遼河流域(遼寧段)主要農(nóng)作物生產(chǎn)虛擬水含量計算及其影響要素定量分解

王春華

(遼寧省鞍山市岫巖縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 鞍山 114300)

農(nóng)業(yè)產(chǎn)品屬于典型的水密集產(chǎn)品，生產(chǎn)所需水資源較多，農(nóng)業(yè)虛擬產(chǎn)品的計算對于區(qū)域水資源高效利用和缺水區(qū)域的水資源安全十分重要[1]。結(jié)合區(qū)域糧食和人口以及農(nóng)業(yè)貿(mào)易之間的相關(guān)性，為水資源較為短缺的區(qū)域開發(fā)新的水資源量提供較為行之有效的途徑[2]。遼河(遼寧段)屬于遼寧省農(nóng)作物密集型的區(qū)域，區(qū)域農(nóng)業(yè)產(chǎn)品用水量較大，近些年來，隨著遼河流域用水矛盾的日益嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)用水滿足度逐年遞減[3]，為提高區(qū)域農(nóng)業(yè)用水效率及用水安全，需要對區(qū)域農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的虛擬水量進(jìn)行計算，并對其影響要素進(jìn)行定量分解。當(dāng)前，對于區(qū)域農(nóng)業(yè)產(chǎn)品虛擬水量的計算得到國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注，并取得一定的研究成果[4-9]，但是在遼寧地區(qū)還未得到相關(guān)應(yīng)用，為此本文重點針對遼河(遼寧段)區(qū)域主要農(nóng)作物的生產(chǎn)特性，對其主要農(nóng)作物生成的虛擬水量進(jìn)行計算。研究成果對于提高區(qū)域農(nóng)作物生產(chǎn)用水效率及用水安全具有重要的參考價值。

1 研究方法

1.1 虛擬水量計算方法

農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水量計算主要包括初級、加工、副產(chǎn)品以及非消耗產(chǎn)品4個類型。首先對初級產(chǎn)品的虛擬水量進(jìn)行計算，初級產(chǎn)品主要和農(nóng)作物的類型相關(guān)，其計算方程為：

(1)

式中，SWD[n，i]—農(nóng)業(yè)初級產(chǎn)品的生成虛擬水量，m3/t；CWR[n，i]—區(qū)域內(nèi)第i種類型農(nóng)作物產(chǎn)品的需水量，m3/t；CY[n，i]—區(qū)域農(nóng)作物單位面積的產(chǎn)量，t。在方程中需要對農(nóng)作物的需水量進(jìn)行確定，其計算方程為：

CWR[n，i]=ETc=ET0×Kc

(2)

式中，Kc—農(nóng)作物需水系數(shù)；ET0—參考農(nóng)作物的蒸散發(fā)量，mm/d；ETc—農(nóng)作物的蒸散發(fā)量，mm/d。其中參考農(nóng)作物的蒸散發(fā)量計算方程為：

(3)

式中，Rn—農(nóng)作物表層的太陽凈輻射，MJ/m2/d；Δ—飽和水汽壓與溫度變化曲線的斜率值，kPa/℃；G—土壤的熱能通量，MJ/m2/d；T—區(qū)域的平均溫度，℃；γ—土壤的濕度常數(shù)，kPa/℃；es—飽和水汽壓，kPa；ed—實測水汽壓，kPa；U2—高度為2m處的平均風(fēng)速，m/s。加工、副產(chǎn)品以及非消耗產(chǎn)品主要按照初級產(chǎn)品結(jié)合其類型進(jìn)行一定比例的設(shè)置。

1.2 通徑分析計算方法

通徑分析方法主要研究變量之間相關(guān)關(guān)系，并對其相關(guān)關(guān)系進(jìn)行定量分解，該方程對變量之間的相互獨立性不做任何相關(guān)要求，其計算系數(shù)可采用以下方程組進(jìn)行分析:

(4)

式中，rij—因素i與j的簡單相關(guān)方程；riy—變量xi與影響要素Y之間的相關(guān)關(guān)系；Pi—通徑系數(shù)，為變量xi與xj的間接影響要素；riyPi—變量xi對因變量之間的總的貢獻(xiàn)率。

該方法采用決定系數(shù)表示影響要素之間的貢獻(xiàn)率，其計算方程為：

(5)

式中，dj—決定系數(shù)；dij—xi與xj之間的共同影響因素。

本文選擇氣象、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入程度、區(qū)域的灌溉面積、農(nóng)業(yè)機械投產(chǎn)能力以及農(nóng)業(yè)機械的總動力作為其主要的影響因素進(jìn)行分析。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)域概況

本文主要以遼河流域(遼寧段)為主要的研究區(qū)域，該區(qū)域為遼寧省主要農(nóng)作物密集區(qū)域，主要的農(nóng)作物為玉米、水稻、大豆。從其各年份農(nóng)作物的生產(chǎn)潛力(表1)可以看出，各年份玉米的生產(chǎn)潛力最大，平均值為22913kg/hm2，大豆的生產(chǎn)潛力最小，各年份平均值為16824kg/hm2，各農(nóng)作物的生成潛力呈現(xiàn)較為明顯的遞增變幅，隨著生產(chǎn)潛力的遞增，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需水量將出現(xiàn)明顯的遞增變化。為提高區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水效率，亟需要對其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的虛擬水量進(jìn)行計算，從而為區(qū)域農(nóng)業(yè)用水高效利用和用水安全提供重要的參考價值。

2.2 農(nóng)作物生產(chǎn)虛擬水量計算結(jié)果

結(jié)合農(nóng)作物生產(chǎn)虛擬水量的計算方法，分別對遼河流域(遼寧段)主要作物類型的生產(chǎn)初級虛水量及生產(chǎn)虛水量進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表2—3。

從表2中可看出，遼河流域(遼寧段)主要作物類型的初級虛擬水量總體呈現(xiàn)遞增的變化趨勢，這主要是因為隨著作物生產(chǎn)潛力的逐年增加，其作物的初級虛擬水量也將隨著增加，從其變化幅度可分析，其遞增變幅為1.23億m3/a。從各作物類型的初級虛擬水量分析結(jié)果可看出，玉米的初級虛擬水量最大，其次為水稻，大豆的初級虛擬水量最低，這主要是因為在遼河流域玉米是主要的農(nóng)作物，其作物產(chǎn)量和生產(chǎn)潛力也最大，因此玉米的初級虛擬含水量高于其他2種作物。從表3中可看出，相比于初級虛擬水量，各作物類型的生成虛擬水量都有較為明顯的增加，這主要是因為在遼河流域，水稻和大豆是主要的加工農(nóng)產(chǎn)品，其加工產(chǎn)品的虛擬水量呈現(xiàn)一定的遞增變化趨勢，而非消耗產(chǎn)品的生成虛擬水量相比較少，區(qū)域各作物類型生產(chǎn)虛擬水量主要消耗在初級生產(chǎn)和加工產(chǎn)品上。

表1 遼河流域(遼寧段)主要農(nóng)作物生產(chǎn)潛力 單位：kg/hm2

表2 區(qū)域農(nóng)作物初級生產(chǎn)虛擬水量計算結(jié)果 單位：m3/t

表3 區(qū)域農(nóng)作物生產(chǎn)虛擬水量計算結(jié)果 單位：m3/t

2.3 農(nóng)作物生產(chǎn)虛擬水量與其主要影響要素相關(guān)性分析結(jié)果

為對農(nóng)作物生產(chǎn)虛擬水量影響要素進(jìn)行分析，結(jié)合主要的4種影響要素，分析其與農(nóng)作物生產(chǎn)虛擬水量的相關(guān)性，各作物類型與其生產(chǎn)虛擬水量的相關(guān)性分析結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可看出，各作物類型下其農(nóng)作物耕作的面積和其生產(chǎn)虛擬水量都具有較高的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)都要高于其他影響因素，這主要是因為農(nóng)作物耕作面積是區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品作物虛擬水量影響較為關(guān)鍵的要素，特別是對農(nóng)作物初級產(chǎn)品的影響比例最大，其相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到0.65以上。農(nóng)作物生產(chǎn)機械動力和農(nóng)作物生產(chǎn)虛擬水量的相關(guān)度也較高，在0.2358～0.5485之間，其中和玉米的相關(guān)度較低，與大豆的相關(guān)度最高。其次是化學(xué)使用效率，一般而言，化學(xué)使用效率越高，作物生產(chǎn)所需水量越少，因此其對作物的虛擬水量影響程度也較高。從其相關(guān)度分析結(jié)果可看出，其相關(guān)度均高于農(nóng)作物生產(chǎn)的機械動力。綜合分析結(jié)果可看出，對遼河流域(遼河段)主要作物虛擬水量影響的主要因素分別為作物的耕種面積、氣候影響、農(nóng)作物機械設(shè)備動力以及化肥使用效率。

2.4 農(nóng)作物生產(chǎn)虛擬水量影響要素定量分解

在主要因素分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合通徑分析方法對區(qū)域農(nóng)作物生產(chǎn)虛擬水量的主要因素進(jìn)行定量分解，定量分解結(jié)果見表4—6。

表4 玉米生產(chǎn)虛擬水量主要影響要素定量分解結(jié)果

表5 水稻生產(chǎn)虛擬水量主要影響要素定量分解結(jié)果

表6 大豆生產(chǎn)虛擬水量主要影響要素定量分解結(jié)果

從分析結(jié)果可看出，各影響要素的總體貢獻(xiàn)度和其相關(guān)性分析結(jié)果較為一致，耕種面積作為作物生產(chǎn)虛擬水量的主要影響要素，其貢獻(xiàn)度也最大，基本達(dá)到60%以上，其中大豆耕作面積的增加，對其生產(chǎn)虛擬水量的影響程度最大，而對玉米影響的程度相對較低，貢獻(xiàn)度也最低。農(nóng)作物生產(chǎn)機械動力通過對農(nóng)作物的產(chǎn)量進(jìn)行影響，從而對其農(nóng)作物的虛擬水量產(chǎn)生一定程度的影響，從其貢獻(xiàn)度可以看出，其對遼河流域(遼寧段)主要農(nóng)作物虛擬水量的貢獻(xiàn)度均值達(dá)到21.3%。此外，化肥使用效率的提高也將加大農(nóng)作物的產(chǎn)量，使得其虛擬水量相應(yīng)增加，從其貢獻(xiàn)度可看出，化肥使用效率對區(qū)域各作物類型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)虛擬水量的均值也可達(dá)到15.1%，可見，除農(nóng)作物耕作面積外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械動力以及化肥使用效率是影響區(qū)域農(nóng)作物生產(chǎn)虛擬含水量的主要影響因素。從表中還可看出，氣象綜合因子由于對作物的影響主要表現(xiàn)在潛在蒸散發(fā)上，對作物生產(chǎn)產(chǎn)量影響稍弱，因此其貢獻(xiàn)度較低。

圖1 區(qū)域各作物類型生產(chǎn)虛擬水量與其影響要素分析結(jié)果

3 研究結(jié)論

(1)在耕作面積不增加的前提下，加大對農(nóng)業(yè)機械設(shè)備動力以及提高化肥使用效率可間接影響區(qū)域農(nóng)業(yè)虛擬水量，提高農(nóng)業(yè)用水效率以及用水安全，保障遼河流域(遼寧段)農(nóng)業(yè)用水的高效可持續(xù)利用。

(2)應(yīng)結(jié)合虛擬水量綜合計算結(jié)果，對遼河流域(遼寧段)農(nóng)作物產(chǎn)品結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行優(yōu)化，對作物虛擬水量較少的農(nóng)作物進(jìn)行類型的增加，而對于高消耗類型的農(nóng)作物進(jìn)行農(nóng)業(yè)設(shè)備投入和化肥使用效率的轉(zhuǎn)變，降低其農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的虛擬水量。

(3)本文對氣候綜合影響因子選取的指標(biāo)還較少，而氣候綜合影響主要表現(xiàn)在對農(nóng)作物潛在蒸散發(fā)的影響上，在以后的研究中還需要結(jié)合更多的氣象因子進(jìn)行綜合分析。