長春市農(nóng)作物虛擬水量時空分異特征研究

秦麗杰，沈淑平，段佩利

（東北師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130024）

長春市農(nóng)作物虛擬水量時空分異特征研究

秦麗杰，沈淑平，段佩利

（東北師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130024）

通過對長春市1998—2008年農(nóng)作物虛擬水量的計算與分析，探討了其時空分異規(guī)律.結(jié)果表明：11年來長春市農(nóng)作物虛擬水量呈現(xiàn)不斷波動趨勢，與糧食作物的變化趨勢相一致.糧食作物的虛擬水量在2000年、2004年和2007年出現(xiàn)高峰值，經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜和瓜果的虛擬水量變化不大.對比分析1998年、2004年和2008年長春市所轄5縣市區(qū)農(nóng)作物虛擬水量的空間分布，1998年5縣市區(qū)虛擬水量只分為3個等級，沒有達(dá)到第四等級；2004年榆樹市和農(nóng)安縣達(dá)到第四等級，位居首位，德惠市上升到第三等級，排名第2，九臺市和市區(qū)均由第一等級上升到第二等級，但排名最末；到2008年德惠市由第三等級降到第二等級，九臺市、市區(qū)由第二等級降低到第一等級，而榆樹市、農(nóng)安縣仍為第四等級.

農(nóng)作物；虛擬水；時空分異；長春市

長春市位于我國東北松遼平原腹地，地理位置為43°05′～45°15′N，124°18′～127°02′E.全市總面積2.06×104km2，由市區(qū)、榆樹市、農(nóng)安縣、德惠市和九臺市5個縣市區(qū)構(gòu)成，2008年耕地面積1.19×106hm2，占全市總面積的57.8%.長春市地處世界三大黃金玉米帶——吉林黃金玉米帶的核心區(qū)域，農(nóng)業(yè)高度發(fā)達(dá)，特別是糧食生產(chǎn)，長期在我國商品糧生產(chǎn)中占據(jù)極為重要的位置.長春市屬大陸性季風(fēng)氣候，具有四季分明，雨熱同季，干濕適中的氣候特征.市內(nèi)大小河流百余條，其中集水面積大于20km2以上的河流119條，較大的河流有飲馬河、伊通河和拉林河，水資源總量約為25.48×108m3［1－3］.由于水資源時空分布不均及生產(chǎn)、生活用水的增加，長春市水資源供給一直比較緊張［4－5］.農(nóng)業(yè)是用水大戶，如何保障農(nóng)業(yè)用水、提高農(nóng)業(yè)用水效率，是長春市亟須解決的問題.

虛擬水是Tony Allan于20世紀(jì)90年代提出的新概念，是指生產(chǎn)商品和服務(wù)所需要的水資源數(shù)量［6－7］.虛擬水概念的提出不僅對緩解國家或地區(qū)出現(xiàn)的水資源短缺、保證缺水地區(qū)的糧食安全和水資源安全提供了新的思路，而且對資源配置優(yōu)化、區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整、水資源遷移和存儲提供了新的途徑［8－15］.農(nóng)作物虛擬水量實質(zhì)上就是農(nóng)作物為產(chǎn)出初級農(nóng)產(chǎn)品所需要的水資源量，主要取決于農(nóng)作物的類型、生長區(qū)的自然地理條件、灌溉條件和管理方式等，是連接糧食安全與水資源安全的重要紐帶，對其進(jìn)行研究具有重要的理論意義和實踐意義.本文在計算了長春市農(nóng)作物虛擬水量的基礎(chǔ)上，分析了其時空分布特征，為實現(xiàn)水土資源的合理配置提供了依據(jù).

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究所需的長春市農(nóng)作物播種面積、農(nóng)作物產(chǎn)量來源于《吉林省統(tǒng)計年鑒》、《長春市統(tǒng)計年鑒》，長春市氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家氣象信息中心.計算各種農(nóng)作物的虛擬水量時，所需作物系數(shù)Kc借助于聯(lián)合國糧農(nóng)組織提供的Cropwat8.0軟件中的數(shù)據(jù).

1.2 研究方法

根據(jù)統(tǒng)計年鑒，將農(nóng)作物分成4類：①糧食作物，包括水稻、玉米、大豆、小麥、谷子、高粱、馬鈴薯和其他谷物；②經(jīng)濟(jì)作物，包括油料作物、葵花籽、甜菜和煙葉；③蔬菜；④瓜果.利用聯(lián)合國糧農(nóng)組織提供的Cropwat8.0軟件，對長春市農(nóng)作物虛擬水量進(jìn)行測度.農(nóng)作物虛擬水量的計算步驟如圖1所示［16－20］.

圖1 農(nóng)作物虛擬水量計算流程圖

式中：Rn為作物表面的凈輻射量（MJ／（m2·d））；G為土壤熱通量 （MJ／（m2·d））；T為平均氣溫 （℃）；U2為離地面2m高處的風(fēng)速（m／s）；es為飽和水氣壓 （kPa）；ea為實測水氣壓（kPa）；（es－ea）為飽和水氣壓與實際水氣壓的差額（kPa）；Δ為飽和水氣壓與溫度相關(guān)曲線的斜率（kPa／℃）；γ為濕度計常數(shù)（kPa／℃）.

然后，用作物系數(shù)Kc對ET0進(jìn)行調(diào)整，獲得具體農(nóng)作物生長需水ETc：單位質(zhì)量農(nóng)作物初級產(chǎn)品的虛擬水量S（m3／t）：

其中：S［e，c］為區(qū)域e作物c單位重量的虛擬水量（m3／t）；C［e，c］為區(qū)域e作物c的實際耗水量（m3／hm2）；Y［e，c］為區(qū)域e作物c的單位面積產(chǎn)量（t／hm2）.

利用Arcgis軟件繪制農(nóng)作物虛擬水量的空間分布圖，可直觀、形象地將虛擬水量的空間分布表現(xiàn)出來.

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)作物虛擬水量的時間特征

通過計算長春市1998—2008年農(nóng)作物的虛擬水量 （見表1）可以看出，長春市農(nóng)作物虛擬水量呈波狀起伏變化，2007年農(nóng)作物虛擬水量最大，達(dá)65.0×108m3；其次為2000年，農(nóng)作物虛擬水量為64.0×108m3；2005年最小，為47.0×108m3.其中，糧食作物的虛擬水量也呈波動變化，2004年、2000年和2007年糧食作物虛擬水量依次增至最高，其他年份波動幅度較小.經(jīng)濟(jì)作物虛擬水量1998—2007年間趨于平穩(wěn)，2008年降到最低值.蔬菜虛擬水量變化不大，總體上表現(xiàn)為前期高、后期低；瓜果的虛擬水量相對比較平穩(wěn)，變化較小.由于糧食作物虛擬水量占農(nóng)作物虛擬水總量的85%以上，因此農(nóng)作物虛擬水量的變化趨勢基本與糧食作物虛擬水量的變化趨勢一致.其中2000年和2004年受氣象因素影響，降水量偏少，糧食作物虛擬水量較大，而2007年受降水量偏少和種植面積增加雙重因素影響，糧食作物虛擬水量最大.

長春市農(nóng)作物虛擬水量的變化是由五個縣市區(qū)共同決定的，每個縣市區(qū)的種植面積、種植結(jié)構(gòu)、灌溉條件和管理方式的調(diào)整都會影響虛擬水總量的變化，各縣市區(qū)11年來虛擬水量隨時間變化的趨勢如圖2所示.

市區(qū)（見圖2a）在11年間虛擬水量變化不大.由于市區(qū)可耕種面積較少，糧食總產(chǎn)量不高，虛擬水量與其他各縣市相比，其值最小.農(nóng)作物的虛擬水量與糧食作物的虛擬水量的變化趨勢保持一致，經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜和水果的虛擬水量保持相對穩(wěn)定的狀態(tài).2007年農(nóng)作物的虛擬水量最高.

表1 長春市1998—2008年農(nóng)作物虛擬水量 km3

榆樹市（見圖2b）虛擬水量的變化較大，2000年、2004年和2007年峰值明顯，2007年達(dá)到11年間的最大值.除受氣象因素影響外，2007年玉米種植面積達(dá)到11年間的最大值，2004年水稻種植面積大幅度提高，總播種面積處于第二位，其他年份的播種面積處于動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，而經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜和水果一直處于相對穩(wěn)定狀態(tài).

農(nóng)安縣（見圖2c）虛擬水量波動不大，2000年、2004年、2007年峰值較明顯.2007年由于種植面積的增加，導(dǎo)致這一年農(nóng)作物的虛擬水量最大.在2001年至2003年間由于種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，玉米種植面積減少，大豆和甜菜的種植面積增加，出現(xiàn)了糧食作物的虛擬水量與農(nóng)作物的虛擬水量的整體擬合度不如其他年份高.經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜和水果相對處于穩(wěn)定狀態(tài)，總體變化不大.

九臺市（見圖2d）虛擬水量在五縣市區(qū)中接近于市區(qū)，總體波動不大，種植面積和種植結(jié)構(gòu)沒有重大的改變.農(nóng)作物虛擬水量隨時間的變化趨勢基本與糧食作物的變化趨勢保持一致.

德惠市（見圖2e）農(nóng)作物虛擬水量呈現(xiàn)不斷波動變化狀態(tài)，2000年、2004年和2007年峰值明顯，其變化趨勢與長春市總體的虛擬水量變化趨勢相吻合.1998—2008年間由于種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，糧食作物種植面積增加，但總播種面積漲幅不大.

從5縣市區(qū)農(nóng)作物虛擬水量的時序變化可以看出，長春市農(nóng)作物虛擬水量隨時間的變化趨勢基本與糧食作物的變化趨勢相一致，總體呈現(xiàn)不斷波動變化的狀態(tài).農(nóng)作物生長季降水量的變化、種植面積和種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整是導(dǎo)致農(nóng)作物虛擬水量變化的主要因素，合理安排種植結(jié)構(gòu)和種植面積可為水安全和糧食安全提供保障.

2.2 農(nóng)作物虛擬水量的空間特征

在計算農(nóng)作物虛擬水量的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Arcgis軟件，選取長春市5縣市區(qū)1998年、2004年和2008年農(nóng)作物虛擬水量作為分類標(biāo)準(zhǔn)，將虛擬水量劃分為4個等級，虛擬水量≤7.5×108m3為第一等級，7.6×108～10.5×108m3為第二等級，10.6×108～13.5×108m3為第三等級，≥13.6×108m3為第四等級.將長春市5縣市區(qū)進(jìn)行分類，得出長春市農(nóng)作物虛擬水量的空間分布特征，如圖3所示.

圖3 農(nóng)作物虛擬水量空間分布

1998年降水量充足，長春市農(nóng)作物虛擬水量只達(dá)到了3個等級（見圖3a）.榆樹市和農(nóng)安縣是糧食大縣，虛擬水量分布在第三級，位于5縣市區(qū)之首；德惠市次之，處于第二等級；九臺市和市區(qū)虛擬水量最少，處于第一等級.

2004年為干旱年，農(nóng)作物虛擬水量的空間分布發(fā)生了巨大的變化（見圖3b），各縣市區(qū)的虛擬水量均上升了一個等級，這不僅與種植面積增加和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整有直接關(guān)系，而且與干旱的氣象條件密切相關(guān).農(nóng)安縣和榆樹市虛擬水量增長最大，虛擬水量達(dá)到第四等級.榆樹市農(nóng)作物播種面積占總面積的65%，2004年播種面積比1998年增加39 444hm2；農(nóng)安縣農(nóng)作物播種面積占總面積的56%，2004年播種面積比1998年增加27 243hm2.而由于降水量少，榆樹市、農(nóng)安縣2004年單位質(zhì)量農(nóng)作物虛擬水量均高于1998年，如榆樹市2004年單位質(zhì)量玉米虛擬水量為0.53m3／kg，單位質(zhì)量水稻虛擬水量為0.84m3／kg，而1998年單位質(zhì)量玉米虛擬水量為0.45m3／kg，單位質(zhì)量水稻虛擬水量為0.73m3／kg；農(nóng)安縣2004年單位質(zhì)量玉米虛擬水量為0.58m3／kg，單位質(zhì)量水稻虛擬水量為0.92m3／kg，而1998年單位質(zhì)量玉米虛擬水量為0.44m3／kg，單位質(zhì)量水稻虛擬水量為0.67m3／kg.因此，單位質(zhì)量農(nóng)作物虛擬水量的增加，再加上播種面積的擴(kuò)大，使得榆樹市、農(nóng)安縣虛擬水總量大幅增加.德惠市、九臺市及市區(qū)2004年的單位質(zhì)量農(nóng)作物虛擬水量也均高于1998年.德惠市2004年播種面積增長47 808hm2，是5縣市區(qū)中增長最大的，其虛擬量上升為第三等級.九臺市播種面積增長了21 738hm2，市區(qū)播種面積增長了18 493hm2，虛擬水量由第一等級上升為第二等級，位于5縣市區(qū)最末.

2008年降水豐沛，農(nóng)作物虛擬水量等級同2004年相比變化較明顯（見圖3c）.長春市2008年降水量比2004年多240.6mm，單位質(zhì)量農(nóng)作物虛擬水量均低于2004年.雖然全市2008年總播種面積比2004年增加了50 553hm2，但虛擬水總量卻減少了6.32×108m3.其中德惠市2008年的總播種面積比2004年減少了1 640hm2，而虛擬水量相對不高的玉米種植面積卻增加了13 986hm2.因此，德惠市虛擬水量減少的最多，為1.96×108m3，虛擬水量由第三等級下降到第二等級.九臺市2008年比2004年總播種面積增加1 513hm2，虛擬水量卻減少0.92×108m3，由第二等級下降到第一等級.市區(qū)播種面積變化不大，虛擬水量亦下降為第一等級.農(nóng)安縣和榆樹市的虛擬水量等級仍位于第四級.

長春市1998—2008年各縣市區(qū)的虛擬水總量在不斷變化，榆樹市和農(nóng)安縣的虛擬水量在5縣市區(qū)中始終最高，德惠市虛擬水量次之，九臺市虛擬水量再次之，市區(qū)虛擬水量最低.農(nóng)作物虛擬水量的變化不僅與作物播種面積、種植結(jié)構(gòu)相關(guān)，而且與降水量的變化密切相關(guān).

3 結(jié)論

（1）長春市1998—2008年農(nóng)作物虛擬水量隨時間變化的趨勢基本與糧食作物虛擬水量的變化趨勢相一致，經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜和水果的虛擬水量變化不大，2000年、2004年和2007年農(nóng)作物虛擬水量較高.5縣市區(qū)農(nóng)作物種植面積和種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整導(dǎo)致虛擬水量不斷變化，而且受氣象條件影響，在降水量較少的干旱年份農(nóng)作物虛擬水量較大.

（2）對比分析1998年、2004年和2008年5縣市區(qū)虛擬水量的空間分布特征，2004年各縣市區(qū)虛擬水量比1998年均上升1個等級，榆樹市和農(nóng)安縣排在第1位，德惠市次之，九臺市、市區(qū)最末.2008年與2004年相比，德惠市由第三等級下降到第二等級，九臺市、市區(qū)由第二等級下降到第一等級，而榆樹市、農(nóng)安縣仍為第四等級.

（3）研究長春市農(nóng)作物虛擬水量的時空變化規(guī)律，可以了解長春市農(nóng)作物生產(chǎn)的耗水狀況，認(rèn)識長春市農(nóng)業(yè)用水及水資源利用、分配的合理性，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的調(diào)整提供理論依據(jù)，以保證糧食安全與水資源安全.

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Study on spatial-temporal distribution characteristics of crop virtual water in Changchun City

QIN Li-jie，SHEN Shu-ping，DUAN Pei-li
（College of Urban and Environmental Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China）

Virtual water is the important research field of food security and water security.In order to provide scientific basis for agricultural sustainable development in Changchun city，the crop virtual water of Changchun City from 1998to 2008is calculated to study its spatial-temporal distribution rules.The crop virtual water in Changchun City presented a series of changes，which was consistent to the change trend of grain crops.The virtual water of grain crops appeared high peaks in 2000，2004and 2007，and that of the economic crops，vegetable，melons and fruits changed little.Compared with the spatial distribution of crop virtual water content in 1998，2004and 2007in five counties，there were larger change.In 1998the crop virtual water was divided into three levels，not arrived at the fourth level.In 2004Yushu county and Nong'an county reached the fourth level，Dehui county reached the third level，Jiutai county and the urban district were at the second level.In 2008Dehui county decreased to the second level，Jiutai county and the urban district decreased to the first level，and Yushu county and Nong'an county were still at the fourth level.

crop；virtual water；Changchun City；spatial-temporal distribution

F 319.9

790·19

A

1000-1832（2012）01-0149-06

2011-08-22

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973）項目（2009CB426305）；教育部人文社會科學(xué)規(guī)劃基金資助項目（10YJA840032）；吉

林省教育廳社會科學(xué)項目.

秦麗杰（1966—），女，博士，副教授，主要從事水資源與水環(huán)境研究.

方 林）