河南省農(nóng)作物虛擬水含量時(shí)空分異特征

黃會(huì)平，曹明明，宋進(jìn)喜，韓宇平，陳姍姍

(1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，西安710127;2.華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州450045)

0 引言

河南省位于中國(guó)中東部、黃河中下游，介于31°23＇～36°22＇N，110°21＇～116°39＇E之間，土地總面積16.7萬(wàn)km2，轄18個(gè)地市，是中國(guó)農(nóng)業(yè)大省，主要作物類型有小麥、玉米、棉花、花生、油菜籽、芝麻、大豆、蔬菜等。

河南水資源總量多年平均值413.4 m3，人均水量和單位土地面積水量只相當(dāng)于全國(guó)的1/5和1/6，不足世界平均數(shù)的1/25，且時(shí)空分布不均，屬嚴(yán)重缺水省份。如何彌補(bǔ)水資源不足成為河南省可持續(xù)發(fā)展中應(yīng)解決的重點(diǎn)問(wèn)題之一。虛擬水是指產(chǎn)品生產(chǎn)或服務(wù)中所需的水資源量，英國(guó)學(xué)者T.Allan在1993年提出并將其定義為生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品所需要的水資源量［1］，D.Zimmer等進(jìn)一步拓展形成目前公認(rèn)的虛擬水概念，即生產(chǎn)商品和服務(wù)所需要的水資源數(shù)量［2］。因此，農(nóng)作物虛擬水可定義為農(nóng)作物為產(chǎn)出初級(jí)農(nóng)產(chǎn)品所需要的水資源量。目前虛擬水在全球水資源安全中的作用已經(jīng)得到科學(xué)界的廣泛認(rèn)同，虛擬水的研究范圍不斷擴(kuò)大，研究?jī)?nèi)容不斷深入，研究方法和手段也在逐步增加，且更加注重其實(shí)證研究［3－4］。程國(guó)棟首次將虛擬水的概念引入國(guó)內(nèi)，并以西北地區(qū)為例闡述了虛擬水概念和虛擬水戰(zhàn)略對(duì)于區(qū)域水資源安全和水資源管理的指導(dǎo)意義［5］。此后，學(xué)者從不同側(cè)面對(duì)虛擬水進(jìn)行了全面和深入的研究:1)虛擬水概念及其計(jì)算方法研究。徐中民等［6］、龍愛(ài)華等［7］以甘肅及西北4省為例介紹了虛擬水的計(jì)算方法。2)虛擬水貿(mào)易及其可行性研究。虛擬水貿(mào)易量可通過(guò)投入－產(chǎn)出分析及消費(fèi)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)可作為跨流域調(diào)水的補(bǔ)充，對(duì)水資源危機(jī)可起到緩解作用［8－10］。3)虛擬水區(qū)域?qū)嵶C研究。用定量化方法對(duì)虛擬水進(jìn)行區(qū)域?qū)嵶C研究［11－15］，對(duì)虛擬水時(shí)空分布特征進(jìn)行探討。河南省是中國(guó)糧食生產(chǎn)大省，目前對(duì)河南省主要農(nóng)作物虛擬水的時(shí)空分布特征尚無(wú)較系統(tǒng)的分析。本研究對(duì)河南省小麥、玉米、花生、棉花、油料作物、蔬菜的虛擬水進(jìn)行時(shí)空方面的探討，對(duì)合理規(guī)劃布局河南省的糧食生產(chǎn)具有十分重要的指導(dǎo)意義。

1 計(jì)算方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 計(jì)算方法

采用FAO－56推薦的計(jì)算方法，選取冬小麥、夏玉米、花生、棉花、油料作物(芝麻、大豆和油菜籽)、蔬菜等農(nóng)作物進(jìn)行虛擬水計(jì)算(圖1)。計(jì)算的虛擬水量為作物在生長(zhǎng)發(fā)育期間的累積蒸發(fā)蒸騰水量。影響作物虛擬水量的因素主要包括作物生長(zhǎng)期間的氣溫、氣壓、風(fēng)速、濕度、水汽壓、日照時(shí)數(shù)、作物生育期、單位面積作物產(chǎn)量及作物總產(chǎn)量等。

圖1 虛擬水計(jì)算步驟Fig.1 Calculation of virtual water of crops

1.1.1 潛在蒸散量。潛在蒸散量是水循環(huán)、能量循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，是自然界保持水分平衡的最大需水量，它表示在一定氣象條件下水分供應(yīng)不受限制時(shí)某一固定下墊面可能達(dá)到的最大蒸散量。由于潛在蒸散量受多種因素影響，對(duì)它在較大區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)測(cè)存在一定困難。因此，通常都采用模型來(lái)估算。采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的修正的標(biāo)準(zhǔn)彭曼(Penman－Monteith)公式［16］計(jì)算潛在蒸散量，其公式為:

式中:E0為潛在蒸散量(mm/d);Δ為飽和水汽壓與溫度相關(guān)曲線的斜率(kPa/°C);Rn是作物表面的凈輻射量(MJ/m2);G是土壤熱通量(MJ·m－2·d－1);γ為濕度計(jì)常數(shù)(kPa/°C);T為平均氣溫(°C);U2為2 m高的風(fēng)速(m/s);ea是飽和水汽壓(kPa);ed是實(shí)測(cè)水汽壓(kPa);(ea－ed)是飽和水汽壓與實(shí)測(cè)水汽壓的差額。

模型中輻射項(xiàng)是以經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得來(lái)的，其準(zhǔn)確性取決于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的選取，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)往往只在特定地區(qū)有效，具有區(qū)域局限性。因此，根據(jù)經(jīng)輻射校正的FAO56－PM模型計(jì)算E0。校正后的凈輻射為［17］:

式中:δ為Stenfan－Boltzmann常數(shù)(4.903×10－9MJ·K－4·m－2·d－1);Tx，k和Tn，k分別為絕對(duì)溫標(biāo)的最高、最低氣溫(K);ea為飽和水汽壓;n為實(shí)際日照時(shí)數(shù)(h);N為可照時(shí)數(shù)(h);Rsa為晴天輻射(MJ/m2)。土壤熱通量G相對(duì)凈輻射而言很小，在日時(shí)間尺度上G≈0。

1.1.2 作物系數(shù)。作物系數(shù)以當(dāng)前一些研究者對(duì)河南省作物系數(shù)的研究結(jié)果為基礎(chǔ)［18－19］，對(duì)于沒(méi)有相關(guān)研究的作物參照FAO－56的數(shù)據(jù)，各種作物的相關(guān)參數(shù)、播種時(shí)間、收獲時(shí)間和全生育期天數(shù)為多年觀測(cè)的平均值［20－22］。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理方法

氣候數(shù)據(jù)為中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)1978—2013年的逐日氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)，作物單位面積產(chǎn)量及總產(chǎn)量來(lái)源于《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》(1999—2014)。

先獲取河南省19個(gè)氣象站點(diǎn)的經(jīng)緯度、高程、日最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)和平均水汽壓，計(jì)算出每個(gè)氣象站點(diǎn)每日的潛在蒸散E0，導(dǎo)入到Excel中，編寫(xiě)程序采用可視化界面分別輸入作物播種時(shí)間、每個(gè)發(fā)育期的天數(shù)及其對(duì)應(yīng)的作物系數(shù)計(jì)算得到單位面積作物需水量Wc，再根據(jù)作物單位面積產(chǎn)量及總產(chǎn)量即可計(jì)算出作物單位虛擬水含量及總虛擬水量。計(jì)算過(guò)程借助自編程序、修正的標(biāo)準(zhǔn)彭曼公式和Excel實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果分析

計(jì)算1978—2013年河南省不同類型的農(nóng)作物單位質(zhì)量虛擬水含量及虛擬水總量、2013年河南省各行政區(qū)主要農(nóng)作物單位質(zhì)量虛擬水含量表及虛擬水總量，在此基礎(chǔ)上，得到河南省各行政區(qū)域虛擬水分級(jí)圖。

2.1 主要農(nóng)作物虛擬水差異

某種農(nóng)作物的單位質(zhì)量虛擬水含量乘以該年作物總產(chǎn)量，即得到作物的虛擬水總量。虛擬水總量反映了某年生產(chǎn)該種作物的總體用水規(guī)模，計(jì)算了主要農(nóng)作物虛擬水量的多年平均值及其變異，以便更好地分析不同作物類型間用水的變化(表1)。河南省多年平均虛擬水量最高的為小麥，其多年平均值為233.8億m3，其次為玉米、蔬菜(包括葉類蔬菜和茄類)、棉花、花生、油料作物。2013年河南省主要農(nóng)作物所含的虛擬水總量為623.9億m3，其中小麥為304.8億m3，玉米為127.9億m3，蔬菜為95.5億m3，花生為39.1億m3，棉花為18.6億m3，它們占到主要作物虛擬水量的93.9%。

表1 河南省主要農(nóng)作物1978—2013年虛擬水總量?jī)|m3Tab.1 Total virtual water of the main crops in Henan Province from 1978 to 2013

2.2 單位質(zhì)量虛擬水含量的時(shí)間特征

根據(jù)圖1計(jì)算得到6種作物逐年的單位質(zhì)量虛擬水含量(全省每種作物單位面積作物需水量Wc為河南省氣象站點(diǎn)計(jì)算值的平均)(表2)。在農(nóng)作物類型中，棉花的單位質(zhì)量虛擬水量最高，多年平均為8 077.4 m3/t，特別是在1978，2003年，分別達(dá)到了18 945.1，14 020.1 m3/t，其次為油料作物、花生、小麥、玉米，單位質(zhì)量虛擬水含量最低的為蔬菜，多年平均僅為160 m3/t，但其值在12年間變化很小。除油料作物外其他農(nóng)作物在1978年單位質(zhì)量虛擬水含量最大，且基本趨勢(shì)表現(xiàn)為隨時(shí)間逐漸下降，主要因?yàn)樗修r(nóng)產(chǎn)品單位面積產(chǎn)量不斷提高。在農(nóng)作物單位質(zhì)量虛擬水含量隨時(shí)間下降的總體趨勢(shì)下，又表現(xiàn)為中間的波動(dòng)，1995—2013年中，2003年出現(xiàn)峰值，因?yàn)?003年河南省遭遇氣象災(zāi)害，幾乎所有農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量降低，其他時(shí)期表現(xiàn)為下降大趨勢(shì)下的小波動(dòng)，這些特征反映出的某種信息還需要進(jìn)一步探討。1978—2013年間，每種農(nóng)作物單位質(zhì)量虛擬水含量的變異系數(shù)值變化花生最大，達(dá)到0.62，蔬菜最小為0.20。由虛擬水計(jì)算公式分析，農(nóng)作物單位質(zhì)量虛擬水含量的差異取決于該作物全生育期的潛在蒸散量、作物系數(shù)及單位面積產(chǎn)量等因子。從計(jì)算數(shù)據(jù)分析可知，作物不同年際間全生育期內(nèi)潛在蒸散量變化不大，因此，其變異系數(shù)主要和作物單位面積產(chǎn)量密切相關(guān)，因此，提高作物單位面積產(chǎn)量是降低作物單位質(zhì)量虛擬水量的重要途徑。

表2 1978—2013年河南省主要農(nóng)作物單位質(zhì)量虛擬水含量m3/tTab.2 Virtual water of per unit about the main crops in Henan Province from 1978 to 2013

2.3 單位質(zhì)量虛擬水含量的空間特征

根據(jù)2013年河南省各行政區(qū)主要農(nóng)作物單位質(zhì)量虛擬水含量表，在GIS軟件中按照自然間斷點(diǎn)方法進(jìn)行分級(jí)，得出河南省內(nèi)區(qū)域間虛擬水含量的差異(圖2)。

2.3.1 小麥。小麥一直是河南省種植面積最大、產(chǎn)量最高的農(nóng)作物類型，2013年河南省小麥單位質(zhì)量虛擬水含量平均為722.5 m3/t，鄭州市最高為1 417 m3/t，其次為三門峽，周口市最低為667 m3/t，高于平均值的按大小依次為洛陽(yáng)、濟(jì)源、信陽(yáng)、平頂山、開(kāi)封、南陽(yáng)等。各地區(qū)之間的變異系數(shù)(Cv)值為0.25。從整體看，東部地區(qū)的周口、許昌、漯河較低，而黃河沿岸值偏大，向省南北兩側(cè)又逐漸減小。

圖2 河南省2013年農(nóng)作物單位質(zhì)量虛擬水含量分級(jí)Fig.2 Classification of virtual water of the per unit in Henan Province in 2013

2.3.2 玉米。玉米是河南省在種植面積和產(chǎn)量上僅次于小麥的農(nóng)作物，在農(nóng)業(yè)中也占有非常重要的地位，全省平均值為700 m3/t，其中最高值出現(xiàn)在三門峽為998.2 m3/t，其次為信陽(yáng)947.6 m3/t，高于全省平均值由高到低依次為鄭州、開(kāi)封，而平頂山、洛陽(yáng)、南陽(yáng)、濟(jì)源、駐馬店略高于平均值。最低為焦作，僅為571.6 m3/t，各地區(qū)之間的Cv值為0.19。從整體看，玉米虛擬水含量由西南向東北方向逐漸減少。

2.3.3 棉花。在所有農(nóng)作物類型中，棉花單位質(zhì)量虛擬水含量最高，全省平均值8 077.4 m3/t，是蔬菜的50.5倍，是小麥的7.6倍。最高鶴壁為9 912.6 m3/t，三門峽為9 123.3 m3/t，鄭州、濮陽(yáng)、平頂山、濟(jì)源高于平均值，其他市均低于平均值，最低的周口為5 547.1 m3/t，全省的Cv值為0.17。全省棉花的單位質(zhì)量虛擬水含量從東南向西北逐漸增加，周口、商丘一帶最低，西北除洛陽(yáng)外，值偏高。

2.3.4 花生?；ㄉ呛幽鲜〔シN面積最大、產(chǎn)量最多的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中占有重要地位。全省均值762.1 m3/t，濟(jì)源市最高為1 736 m3/t，三門峽為1 567.1 m3/t，其他高于平均值的依次為許昌、漯河、鄭州，最低值出現(xiàn)在周口，為709.4 m3/t，全省的Cv值為0.3，是所有農(nóng)作物中最大的，說(shuō)明其區(qū)域之間差異大，更需要根據(jù)單位質(zhì)量虛擬水含量來(lái)選擇優(yōu)勢(shì)地區(qū)。從整體看，花生單位質(zhì)量虛擬水含量為東南、中部、西北值較高，而西南、西北和東部地區(qū)值較低。

2.3.5 蔬菜。蔬菜在2006—2013年間單位面積產(chǎn)量和總產(chǎn)量一直居全省首位。2013年的單位面積產(chǎn)量為40 741 kg/hm2，蔬菜在所有農(nóng)作物類型中單位質(zhì)量虛擬水含量最低，全省平均值僅為131.7 m3/t，最高信陽(yáng)為181.9 m3/t，三門峽為165.9 m3/t，其他高于平均值的依次為鄭州、駐馬店、濟(jì)源、濮陽(yáng)、南陽(yáng)、漯河，最低的安陽(yáng)為109.9 m3/t，全省的Cv值僅為0.15，是差異最小的作物類型。從整體看，由西南向東北、由西向東逐漸降低。

2.3.6 油料作物(油菜籽、芝麻、大豆)。2013年，河南省花生產(chǎn)量471.4萬(wàn)t，這3種油料作物的產(chǎn)量189.6萬(wàn)t，前者為后者的2.5倍，2006—2010年間，基本也在2倍左右。單位質(zhì)量虛擬水含量全省均值為1 583.8 m3/t，鶴壁最高2 439.3 m3/t，信陽(yáng)為2 425.9 m3/t，其他高于均值的區(qū)域依次為鄭州、濟(jì)源、安陽(yáng)、駐馬店、三門峽，最低周口為1 164.6 m3/t，全省的Cv值為0.26。從整體來(lái)看，南部、北部值較大，而東部、中部值略小。把以上6種作物單位質(zhì)量虛擬水含量乘以其2013年的產(chǎn)量，得到2013年河南省虛擬水含量加權(quán)分級(jí)圖(圖3)，可以看出，第一等級(jí)區(qū)域?yàn)槿T峽、鄭州、信陽(yáng);第二等級(jí)為平頂山、洛陽(yáng)、濟(jì)源、開(kāi)封;第三等級(jí)為南陽(yáng)、駐馬店、新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽(yáng)、濮陽(yáng);第四等級(jí)為漯河;最低為許昌、周口、商丘、焦作。從整體看，西部、南部虛擬水含量高，而北部、東部虛擬水含量低。

圖3 2013年河南省虛擬水含量加權(quán)分級(jí)Fig.3 Weight classification of the virtual water in Henan Province in 2013

2.4 水資源總量與主要農(nóng)作物虛擬水總量

根據(jù)河南省水資源數(shù)據(jù)［23］和2013年各地區(qū)主要農(nóng)作物虛擬水總量，對(duì)比分析河南省各地市農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育需要的虛擬水總量與可利用的水資源總量之間的關(guān)系(表3)。河南省水資源總量地區(qū)分布不平衡，南陽(yáng)、洛陽(yáng)、信陽(yáng)、三門峽4市占河南省水資源總量的50%，即西部、南部水資源總量相對(duì)豐富，這也是6種主要農(nóng)作物單位質(zhì)量虛擬水含量相對(duì)較高的地區(qū)。但這4個(gè)地區(qū)2013年小麥總產(chǎn)量為全省的19%，玉米為全省總產(chǎn)量的15.9%，油料作物為35.5%，棉花為20.2%，水資源量的地區(qū)分布與農(nóng)作物產(chǎn)量地區(qū)分布之間不平衡［24］。表3中河南省只有洛陽(yáng)、平頂山、三門峽、濟(jì)源4個(gè)地區(qū)水資源總量大于該地區(qū)的農(nóng)作物虛擬水含量，而其他地區(qū)水資源總量則不能滿足農(nóng)作物需水的要求。說(shuō)明在河南省提高作物單位面積產(chǎn)量和水資源利用效率是解決目前整體缺水狀況的有效途徑。

表3 2013年河南省水資源總量與主要農(nóng)作物虛擬水量Tab.3 The total water resources and the total virtual water of the main crops of Henan Province in 2013

3 結(jié)論與討論

在研究的作物類型中，棉花的單位虛擬水含量多年平均最高，達(dá)到8 294.3 m3/t，其次為油料作物、花生、小麥、玉米和蔬菜。但每種作物單位質(zhì)量虛擬水含量有逐年降低的趨勢(shì)，期間有小的波動(dòng)，主要是受到農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量的影響，而單位面積產(chǎn)量易受氣象條件影響，所以，減少氣象災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)的影響、提高單位面積產(chǎn)量是降低農(nóng)產(chǎn)品單位質(zhì)量虛擬水含量的重要途徑。在空間分布上，6種作物單位質(zhì)量虛擬水之間及區(qū)域之間存在差異，從作物類型看，棉花的單位質(zhì)量虛擬水含量最高，其全省平均值是蔬菜的50.5倍，是小麥的7.6倍，是玉米的8.7倍。單從用水角度看，生產(chǎn)棉花相對(duì)于其他作物類型來(lái)講是不經(jīng)濟(jì)的。從區(qū)域間看，棉花單位質(zhì)量虛擬水含量最高的2個(gè)地區(qū)為鶴壁、三門峽，分別為9 919.6，9 129.4 m3/t，最低的是周口、商丘，分別為5 553.2，5 686.9 m3/t，即在周口種植棉花比在鶴壁種植每t可節(jié)約水4 366 t。小麥單位質(zhì)量虛擬水含量最低的2個(gè)地區(qū)為周口、許昌，這2個(gè)地區(qū)的小麥分別比最高的三門峽每t節(jié)約水695，634 t，即三門峽的單位質(zhì)量小麥耗水量是周口和許昌的2倍。玉米單位質(zhì)量虛擬水含量最低的為焦作、商丘，蔬菜單位質(zhì)量虛擬水含量最低的為安陽(yáng)、鶴壁，花生單位質(zhì)量虛擬水含量最低的為周口、商丘，油料作物單位質(zhì)量虛擬水含量最低的為周口、洛陽(yáng)。河南省水資源空間分布極其不平衡，從比較優(yōu)勢(shì)理論的角度來(lái)講，應(yīng)該從宏觀上調(diào)整河南省農(nóng)作物的空間布局，達(dá)到水資源的節(jié)約有效利用。

通過(guò)對(duì)河南省主要農(nóng)作物虛擬水量的時(shí)空分布格局探討，可以了解河南省主要農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育期間需水量的時(shí)空分布規(guī)律，辨析農(nóng)業(yè)需水的基本特征，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的合理布局及種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整提供理論依據(jù)。

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