河南省冬小麥生產(chǎn)水足跡時(shí)空變化特征及影響因素分析

姜旭海 李帆 史倉頡

摘 要：通過量化2011—2018年河南省18個(gè)地市冬小麥生產(chǎn)水足跡，分析灌溉水和降水對糧食生產(chǎn)的作用，并采用通徑分析方法分析影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡的因子。結(jié)果表明，在年際變化方面，冬小麥藍(lán)水足跡及總生產(chǎn)水足跡呈動(dòng)態(tài)下降的趨勢，而綠水足跡呈動(dòng)態(tài)上升的趨勢;在空間變化方面，冬小麥生產(chǎn)水足跡空間聚集性比較明顯，除信陽外，主要農(nóng)作物的生產(chǎn)水足跡呈現(xiàn)出由西南向東北遞減的趨勢;影響水足跡總量的因子中，生育期降水量、平均溫度和日照時(shí)數(shù)等氣象因子對冬小麥水足跡的直接通徑系數(shù)較大，化肥投入量的增加可以促進(jìn)冬小麥單位面積產(chǎn)量的提高，進(jìn)而降低了冬小麥生產(chǎn)水足跡。

關(guān)鍵詞：生產(chǎn)水足跡;冬小麥;通徑分析;河南省

中圖分類號(hào)：S512.1;TV93 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200930001

引言

隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展，水土資源利用不足的趨勢日益嚴(yán)峻，水土資源利用差異日益明顯。水資源安全問題制約著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，尤其是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源的合理高效利用越來越被人們所關(guān)注。因此，在農(nóng)作物生產(chǎn)過程中，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的來源及其利用效率進(jìn)行量化分析成為研究農(nóng)業(yè)用水效率及其存在問題的重要環(huán)節(jié)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡的理論應(yīng)運(yùn)而生。

國際上水足跡研究最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，Haddadin引入了“外生水”的概念。Tony Allan在1993年首次闡述了“虛擬水”的概念，Hoekstra[1]在2002年提出了水足跡研究方法，即將真實(shí)形態(tài)的水與虛擬形式的水結(jié)合在一起的方法，極大地促進(jìn)了虛擬水量化領(lǐng)域的研究進(jìn)展，自此水足跡理論被學(xué)術(shù)界廣泛應(yīng)用。Chapagain等人[2]利用水足跡理論對部分國家的水足跡進(jìn)行了計(jì)算、分析與對比。侯慶豐[3]利用CROPWAT軟件和聯(lián)合國糧農(nóng)組織（ FAO） 的 CLIMWAT數(shù)據(jù)庫，計(jì)算得出甘肅省農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡的組成具有明顯地區(qū)性差異的結(jié)論。張容等[4]對農(nóng)業(yè)水足跡影響因素進(jìn)行研究，得出氣象因素的變化與人工施加的農(nóng)業(yè)技術(shù)是影響作物水足跡的主要因素的結(jié)論。郭相平等[5]分析了我國主要農(nóng)作物水足跡時(shí)空分布趨勢與影響因子的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)我國區(qū)域內(nèi)水足跡在空間上呈現(xiàn)出線性變化趨勢，而降雨量、人均純收入對水足跡的空間分布具有重要影響。馮變變等[6]分析了山西省農(nóng)作物中的生產(chǎn)水足跡，得出區(qū)域間藍(lán)水比例在全省內(nèi)隨緯度的增大而增大，主要糧食作物中小麥生產(chǎn)水足跡的綠水足跡比例較低的結(jié)論。韓宇平等人[7]利用通徑分析的方法核算了海河流域在1958—2016年間冬小麥水足跡，結(jié)果表明海河流域冬小麥水足跡呈整體下降趨勢，影響因素中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入因素對冬小麥水足跡直接通徑系數(shù)最大。

冬小麥?zhǔn)呛幽鲜≈饕募Z食作物，冬小麥生育期較長，約230～270d，整個(gè)生長過程對于水資源的依賴程度較大。因此，本文主要研究河南省冬小麥水足跡時(shí)空分布的動(dòng)態(tài)變化，從水足跡視角出發(fā)，通過對2011—2018年河南省18個(gè)地市生產(chǎn)冬小麥所需的水資源量進(jìn)行量化分析，明確灌溉水和降水對糧食生產(chǎn)的作用，并采用通徑分析，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡的影響因子進(jìn)行分析，可為河南省農(nóng)業(yè)水資源合理管理及科學(xué)利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域處于我國黃河中下游地區(qū)的河南省，河南省界于N31°23'～36°22'，E110°21'～116°39'。河南省近10a內(nèi)年平均氣溫為12.8～16.4℃，年平均日照時(shí)數(shù)1501.7～2253.3h，年平均降水量為461.1～1144.2mm，降水主要集中在7月份，年平均無霜期206.6～278.0d，屬于大陸性季風(fēng)氣候，適宜多種農(nóng)作物生長。河南省土地總面積約為16.70×104km2，其中耕地面積約為8.16×104km2，人均耕地面積0.075hm2，低于全國人均耕地水平（2018年河南省統(tǒng)計(jì)年鑒）。冬小麥在河南省農(nóng)作物播種面積中占有較大比重，2018年冬小麥播種面積5739.85 × 103hm2，占該年省內(nèi)主要農(nóng)作物播種面積的38.86%。

由圖2可知，2011—2018年間，河南省冬小麥藍(lán)水足跡呈現(xiàn)下降趨勢，綠水足跡呈現(xiàn)上升趨勢，總生產(chǎn)水足跡呈現(xiàn)下降趨勢。

冬小麥藍(lán)水足跡在研究期間平均值為0.243m3·kg-1，最大值出現(xiàn)在2011年，為0.315 m3·kg-1，最小值出現(xiàn)在2015年，為0.141 m3·kg-1;由距平百分率可知，2015年冬小麥藍(lán)水足跡相對于多年藍(lán)水足跡平均值變化最大，且為負(fù)變化。冬小麥綠水足跡在研究期間平均值為0.357m3·kg-1，最大值出現(xiàn)在2015年，為0.448m3·kg-1，最小值出現(xiàn)在2012年，為0.229m3·kg-1;由距平百分率可知，2012年冬小麥綠水足跡相對于多年綠水足跡平均值變化最大，且為負(fù)變化。冬小麥總生產(chǎn)水足跡在研究期間平均值為0.600m3·kg-1，最大值出現(xiàn)在2011年，為0.694m3·kg-1，最小值出現(xiàn)在2012年，為0.539m3·kg-1;由距平百分率可知，2011年冬小麥總生產(chǎn)水足跡相對于多年總生產(chǎn)水足跡平均值變化最大，且為正變化。

作物生產(chǎn)水足跡由作物耗水量和作物單產(chǎn)共同決定[12]。2011—2018年間，河南省冬小麥總生產(chǎn)水足跡2011年最大，2012年最低，這是因?yàn)樵?011年和2012年冬小麥單產(chǎn)相差不大的前提下，2011年的降水量大于2012年。總體來看，2011—2018年間，冬小麥藍(lán)水足跡及總生產(chǎn)水足跡呈動(dòng)態(tài)下降的趨勢，綠水足跡呈動(dòng)態(tài)上升的趨勢，說明近些年來，河南省傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉用水效率及降水資源的利用效率逐步提高，河南省農(nóng)作物總的生產(chǎn)用水效率在逐漸提高。

3.2 空間變化特征

冬小麥生產(chǎn)水足跡具有一定的空間差異性，以2011—2018年間冬小麥生產(chǎn)水足跡8a均值為基礎(chǔ)分作冬小麥在空間上的總體差異性特征，結(jié)果如圖3。

冬小麥生產(chǎn)水足跡空間聚集性比較明顯，除信陽外，主要農(nóng)作物的生產(chǎn)水足跡呈現(xiàn)出由西南向東北遞減的趨勢。豫西、豫南地區(qū)冬小麥生產(chǎn)水足跡普遍較高;豫北、豫東地區(qū)冬小麥生產(chǎn)水足跡普遍偏低;洛陽、三門峽、鄭州、平頂山、信陽主要糧食作物的生產(chǎn)水足跡較高。其中，冬小麥生產(chǎn)水足跡最高的是洛陽，為0.829m3·kg-1;最低的是焦作，為0.424m3·kg-1。

冬小麥生育期內(nèi)降水較少，其生長所需水主要來源于灌溉水，在冬小麥的生產(chǎn)水足跡中，藍(lán)水足跡由西北向東南減少。其中，藍(lán)水足跡最高的是三門峽，為0.392m3·kg-1;最低的是信陽，為0.096m3·kg-1。

4 冬小麥水足跡影響因素分析

由作物生產(chǎn)水足跡計(jì)算公式可知，冬小麥水足跡主要由生育期對水的需求量及作物年產(chǎn)量所決定的。因此，基于冬小麥生產(chǎn)水足跡數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布的基礎(chǔ)上，合理選擇影響因素進(jìn)行通徑分析。

4.1 冬小麥生產(chǎn)水足跡的正態(tài)性檢驗(yàn)

利用通徑分析的方法分析影響區(qū)域冬小麥生產(chǎn)水足跡分布差異的因子，需要對冬小麥生產(chǎn)水足跡數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)。本文通過SPSS 23.0軟件對計(jì)算所得河南省冬小麥生產(chǎn)水足跡進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，輸出結(jié)果如表1 所示。

對一組數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)的方法在SPSS中有2種，Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)（K-S檢驗(yàn)）和 Shapiro-Wilk檢驗(yàn)（S-W檢驗(yàn)）。 K-S檢驗(yàn)結(jié)果雖然較為精確，但適用于大樣本的檢測，S-W檢驗(yàn)適用于小樣本的檢驗(yàn)。本文n=8 屬于小樣本，因此采用S-W檢驗(yàn)的輸出結(jié)果對因變量 y 進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)。

Shapiro-Wilk統(tǒng)計(jì)值為0.926，顯著性為0.477>0.05，所以因變量y（冬小麥生產(chǎn)水足跡）服從正態(tài)分布，即可以進(jìn)行通徑分析。

4.2 通徑分析

生育期需水量和單產(chǎn)會(huì)受到當(dāng)?shù)貧夂驐l件、生產(chǎn)條件的影響。因此，為了分析引起河南省各區(qū)域冬小麥生產(chǎn)水足跡差異性的主導(dǎo)因素，選取影響作物生產(chǎn)水足跡的生育期降水量（X1） 、日照時(shí)數(shù)（X2） 、相對濕度（X3） 、平均溫度（X4） 、農(nóng)機(jī)動(dòng)力（X5） 、化肥使用量（X6）參數(shù)進(jìn)行通徑分析，研究冬小麥水足跡的影響因素，結(jié)果見表2。

表2中各影響因素的直接通徑系數(shù)表明各因素對冬小麥生產(chǎn)水足跡的直接影響，間接通徑系數(shù)則表明各因素通過影響其它各因素而對冬小麥生產(chǎn)水足跡產(chǎn)生的間接影響程度。

通過對各影響因子的直接通徑系數(shù)分析可知，全部影響因子中生育期降水量、化肥使用量、平均溫度對冬小麥的水足跡直接影響較大，生產(chǎn)條件中化肥使用量和農(nóng)機(jī)動(dòng)力影響系數(shù)接近，但化肥使用量影響系數(shù)更大。通過對各影響因子的間接通徑系數(shù)分析可知，生產(chǎn)資料因子中，化肥使用量的間接通徑系數(shù)較大;氣象因素中，降水量和相對濕度之間及平均溫度之間的相對作用較明顯?？傮w來看，影響因素系數(shù)由大到小依次為化肥使用量（X6）、平均溫度（X4）、降水量（X1）、相對濕度（X3）、農(nóng)機(jī)動(dòng)力（X5）、日照時(shí)數(shù)（X2） 。

5 結(jié)果與討論

5.1 結(jié)果

本研究借助CROPWAT 8.0軟件分析河南省2011—2018年期間冬小麥的生產(chǎn)水足跡的時(shí)空變化情況。結(jié)果表明，在年際變化方面，冬小麥總生產(chǎn)水足跡與藍(lán)水足跡均呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)下降的趨勢，綠水足跡呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)上升的趨勢;在空間變化方面，冬小麥生產(chǎn)水足跡具有明顯的聚集性。除信陽外，主要農(nóng)作物的生產(chǎn)水足跡呈現(xiàn)出由西南向東北方向遞減的趨勢，豫西和豫南地區(qū)冬小麥的生產(chǎn)水足跡普遍較高，而豫北和豫東地區(qū)冬小麥生產(chǎn)水足跡普遍偏低。洛陽市、三門峽市、鄭州市、平頂山市、信陽市主要糧食作物的生產(chǎn)水足跡較高，其中，冬小麥生產(chǎn)水足跡最高的地級市是洛陽市，為0.829m3·kg-1，最低的是焦作市，為0.424m3·kg-1。

對冬小麥生產(chǎn)水足跡影響因子進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，就氣象因子而言，生育期降水量、平均溫度和日照時(shí)數(shù)對冬小麥水足跡的直接通徑系數(shù)較大，說明生育期內(nèi)氣溫和日照時(shí)間有利于冬小麥的生長發(fā)育，可以提高冬小麥產(chǎn)量，降水量則通過直接影響冬小麥生育期中的綠水資源量，對冬小麥水足跡產(chǎn)生影響;對生產(chǎn)條件而言，化肥的用量增加使得冬小麥的單位面積產(chǎn)量提高。

5.2 討論

根據(jù)作物生產(chǎn)水足跡時(shí)空分布狀況及其影響因子的影響程度來看，降低作物生育期水足跡的途徑為：增加現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的投資，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械動(dòng)力在生產(chǎn)中的比重，提高單位面積農(nóng)作物產(chǎn)量;加強(qiáng)節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用和推廣，提高降雨和灌溉水的利用率。研究表明，增大化肥和農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力的投入，可大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和促進(jìn)作物產(chǎn)量的提高[13]。另外，此次研究中化肥影響因素占據(jù)過高的比重，在增加作物產(chǎn)量方面雖然具有重要的促進(jìn)作用，但化肥的過度使用會(huì)對耕地造成一系列破壞[14]。同時(shí)，根據(jù)報(bào)酬遞減理論，隨著化肥投入的增加，對于作物產(chǎn)量增加的效用會(huì)逐漸降低，直至不再影響。

本研究計(jì)算了河南省2011—2018年間18個(gè)市的水足跡狀況，初步得出河南省水足跡的時(shí)空分布及年際變化特征，但由于現(xiàn)有研究方法和所采用數(shù)據(jù)資料的限制，文中還存在很多不足之處。針對河南省水足跡的分析中僅考慮了藍(lán)水足跡和綠水足跡，其中缺少對灰水足跡的研究;研究作為理論數(shù)據(jù)的結(jié)果，在分析過程中缺少對各個(gè)區(qū)域人口、經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)技術(shù)的分析，與省內(nèi)冬小麥生產(chǎn)真實(shí)耗水量可能存在一定誤差。

參考文獻(xiàn)

[1] Hoekstra A Y. Virtual Water Trade：Proceedings of the International Expert Meeting on Virtual Water Trade[J]. Value of Water Research Report Series，2003（03），12.

[2]Chapagain A K，Hoekstra A Y. Virtual Water Flows between Nations in Relation to Trade in Livestock and Livestock Products[J]. Value of Water Research Report Series，2003（13）： 11-15.

[3]侯慶豐.基于水足跡的甘肅省農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[J].中國沙漠，2013，33（06）：1921-1927.

[4]張容，李楊.農(nóng)業(yè)水足跡影響因素研究及展望[J].商業(yè)經(jīng)濟(jì)，2018（08） ： 100-104， 184.

[5]郭相平，高爽，吳夢洋，等.中國農(nóng)作物水足跡時(shí)空分布與影響因素分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018， 49（05） ： 295-302.

[6]馮變變，劉小芳，趙勇鋼，等.山西省作物生產(chǎn)藍(lán)綠水足跡核算及影響因素分析[J].水土保持研究，2018，25（04） ： 200-205，214.

[7]韓宇平，賈冬冬，黃會(huì)平，王春穎，曲唱.基于通徑分析的海河流域冬小麥水足跡及影響因素[J].水資源保護(hù)，2019，35（01）：6-13.

[8]吳普特，孫世坤，王玉寶，李笑雷，趙西寧.作物生產(chǎn)水足跡量化方法與評價(jià)研究[J].水利學(xué)報(bào)，2017，48（06）：651-660，669.

[9] Cao X C，Wang Y B，Wu P T，et al. An evaluation of the water utilization in wheat production of irrigated and rain-fed croplands in China[J]. Science of the Total Environment，2015，529 （5）： 10-20.

[10]Petra Doll，StefanSiebert. Global modeling of Irrigation water requirement[J].Water Resources Research，2002，38（4）： 1-8.

[11]蔡甲冰，劉鈺，許迪，等.基于通徑分析原理的冬小麥缺水診斷指標(biāo)敏感性分析[J].水利學(xué)報(bào)，2008，39（01） ： 83-90.

[12]秦婭青，王銳，李瑞華，等. 河南冬小麥—夏玉米生產(chǎn)耗水結(jié)構(gòu)及其時(shí)空差異分析——基于水足跡視角[J]. 資源開發(fā)與市場，2019，35（08）： 1037-1043.

[13]馬少先.農(nóng)業(yè)機(jī)械在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位與作用探析[J].北京農(nóng)業(yè)，2012（03）：172-173.

[14]Ruttan V W. The transition to agricultural sustainability[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States， 1999， 96（11）：5960-5967.

（責(zé)任編輯 ?李媛媛）