1992—2017年中亞五國農(nóng)作物水足跡變化特征*

馬 馳, 楊中文, 宋進喜, 郝彩蓮, 夏 瑞, 賈蕊寧, 陳 焰, 張曉嬌

1992—2017年中亞五國農(nóng)作物水足跡變化特征*

馬 馳1,2, 楊中文2, 宋進喜1**, 郝彩蓮2, 夏 瑞2, 賈蕊寧2, 陳 焰2, 張曉嬌2

(1. 西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院/陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點實驗室 西安 710127; 2. 中國環(huán)境科學(xué)研究院/水生態(tài)保護與修復(fù)研究室 北京 100012)

本研究以中亞五國為研究區(qū)域, 以農(nóng)作物水足跡為評估手段, 分析了1992—2017年間中亞五國農(nóng)作物水足跡的時空變化特征, 以揭示中亞五國農(nóng)作物水足跡結(jié)構(gòu), 厘清引起中亞五國水足跡變化的主要農(nóng)作物的貢獻。結(jié)果表明: 1)中亞五國農(nóng)作物水足跡時間變化特征明顯, 1992—2017年中亞五國農(nóng)作物綠水足跡(?9.7′109m3)和藍水足跡(?5.6′109m3)均趨于減少。中亞五國農(nóng)作物水足跡空間分布差異顯著, 哈薩克斯坦農(nóng)作物綠色水足跡最高(平均4.96′1010m3), 且遠高于其他4國(平均3.6′109m3), 而藍水足跡以烏茲別克斯坦最高(平均1.53′1010m3)。農(nóng)作物綠水足跡和藍水足跡增長率最大的國家分別是土庫曼斯坦(87.6%)和吉爾吉斯斯坦(32.3%); 綠、藍水足跡減少率最大的國家分別是哈薩克斯坦(?20.7%)和烏茲別克斯坦(?24.2%)。2)中亞地區(qū)農(nóng)作物綠水足跡主要以糧食作物為主, 藍水足跡以糧食作物和油料纖維作物為主; 而糧食作物水足跡結(jié)構(gòu)中, 主要以小麥、水稻和玉米為主, 油料纖維作物水足跡結(jié)構(gòu)中, 主要以棉花為主。3)哈薩克斯坦作為綠水足跡減少最多的國家, 大麥(51.6%)和小麥(28.2%)的貢獻最大; 烏茲別克斯坦作為藍水足跡減少最多的國家, 棉花(61.9%)貢獻最大。通過開展中亞地區(qū)的農(nóng)作物水足跡研究, 發(fā)現(xiàn)中亞農(nóng)作物水足跡整體呈下降趨勢, 厘清了中亞地區(qū)引起水足跡下降的主要農(nóng)作物種類, 相關(guān)成果可以為中亞地區(qū)的農(nóng)作物優(yōu)化種植和水資源節(jié)約提供支撐。

中亞五國; 農(nóng)作物; 水足跡; 綠水足跡; 藍水足跡

農(nóng)業(yè)種植一直占據(jù)著農(nóng)業(yè)水資源消耗的主導(dǎo)地位, 約占70%左右[1-2]。中亞地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多為灌溉模式, 農(nóng)業(yè)水資源的脆弱性高, 消耗劇烈[3]。同時, 人口的增加、農(nóng)產(chǎn)品需求的增加極大地加劇了當(dāng)?shù)氐乃Y源壓力, 使得該地區(qū)存在著嚴(yán)重的土地荒漠化、土壤鹽漬化、咸海萎縮等問題[4-7]。

水足跡的概念在2002年由Hoekstra提出, 作為一種量化生產(chǎn)生活中淡水使用量的指標(biāo), 它不僅可以反映消費者或生產(chǎn)者的直接用水, 還反映其間接用水[8]。農(nóng)作物水足跡表示在作物生長過程中, 作物直接或間接消耗的淡水資源[9]。具體可以分為綠水足跡(消耗的雨水)、藍水足跡(消耗的地表、地下水)和灰水足跡(稀釋化肥濃度達到地方地表水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)所需要的淡水量)[9]。前兩者表示農(nóng)作物直接耗水, 表征水量; 后者表示農(nóng)作物間接耗水, 表征水質(zhì)。針對中亞地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源匱乏、分布不均勻的相關(guān)特征[10-12], 有必要開展中亞地區(qū)農(nóng)作物藍、綠水足跡的量化研究。

中亞地區(qū)作為農(nóng)業(yè)水資源消耗劇烈、生態(tài)環(huán)境問題嚴(yán)重的熱點地區(qū), 針對該區(qū)域的農(nóng)作物水足跡評價研究卻鮮有報道。Ruan等[1]通過研究中亞兩河流域主要農(nóng)作物需水量的變化, 發(fā)現(xiàn)其引起的中亞跨界河流的缺水壓力顯著; Li等[13]通過在全球變暖的情景下, 評估中亞五國農(nóng)業(yè)用水供需是否平衡, 結(jié)論顯示在哈薩克斯坦北部和費爾干納州地區(qū), 降水可以滿足農(nóng)作物需水量。張雪妮等[14]通過對土庫曼斯坦農(nóng)牧業(yè)水足跡的研究, 發(fā)現(xiàn)隨著土庫曼斯坦農(nóng)牧業(yè)水足跡的上升, 該國面臨的水資源壓力驟增, 水資源生態(tài)安全問題突出。由此可見, 針對中亞地區(qū)國家尺度以及詳細(xì)農(nóng)作物清單的水足跡研究還較為薄弱, 特別是通過整理中亞地區(qū)農(nóng)作物水足跡變化背后的農(nóng)作物清單, 可以為通過調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)來節(jié)約農(nóng)業(yè)水資源提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本文通過引入農(nóng)作物水足跡指標(biāo), 定量分析了中亞五國農(nóng)作物藍、綠水足跡的時空變化特征, 解析了水足跡變化背后的農(nóng)作物來源。相關(guān)研究成果可為中亞地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源管理提供參考。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

中亞五國地處亞洲中部地區(qū), 包括哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦、塔吉克斯坦、土庫曼斯坦和吉爾吉斯斯坦, 總面積約為397萬km2(圖1), 其中哈薩克斯坦面積為271.2萬km2, 烏茲別克斯坦為47.1萬km2, 土庫曼斯坦為44.6萬km2, 吉爾吉斯斯坦為19.9萬km2, 塔吉克斯坦為14.2萬km2[15]。吉爾吉斯斯坦和塔吉克斯坦位于咸海流域上游地區(qū), 水資源條件優(yōu)越, 烏茲別克斯坦、土庫曼斯坦和哈薩克斯坦南部部分區(qū)域位于咸海流域下游地區(qū), 降水稀少[16]。中亞地區(qū)屬于溫帶干旱、半干旱氣候, 降水稀少, 蒸散發(fā)量大, 降水時空分布不均。年平均降水量低于300 mm, 高山區(qū)可達500 mm以上, 平原區(qū)普遍低于200 mm[17-18]。

1.2 研究方法

1.2.1 農(nóng)作物虛擬水含量計算

通過快速通道法計算1992—2017年中亞五國每種農(nóng)作物虛擬水含量的過程[22]如下:

1.2.2 農(nóng)作物水足跡計算

農(nóng)作物水足跡的計算過程[9]如下:

以上農(nóng)作物虛擬水含量和農(nóng)作物水足跡值計算借助了MATLAB程序化語言, 并且集成了農(nóng)作物水足跡計算工具包。

1.2.3 數(shù)據(jù)來源

1996—2005年中亞五國農(nóng)作物虛擬水含量數(shù)據(jù)來自于Report47_WaterFootprint Crops_Vol2[23], 該數(shù)據(jù)是目前在國家尺度上描述農(nóng)作物虛擬水含量最詳細(xì)的數(shù)據(jù)[19], 并且被廣泛地用于國家間農(nóng)作物水足跡及虛擬水流動分析中[19-21]。1992—2017年間農(nóng)作物數(shù)據(jù)(包括產(chǎn)量、收獲面積和單產(chǎn))均來自于FAO。

2 結(jié)果與分析

2.1 中亞五國農(nóng)作物水足跡時間變化特征

1992—2017年, 中亞五國農(nóng)作物水足跡變化差異性顯著。哈薩克斯坦農(nóng)作物綠水足跡和藍水足跡變化劇烈, 以1998年為分界點, 哈薩克斯坦農(nóng)作物藍、綠水足跡呈現(xiàn)先下降后增長的趨勢(圖2a-b)。除此之外, 哈薩克斯坦農(nóng)作物綠水足跡與其他各國差距懸殊, 常年高于10×109m3, 而其他國家常年在10×109m3以下(圖2a); 而哈薩克斯坦農(nóng)作物藍水足跡卻小于烏茲別克斯坦, 與土庫曼斯坦基本相當(dāng)(圖2b)。烏茲別克斯坦農(nóng)作物藍水足跡高于其他4國, 但常年總體處于下降水平(?24.2%) (圖2b)。土庫曼斯坦農(nóng)作物綠水足跡1992—2016年一直呈增長趨勢(214.5%), 而在2017年迅速下降(?40.4%), 整體變化劇烈; 藍水足跡1992—2017年基本趨于平穩(wěn)(10.7%) (圖2a-b)。吉爾吉斯斯坦和塔吉克斯坦綠水足跡1992—2017年處于增長狀態(tài), 分別為22.5%和37.5%; 吉爾吉斯斯坦和塔吉克斯坦農(nóng)作物藍水足跡變化量比其他3國相對較少, 1992—2017年期間, 吉爾吉斯斯坦增長2.7×108m3, 塔吉克斯坦減少了?1.6×108m3(圖2a-b)。

從圖2a和圖2c可以看出, 中亞五國農(nóng)作物綠水足跡與各自的農(nóng)作物播種面積具有相似變化趨勢; 從圖2b和圖2d可以看出, 1992—2017年烏茲別克斯坦農(nóng)作物藍水足跡處于下降水平, 但烏茲別克斯坦作物產(chǎn)量卻處于增長狀態(tài); 從圖2c和圖2d也可以看出, 烏茲別克斯坦的作物單產(chǎn)一直處于明顯增長的狀態(tài)。這說明相較于其他4國, 烏茲別克斯坦在提高本國農(nóng)作物產(chǎn)量的過程中, 農(nóng)作物的水足跡值卻減少了, 這對于水資源匱乏, 且以灌溉農(nóng)業(yè)為主的烏茲別克斯坦來說, 是一個有利的趨勢。

2.2 中亞五國農(nóng)作物水足跡結(jié)構(gòu)特征

為了能夠更加系統(tǒng)地梳理農(nóng)作物水足跡結(jié)構(gòu), 我們將中亞五國所有作物劃分為11個大類, 以1992—2017年中亞五國各種農(nóng)作物水足跡平均值為基礎(chǔ), 展示了中亞五國農(nóng)作物水足跡結(jié)構(gòu)特征(圖3)。從圖3可以看出, 中亞五國的農(nóng)作物綠水足跡以糧食作物水足跡為主, 其中哈薩克斯坦占比為92.8%, 吉爾吉斯斯坦占比為71.3%, 塔吉克斯坦占比為51.5%, 土庫曼斯坦占比為63.8%, 烏茲別克斯坦占比為62.5%。中亞五國農(nóng)作物藍水足跡結(jié)構(gòu)中, 哈薩克斯坦和吉爾吉斯斯坦以糧食作物為主, 分別為65%和63.2%; 而塔吉克斯坦、土庫曼斯坦和烏茲別克斯坦以油料作物為主, 依次占比為58%、73.8%和71.2%。其余農(nóng)作物類別中, 像水果和蔬菜也是各國農(nóng)作物水足跡的主要來源(圖3)。

根據(jù)上述中亞五國農(nóng)作物藍、綠水足跡結(jié)構(gòu)特征, 選擇各國水足跡占比較高的主要農(nóng)作物類別——糧食作物和油料作物, 進一步分析該類別下具體農(nóng)作物的水足跡結(jié)構(gòu)(圖4)。

從圖4a可以看出, 在各國糧食作物的綠水足跡結(jié)構(gòu)中, 主要以小麥()為主, 其中哈薩克斯坦占比81%, 吉爾吉斯斯坦占比79%, 塔吉克斯坦占比84%, 土庫曼斯坦占比90%, 烏茲別克斯坦占比89%; 其次為大麥(), 各國平均占比為9.4%。各國糧食作物藍水足跡結(jié)構(gòu)中, 吉爾吉斯斯坦主要以小麥和玉米()為主, 占比分別為75%和23%; 土庫曼斯坦主要以小麥和水稻()為主, 占比分別為53%和32%; 烏茲別克斯坦主要以水稻和小麥為主, 占比分別為56%和30%; 塔吉克斯坦主要以玉米和水稻為主, 占比分別為42%和37%; 哈薩克斯坦各類糧食作物占比比較平均, 占比較高的有燕麥和水稻, 分別為27%和22%。

在各國油料作物的綠水足跡結(jié)構(gòu)中, 烏茲別克斯坦、土庫曼斯坦和塔吉克斯坦以棉花(spp.)為主, 占比分別為95%、100%和96%; 哈薩克斯坦以向日葵()為主, 占比為43%;吉爾吉斯斯坦以向日葵、棉花和紅花()為主, 占比分別為39%、36%和23%。各國油料作物藍水足跡結(jié)構(gòu)中, 棉花占比在五國中均是最高, 烏茲別克斯坦為99%, 土庫曼斯坦為100%, 塔吉克斯坦為99%, 吉爾吉斯斯坦為68%, 哈薩克斯坦為40%; 其中吉爾吉斯斯坦除了棉花外, 還有紅花和向日葵, 分別為21%和10%; 哈薩克斯坦除了棉花籽, 還有亞麻()和紅花, 分別為30%和26%。

2.3 中亞五國農(nóng)作物水足跡空間分布特征

中亞五國的作物水足跡在空間分布上表現(xiàn)出極大差異化。首先是作物多年平均水足跡的分布不均, 作物綠水足跡哈薩克斯坦和其他4國差距顯著, 哈薩克斯坦為49.6×109m3, 而吉爾吉斯斯坦為2.4×109m3, 塔吉克斯坦為1.6×109m3, 土庫曼斯坦為3.6×109m3, 烏茲別克斯坦為6.8×109m3(圖5a)。作物藍水足跡烏茲別克斯坦和其他4國差距懸殊, 烏茲別克斯坦為15.3×109m3, 而哈薩克斯坦為6.3×109m3, 吉爾吉斯斯坦為1.2×109m3, 塔吉克斯坦為2.5×109m3, 土庫曼斯坦為5.7×109m3(圖5b)。

在作物水足跡的變化率上, 中亞五國也表現(xiàn)出極大的空間差異。其中對于1992—2017年作物綠水足跡變化, 僅哈薩克斯坦表現(xiàn)為減少的國家(?20.7%), 土庫曼斯坦增長最快(87.6%), 其余吉爾吉斯斯坦、塔吉克斯坦和烏茲別克斯坦增長率分別為22.5%、37.5%和22.6% (圖5a)。作物藍水足跡的變化中, 吉爾吉斯斯坦增長最快(32.3%), 其次為土庫曼斯坦(10.8%), 其余3國均表現(xiàn)為減少: 哈薩克斯坦?17.6%、塔吉克斯坦?6.1%、烏茲別克斯坦?24.2%(圖5b)。

2.4 中亞五國引起水足跡變化的主要農(nóng)作物

在中亞五國綠水足跡減少的農(nóng)作物中, 哈薩克斯坦主要包括大麥、小麥、小米()、蕎麥()、燕麥和黑麥, 貢獻率分別為51.6%、28.2%、8.9%、4.3%、2.5%和2.2%; 可以看出, 哈薩克斯坦綠水足跡的減少主要來自于一些糧食作物。烏茲別克斯坦綠水足跡減少的農(nóng)作物主要有大麥(36.3%)和棉花(26.6%) (圖6a)。在中亞五國綠水足跡增加的農(nóng)作物中, 哈薩克斯坦主要包括亞麻(37.2%)、向日葵(22.2%)、大豆()(13.8%)和紅花(7.2%)。而小麥?zhǔn)菫跗潉e克斯坦和土庫曼斯坦綠水足跡增加的主要作物, 貢獻率分別為80.3%和86.0%。吉爾吉斯斯坦和塔吉克斯坦綠水足跡增長的農(nóng)作物分布比較均勻, 沒有主要貢獻作物(圖6b)。

在中亞五國藍水足跡增加的農(nóng)作物中, 哈薩克斯坦主要包括亞麻(58.1%)和紅花(19.3%); 土庫曼斯坦主要為水稻(51.2%)和小麥(36.7%); 其余各國藍水足跡增加的農(nóng)作物分布均勻, 主要貢獻農(nóng)作物不突出(圖6c)。在中亞五國藍水足跡減少的作物中, 哈薩克斯坦主要為小米(32.2%)、蕎麥(26.1%)、燕麥(19.7%)和大麥(10.7%); 烏茲別克斯坦主要為棉花(61.9%)和水稻(21.2%); 塔吉克斯坦和土庫曼斯坦主要是棉花, 貢獻率分別為94.5%和58.9%(圖6d)。

3 討論

3.1 中亞五國農(nóng)作物水足跡變化對農(nóng)業(yè)水資源的潛在影響

農(nóng)作物水足跡作為一種有效的農(nóng)業(yè)水資源消耗評估手段, 可以很好地將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源消耗聯(lián)系在一起, 并且可以精細(xì)地識別每一種農(nóng)作物水資源消耗的變化特征。長久以來, 對于中亞地區(qū)農(nóng)作物水足跡的研究比較缺乏, 所涉及的有限研究, 也存在著農(nóng)作物種類單一, 對農(nóng)作物水足跡分析不全面的短板。筆者結(jié)合快速通道方法, 考慮作物單產(chǎn)對農(nóng)作物虛擬水含量的影響, 詳細(xì)地分析了中亞地區(qū)5個國家各自農(nóng)作物水足跡的時間變化特征, 并在空間上進行了橫向?qū)Ρ确治觥?/p>

總的來說, 1992—2017年, 中亞地區(qū)的農(nóng)作物藍、綠水足跡均處于下降水平, 與此同時, 中亞地區(qū)的農(nóng)作物種植面積也處于下降水平, 而農(nóng)作物的產(chǎn)量卻在增長, 這說明中亞地區(qū)的農(nóng)作物生產(chǎn)在增加單產(chǎn)的同時還降低了農(nóng)作物的水足跡, 在一定程度上緩解了中亞地區(qū)的水資源壓力(圖1)。特別對于烏茲別克斯坦, 農(nóng)作物藍水足跡的減少極大地緩解了當(dāng)?shù)氐乃Y源壓力, 該國主要以灌溉農(nóng)業(yè)為主[24]。但在空間分布上, 5個國家的農(nóng)作物水足跡還是表現(xiàn)出很大的差異。綠水足跡主要分布在哈薩克斯坦北部, 藍水足跡主要分布在中亞西南部的烏茲別克斯坦和土庫曼斯坦。藍、綠水足跡分布特征與中亞地區(qū)的地表水資源分布和雨養(yǎng)、灌溉農(nóng)作物分布具有一致性(圖5, 圖7)。特別注意的是, 土庫曼斯坦的綠水足跡和藍水足跡均處于上升狀態(tài), 結(jié)合當(dāng)?shù)貐T乏的水資源現(xiàn)狀, 農(nóng)業(yè)種植將持續(xù)成為當(dāng)?shù)厮Y源壓力的主要因素[25]。

3.2 中亞五國農(nóng)作物水足跡變化影響因素分析

中亞地區(qū)的耕地主要集中在哈薩克斯坦東北部和阿姆河、錫爾河兩河流域, 由于地理位置和自然氣候的影響, 哈薩克斯坦北部主要以雨養(yǎng)作物為主, 而兩河流域的4個中亞國家和哈薩克斯坦部分地區(qū)主要以灌溉作物為主[16]。這與結(jié)果中的哈薩克斯坦農(nóng)作物綠水足跡遠大于其他4國, 而農(nóng)作物藍水足跡處于中等水平的結(jié)論相一致。而哈薩克斯坦綠水足跡遠大于其他4個國家, 也和哈薩克斯坦東北部地區(qū)蒸散發(fā)明顯高于中亞其他地區(qū)有關(guān)系[16]。土庫曼斯坦農(nóng)作物綠水足跡增加幅度最大, 主要是因為其作物播種面積的大幅增加, 從而增加了作物降雨的蒸散發(fā)量(圖2)。

圖中不同顏色分別表示5個國家。單幅圖左側(cè)表示國家水足跡變化相對量, 單幅圖右側(cè)表示農(nóng)作物水足跡變化相對量, 中間部分表示水足跡變化對應(yīng)的國家與農(nóng)作物之間的關(guān)系。圖中量綱均為1。Different colors in the figure represent five countries. The left side of the single figure shows the relative amount of change in the national water footprint, the right side shows the relative amount of change in the water footprint of crops, and the middle part shows the relationship between countries and crops corresponding to changes in water footprint. The dimensions in the figure are all 1.

從結(jié)果可以看出, 1992—2017年間中亞五國的農(nóng)作物水足跡(特別是農(nóng)作物藍水足跡)總體呈降低趨勢。其中綠水足跡的減少主要貢獻國是哈薩克斯坦, 藍水足跡減少的主要貢獻國是烏茲別克斯坦。哈薩克斯坦的綠水足跡減少的貢獻大, 主要是由于其綠水足跡基數(shù)大, 且綠水足跡下降率大。同樣, 烏茲別克斯坦也是擁有最大的藍水足跡基數(shù)和最大的藍水足跡下降率。隨著中亞各國經(jīng)濟的發(fā)展和人口增長對于農(nóng)作物的需求, 中亞五國農(nóng)作物產(chǎn)量整體處于增長狀態(tài), 而中亞地區(qū)耕地面積除了土庫曼斯坦和哈薩克斯坦增長外, 其他各國變化不大。特別是烏茲別克斯坦, 1992—2017年間烏茲別克斯坦作物單產(chǎn)一直處于上升狀態(tài), 使得單位農(nóng)作物虛擬水含量降低, 從而使得整體農(nóng)作物水足跡處于降低水平, 尤其是農(nóng)作物藍水足跡。

3.3 中亞五國農(nóng)作物種植模式對水足跡變化的影響

從農(nóng)作物水足跡結(jié)構(gòu)可以看出, 哈薩克斯坦和吉爾吉斯斯坦的農(nóng)作物水足跡結(jié)構(gòu)主要以糧食作物為主, 而在其他國家, 特別是農(nóng)作物藍水足跡結(jié)構(gòu), 主要以油料作物為主(棉花)(圖3-圖4)。糧食作物和油料作物作為兩種高耗水作物類型[23], 是中亞農(nóng)作物水足跡的主要類型。同時, 作為綠、藍水足跡減少最多的兩個國家, 哈薩克斯坦小麥綠水足跡和烏茲別克斯坦棉花藍水足跡的減少, 是兩國農(nóng)作物水足跡減少的主要原因。

農(nóng)作物藍水足跡表征農(nóng)作物生長過程中消耗的地表地下水資源, 對于中亞干旱半干旱氣候地區(qū), 特別是兩河流域來說, 解析農(nóng)作物藍水足跡的變化特征顯得尤為重要?？梢钥闯? 除了烏茲別克斯坦之外, 塔吉克斯坦和土庫曼斯坦的作物藍水足跡減少也主要是由棉花藍水足跡減少造成(圖4)。棉花一直以來是這3個國家的主要經(jīng)濟類作物, 也是3個國家主要的出口作物。但棉花作為一種高耗水作物, 對錫爾河下游土庫曼斯坦和烏茲別克斯坦水資源破壞嚴(yán)重, 直接導(dǎo)致了咸海的萎縮和土地鹽堿化[26-27]。特別是對于烏茲別克斯坦, 棉花生產(chǎn)一直捆綁著該國的水資源[25]。通過我們的研究可以看出, 塔吉克斯坦、土庫曼斯坦、烏茲別克斯坦3國棉花藍水足跡的減少與棉花作物產(chǎn)量的減少有很大關(guān)系(圖8)。烏茲別克斯坦, 由于棉花產(chǎn)量基數(shù)大, 是主要的棉花藍水足跡量減少的國家。烏茲別克斯坦棉花產(chǎn)量的減少可以分為兩個階段: 1992—2003年和2005—2017, 中間2003—2005年有比較明顯上升。而土庫曼斯坦棉花產(chǎn)量變化波動明顯, 總體趨于下降。

4 結(jié)論

本文基于農(nóng)作物水足跡概念和方法, 計算了1992—2017年中亞五國的農(nóng)作物水足跡值, 通過分析1992—2017年中亞作物水足跡時空變化特征和驅(qū)動水足跡變化的主要農(nóng)作物, 得出了以下結(jié)論:

1)中亞五國的農(nóng)作物水足跡時間變化具有顯著性差異。哈薩克斯坦主要以1998年為變化節(jié)點, 表現(xiàn)出先減少后增加的趨勢。烏茲別克斯坦綠水足跡總體呈增加趨勢, 藍水足跡總體呈下降趨勢。土庫曼斯坦綠水足跡總體呈增長趨勢, 但在2016年有明顯下降, 藍水足跡基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。吉爾吉斯斯坦綠水足跡在1997年前后呈現(xiàn)先增加后下降趨勢, 藍水足跡整體保持穩(wěn)定, 有小幅上升趨勢。塔吉克斯坦綠水足跡總體呈現(xiàn)增長趨勢, 藍水足跡基本保持穩(wěn)定。

2)中亞五國的農(nóng)作物水足跡及變化率呈現(xiàn)空間分布不均。哈薩克斯坦的綠水足跡平均值最大, 且與其他各國相差一個數(shù)量級, 烏茲別克斯坦藍水足跡平均值最大。土庫曼斯坦綠水足跡增長率最大, 哈薩克斯坦綠水足跡唯一減小。吉爾吉斯斯坦藍水足跡增長率最大, 烏茲別克斯坦藍水足跡下降率最大。

3)中亞五國農(nóng)作物水足跡整體呈現(xiàn)下降趨勢。哈薩克斯坦藍、綠水足跡減少的主要作物是糧食作物, 包括小麥和大麥等。烏茲別克斯坦綠水足跡減少的主要作物是棉花和大麥, 藍水足跡減少的主要作物是棉花和水稻。塔吉克斯坦、土庫曼斯坦藍水足跡減少的作物主要是棉花。這些農(nóng)作物水足跡的降低對于緩解中亞地區(qū)水資源壓力具有很大的貢獻。

[1] RUAN H W, YU J J, WANG P, et al. Increased crop water requirements have exacerbated water stress in the arid transboundary rivers of Central Asia[J]. Science of The Total Environment, 2020, 713: 136585

[2] SACCON P. Water for agriculture, irrigation management[J]. Applied Soil Ecology, 2018, 123: 793?796

[3] 于水, 陳迪桃, 黃法融, 等. 中亞農(nóng)業(yè)水資源脆弱性空間格局及分區(qū)研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃, 2020, 41(4): 11?20 YU S, CHEN D T, HUANG F R, et al. Spatial pattern and zoning of agricultural water resources vulnerability in central Asia[J]. Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning, 2020, 41(4): 11?20

[4] GUAN X F, YANG L M, ZHANG Y X, et al. Spatial distribution, temporal variation, and transport characteristics of atmospheric water vapor over Central Asia and the arid region of China[J]. Global and Planetary Change, 2019, 172: 159?178

[5] ZHANG Y F, LI Y P, SUN J, et al. Optimizing water resources allocation and soil salinity control for supporting agricultural and environmental sustainable development in Central Asia[J]. Science of The Total Environment, 2020, 704: 135281

[6] 吉力力?阿不都外力, 馬龍. 中亞環(huán)境概論[M]. 北京: 氣象出版社, 2015 JILILI?A, MA L. Overview of Central Asian Environments[M]. Beijing: China Meteorological Press, 2015

[7] 楊恕, 田寶. 中亞地區(qū)生態(tài)環(huán)境問題述評[J]. 東歐中亞研究, 2002, (5): 51?55 YANG S, TIAN B. Comments on central Asian ecological environment[J]. East European, Russian & Central Asian Studies, 2002, (5): 51?55

[8] EGAN M. The water footprint assessment manual: Setting the global standard[J]. Social and Environmental Accountability Journal, 2011, 31(2): 181?182

[9] LOVARELLI D, BACENETTI J, FIALA M. Water footprint of crop productions: A review[J]. Science of the Total Environment, 2016, 548/549: 236?251

[10] 鄧銘江, 龍愛華, 章毅, 等. 中亞五國水資源及其開發(fā)利用評價[J]. 地球科學(xué)進展, 2010, 25(12): 1347?1356 DENG M J, LONG A H, ZHANG Y, et al. Assessment of water resources development and utilization in the five Central Asia countries[J]. Advances in Earth Science, 2010, 25(12): 1347?1356

[11] 鄧銘江, 龍愛華. 中亞各國在咸海流域水資源問題上的沖突與合作[J]. 冰川凍土, 2011, 33(6): 1376?1390 DENG M J, LONG A H. Water resources issue among the Central Asian countries around the Aral Sea: Conflict and cooperation[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2011, 33(6): 1376?1390

[12] 姚海嬌, 周宏飛. 中亞五國咸海流域水資源策略的博弈分析[J]. 干旱區(qū)地理, 2013, 36(4): 764?771 YAO H J, ZHOU H F. Game analysis of water resources strategy among the Central Asia Countries around the Aral Sea Basin[J]. Arid Land Geography, 2013, 36(4): 764?771

[13] LI Z, FANG G H, CHENG Y N, et al. Agricultural water demands in Central Asia under 1.5 ℃ and 2.0 ℃ global warming[J]. Agricultural Water Management, 2020, 231: 106020

[14] 張雪妮, 呂光輝, 秦璐, 等. 土庫曼斯坦農(nóng)牧業(yè)水足跡研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報, 2014, 25(3): 38?42 ZHANG X N, Lü G H, QIN L, et al. Research on agriculture and husbandry water footprint in Turkmenistan[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2014, 25(3): 38?42

[15] DE BEURS K M, HENEBRY G M, OWSLEY B C, et al. Using multiple remote sensing perspectives to identify and attribute land surface dynamics in Central Asia 2001–2013[J]. Remote Sensing of Environment, 2015, 170: 48?61

[16] 阮宏威, 于靜潔. 1992—2015年中亞五國土地覆蓋與蒸散發(fā)變化[J]. 地理學(xué)報, 2019, 74(7): 1292?1304RUAN H W, YU J J. Changes in land cover and evapotranspiration in the five Central Asian countries from 1992 to 2015[J]. Acta Geographica Sinica, 2019, 74(7): 1292?1304

[17] LI Z, CHEN Y N, LI W H, et al. Potential impacts of climate change on vegetation dynamics in Central Asia[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2015, 120(24): 12345?12356

[18] 姚俊強, 楊青, 毛煒嶧, 等. 氣候變化和人類活動對中亞地區(qū)水文環(huán)境的影響評估[J]. 冰川凍土, 2016, 38(1): 222?230 YAO J Q, YANG Q, MAO W Y, et al. Evaluation of the impacts of climate change and human activities on the hydrological environment in Central Asia[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2016, 38(1): 222?230

[19] ZHANG Y, ZHANG J H, TIAN Q, et al. Virtual water trade of agricultural products: A new perspective to explore the Belt and Road[J]. Science of the Total Environment, 2018, 622/623: 988?996

[20] SOLIGNO I, MALIK A, LENZEN M. Socioeconomic drivers of global blue water use[J]. Water Resources Research, 2019, 55(7): 5650–5664

[21] QIAN Y Y, TIAN X, GENG Y, et al. Driving factors of agricultural virtual water trade between China and the Belt and Road countries[J]. Environmental Science & Technology, 2019, 53(10): 5877?5886

[22] TUNINETTI M, TAMEA S, LAIO F, et al. A fast track approach to deal with the temporal dimension of crop water footprint[J]. Environmental Research Letters, 2017, 12(7): 074010

[23] MEKONNEN M M, HOEKSTRA A Y. The green, blue and grey water footprint of crops and derived crop products[J]. Hydrology of Earth System Sciences, 2011, 15(5): 1577–1600

[24] 阿布都米吉提?阿布力克木, 葛擁曉, 王亞俊, 等. 咸海的過去、現(xiàn)在與未來[J]. 干旱區(qū)研究, 2019, 36(1): 7?18 ABLEKIM A, GE Y X, WANG Y J, et al. The past, present and feature of the Aral Sea[J]. Arid Zone Research, 2019, 36(1): 7?18

[25] 張小瑜. 烏茲別克斯坦水資源問題探析[D]. 烏魯木齊: 新疆師范大學(xué), 2013 ZHANG X Y. Analysis of the water resources issues in Uzbekistan[D]. Urumqi: Xinjiang Normal University, 2013

[26] 楊雪雯, 王寧練, 陳安安, 等. 中亞干旱區(qū)咸海面積變化與人類活動及氣候變化的關(guān)聯(lián)研究[J]. 冰川凍土, 2020, 42(2): 681?692 YANG X W, WANG N L, CHEN A A, et al. The relationship between area variation of the Aral Sea in the arid Central Asia and human activities and climate change[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(2): 681?692

Characteristics of crop water footprint changes in five Central Asian countries from 1992 to 2017*

MA Chi1,2, YANG Zhongwen2, SONG Jinxi1**, HAO Cailian2, XIA Rui2, JIA Ruining2, CHEN Yan2, ZHANG Xiaojiao2

(1. Shaanxi Key Laboratory of Earth Surface System and Environmental Carrying Capacity / College of Urban and Environmental Sciences, Northwest University, Xi’an 710127, China; 2. State Key Laboratory of Environment Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China)

This study analyzed the spatio-temporal characteristic of crop water footprint in five Central Asian countries from 1992 to 2017 using the crop water footprint as the assessment method, in order to reveal the structure of crop water footprint, and clarify the contribution of main crops that caused the change of water footprint in the five Central Asian countries. The results showed variation in the crop water footprints of these five Central Asian countries. From 1992 to 2017, changes in green water footprints were similar to those in their respective planting areas, and the overall trend was decreasing (-9.7×109m3). The overall blue water footprint also tended to decrease (-5.6×109m3). There were significant differences in the spatial distribution of crop water footprints in the five Central Asian countries. Kazakhstan had the highest green water footprint (average 49.6×109m3), much higher than the other four countries (average 3.6×109m3). Uzbekistan had the highest blue water footprint (average 15.3×109m3). From 1992 to 2017, the countries with the largest growth rates in the green and blue water footprints of crops were Turkmenistan (87.6%) and Kyrgyzstan (32.3%). The countries with the largest reduction rates in the green and blue water footprints were Kazakhstan (-20.7%) and Uzbekistan (-24.2%). The green water footprint of crops in Central Asia was mainly from cereals, and the blue water footprint was mainly from cereals and oil crops. The water footprint structure of cereals was mainly composed of wheat, rice, and corn, and the water footprint structure of oil crops was mainly composed of cotton. Kazakhstan had the largest reduction in green water footprint and accounted for most of crops with reduced green water footprint, barley (51.6%) and wheat (28.2%). Uzbekistan had the largest reduction in blue water footprint, with cotton (61.9%) contributing the most. The aim of this study was to examine the impact of crop yield on the virtual water content of crops and expand the virtual water content of dozens of crops in these five Central Asian countries. This avoids the shortcomings of inaccurate calculations of the long-term water footprint series in previous studies where the virtual water content remains unchanged. Research on the water footprint of crops in Central Asia revealed that the water footprint was declining, and the main crops causing the water footprint declines had been identified. These results can be used to optimize crop planting and water conservation in Central Asia.

Five Central Asian countries; Crops; Water footprint; Green water footprint; Blue water footprint

10.13930/j.cnki.cjea.200404

馬馳, 楊中文, 宋進喜, 郝彩蓮, 夏瑞, 賈蕊寧, 陳焰, 張曉嬌. 1992—2017年中亞五國農(nóng)作物水足跡變化特征[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2021,29(2): 269-279

MA C, YANG Z W, SONG J X, HAO C L, XIA R, JIA R N, CHEN Y, ZHANG X J.Characteristics of crop water footprint changes in five Central Asian countries from 1992 to 2017[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(2): 269-279

F326.11; F323.213

* 中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDA20040302)資助

宋進喜, 主要研究方向為河流水文與水生態(tài)。E-mail: jinxisong@nwu.edu.cn

馬馳, 研究方向為水文水資源。E-mail: chima@stumail.nwu.edu.cn

2020-06-01

2020-09-06

* The study was supported by the Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences (XDA20040302).

, E-mail: jinxisong@nwu.edu.cn

Jun. 1, 2020;

Sep. 6, 2020