三江平原粮食作物生产水足迹时空特征及影响因素

范 星,陈 彬

1 山东师范大学环境与生态研究院,济南 250358 2 北京师范大学环境学院,环境模拟与污染控制国家重点实验室,北京 100875

随着人口增长和经济发展,水资源短缺和水质恶化已成为影响区域可持续发展的重要风险。水资源是农业生产的关键物质基础,同时农业也是造成水资源短缺和水质恶化问题的一个主要原因[1—2]。2019年农业部门水资源使用量占中国用水总量的60%以上[3],《第二次全国污染源普查公报》表明,农业污水氮排放量占中国污水总氮排放量的47%[4]。减轻农业部门用水量和污水排放量来缓解水资源压力是区域可持续发展的迫切需求。

水足迹是分析与人类活动或特定产品有关的水资源短缺和污染问题的一个良好指标[5]。水足迹概念由Hoekstra于2002年提出,是指个人、企业、地区或国家生产产品或者消费服务过程中消耗的水资源量[6]。农作物生产水足迹可据此定义为某个区域单位作物产量生产过程中消耗的水资源数量,包括绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹,分别代表作物生长过程中消耗的有效降雨、灌溉的地表水和地下水以及稀释污染物使其达标排放所需淡水[6]。水足迹拓宽了过去仅采用农田灌溉用水量衡量农业水资源消耗的传统核算模式,量化了全过程中消耗的不同来源水资源和产生的水污染,为农业用水综合评价和用水管理提供了一个有效工具[7—8]。

当前已有不少学者对粮食主产区或农业敏感区的主要粮食作物水足迹进行评估,包括对某一地区单种作物生产水足迹进行量化,或进行作物间及时间序列差异的比较,或在不同空间尺度上(如市、省或国家)研究粮食作物水足迹的空间分布特征[9—12]。研究农业生产水足迹的时空变化规律,可以为水资源的合理利用和区域生态安全提供科学依据。但大多数水足迹评价研究只关注农业生产对水量的利用(绿水和蓝水足迹),缺乏对水质影响(灰水足迹)的考量[13—14]；基于水足迹理论的水资源压力评价也主要考虑蓝水足迹,很少有研究同时将蓝水足迹和灰水足迹纳入分析[1,15]。评价农业生产对区域水资源可持续利用的影响,有必要同时从水“量”和水“质”角度,兼顾区域水资源承载力和水环境承载力全面评估农业生产对区域水资源的占用状况[16]。此外,作物生产水足迹受多方面因素共同影响,而目前对水足迹的影响因素多为定性探讨,或侧重于对自然影响因素如日照时数、温度、降雨、风速、相对湿度的分析[1,17—18],关于人为管理因素对粮食作物水足迹影响大小的定量研究仍然不足。

三江平原是我国重要的农业区和商品粮生产基地,也是中国最大的淡水沼泽集中分布区之一。三江平原的生产和生态平衡对确保国家粮食安全和东北地区建设国家生态安全重要保障区目标的顺利实现至关重要。该区域农业部门使用的水量可占区域水资源消耗的90%以上[19],并在发展集约化生产提高粮食产量的同时带来了严重的水体污染,例如三江平原挠力河流域农场大量施用化肥和农药使得该流域河流及水库氨氮、COD和Hg等污染物超标[20],水田化肥施用也是该流域浅层地下水氨氮污染的主要来源[21]。农业用水严重威胁了湿地生态需水,二者的矛盾挑战着三江平原水资源和农业生产的可持续发展[22]。当前已有一些关于三江平原农业生产蓝、绿水或灰水足迹的研究,但缺乏时空尺度的精细刻画,也缺乏管理因素剖析。本研究以三江平原为案例,分别在市级和县级尺度核算粮食作物生长过程的绿水、蓝水和灰水足迹,分析水足迹的时、空分布特征；同时考虑农业生产对水量和水质的影响,通过计算水资源压力指数,评估农业生产对区域水资源的占用情况；分析影响研究区农作物生产水足迹的自然和人为因素,并揭示水足迹响应不同影响因素变化的敏感性,以期为维持该区域农业用水供给的可持续性和湿地生态需水的稳定性提供管理依据。

1 方法和数据来源

1.1 研究区概况

三江平原位于中国黑龙江省东部(43°49′55″N—48°27′20″N、129°11′20″E—135°5′10″E)(图1),是黑龙江、松花江、乌苏里江汇流冲积形成的低平原,占黑龙江省总土地面积的21.5%,行政区域包括佳木斯市、双鸭山市、鹤岗市、鸡西市、七台河市5个地级市以及牡丹江市所辖的穆棱县和哈尔滨市所辖的依兰县,共计23个县(市、区)。该区域为温带湿润、半湿润大陆性季风气候,1月平均气温低于-18℃,7月平均气温为21—22℃,年降雨量为500—650 mm。水稻、玉米、大豆、小麦是三江平原四种主要农作物,2015年这四种作物大约共占该区域总农作物播种面积的97%,本研究即对这四种典型粮食作物生产水足迹进行量化分析。

图1 研究区概况Fig.1 Map of the study area

1.2 单位质量粮食作物生产水足迹计算方法

粮食作物生产水足迹为绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹之和。参考Hoekstra等提出的水足迹计算方法[6],生产单位粮食作物产品的绿水足迹(WFgreen,m3/kg)和蓝水足迹(WFblue,m3/kg)计算公式为：

WFgreen= CWUgreen/Y

(1)

WFblue= CWUblue/Y

(2)

式中,CWUgreen(m3/hm2)和CWUblue(m3/hm2)分别为作物单位面积上的绿水和蓝水消耗量。Y为作物单位面积产量(kg/hm2)。绿水消耗量等于整个生长期每日来自于降雨的蒸散发的累积；对于蓝水消耗量,除了计算作物蒸散发中来自于灌溉水的部分,还根据史利洁等研究考虑进输水和灌溉过程的表面蒸发[13],计算公式如下：

(3)

(4)

ETgreen=min (ETc,Pe)

(5)

ETblue=max (0,ETc-Pe)

(6)

式中,ETgreen(mm/d)、ETblue(mm/d)分别表示作物蒸发蒸腾中来自有效降雨和灌溉水的部分。10为转换系数,将单位由水深(mm)转为单位陆地面积的水量(m3/hm2)。ETc为作物蒸发蒸腾量。Pe表示有效降雨量(mm/d),不包括因径流和植物截留而损失的水量。n为作物一年生长天数。L为灌溉水输配过程中的水面蒸发损失(m3/hm2)。

ETc计算公式如下：

ETc=Kc×ET0

(7)

式中,Kc为作物系数,通过文献调研获得(表1)[23—24]。ET0(mm/d)为参考作物蒸发蒸腾量,根据FAO推荐的Penman—Monteith公式[25],使用国家气象信息中心发布的三江平原站点气象数据,利用CROPWAT8.0软件计算得到。

Pe由以下经验公式[26]计算得到：

(8)

式中,P表示日降雨量(mm/d),由月降雨量除以当月天数计算得到。

L计算公式为：

(9)

式中,η为灌溉水利用系数。假设黑龙江省农田用水效率的逐年增长趋势与可获得的全国平均农田灌溉水有效利用系数近些年变化趋势一致,利用获得的黑龙江省个别年份农田灌溉水有效利用系数推算出该省2005—2018年历年灌溉水利用系数(变化范围为0.524—0.605)。α为水面蒸发占输配水损失的比例,通常取5%[27]。

表1 三江平原四种主要粮食作物的生长期和作物系数

根据水足迹评价手册[6],作物生产的灰水足迹(WFgrey,m3/kg)计算公式为：

(10)

式中,β为淋失率,即进入水体的污染量占总化学物质施用量的比例；AR为化学物质施用率(kg/hm2)；cmax为水体的最大污染物容许浓度(kg/m3)；cnat为污染物的自然本底浓度(kg/m3)。

在农业部门,一般认为化肥施用是主要污染源,氮和磷是主要污染物质,因此分别计算了稀释氮和磷污染所需水量,并由二者中最大值决定灰水足迹。黑龙江省化肥氮和磷的淋溶/径流损失率分别为19.2%和1.2%[28]。对于化肥施用率,本研究基于统计年鉴收集到的市级所有作物总施肥量数据和张宇等采用的分配方法[29],将《全国农产品成本收益资料汇编》(2006—2019)获得的各种作物单位面积施肥率数据进行校准,使得到的主要施肥作物(水稻、玉米、大豆、小麦)的施肥量加和等于市级总施肥量统计值。水体中最大氮、磷容许浓度根据《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中V类水质标准阈值确定,即氮和磷的cmax取值分别为0.002 kg/m3和0.0004 kg/m3。对于氮和磷的自然本底浓度,本研究假设该值为0[6]。经计算,化肥氮的水体排放量决定了灰水足迹。

三江平原水稻主要产于灌溉农业系统,玉米、小麦和大豆则主要产于雨养农业系统[30]。因此,本研究中水稻的生产水足迹包括绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹,而小麦、玉米和大豆的生产水足迹则为绿水足迹和灰水足迹之和。

1.3 区域粮食作物水足迹总量及综合粮食作物生产水足迹计算方法

某区域生产单位质量作物产品的水足迹与该区域内该种作物总产量的乘积为区域作物水足迹,表示区域生产该种作物产品所消耗的水资源总量。某地区所有粮食作物生产水足迹总量加和后再除以该地区的粮食总产量,得到该地区单位粮食生产的平均水足迹,即综合粮食作物生产水足迹,以综合衡量该地区农业生产的水资源利用状况[13]。综合粮食作物生产水足迹(IWFj,m3/kg)计算公式如下：

(11)

式中,WFi,j(m3/kg)为地区j的单位质量作物i生产水足迹。Pi,j(kg)为地区j作物i的总产量。

1.4 水资源压力指数计算方法

本研究将农业生产所占用的地表或地下水资源量(蓝水足迹和灰水足迹)与该区域水资源总量(WR)的比值定义为农业生产带来的水资源压力指数(WSI, Water stress index),其计算公式为：

(12)

水资源压力原本定义为一个国家或地区生活、生产需要消耗的地表或地下水资源量占该地区水资源总量的比重[31]。由于三江平原农业生产是主要用水部门,本研究只计算了三江平原主要粮食作物用水对当地水资源的占用,同时,本研究依然参考水资源压力阈值的经验划分来衡量各地市的水资源压力。根据《中国生态足迹报告2010》,当水资源压力指数大于100%时为重度压力；当水资源压力指数大于40%、小于100%时为高度压力；当水资源压力指数大于20%、小于40%时为中度压力；当水资源压力指数大于5%、小于20%时为轻度压力；当水资源压力指数小于5%时则基本不存在水资源压力。

1.5 水足迹影响因素敏感性分析

本研究根据水足迹计算过程,提取降雨量、灌溉水利用效率、化肥施用量、粮食种植结构和作物单产水平作为水足迹的主要影响因素。然后基于情景分析法,以三江平原2015年粮食作物生产水足迹总量现状为基准,评估在其他条件不变的情况下,这些影响因素分别调整(增加或降低)10%的水平后水足迹总量的变化幅度,来比较水足迹响应这些因素的敏感性大小。这些情景包括：(1)作物生育期降雨量增加10%；(2)灌溉水利用系数提高10%；(3)各种作物的单位面积化肥施用率均减少10%；(4)水田面积的10%转换为旱田,基于食物可替代性原则,减少的水田转为小麦种植；(5)各种作物单产水平均提高10%。

1.6 数据来源

地级市和县级农业生产相关数据(如作物播种面积、产量、施肥量等)以及各地市历年的水资源总量数据来源于《黑龙江统计年鉴》(2006—2019)和2016年各市统计年鉴。气象数据(如降雨、气温、风速等)来源于中国气象科学数据共享服务网。水足迹计算中使用到的参数如作物系数、淋溶率等来源于文献调研。由于数据可得性,时间动态上我们获取三江平原主要五个地市(共21个县)的历年农业生产相关数据和降雨数据,计算这五个地市在2005—2018年的粮食生产水足迹,利用回归分析判断水足迹时间变化趋势,统计显著性水平α=0.05。在空间分布上,以2015年为例,获取了五个地级市以及牡丹江市所辖的穆棱县和哈尔滨市所辖的依兰县,共计23个县(市、区)的农业生产数据,分别在市级和县级水平计算粮食作物生产水足迹。

2 研究结果

2.1 三江平原农业生产水足迹时间动态(2005—2018)

三江平原及各市的四种主要粮食作物单位质量水足迹均在不同年份间波动,但随时间变化没有显著的增加或降低趋势(表2),这是气候因素、灌溉技术、施肥率和单产水平等多因素在年际间波动所共同作用的结果。不同粮食作物单位质量的水足迹差异较大,其中大豆单产水平最低,其单位质量水足迹最高,历年均值为3.64 m3/kg(三江平原五市综合平均)；其次是小麦单产水平较低,其单位质量水足迹历年均值为2.04 m3/kg；水稻和玉米单产近似,但水稻主要产于灌溉农业系统,其生产水足迹不仅包括绿水和灰水,还包括蓝水,其单位质量水足迹历年均值为1.92 m3/kg；玉米单位质量水足迹最小,历年均值为1.72 m3/kg。

表2 2005—2018年三江平原五地市单位质量粮食作物生产水足迹/(m3/kg)

三江平原粮食生产水足迹总量在这一时期呈显著增长态势(图2),从2005年到2018年增长了大约0.9倍,这一增长主要与粮食总产量变化和化肥施用量不断增加有关。从作物类型来看,水稻和玉米的水足迹总量在这一时间段内不断增加,而大豆和小麦的水足迹总量不断减少,这与该区域4种主要粮食作物产量的时间变化趋势相一致。从地市来看,五个主要地市的粮食作物水足迹在2005—2018年间总体上均呈现显著增长趋势；但各市的相对份额基本保持稳定,其中佳木斯市在五市粮食作物生产水足迹总量中份额最大,占一半左右,其次是鸡西市和双鸭山市,共占五市总量的三分之一。从用水来源来看,该时期粮食作物生长过程的绿水、蓝水和灰水足迹均显著增长。粮食播种面积增加是绿水足迹增长的主要原因,其中水稻播种面积的扩大又导致蓝水足迹增长,而化肥施用量的不断增多是粮食生产灰水足迹增长的主要原因。各来源水足迹的相对份额随年份波动,但没有显著变化趋势,其中灰水足迹占比最大(58%—71%,平均64%),其次是绿水(21%—38%,平均28%),蓝水足迹占比最小(4%—11%,平均8%)。

图2 2005—2015年三江平原五地市粮食作物产量、播种面积、施肥量和水足迹总量Fig.2 The production, sown area, nitrogen fertilizer usage and water footprint of main crops of the five cities in the Sanjiang Plain from 2005 to 2015

2.2 三江平原2015年农业生产水足迹空间分布

三江平原粮食作物生产水足迹有明显的空间差异。在地级市水平,2015年粮食作物生长过程水足迹最高的佳木斯市(166.1×108m3)是水足迹最小的七台河市(23.2×108m3)的7倍(图3)。其他三个地级市的水足迹从高到底依次为：双鸭山市42.6×108m3,鸡西市42.5×108m3,鹤岗市26.5×108m3。此外,哈尔滨市下辖的依兰县粮食生产水足迹为32.0×108m3,牡丹江市下辖的穆棱县为8.7×108m3。我们通过将各地市(及两个县)的粮食作物生产水足迹总量除以该地区的粮食总产量,得到各地市(或县)的综合粮食作物生产水足迹。综合粮食作物生产水足迹是一个地区各种粮食作物生产水足迹的加权平均,因此,除了作物单产水平、降雨量、灌溉水利用效率、化肥施用率等因素外,该地区的作物种植结构也影响其综合粮食作物生产水足迹。2015年鹤岗市和七台河市的综合粮食作物生产水足迹最高,分别为2.57 m3/kg和2.47 m3/kg(图3),主要因为这两个地市有较高的降雨量和化肥施用率,此外,鹤岗市以水稻为主的种植结构还消耗更多蓝水。但由于粮食总产量少,鹤岗市和七台河市的总作物水足迹共占三江平原总量的15%。穆棱县(牡丹江市)和依兰县(哈尔滨市)的综合粮食作物生产水足迹均为2.13 m3/kg,其总作物水足迹占三江平原总量的12%。佳木斯市的综合粮食作物生产水足迹为1.96 m3/kg,粮食总产量最多,其总作物水足迹占三江平原总量的47%。双鸭山市和鸡西市的综合作物生产水足迹最低,分别为1.53 m3/kg和1.38 m3/kg,较低的降雨量和化肥施用率分别是鸡西市和双鸭山市综合作物生产水足迹低的主要原因。但这两个地市的粮食总产量不低,因此总作物水足迹共占三江平原总量的26%。

图3 2015年三江平原各地区粮食作物总产量和综合作物生产水足迹Fig.3 Crop production and water footprint of integrated crop production for each district in the Sanjiang Plain in 2015

在县级尺度,富锦市、依兰县和桦南县是粮食生产水足迹热点地区(图4),这三个产粮大县共占2015年三江平原粮食生产水足迹总量(341.6×108m3)的32%。其中富锦市综合粮食作物生产水足迹接近23县平均水平,但该市拥有最高的耕地面积和粮食总产量,从而绿水、蓝水和灰水足迹均为研究区最高值。23县水足迹的相关分析也表明粮食生产水足迹总量与综合作物水足迹无显著相关关系,而与粮食生产总量密切相关。具体地,从不同用水来源看,2015年三江平原23个县主要粮食作物生长过程的绿水足迹为80.9×108m3,其中富锦市、桦南县、密山市、虎林市和依兰县是最高的5个县(或县级市),占三江平原总绿水足迹的41%。三江平原粮食作物生长过程的蓝水足迹为31.1×108m3,富锦市、抚远县、桦南县、依兰县和桦川县是最高的5个县,占该区域总蓝水足迹的51%。三江平原粮食作物生长过程的灰水足迹为229.6×108m3,富锦市、依兰县、桦南县、桦川县、抚远县是最高的5个县,占该区域总灰水足迹的45%。

图4 2015年三江平原23县粮食作物生产水足迹空间分布/(×108 m3)Fig.4 Spatial distribution map of water footprint of main crops production in each county of the Sanjiang Plain in 2015

2.3 三江平原水资源压力

从时间来看,整个三江平原及主要地市虽然粮食总产量逐年增加,但水资源压力随时间波动而没有显著的增加或降低趋势(图5),这可能与种植结构改变,当地水资源和降雨量年际变化以及灌溉用水效率不断提高有关。2011年三江平原水资源压力为历年最高,主要与当年较高的粮食产量和较少的降雨量有关。降雨量少会导致更多作物用水需要从地下水或地表水获取。

图5 三江平原各地市及三江平原五市总体的历年水资源压力(上、下图分别为只考虑蓝水足迹和蓝、灰水足迹同时考虑计算得到的WSI)Fig.5 Water stress index of the five cities in the Sanjiang Plain from 2005 to 2018

从空间分布来看,各地市地下水、地表水资源量分布不均,农业生产分布不均,因此各地市间水资源压力有较大差异。佳木斯市的地下和地表水资源量最多,但同时也生产了最多的粮食产量。比较来看,该市的水资源拥有量份额与消耗量份额不匹配,即在三江平原五个地市中,佳木斯市以30%左右的水资源拥有量生产了一半左右的粮食总产量,因此,佳木斯市的水资源压力最高。当只考虑粮食生产蓝水足迹,佳木斯在研究期间大多数年份表现为中度水资源压力,并在2011年和2014年出现了高度水资源压力,当同时考虑蓝水和灰水足迹,佳木斯在整个研究期间都表现为重度水资源压力,即粮食生产超出了当地水资源和水环境承受能力。当同时考虑蓝水和灰水足迹,七台河市在研究期的大多数年份中也表现为重度水资源压力；与之相反,鹤岗市历年水资源拥有量占三江平原五市总量的16%—30%,却仅产出了7%左右的粮食产量,因此鹤岗市的水资源压力最低。

2.4 三江平原主要粮食作物生长过程水足迹影响因素与敏感性分析

水资源消耗量受气候因素和人类活动的双重影响。通过比较当各影响因素提高或降低10%后的粮食作物生长过程水足迹总量变化,分析水足迹响应各因素的敏感性,为下一步缓解水资源压力提供科学依据。以三江平原2015年粮食作物生产水足迹总量为基准情景,当降雨量增加10%,则灰水足迹不变,绿水足迹增加,蓝水足迹减少,总水足迹提高1.0%(表3)。当灌溉水利用效率提高10%,则绿水和灰水足迹不变,蓝水足迹减少,总水足迹降低0.1%。灌溉水利用效率对水足迹影响较小,是因为水足迹计算没有考虑水渠和管道等农业水利设施的渗漏损失(通常认为渗漏量返回原流域),而只考虑了输送水的表面蒸发损失。较高的灌溉水利用效率会减少水源地的水资源抽取量,继而减少输水和灌溉过程中表面蒸发损失量。当四种主要粮食作物的化肥施用量均减少10%,则绿水和蓝水足迹不变,灰水足迹减少,总水足迹减少6.7%。由于这里没有考虑施肥率降低对氮素淋失率的影响,所以结果可能存在一定程度的低估。当将水田面积的10%改为旱田(小麦),则绿水、蓝水和灰水足迹均有所减少,总水足迹减少2.5%,值得注意的是,在该情景中,粮食总产量会减少1.8%。当四种主要粮食作物的单产均提高10%,并保持粮食总产量不变,则绿水、蓝水和灰水足迹都有所减少,总水足迹会减少9.1%。总产量不变、单产提高也会使9.1%的耕地面积被释放出来,这些土地可通过退耕还湿用于三江平原湿地生态系统恢复和生境保护。总的来看,蓝水足迹对种植结构的变化最敏感,灰水足迹对化肥施用量的变化最敏感,总水足迹对作物单产水平变化最敏感。若综合所有人为管理措施,在各项措施达到10%的改善幅度下,蓝水和灰水足迹可分别减少20%左右,总水足迹减少约17%。

表3 不同参数设置下2015年三江平原主要粮食作物生产水足迹/(×108 m3)

3 讨论

作为当前国家重要的商品粮基地,三江平原自20世纪中期以来农田开垦和水田面积扩张程度剧烈,给湿地保护和水资源可持续利用都带来了巨大挑战。据统计,三江平原湿地面积在近二十年间减少一半左右,本研究发现的蓝水和灰水足迹热点地区如富锦市、抚远县、桦川县等即是这二十年间土地利用类型从湿地到农田转变程度最严重的地区[32]。

三江平原水田扩张造成粮食生产蓝水足迹从2005到2018年大约增加了1.5倍(图2)。本研究计算得到的水稻单位产量蓝水足迹历年均值(0.41 m3/kg)与已有研究中黑龙江省水稻蓝水足迹(2005—2017年历年均值0.46 m3/kg)[33]以及吉林省水稻蓝水足迹(2005—2012年历年均值0.40 m3/kg)[34]相近。由于忽略了非水稻作物的灌溉需求,本研究计算的粮食生产蓝水足迹总量相对保守,其对区域水资源占用比例较低。仅考虑粮食生产蓝水足迹,会得出三江平原及各地市在大多数年份属于轻度水资源压力或不存在水资源压力的乐观结果。实际上,农业灌溉用水除了满足蒸散发需求,还要考虑土壤渗漏损失,尤其是水田在生长期间需要维持一定水层深度,田间渗漏损失约2—6 mm/d,而水足迹计算通常不考虑田间渗漏损失[35]。而且值得注意的是,水田的灌溉用水大部分来自地下水,蓝水足迹热点地区如富锦市和抚远县的地下水位已出现多年持续下降趋势,局部地区形成下降漏斗[19,36],因此,三江平原粮食生产带来的地下水资源压力不容乐观。

粮食生产的灰水足迹和化肥施用量呈正比关系,而化肥施用量和粮食播种面积、种植结构及化肥施用率有关,虽然总的粮食播种面积在2009年以后变化不大,但施肥率少的小麦和大豆逐渐被施肥率高的玉米和水稻种植所取代,导致灰水足迹总量逐年增加,从2005年到2018年增长将近1倍。相比于水量使用,粮食生产带来的水质污染对三江平原水资源的影响更大,当同时考虑蓝水和灰水足迹,粮食生产给三江平原水资源造成高度甚至重度压力。其中佳木斯市和七台河市的水资源压力最大,这些地区应首先控制高水足迹作物的继续扩张,适水种植、量水生产。通过在区域尺度优化粮食种植的空间布局来提高水资源和耕地匹配程度、缓解局部过高水资源压力。更重要的,是通过农业管理优化和生产技术改善提高资源利用效率、减少水消耗和污染排放。

根据Hu等用降尺度办法估算出的中国及各省大农业部门(包括作物和动物产品生产)蓝水足迹和水体氮排放安全操作空间(或称行星边界),黑龙江省大农业部门应将蓝水足迹和水体氮排放分别减少88%和95%[37]。安全操作空间代表了确保地球系统稳定性或区域可持续发展的环境限制,可用于指导农业生产管理。要达到如此大幅度蓝水和灰水足迹削减目标,必须增强管理力度并且多措并举。作物单产水平可通过水、肥优化管理和作物优良品种的选培技术来提高[38]。黑龙江致力于发展农业强省,近些年中低产田改造、高标准农田建设和种质资源优化政策不断推进,为提高作物单产水平提供了政策保障。推行测土配方施肥技术能在不降低产量的同时减少化肥施用率和淋溶损失率、提高作物的化肥利用率,从而降低灰水足迹[39]。随着农业部于2015年颁布的《到2020年化肥使用量零增长行动方案》的实施,一些地区化肥减量已初见成效。通过种植结构调整将高需肥作物改为低需肥作物也能减少化肥施用量,例如十三五期间黑龙江籽粒玉米调减和大豆补贴政策使大豆面积有所回升,玉米面积有所减少,从而降低了部分化肥需求。稻改旱的种植结构调整策略也有助于减少蓝水足迹,但这需要配合消费端饮食偏好的转变。推进渠道防渗和田间灌溉工程标准化建设,例如低压管道输水灌溉技术,能减少渗漏和蒸发损失,提高灌溉水利用效率,减少蓝水足迹。然而按照当前的提升速度[3],大约需要10年能将灌溉水利用效率提高10%,而且三江平原目前已有9个县被水利部评为节水型社会建设达标县,进一步提高灌溉水利用效率难度加大。因此,综合水足迹减少效果和实施可行性,提高作物单产水平和减少农业化肥施用应被优先考虑纳入区域水资源可持续管理中,其次是优化作物种植结构及空间布局。灌溉水利用效率提高应结合集雨补灌、覆盖保墒等技术促进农业生产节水增效。另外,在蓝水资源利用过程中还应注意合理配置地表水和地下水,充分利用三江平原地表水资源,限制和减少地下水开采,缓解地下水资源压力。

4 结论

本文通过分析三江平原四种主要粮食作物生产水足迹的时空特征,揭示了农业生产带来的区域水资源压力,并评估了自然和人为因素改善对水足迹的减少潜力,得到以下主要结论。

(1)三江平原粮食作物单位质量水足迹从高到底排序为：大豆、水稻、小麦、玉米。三江平原粮食生产水足迹总量在2005—2018年间呈增加态势。从作物类型来看,水稻和玉米的水足迹总量不断增加,而大豆和小麦的水足迹总量不断减少。从用水来源来看,绿水、蓝水和灰水足迹均显著增长,但在水足迹总量中的占比基本不变。

(2)三江平原23县2015年主要粮食作物生产水足迹为341.6×108m3,其中绿水、蓝水和灰水足迹分别为80.9×108m3、31.1×108m3和229.6×108m3。在市级尺度,佳木斯市作物水足迹总量最高,占三江平原总量的47%,在县级尺度,富锦市、依兰县和桦南县是粮食生产水足迹热点地区。

(3)三江平原粮食生产带来的水资源压力在2005—2018年间随时间波动而没有显著增加或降低趋势,同时考虑蓝水和灰水足迹,大多数年份中呈现重度水资源压力。各地市间水资源压力有较大差异,佳木斯市水资源压力最高,鹤岗市水资源压力最低。

(4)降雨量、灌溉水利用效率、化肥施用量、粮食种植结构和作物单产水平等都会影响粮食作物生产水足迹。其中水足迹响应作物单产水平变化的敏感性最高,当四种主要粮食作物单产水平均提高10%,并保持粮食总产量不变,则总水足迹会减少9.1%。降雨量增加10%、灌溉水利用效率提高10%、化肥用量减少10%以及10%的水旱田面积转换则分别可使水足迹总量减少-1.0%、0.1%、6.7%和2.5%。