新疆于田綠洲2015年農(nóng)業(yè)景觀要素水足跡計(jì)算

黃秀艷，師慶東

(1.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊830046；2.新疆綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830046；3. 新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所，烏魯木齊 830046)

0 引 言

隨著我國(guó)人口的增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響越來(lái)越大，由此引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也日益突出[1]。西北干旱區(qū)位于亞歐大陸中心，遠(yuǎn)離海洋且四面環(huán)山，氣候干旱，水資源短缺，水資源已經(jīng)成為影響我國(guó)干旱區(qū)環(huán)境與發(fā)展的限制因子[2]。新疆作為典型的干旱半干旱地區(qū)，水資源短缺是其基本特征，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境用水矛盾突出。其中荒漠綠洲是干旱區(qū)重要的生態(tài)系統(tǒng)，是一種獨(dú)特的人地關(guān)系和自然景觀[3]。水是綠洲流域中下游經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)平衡的紐帶，其數(shù)量和分布直接影響著景觀的荒漠化和綠洲化進(jìn)程。

J. Anthony Allan于1993年提出了“虛擬水”的概念，即指農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中所消耗的水資源數(shù)量[4]。Hoekstra于2002年在虛擬水的概念上提出水足跡的概念，它是以水資源消費(fèi)為基礎(chǔ)的指示器，建立了水資源與人類消費(fèi)模式之間的關(guān)系，將水資源問(wèn)題拓展到社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，因而是當(dāng)前衡量人類活動(dòng)對(duì)水資源系統(tǒng)影響的最好指標(biāo)[5,6]。馬靜、王紅瑞等對(duì)中國(guó)區(qū)域的農(nóng)產(chǎn)品及畜產(chǎn)品水足跡分別進(jìn)行了計(jì)算[7-9]，高孟緒等運(yùn)用GIS技術(shù)對(duì)中國(guó)人均水足跡進(jìn)行了計(jì)算[10]，董蒙等運(yùn)用投入產(chǎn)出法計(jì)算分析了新疆2012年的水足跡[11]，景觀尺度能更好地表達(dá)和研究人類所生存環(huán)境的結(jié)構(gòu)、功能和過(guò)程，與人類活動(dòng)密切相關(guān)?，F(xiàn)有的綠洲景觀格局變化的研究主要集中在生態(tài)水文效應(yīng)的研究[12]，耗水研究主要集中在河道內(nèi)及河道外的生態(tài)需水研究，主要在于建立不同的模型對(duì)植被進(jìn)行耗水計(jì)算[13-15]，對(duì)于干旱區(qū)綠洲內(nèi)各類農(nóng)業(yè)景觀的水足跡計(jì)算研究較少。

農(nóng)業(yè)主要包括種植業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)和漁業(yè)等。而于田縣是典型的荒漠綠洲，以農(nóng)業(yè)為主，有著獨(dú)立灌溉系統(tǒng)的中等農(nóng)業(yè)縣。種植業(yè)主要以種植小麥、玉米為主，瓜果有葡萄、果用瓜等，畜牧業(yè)主要以羊?yàn)橹?，禽肉及奶類等為輔，其漁業(yè)不發(fā)達(dá)，僅有少量的水產(chǎn)品。尤其是國(guó)務(wù)院發(fā)布《國(guó)務(wù)院關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見(jiàn)》后，更應(yīng)減少農(nóng)業(yè)用水量，提高水的利用效率[16]。

因此，本文以于田綠洲為研究區(qū)，從種植業(yè)、林果業(yè)、畜牧業(yè)及漁業(yè)四個(gè)角度，依據(jù)2016年新疆及于田縣統(tǒng)計(jì)年鑒，利用FAO提供的Climate、Cropwat數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)據(jù)計(jì)算于田縣各類農(nóng)業(yè)景觀要素的水足跡。以期為該綠洲合理利用水資源，解決水資源短缺與糧食安全、生態(tài)環(huán)境等問(wèn)題，優(yōu)化配置水資源提供參考。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆地處亞歐大陸腹地，氣候極端干旱，降水稀少，資源性缺水十分突出。于田縣位于新疆塔里木盆地南緣，是典型的荒漠綠洲，水資源就顯得尤為重要。于田縣隸屬于新疆和田地區(qū)，東臨民豐縣、西臨策勒縣，南靠昆侖山，北臨塔克拉瑪干沙漠與沙雅縣相接，素有中國(guó)大蕓、中國(guó)胡楊、中國(guó)探險(xiǎn)旅游之鄉(xiāng)等美名[17]?？h轄2個(gè)鎮(zhèn)、13個(gè)鄉(xiāng)，土地總面積為39 126.14 km2，是以維吾爾族為主的少數(shù)民族聚居區(qū)，其地勢(shì)南高北低，南北高差3 500 m。于田縣屬暖溫帶內(nèi)陸干旱荒漠氣候，地處內(nèi)陸腹地，平均蒸發(fā)量為2 420.23 mm，平均降水量為47.7 mm，平均相對(duì)濕度為42%，自然條件惡劣，經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢。

于田縣植被總特點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)單一，種類稀少，覆蓋度低，但自然植被多具有耐旱、耐風(fēng)沙、耐鹽堿等特征。且自南向北形成高山、綠洲、戈壁、沙漠等地貌單元，并有典型的冰川、凍土、火山、沙漠等地貌類型。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

所用計(jì)算數(shù)據(jù)包括：①FAO的CLIMWAT數(shù)據(jù)庫(kù)(http：∥www.fao.org)中有關(guān)于田部分的數(shù)據(jù)以及CROPWAT軟件；②國(guó)際上有關(guān)虛擬水研究的中國(guó)主要農(nóng)畜產(chǎn)品單位質(zhì)量虛擬水含量；③2016年新疆及于田統(tǒng)計(jì)年鑒；④2015年于田縣氣溫及降水?dāng)?shù)據(jù)。

1.3 主要農(nóng)業(yè)要素水足跡計(jì)算

1.3.1 作物生長(zhǎng)用水量

一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的水足跡定義為該國(guó)家或地區(qū)的居民生產(chǎn)和服務(wù)的水資源需求總量[18]。而作物生產(chǎn)水足跡包括作物生長(zhǎng)用水量和引起的污染用水量。作物生產(chǎn)水足跡包括以下三個(gè)部分：綠水足跡、藍(lán)水足跡以及灰水足跡。其計(jì)算公式如下：

Wproc=Wgreen+Wblue+Wgrey

(1)

根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)的作物需水量和作物產(chǎn)量資料，分別計(jì)算于田縣主要農(nóng)業(yè)要素的綠水及藍(lán)水虛擬水含量，即作物生長(zhǎng)用水量。

(2)

Wcn=Wgreen+Wblue

(3)

式中：Vcn代表區(qū)域n作物c的虛擬水含量，m3/t；Wcn代表區(qū)域n作物c生長(zhǎng)期內(nèi)每公頃作物需水量，m3/hm2；Wgreen及Wblue代表區(qū)域內(nèi)每公頃作物所需綠水及藍(lán)水量；Ycn代表區(qū)域n作物c每公頃產(chǎn)量，t/hm2。

作物需水量是通過(guò)計(jì)算作物整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)累積的土壤蒸發(fā)量ETc獲得，ETc是根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的修正的標(biāo)準(zhǔn)彭曼公式計(jì)算：

ETc=ET0×kc

(4)

(5)

式中：ETc為作物土壤蒸發(fā)量，mm/d；ET0為參照騰發(fā)量，mm/d；kc為作物系數(shù)；Rn為作物表面的凈輻射量，MJ/m；G為土壤熱流量，MJ/m；T為平均氣溫，℃；U2為離地面兩米處風(fēng)速，m/s；ea為飽和狀態(tài)下的水氣壓，kPa；ed為實(shí)際水氣壓，kPa；Δ為蒸氣壓力曲線斜率，kPa/ ℃；γ為干濕度常數(shù)，kPa/ ℃。

1.3.2 作物引起的污染用水量

灰水足跡指以自然本底濃度和現(xiàn)有的環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，將一定的污染負(fù)荷稀釋至高于一定環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所需的淡水體積。采用《水足跡評(píng)價(jià)手冊(cè)》[19]中的計(jì)算方法，某種作物或樹(shù)木生長(zhǎng)過(guò)程中的灰水足跡計(jì)算公式為：

(6)

式中：Y為作物產(chǎn)量，t/hm2。研究區(qū)地處干旱區(qū)，農(nóng)田以灌溉為主不易形成地表徑流，氮肥主要造成地下水的污染，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[20]，氮肥淋溶率α設(shè)為0.1；每升飲用水中不能超過(guò)10 mg的氮，即Cmax為0.01 kg/m3；假設(shè)自然水體中氮的濃度為0，即Cnat為0 kg/m3。AR確定方法為：通過(guò)《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》分別得到于田縣主要作物的施氮肥數(shù)據(jù)和種植面積，兩者比值即為施氮率AR[21,22]。

1.4 動(dòng)物產(chǎn)品水足跡計(jì)算

于田縣畜牧業(yè)主要以牛、羊類為主，再加上奶類，禽蛋類。由于畜產(chǎn)品虛擬水含量計(jì)算較為復(fù)雜，而國(guó)內(nèi)的研究數(shù)據(jù)又較為一致[23-26]。因此，本文借鑒前人的研究成果，最終確定出于田縣主要畜產(chǎn)品單位質(zhì)量虛擬水含量。計(jì)算了2015年于田縣畜產(chǎn)品生產(chǎn)耗水量及城鄉(xiāng)居民消費(fèi)虛擬水含量。

表1 于田縣畜產(chǎn)品單位質(zhì)量虛擬水含量 m3/kgTab.1 The livestock products of unit mass Virtual Water content of Yutian County

2 結(jié)果與分析

2.1 主要農(nóng)業(yè)要素生長(zhǎng)需水量

根據(jù)2016年新疆統(tǒng)計(jì)年鑒，將新疆主要作物分為兩大類：①農(nóng)作物。農(nóng)作物分為以下九類：糧食作物、薯類、棉花、油料、甜菜、蔬菜、果用瓜、苜蓿及特色農(nóng)作物。糧食作物又可分為谷物及豆類；油料也可分為油菜、胡麻及葵花；特色農(nóng)作物可分為番茄、辣椒、打瓜籽及啤酒花。其中谷物又包括水稻、小麥及玉米。②林果及堅(jiān)果。林果主要有蘋(píng)果、梨、葡萄、桃、杏及紅棗；堅(jiān)果主要有核桃等。計(jì)算于田縣各類農(nóng)業(yè)作物水足跡(表2)。

表2 2015年于田縣主要作物Tab.2 The main crops in Yutian county in 2015

利用Cropwat軟件計(jì)算于田縣主要農(nóng)業(yè)要素的蒸發(fā)蒸騰量，單位面積總需水量、單位面積綠水量和藍(lán)水量。乘以于田縣各農(nóng)業(yè)要素播種面積，可得到于田縣各農(nóng)業(yè)要素總需水量、綠水量及藍(lán)水量[27,28]。

為具體對(duì)比分析于田縣九種農(nóng)業(yè)要素的需水情況，計(jì)算2015年于田縣各農(nóng)業(yè)要素單位質(zhì)量虛擬水含量(圖1)。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，于田縣主要農(nóng)業(yè)要素單位質(zhì)量虛擬水含量棉花最大為5.78 m3/kg，小麥次之為0.97 m3/kg，棉花的單位質(zhì)量虛擬水含量是小麥的近6倍。然后分別為葵花、苜蓿、玉米、薯類、葡萄、蔬菜以及果用瓜，其單位質(zhì)量虛擬水含量依次為0.90、0.74、0.68、0.26、0.16、0.14及0.14 m3/kg。由此可知，棉花為于田縣主要耗水作物，蔬菜及果用瓜的單位質(zhì)量虛擬水含量相同，且虛擬水含量都最少。棉花的種植面積為0.536 萬(wàn)hm2，占于田縣作物種植的13.03%，可在不減少棉花經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上，合理減少棉花的種植面積，增加非耗水作物的面積，對(duì)于田縣合理利用水資源及可持續(xù)發(fā)展有重要作用。

圖1 2015年于田縣單位質(zhì)量虛擬水含量Fig.1 The Unit mass Virtual water content in Yutian County in 2015

通過(guò)比較于田縣各主要農(nóng)業(yè)要素需水量(表3)，發(fā)現(xiàn)于田縣作物生長(zhǎng)總需水量為2.30 億m3/a。小麥總需水量最多，為0.652 億m3/a，占于田縣總需水量的28.35%，薯類總需水量最少，為23.0 億m3/a。小麥及薯類都主要依靠藍(lán)水，也就是灌溉用水量來(lái)生長(zhǎng)，小麥所需藍(lán)水最多，為0.630 億m3/a，薯類所需藍(lán)水最少，為22.3 萬(wàn)m3/a，所消耗的藍(lán)水分別占各自總需水量的96.28%和95.87%。說(shuō)明薯類雖所需藍(lán)水最少，但薯類在生長(zhǎng)過(guò)程中，較為依賴藍(lán)水。葡萄在生長(zhǎng)過(guò)程中，其所需藍(lán)水量占總需水量的74.95%，說(shuō)明葡萄對(duì)綠水的利用率較其他農(nóng)業(yè)要素更高。

表3 于田縣主要農(nóng)業(yè)要素需水量Tab.3 The amount of virtual water of main crops in Yutian

2.2 主要農(nóng)業(yè)要素污染用水量

通過(guò)年鑒中于田縣各農(nóng)業(yè)要素施氮肥量，并結(jié)合主要要素面積權(quán)重來(lái)計(jì)算于田縣主要農(nóng)作物的施氮肥量，進(jìn)而通過(guò)公式計(jì)算各農(nóng)作物灰水足跡(表4)。2015年于田縣總灰水足跡為66.8 萬(wàn)m3，其中，棉花的總灰水足跡最大，為31.4 萬(wàn)m3，占總灰水足跡的47.03%，小麥次之，為18.3 萬(wàn)m3，占總灰水足跡的27.33%，玉米的總灰水足跡為12.5 萬(wàn)m3，占總灰水足跡的18.67%，棉花、小麥及玉米共占于田縣總灰水足跡的93.03%，且其單位質(zhì)量灰水也較大。

表4 2015年于田縣主要農(nóng)業(yè)要素灰水足跡Tab.4 The grey water footprint of the main crops in Yutian in 2015

2.3 畜產(chǎn)品生產(chǎn)耗水量

根據(jù)畜產(chǎn)品單位質(zhì)量虛擬水含量，結(jié)合于田統(tǒng)計(jì)年鑒畜產(chǎn)品產(chǎn)量，計(jì)算畜產(chǎn)品生產(chǎn)耗水量(表5)。2015年于田縣畜產(chǎn)品生產(chǎn)耗水量共計(jì)3.13 億m3。其中，羊肉所需水量最多，為2.02億m3，占總畜產(chǎn)品需水量的64.4%。

表5 2015年于田縣畜產(chǎn)品生產(chǎn)耗水量Tab.5 The livestock production of water consumption of Yutian County in 2015

2.4 城鄉(xiāng)居民農(nóng)業(yè)要素虛擬水消費(fèi)量

利用新疆統(tǒng)計(jì)年鑒中居民平均每人全年主要食品消費(fèi)量、于田縣城鎮(zhèn)居民人數(shù)、鄉(xiāng)村居民人數(shù)等相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，計(jì)算了2015年于田縣城鄉(xiāng)居民對(duì)主要農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水消耗量。

城鄉(xiāng)居民虛擬水消費(fèi)總計(jì)2.27 億m3(表6)。從于田縣各產(chǎn)品消費(fèi)總虛擬水量來(lái)看，城鎮(zhèn)居民與鄉(xiāng)村居民的虛擬水消費(fèi)量分別為0.712 億m3和1.56 億m3，相差較大，這是由于于田縣鄉(xiāng)村居民人數(shù)比城鎮(zhèn)居民人數(shù)多造成的。其中，谷物所消費(fèi)的虛擬水量最多，為8 617.8 萬(wàn)m3，薯類所消費(fèi)的虛擬水量最少，為4.7 萬(wàn)m3。說(shuō)明于田縣以谷物為主要消費(fèi)產(chǎn)品，其他產(chǎn)品消費(fèi)為輔。

表6 2015年于田縣城鄉(xiāng)居民消費(fèi)農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水含量Tab.6 The products consumed by the urban and rural residents of the virtual water in Yutian in 2015

3 結(jié) 語(yǔ)

3.1 討 論

本文主要從農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡以及城鄉(xiāng)居民消費(fèi)農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水含量?jī)煞矫鎭?lái)計(jì)算2015年于田縣農(nóng)業(yè)景觀要素生產(chǎn)及消費(fèi)水足跡。

通過(guò)計(jì)算于田縣主要農(nóng)業(yè)要素生產(chǎn)水足跡，可以發(fā)現(xiàn)小麥總需水量及藍(lán)水量都最大，其次是玉米，說(shuō)明于田縣小麥生長(zhǎng)主要依靠灌溉用水量；種植棉花會(huì)導(dǎo)致于田縣農(nóng)業(yè)用水大大增加，增加于田縣用水壓力。各要素灰水足跡表明，棉花的單位質(zhì)量灰水足跡最大，為0.60 m3/kg，可能是因?yàn)槊藁ㄔ谏L(zhǎng)過(guò)程中，對(duì)肥料的利用率較低。其次，棉花、小麥及玉米三者的灰水足跡占于田縣總灰水足跡的93.03%，說(shuō)明這三者的種植對(duì)水資源的污染最為嚴(yán)重。畜牧業(yè)及漁業(yè)生產(chǎn)水足跡表明，羊肉及牛肉為于田縣主要畜產(chǎn)品。因此，可以知道，小麥、玉米、棉花、羊及牛是于田縣農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢(shì)種。

從城鄉(xiāng)居民對(duì)主要農(nóng)業(yè)要素虛擬水消耗量中可看出，鄉(xiāng)村居民對(duì)谷物需求遠(yuǎn)高于城鎮(zhèn)居民，對(duì)于其他農(nóng)產(chǎn)品，如薯類、油料等，基本上是鄉(xiāng)村居民需求量大于城鎮(zhèn)居民。第二，羊肉為于田縣主要消費(fèi)的畜產(chǎn)品，占總畜產(chǎn)品消費(fèi)的53.86%，這可能與于田縣少數(shù)民族占多數(shù)有關(guān)，而對(duì)于禽肉、水產(chǎn)品及奶類，城鎮(zhèn)居民需求高于鄉(xiāng)村居民。說(shuō)明于田縣鄉(xiāng)村居民對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品的需求較高。

從可持續(xù)發(fā)展角度考慮，在保證棉花經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上，可適當(dāng)?shù)臏p少棉花種植面積，適量增加單位質(zhì)量虛擬水含量及總需水量較小的農(nóng)業(yè)要素的種植面積，以減少于田縣灌溉用水量；其次，最好能夠減少污染源流失或適量減少肥料的施用量，并提高肥料的利用率，以減少對(duì)水資源的污染，減輕于田縣用水壓力。對(duì)解決水資源短缺與糧食安全、生態(tài)環(huán)境等問(wèn)題，優(yōu)化配置水資源提供參考。另外，本文僅考慮了氮肥的污染，未考慮其他化肥及農(nóng)藥的污染，計(jì)算的灰水足跡會(huì)偏小。第三，羊肉的生產(chǎn)水足跡遠(yuǎn)大于消費(fèi)水足跡，因此，可適量減少于田縣羊肉的產(chǎn)量，來(lái)減輕于田縣用水壓力。第四，于田縣作為水資源短缺的地區(qū)，水資源極大地影響了糧食的生產(chǎn)和安全，虛擬水貿(mào)易是一種新的水資源供應(yīng)方式，可以調(diào)節(jié)于田縣糧食安全及水資源安全。因此，于田縣也可通過(guò)進(jìn)口虛擬水來(lái)緩解缺水帶來(lái)的壓力。但一個(gè)國(guó)家或地區(qū)對(duì)進(jìn)口虛擬水過(guò)分依賴會(huì)使其經(jīng)濟(jì)發(fā)展受限，因此，在進(jìn)口虛擬水時(shí)，應(yīng)采取合理措施，合理分配及利用當(dāng)?shù)厮Y源，使水資源的利用效率得到提高，以此來(lái)更好的解決水資源短缺的問(wèn)題。

3.2 結(jié) 論

本文通過(guò)計(jì)算2015年于田縣農(nóng)業(yè)景觀要素生產(chǎn)水足跡及城鄉(xiāng)居民消費(fèi)農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水含量得到以下結(jié)論：

(1)于田縣主要農(nóng)業(yè)要素中單位質(zhì)量虛擬水含量棉花最大為5.78 m3/kg，小麥次之為0.97 m3/kg，接下來(lái)依次為葵花(0.90 m3/kg)、苜蓿(0.74 m3/kg)、玉米(0.68 m3/kg)、薯類(0.26 m3/kg)、葡萄(0.16 m3/kg)、蔬菜(0.14 m3/kg)以及果用瓜(0.14 m3/kg)。其次，小麥總需水量最多，占于田縣總需水量的28.35%。

(2)棉花無(wú)論是總灰水足跡還是單位質(zhì)量灰水足跡都最大，棉花、小麥及玉米共占于田縣總灰水足跡的93.03%，且此三者單位質(zhì)量灰水足跡也較大。

(3)于田縣農(nóng)業(yè)景觀水足跡中，種植業(yè)及畜產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡分別為：2.31 億m3及3.13 億m3，二者消費(fèi)水足跡共為2.27 億m3。

(4)從于田縣城鄉(xiāng)居民消耗農(nóng)畜產(chǎn)品來(lái)看，除禽肉、奶類及水產(chǎn)品外，鄉(xiāng)村居民消耗均高于城鎮(zhèn)居民消耗。

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