黑龍江省典型灌區(qū)農(nóng)業(yè)水足跡演變環(huán)境響應(yīng)研究

劉 超

(黑龍江省江河流域保護(hù)中心,哈爾濱 150080)

0 引 言

水資源是中國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的主要物質(zhì)基礎(chǔ),水資源的可持續(xù)利用是人類經(jīng)濟(jì)社會不斷發(fā)展的必然要素[1]。據(jù)有效資料顯示,2021 年,我國的農(nóng)業(yè)用水量達(dá)到3644.3億m3,占社會總用水總量的61.5%,灌溉用水有效利用系數(shù)僅為0.568,僅為其他發(fā)達(dá)國家的0.7～0.8 倍[2]。因此,合理分析農(nóng)作物用水效率演變規(guī)律,識別農(nóng)業(yè)水足跡主控環(huán)境因子,是保證我國農(nóng)業(yè)綠色、高效、健康發(fā)展的有效途徑。

Hoekstra以“生態(tài)足跡”理論為基礎(chǔ),于2002年最先提出了水足跡的概念[4],并將水足跡分為了綠水生產(chǎn)水足跡(降雨耗水量)、藍(lán)水生產(chǎn)水足跡(灌溉耗水量)、灰水生產(chǎn)水足跡(稀釋污染用水量)3類生產(chǎn)水足跡。

本研究以黑龍江省和平灌區(qū)為例,系統(tǒng)分析了區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)藍(lán)水、綠水和灰水足跡在時間尺度的演變規(guī)律,采用通徑分析方法分析了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡對生產(chǎn)要素的響應(yīng)關(guān)系。該研究成果對于構(gòu)建區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水方案,科學(xué)合理制定用水定價具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理位置

和平灌區(qū)位于中國黑龍江省東部,是中國現(xiàn)代灌區(qū)建設(shè)的一個重要示范區(qū)之一,也是黑龍江省重要的農(nóng)田灌溉區(qū)。

1.2 氣候類型

該區(qū)的自然氣候?qū)儆诤疁貛Т箨懶詺夂?冬季寒冷漫長,夏季溫?zé)岫虝?。年均氣溫約為0°C左右,年降水量在500～800mm之間。冬季冰雪覆蓋時間較長,春季較早,夏季天熱日照充足,秋季較早且氣候干燥。

1.3 種植類型

和平灌區(qū)以農(nóng)業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),主要農(nóng)產(chǎn)品包括水稻、小麥、玉米、大豆等。其中,水稻是當(dāng)?shù)刈钪饕慕?jīng)濟(jì)作物,種植面積廣闊。由于灌區(qū)地處黑龍江流域,擁有豐富的水資源,通過合理的灌溉系統(tǒng),提供了穩(wěn)定的灌溉條件,促進(jìn)了農(nóng)作物的良好生長。

2 農(nóng)業(yè)水足跡測算理論

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡是一個綜合性指標(biāo),主要由藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡組成[6, 7]。其中,藍(lán)水足跡指代農(nóng)田灌溉供給研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)消耗的水資源數(shù)量;綠水足跡指代有效降水量供給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所消耗的水資源數(shù)量;灰水足跡指代吸收農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中化肥、農(nóng)藥等引發(fā)的污染所需要的水資源總量。因此,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡組成可以表示為:

WF=WFgreen+WFblue+WFgrey

(1)

式中:WFblue為藍(lán)水足跡,m3/t;WFgreen為綠水足跡,m3/t;WFgrey為灰水足跡,m3/t。

2.1 作物需水量計算方法

首先,借助傳統(tǒng)的經(jīng)典Penman-Monteith公式來計算參考作物的蒸騰狀況,具體表達(dá)式如下所示[8-9]:

(2)

式中:Rn為作物表面的輻射量,MJ/m2·d;G為土壤熱通量,MJ/m2·d;T為平均氣溫,℃;U2為離地面2m高處的風(fēng)速,m/s;es為飽和水汽壓,kPa;ea為實測水汽壓,kPa;Δ為飽和水汽壓與溫度相關(guān)曲線的斜率,kPa/℃;γ為濕度計常數(shù),kPa/℃。

理想條件下,作物需水量ETc是將參考作物蒸散量乘以作物系數(shù)Kc來獲得,具體表達(dá)式為:

ETc=KCET0

(3)

非理想條件下作物蒸散量ETa小于作物需水量ETc,通過ETc乘以水分脅迫系數(shù)Ks來獲取,具體表達(dá)式為:

ETA=KsETc=KsKcET0

(4)

水脅迫系數(shù)Ks描述水分脅迫對作物蒸騰的影響,當(dāng)存在王壤水分限制條件時Ks<1;當(dāng)沒有王壌水分脅迫時Ks=1。

2.2 作物水足跡計算方法

在水足跡研究中,我們借助CROPWAT模型進(jìn)行藍(lán)水和綠水中的蒸散部分水資源量測算,該模型提供了兩種藍(lán)水和綠水蒸散量計算方法,即“作物需水量模式”和“灌溉制度模式”。

作物需水量測算原理是通過比對作物需水量與土壤有效降水的數(shù)值大小來確定藍(lán)水和綠水蒸散量。其中,綠水蒸散量的確定通常是選取作物蒸發(fā)量和有效降水量兩者之間較小數(shù)值,而藍(lán)水蒸散量則是通過計算作物需水量與有效降水量的差值來獲取,并且當(dāng)作物需水量小于有效降水量時,藍(lán)水蒸散量取值為0,反之,取作物需水量與有效降水量的差值,具體表達(dá)式如下:

ETgreen=min(ETc,Peff)

(5)

ETblue=max(0,ETc-Peff)

(6)

式中:ETgreen和ETblue分別為全生育期作物生長綠水和藍(lán)水的蒸散量,mm;Peff為全生育期作物生長的有效降水量,mm。另外,公式(5)和(6)中涉及的有效降水量Peff計算方法通過以下公式來獲取:

(7)

式中:P為旬降水量,mm),并且以250/3 mm作為降水量的分界值,采用不同的公式進(jìn)行測算。

灌溉制度法是通過比對凈灌溉量和灌溉需水量的大小來獲取藍(lán)水和綠水蒸散量,其中,藍(lán)水蒸散量取凈灌溉量和灌溉需水量的較小值,而綠水蒸散量則通過作物實際總的水分蒸散量與藍(lán)水蒸散量做差來獲取,具體計算公式如下:

ETblue=min(Inet,)IR

(8)

ETgreen=ETa-ETbule

(9)

式中:Inet為農(nóng)田凈灌溉量,mm;IR為灌溉需水量,mm。

基于上述介紹的藍(lán)水和綠水蒸散量,進(jìn)一步計算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的藍(lán)水足跡和綠水足跡如下所示:

(10)

(11)

式中:常數(shù)10為將降水深度轉(zhuǎn)化為單位面積降水總量的轉(zhuǎn)化系數(shù),Y為不同作物單位面積內(nèi)的產(chǎn)量,kg/hm2。

作物生育期內(nèi)需要向農(nóng)田中投加肥料補(bǔ)給,而未被植株根系吸收汲取的養(yǎng)分元素將引發(fā)水質(zhì)產(chǎn)生污染。為了使現(xiàn)有的環(huán)境水質(zhì)達(dá)到安全使用標(biāo)準(zhǔn),需要大量的水源將污染物進(jìn)行稀釋,所需要的水資源量稱為灰水足跡[10-11]。具體計算公式為:

(12)

式中:AR為每公頃土地的化肥施用量,kg/hm2;α為淋溶率(即擴(kuò)散進(jìn)入到水體中的污染物占總施加量的比例);cmax為最大容許濃度,kg/m3;cnat為污染物的背景濃度,kg/m3。

本研究選取化肥施用量的10%作為淋溶率;假設(shè)自然水體中氮元素的背景含量c采用US EPA設(shè)定的10mg/L的氮元素濃度作為環(huán)境水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn),即cmax為0.01。

(13)

式中:Fi為各種作物化肥的施用量,kg;Si為各種作物的種植面積,hm2;i=1, 2, 3;其中,1為玉米;2為水稻;3為大豆。

3 糧食生產(chǎn)水足跡演變特征

3.1 水稻生產(chǎn)水足跡演變規(guī)律

水足跡體現(xiàn)了作物生產(chǎn)過程對農(nóng)業(yè)水資源的需求狀況,具體分析可知,藍(lán)水生產(chǎn)水足跡整體表現(xiàn)為逐漸下降趨勢。2001—2021年水稻生產(chǎn)藍(lán)水足跡每年以0.0141 m3/kg的速率減少,多年平均值為0.804 m3/kg,其最大值出現(xiàn)在枯水年(2005年),為1.116 m3/kg,最小值出現(xiàn)在2021年,為0.629 m3/kg。同理,綠水足跡和灰水足跡同樣呈現(xiàn)出逐漸降低的變化趨勢,并且分別以每年0.0091和0.0053 m3/kg的速率減少,其變化幅度相對于藍(lán)水足跡顯著降低。

另外,2001—2021年水稻生產(chǎn)總水足跡擬合線的跡斜率為-0.0035 m3/kg,多年平均值為1.623 m3/kg,其最大值出現(xiàn)在2005年,為2.018 m3/kg,最小值出現(xiàn)在2021年,為1.271 m3/kg。綜合分析趨勢線和距平百分率的變化過程可知,隨著國家對農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入力度的不斷加大及農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)的提升,研究區(qū)內(nèi)水稻生產(chǎn)過程中水資源利用率和灌溉用水利用效率不斷提高。

3.2 玉米生產(chǎn)水足跡演變規(guī)律

研究區(qū)玉米作物藍(lán)水足跡、綠水足跡、灰水足跡及總水足跡變化趨勢。在2001-2021年之間,研究區(qū)玉米生產(chǎn)藍(lán)水足跡多年平均值為0.005 m3/kg,其最大值出現(xiàn)在2007年,水足跡為0.007 m3/kg,最小值出現(xiàn)在2021年,為0.003m3/kg。分析距平百分率可知,玉米生產(chǎn)藍(lán)水足跡在時間尺度上的波動性較強(qiáng),由此可知,玉米在春季生長發(fā)育過程中,氣候變化相對較為復(fù)雜,研究區(qū)干旱現(xiàn)象頻發(fā),其對于農(nóng)業(yè)灌溉用水的不確定性較強(qiáng)。

相反,玉米生產(chǎn)綠水足跡呈波動上升的變化趨勢,并且每年以0.0097 m3/kg的速率增長,多年平均值為0.669 m3/kg,這可能是近些年來,隨著黑龍江省高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項目的開展,土地質(zhì)量顯著提升,土壤入滲及有效囤水能力增強(qiáng),進(jìn)而導(dǎo)致玉米生產(chǎn)的綠水足跡顯著提升。

另外,2001～2021年玉米生產(chǎn)總水足跡無顯著變化,整體保持相對穩(wěn)定的水平。研究區(qū)玉米生產(chǎn)總水足跡多年平均值為0.944 m3/kg,其最大值出現(xiàn)在2006年,為1.098 m3/kg,最小值出現(xiàn)在2011年,為0.739 m3/kg。由距平百分率的分析結(jié)果可知,研究周期內(nèi)2006年和2011年玉米生產(chǎn)總水足跡之間的差異較大。由于玉米生產(chǎn)總水足跡由作物生產(chǎn)的需水量和糧食產(chǎn)量共同來決定,表明該研究區(qū)2006年和2011年可能存在極端天氣情況,當(dāng)降雨頻發(fā)時,水資源無效消耗量增加,水足跡大幅度提升,當(dāng)區(qū)域干旱時,農(nóng)作物生產(chǎn)需要依靠農(nóng)業(yè)灌溉調(diào)虧補(bǔ)給,農(nóng)業(yè)水足跡大幅度降低。

3.3 大豆生產(chǎn)水足跡演變規(guī)律

首先,分析大豆生產(chǎn)藍(lán)水足跡變化規(guī)律可知,2001～2021年之間研究區(qū)大豆藍(lán)水足跡呈現(xiàn)微弱降低的變化趨勢,每年以0.0015 m3/kg的速率減少,多年平均值為0.242 m3/kg。同理可知,大豆生產(chǎn)綠水足跡呈波動下降的變化趨勢,并且每年以0.0249 m3/kg的速率減少,多年平均值為2.122 m3/kg,由距平百分率可知,大豆生產(chǎn)綠水足跡的年際變化波動較大,表明大豆生長綠水足跡消耗受降水作用的影響較強(qiáng)。

相反,2001—2021年大豆生產(chǎn)灰水足跡呈波動上升的變化趨勢,水足跡每年以0.0038 m3/kg的速率增加,多年平均值為0.231 m3/kg,2001—2021年大豆生產(chǎn)灰水足跡在均值附近波動,存在小幅度上升,這可能是研究區(qū)大豆種植面積相對較小,難以實現(xiàn)大面積科學(xué)施肥,導(dǎo)致大豆單位面積化肥施用量逐步增加,農(nóng)田出現(xiàn)污染物富集現(xiàn)象。

此外,2001—2021年大豆生產(chǎn)總水足跡呈波動下降趨勢,多年平均值為2.595m3/kg,由距平百分率可知,2020年大豆生產(chǎn)總水足跡相對于多年平均總水足跡生產(chǎn)值變化最大,且為負(fù)向變化?？傮w看來,研究區(qū)大豆生產(chǎn)總水足跡逐步下降,水資源可持續(xù)利用率呈現(xiàn)出提升趨勢。

4 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡影響因素分析

糧食生產(chǎn)水足跡由區(qū)域的農(nóng)業(yè)水資源消耗狀況以及糧食產(chǎn)能直接決定,然而,農(nóng)業(yè)水資源供給又受到區(qū)域氣象條件、水利工程設(shè)施、農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備、農(nóng)藥化肥使用、人力資源管理等驅(qū)動因素的影響[12]。本研究選取環(huán)境積溫(X1)、大氣降水(X2)、環(huán)境濕度(X3)、化肥使用量(X4)、農(nóng)業(yè)機(jī)械動力(X5)、灌溉用水比例(X6)、人力資源投入(X7)這七個指標(biāo)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡通徑分析的自變量,分別以研究區(qū)內(nèi)作物藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡作為因變量,具體分析結(jié)果如下。

1)對于農(nóng)作物生產(chǎn)藍(lán)水足跡的影響因素分析可知,環(huán)境濕度、環(huán)境積溫、大氣降水對藍(lán)水足跡的影響作用較大。環(huán)境濕度與農(nóng)作物生產(chǎn)藍(lán)水足跡的直接通徑系數(shù)為-0.143,總通徑系數(shù)為-0.447,二者之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。具體分析可知,環(huán)境濕度的增加在一定程度上降低了植株的蒸騰量,植株生長發(fā)育對于土壤水分消耗減弱,進(jìn)而降低了灌溉用水需求量,二者呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。另外,積溫升高能夠提升植株的光合作用速率,有效的促進(jìn)農(nóng)作物干物質(zhì)的積累,農(nóng)作物產(chǎn)量升高,作物生產(chǎn)藍(lán)水足跡反而呈降低趨勢。

2)對于農(nóng)作物生產(chǎn)綠水足跡敏感性響應(yīng)因素結(jié)果分析可知,環(huán)境積溫、環(huán)境濕度、化肥施用量和人力資源投入與農(nóng)作物生產(chǎn)綠水足跡呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,大氣降水、農(nóng)業(yè)機(jī)械動力、灌水比例呈正相關(guān)關(guān)系。具體分析可知,大氣降水與農(nóng)作物生產(chǎn)綠水足跡之間的直接通徑系數(shù)為0.224,總通徑系數(shù)為0.379,表明隨著大氣降水量的增加,大氣降水入滲量增大,農(nóng)作物生長更多的依賴土壤貯存水分,而對于灌溉水的需求量則大幅度縮減,因此,農(nóng)作物生產(chǎn)綠水足跡逐漸提升,二者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。相反,對于環(huán)境積溫而言,在相同綠水資源消耗前提下,積溫提升有效促進(jìn)作物生長發(fā)育,作物糧食產(chǎn)能相對提升,導(dǎo)致農(nóng)作物生產(chǎn)綠水足跡降低。

3)化肥施用量與之產(chǎn)生明顯的正相關(guān)關(guān)系,其直接通徑系數(shù)為0.286,總通徑系數(shù)為0.469,表明隨著化肥使用量的增加,需要補(bǔ)充更多的水資源對未利用部分進(jìn)行稀釋,作物生產(chǎn)灰水足跡也隨之提升。此外,環(huán)境積溫升高、大氣降水以及環(huán)境濕度的增加等環(huán)境因素的變化都抑制了土壤灰水足跡的提升,這可能是環(huán)境條件的改善提升了作物長勢狀況,糧食產(chǎn)能的提升則間接降低了作物生產(chǎn)的灰水足跡。

5 結(jié) 論

黑龍江省和平灌區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡的大小順序為:大豆生產(chǎn)水足跡>水稻生產(chǎn)水足跡>玉米生產(chǎn)水足跡,表明大豆生長過程受灌區(qū)水資源供給的影響作用較強(qiáng)。另外,水稻和大豆生產(chǎn)總水足跡在時間尺度呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢,而玉米生產(chǎn)總水足跡變化幅度微弱。在影響農(nóng)業(yè)成產(chǎn)水足跡影響因素的分析中,環(huán)境積溫、大氣降水和環(huán)境濕度影響作用較大,并且呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。環(huán)境積溫、大氣降水及灌溉用水比例對綠水足跡的影響作用較大,且大氣降水和灌溉用水比例表現(xiàn)出正相關(guān)作用?；适┯昧渴怯绊戅r(nóng)作物灰水足跡的核心因素,并呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系,相反,農(nóng)業(yè)機(jī)械動力、環(huán)境積溫、大氣降水、環(huán)境濕度則表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)作用。