体差异性特征，结果如图3。

冬小麦生产水足迹空间聚集性比较明显，除信阳外，主要农作物的生产水足迹呈现出由西南向东北递减的趋势。豫西、豫南地区冬小麦生产水足迹普遍较高;豫北、豫东地区冬小麦生产水足迹普遍偏低;洛阳、三门峡、郑州、平顶山、信阳主要粮食作物的生产水足迹较高。其中，冬小麦生产水足迹最高的是洛阳，为0.829m3·kg-1;最低的是焦作，为0.424m3·kg-1。

冬小麦生育期内降水较少，其生长所需水主要来源于灌溉水，在冬小麦的生产水足迹中，蓝水足迹由西北向东南减少。其中，蓝水足迹最高的是三门峡，为0.392m3·kg-1;最低的是信阳，为0.096m3·kg-1。

4 冬小麦水足迹影响因素分析

由作物生产水足迹计算公式可知，冬小麦水足迹主要由生育期对水的需求量及作物年产量所决定的。因此，基于冬小麦生产水足迹数据服从正态分布的基础上，合理选择影响因素进行通径分析。

4.1 冬小麦生产水足迹的正态性检验

利用通径分析的方法分析影响区域冬小麦生产水足迹分布差异的因子，需要对冬小麦生产水足迹数据进行正态性检验。本文通过SPSS 23.0软件对计算所得河南省冬小麦生产水足迹进行正态性检验，输出结果如表1 所示。

对一组数据进行正态性检验的方法在SPSS中有2种，Kolmogorov-Smirnov检验（K-S检验）和 Shapiro-Wilk检验（S-W检验）。 K-S检验结果虽然较为精确，但适用于大样本的检测，S-W检验适用于小样本的检验。本文n=8 属于小样本，因此采用S-W检验的输出结果对因变量 y 进行正态性检验。

Shapiro-Wilk统计值为0.926，显著性为0.477>0.05，所以因变量y（冬小麦生产水足迹）服从正态分布，即可以进行通径分析。

4.2 通径分析

生育期需水量和单产会受到当地气候条件、生产条件的影响。因此，为了分析引起河南省各区域冬小麦生产水足迹差异性的主導因素，选取影响作物生产水足迹的生育期降水量（X1） 、日照时数（X2） 、相对湿度（X3） 、平均温度（X4） 、农机动力（X5） 、化肥使用量（X6）参数进行通径分析，研究冬小麦水足迹的影响因素，结果见表2。

表2中各影响因素的直接通径系数表明各因素对冬小麦生产水足迹的直接影响，间接通径系数则表明各因素通过影响其它各因素而对冬小麦生产水足迹产生的间接影响程度。

通过对各影响因子的直接通径系数分析可知，全部影响因子中生育期降水量、化肥使用量、平均温度对冬小麦的水足迹直接影响较大，生产条件中化肥使用量和农机动力影响系数接近，但化肥使用量影响系数更大。通过对各影响因子的间接通径系数分析可知，生产资料因子中，化肥使用量的间接通径系数较大;气象因素中，降水量和相对湿度之间及平均温度之间的相对作用较明显。总体来看，影响因素系数由大到小依次为化肥使用量（X6）、平均温度（X4）、降水量（X1）、相对湿度（X3）、农机动力（X5）、日照时数（X2） 。

5 结果与讨论

5.1 结果

本研究借助CROPWAT 8.0软件分析河南省2011—2018年期间冬小麦的生产水足迹的时空变化情况。结果表明，在年际变化方面，冬小麦总生产水足迹与蓝水足迹均呈现动态下降的趋势，绿水足迹呈现动态上升的趋势;在空间变化方面，冬小麦生产水足迹具有明显的聚集性。除信阳外，主要农作物的生产水足迹呈现出由西南向东北方向递减的趋势，豫西和豫南地区冬小麦的生产水足迹普遍较高，而豫北和豫东地区冬小麦生产水足迹普遍偏低。洛阳市、三门峡市、郑州市、平顶山市、信阳市主要粮食作物的生产水足迹较高，其中，冬小麦生产水足迹最高的地级市是洛阳市，为0.829m3·kg-1，最低的是焦作市，为0.424m3·kg-1。

对冬小麦生产水足迹影响因子进行分析发现，就气象因子而言，生育期降水量、平均温度和日照时数对冬小麦水足迹的直接通径系数较大，说明生育期内气温和日照时间有利于冬小麦的生长发育，可以提高冬小麦产量，降水量则通过直接影响冬小麦生育期中的绿水资源量，对冬小麦水足迹产生影响;对生产条件而言，化肥的用量增加使得冬小麦的单位面积产量提高。

5.2 讨论

根据作物生产水足迹时空分布状况及其影响因子的影响程度来看，降低作物生育期水足迹的途径为：增加现代化农业生产的投资，提高农业机械动力在生产中的比重，提高单位面积农作物产量;加强节水技术的应用和推广，提高降雨和灌溉水的利用率。研究表明，增大化肥和农业机械总动力的投入，可大大提高农业生产力和促进作物产量的提高[13]。另外，此次研究中化肥影响因素占据过高的比重，在增加作物产量方面虽然具有重要的促进作用，但化肥的过度使用会对耕地造成一系列破坏[14]。同时，根据报酬递减理论，随着化肥投入的增加，对于作物产量增加的效用会逐渐降低，直至不再影响。

本研究计算了河南省2011—2018年间18个市的水足迹状况，初步得出河南省水足迹的时空分布及年际变化特征，但由于现有研究方法和所采用数据资料的限制，文中还存在很多不足之处。针对河南省水足迹的分析中仅考虑了蓝水足迹和绿水足迹，其中缺少对灰水足迹的研究;研究作为理论数据的结果，在分析过程中缺少对各个区域人口、经济、农业技术的分析，与省内冬小麦生产真实耗水量可能存在一定误差。

参考文献

[1] Hoekstra A Y. Virtual Water Trade：Proceedings of the International Expert Meeting on Virtual Water Trade[J]. Value of Water Research Report Series，2003（03），12.

[2]Chapagain A K，Hoekstra A Y. Virtual Water Flows between Nations in Relation to Trade in Livestock and Livestock Products[J]. Value of Water Research Report Series，2003（13）： 11-15.

[3]侯庆丰.基于水足迹的甘肃省农作物种植结构优化分析[J].中国沙漠，2013，33（06）：1921-1927.

[4]张容，李杨.农业水足迹影响因素研究及展望[J].商业经济，2018（08） ： 100-104， 184.

[5]郭相平，高爽，吴梦洋，等.中国农作物水足迹时空分布与影响因素分析[J].农业机械学报，2018， 49（05） ： 295-302.

[6]冯变变，刘小芳，赵勇钢，等.山西省作物生产蓝绿水足迹核算及影响因素分析[J].水土保持研究，2018，25（04） ： 200-205，214.

[7]韩宇平，贾冬冬，黄会平，王春颖，曲唱.基于通径分析的海河流域冬小麦水足迹及影响因素[J].水资源保护，2019，35（01）：6-13.

[8]吴普特，孙世坤，王玉宝，李笑雷，赵西宁.作物生产水足迹量化方法与评价研究[J].水利学报，2017，48（06）：651-660，669.

[9] Cao X C，Wang Y B，Wu P T，et al. An evaluation of the water utilization in wheat production of irrigated and rain-fed croplands in China[J]. Science of the Total Environment，2015，529 （5）： 10-20.

[10]Petra Doll，StefanSiebert. Global modeling of Irrigation water requirement[J].Water Resources Research，2002，38（4）： 1-8.

[11]蔡甲冰，劉钰，许迪，等.基于通径分析原理的冬小麦缺水诊断指标敏感性分析[J].水利学报，2008，39（01） ： 83-90.

[12]秦娅青，王锐，李瑞华，等. 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[J]. 资源开发与市场，2019，35（08）： 1037-1043.

[13]马少先.农业机械在现代农业生产中的地位与作用探析[J].北京农业，2012（03）：172-173.

[14]Ruttan V W. The transition to agricultural sustainability[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States， 1999， 96（11）：5960-5967.

（责任编辑  李媛媛）