水足迹视角下哈尔滨市玉米生产用水分析

2022-08-05纪鸿飞李翔鹏李方豪聂堂哲

农业与技术 2022年14期

纪鸿飞李翔鹏李方豪聂堂哲

(黑龙江大学水利电力学院，黑龙江哈尔滨 150080)

引言

水安全和粮食安全是当今世界的2个基本问题。我国人均水资源不足，随着社会经济的发展和生活水平的提高，未来中国的水资源将更加稀缺。水资源短缺将严重威胁粮食安全，特别是在干旱地区。我国作为人口和农业大国，水资源和粮食安全面临着严峻的压力，未来人口增长、工业用水竞争加剧以及气候变化将给农业用水带来更大挑战[1]。水足迹理论旨在为缓解区域水资源压力、实现区域可持续发展提供新途径。农业水足迹包括绿水足迹、蓝水足迹和灰色水足迹。绿水足迹指土壤中没有流失或补给地下水且储存在土壤中或暂时停留在土壤中可被植物生长利用的降水量。蓝水足迹是指农作物生产所消耗的地表水和地下水量。灰水足迹是指在给定自然背景浓度和现有环境水质标准的情况下，用于稀释生产或消费过程中进入水体的污染物浓度至标准值所需水量[2]。

黑龙江省是我国重要的商品粮基地，玉米作为黑龙江省3大粮食作物(玉米、水稻、大豆)之一，其产量约占粮食总产量的50%[3]，哈尔滨玉米产量多年处于全省首位。然而，哈尔滨市水资源总量并不丰富，人均水资源量低于全国水平，农业用水约占总用水量的75%[4]，单位面积灌溉水量比全国平均值高5～6倍[5]，农业水资源利用效率低[6,7]。本文利用CROPWAT 8.0软件估算2005—2015年哈尔滨玉米绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹，并分析其时间变化规律。利用水足迹效益、蓝水足迹亏损和蓝水足迹比例指标分析哈尔滨市玉米生产用水状况。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

哈尔滨市位于中国东北平原东北部地区(E125°42′～130°10′，N44°04′～46°40′)，黑龙江省南部。该地区属中温带大陆性季风气候，全年平均降水量569.1mm，夏季降水量占全年的60%，年均气温3.5℃。土壤类型为黑土，其养分含量比较丰富，适于各种农作物生长[8,9]。

哈尔滨市总面积5.31×104km2，粮食作物播种面积1.975×106hm2，其中，玉米播种面积高于粮食总播种面积的50%(1.096×106hm2)。2020年玉米产量8.14×106t，高居全省第1。本文选取2005—2015年哈尔滨市玉米为研究对象[10]。

1.2 作物需水量

利用世界粮农组织(FAO)推荐的彭曼公式计算参考作物蒸发蒸腾量(ET0)，再利用作物系数Kc计算ETc[11]，计算公式：

ETc=Kc×ET0

(1)

式中，ET0为参考作物蒸发蒸腾量；ETc为作物蒸发蒸腾量，mm；Kc为作物系数。

1.3 有效降雨量

有效降雨量计算方法采用美国农业部土壤保持局推荐公式计算，计算公式：

(2)

式中，Peff为有效降雨量，P为降雨量，mm。

1.4 玉米水足迹

玉米水足迹计算基于Mekonnen等[12]开发的方法。

总水足迹计算公式：

WFc=WFgreen+WFblue+WFgrey

(3)

式中，WFc为总水足迹；WFgreen为绿水足迹；WFblue为蓝水足迹；WFgrey为灰水足迹，m3·t-1。

绿水足迹计算公式：

WFgreen=10ETgreen/Y

(4)

ETgreen=min(ETc,Peff)

(5)

式中，ETgreen为绿水蒸发蒸腾量；Peff为玉米生长期内有效降雨量，mm；Y为玉米单位面积产量，t·hm2-。

蓝水足迹计算公式：

WFblue=10ETblue/Y

(6)

ETblue=max(0,ETc-Peff)

(7)

式中，ETblue为蓝水蒸发蒸腾量，mm。

灰水足迹计算公式：

(8)

式中，WFgrey为灰水足迹，m3·t-1；AR为氮肥的施用量，kg·hm-2；α为淋溶率(进入水体的污染量占总化学物质施用量的比例)；Cmax为氮的最大容许浓度；Cnat为氮的自然本底浓度，kg·m-3。

本研究中，选取10%的氮肥施用量作为淋溶氮，α为10%，Cmax为0.01kg·m-3，遵循中国地表水环境质量标准(GB 3838-2002)[13]，假定Cnat为0。

1.5 水足迹效益

用玉米总虚拟耗水量(WF总)与玉米总产值的比值表示玉米水足迹效益，亦是玉米生产过程中水资源的利用效率，即单位产值的玉米虚拟耗水量[14]。其值越大，表示水资源的利用效率越低。反之，水资源的利用效率越高。计算公式：

WF总=WFc×Yc

(9)

GDPm=PMY×SA

(10)

g=WF总/GDPm

(11)

式中，WF总为玉米总虚拟耗水量，m3；Yc为玉米总产量，t；GDPm为玉米总产值，万元；PMY为玉米每公顷产值，万元·hm-2；SA为玉米播种面积，hm2；g为玉米水足迹效益，m3/万元。

1.6 蓝水足迹亏损

为了将灌溉需水量与有效灌溉水量区分开来，运用蓝水足迹需求量的概念。由于二者之间的差异来自于作物是否得到充分灌溉，因此，引用了蓝水足迹亏损(WFbd)，其表示蓝水蒸发蒸腾量与有效灌溉水量的差值，反映了单位产量下灌溉水量的盈亏情况[14]。计算公式：

(12)

WFbd=WFbr-WFbi

(13)

式中，WFbr为玉米生育期蓝水足迹需求量(数值上等同于ETblue与单产的比值)，m3·t-1；WFbi为玉米生育期内实际的蓝水足迹消耗量，m3·t-1；Fbd为玉米蓝色水足迹亏损，m3·t-1；ID为不同水文年灌溉定额平均值，m3·hm-2；η为农业灌溉水利用系数。

当WFbd<0时，表示蓝水足迹过剩；当WFbd=0时，表示实际蓝水足迹消耗量刚好满足蓝水足迹需求量；当WFbd>0时，表示蓝水足迹短缺。

1.7 蓝水足迹比例

绿、蓝水足迹的数量不足以表示农业用水所依赖的水资源类型情况，因此，引用蓝水足迹在绿水足迹中的占比关系，来反映水足迹的构成差异[15]。计算公式：

(14)

式中，WFbp为玉米蓝水足迹比例。

2 结果与分析

2.1 水足迹时间变化趋势

2005—2015年哈尔滨市玉米绿水足迹在204.5～365.2m3·t-1区间内上下浮动，见图1a，平均值为269.2m3·t-1，其以每10a下降18.4m3·t-1的趋势变化；蓝水足迹整体呈下降趋势，见图1b，其值在0～314.3m3·t-1范围内变化，平均值为186.7m3·t-1，其以每10a下降102.6m3·t-1的趋势变化；灰水足迹呈波动下降趋势，见图1c，其值在89.4～120.7m3·t-1范围内浮动，平均值为108.3m3·t-1，其以每10a减小6.3m3·t-1的趋势变化。2005—2015年哈尔滨市玉米总水足迹呈波动下降趋势，见图1d，其值在454.7～680.6m3·t-1范围内变化，平均值为564.2m3·t-1，最大值和最小值出现在2007年和2012年，分别为680.6m3·t-1和454.7m3·t-1。总体上看，总水足迹以每10a减少127.3m3·t-1的趋势变化。

图1 2005—2015年哈尔滨玉米水足迹时间变化规律

2.2 玉米水足迹效益

2005—2015年哈尔滨市玉米水足迹效益如图2所示，哈尔滨市玉米水足迹效益数值浮动较大，范围在2954.71～7390.26m3/万元，平均值为4822.31m3/万元。哈尔滨市玉米水足迹效益总体以每10a下降4980m3/万元的趋势变化，说明哈尔滨市玉米生产用水资源效率在稳步提高。而2013—2015年稍有回升，主要由于玉米播种面积增加明显，产量较大，玉米WFc值较大，导致水足迹效益有增长趋势。

图2 2005—2015年哈尔滨市玉米水足迹效益

2.3 玉米蓝水足迹亏损

2005—2015年哈尔滨市蓝水足迹亏损如图3所示。由于灌溉用水效率的提高，哈尔滨市蓝水足迹亏损整体呈下降趋势，然而2007年、2008年灌溉面积的扩大加剧了需水量的增加，使得2007年蓝水足迹亏损增加到研究期最大值201m3·t-1，蓝水足迹短缺最严重。2012年有效降雨量最大，蓝水足迹亏损达到最小值(-24.4m3·t-1)，灌溉水量达到过剩状态。

图3 2005—2015年哈尔滨市玉米蓝水足迹亏损

2.4 玉米蓝水足迹比例

通过引入蓝水足迹比例，发现哈尔滨市在研究期内有9a蓝水足迹比例高于50%，见图4。这主要是由于有效降雨量不能满足玉米生长所需水量，进而导致灌水资源消耗量较大，所以蓝水足迹比例较高。其中，2012年哈尔滨市降雨量充沛，有效降雨量基本满足玉米生育期内所需水量，导致这一年蓝水足迹比例为0。

图4 2005—2015年哈尔滨市玉米蓝水足迹比例

3 讨论

绿水足迹受降水量和玉米产量严重影响，蓝水足迹的大小与灌溉水量和玉米产量密切相关。2007年有效降水量较低，且玉米种植面积扩大，导致灌溉需水量较高，蓝水足迹最高。在玉米水足迹中，绿水足迹平均值最大，玉米生产所消耗的绿水资源占比最大；玉米蓝水足迹下降速率最快，表示灌溉水资源利用效率提高的最快；单位面积产量和氮肥施用量是影响玉米灰水足迹的重要因素。研究期内氮肥施用量变化不大，而单位面积产量总体呈上升趋势，以至于玉米灰水足迹波动下降。2012年玉米单位面积产量最高，所以灰水足迹最低。因此，在大规模农业生产过程中，应指导农民正确使用化肥来控制灰水足迹消耗；气候变暖导致降水减少和蒸发加快，这使玉米生产过程中的有效降水量减少。此外，随着工业的发展，加大了水资源的消耗[16]，促进了农业机械化的发展，使得玉米生产用水效率得以提高，玉米总水足迹下降。

更高的玉米产量并不一定意味着更高的经济效益，由于玉米价格、劳动力成本不稳定等因素，经济效益总是在变化。因此，本文通过计算哈尔滨市玉米水足迹效益，对单位产值虚拟耗水量的变化趋势进行分析。结果表明，哈尔滨市玉米水足迹效益整体上不断下降，水资源利用效率不断提高，2015年水足迹效益降至3128.26m3/万元，但其数值仍然较大，需要进一步解决水资源短缺瓶颈。黑龙江省农业灌溉消耗大量水资源，尤其是地下水资源[17,18]。因此，大力加强节水灌溉显得尤为紧迫，以科技为支撑推动农业现代化建设，提高农作物单产量，是减少农作物水足迹、提高水资源利用效率的最主要途径。虽然研究期内哈尔滨市玉米蓝水足迹亏损总体上不断减少，但除2012年外始终为正值。这表明玉米生产过程中不能总是得到充分灌溉，加上哈尔滨市农业生产水资源消耗巨大，给当地水资源造成巨大压力。因此，应控制耕地扩张，甚至退耕还林，是哈尔滨市降低玉米需水量的首要任务。同时，要根据玉米不同水文年类型的蓝水足迹需求量进行灌溉[19]。哈尔滨市的灌溉系统较不完善，降水在玉米生产中发挥了重要作用。提高绿水资源的开发利用水平，成为缓解地区用水压力和促进水资源可持续发展的重要任务[20]。因此，要合理开发利用高效节水灌溉技术，提高农业生产用水效率，并且通过引进含水量高的产品替代当地产品来缓解地区水资源短缺的状况；要合理增加水库的建设，开发城市雨水收集储存系统以及河流径流的取用。