基于AquaCrop模型江蘇農(nóng)業(yè)用水效率多因素分析

付梁其，何曉靜，李勛章，胡騰騰，劉飛詩

（1.江蘇先行建設(shè)有限公司，江蘇 常州 213100；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局常州分局，江蘇 常州 213100；3.常州市金壇區(qū)水資源管理服務(wù)中心，江蘇 常州 213200；4.常州市金壇區(qū)水利建設(shè)管理所，江蘇 常州 213200；5.江蘇遠(yuǎn)瀚建筑設(shè)計(jì)有限公司，江蘇 常州 213000）

灌溉和糧食生產(chǎn)用水需求是淡水資源面臨的最大壓力之一，資料顯示全球農(nóng)業(yè)每年消耗大約70%的淡水量［1］。另一方面，全球只有大約17%的農(nóng)田得到灌溉，而這些農(nóng)田為全世界提供了40%的食物［2］。在許多發(fā)展中國(guó)家，不斷增長(zhǎng)的灌溉需求、不斷增加的人口和有限的管理水平對(duì)水資源的分配造成了越來越大的壓力。為了維持農(nóng)業(yè)的可持續(xù)用水和確保糧食安全，需要大幅度提高農(nóng)業(yè)用水效率，需要更有效的灌溉方法，使得農(nóng)田的用水量減少30%～70%，并使作物產(chǎn)量提高20%～90%［3］。目前，眾多研究聚焦于作物生產(chǎn)用水的有效規(guī)劃和農(nóng)田管理方案的優(yōu)化。如，李英能［4］指出，提高灌溉用水效率有兩種方法：減少輸送用水損失，以及改善植物用水。對(duì)于這兩種途徑，學(xué)者們開展的改進(jìn)研究涉及了多種主題，如流程鏈［5］、灌溉優(yōu)化［6-7］、肥料和種植頻率［8］、灌溉制度［9］、種植管理［10］。再如，為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化灌溉管理以避免不必要的水資源浪費(fèi)，許多學(xué)者使用作物水生產(chǎn)力模型（糧農(nóng)組織模型-AquaCrop）估算作物的凈灌溉和用水需求［11］。在此基礎(chǔ)上，為了幫助解決人口增長(zhǎng)和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展造成的缺水問題，學(xué)者們采用了多種統(tǒng)計(jì)分析方法來檢驗(yàn)和調(diào)查農(nóng)業(yè)水資源的各個(gè)方面［12-14］，包括頭尾計(jì)算法、DEA模型、MALMQUIST指數(shù)模型、城市化驅(qū)動(dòng)下的用水變化的完全分解模型、投影尋蹤分類模型。

江蘇省是我國(guó)的農(nóng)業(yè)大省，其農(nóng)業(yè)用水占全省用水總量的一半以上，而農(nóng)業(yè)用水中90%的用水都消耗于農(nóng)田灌溉。近些年來，江蘇省的水利事業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)，江蘇省水利廳系統(tǒng)部署水利改革發(fā)展方向，對(duì)農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)、農(nóng)業(yè)用水效率、糧食安全等方面提出更高要求。因此，當(dāng)前江蘇省農(nóng)業(yè)用水利用率的研究對(duì)于實(shí)施最嚴(yán)格的水資源管理制度、促進(jìn)水資源的高效利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在農(nóng)業(yè)用水方面的豐富理論成果和實(shí)踐基礎(chǔ)，本文綜合多方面研究觀點(diǎn)，以水資源科學(xué)管理為目的，綜合多種因素來分析江蘇省的農(nóng)業(yè)用水效率影響因素，從而找出其中的關(guān)鍵因素。

1 材料與方法

1.1 AquaCrop作物-水生產(chǎn)力模型

AquaCrop是由糧農(nóng)組織土地和水資源司開發(fā)的作物水生產(chǎn)力模型。它模擬產(chǎn)量對(duì)水的響應(yīng)，特別適合解決水是作物生產(chǎn)的關(guān)鍵限制因素的情況。AquaCrop執(zhí)行每日水平衡，包括所有進(jìn)出水通量（滲透、徑流、深層滲透、蒸發(fā)和蒸騰）以及土壤含水量的變化。水分虧缺對(duì)作物的影響通過4個(gè)脅迫響應(yīng)系數(shù)表示，這些系數(shù)是根區(qū)總可用水（田間持水量和永久枯萎點(diǎn)之間的土壤體積）的消耗分?jǐn)?shù)的函數(shù)。這4個(gè)系數(shù)分別用于葉片生長(zhǎng)、氣孔導(dǎo)度、冠層衰老和授粉失敗，每個(gè)系數(shù)都對(duì)水分脅迫敏感?？墒斋@產(chǎn)量由累積生物量和收獲指數(shù)（IH）計(jì)算，收獲指數(shù)在開花開始后隨時(shí)間增加［15］。對(duì)水的產(chǎn)量響應(yīng)描述了作物產(chǎn)量與由于生長(zhǎng)期間降雨或灌溉供水不足而導(dǎo)致的水分脅迫之間的關(guān)系。經(jīng)驗(yàn)生產(chǎn)函數(shù)評(píng)估對(duì)水的產(chǎn)量響應(yīng)公式如下：

式中：Yx和Y分別為最大產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量，（1-Y/Yx）表征相對(duì)產(chǎn)量下降；ETx和ET為最大蒸散量和實(shí)際蒸散量，（1-ET/ETx）表征相對(duì)水分脅迫；Ky表征相對(duì)產(chǎn)量下降和蒸散量相對(duì)減少的比例因子。AquaCrop的計(jì)算過程：

（i）實(shí)際蒸散量（ET）分為土壤蒸發(fā)量（E）和作物蒸騰量（Tr）：

ET分離為土壤蒸發(fā)和作物蒸騰作用避免了非生產(chǎn)性消耗性用水（土壤蒸發(fā)）的混雜效應(yīng)。這一點(diǎn)很重要，尤其是當(dāng)季節(jié)早期地面覆蓋不完整或由于種植稀疏時(shí)。

（ii）最終產(chǎn)量Y轉(zhuǎn)化為生物量（B）和收獲指數(shù)：

上式將產(chǎn)量分為生物量和收獲指數(shù)，可以將相應(yīng)的功能關(guān)系劃分為對(duì)環(huán)境條件的響應(yīng)。它們的分離避免了水分脅迫對(duì)B和IH的混雜影響。B由下式確定：

式中：Tr為作物蒸騰作用；PW為水生產(chǎn)力參數(shù)。

要運(yùn)行AquaCrop，必須收集4個(gè)主要模型域的輸入數(shù)據(jù)，即氣候、土壤、作物和管理。在圖1中總結(jié)了模型結(jié)構(gòu)、輸入?yún)?shù)和主要處理步驟的概述。AquaCrop與其他作物模型相比，其特色在于：聚焦于水；使用冠層覆蓋代替葉面積指數(shù)；使用針對(duì)大氣蒸發(fā)需求和CO2濃度標(biāo)準(zhǔn)化的水生產(chǎn)力值，使模型具有對(duì)不同地點(diǎn)、季節(jié)和氣候（包括未來氣候情景）的擴(kuò)展外推能力；參數(shù)數(shù)量相對(duì)較少；輸入數(shù)據(jù)只需要明確的和最直觀的參數(shù)和變量；完善的用戶界面；在準(zhǔn)確性、簡(jiǎn)單性和穩(wěn)健性之間取得了相當(dāng)大的平衡；適用于現(xiàn)有的各種農(nóng)業(yè)系統(tǒng)；該模型從生理學(xué)和農(nóng)藝學(xué)的角度強(qiáng)調(diào)了作物生產(chǎn)力和對(duì)缺水反應(yīng)的基本過程。

圖1 AquaCrop模型結(jié)構(gòu)、輸入?yún)?shù)和主要處理步驟概述

1.2 江蘇省農(nóng)業(yè)用水多因素回歸分析

在AquaCrop模型的基礎(chǔ)上，本研究可獲得江蘇省農(nóng)業(yè)水資源利用受到的資源因素的影響。為了進(jìn)一步探究其影響因素的驅(qū)動(dòng)方式，本文引入了多因素回歸分析方法，從而解釋影響因素之間的關(guān)系。農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)是一個(gè)多要素的復(fù)雜系統(tǒng)，基于此，本文從實(shí)地調(diào)研和統(tǒng)計(jì)資料查找出發(fā)，全面考慮了影響江蘇省農(nóng)業(yè)用水的主要因素，選取了降雨（x1）、氣溫（x2）、輻射強(qiáng)度（x3）、平均濕度（x4）、風(fēng)速（x5）、蒸發(fā)強(qiáng)度（x6）、溫室面積（x7）、耕地面積（x8）、總灌溉面積（x9）、滴灌面積（x10）、施肥率（x11）、休整土地面積（x12）、土壤表面優(yōu)良率（x13）、地下水量（x14）這14個(gè)可能影響農(nóng)業(yè)用水效率的因素。多因素回歸分析研究的技術(shù)路線為：主成分分析以消除變量之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性→形成新的變量群（無多重共線性的影響）→通過線性變換使新變量包含舊信息→形成多因素回歸方程。

在本文中，將x1至x14作為影響因素變量指標(biāo)（初始變量），然后，利用下式對(duì)新變量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

將z1至zm作為新變量指標(biāo)，如下所示：

根據(jù)主成分分析方法，新變量z1至zm分別成為初始變量的第1，第2，…第m主成分。所得的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)化矩陣：

進(jìn)一步，可以得到相關(guān)矩陣，如下式：

式中，rij（i，j=1，2，…，p）為變量之間的相關(guān)系數(shù)，rij=rji，其計(jì)算公式為：

最后，根據(jù)特征根與標(biāo)準(zhǔn)正交特征向量計(jì)算主成分貢獻(xiàn)率：

式中，λi，λk分別是特征向量的特征值。

鑒于此，在完成了主成分分析之后，利用SPSS軟件得到多因素線性回歸方程：

2 結(jié)果和討論

本文數(shù)據(jù)主要選取2006—2019年間江蘇省的農(nóng)作物產(chǎn)出數(shù)據(jù)、水資源數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，并依據(jù)水資源公報(bào)和統(tǒng)計(jì)年鑒等資料得到全省年農(nóng)業(yè)用水量及其影響因素的數(shù)據(jù)。將自然資源和農(nóng)作物數(shù)據(jù)輸入AquaCrop模型，本文得到了基于作物需水量的凈灌溉水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，見圖2。由圖2可知，作物需水量是作物在沒有水分脅迫的情況下生長(zhǎng)所需的最佳用水量，在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)中，必須滿足作物的需水量才能獲得最大產(chǎn)量。而凈灌溉需求是補(bǔ)充根區(qū)土壤含水量所需的水量，代表作物需水量與有效降水量之間的差異。AquaCrop模型可根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件、土壤水力特性和作物特性確定作物每日需水量。依據(jù)AquaCrop模型結(jié)果可知，江蘇省的累積水平衡量是農(nóng)作物季末主要的進(jìn)出水通量，累積水平衡量是作物通過蒸發(fā)蒸騰來滿足缺水所需的水量。另一方面，AquaCrop模型的模擬輸出結(jié)果可為負(fù)責(zé)農(nóng)業(yè)和水資源管理的當(dāng)局提供參考以作出最佳的決策（圖3），本文研究表明，提高江蘇省農(nóng)業(yè)用水效率，可從以下幾個(gè)方面努力：

圖2 基于作物需水量的凈灌溉水量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（以時(shí)段內(nèi)全省農(nóng)作物產(chǎn)出為據(jù)）

圖3 AquaCrop模型模擬輸出結(jié)果

（1）盡量減少?gòu)牡叵滤?、湖泊或河流中抽取水資源；

（2）最大限度地減少深層滲透；

（3）盡量減少對(duì)水資源（地下水、河流、湖泊和泉水）的污染；

（4）盡量減少土壤侵蝕；

（5）盡量減少燃料消耗和二氧化碳排放量；

（6）最大限度地提高可收獲的作物產(chǎn)量；

（7）最大限度地提高灌溉效率。

利用SPSS對(duì)x1至x14的影響因素變量進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)見表1。

表1 江蘇省農(nóng)業(yè)用水效率影響因素?cái)?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析和多因素回歸分析，計(jì)算各類因素的作用強(qiáng)度，本文得到了江蘇省農(nóng)業(yè)用水效率主要影響因素模型輸出結(jié)果，見表2。

表2 主因子在各變量上的載荷

用特征值大于1為選取公因子的標(biāo)準(zhǔn)。為了更好地解釋因子的含義，采用方差最大化正交旋轉(zhuǎn)法使得因子間方差差異達(dá)到最大，前5個(gè)主因子在各變量上的載荷見表3。前5個(gè)公因子特征值的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到82.82%，所以這些主因子包含了14個(gè)指標(biāo)的信息。

為了對(duì)江蘇省農(nóng)業(yè)用水效率變化驅(qū)動(dòng)力特征進(jìn)行科學(xué)分類和進(jìn)一步分析驅(qū)動(dòng)機(jī)制的作用機(jī)理，就提取的5個(gè)主因子采用多因素回歸法計(jì)算各省份的因子得分，由于公因子對(duì)諸變量的方差貢獻(xiàn)總和反映了各因子的重要程度，因此以各個(gè)主因子對(duì)總信息量的貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)加權(quán)，計(jì)算綜合評(píng)價(jià)得分（S），根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果得到S的計(jì)算公式為：

表3 主因子特征值及貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率

根據(jù)多因素回歸分析結(jié)果，對(duì)江蘇省農(nóng)業(yè)用水效率起主要作用的是主因子z1和z2。再?gòu)闹饕蜃幼兞縵1和初始變量以及其余主成分之間的線性回歸關(guān)系可以看出，平均濕度（x4）、總灌溉面積（x9）、滴灌面積（x10）、施肥率（x11）、土壤表面優(yōu)良率（x13）是最需要注意的影響因素。因此，針對(duì)江蘇省農(nóng)業(yè)用水的實(shí)際情況，本文建議大力推進(jìn)工程、管理、技術(shù)等多領(lǐng)域的不斷強(qiáng)化和改進(jìn)，通過加大基礎(chǔ)水利設(shè)施的投入，推行噴滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)，另一方面，注重農(nóng)田休整和土壤改良是保證灌溉水高效利用的主要途徑。

3 結(jié)論

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效用水仍然是世界范圍內(nèi)的主要挑戰(zhàn)之一。因此，為了提高農(nóng)業(yè)用水效率，必須優(yōu)化灌溉管理以避免重要水資源的不必要浪費(fèi)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本文利用AquaCrop模擬模型，估算不同作物在變化的環(huán)境條件下的凈灌溉需水量和作物需水量，然后利用多因素回歸模型計(jì)算各環(huán)境要素對(duì)農(nóng)業(yè)用水效率的影響大小，主要結(jié)論如下：

（1）通過AquaCrop模型分析可知，作物需水量應(yīng)該被定義為補(bǔ)償農(nóng)田蒸發(fā)蒸騰損失所需的水量。為保證農(nóng)業(yè)用水的高效使用，在生長(zhǎng)季節(jié)提供的灌溉用水量不得超過作物的有效用水需求。

（2）針對(duì)自然資源影響因素，模型模擬結(jié)果建議管理部門應(yīng)盡量減少?gòu)牡叵滤谐槿∷Y源、減少土壤侵蝕和水資源污染，同時(shí)減少燃料消耗和二氧化碳排放量，從而最大限度地提高可收獲的作物產(chǎn)量。

（3）江蘇省地方農(nóng)業(yè)部門用水強(qiáng)度大，政府應(yīng)聯(lián)合當(dāng)?shù)鼐用窆餐苿?dòng)工程、管理、技術(shù)等領(lǐng)域的不斷加強(qiáng)和完善，加大基礎(chǔ)水利設(shè)施的投入，推行噴滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)，同時(shí)注重農(nóng)田休整和土壤改良。

（4）農(nóng)業(yè)部門應(yīng)加強(qiáng)地表水節(jié)水技術(shù)推廣，節(jié)約農(nóng)業(yè)水資源，并調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置。