中國典型農(nóng)作物需水量及生產(chǎn)水足跡區(qū)域差異

雒新萍，劉曉潔

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101)

0 引 言

“水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基”。隨著經(jīng)濟(jì)增長、人口增加和城市化進(jìn)程的加快，人類對水資源的需求急劇增加，水資源短缺已經(jīng)成為制約我國經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸。農(nóng)業(yè)是水資源消耗的主要部門，農(nóng)業(yè)用水占全社會總用水量的62%，每年農(nóng)業(yè)灌溉用水量約3 600 億m3，缺口300多億m3。同時(shí)，我國農(nóng)業(yè)水資源利用效率極低，平均1 m3水生產(chǎn)的糧食只有0.8 kg，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的2 kg水平[1]。據(jù)預(yù)測，在2030年前后中國人口將達(dá)到16億的高峰，糧食需增長到6.4～7.2 億t才能滿足人口增長的需求。按照現(xiàn)有水平預(yù)測，灌溉面積需發(fā)展到6 億hm2，用水量將增長到6 650 億m3，在不增加灌溉用水的條件下，2030年中國缺水將高達(dá)1 300～2 600 億m3，其中農(nóng)業(yè)缺水500～700 億m3[2]。因此，水資源是農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食安全的首要限制因子，如何在保障農(nóng)業(yè)用水零增長或者負(fù)增長的前提下，確保我國糧食安全生產(chǎn)成為我們面臨的亟需解決的重大戰(zhàn)略性問題。

研究表明[3-5]，農(nóng)業(yè)用水主要消耗于植被蒸騰和土壤蒸發(fā)(ET)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不僅消耗耕地灌溉水“藍(lán)水”，還消耗耕地有效降水“綠水”。“綠水”的循環(huán)反映了自然界“土壤-植物”生態(tài)系統(tǒng)的用水消耗。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，綠水支撐著約占全球耕地面積83%的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，為世界70%的人口提供糧食保障，大約60%的農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)依賴于綠水[6-8]。在全球人口日益膨脹的背景下雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)在可預(yù)見的將來仍然是維系農(nóng)業(yè)糧食安全的關(guān)鍵，因此綠水資源是農(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)中最重要的水源。對于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，有效降雨是土壤可供水量的唯一來源，作物需水量全部來自綠水；對于灌溉農(nóng)業(yè)，作物需水量中的綠水部分由有效降水提供，藍(lán)水部分由灌溉水提供。因此，有效地評價(jià)農(nóng)業(yè)水資源中藍(lán)、綠水的利用情況對農(nóng)業(yè)水資源管理具有十分重要的意義，也是制定提高農(nóng)業(yè)用水效率具體管理措施的重要依據(jù)。近幾年來，國際及國內(nèi)學(xué)者對重要的農(nóng)業(yè)敏感區(qū)作物需水和耗水做了大量研究，重點(diǎn)分析了糧食主產(chǎn)區(qū)的水稻、玉米、冬小麥、夏玉米等主要農(nóng)作物的需水、耗水規(guī)律及其影響因素[9-15]，另外，在作物生產(chǎn)水足跡方面，研究者們從水足跡和虛擬水的視角通過分析不同地區(qū)作物的藍(lán)綠水足跡[16-20]，為研究區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水及種植作物的結(jié)構(gòu)調(diào)整提供了科學(xué)依據(jù)，然而從國家層面來講，對我國主要農(nóng)作物藍(lán)綠需水量及作物水足跡的研究仍比較薄弱。本文面向國家農(nóng)業(yè)水資源和糧食生產(chǎn)的重大戰(zhàn)略需求以及農(nóng)業(yè)水資源高效利用的國際前沿，在“水足跡”研究的理論體系背景下，以綠水概念為依據(jù)，選擇中國主要農(nóng)作物分析其生產(chǎn)過程中的藍(lán)綠水需用量以及生產(chǎn)水足跡，以期為各省市間水資源的合理優(yōu)化配置建立理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，并為優(yōu)化水資源限制條件下的我國糧食作物產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提供科學(xué)保障和政策支持。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

1.1.1 CROPWAT模型介紹

CROPWAT 是聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)土地和水發(fā)展司于1991年開發(fā)的用于灌溉計(jì)劃和管理的模型，其基本功能包括參考作物蒸散發(fā)量、作物需水量、有效降水量及灌溉需水量的計(jì)算，該模型可為如何改進(jìn)灌溉方法、規(guī)劃不同供水條件下的灌溉日程及評價(jià)雨養(yǎng)條件或非充分灌溉條件下對作物產(chǎn)量的影響提供依據(jù)[21,22]。CROPWAT 模型所需的輸入?yún)?shù)包括氣象參數(shù)、作物參數(shù)、土壤參數(shù)。其中氣象參數(shù)包括月平均日最高和最低氣溫、月降水量、月平均風(fēng)速、月平均日照時(shí)數(shù)、月平均相對濕度。作物參數(shù)包括作物播種日期、作物系數(shù)、根區(qū)范圍、作物缺水敏感系數(shù)。土壤參數(shù)包括土壤質(zhì)地、可利用水量、滲透速率、初始含水量。首先利用CROPWAT模型計(jì)算氣象站點(diǎn)的作物需水量，然后通過克里格插值和作物種植面積分布獲得區(qū)域作物需水量，進(jìn)一步通過灌溉面積分布得到區(qū)域作物的藍(lán)、綠水需用量。

1.1.2 參考作物蒸散發(fā)量

Penman-Monteith公式[23]是FAO 1998年推薦使用的具有較小誤差的計(jì)算參考作物蒸散發(fā)量(ET0)的方法。其修正公式如下：

(1)

式中：ET0為參考作物蒸散發(fā)量，mm/d；Rn為作物表面凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；T為2 m高處日平均氣溫，℃；u2為2 m高處風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa；δ為飽和水汽壓曲線斜率，kPa/℃；γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃。

1.1.3 作物需水量

作物需水量(CWR)是在理想的生長條件下，作物從種植到收獲所需的蒸散發(fā)量。一般作物需水量等于整個(gè)生長期作物蒸散發(fā)量(ETc)的累積值，可通過ET0和不同階段的作物系數(shù)(Kc)得到，公式如下：

(2)

式中：CWR為作物全生育期需水量，m3/a；Kc為相應(yīng)的作物系數(shù)；ET0為作物生育期內(nèi)的參考作物蒸散發(fā)量，mm/d；ETc為作物生育期內(nèi)的蒸散發(fā)量，mm/d；Ac為作物種植面積；c為作物種類；10為量綱轉(zhuǎn)換因子。

1.1.4 作物藍(lán)綠水需用量

作物水分的供給主要來源于降水和灌溉兩部分，作物需水量即等于作物有效降水量與灌溉水量之和。對于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，有效降雨是土壤可供水量的唯一來源，作物需水量全部來自綠水；對于灌溉農(nóng)業(yè)，假定灌溉水量能滿足作物的需水量，作物需水量中的綠水部分由有效降水提供，藍(lán)水部分由灌溉水提供。

本文采用CROPWAT模型中美國農(nóng)業(yè)部提出的SCS方法計(jì)算有效降水量。公式如下：

(3)

Peff=125+0.1×Ptot(Ptot>250 mm)

(4)

式中：Peff為有效降水量，mm；Ptot為月降水量，mm。

綠水蒸散發(fā)(ETgreen)，即降水的蒸散發(fā)，等于總作物蒸散發(fā)(ETc)與有效降水(Peff)的較小值。藍(lán)水蒸散發(fā)(ETblue)，即農(nóng)田灌溉用水的蒸散發(fā)，等于作物總蒸散發(fā)減去有效降水。但當(dāng)有效降水超過作物蒸散發(fā)時(shí)，其值為0。公式如下：

ETgreen=min(ETc,Peff)

(5)

ETblue=max(0,ETc-Peff)

(6)

式中：ETgreen和ETblue分別為作物生長時(shí)期所需的綠水量和藍(lán)水量，mm。

1.1.5 作物生產(chǎn)水足跡

作物生產(chǎn)水足跡是指某個(gè)區(qū)域生產(chǎn)作物單位產(chǎn)量(一般為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量)所消耗的水資源數(shù)量(包括藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡)。鑒于灰水足跡表示“占有的納污能力”，其定義為吸收污水所需的水量，即確定范圍內(nèi)稀釋污染物所需的水量，以使環(huán)境水質(zhì)滿足允許的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。由于灰水足跡不是作物生產(chǎn)過程中實(shí)際消耗的水資源量，量化方法還不完善[24]，而且區(qū)域土壤施肥量和殺蟲劑等數(shù)據(jù)較難獲取，所以本文只計(jì)算作物生長的藍(lán)水足跡和綠水足跡。作物生產(chǎn)水足跡計(jì)算公式如下：

WF=WFgreen+WFblue

(7)

式中：WFgreen和WFblue分別為作物生產(chǎn)綠水足跡和藍(lán)水足跡，m3/t。

作物生長過程的綠水足跡(WFgreen, m3/t)等于作物用水中的綠水量(CWRgreen, m3/hm2)除以作物產(chǎn)量(Y, t/hm2)。作物生長藍(lán)水足跡(WFblue, m3/t)的計(jì)算也類似。

(8)

(9)

式中：ETgreen為綠水蒸散發(fā)量；ETblue為藍(lán)水蒸散發(fā)量。常量因子10是將水的深度(單位：mm)轉(zhuǎn)化為單位陸地面積的水量(單位：m3/hm2)的轉(zhuǎn)換系數(shù)；Ac是第c種作物的播種面積比例；Ic為第c種作物的播種灌溉面積比例。

1.2 數(shù)據(jù)來源

采用中國546個(gè)氣象站1961-2010年的氣象資料，包括月降水量、月平均日最高氣溫、月平均日最低氣溫、月平均日照時(shí)數(shù)、月平均風(fēng)速、月平均相對濕度。作物種植面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自Monfreda等[25]制作的2000年全球作物分布圖，作物分布圖表示作物種植面積占柵格面積的百分比，產(chǎn)量分布圖表示每種作物在柵格內(nèi)的平均產(chǎn)量，t/hm2。灌溉面積來自于2007年FAO全球灌溉面積分布圖，表示每個(gè)柵格內(nèi)有灌溉設(shè)施的面積占柵格面積的百分比，空間分辨率均為5′×5′。本文研究選取中國主要的三種農(nóng)作物(小麥、玉米和棉花)，其種植面積不包括香港、澳門和臺灣地區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 中國主要農(nóng)作物需水量的分布

從圖1(a)可以看出，中國小麥需水量的最高值主要分布在華北平原，尤其是山東西部、河北南部、河南中東部以及安徽北部地區(qū)，絕大部分柵格的年需水量均大于1 000 萬m3。華北平原光熱資源充足，有利于冬小麥生長，但降水時(shí)間與冬小麥的主要生長季耦合性較差。冬小麥需水量最大的時(shí)期為3-5月，而該期間華北平原大部分地區(qū)降水不足80 mm，有效降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于冬小麥實(shí)際需水量，所以該地區(qū)冬小麥的主要需水來源于地下水灌溉。從圖1(b)可以看出，玉米需水量的最高值主要位于松嫩平原和河北、山東北部等地區(qū)。與小麥相比，玉米需水與降雨的時(shí)間分布耦合性較好，華北夏玉米的生長期一般為6月中旬到9月中旬，生育期為90～100 d，而降水主要發(fā)生在7-9月，有效降水可以滿足夏玉米70%～80%的需水要求，所以夏玉米是對灌溉依賴程度較弱的農(nóng)作物。分布于東北和西北地區(qū)的春玉米生長期約為4月下旬到9月中旬，生育期為125～140 d，生長期灌溉需水量較大。從圖1(c)可以看出，中國棉花的種植面積較少，主要集中在黃淮海平原、新疆西部糧棉產(chǎn)區(qū)以及湖南、江蘇等地區(qū)，棉花生長期一般為4月中旬到10月中下旬，柵格內(nèi)的年需水量多在200 萬m3以下。

圖1 1961-2010年中國主要農(nóng)作物需水量的空間分布Fig.1 Distribution of water requirement for main crops in China in 1961-2010

經(jīng)統(tǒng)計(jì)可知，中國小麥、玉米和棉花的種植面積分別為2 608、2 297和367 萬hm2，通過估算，1961-2010年中國小麥、玉米和棉花多年平均需水總量分別約為1 056.4、1 045.2和217.7 億m3。從各省主要農(nóng)作物需水量占全國的比例來看(表1)，河南、山東和河北省的小麥需水量占全國小麥總需水量比例均超過10%，小麥需水量分別為186.7、173.1和109.7 億m3，其次是江淮地區(qū)，小麥需水量占全國的比例也基本在5%以上。玉米需水比例較高的省份為黑龍江、吉林和山東，分別占全國玉米總需水量的14.48%、13.34%和10.39%，玉米需水量分別為151.3、139.4和108.5 億m3；棉花需水比例較高的省份為河南和新疆，分別占全國棉花總需水量的20.40%和15.88%，棉花需水量分別約為44.4和34.5 億m3。

2.2 主要農(nóng)作物的藍(lán)綠水分布

綠水占作物需水的比例反映了農(nóng)業(yè)中有效降水的利用程度，即依靠降雨的水量滿足作物需水的程度。綠水利用率越高，灌溉用水量越少。圖2給出了中國小麥、玉米和棉花藍(lán)水和綠水需用量的空間分布。

表1 中國各省主要農(nóng)作物需水量的對比Tab.1 Comparison of water requirement for main crops in different provinces of China

注：-表示該地區(qū)無棉花種植。

圖2顯示，作物綠水需用量的空間分布與作物總需水量的分布大體一致。分析表明，中國主要農(nóng)作物小麥、玉米和棉花的綠水需用比例均高于藍(lán)水，綠水的利用強(qiáng)度與當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)開發(fā)強(qiáng)度及降水情況密切相關(guān)，農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)，作物種植密度高，所需的綠水量也多；降水豐沛的南方地區(qū)，可以說是天然的宜農(nóng)區(qū)域，作物需水量主要依賴于綠水。而對于西北、關(guān)中等天然降水量匱乏和灌溉設(shè)施落后的地區(qū)，多為灌溉農(nóng)業(yè)，需保證足夠的灌溉才能滿足農(nóng)作物的生長，而且由于灌溉設(shè)施陳舊，灌溉水有效利用系數(shù)不高，造成藍(lán)水需用量較大。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)可知，中國小麥、玉米和棉花綠水需用量占各自作物總需水量的比例分別為57.6%、72.3%和68.7%，作物的多年平均綠水需用量分別約為608.5、755.7和149.6 億m3。從各省主要農(nóng)作物綠水需水量占全國的比例來看(表1)，對于小麥而言，安徽、江蘇、重慶、湖北、浙江、上海、福建和貴州的綠水需用量比例均為100%，說明這些地區(qū)的小麥需水完全來源于綠水，有效降水完全可以滿足作物生長需求。其次是湖南和江西，綠水需用量比例也在95%以上，黑龍江、陜西、河南、四川、廣東和云南的綠水需用量比例均在60%以上，而新疆和西藏常年干旱少雨，降水遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足作物生長需求，綠水需用量比例最低，僅為14.45%和3.45%。

圖2 中國主要農(nóng)作物藍(lán)綠水需用量的空間分布Fig.2 The distribution of blue and green water requirement for main crops in China

玉米是這3種農(nóng)作物中綠水需用量最高的作物，江蘇、四川、重慶、湖北、廣東、廣西、貴州和云南省種植的玉米完全為雨養(yǎng)，玉米綠水需用量比例均接近或達(dá)到100%，有效降水可以完全滿足玉米生育期的需水要求。華北平原地區(qū)(如河南、山東和河北等)夏玉米綠水需用量比例約在70%～90%之間，東北地區(qū)(如黑龍江、吉林和遼寧)春玉米綠水需用量比例約在60%～75%之間，西北地區(qū)(如寧夏、青海、甘肅、新疆等)春玉米的綠水需用量比例較低，均在50%以下，新疆的最低，僅為6.72%。

棉花的綠水需求同玉米類似，四川、重慶、湖南、湖北、江西、浙江、上海和云南等地區(qū)棉花綠水需用量比例均接近或等于100%，華北平原及陜西關(guān)中地區(qū)棉花綠水需用量比例約在50%～80%之間，東北地區(qū)只有遼寧省有棉花種植，綠水需用量比例約為51.10%，綠水需用量比例最低的為新疆和甘肅，分別僅為6.07%和2.30%。

2.3 主要農(nóng)作物的生產(chǎn)水足跡

作物生產(chǎn)水足跡指作物單位產(chǎn)量的需水量，也稱為作物的虛擬水含量，反映作物生產(chǎn)中的用水效率。對于不同作物而言，棉花是生產(chǎn)水足跡最高的農(nóng)作物，中國小麥、玉米和棉花的平均水足跡約為1.37、1.10和2.02 m3/kg。從各省區(qū)不同作物生長的水足跡分析(表2)，小麥生產(chǎn)水足跡較高的省份主要分布在江西、福建、廣西和貴州，生產(chǎn)水足跡均在2.0 m3/kg以上，玉米生產(chǎn)水足跡較高的地區(qū)主要位于青海、湖南和廣東，棉花是三種農(nóng)作物中生產(chǎn)水足跡最高的作物，尤其是北京、天津以及甘肅等西部地區(qū)，均在3 m3/kg以上。中國南方地區(qū)水資源豐富，作物生長充分利用雨水的同時(shí)也補(bǔ)充了大量灌溉用水，造成單位作物產(chǎn)量的用水量低下。而陜西關(guān)中、甘肅和青海等地區(qū)，灌溉農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)，作物生長期間藍(lán)水需用量很大，雖維持了一定產(chǎn)量，但灌溉水有效利用系數(shù)不高，造成作物生產(chǎn)水足跡偏大。

表2 中國各省主要農(nóng)作物平均生產(chǎn)水足跡 m3/kg

注：-表示該地區(qū)無棉花種植。

3 結(jié) 論

通過對中國典型農(nóng)作物小麥、玉米和棉花多年平均需水量及作物生產(chǎn)水足跡的模擬，揭示了不同農(nóng)作物在生產(chǎn)過程中對藍(lán)綠水資源的需求及其地域分布特點(diǎn)，結(jié)論如下：

(1)中國小麥、玉米和棉花多年平均(1961-2010年)需水量分別約為1 056.4、1 045.2和217.7 億m3，且小麥、玉米和棉花的綠水利用比例均高于藍(lán)水，玉米是這三種農(nóng)作物中綠水利用率最高的作物。

(2)中國小麥、玉米和棉花的平均水足跡約為1.37、1.10和2.02 m3/kg。不同地區(qū)不同農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡存在較大差異，中國南方地區(qū)綠水資源雖豐富但利用效率不高，單位作物產(chǎn)量的用水量低下；陜西關(guān)中、甘肅和青海等西北干旱地區(qū)，有效降水不足導(dǎo)致作物依賴于灌溉，但灌溉水有效利用系數(shù)不高，造成作物生產(chǎn)水足跡也偏高。