黑龙江省典型灌区农业水足迹演变环境响应研究

刘 超

(黑龙江省江河流域保护中心,哈尔滨 150080)

0 引 言

水资源是中国农业经济持续发展的主要物质基础,水资源的可持续利用是人类经济社会不断发展的必然要素[1]。据有效资料显示,2021 年,我国的农业用水量达到3644.3亿m3,占社会总用水总量的61.5%,灌溉用水有效利用系数仅为0.568,仅为其他发达国家的0.7～0.8 倍[2]。因此,合理分析农作物用水效率演变规律,识别农业水足迹主控环境因子,是保证我国农业绿色、高效、健康发展的有效途径。

Hoekstra以“生态足迹”理论为基础,于2002年最先提出了水足迹的概念[4],并将水足迹分为了绿水生产水足迹(降雨耗水量)、蓝水生产水足迹(灌溉耗水量)、灰水生产水足迹(稀释污染用水量)3类生产水足迹。

本研究以黑龙江省和平灌区为例,系统分析了区域农业生产蓝水、绿水和灰水足迹在时间尺度的演变规律,采用通径分析方法分析了农业生产水足迹对生产要素的响应关系。该研究成果对于构建区域农业灌溉节水方案,科学合理制定用水定价具有重要的指导意义。

1 研究区概况

1.1 地理位置

和平灌区位于中国黑龙江省东部,是中国现代灌区建设的一个重要示范区之一,也是黑龙江省重要的农田灌溉区。

1.2 气候类型

该区的自然气候属于寒温带大陆性气候,冬季寒冷漫长,夏季温热短暂。年均气温约为0°C左右,年降水量在500～800mm之间。冬季冰雪覆盖时间较长,春季较早,夏季天热日照充足,秋季较早且气候干燥。

1.3 种植类型

和平灌区以农业为主导产业,主要农产品包括水稻、小麦、玉米、大豆等。其中,水稻是当地最主要的经济作物,种植面积广阔。由于灌区地处黑龙江流域,拥有丰富的水资源,通过合理的灌溉系统,提供了稳定的灌溉条件,促进了农作物的良好生长。

2 农业水足迹测算理论

农业生产水足迹是一个综合性指标,主要由蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹组成[6, 7]。其中,蓝水足迹指代农田灌溉供给研究区农业生产消耗的水资源数量;绿水足迹指代有效降水量供给农业生产所消耗的水资源数量;灰水足迹指代吸收农业生产过程中化肥、农药等引发的污染所需要的水资源总量。因此,农业生产水足迹组成可以表示为:

WF=WFgreen+WFblue+WFgrey

(1)

式中:WFblue为蓝水足迹,m3/t;WFgreen为绿水足迹,m3/t;WFgrey为灰水足迹,m3/t。

2.1 作物需水量计算方法

首先,借助传统的经典Penman-Monteith公式来计算参考作物的蒸腾状况,具体表达式如下所示[8-9]:

(2)

式中:Rn为作物表面的辐射量,MJ/m2·d;G为土壤热通量,MJ/m2·d;T为平均气温,℃;U2为离地面2m高处的风速,m/s;es为饱和水汽压,kPa;ea为实测水汽压,kPa;Δ为饱和水汽压与温度相关曲线的斜率,kPa/℃;γ为湿度计常数,kPa/℃。

理想条件下,作物需水量ETc是将参考作物蒸散量乘以作物系数Kc来获得,具体表达式为:

ETc=KCET0

(3)

非理想条件下作物蒸散量ETa小于作物需水量ETc,通过ETc乘以水分胁迫系数Ks来获取,具体表达式为:

ETA=KsETc=KsKcET0

(4)

水胁迫系数Ks描述水分胁迫对作物蒸腾的影响,当存在王壤水分限制条件时Ks<1;当没有王壌水分胁迫时Ks=1。

2.2 作物水足迹计算方法

在水足迹研究中,我们借助CROPWAT模型进行蓝水和绿水中的蒸散部分水资源量测算,该模型提供了两种蓝水和绿水蒸散量计算方法,即“作物需水量模式”和“灌溉制度模式”。

作物需水量测算原理是通过比对作物需水量与土壤有效降水的数值大小来确定蓝水和绿水蒸散量。其中,绿水蒸散量的确定通常是选取作物蒸发量和有效降水量两者之间较小数值,而蓝水蒸散量则是通过计算作物需水量与有效降水量的差值来获取,并且当作物需水量小于有效降水量时,蓝水蒸散量取值为0,反之,取作物需水量与有效降水量的差值,具体表达式如下:

ETgreen=min(ETc,Peff)

(5)

ETblue=max(0,ETc-Peff)

(6)

式中:ETgreen和ETblue分别为全生育期作物生长绿水和蓝水的蒸散量,mm;Peff为全生育期作物生长的有效降水量,mm。另外,公式(5)和(6)中涉及的有效降水量Peff计算方法通过以下公式来获取:

(7)

式中:P为旬降水量,mm),并且以250/3 mm作为降水量的分界值,采用不同的公式进行测算。

灌溉制度法是通过比对净灌溉量和灌溉需水量的大小来获取蓝水和绿水蒸散量,其中,蓝水蒸散量取净灌溉量和灌溉需水量的较小值,而绿水蒸散量则通过作物实际总的水分蒸散量与蓝水蒸散量做差来获取,具体计算公式如下:

ETblue=min(Inet,)IR

(8)

ETgreen=ETa-ETbule

(9)

式中:Inet为农田净灌溉量,mm;IR为灌溉需水量,mm。

基于上述介绍的蓝水和绿水蒸散量,进一步计算农业生产的蓝水足迹和绿水足迹如下所示:

(10)

(11)

式中:常数10为将降水深度转化为单位面积降水总量的转化系数,Y为不同作物单位面积内的产量,kg/hm2。

作物生育期内需要向农田中投加肥料补给,而未被植株根系吸收汲取的养分元素将引发水质产生污染。为了使现有的环境水质达到安全使用标准,需要大量的水源将污染物进行稀释,所需要的水资源量称为灰水足迹[10-11]。具体计算公式为:

(12)

式中:AR为每公顷土地的化肥施用量,kg/hm2;α为淋溶率(即扩散进入到水体中的污染物占总施加量的比例);cmax为最大容许浓度,kg/m3;cnat为污染物的背景浓度,kg/m3。

本研究选取化肥施用量的10%作为淋溶率;假设自然水体中氮元素的背景含量c采用US EPA设定的10mg/L的氮元素浓度作为环境水质的标准,即cmax为0.01。

(13)

式中:Fi为各种作物化肥的施用量,kg;Si为各种作物的种植面积,hm2;i=1, 2, 3;其中,1为玉米;2为水稻;3为大豆。

3 粮食生产水足迹演变特征

3.1 水稻生产水足迹演变规律

水足迹体现了作物生产过程对农业水资源的需求状况,具体分析可知,蓝水生产水足迹整体表现为逐渐下降趋势。2001—2021年水稻生产蓝水足迹每年以0.0141 m3/kg的速率减少,多年平均值为0.804 m3/kg,其最大值出现在枯水年(2005年),为1.116 m3/kg,最小值出现在2021年,为0.629 m3/kg。同理,绿水足迹和灰水足迹同样呈现出逐渐降低的变化趋势,并且分别以每年0.0091和0.0053 m3/kg的速率减少,其变化幅度相对于蓝水足迹显著降低。

另外,2001—2021年水稻生产总水足迹拟合线的迹斜率为-0.0035 m3/kg,多年平均值为1.623 m3/kg,其最大值出现在2005年,为2.018 m3/kg,最小值出现在2021年,为1.271 m3/kg。综合分析趋势线和距平百分率的变化过程可知,随着国家对农业基础设施建设投入力度的不断加大及农业节水灌溉技术的提升,研究区内水稻生产过程中水资源利用率和灌溉用水利用效率不断提高。

3.2 玉米生产水足迹演变规律

研究区玉米作物蓝水足迹、绿水足迹、灰水足迹及总水足迹变化趋势。在2001-2021年之间,研究区玉米生产蓝水足迹多年平均值为0.005 m3/kg,其最大值出现在2007年,水足迹为0.007 m3/kg,最小值出现在2021年,为0.003m3/kg。分析距平百分率可知,玉米生产蓝水足迹在时间尺度上的波动性较强,由此可知,玉米在春季生长发育过程中,气候变化相对较为复杂,研究区干旱现象频发,其对于农业灌溉用水的不确定性较强。

相反,玉米生产绿水足迹呈波动上升的变化趋势,并且每年以0.0097 m3/kg的速率增长,多年平均值为0.669 m3/kg,这可能是近些年来,随着黑龙江省高标准农田建设项目的开展,土地质量显著提升,土壤入渗及有效囤水能力增强,进而导致玉米生产的绿水足迹显著提升。

另外,2001～2021年玉米生产总水足迹无显著变化,整体保持相对稳定的水平。研究区玉米生产总水足迹多年平均值为0.944 m3/kg,其最大值出现在2006年,为1.098 m3/kg,最小值出现在2011年,为0.739 m3/kg。由距平百分率的分析结果可知,研究周期内2006年和2011年玉米生产总水足迹之间的差异较大。由于玉米生产总水足迹由作物生产的需水量和粮食产量共同来决定,表明该研究区2006年和2011年可能存在极端天气情况,当降雨频发时,水资源无效消耗量增加,水足迹大幅度提升,当区域干旱时,农作物生产需要依靠农业灌溉调亏补给,农业水足迹大幅度降低。

3.3 大豆生产水足迹演变规律

首先,分析大豆生产蓝水足迹变化规律可知,2001～2021年之间研究区大豆蓝水足迹呈现微弱降低的变化趋势,每年以0.0015 m3/kg的速率减少,多年平均值为0.242 m3/kg。同理可知,大豆生产绿水足迹呈波动下降的变化趋势,并且每年以0.0249 m3/kg的速率减少,多年平均值为2.122 m3/kg,由距平百分率可知,大豆生产绿水足迹的年际变化波动较大,表明大豆生长绿水足迹消耗受降水作用的影响较强。

相反,2001—2021年大豆生产灰水足迹呈波动上升的变化趋势,水足迹每年以0.0038 m3/kg的速率增加,多年平均值为0.231 m3/kg,2001—2021年大豆生产灰水足迹在均值附近波动,存在小幅度上升,这可能是研究区大豆种植面积相对较小,难以实现大面积科学施肥,导致大豆单位面积化肥施用量逐步增加,农田出现污染物富集现象。

此外,2001—2021年大豆生产总水足迹呈波动下降趋势,多年平均值为2.595m3/kg,由距平百分率可知,2020年大豆生产总水足迹相对于多年平均总水足迹生产值变化最大,且为负向变化。总体看来,研究区大豆生产总水足迹逐步下降,水资源可持续利用率呈现出提升趋势。

4 农业生产水足迹影响因素分析

粮食生产水足迹由区域的农业水资源消耗状况以及粮食产能直接决定,然而,农业水资源供给又受到区域气象条件、水利工程设施、农业机械装备、农药化肥使用、人力资源管理等驱动因素的影响[12]。本研究选取环境积温(X1)、大气降水(X2)、环境湿度(X3)、化肥使用量(X4)、农业机械动力(X5)、灌溉用水比例(X6)、人力资源投入(X7)这七个指标作为农业生产水足迹通径分析的自变量,分别以研究区内作物蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹作为因变量,具体分析结果如下。

1)对于农作物生产蓝水足迹的影响因素分析可知,环境湿度、环境积温、大气降水对蓝水足迹的影响作用较大。环境湿度与农作物生产蓝水足迹的直接通径系数为-0.143,总通径系数为-0.447,二者之间呈现显著的负相关关系。具体分析可知,环境湿度的增加在一定程度上降低了植株的蒸腾量,植株生长发育对于土壤水分消耗减弱,进而降低了灌溉用水需求量,二者呈现显著负相关关系。另外,积温升高能够提升植株的光合作用速率,有效的促进农作物干物质的积累,农作物产量升高,作物生产蓝水足迹反而呈降低趋势。

2)对于农作物生产绿水足迹敏感性响应因素结果分析可知,环境积温、环境湿度、化肥施用量和人力资源投入与农作物生产绿水足迹呈负相关关系,大气降水、农业机械动力、灌水比例呈正相关关系。具体分析可知,大气降水与农作物生产绿水足迹之间的直接通径系数为0.224,总通径系数为0.379,表明随着大气降水量的增加,大气降水入渗量增大,农作物生长更多的依赖土壤贮存水分,而对于灌溉水的需求量则大幅度缩减,因此,农作物生产绿水足迹逐渐提升,二者呈现正相关关系。相反,对于环境积温而言,在相同绿水资源消耗前提下,积温提升有效促进作物生长发育,作物粮食产能相对提升,导致农作物生产绿水足迹降低。

3)化肥施用量与之产生明显的正相关关系,其直接通径系数为0.286,总通径系数为0.469,表明随着化肥使用量的增加,需要补充更多的水资源对未利用部分进行稀释,作物生产灰水足迹也随之提升。此外,环境积温升高、大气降水以及环境湿度的增加等环境因素的变化都抑制了土壤灰水足迹的提升,这可能是环境条件的改善提升了作物长势状况,粮食产能的提升则间接降低了作物生产的灰水足迹。

5 结 论

黑龙江省和平灌区农作物生产水足迹的大小顺序为:大豆生产水足迹>水稻生产水足迹>玉米生产水足迹,表明大豆生长过程受灌区水资源供给的影响作用较强。另外,水稻和大豆生产总水足迹在时间尺度呈现逐渐降低的变化趋势,而玉米生产总水足迹变化幅度微弱。在影响农业成产水足迹影响因素的分析中,环境积温、大气降水和环境湿度影响作用较大,并且呈现负相关关系。环境积温、大气降水及灌溉用水比例对绿水足迹的影响作用较大,且大气降水和灌溉用水比例表现出正相关作用。化肥施用量是影响农作物灰水足迹的核心因素,并呈现明显的正相关关系,相反,农业机械动力、环境积温、大气降水、环境湿度则表现出明显的负相关作用。