新疆2002-2016年主要農(nóng)作物虛擬水含量時(shí)空分布分析

方 芳，馬 瓊,2

(1.塔里木大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學(xué) 新疆南疆經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展研究院，新疆 阿拉爾 843300)

水資源問(wèn)題已引起各國(guó)學(xué)者的重視，水資源安全被認(rèn)為是國(guó)家和社會(huì)發(fā)展、地區(qū)穩(wěn)定的基礎(chǔ)性要素[1]。2018年5月4日，國(guó)家水利部召開(kāi)相關(guān)會(huì)議中強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。4月16日，新疆維吾爾自治區(qū)水資源管理工作的專(zhuān)題研究會(huì)議中明確了“水利興則新疆興”的治水新理念。吳普特等在2006年預(yù)測(cè)到21世紀(jì)中葉我國(guó)農(nóng)業(yè)將面臨巨大的挑戰(zhàn)[2]。尤其是發(fā)展中國(guó)家的農(nóng)業(yè)曾被聯(lián)合國(guó)政府氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)和聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)列為最易受氣候變化影響、最脆弱的產(chǎn)業(yè)之一[3]。農(nóng)業(yè)作為新疆的支柱性產(chǎn)業(yè)，2016年農(nóng)業(yè)用水占比在總供水量的90%以上，水資源匱乏成為極度干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵限制性因素，如何尋找節(jié)水新途徑，緩解水資源危機(jī)，實(shí)現(xiàn)新疆生態(tài)與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展成為新疆農(nóng)業(yè)發(fā)展中亟待解決的問(wèn)題。

“虛擬水”和“虛擬水戰(zhàn)略”作為解決水資源匱乏問(wèn)題的新路徑被提出，我國(guó)自程國(guó)棟教授于2003年首次將虛擬水引入以來(lái)[4]，徐中民等重新定義了虛擬水戰(zhàn)略[5]。周俊菊等基于虛擬水理論構(gòu)建了種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整需水模型，分析了近33年民勤綠洲種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)農(nóng)作物需水量的影響[6]。黃敏等采用投入產(chǎn)出法計(jì)算了中國(guó)虛擬水進(jìn)出口的貿(mào)易量，發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)部門(mén)直接用水系數(shù)高達(dá)857.9 t/萬(wàn)元，與直接用水系數(shù)最小的部門(mén)差距達(dá)600倍[7]。張潤(rùn)等采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算了省際間農(nóng)作物的虛擬水總量和虛擬水輸出量[8]。

在新疆這樣地處偏遠(yuǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢的極度干旱地區(qū)，水資源缺乏制約農(nóng)業(yè)發(fā)展并成為影響農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸，通過(guò)分析主要作物的虛擬水含量，研究作物的需水特性，對(duì)水資源的合理開(kāi)發(fā)利用，提高水資源的利用效率有實(shí)用的意義。因此，基于虛擬水理論，計(jì)算了新疆6種主要作物15年的需水量，明晰了主要作物虛含量的時(shí)間及空間分布，為新疆合理分配水資源及優(yōu)化作物布局結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

1 研區(qū)概況

新疆曾是古“絲綢之路”的重要通道，現(xiàn)在又成為第二座“亞歐大陸橋”的橋頭堡，戰(zhàn)略地位十分重要。屬于溫帶大陸型氣候，降水少，氣候干燥，2016年全疆年均降水量?jī)H139.93 mm，尤其是新疆南疆與東疆氣候極其干旱，2016年年均降水僅61.95 mm。全疆近3年無(wú)水災(zāi)，但旱災(zāi)平均受災(zāi)面積達(dá)40 萬(wàn)hm2，占播種面積的6.8%。全疆水資源總量只有全國(guó)的3.37%，而農(nóng)業(yè)用水占到全國(guó)農(nóng)業(yè)用水的14.07%、占全疆總供水量的94.32%。根據(jù)新疆水利廳報(bào)全疆現(xiàn)狀水資源開(kāi)發(fā)利用率達(dá)69.4%，水資源總體上開(kāi)發(fā)利用過(guò)度。2016年新疆農(nóng)作物播種總面積為621.73 萬(wàn)hm2，南疆最多，達(dá)277.96 萬(wàn)hm2，東疆最少，為13.56 萬(wàn)hm2。小麥、玉米、水稻、薯類(lèi)、棉花和甜菜是主要的農(nóng)作物，播種面積占新疆農(nóng)作物播種總面積的73.03%，其生產(chǎn)耗水量(249.43 億m3)占新疆農(nóng)業(yè)用水量(533.3 億m3)的46.8%。

種植業(yè)對(duì)自然資源的依賴(lài)程度相比其他產(chǎn)業(yè)較高，氣候和水資源等條件的差異決定了農(nóng)作物專(zhuān)業(yè)化格局的優(yōu)劣，呂娜娜等[9]研究表明水資源已經(jīng)成為制約中國(guó)西北干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展的限制因素，位于該區(qū)的新疆，有著豐富的耕地儲(chǔ)備資源，是全國(guó)大型的糧棉基地。自改革開(kāi)放近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，新疆的綠洲農(nóng)田面積顯著擴(kuò)張，尤其是新疆棉花，高產(chǎn)高質(zhì)，2016年新疆棉花的產(chǎn)值已占到全國(guó)棉花總產(chǎn)值的70%以上。近年來(lái)，新疆棉花僅有20%供應(yīng)自身的紡織工業(yè)原料，而80%的新疆棉花進(jìn)入了國(guó)內(nèi)或國(guó)際市場(chǎng)，從虛擬水貿(mào)易的角度來(lái)講，這相當(dāng)于在以棉花為載體輸出虛擬水資源。馬林瀟等[10]認(rèn)為在“三條紅線”用水指標(biāo)的約束下政府如何布局種植業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，最大限度地實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)三方面效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，以提高農(nóng)戶(hù)收入，促進(jìn)新疆農(nóng)村經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展，這些都是保證新疆種植業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 計(jì)算方法

作物虛擬水含量指的是單位質(zhì)量的農(nóng)產(chǎn)品消耗的虛擬水量[11]，根據(jù)農(nóng)作物需水量與農(nóng)作物產(chǎn)量計(jì)算得到，如式(1)。

(1)

式中：SWD(n,c)、SWR(n,c)、CY(n,c)分別表示n區(qū)域c作物單位質(zhì)量的虛擬水含量，m3/kg、生長(zhǎng)期內(nèi)的需水量， m3/hm2、產(chǎn)量，kg/hm2。

農(nóng)作物需水量SWR(n,c)的計(jì)算：虛擬水包括虛擬藍(lán)水、虛擬綠水。虛擬藍(lán)水是指把河流、湖泊等地表和地下的水通過(guò)灌溉方式輸送到農(nóng)作物，虛擬綠水是指由降雨和降雪形成的水資源。農(nóng)作物虛擬水含量的測(cè)算采用彭曼-孟(Penman-Monteith)公式[12]，如下式：

ETc=ET0×kc

(2)

(3)

式中：ETc表示n區(qū)域c作物生長(zhǎng)期內(nèi)的累計(jì)蒸發(fā)蒸騰水量，mm/d；ET0表示參考作物蒸發(fā)蒸騰水量，mm/d，由式(3)計(jì)算得到；Kc為作物系數(shù)，是用來(lái)修正參考作物與實(shí)際作物之間的差異的；式(3)中：Δ為飽和水汽壓-溫度曲線的斜率；Rn為作物表面的凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；r為干濕表常數(shù)，kPa/℃；T為作物生長(zhǎng)區(qū)的平均溫度；ea-ed為飽和水蒸氣壓力差，kPa；U2為農(nóng)作物生長(zhǎng)區(qū)2 m高度處的風(fēng)速，m/s。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

農(nóng)作物虛擬水含量是從CROP和CLIMATE數(shù)據(jù)庫(kù)提取相關(guān)的氣候、土壤數(shù)據(jù)，借助FAO推薦的CROPWAT8.0軟件得到參考作物的需水量，主要農(nóng)作物的參考系數(shù)Kc值是根據(jù)中國(guó)自然歷和中國(guó)主要農(nóng)作物等值線圖得到。文中涉及的主要農(nóng)作物的產(chǎn)量等相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》(2003-2017年)。

3 結(jié)果分析

3.1 主要農(nóng)作物虛擬水含量的時(shí)間分布分析

將6種主要農(nóng)作物的相關(guān)參數(shù)帶入上式中，計(jì)算出6種農(nóng)作物2002-2016年的虛擬水含量，借助Excel繪制6種農(nóng)作物的虛擬水含量趨勢(shì)圖。如圖1，6種主要農(nóng)作物15年來(lái)虛擬水含量整體波動(dòng)下降，虛擬水含量下降率最大的是小麥，為58.4%，最小的是水稻，為35.5%。董煜等[13]研究發(fā)現(xiàn)“風(fēng)速、溫度、日照時(shí)數(shù)對(duì)需水量呈正向影響，相對(duì)濕度、日溫差、降水量對(duì)需水量呈負(fù)向影響”，根據(jù)新疆氣象資料數(shù)據(jù)顯示，隨著全球氣候變暖，新疆各區(qū)年平均氣溫變化趨勢(shì)均以 0.03 ℃/a 增加，同時(shí)海水蒸發(fā)量增加，從而使新疆山區(qū)降水水汽來(lái)源增加，作物需水量減少。

時(shí)間動(dòng)態(tài)分布上，6種農(nóng)作物虛擬水含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，小麥、水稻、玉米波動(dòng)下降，棉花、甜菜和薯類(lèi)下降趨勢(shì)較平穩(wěn)。小麥15年的虛擬水含量平均值為1.52 m3/kg；各年份小麥的虛擬水含量在2.23～0.95 m3/kg的范圍內(nèi)波動(dòng)；2002年小麥的虛擬水含量最大，2014年小麥的虛擬水含量最小。玉米15年的虛擬水含量平均值為1.56 m3/kg；各年份玉米的虛擬水含量在1.95～1.22 m3/kg的范圍內(nèi)波動(dòng)；2002年玉米的虛擬水含量最大，2016年玉米的虛擬水含量最小。水稻15年的虛擬水含量平均值為1.38 m3/kg；各年份水稻的虛擬水含量在1.63～0.95 m3/kg的范圍內(nèi)波動(dòng)；2002年最高，2014年最低。薯類(lèi)15年的虛擬水含量平均值為0.37 m3/kg；各年份薯類(lèi)的虛擬水含量在0.44～0.26 m3/kg的范圍內(nèi)波動(dòng)；2012年最大，2016年最小。甜菜15年的虛擬水含量平均值為0.17 m3/kg；各年份甜菜的虛擬水含量在0.24～0.13 m3/kg的范圍內(nèi)波動(dòng)；2002年甜菜的虛擬水含量最大，2016年甜菜的虛擬水含量最小。棉花15年的虛擬水含量平均值為6.3 m3/kg；各年份棉花的虛擬水含量在8.45～4.57 m3/kg的范圍內(nèi)波動(dòng)；2002年棉花的虛擬水含量最大，2014年棉花的虛擬水含量最小。小麥與水稻虛擬水含量的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)相似，在2002-2004年階段，呈現(xiàn)平穩(wěn)下降狀態(tài)，2005-2007年快速下降，在2008年出現(xiàn)突增，2009開(kāi)始趨于緩慢下降。自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)糧食經(jīng)歷了1998-2003年的產(chǎn)量大滑坡[14]，故糧食作物在2002-2003年的產(chǎn)量較低，虛擬水含量升高，而在此階段，薯類(lèi)單產(chǎn)增加，虛擬水含量下降；在2003-2004階段，水稻虛擬水含量達(dá)到最高點(diǎn)，由于從2000年開(kāi)始至2004年水稻[15]產(chǎn)量持續(xù)下降，導(dǎo)致虛擬水含量達(dá)到最高點(diǎn)；第三階段是2004-2007年，糧食農(nóng)作物的虛擬水含量急劇下降，主要是由于自2004年開(kāi)始，“三農(nóng)”問(wèn)題已被中央一號(hào)文件高度重視，出臺(tái)三項(xiàng)補(bǔ)貼政策、開(kāi)放糧食市場(chǎng)流通、重點(diǎn)建設(shè)農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施[16]，并在2006年黨的十六大中徹底結(jié)束了延續(xù)了2 600年的“皇糧國(guó)稅”，大大激發(fā)了農(nóng)民的種糧積極性，糧食產(chǎn)量增長(zhǎng)[17]，虛擬水含量也隨之連續(xù)下降；在2008年糧食農(nóng)作物虛擬水含量出現(xiàn)突增，受全球金融危機(jī)的影響，糧食農(nóng)作物的種植面積減少，同時(shí)單產(chǎn)下降，虛擬水含量上升，之后呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)。根據(jù)新疆水資源公報(bào)“2008年全疆年降水量2 415 億m3，與多年平均值相比偏少5.1%，比上年減少7.5%，屬降水略偏枯年份。”，且2008年新疆平均氣溫升高，這也導(dǎo)致了2008年作物虛擬水含量上升。相比糧食農(nóng)作物，棉花與甜菜虛擬水含量呈現(xiàn)較穩(wěn)定的逐年下降趨勢(shì)。

為了進(jìn)一步探究新疆種植業(yè)虛擬水含量的時(shí)間分布，根據(jù)種植規(guī)模、生產(chǎn)技術(shù)水平等，分別在南疆、北疆與東疆選取代表性的區(qū)域站點(diǎn)進(jìn)行趨勢(shì)分析。南疆以阿克蘇為樣本站點(diǎn)，2016年阿克蘇地區(qū)主要農(nóng)作物種植面積為77.05 萬(wàn)hm2，占南疆地區(qū)主要農(nóng)作物面積的34.4%，阿克蘇小麥、水稻、棉花單產(chǎn)均高于全疆平均值。北疆以伊犁為樣本站點(diǎn)，2016年伊犁主要農(nóng)作物種植面積達(dá)95.20 萬(wàn)hm2，占北疆地區(qū)主要農(nóng)作物種植面積的45%，同時(shí)伊犁的玉米、棉花、水稻單產(chǎn)均為全疆較高水平。東疆以哈密地區(qū)為樣本站點(diǎn)，2016年哈密主要農(nóng)作物種植面積達(dá)5.21 萬(wàn)hm2，占東疆地區(qū)主要農(nóng)作物種植面積的81.5%。各樣本點(diǎn)的虛擬水含量如圖2(a-c)。3個(gè)樣本站點(diǎn)農(nóng)作物的虛擬水含量整體均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。各作物虛擬水含量由高到低依次是棉花、小麥、水稻、玉米、薯類(lèi)、甜菜。伊犁各年份虛擬水含量最高的是棉花，其15年的虛擬水含量均值為5.96 m3/kg，年均下降率達(dá)4.3%，虛擬水含量最小的是甜菜，15年的虛擬水含量均值為0.08 m3/kg，年均下降率為1.4%；哈密無(wú)甜菜與薯類(lèi)的種植，15年棉花的虛擬水含量最高，均值為7.19 m3/kg，年均下降率為4.38%，虛擬水含量最小的是薯類(lèi)，15年虛擬水含量均值為0.25 m3/kg，年均下降率為4.35%；阿克蘇棉花15年虛擬水含量均值為6.56 m3/kg，年均下降率為4.05%，虛擬水含量最小的是甜菜，15年均值為0.09 m3/kg，其中從2014年開(kāi)始甜菜虛擬水含量出現(xiàn)突增現(xiàn)象，由0.08 m3/kg增加到0.12 m3/kg，其主要原因是從2005年開(kāi)始阿克蘇甜菜的種植面積雖然由0.68 萬(wàn)hm2增加到1.35 萬(wàn)hm2，但是甜菜的單產(chǎn)卻由63.76 t/hm2減少至43.82 t/hm2，這是導(dǎo)致2014年以后年甜菜虛擬水含量增加的主要原因。

圖1 主要農(nóng)作物的虛擬水含量時(shí)間分布趨勢(shì)圖Fig.1 temporal distribution trend of virtual water content of major crops

整體來(lái)看，代表站點(diǎn)6種主要農(nóng)作物虛擬水含量平均值均呈下降趨勢(shì)，根據(jù)計(jì)算方法，農(nóng)作物虛擬水含量主要受作物需水量和單產(chǎn)的影響，圖3為3個(gè)站點(diǎn)主要農(nóng)作物需水量與單產(chǎn)時(shí)間變化趨勢(shì)圖。從圖3中可看出，2008年伊犁農(nóng)作物單產(chǎn)降低，需水量增加，導(dǎo)致了單位質(zhì)量虛擬水含量驟增，而自2009年開(kāi)始單產(chǎn)波動(dòng)上升，到2015年單產(chǎn)達(dá)到最大值，此間需水量變化幅度相對(duì)較小，故導(dǎo)致了這期間伊犁農(nóng)作物虛擬水含量波動(dòng)下降，且虛擬水含量在2015年出現(xiàn)最小值；哈密農(nóng)作物需水量變化較平穩(wěn)，2002年哈密農(nóng)作物虛擬水含量最高，從圖3看出2002年哈密農(nóng)作物單產(chǎn)較低，同時(shí)需水量較多，2007年哈密農(nóng)作物單產(chǎn)驟降，而此時(shí)需水量上升，因此該年農(nóng)作物虛擬水含量較高，自2010年開(kāi)始哈密農(nóng)作物單產(chǎn)波動(dòng)下降，但下降幅度相對(duì)不大，同時(shí)需水量變化也保持相對(duì)穩(wěn)定，因此自2010年哈密農(nóng)作物虛擬水含量呈相對(duì)穩(wěn)定趨勢(shì)；阿克蘇農(nóng)作物虛擬水含量波動(dòng)下降，從圖3中看出需水量變化相對(duì)平穩(wěn)，而單產(chǎn)的驟變是造成阿克蘇農(nóng)作物虛擬水含量變化的主要原因。尤其是在2009年與2012年，阿克蘇農(nóng)作物單產(chǎn)驟增，而需水量變化不大，因此這兩年農(nóng)作物虛擬水含量較低，2010年農(nóng)作物單產(chǎn)出現(xiàn)驟降，導(dǎo)致該年農(nóng)作物虛擬水含量增加。

圖2 各站點(diǎn)主要農(nóng)作物虛擬水含量時(shí)間分布趨勢(shì)圖Fig.2 Time distribution trend of virtual water content of main crops at each site

圖3 各站點(diǎn)主要農(nóng)作物需水量與單產(chǎn)時(shí)間分布趨勢(shì)圖Fig.3 Trend of water demand and yield of major crops at each site

3.2 主要農(nóng)作物虛擬水含量的空間分布分析

根據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)水資源公報(bào)數(shù)據(jù)，2009年全疆年降水量2 369 億m3(折合降水深144.1 mm)，與多年平均值相比偏少6.9%，比上年減少2.8%，屬降水枯水年份，2016年全疆年降水量3 775 億m3(折合降水深229.7 mm)，與多年均值相比偏多48.4%，比上年偏多28.3%，屬降水豐水年份。因此選取2009與2016年兩個(gè)典型水文年，計(jì)算得到六種主要農(nóng)作物虛擬水含量，如表1。無(wú)論是豐水年還是枯水年，虛擬水含量最高的均是棉花，其次為水稻、小麥、玉米、薯類(lèi)，最低的是甜菜。北疆的棉花、水稻、玉米虛擬水含量最低，東疆的薯類(lèi)虛擬水含量最低，南疆的小麥虛擬水含量最低。由于天山橫貫在新疆，南、北、東疆的地形地貌、氣候和水分環(huán)境等存在較大差異，且農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu)、灌溉方式也不盡相同，因此空間尺度上不同水文年作物的虛擬水含量存在較大差異。在豐水年，全疆農(nóng)作物虛擬水含量均低于枯水年，枯水年的虛擬水含量接近豐水年的2倍。其中甜菜的虛擬水含量在枯水年略高于豐水年，雖然氣候變化是影響作物需水量的主要影響因素，但作物需水量還與單產(chǎn)及其他因素有關(guān)，由于2016年塔城、阿勒泰、博州及阿克蘇地區(qū)甜菜單產(chǎn)下降，尤其是阿克蘇地區(qū)，由2009年的67.3 t/hm2下降到2016年的43.8 t/hm2，導(dǎo)致南疆地區(qū)甜菜在枯水年虛擬水含量低于豐水年。

表1 不同水文年新疆主要農(nóng)作物的虛擬水含量 m3/kg

從更加微觀的層面分析(圖4-5)：小麥虛擬水含量在不同水文年差異最大的是克拉瑪依，豐水年比枯水年虛擬水減少1.55 m3/kg，差異最小的是博州，豐水年比枯水年減少0.52 m3/kg。除吐魯番與克拉瑪依外，其他地區(qū)在不同水文年虛擬水含量均低于均值，阿克蘇地區(qū)最低，豐水年僅0.71 m3/kg，克拉瑪依最高，枯水年達(dá)2.85 m3/kg。整體看小麥虛擬水含量從東北向西南降低；玉米虛擬水含量在不同水文年差異最大的是巴州，豐水年比枯水年虛擬水減少0.64 m3/kg，差異最小的是吐魯番，豐水年比枯水年減少0.18 m3/kg。虛擬水含量高于全疆均值的有吐魯番、和田等五個(gè)地區(qū)，博州虛擬水含量最低，豐水年僅0.33 m3/kg，喀什虛擬水含量最高，枯水年達(dá)1.15 m3/kg。整體來(lái)看，玉米的虛擬水含量呈現(xiàn)南高北低、東高西低的分布；水稻虛擬水含量在不同水文年差異最大的是烏魯木齊，豐水年比枯水年虛擬水減少1.18 m3/kg，差異最小的是喀什，豐水年比枯水年減少0.03 m3/kg。除了阿克蘇與博州，其他地區(qū)虛擬水均高于全疆平均值，巴州最高，枯水年達(dá)2.8 m3/kg，博州的最低，豐水年僅1.18 m3/kg。整體來(lái)看水稻的虛擬水含量分布較復(fù)雜，南北疆均出現(xiàn)較高值與較低值；薯類(lèi)虛擬水含量在不同水文年差異最大的是阿勒泰，豐水年比枯水年虛擬水減少0.13 m3/kg，差異最小的是巴州，豐水年比枯水年減少0.06 m3/kg。虛擬水含量高于全疆均值的有克州、和田和烏魯木齊，最低的是昌吉，豐水年為0.11 m3/kg，最高的是克州，枯水年高達(dá)為0.48 m3/kg。整體看薯類(lèi)的虛擬水含量由北向南增加。甜菜虛擬水含量在不同水文年存在較大差異，其中克拉瑪依、阿勒泰、博州、阿克蘇在豐水年虛擬水含量反而比枯水年高，可見(jiàn)甜菜的虛擬水含量受降雨的影響較小，查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)這幾個(gè)地區(qū)2016年甜菜單產(chǎn)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，故虛擬水含量上升。整體來(lái)看甜菜的虛擬水含量高值區(qū)集中分布在從北部的烏魯木齊、克拉瑪依、塔城、博州到南部阿克蘇的弧形區(qū)域；棉花虛擬水含量在不同水文年差異最大的是克州，豐水年比枯水年虛擬水減少6.05 m3/kg，差異最小的是和田，豐水年比枯水年減少3.15 m3/kg。虛擬水含量高于全疆平均值的有吐魯番、和田等五個(gè)地區(qū)，伊犁最低，豐水年為2.5 m3/kg，吐魯番最高，枯水年達(dá)11.47 m3/kg。整體來(lái)看，全疆棉花虛擬水含量呈現(xiàn)東南高、西北低的分布；不同水文年型各地區(qū)作物虛擬水含量變化趨勢(shì)基本一致?？梢?jiàn)，不同水文年下新疆作物虛擬水含量主要與當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境和氣候差異直接相關(guān)，除了日照時(shí)數(shù)、氣溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速等外，虛擬水含量主要與當(dāng)?shù)亟涤炅棵芮邢嚓P(guān)。因此，對(duì)于不同水文年型，各地區(qū)應(yīng)及時(shí)關(guān)注當(dāng)?shù)亟邓兓?，采取一定的灌溉方法，確保農(nóng)作物的需水量。

圖4 豐水年作物虛擬水含量空間分布Fig.4 Spatial distribution of virtual water content of annual crops in high flow year

圖5 枯水年農(nóng)作物虛擬水含量空間分布Fig.5 Spatial distribution of virtual water content in crops in low flow year

4 討 論

(1)新疆作為我國(guó)的農(nóng)業(yè)大省，選取了新疆種植面積大且耗水量多的主要農(nóng)作物進(jìn)行計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)新疆各地的農(nóng)作物的種植規(guī)模與水資源總量、虛擬水含量之間存在差異，表明主要農(nóng)作物的布局結(jié)構(gòu)在考慮自然資源條件時(shí)，并不是以水資源為關(guān)鍵因素，而是首先考慮了土地和光溫條件，以獲得高產(chǎn)為目標(biāo)。但是新疆是極度干旱地區(qū)，水資源缺乏是農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵限制性因素，從虛擬水含量的視角看，新疆尤其南疆應(yīng)首先考慮水資源條件，布局耗水少、附加值高的農(nóng)作物，以保證新疆經(jīng)濟(jì)與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。

(2)根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)自2002年以來(lái)新疆種植業(yè)的虛擬水含量在逐漸下降，但相比其他地區(qū)虛擬水含量依然很高，白景峰等(2012)測(cè)算河南省小麥、玉米、棉花虛擬水含量分別為0.49、0.48、4.22 m3/kg，黃姣等(2011)測(cè)算了東北三省小麥、玉米、水稻虛擬水含量分別為1.67、0.82、1.1 m3/kg，朱啟榮等(2016)測(cè)算全國(guó)的小麥、玉米、棉花、水稻、甜菜的虛擬水含量分別為0.3、0.19、0.97、0.75、0.048 m3/kg。而本文測(cè)算新疆2016年小麥、玉米、棉花、水稻、甜菜和薯類(lèi)虛擬水含量分別為0.87、0.6、3.5、0.98、0.09、0.34 m3/kg。因此，新疆的虛擬水含量具有很大的降低空間。

(3)本文是從虛擬水的視角進(jìn)行分析的，由于各個(gè)地區(qū)的氣候環(huán)境資源不同，虛擬水含量低的地區(qū)不一定是最優(yōu)良的種植基地。因此，各地區(qū)在農(nóng)作物布局時(shí)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐姆N植業(yè)發(fā)展目標(biāo)確定種植結(jié)構(gòu)。對(duì)南疆而言，農(nóng)作物播種面積大、但虛擬水含量高，應(yīng)當(dāng)以虛擬水含量最低為標(biāo)準(zhǔn)考慮種植業(yè)結(jié)構(gòu)布局，以確保經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié) 語(yǔ)

利用彭曼公式計(jì)算了新疆自2002年以來(lái)15年主要農(nóng)作物的虛擬水含量，明晰了新疆主要農(nóng)作物虛擬水含量的時(shí)空分布情況，發(fā)現(xiàn)新疆種植業(yè)虛擬水含量的時(shí)空分布特征為：

(1)不同種類(lèi)農(nóng)作物的虛擬水含量在區(qū)域上均存在差異。6種主要農(nóng)作物的單位虛擬水含量從高到低依次為棉花、水稻、小麥、玉米、薯類(lèi)、甜菜，棉花的虛擬水含量遠(yuǎn)高于甜菜。東疆的農(nóng)作物虛擬水含量均值最高，為1.41 kg/m3，北疆的農(nóng)作物虛擬水含量均值最低，為0.99 kg/m3，南疆農(nóng)作物的虛擬水含量均值1.33 kg/m3，高于北疆。

(2)時(shí)間分布上，新疆6種主要農(nóng)作物的虛擬水含量自2002年以來(lái)整體呈下降趨勢(shì)。主要是因?yàn)殡S著全球氣候變暖，新疆各區(qū)年平均氣溫變化趨勢(shì)均以0.03 ℃/a 增加，同時(shí)海水蒸發(fā)量增加，從而使新疆山區(qū)降水水汽來(lái)源增加，作物需水量減少。糧食作物的虛擬水含量在2008年與2012年發(fā)生了較大的突變，這兩年糧食農(nóng)作物的單產(chǎn)下降，是造成作物虛擬水含量增加的主要原因，相比糧食作物，經(jīng)濟(jì)作物的虛擬水含量呈平穩(wěn)下降趨勢(shì)。

(3)空間分布上，新疆6種主要農(nóng)作物的虛擬水含量北部低于南部，西部低于東部，但不同的農(nóng)作物間又有細(xì)微的差別。且新疆不同水文年作物虛擬水含量存在較大差異，枯水年農(nóng)作物虛擬水含量均值2.13 m3/kg，接近豐水年的2倍。在新疆這樣極度干旱地區(qū)想要打破農(nóng)業(yè)缺水的瓶頸，可以將虛擬水含量的空間差異列入調(diào)整農(nóng)作物種植布局的影響因素中。

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