三江平原糧食作物生產(chǎn)水足跡時空特征及影響因素

范 星,陳 彬

1 山東師范大學環(huán)境與生態(tài)研究院,濟南 250358 2 北京師范大學環(huán)境學院,環(huán)境模擬與污染控制國家重點實驗室,北京 100875

隨著人口增長和經(jīng)濟發(fā)展,水資源短缺和水質(zhì)惡化已成為影響區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要風險。水資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵物質(zhì)基礎(chǔ),同時農(nóng)業(yè)也是造成水資源短缺和水質(zhì)惡化問題的一個主要原因[1—2]。2019年農(nóng)業(yè)部門水資源使用量占中國用水總量的60%以上[3],《第二次全國污染源普查公報》表明,農(nóng)業(yè)污水氮排放量占中國污水總氮排放量的47%[4]。減輕農(nóng)業(yè)部門用水量和污水排放量來緩解水資源壓力是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。

水足跡是分析與人類活動或特定產(chǎn)品有關(guān)的水資源短缺和污染問題的一個良好指標[5]。水足跡概念由Hoekstra于2002年提出,是指個人、企業(yè)、地區(qū)或國家生產(chǎn)產(chǎn)品或者消費服務(wù)過程中消耗的水資源量[6]。農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡可據(jù)此定義為某個區(qū)域單位作物產(chǎn)量生產(chǎn)過程中消耗的水資源數(shù)量,包括綠水足跡、藍水足跡和灰水足跡,分別代表作物生長過程中消耗的有效降雨、灌溉的地表水和地下水以及稀釋污染物使其達標排放所需淡水[6]。水足跡拓寬了過去僅采用農(nóng)田灌溉用水量衡量農(nóng)業(yè)水資源消耗的傳統(tǒng)核算模式,量化了全過程中消耗的不同來源水資源和產(chǎn)生的水污染,為農(nóng)業(yè)用水綜合評價和用水管理提供了一個有效工具[7—8]。

當前已有不少學者對糧食主產(chǎn)區(qū)或農(nóng)業(yè)敏感區(qū)的主要糧食作物水足跡進行評估,包括對某一地區(qū)單種作物生產(chǎn)水足跡進行量化,或進行作物間及時間序列差異的比較,或在不同空間尺度上(如市、省或國家)研究糧食作物水足跡的空間分布特征[9—12]。研究農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡的時空變化規(guī)律,可以為水資源的合理利用和區(qū)域生態(tài)安全提供科學依據(jù)。但大多數(shù)水足跡評價研究只關(guān)注農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水量的利用(綠水和藍水足跡),缺乏對水質(zhì)影響(灰水足跡)的考量[13—14]；基于水足跡理論的水資源壓力評價也主要考慮藍水足跡,很少有研究同時將藍水足跡和灰水足跡納入分析[1,15]。評價農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對區(qū)域水資源可持續(xù)利用的影響,有必要同時從水“量”和水“質(zhì)”角度,兼顧區(qū)域水資源承載力和水環(huán)境承載力全面評估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對區(qū)域水資源的占用狀況[16]。此外,作物生產(chǎn)水足跡受多方面因素共同影響,而目前對水足跡的影響因素多為定性探討,或側(cè)重于對自然影響因素如日照時數(shù)、溫度、降雨、風速、相對濕度的分析[1,17—18],關(guān)于人為管理因素對糧食作物水足跡影響大小的定量研究仍然不足。

三江平原是我國重要的農(nóng)業(yè)區(qū)和商品糧生產(chǎn)基地,也是中國最大的淡水沼澤集中分布區(qū)之一。三江平原的生產(chǎn)和生態(tài)平衡對確保國家糧食安全和東北地區(qū)建設(shè)國家生態(tài)安全重要保障區(qū)目標的順利實現(xiàn)至關(guān)重要。該區(qū)域農(nóng)業(yè)部門使用的水量可占區(qū)域水資源消耗的90%以上[19],并在發(fā)展集約化生產(chǎn)提高糧食產(chǎn)量的同時帶來了嚴重的水體污染,例如三江平原撓力河流域農(nóng)場大量施用化肥和農(nóng)藥使得該流域河流及水庫氨氮、COD和Hg等污染物超標[20],水田化肥施用也是該流域淺層地下水氨氮污染的主要來源[21]。農(nóng)業(yè)用水嚴重威脅了濕地生態(tài)需水,二者的矛盾挑戰(zhàn)著三江平原水資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[22]。當前已有一些關(guān)于三江平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)藍、綠水或灰水足跡的研究,但缺乏時空尺度的精細刻畫,也缺乏管理因素剖析。本研究以三江平原為案例,分別在市級和縣級尺度核算糧食作物生長過程的綠水、藍水和灰水足跡,分析水足跡的時、空分布特征；同時考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水量和水質(zhì)的影響,通過計算水資源壓力指數(shù),評估農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對區(qū)域水資源的占用情況；分析影響研究區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡的自然和人為因素,并揭示水足跡響應(yīng)不同影響因素變化的敏感性,以期為維持該區(qū)域農(nóng)業(yè)用水供給的可持續(xù)性和濕地生態(tài)需水的穩(wěn)定性提供管理依據(jù)。

1 方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

三江平原位于中國黑龍江省東部(43°49′55″N—48°27′20″N、129°11′20″E—135°5′10″E)(圖1),是黑龍江、松花江、烏蘇里江匯流沖積形成的低平原,占黑龍江省總土地面積的21.5%,行政區(qū)域包括佳木斯市、雙鴨山市、鶴崗市、雞西市、七臺河市5個地級市以及牡丹江市所轄的穆棱縣和哈爾濱市所轄的依蘭縣,共計23個縣(市、區(qū))。該區(qū)域為溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風氣候,1月平均氣溫低于-18℃,7月平均氣溫為21—22℃,年降雨量為500—650 mm。水稻、玉米、大豆、小麥是三江平原四種主要農(nóng)作物,2015年這四種作物大約共占該區(qū)域總農(nóng)作物播種面積的97%,本研究即對這四種典型糧食作物生產(chǎn)水足跡進行量化分析。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Map of the study area

1.2 單位質(zhì)量糧食作物生產(chǎn)水足跡計算方法

糧食作物生產(chǎn)水足跡為綠水足跡、藍水足跡和灰水足跡之和。參考Hoekstra等提出的水足跡計算方法[6],生產(chǎn)單位糧食作物產(chǎn)品的綠水足跡(WFgreen,m3/kg)和藍水足跡(WFblue,m3/kg)計算公式為：

WFgreen= CWUgreen/Y

(1)

WFblue= CWUblue/Y

(2)

式中,CWUgreen(m3/hm2)和CWUblue(m3/hm2)分別為作物單位面積上的綠水和藍水消耗量。Y為作物單位面積產(chǎn)量(kg/hm2)。綠水消耗量等于整個生長期每日來自于降雨的蒸散發(fā)的累積；對于藍水消耗量,除了計算作物蒸散發(fā)中來自于灌溉水的部分,還根據(jù)史利潔等研究考慮進輸水和灌溉過程的表面蒸發(fā)[13],計算公式如下：

(3)

(4)

ETgreen=min (ETc,Pe)

(5)

ETblue=max (0,ETc-Pe)

(6)

式中,ETgreen(mm/d)、ETblue(mm/d)分別表示作物蒸發(fā)蒸騰中來自有效降雨和灌溉水的部分。10為轉(zhuǎn)換系數(shù),將單位由水深(mm)轉(zhuǎn)為單位陸地面積的水量(m3/hm2)。ETc為作物蒸發(fā)蒸騰量。Pe表示有效降雨量(mm/d),不包括因徑流和植物截留而損失的水量。n為作物一年生長天數(shù)。L為灌溉水輸配過程中的水面蒸發(fā)損失(m3/hm2)。

ETc計算公式如下：

ETc=Kc×ET0

(7)

式中,Kc為作物系數(shù),通過文獻調(diào)研獲得(表1)[23—24]。ET0(mm/d)為參考作物蒸發(fā)蒸騰量,根據(jù)FAO推薦的Penman—Monteith公式[25],使用國家氣象信息中心發(fā)布的三江平原站點氣象數(shù)據(jù),利用CROPWAT8.0軟件計算得到。

Pe由以下經(jīng)驗公式[26]計算得到：

(8)

式中,P表示日降雨量(mm/d),由月降雨量除以當月天數(shù)計算得到。

L計算公式為：

(9)

式中,η為灌溉水利用系數(shù)。假設(shè)黑龍江省農(nóng)田用水效率的逐年增長趨勢與可獲得的全國平均農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)近些年變化趨勢一致,利用獲得的黑龍江省個別年份農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)推算出該省2005—2018年歷年灌溉水利用系數(shù)(變化范圍為0.524—0.605)。α為水面蒸發(fā)占輸配水損失的比例,通常取5%[27]。

表1 三江平原四種主要糧食作物的生長期和作物系數(shù)

根據(jù)水足跡評價手冊[6],作物生產(chǎn)的灰水足跡(WFgrey,m3/kg)計算公式為：

(10)

式中,β為淋失率,即進入水體的污染量占總化學物質(zhì)施用量的比例；AR為化學物質(zhì)施用率(kg/hm2)；cmax為水體的最大污染物容許濃度(kg/m3)；cnat為污染物的自然本底濃度(kg/m3)。

在農(nóng)業(yè)部門,一般認為化肥施用是主要污染源,氮和磷是主要污染物質(zhì),因此分別計算了稀釋氮和磷污染所需水量,并由二者中最大值決定灰水足跡。黑龍江省化肥氮和磷的淋溶/徑流損失率分別為19.2%和1.2%[28]。對于化肥施用率,本研究基于統(tǒng)計年鑒收集到的市級所有作物總施肥量數(shù)據(jù)和張宇等采用的分配方法[29],將《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》(2006—2019)獲得的各種作物單位面積施肥率數(shù)據(jù)進行校準,使得到的主要施肥作物(水稻、玉米、大豆、小麥)的施肥量加和等于市級總施肥量統(tǒng)計值。水體中最大氮、磷容許濃度根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)中V類水質(zhì)標準閾值確定,即氮和磷的cmax取值分別為0.002 kg/m3和0.0004 kg/m3。對于氮和磷的自然本底濃度,本研究假設(shè)該值為0[6]。經(jīng)計算,化肥氮的水體排放量決定了灰水足跡。

三江平原水稻主要產(chǎn)于灌溉農(nóng)業(yè)系統(tǒng),玉米、小麥和大豆則主要產(chǎn)于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)[30]。因此,本研究中水稻的生產(chǎn)水足跡包括綠水足跡、藍水足跡和灰水足跡,而小麥、玉米和大豆的生產(chǎn)水足跡則為綠水足跡和灰水足跡之和。

1.3 區(qū)域糧食作物水足跡總量及綜合糧食作物生產(chǎn)水足跡計算方法

某區(qū)域生產(chǎn)單位質(zhì)量作物產(chǎn)品的水足跡與該區(qū)域內(nèi)該種作物總產(chǎn)量的乘積為區(qū)域作物水足跡,表示區(qū)域生產(chǎn)該種作物產(chǎn)品所消耗的水資源總量。某地區(qū)所有糧食作物生產(chǎn)水足跡總量加和后再除以該地區(qū)的糧食總產(chǎn)量,得到該地區(qū)單位糧食生產(chǎn)的平均水足跡,即綜合糧食作物生產(chǎn)水足跡,以綜合衡量該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水資源利用狀況[13]。綜合糧食作物生產(chǎn)水足跡(IWFj,m3/kg)計算公式如下：

(11)

式中,WFi,j(m3/kg)為地區(qū)j的單位質(zhì)量作物i生產(chǎn)水足跡。Pi,j(kg)為地區(qū)j作物i的總產(chǎn)量。

1.4 水資源壓力指數(shù)計算方法

本研究將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所占用的地表或地下水資源量(藍水足跡和灰水足跡)與該區(qū)域水資源總量(WR)的比值定義為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的水資源壓力指數(shù)(WSI, Water stress index),其計算公式為：

(12)

水資源壓力原本定義為一個國家或地區(qū)生活、生產(chǎn)需要消耗的地表或地下水資源量占該地區(qū)水資源總量的比重[31]。由于三江平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是主要用水部門,本研究只計算了三江平原主要糧食作物用水對當?shù)厮Y源的占用,同時,本研究依然參考水資源壓力閾值的經(jīng)驗劃分來衡量各地市的水資源壓力。根據(jù)《中國生態(tài)足跡報告2010》,當水資源壓力指數(shù)大于100%時為重度壓力；當水資源壓力指數(shù)大于40%、小于100%時為高度壓力；當水資源壓力指數(shù)大于20%、小于40%時為中度壓力；當水資源壓力指數(shù)大于5%、小于20%時為輕度壓力；當水資源壓力指數(shù)小于5%時則基本不存在水資源壓力。

1.5 水足跡影響因素敏感性分析

本研究根據(jù)水足跡計算過程,提取降雨量、灌溉水利用效率、化肥施用量、糧食種植結(jié)構(gòu)和作物單產(chǎn)水平作為水足跡的主要影響因素。然后基于情景分析法,以三江平原2015年糧食作物生產(chǎn)水足跡總量現(xiàn)狀為基準,評估在其他條件不變的情況下,這些影響因素分別調(diào)整(增加或降低)10%的水平后水足跡總量的變化幅度,來比較水足跡響應(yīng)這些因素的敏感性大小。這些情景包括：(1)作物生育期降雨量增加10%；(2)灌溉水利用系數(shù)提高10%；(3)各種作物的單位面積化肥施用率均減少10%；(4)水田面積的10%轉(zhuǎn)換為旱田,基于食物可替代性原則,減少的水田轉(zhuǎn)為小麥種植；(5)各種作物單產(chǎn)水平均提高10%。

1.6 數(shù)據(jù)來源

地級市和縣級農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)(如作物播種面積、產(chǎn)量、施肥量等)以及各地市歷年的水資源總量數(shù)據(jù)來源于《黑龍江統(tǒng)計年鑒》(2006—2019)和2016年各市統(tǒng)計年鑒。氣象數(shù)據(jù)(如降雨、氣溫、風速等)來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。水足跡計算中使用到的參數(shù)如作物系數(shù)、淋溶率等來源于文獻調(diào)研。由于數(shù)據(jù)可得性,時間動態(tài)上我們獲取三江平原主要五個地市(共21個縣)的歷年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)和降雨數(shù)據(jù),計算這五個地市在2005—2018年的糧食生產(chǎn)水足跡,利用回歸分析判斷水足跡時間變化趨勢,統(tǒng)計顯著性水平α=0.05。在空間分布上,以2015年為例,獲取了五個地級市以及牡丹江市所轄的穆棱縣和哈爾濱市所轄的依蘭縣,共計23個縣(市、區(qū))的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù),分別在市級和縣級水平計算糧食作物生產(chǎn)水足跡。

2 研究結(jié)果

2.1 三江平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡時間動態(tài)(2005—2018)

三江平原及各市的四種主要糧食作物單位質(zhì)量水足跡均在不同年份間波動,但隨時間變化沒有顯著的增加或降低趨勢(表2),這是氣候因素、灌溉技術(shù)、施肥率和單產(chǎn)水平等多因素在年際間波動所共同作用的結(jié)果。不同糧食作物單位質(zhì)量的水足跡差異較大,其中大豆單產(chǎn)水平最低,其單位質(zhì)量水足跡最高,歷年均值為3.64 m3/kg(三江平原五市綜合平均)；其次是小麥單產(chǎn)水平較低,其單位質(zhì)量水足跡歷年均值為2.04 m3/kg；水稻和玉米單產(chǎn)近似,但水稻主要產(chǎn)于灌溉農(nóng)業(yè)系統(tǒng),其生產(chǎn)水足跡不僅包括綠水和灰水,還包括藍水,其單位質(zhì)量水足跡歷年均值為1.92 m3/kg；玉米單位質(zhì)量水足跡最小,歷年均值為1.72 m3/kg。

表2 2005—2018年三江平原五地市單位質(zhì)量糧食作物生產(chǎn)水足跡/(m3/kg)

三江平原糧食生產(chǎn)水足跡總量在這一時期呈顯著增長態(tài)勢(圖2),從2005年到2018年增長了大約0.9倍,這一增長主要與糧食總產(chǎn)量變化和化肥施用量不斷增加有關(guān)。從作物類型來看,水稻和玉米的水足跡總量在這一時間段內(nèi)不斷增加,而大豆和小麥的水足跡總量不斷減少,這與該區(qū)域4種主要糧食作物產(chǎn)量的時間變化趨勢相一致。從地市來看,五個主要地市的糧食作物水足跡在2005—2018年間總體上均呈現(xiàn)顯著增長趨勢；但各市的相對份額基本保持穩(wěn)定,其中佳木斯市在五市糧食作物生產(chǎn)水足跡總量中份額最大,占一半左右,其次是雞西市和雙鴨山市,共占五市總量的三分之一。從用水來源來看,該時期糧食作物生長過程的綠水、藍水和灰水足跡均顯著增長。糧食播種面積增加是綠水足跡增長的主要原因,其中水稻播種面積的擴大又導致藍水足跡增長,而化肥施用量的不斷增多是糧食生產(chǎn)灰水足跡增長的主要原因。各來源水足跡的相對份額隨年份波動,但沒有顯著變化趨勢,其中灰水足跡占比最大(58%—71%,平均64%),其次是綠水(21%—38%,平均28%),藍水足跡占比最小(4%—11%,平均8%)。

圖2 2005—2015年三江平原五地市糧食作物產(chǎn)量、播種面積、施肥量和水足跡總量Fig.2 The production, sown area, nitrogen fertilizer usage and water footprint of main crops of the five cities in the Sanjiang Plain from 2005 to 2015

2.2 三江平原2015年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡空間分布

三江平原糧食作物生產(chǎn)水足跡有明顯的空間差異。在地級市水平,2015年糧食作物生長過程水足跡最高的佳木斯市(166.1×108m3)是水足跡最小的七臺河市(23.2×108m3)的7倍(圖3)。其他三個地級市的水足跡從高到底依次為：雙鴨山市42.6×108m3,雞西市42.5×108m3,鶴崗市26.5×108m3。此外,哈爾濱市下轄的依蘭縣糧食生產(chǎn)水足跡為32.0×108m3,牡丹江市下轄的穆棱縣為8.7×108m3。我們通過將各地市(及兩個縣)的糧食作物生產(chǎn)水足跡總量除以該地區(qū)的糧食總產(chǎn)量,得到各地市(或縣)的綜合糧食作物生產(chǎn)水足跡。綜合糧食作物生產(chǎn)水足跡是一個地區(qū)各種糧食作物生產(chǎn)水足跡的加權(quán)平均,因此,除了作物單產(chǎn)水平、降雨量、灌溉水利用效率、化肥施用率等因素外,該地區(qū)的作物種植結(jié)構(gòu)也影響其綜合糧食作物生產(chǎn)水足跡。2015年鶴崗市和七臺河市的綜合糧食作物生產(chǎn)水足跡最高,分別為2.57 m3/kg和2.47 m3/kg(圖3),主要因為這兩個地市有較高的降雨量和化肥施用率,此外,鶴崗市以水稻為主的種植結(jié)構(gòu)還消耗更多藍水。但由于糧食總產(chǎn)量少,鶴崗市和七臺河市的總作物水足跡共占三江平原總量的15%。穆棱縣(牡丹江市)和依蘭縣(哈爾濱市)的綜合糧食作物生產(chǎn)水足跡均為2.13 m3/kg,其總作物水足跡占三江平原總量的12%。佳木斯市的綜合糧食作物生產(chǎn)水足跡為1.96 m3/kg,糧食總產(chǎn)量最多,其總作物水足跡占三江平原總量的47%。雙鴨山市和雞西市的綜合作物生產(chǎn)水足跡最低,分別為1.53 m3/kg和1.38 m3/kg,較低的降雨量和化肥施用率分別是雞西市和雙鴨山市綜合作物生產(chǎn)水足跡低的主要原因。但這兩個地市的糧食總產(chǎn)量不低,因此總作物水足跡共占三江平原總量的26%。

圖3 2015年三江平原各地區(qū)糧食作物總產(chǎn)量和綜合作物生產(chǎn)水足跡Fig.3 Crop production and water footprint of integrated crop production for each district in the Sanjiang Plain in 2015

在縣級尺度,富錦市、依蘭縣和樺南縣是糧食生產(chǎn)水足跡熱點地區(qū)(圖4),這三個產(chǎn)糧大縣共占2015年三江平原糧食生產(chǎn)水足跡總量(341.6×108m3)的32%。其中富錦市綜合糧食作物生產(chǎn)水足跡接近23縣平均水平,但該市擁有最高的耕地面積和糧食總產(chǎn)量,從而綠水、藍水和灰水足跡均為研究區(qū)最高值。23縣水足跡的相關(guān)分析也表明糧食生產(chǎn)水足跡總量與綜合作物水足跡無顯著相關(guān)關(guān)系,而與糧食生產(chǎn)總量密切相關(guān)。具體地,從不同用水來源看,2015年三江平原23個縣主要糧食作物生長過程的綠水足跡為80.9×108m3,其中富錦市、樺南縣、密山市、虎林市和依蘭縣是最高的5個縣(或縣級市),占三江平原總綠水足跡的41%。三江平原糧食作物生長過程的藍水足跡為31.1×108m3,富錦市、撫遠縣、樺南縣、依蘭縣和樺川縣是最高的5個縣,占該區(qū)域總藍水足跡的51%。三江平原糧食作物生長過程的灰水足跡為229.6×108m3,富錦市、依蘭縣、樺南縣、樺川縣、撫遠縣是最高的5個縣,占該區(qū)域總灰水足跡的45%。

圖4 2015年三江平原23縣糧食作物生產(chǎn)水足跡空間分布/(×108 m3)Fig.4 Spatial distribution map of water footprint of main crops production in each county of the Sanjiang Plain in 2015

2.3 三江平原水資源壓力

從時間來看,整個三江平原及主要地市雖然糧食總產(chǎn)量逐年增加,但水資源壓力隨時間波動而沒有顯著的增加或降低趨勢(圖5),這可能與種植結(jié)構(gòu)改變,當?shù)厮Y源和降雨量年際變化以及灌溉用水效率不斷提高有關(guān)。2011年三江平原水資源壓力為歷年最高,主要與當年較高的糧食產(chǎn)量和較少的降雨量有關(guān)。降雨量少會導致更多作物用水需要從地下水或地表水獲取。

圖5 三江平原各地市及三江平原五市總體的歷年水資源壓力(上、下圖分別為只考慮藍水足跡和藍、灰水足跡同時考慮計算得到的WSI)Fig.5 Water stress index of the five cities in the Sanjiang Plain from 2005 to 2018

從空間分布來看,各地市地下水、地表水資源量分布不均,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)分布不均,因此各地市間水資源壓力有較大差異。佳木斯市的地下和地表水資源量最多,但同時也生產(chǎn)了最多的糧食產(chǎn)量。比較來看,該市的水資源擁有量份額與消耗量份額不匹配,即在三江平原五個地市中,佳木斯市以30%左右的水資源擁有量生產(chǎn)了一半左右的糧食總產(chǎn)量,因此,佳木斯市的水資源壓力最高。當只考慮糧食生產(chǎn)藍水足跡,佳木斯在研究期間大多數(shù)年份表現(xiàn)為中度水資源壓力,并在2011年和2014年出現(xiàn)了高度水資源壓力,當同時考慮藍水和灰水足跡,佳木斯在整個研究期間都表現(xiàn)為重度水資源壓力,即糧食生產(chǎn)超出了當?shù)厮Y源和水環(huán)境承受能力。當同時考慮藍水和灰水足跡,七臺河市在研究期的大多數(shù)年份中也表現(xiàn)為重度水資源壓力；與之相反,鶴崗市歷年水資源擁有量占三江平原五市總量的16%—30%,卻僅產(chǎn)出了7%左右的糧食產(chǎn)量,因此鶴崗市的水資源壓力最低。

2.4 三江平原主要糧食作物生長過程水足跡影響因素與敏感性分析

水資源消耗量受氣候因素和人類活動的雙重影響。通過比較當各影響因素提高或降低10%后的糧食作物生長過程水足跡總量變化,分析水足跡響應(yīng)各因素的敏感性,為下一步緩解水資源壓力提供科學依據(jù)。以三江平原2015年糧食作物生產(chǎn)水足跡總量為基準情景,當降雨量增加10%,則灰水足跡不變,綠水足跡增加,藍水足跡減少,總水足跡提高1.0%(表3)。當灌溉水利用效率提高10%,則綠水和灰水足跡不變,藍水足跡減少,總水足跡降低0.1%。灌溉水利用效率對水足跡影響較小,是因為水足跡計算沒有考慮水渠和管道等農(nóng)業(yè)水利設(shè)施的滲漏損失(通常認為滲漏量返回原流域),而只考慮了輸送水的表面蒸發(fā)損失。較高的灌溉水利用效率會減少水源地的水資源抽取量,繼而減少輸水和灌溉過程中表面蒸發(fā)損失量。當四種主要糧食作物的化肥施用量均減少10%,則綠水和藍水足跡不變,灰水足跡減少,總水足跡減少6.7%。由于這里沒有考慮施肥率降低對氮素淋失率的影響,所以結(jié)果可能存在一定程度的低估。當將水田面積的10%改為旱田(小麥),則綠水、藍水和灰水足跡均有所減少,總水足跡減少2.5%,值得注意的是,在該情景中,糧食總產(chǎn)量會減少1.8%。當四種主要糧食作物的單產(chǎn)均提高10%,并保持糧食總產(chǎn)量不變,則綠水、藍水和灰水足跡都有所減少,總水足跡會減少9.1%?？偖a(chǎn)量不變、單產(chǎn)提高也會使9.1%的耕地面積被釋放出來,這些土地可通過退耕還濕用于三江平原濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和生境保護?？偟膩砜?藍水足跡對種植結(jié)構(gòu)的變化最敏感,灰水足跡對化肥施用量的變化最敏感,總水足跡對作物單產(chǎn)水平變化最敏感。若綜合所有人為管理措施,在各項措施達到10%的改善幅度下,藍水和灰水足跡可分別減少20%左右,總水足跡減少約17%。

表3 不同參數(shù)設(shè)置下2015年三江平原主要糧食作物生產(chǎn)水足跡/(×108 m3)

3 討論

作為當前國家重要的商品糧基地,三江平原自20世紀中期以來農(nóng)田開墾和水田面積擴張程度劇烈,給濕地保護和水資源可持續(xù)利用都帶來了巨大挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計,三江平原濕地面積在近二十年間減少一半左右,本研究發(fā)現(xiàn)的藍水和灰水足跡熱點地區(qū)如富錦市、撫遠縣、樺川縣等即是這二十年間土地利用類型從濕地到農(nóng)田轉(zhuǎn)變程度最嚴重的地區(qū)[32]。

三江平原水田擴張造成糧食生產(chǎn)藍水足跡從2005到2018年大約增加了1.5倍(圖2)。本研究計算得到的水稻單位產(chǎn)量藍水足跡歷年均值(0.41 m3/kg)與已有研究中黑龍江省水稻藍水足跡(2005—2017年歷年均值0.46 m3/kg)[33]以及吉林省水稻藍水足跡(2005—2012年歷年均值0.40 m3/kg)[34]相近。由于忽略了非水稻作物的灌溉需求,本研究計算的糧食生產(chǎn)藍水足跡總量相對保守,其對區(qū)域水資源占用比例較低。僅考慮糧食生產(chǎn)藍水足跡,會得出三江平原及各地市在大多數(shù)年份屬于輕度水資源壓力或不存在水資源壓力的樂觀結(jié)果。實際上,農(nóng)業(yè)灌溉用水除了滿足蒸散發(fā)需求,還要考慮土壤滲漏損失,尤其是水田在生長期間需要維持一定水層深度,田間滲漏損失約2—6 mm/d,而水足跡計算通常不考慮田間滲漏損失[35]。而且值得注意的是,水田的灌溉用水大部分來自地下水,藍水足跡熱點地區(qū)如富錦市和撫遠縣的地下水位已出現(xiàn)多年持續(xù)下降趨勢,局部地區(qū)形成下降漏斗[19,36],因此,三江平原糧食生產(chǎn)帶來的地下水資源壓力不容樂觀。

糧食生產(chǎn)的灰水足跡和化肥施用量呈正比關(guān)系,而化肥施用量和糧食播種面積、種植結(jié)構(gòu)及化肥施用率有關(guān),雖然總的糧食播種面積在2009年以后變化不大,但施肥率少的小麥和大豆逐漸被施肥率高的玉米和水稻種植所取代,導致灰水足跡總量逐年增加,從2005年到2018年增長將近1倍。相比于水量使用,糧食生產(chǎn)帶來的水質(zhì)污染對三江平原水資源的影響更大,當同時考慮藍水和灰水足跡,糧食生產(chǎn)給三江平原水資源造成高度甚至重度壓力。其中佳木斯市和七臺河市的水資源壓力最大,這些地區(qū)應(yīng)首先控制高水足跡作物的繼續(xù)擴張,適水種植、量水生產(chǎn)。通過在區(qū)域尺度優(yōu)化糧食種植的空間布局來提高水資源和耕地匹配程度、緩解局部過高水資源壓力。更重要的,是通過農(nóng)業(yè)管理優(yōu)化和生產(chǎn)技術(shù)改善提高資源利用效率、減少水消耗和污染排放。

根據(jù)Hu等用降尺度辦法估算出的中國及各省大農(nóng)業(yè)部門(包括作物和動物產(chǎn)品生產(chǎn))藍水足跡和水體氮排放安全操作空間(或稱行星邊界),黑龍江省大農(nóng)業(yè)部門應(yīng)將藍水足跡和水體氮排放分別減少88%和95%[37]。安全操作空間代表了確保地球系統(tǒng)穩(wěn)定性或區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境限制,可用于指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理。要達到如此大幅度藍水和灰水足跡削減目標,必須增強管理力度并且多措并舉。作物單產(chǎn)水平可通過水、肥優(yōu)化管理和作物優(yōu)良品種的選培技術(shù)來提高[38]。黑龍江致力于發(fā)展農(nóng)業(yè)強省,近些年中低產(chǎn)田改造、高標準農(nóng)田建設(shè)和種質(zhì)資源優(yōu)化政策不斷推進,為提高作物單產(chǎn)水平提供了政策保障。推行測土配方施肥技術(shù)能在不降低產(chǎn)量的同時減少化肥施用率和淋溶損失率、提高作物的化肥利用率,從而降低灰水足跡[39]。隨著農(nóng)業(yè)部于2015年頒布的《到2020年化肥使用量零增長行動方案》的實施,一些地區(qū)化肥減量已初見成效。通過種植結(jié)構(gòu)調(diào)整將高需肥作物改為低需肥作物也能減少化肥施用量,例如十三五期間黑龍江籽粒玉米調(diào)減和大豆補貼政策使大豆面積有所回升,玉米面積有所減少,從而降低了部分化肥需求。稻改旱的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整策略也有助于減少藍水足跡,但這需要配合消費端飲食偏好的轉(zhuǎn)變。推進渠道防滲和田間灌溉工程標準化建設(shè),例如低壓管道輸水灌溉技術(shù),能減少滲漏和蒸發(fā)損失,提高灌溉水利用效率,減少藍水足跡。然而按照當前的提升速度[3],大約需要10年能將灌溉水利用效率提高10%,而且三江平原目前已有9個縣被水利部評為節(jié)水型社會建設(shè)達標縣,進一步提高灌溉水利用效率難度加大。因此,綜合水足跡減少效果和實施可行性,提高作物單產(chǎn)水平和減少農(nóng)業(yè)化肥施用應(yīng)被優(yōu)先考慮納入?yún)^(qū)域水資源可持續(xù)管理中,其次是優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)及空間布局。灌溉水利用效率提高應(yīng)結(jié)合集雨補灌、覆蓋保墑等技術(shù)促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)水增效。另外,在藍水資源利用過程中還應(yīng)注意合理配置地表水和地下水,充分利用三江平原地表水資源,限制和減少地下水開采,緩解地下水資源壓力。

4 結(jié)論

本文通過分析三江平原四種主要糧食作物生產(chǎn)水足跡的時空特征,揭示了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的區(qū)域水資源壓力,并評估了自然和人為因素改善對水足跡的減少潛力,得到以下主要結(jié)論。

(1)三江平原糧食作物單位質(zhì)量水足跡從高到底排序為：大豆、水稻、小麥、玉米。三江平原糧食生產(chǎn)水足跡總量在2005—2018年間呈增加態(tài)勢。從作物類型來看,水稻和玉米的水足跡總量不斷增加,而大豆和小麥的水足跡總量不斷減少。從用水來源來看,綠水、藍水和灰水足跡均顯著增長,但在水足跡總量中的占比基本不變。

(2)三江平原23縣2015年主要糧食作物生產(chǎn)水足跡為341.6×108m3,其中綠水、藍水和灰水足跡分別為80.9×108m3、31.1×108m3和229.6×108m3。在市級尺度,佳木斯市作物水足跡總量最高,占三江平原總量的47%,在縣級尺度,富錦市、依蘭縣和樺南縣是糧食生產(chǎn)水足跡熱點地區(qū)。

(3)三江平原糧食生產(chǎn)帶來的水資源壓力在2005—2018年間隨時間波動而沒有顯著增加或降低趨勢,同時考慮藍水和灰水足跡,大多數(shù)年份中呈現(xiàn)重度水資源壓力。各地市間水資源壓力有較大差異,佳木斯市水資源壓力最高,鶴崗市水資源壓力最低。

(4)降雨量、灌溉水利用效率、化肥施用量、糧食種植結(jié)構(gòu)和作物單產(chǎn)水平等都會影響糧食作物生產(chǎn)水足跡。其中水足跡響應(yīng)作物單產(chǎn)水平變化的敏感性最高,當四種主要糧食作物單產(chǎn)水平均提高10%,并保持糧食總產(chǎn)量不變,則總水足跡會減少9.1%。降雨量增加10%、灌溉水利用效率提高10%、化肥用量減少10%以及10%的水旱田面積轉(zhuǎn)換則分別可使水足跡總量減少-1.0%、0.1%、6.7%和2.5%。