京津冀地區(qū)主要農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡研究

王勤勤，劉俊國,2，趙丹丹

(1. 北京林業(yè)大學(xué)自然保護(hù)區(qū)學(xué)院，北京 100083；2. 南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 深圳 518055)

農(nóng)業(yè)部門是世界上最大的水資源利用部門，正確評價(jià)一個(gè)國家或地區(qū)的糧食生產(chǎn)用水狀況對于提升農(nóng)業(yè)用水效率、促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義[1-3]。然而，傳統(tǒng)的研究往往只關(guān)注灌溉用水，卻忽略了作物生長過程中對土壤水即綠水的利用以及農(nóng)藥化肥等物質(zhì)對水環(huán)境的影響。

水足跡是由Chapagain等[4-5]在2002年提出的一個(gè)關(guān)于水資源消耗指標(biāo)的概念，可定義為人類生產(chǎn)和消費(fèi)過程中消耗的淡水資源總量。按照用水類型，水足跡可劃分為藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡。藍(lán)水指存在于江、河、湖泊及含水層中的地表水與地下水的總和，即是通常所說的水資源；綠水是指源于降水，未形成徑流或未補(bǔ)充地下水，但存儲(chǔ)于土壤或暫時(shí)儲(chǔ)留在土壤或植物表面的水[6-7]；灰水是指人類生產(chǎn)過程中未被利用，用于吸納污染物的水。據(jù)此，農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡中的藍(lán)水足跡是作物生長過程中消耗使用的地表水和地下水的水資源量，即農(nóng)田灌溉水量；綠水足跡是作物生長過程中蒸發(fā)所消耗的儲(chǔ)存在非飽和土壤層中的水資源量；灰水足跡是以自然本底濃度和現(xiàn)有的水質(zhì)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，將一定的污染負(fù)荷吸收同化所需的淡水量[7-9]?；宜阚E實(shí)現(xiàn)了從水質(zhì)的角度定量評價(jià)水污染程度的目的，能夠更直觀地反映水污染對可用水資源量的影響。

目前水足跡的研究主要集中在全球、國家、省級或流域等較大尺度[10-13]，同一水文單元內(nèi)的不同區(qū)域的研究較少，尤其是水資源十分短缺的地區(qū)，如主要處于海河流域的京津冀地區(qū)。筆者基于水足跡理論及相關(guān)評定方法，以京津冀城市群內(nèi)的13個(gè)地區(qū)為研究對象，評價(jià)該區(qū)域內(nèi)主要農(nóng)作物的生產(chǎn)水足跡及空間分布特征，以期為科學(xué)管理水資源以及合理規(guī)劃主要農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

京津冀地區(qū)包括北京、天津2個(gè)直轄市以及河北省的保定、廊坊、唐山、張家口、承德、秦皇島、滄州、衡水、邢臺市、邯鄲、石家莊11個(gè)地級市。位于東經(jīng)113°27′～119°50′，北緯36°05′～42°40′，總面積約為22萬km2，占國土區(qū)域面積的2.3%。京津冀大部分地區(qū)處于海河流域，部分位于灤河流域。其中，北京位于海河流域中下游，天津位于海河流域下游至入海口，河北大部分位于海河流域的上游[14]。同時(shí)京津冀地區(qū)地處華北平原，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季變化明顯，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨。華北平原土層深厚，土壤肥沃，是中國重要的糧棉油生產(chǎn)基地?！吨袊h(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒(2015年)》顯示2014年京津冀地區(qū)的水資源總量為137.9×108m3，北京、天津、河北年人均水資源量分別為95.1 m3、76.1 m3、144.3 m3，都遠(yuǎn)低于國際公認(rèn)的1700 m3的水資源短缺閾值[15-16]。地處水資源極為短缺的海河流域，多年平均水資源量僅占全國的1%，卻承載著全國8%的人口、6%的糧食生產(chǎn)和10%的GDP[17-18]。該地區(qū)屬于資源型嚴(yán)重缺水地區(qū)，是全國農(nóng)業(yè)水資源最緊缺的地區(qū)之一，京津冀城市群內(nèi)的13個(gè)區(qū)域位置見圖1。

圖1 京津冀區(qū)域位置

2 研究方法和數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

2.1.1 作物需水量

作物需水量定義為作物系數(shù)與參考作物蒸散發(fā)的乘積。該方法是假定在理想的生長條件下模擬種植作物的蒸散發(fā)。理想條件是指在給定的氣象條件下作物無病蟲害，肥力條件好，大面積種植，土壤水分最優(yōu)并獲得最高產(chǎn)量。模擬作物需水量僅需要?dú)庀髷?shù)據(jù)和作物數(shù)據(jù)。一般采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations)推薦的Penman-Monteith計(jì)算和CROPWAT模型[19-20]模擬，計(jì)算公式為

Etc=KcEto

(1)

其中：

CWR=10Etc

(2)

式中：Etc為作物蒸散發(fā)總量，mm；Kc為作物系數(shù)；Eto為參考作物蒸散發(fā)，mm；CWR為作物單位面積需水量，m3/hm2；Δ為飽和水汽壓與溫度相關(guān)曲線的斜率，kPa/℃；Rn為作物表面的凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；r為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃；T為平均氣溫，℃；V2為2 m高處的風(fēng)速，m/s；Pa為飽和水汽壓，kPa；Pd為實(shí)測水汽壓，kPa。

2.1.2 農(nóng)作物藍(lán)水足跡和綠水足跡

農(nóng)作物生長需水量一般包括綠水(土壤水)和藍(lán)水(灌溉用水)兩部分。采用目前應(yīng)用較為廣泛的由美國農(nóng)業(yè)部土壤保護(hù)局(the United States Department of Agriculture Soil Conservation Service)提出的方法計(jì)算有效降雨量，可通過CROPWAT模型模擬獲得，灌溉需水量、綠水足跡和藍(lán)水足跡的計(jì)算公式為

IR=CWR-ER

(3)

WF-green=AER

(4)

WF-blue=AIR

(5)

式中：IR為單位面積有效灌溉量，m3/hm2；ER為單位面積有效降雨量，m3/hm2，當(dāng)ER≥CWR時(shí)，IR=0;WF-green為農(nóng)作物綠水足跡，m3；WF-blue為農(nóng)作物藍(lán)水足跡，m3；A為區(qū)域某種農(nóng)作物的種植面積，hm2。

2.1.3 灰水足跡

作物生長過程中，化肥和農(nóng)藥的使用都會(huì)對水質(zhì)產(chǎn)生污染。土壤中的磷能與其他礦物質(zhì)結(jié)合生成不容易溶解的化合物，鉀離子能被土壤膠體離子吸附，所以磷和鉀離子不容易產(chǎn)生流動(dòng)，對土壤及地下水的污染有限[1-2]。氮肥的施用很容易引起地表水和地下水的污染，因此采用氮元素作為灰水足跡的衡量指標(biāo)[21]，最簡單的計(jì)算是假定一部分污染物最終會(huì)到達(dá)地表水或地下水，進(jìn)入水體的污染物與總施肥量中該物質(zhì)的比例為一個(gè)固定值[8]，即淋失率。因此可用稀釋土壤淋失氮肥以達(dá)到現(xiàn)有水環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所需要消耗的淡水量計(jì)算農(nóng)業(yè)部門的灰水足跡，根據(jù)已有文獻(xiàn)的研究，選取華北地區(qū)2003—2006年均氮肥的施用量的7.4%[22]作為淋失率?；宜阚E的計(jì)算公式為

(6)

式中：WF-grey為灰水足跡，m3；Appl為施用的化學(xué)物質(zhì)量，kg；α為氮的淋失率，取7.4%；Cmax為環(huán)境可以稀釋的氮元素的最大濃度，采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值》(GB3838—2002)中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)閾值，取10 mg/L；Cnat為氮元素的自然本地濃度，一般假設(shè)為0。

2.1.4 農(nóng)作物的生產(chǎn)水足跡

根據(jù)水足跡的概念，某種農(nóng)作物的生產(chǎn)水足跡WF-prod是其生長期內(nèi)所消耗的水資源總量，計(jì)算公式為

WF-prod=WF-blue+WF-green+WF-grey

(7)

2.2 數(shù)據(jù)來源

為研究京津冀地區(qū)農(nóng)作物水足跡，選取小麥、玉米、大豆、花生和棉花5種主要農(nóng)作物。2014年，小麥、玉米和大豆的種植面積和種植產(chǎn)量分別占京津冀地區(qū)糧食作物的89%和92%，花生的種植面積和種植產(chǎn)量分別占京津冀地區(qū)油料作物的76%和86%，棉花是主要的經(jīng)濟(jì)作物，故選取這5種極具代表性的農(nóng)作物來核算該地區(qū)農(nóng)作物的水足跡。作物生長參數(shù)數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合國糧農(nóng)組織CROP數(shù)據(jù)庫中有關(guān)中國的部分?jǐn)?shù)據(jù)；京津冀各地區(qū)降雨量、溫度、濕度、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)公布的中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集(http://data.cma.cn)；不同作物類型的種植面積、產(chǎn)量及化肥折純量數(shù)據(jù)來自于2015年《北京統(tǒng)計(jì)年鑒》《天津統(tǒng)計(jì)年鑒》《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》等。

3 結(jié)果與分析

3.1 京津冀地區(qū)主要農(nóng)作物需水量

京津冀地區(qū)主要農(nóng)作物需水量結(jié)果見表1。由表1可知，2014年京津冀地區(qū)單位面積作物需水量最大的是棉花為670.0 mm；最小的是大豆為322.4 mm；小麥、玉米和花生的單位面積需水量分別為516.4 mm、367.8 mm和501.5 mm。其中小麥在滄州地區(qū)的單位面積作物需水量最大為629.0 mm；玉米、大豆、花生和棉花在張家口的單位面積需水量最大分別為450.1 mm、394.2 mm、594.8 mm和805.6 mm；小麥、大豆、花生和棉花在秦皇島地區(qū)的單位面積作物需水量最小分別為405.6 mm、284.8 mm、420.2 mm和576.9 mm；玉米在石家莊的單位面積需水量最小為316.5 mm。不同地區(qū)相同農(nóng)作物的需水量存在一定的差異，這與當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境條件有關(guān)，而不同農(nóng)作物之間的差異則與農(nóng)作物的生物學(xué)特性有關(guān)。

表1 2014年京津冀地區(qū)主要農(nóng)作物蒸散發(fā)量、有效降雨量和灌溉量 mm

表2 2014年京津冀各地區(qū)主要農(nóng)作物的生產(chǎn)水足跡 108 m3

3.2 京津冀地區(qū)主要農(nóng)作物的生產(chǎn)水足跡

京津冀各地區(qū)主要農(nóng)作物的生產(chǎn)水足跡見表2，從表2可以看出小麥在整個(gè)生長期需水量主要以藍(lán)水足跡為主。滄州的小麥綠水足跡和藍(lán)水足跡最高分別為3.96×108m3和20.16×108m3；除張家口、承德沒有小麥種植外，秦皇島的小麥綠水足跡和藍(lán)水足跡最小分別為0.04×108m3和0.09×108m3。玉米在整個(gè)生長期主要以綠水足跡為主。保定的玉米綠水足跡最大為12.88×108m3；秦皇島的玉米綠水足跡最小為1.80×108m3；滄州的玉米藍(lán)水足跡最大為10.07×108m3；唐山的玉米藍(lán)水足跡最小為1.01×108m3。大豆在石家莊、秦皇島、張家口和滄州地區(qū)生長期主要以藍(lán)水足跡為主，其他地區(qū)主要以綠水足跡為主。滄州的大豆綠水足跡和藍(lán)水足跡最大分別為0.42×108m3和0.43×108m3；唐山的大豆綠水足跡最小為0.08×108m3；北京的大豆藍(lán)水足跡最小為0.03×108m3?；ㄉ谑仪f、邢臺、保定、張家口和滄州地區(qū)種植期主要以藍(lán)水足跡為主，其他地區(qū)以綠水足跡為主。石家莊的花生綠水足跡最大為2.53×108m3；保定的花生藍(lán)水足跡最大為1.73×108m3；承德的花生綠水足跡和藍(lán)水足跡最小分別為30×104m3和96×104m3。棉花在張家口、承德沒有種植，而在北京種植面積很小，可忽略不計(jì)。邢臺的棉花綠水足跡和藍(lán)水足跡最大分別為4.72×108m3和5.00×108m3。由于不同地區(qū)氣候和作物的生物學(xué)特性等因素不同導(dǎo)致作物生長期的需水量不同，不同農(nóng)作物的種植面積也直接影響藍(lán)綠水足跡的大小。

3.3 京津冀地區(qū)主要農(nóng)作物灰水足跡

京津冀地區(qū)主要農(nóng)作物灰水足跡結(jié)果見表3。從表3可知，2014年京津冀地區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)灰水足跡為123.30×108m3，其中石家莊灰水足跡最大為19.53×108m3，張家口灰水足跡最小為3.59×108m3?；宜阚E與氮肥的施用量存在直接關(guān)系，即一個(gè)地區(qū)的氮肥施用總量越大，其灰水足跡也越大。

表3 2014年京津冀各地區(qū)氮肥施肥情況和灰水足跡

為了更加直觀地比較京津冀各地區(qū)的灰水足跡，計(jì)算了單位面積灰水足跡(灰水足跡與農(nóng)作物的播種面積比值)，用來分析各地區(qū)灰水足跡的強(qiáng)度，結(jié)果見表3。單位面積灰水足跡最大的地區(qū)是北京，為2 025.6 m3/hm2，其次是石家莊，為1 942.9 m3/hm2，單位面積灰水足跡最小的地區(qū)是張家口，為509.2 m3/hm2。單位面積播種的氮肥施肥量越多，說明可能存在過度施肥的現(xiàn)象，提高農(nóng)作物的化肥利用率降低損失率是減少其灰水足跡的主要途徑。

3.4 京津冀地區(qū)主要農(nóng)作物總生產(chǎn)水足跡

2014年京津冀各地區(qū)主要農(nóng)作物總生產(chǎn)水足跡見圖2。由圖2可知，2014年京津冀地區(qū)主要農(nóng)作物總生產(chǎn)水足跡為437.04×108m3，其中綠水足跡為137.71×108m3，占生產(chǎn)水足跡的31.5%；藍(lán)水足跡為176.03×108m3，占生產(chǎn)水足跡的40.3%；灰水足跡為123.30×108m3，占生產(chǎn)水足跡的28.2%。

(a) 綠水足跡

圖2 2014年京津冀各地區(qū)主要農(nóng)作物總生產(chǎn)水足跡

北京、天津和河北省分別占整個(gè)京津冀地區(qū)總生產(chǎn)水足跡的2.1%、5.7%和92.2%。

京津冀各地區(qū)主要農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡總量差異明顯，滄州地區(qū)主要農(nóng)作物總生產(chǎn)水足跡最大為66.29×108m3，秦皇島地區(qū)主要農(nóng)作物總生產(chǎn)水足跡最小為8.23×108m3。滄州地區(qū)藍(lán)水足跡最大為36.25×108m3；承德是藍(lán)水足跡最小的地區(qū)為1.34×108m3。保定地區(qū)的綠水足跡最大為18.88×108m3，占其總生產(chǎn)水足跡的32.9%；秦皇島地區(qū)綠水足跡最小為2.41×108m3。石家莊灰水足跡最大為19.53×108m3，占其總生產(chǎn)水足跡的39.3%；張家口灰水足跡最小為3.59×108m3，占其生產(chǎn)水足跡的29.8%。

滄州地區(qū)藍(lán)水足跡占其總生產(chǎn)水足跡比重最大為54.7%，承德地區(qū)藍(lán)水足跡占其總生產(chǎn)水足跡比重最小為12.1%。承德地區(qū)綠水足跡占其總生產(chǎn)水足跡的比重最大為51.5%，秦皇島地區(qū)綠水足跡占其總生產(chǎn)水足跡的比重最小為29.3%。秦皇島地區(qū)灰水足跡占其總生產(chǎn)水足跡的比重最大為45.5%，承德地區(qū)灰水足跡占其總生產(chǎn)水足跡的比重最小為17.7%。

3.5 京津冀各地區(qū)主要農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡空間格局

京津冀各地區(qū)主要農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡空間格局分布見圖3。由圖3可知，京津冀地區(qū)農(nóng)作物藍(lán)綠水足跡由南向北呈逐漸減少的趨勢，灰水足跡呈現(xiàn)先減少后增加再減少的趨勢。大部分地區(qū)的農(nóng)作物藍(lán)水足跡要高于綠水足跡和灰水足跡，北京、張家口、承德、秦皇島的農(nóng)作物綠水足跡大于藍(lán)水足跡。邯鄲、保定、滄州的綠水足跡最大，均在18×108m3以上，張家口、北京、秦皇島的綠水足跡最小，均在5×108m3以下。滄州地區(qū)的藍(lán)水足跡最大，邯鄲、邢臺、衡水、石家莊和保定藍(lán)水足跡相差較小，均在20×108m3左右，京津冀東北部地區(qū)的北京、承德、秦皇島藍(lán)水足跡最小，均在2.5×108m3以下。石家莊、保定的灰水足跡最大，均在15×108m3以上，北京、張家口、承德、秦皇島的灰水足跡較小，均在5×108m3以下。由于不同地區(qū)氣候、地形條件、種植結(jié)構(gòu)等因素不同導(dǎo)致農(nóng)作物的生產(chǎn)水足跡之間存在明顯差異。

4 結(jié) 論

通過對2014年京津冀地區(qū)主要農(nóng)作物綠水足跡、藍(lán)水足跡以及灰水足跡的計(jì)算，揭示了不同農(nóng)作物在生產(chǎn)過程中對水資源的實(shí)際消耗情況，并從灰水足跡的角度分析了農(nóng)作物生產(chǎn)所引起的水質(zhì)污染問題。

a. 棉花是京津冀各地區(qū)農(nóng)作物需水量最大的農(nóng)作物，但由于種植面積較少，并未在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中占主導(dǎo)地位。小麥和玉米是京津冀地區(qū)農(nóng)作物總耗水量最大的作物，小麥的藍(lán)水足跡占其總生產(chǎn)水足跡的比例最大，玉米的綠水足跡占其總生產(chǎn)水足跡的比例最大。綠水相對于藍(lán)水來說具有較低的成本，從水資源高效利用和經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度看，建議減少或控制高耗水小麥的種植規(guī)模，適當(dāng)?shù)脑黾佑牮B(yǎng)農(nóng)業(yè)如玉米的種植，進(jìn)一步優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)。

b. 北京、天津、石家莊、唐山、秦皇島單位面積的灰水足跡最大，說明這些地區(qū)單位播種面積的氮肥使用量過多，存在過度施肥的問題?？梢酝ㄟ^減少氮肥使用量、提高氮肥使用效率等途徑減少化肥對水資源的污染。

c. 京津冀地區(qū)農(nóng)作物藍(lán)、綠水足跡由南向北呈逐漸減少的趨勢，灰水足跡呈現(xiàn)先減少后增加再減少的趨勢。大部分地區(qū)的農(nóng)作物藍(lán)水足跡要高于綠水足跡和灰水足跡，北京、張家口、承德、秦皇島的農(nóng)作物綠水足跡大于藍(lán)水足跡。

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