基于实际耗水的固原地区马铃薯生产水足迹研究

李怡瑶， 王彦军， 马安平， 梁云峰， 朱永宁， 冯东溥

(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.宁夏大学 机械工程学院，宁夏 银川 750021； 4.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室， 宁夏 银川750002)

1 研究背景

水足迹是Hoekstra等[1]提出的一种量化产品生产过程中水资源利用效率的指标。水足迹理论自提出以来，一直受到广泛关注[2]，近年来作物水足迹逐渐成为研究热点[3]。Mekonnen等[4]评价了全球小麦生产水足迹，其结果分辨率较高，为大中尺度小麦水足迹研究提供了参考。Nouri等[5]提出通过覆膜和滴灌等节水方式来减少中东和北非地区作物生产水足迹，从而减缓水资源短缺。郭相平等[6]利用实际统计数据，计算了中国大陆的农作物生产水足迹，为揭示实际作物水资源利用效率提供了参考依据。付强等[7]基于水足迹探讨了黑龙江省粮食生产用水效率。韩宇平等[8]基于水足迹理论分析了河北省主要农作物的耗水结构。刘帝等[9]以陕西关中地区为例提出了基于作物实际耗水的水足迹估算方法，为虚拟水贸易和政策制定提供了科学依据。Cao等[10]考虑灌区作物实际耗水过程，评价了大型灌区粮食水足迹。吴普特等[11]提出了基于区域耗水量和区域用水量的水足迹计算方法，丰富了水足迹理论。

在水足迹计算和评价的基础上一些学者尝试揭示影响水足迹的驱动因素并定量其影响的大小。Sun等[12]定量了农业投入和气候变化对灌区作物水足迹的影响。Arunrat等[13]利用EPIC(environmental policy integrated climate)模型研究了气候变化对泰国水稻水足迹的影响，其模型决定系数在0.63～0.77之间。Chen等[14]分析了1996-2015年间中国大陆水稻生产水足迹受气候变化的影响，结果表明降水和日照是影响最显著的驱动因子。由于以上驱动因子的影响分析都涉及到了统计学的相关方法，因此均有一定误差。对数平均迪氏指数分解模型(LMDI)是一种准确无余差的归因方法[15]。Xu等[16]采用LMDI(logarithmic mean Divisia index)模型量化了人类活动对北京市农作物水足迹的贡献大小；Zhao等[17]采用LMDI模型分析了苏州市农作物区域水足迹的影响因素。冯东溥等[18]利用LMDI模型推导了灌区尺度水足迹贡献量分解公式，定量了人类活动和气候变化的影响。

目前，关于宁夏回族自治区水足迹的研究采用的数据序列较短，且均采用充分灌溉下的理论值和统计年鉴中的实际产量来计算水足迹[19-21]。由于宁夏回族自治区水资源相对匮乏，固原地区在耐旱且经济效益较低的马铃薯种植过程中往往不进行灌溉，因此，目前充分灌溉的理论需水量与实际不匹配使得水足迹计算和评价难以反映真实的情况。此外，固原地区马铃薯水足迹变化的原因尚未有明确的量化分析，需要进一步研究。

作为固原市政府主推的特色农产品，该地区近10年每年的马铃薯种植面积在7×104～11×104hm2[22]之间，对固原农民的收入和扶贫攻坚有重要意义。本文以固原马铃薯为研究对象，广泛收集长序列统计数据，考虑马铃薯实际耗水情况，利用水足迹理论和LMDI模型，深入揭示固原地区马铃薯生产水足迹的变化规律及其影响因素，为提高固原地区马铃薯水资源利用效率提供科学依据和参考。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

固原市位于宁夏回族自治区南部(105°19′～106°57′E，35°14′～36°31′N)，下辖西吉县、隆德县、原州区、彭阳县、泾源县5个县(区)，总面积为10 540 km2，常住人口为125.05万人。固原属于温带大陆性季风气候，年平均气温在6.7～8.8 ℃之间，年均降水量在458.6～668.2 mm之间[23]。固原市地理位置及行政区划分见图1。

2.2 数据来源

固原市5个县(区)1981-2017年月尺度气象资料(最高气温、最低气温、相对湿度、降水量、日照时数)来自宁夏回族自治区气象局，气象站点分布如图1所示。马铃薯单位面积产量、种植面积和总产量来自《宁夏统计年鉴(2018)》[23]。

图1 固原市地理位置、行政区及气象站分布

2.3 研究方法

2.3.1 马铃薯生产水足迹计算 作物生产水足迹由绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹构成。由于固原地区水资源短缺，且马铃薯生育期在当地降水量较集中的5-9月，因此马铃薯生长期间一般并不实施灌溉，施肥过程产生的灰水未进入实际耗水过程。因此对于固原地区马铃薯生产的实际耗水过程而言，不考虑蓝水和灰水，仅考虑绿水。绿水足迹是生产单位产量马铃薯所消耗的有效降水，实际耗水情况下的固原地区马铃薯生产水足迹可由公式(1)～(4)计算，其中月尺度的参考作物腾发量ET0采用联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO)推荐的Penman-Monteith公式[24]计算。

WF=CWU/Y

(1)

(2)

(3)

ETc=Kc·ET0

(4)

式中：WF为马铃薯生产水足迹，m3/kg；CWU为马铃薯单位面积耗水量，m3/hm2；CWUgreen为马铃薯单位面积绿水消耗量，m3/hm2；Y为马铃薯单产量，kg/hm2；Peff为月尺度的有效降水量，mm，计算方法参考文献[25]和[26]；P为马铃薯生育期内的月降水量，mm；g为马铃薯生育期的月序数；ETc为马铃薯生育期内的作物需水量，mm；Kc为马铃薯作物系数，参考FAO文件[24]进行修正。

2.3.2 指标的趋势特征分析 采用Mann-Kendall 趋势检验法[27-28]分析序列变化趋势及显著性，Sen斜率法[29]分析序列的年均变幅，公式如下：

(5)

(6)

Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18

(7)

(8)

式中：n为序列长度；xl和xk分别为序列x的第l个和k个元素 (l>k)；S为符号函数统计量； Sgn为符号函数； Var为方差；Z为标准化检验统计量。当|Z|≥1.645和|Z|≥1.960时，分别表示序列在P为0.1和0.05的水平上变化显著，否则变化趋势不显著；Z为正值，表示序列呈上升趋势，负值表示序列呈下降趋势。

(9)

式中：Seni,j为Sen斜率；xi和xj为第i和第j时刻的序列值；Median为取中值函数。

2.3.3 水足迹变化的归因分析 根据公式(1)利用LMDI模型[16]得到如下公式：

ΔWF=ΔWFC+ΔWFY

(10)

(11)

(12)

φ[X(t),X(0)]=

(13)

式中：ΔWF为固原地区马铃薯生产水足迹变化量，m3/kg； ΔWFC为单位面积绿水消耗量对水足迹变化的贡献量，m3/kg； ΔWFY为单位面积产量对水足迹变化的贡献量，m3/kg；t为研究期内的时段序数。以因子的贡献量绝对值之和占水足迹变化量绝对值之和的百分比作为时段内因子贡献率。

3 结果与分析

3.1 固原地区马铃薯生产水足迹

1981-2017年固原市及所辖各县(区)马铃薯生产水足迹时程变化曲线见图2，各统计特征值见表1。

图2 1981-2017年固原市及所辖各县(区)马铃薯生产水足迹时程变化曲线

表1 1981-2017年固原市及所辖各县(区)马铃薯生产水足迹各统计特征值

由图2可见，1981-2017年固原市及所辖各县(区)马铃薯生产水足迹整体呈减小趋势，尤以20世纪80年代变化幅度最大， 90年代除彭阳县以外其他县(区)变幅迅速减小，到2000年以后固原市及所辖各县(区)的马铃薯生产水足迹稳定在0.57～1.72 m3/kg 的区间。 固原市马铃薯生产水足迹年代特征明显，20世纪80年代生产水足迹均值为2.44 m3/kg，90年代为1.48 m3/kg，21世纪00年代为1.09 m3/kg，10年代为0.89 m3/kg。在最值方面，除泾源县以外其他县(区)的最大值均出现在1982年，在1987、1996和1997年各县(区)的水足迹也较高。

由表1各统计特征值可知，固原市马铃薯生产水足迹平均值为1.48 m3/kg，所辖各县(区)平均值从大到小排序为彭阳县>原州区>西吉县>隆德县>泾源县。标准差表明数据离散程度排序为原州区>彭阳县>西吉县>隆德县>泾源县。经Mann-Kendall检验1981-2017年固原地区马铃薯生产水足迹均呈显著减小趋势(P<0.05)，全市马铃薯生产水足迹年均变幅为-0.04 m3/(kg·a)，各县(区)变幅在-0.03～-0.05 m3/(kg·a)之间。

3.2 固原地区马铃薯生产水足迹驱动因子变化特征

由公式(1)可知，单位面积绿水消耗量和单位面积产量是直接影响作物生产水足迹的两个驱动因子。为了定量分析该两个驱动因子对马铃薯生产水足迹的影响，绘制了1981-2017年固原市及所辖各县(区)马铃薯生产水足迹驱动因子时程变化曲线，如图3所示，各统计特征值见表2、3。

由图3(a)和表2可知，1981-2017年固原地区单位面积绿水消耗量均值为2 778.4 m3/hm2，所辖各县(区)均值在2 622.2～3 401.3 m3/hm2之间，降序排列为泾源县>隆德县>原州区>彭阳县>西吉县。最小值出现在固原西北的西吉县，最大值出现在南部的泾源县。Sen斜率表明固原市单位面积绿水消耗量年均变幅为-13.34 m3/(hm2·a)，各县(区)单位面积绿水消耗量也呈减少趋势，年均变幅为-3.80～-14.88 m3/(hm2·a)，经Mann-Kendall检验，西吉县单位面积绿水消耗量有较为显著的减小趋势(P<0.1)，其他县(区)未通过显著性检验。

图3 1981-2017年固原市及所辖各县(区)马铃薯生产水足迹驱动因子时程变化曲线

表2 1981-2017年固原市及所辖各县(区)马铃薯单位面积绿水消耗量统计特征值

由图3(b)和表3可知，1981-2017年固原地区马铃薯单位面积产量上升幅度较大，趋势明显。20世纪80年代固原市马铃薯单产均值为1.31 t/hm2，90年代为1.95 t/hm2，21世纪00年代为2.45 t/hm2，10年代为3.12 t/hm2。泾源县马铃薯单产量高于其他县(区)，原州区、彭阳县和西吉县基本处于同一水平，其间差距不大，彭阳县单产量较少。除泾源县外，其他县(区)最小单产量在1982年；西吉县最大单产量在1986年，其他县(区)的最大单产量均在2000年以后。所有县(区)的单产量均有显著的增大趋势(P<0.05)。

表3 1981-2017年固原市及所辖各县(区)马铃薯单位面积产量统计特征值

3.3 固原地区马铃薯生产水足迹变化归因分析

以1981年为基准期，分析时间段t为1982-2017年，利用LMDI法将固原市马铃薯生产水足迹变化量分解为单位面积产量和单位面积绿水消耗量的贡献量，如图4所示。

图4 1982-2017年驱动因子对固原市马铃薯生产水足迹变化的贡献量(以1981年为基准)

由图4可看出，单产量的贡献量在1982和1987年为正，说明相比于基准期，这两个年份的单产量变化使得固原市马铃薯生产水足迹增加，其中1982年增幅明显。与图3对比发现，1982年是固原市单产量和单位面积绿水消耗量曲线最低点，表明当年单产量发生锐减，但同时由于单位面积绿水消耗量也大幅减小，两者互相抵消导致水足迹变化量不大。除1982年外，其他时段单位面积绿水消耗量的贡献量在-0.78～0.34 m3/kg的区间内波动变化，单产量的贡献量在0～-2.30 m3/kg的区间内变化。绝大多数情况两者的贡献量均为负，造成马铃薯生产水足迹越来越小。

通过计算得出1982-2017年驱动因子对固原市及所辖各县(区)马铃薯生产水足迹变化的贡献率，如表4所示。由表4可知，固原市马铃薯生产水足迹变化的主要驱动因子为单产量，贡献率达80.8%，次要驱动因子为单位面积绿水消耗量，贡献率为19.2%。在所辖各县(区)的驱动因子贡献率中，单产量占76.3%～84.0%，单位面积绿水消耗量占16.0%～23.7%。单位面积绿水消耗量的贡献率降序排列为隆德县>泾源县>原州区>彭阳县>西吉县，单产量的贡献率排序则与之相反。

表4 1982-2017年驱动因子对固原市及所辖各县(区)马铃薯生产水足迹变化的贡献率

4 讨 论

与相同或相邻区域的相关研究成果比较，本文计算得出的马铃薯生产水足迹偏低，如李亚婷[19]计算2007-2015年宁夏海原县薯类生产水足迹为3.45 m3/kg，高海燕等[21]计算2008-2017年宁夏马铃薯的平均生产水足迹为3.02 m3/kg。这是由于本文考虑用实际耗水量和统计产量计算马铃薯水足迹，而上述文献采用充分灌溉的理论值和统计产量计算马铃薯水足迹。作物在充分灌溉下的产量和实际耗水时的产量一般有一定差距，因此本文的计算方法更能反映真实情况。

归因分析表明，单产量对固原地区马铃薯生产水足迹变化的贡献率远大于单位面积绿水消耗量的贡献率。单产量的贡献表现为两方面，正贡献主要发生在20世纪80年代初期马铃薯遭受减产期，负贡献则是由于马铃薯不断增产提高了水分利用效率从而减少了生产水足迹，这也反映出固原地区农业技术的迅速发展。农业水平的不断提高带来的增产增收是水足迹减小的主要原因，由于灾害导致的减产歉收是水足迹增大的主要原因。此外无论是水足迹还是驱动因素均表现出了一定的空间特征，主要特征是固原地区从西北到东南呈现出单产量和单位面积绿水消耗量增加、水足迹减少的态势，这表明固原地区空间尺度虽然较小，但是不同县(区)的气候条件和农业水平仍有较大差别。

与国外马铃薯的种植水平相比，如阿根廷草原地区的马铃薯水足迹[30]为0.32 m3/kg，其中绿水足迹为0.10 m3/kg，单产量为48.80 t/hm2，而目前固原市马铃薯最大单产量仅为3.63 t/hm2，说明固原市马铃薯产业还有很大的提升空间，今后需要将工作重点放在提高农艺水平和培育高产高质品种上。

5 结 论

(1)固原市马铃薯生产水足迹在1981-2017年间的平均值为1.48 m3/kg，其所辖各县(区)平均值在1.17～2.04 m3/kg之间。全市和各县(区)马铃薯生产水足迹均呈显著减小趋势，全市年均变幅为-0.04 m3/(kg·a)。

(2)固原市马铃薯单位面积绿水消耗量和单产量均值分别为2 778.4 m3/hm2和2.18 t/hm2，所辖各县(区)两者均值分别在2 622.2～3 401.3 m3/hm2和1.65～3.19 t/hm2之间。各县(区)单产量均呈显著增大趋势。从西北到东南呈现单产量和单位面积绿水消耗量增加、水足迹减少的态势。

(3)归因分析表明，单产量是影响固原市马铃薯生产水足迹的主要驱动因子，在研究时段内其贡献率为80.8%，贡献量在0～-2.30 m3/kg的区间内波动变化；次要驱动因子单位面积绿水消耗量的贡献率为19.2%，绝大多数时段贡献量在-0.78～0.34 m3/kg的区间内波动变化，各县(区)单产量的贡献率为76.30～84.0%。