基于虛擬水理論的功能農業(yè)示范區(qū)玉米種植水足跡研究
——以山西太谷為例

張 鑫，李 磊，于 斐，王春玲

（1.山西農業(yè)大學城鄉(xiāng)建設學院，山西 太谷 030801；2.山西省環(huán)境科學研究院，山西 太原 030027；3.齊魯工業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院，山東 濟南 250353）

人類活動會消耗和污染大量的水資源。其中，農業(yè)生產(chǎn)消耗了大部分的水資源，還有相當一部分水資源用于工業(yè)生產(chǎn)和人類生活。在我國，自改革開放以來，經(jīng)濟的快速發(fā)展加劇了大量水資源的消耗和污染，社會各部門對水的需求量給農業(yè)用水帶來巨大壓力。我國作為農業(yè)大國，面臨著嚴峻的水資源壓力，根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2016年農業(yè)用水量3 768億m3，占全國總用水量的62.4%，農業(yè)用水90%以上用于灌溉，灌溉用水有效利用系數(shù)僅為0.542，被浪費掉的水資源有1 553億m3。優(yōu)化水資源配置、提高單位農產(chǎn)品的用水效率，可以有效促進農田節(jié)水的健康發(fā)展，促進水資源的高效利用，緩解水資源壓力。

“水足跡”理論是荷蘭學者HOEKSTRA[1]基于虛擬水（virtual water，VW）概念提出的，借此可以更加全面地理解產(chǎn)品中真實的水資源消費與需求[2]。水足跡評價手冊指出，水足跡是消費者或生產(chǎn)者直接或間接使用水資源的衡量指標，包括水資源的消耗量和污染量[3]。作物生產(chǎn)水足跡可以反映農業(yè)生產(chǎn)過程中的水資源利用效率及其真實的占有量[4]，結合當?shù)氐乃Y源情況，實現(xiàn)水資源的合理利用，提高水資源利用率，保護生態(tài)環(huán)境，促進農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。SUTTAYAKUL等[5]研究發(fā)現(xiàn)，泰國油棕的平均水足跡為1 063 m3/t，藍水、綠水和灰水分別占68%，18%，14%；HUANG等[6]研究了給北京供應的谷物和蔬菜的水足跡，結果表明，在北京地區(qū)種植谷物較種植蔬菜減少藍水和灰水的消耗；秦麗杰等[7]對吉林省西部的玉米水足跡進行了研究，結果表明，綠水是玉米生長的主要水源，只有保護好當?shù)氐木G水資源，才能保證其生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

功能農業(yè)作為繼高產(chǎn)農業(yè)、綠色農業(yè)之后第3個農業(yè)發(fā)展的階段，是生態(tài)高值農業(yè)發(fā)展的進一步延伸，可以推動農業(yè)供給側結構性改革，提升農業(yè)資源的可持續(xù)發(fā)展能力，促進生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)良性循環(huán)[8]。對功能農業(yè)示范區(qū)主要作物的水足跡進行研究，可以全面了解示范區(qū)內各種水資源的利用效率，對減緩水資源壓力，實現(xiàn)農業(yè)水資源的長期可持續(xù)利用以及當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的平衡、穩(wěn)定的良性循環(huán)有著重要意義。山西太谷作為山西功能農業(yè)的龍頭，致力于建設全國功能農業(yè)綜合示范區(qū)，將功能農業(yè)培育成山西農業(yè)農村發(fā)展的“新動能”。

本研究應用虛擬水理論方法，借助《山西省統(tǒng)計年鑒》資料，分析2000—2015年太谷主要農作物玉米種植水足跡的時空變異規(guī)律，以期對當?shù)氐纳鷳B(tài)可持續(xù)發(fā)展提供資料支持和決策參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

太谷縣位于山西省晉中盆地東北部，降雨比較少，全年可利用的地面水和地下水資源總量為1.71億m3，人均水資源量僅為562.6 m3，水資源嚴重短缺。太谷縣總面積1 033.6 km2，地理位置為東經(jīng) 112°28′～113°01′，北緯 37°12′～37°3′，屬于暖溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為7～10℃，年降水量為458 mm左右，海拔多為767～1 900 m，全縣轄3鎮(zhèn)6鄉(xiāng)198個行政村。

1.2 研究方法

1.2.1 綠水足跡 綠水足跡是儲存在非飽和土壤層中并通過植被蒸散消耗掉的綠水資源，綠水有益于作物生長，但并不是所有的綠水都能被作物利用。農作物的綠水足跡是指來自田地或者農場的雨水總蒸散量與儲存在農作物內的水分。農業(yè)消耗的綠水可以通過采用模擬作物蒸散發(fā)的模型進行測量或評價，而這些模型往往以氣候、土壤或作物特征為基本輸入數(shù)據(jù)[3]。

其中，WFgreen為綠水足跡（m3/a）；CWUgreen為玉米生長綠水消耗量（m3/hm2）；A為玉米播種面積（hm2）；ETgreen為綠水蒸散量（mm/d）；常量因子 10是將水的深度（mm）轉化為單位陸地面積的水量（m3/hm2）的轉換系數(shù)；總和∑求的是從種植日期（第1天）到收獲日期的積累量（lgp表示生長期的長度，以日計量）；ETc是玉米蒸散量（mm）；Peff是有效降水量（mm）。

1.2.2 藍水足跡 藍水足跡是藍水消耗的指標，也就是地表水和地下水的消耗指標[3]。在農作物的生長過程中，對藍水需求量的衡量一般采用灌溉用水指標進行分析，藍水主要來源于地表水、可更新地下水和深層地下水[9-10]。

其中，WFblus為藍水足跡（m3/a）；CWUblus為玉米生長藍水消耗量（m3/hm2）；ETblus為藍水蒸散量（mm/d）。

1.2.3 灰水足跡 灰水足跡是衡量水污染程度的指標，是以自然本底濃度和現(xiàn)有的環(huán)境水質標準為基準，將一定的污染物負荷吸收同化所需要的淡水體積[3，11]。

其中，WFgrey為灰水足跡（m3/a）；α 為淋溶率，即進入水體的污染量占總化學物質施用量的比例；AR為每公頃土地的化肥施用量（kg/hm2）；Cmax為最大容許濃度（kg/m3）；Cnat為污染物的自然本底濃度（kg/m3）。

1.2.4 玉米生長過程水足跡 將玉米在整個生長周期中的綠水、藍水、灰水足跡的量相加，即得到玉米生長過程水足跡，其表示玉米在整個生長周期中所消耗的水資源量。

其中，WF為玉米生長過程水足跡（m3/a）。

1.2.5 玉米生長過程水足跡效率 水足跡效率表示的是單位水足跡上產(chǎn)生的農業(yè)總產(chǎn)值數(shù)量，其值越大，說明水足跡的效率就越高；其值越小，則水足跡效率越低[12-13]。

其中，g為玉米水足跡效率（元/m3）；GDP為太谷縣農業(yè)總產(chǎn)值（元）。

1.3 數(shù)據(jù)來源

計算數(shù)據(jù)來源包括：聯(lián)合國糧農組織的CLIMWAT和CROP數(shù)據(jù)庫中有關山西太谷的相關氣候數(shù)據(jù)；太谷縣玉米播種面積來源于《山西省統(tǒng)計年鑒》。對灰水足跡進行計算時，選取主要污染物氮肥為指標，并且取10%為氮肥淋溶率進行計算，在農業(yè)生產(chǎn)活動中，氮肥的主要淋失形態(tài)為硝態(tài)氮[14]，選取硝酸鹽的標準濃度限值為10 mg/L，故Cmax為0.01 kg/m3，Cnat為污染物在水體中的初始濃度，常以 0 計[9]。

2 結果與分析

2.1 太谷縣玉米生長過程水足跡分析

通過借助聯(lián)合國糧農組織推薦的CROPWAT 8.0模型計算出玉米生長周期中的蒸散量ETc和有效降雨量 Peff，并根據(jù)公式（1）～（8）最終求出 2000—2015年太谷縣玉米生長過程的水足跡（圖1）。

由圖1可知，太谷縣2000—2015年玉米生長過程水足跡整體呈曲折上升的趨勢，水足跡大小受當年玉米種植面積、農田灌溉技術及當年降雨量多少的影響。在2000—2003，2010—2011年呈下降趨勢，其中，2000—2001，2010—2011年下降幅度較??；在其他年份均為上升趨勢，其中，2003—2007年漲幅最大，同比增長93%。在這16 a中，2015年水足跡值最大，為1.48×109m3/a，2003年水足跡最小，為0.55×109m3/a，平均水足跡為1.04×109m3/a。

2.2 太谷縣玉米綠水、藍水、灰水足跡分析

2000—2015年太谷縣玉米生長過程藍水、綠水、灰水足跡的變化趨勢如圖2所示。由圖2可知，藍水足跡總體呈波動上升趨勢，局部年份受降水、氣候、播種面積等因素的影響有所降低，藍水足跡最大值出現(xiàn)在2015年，為8.67×108m3/a，最小值出現(xiàn)在2003年，為3.36×108m3/a。在2001—2003，2010—2011年藍水足跡呈下降趨勢，其余年份為遞增趨勢，尤其2003—2007年增幅最大，增加了89%。

綠水足跡總體呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，整體變化幅度與藍水足跡相比較小，在2001—2003，2010—2011年間為下降趨勢，其余年份為小幅上升趨勢，其最大值出現(xiàn)在2015年，為3.74×108m3/a，最小值出現(xiàn)在2003年，為1.45×108m3/a。

灰水足跡與綠水足跡的變化趨勢大致相同，在2001—2003，2010—2011年間呈下降態(tài)勢，其余年份為緩慢上升趨勢，主要是受到當?shù)赜衩追N植面積的影響。灰水足跡的最大值出現(xiàn)在2014年，為2.42×108m3/a，最小值出現(xiàn)在2003年，為0.70×108m3/a。灰水足跡的值主要取決于氮肥施用量和玉米播種面積的多少。

對2000—2015年這16 a的太谷縣玉米生長過程中的藍水、綠水、灰水足跡求平均值，得出綠水平均水足跡為2.67×108m3/a，藍水平均水足跡為6.20×108m3/a，灰水平均水足跡為1.54×108m3/a。由圖3可知，在太谷縣玉米生長過程中，消耗最多的為藍水，占比59.54%，其次為綠水，占比25.68%，消耗最少為灰水，占比14.78%。

2.3 太谷縣玉米水足跡效率分析

水足跡效率可以用來分析太谷縣農業(yè)總產(chǎn)值與玉米生長過程水足跡的關系，借助公式（9）得出2000—2015年太谷縣玉米水足跡效率（圖4）?？傮w來說，玉米水足跡效率的變化趨勢并不規(guī)整，呈現(xiàn)上升—下降—上升—下降—直線上升的趨勢，與水足跡的變化趨勢不盡相同，主要原因是由于受到當年農產(chǎn)品收購價格的影響，水足跡效率在2000—2002，2004—2005，2008—2014年間為遞增趨勢，其余年份為下降趨勢，其最小值為2004年的0.41元/m3，最大值為2014年的1.20元/m3，2014年為2004年的3倍，平均值僅為0.77元/m3，表明雖然太谷縣玉米水足跡效率在明顯提高，在單位量的水足跡上能夠產(chǎn)生更高的經(jīng)濟效益，但同時也表明太谷縣玉米水足跡效率仍處在一個較低的水平。

3 結論與討論

3.1 結論

本研究借助CROPWAT 8.0軟件定量分析了2000—2015年太谷縣玉米生長過程水足跡的時空變化情況，并計算了各年的水足跡效率。結果表明，自進入21世紀以來，太谷縣玉米生長過程水足跡整體呈曲折上升的趨勢，其中，2003—2007年漲幅最大，同比增長93%，水足跡的平均值為1.04×109m3/a，最小值出現(xiàn)在2003年，為0.55×109m3/a，最大值出現(xiàn)在2015年，為1.48×109m3/a，2015年為2003年的2.7倍。

在2000—2015年間，藍水足跡總體呈波動上升趨勢，最大值為2015年的8.67×108m3/a，最小值為2003年的3.36×108m3/a；綠水、灰水足跡總體均呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，其中，綠水足跡最大值為2015年的 3.74×108m3/a，最小值為 2003年的1.45×108m3/a；灰水足跡最大值為2014年的2.42×108m3/a，最小值為2003年的0.70×108m3/a。綠水、藍水、灰水足跡均在2001—2003，2010—2011年呈下降趨勢，主要是因為在這幾年間玉米播種面積降低。

在2000—2015年間，太谷縣玉米生長過程水足跡均由藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡構成。其中，藍水足跡占比最大，為59.54%，綠水足跡次之，為25.68%，灰水足跡占比最小，為14.78%。所以，在太谷縣玉米生長水足跡過程中以藍水足跡為主，這也體現(xiàn)了太谷縣地處我國中部干旱、半干旱區(qū)域，降水稀少，水資源嚴重短缺，農作物的生長需水量主要依靠抽取地下水灌溉的實情。

自進入21世紀以來，玉米水足跡效率的變化趨勢并不規(guī)整，呈現(xiàn)先上升后下降又上升、下降再直線上升的趨勢，其最小值為2004年的0.41元/m3，最大值為2014年的1.20元/m3，為2004年的3倍，平均值僅為0.77元/m3，表明雖然太谷縣玉米水足跡效率在明顯提高，在單位量的水足跡上能夠產(chǎn)生更高的經(jīng)濟效益，但同時也表明太谷縣玉米水足跡效率仍處在一個較低的水平。太谷縣政府乃至晉中市政府應趁著“農谷”發(fā)展的契機，優(yōu)化農作物種植結構，加大農業(yè)科技的投入力度，研發(fā)功能性農產(chǎn)品，增加單位農產(chǎn)品的價格，從而實現(xiàn)太谷縣農作物水足跡效率的穩(wěn)步提高[15-16]。

3.2 討論

本研究在對玉米灰水足跡進行估算時，只選取了氮肥中的氮素作為玉米生長過程中的關鍵污染物[17-18]，沒有考慮其他化肥、農藥等污染物引發(fā)的灰水足跡，因此，灰水足跡的估算結果可能略低于實際值，生長過程水足跡也比實際值偏小。本研究對太谷縣主要農作物玉米生長過程水足跡以及水足跡的構成、水足跡效率進行了初步評價，可以間接反映出山西省中部其他干旱區(qū)現(xiàn)有農作物的水資源利用情況，對于合理調整太谷縣乃至山西省中部農作物的種植結構、面積，緩解太谷縣水資源壓力，保護生態(tài)環(huán)境，促進當?shù)亟?jīng)濟社會的協(xié)調發(fā)展都有著重要的作用。

在山西省中部的干旱、半干旱地區(qū)發(fā)展旱作農業(yè)時首先應考慮農作物對水資源的消耗情況，優(yōu)先考慮低耗水的農作物，合理配置種植比例，適當減少高耗水農作物的播種面積，對于高耗水農作物進行品種改良，從而緩解水資源嚴重短缺的局面。藍水作為干旱地區(qū)主要農作物生長的主要水源，各級政府應該興修農田水利設施，引進噴灌、滴灌等節(jié)水措施，逐步減少漫灌、溝灌等傳統(tǒng)的浪費藍水資源的灌溉方法，地方科研單位也應積極研發(fā)適合當?shù)匕l(fā)展需求的節(jié)水技術；并且要積極植樹造林、加強水土保持工程、降低土壤蒸發(fā)、適當開展人工降雨作業(yè)，提高綠水利用率；此外，在農作物生長過程中還應該優(yōu)化施肥比例，要加大農家肥、有機肥的投入比例，減少氮磷肥的施用，不僅能降低農作物生長過程的灰水足跡，也能提高糧食的安全性；最后，各級科研單位應趁著“農谷”發(fā)展的契機，加大農業(yè)科技的研發(fā)力度，服務地方，研發(fā)功能型農產(chǎn)品，提高單位農產(chǎn)品的價格，提高農作物的水足跡效率。