寧夏玉米生長(zhǎng)過程水足跡研究

陳紅翔，馬 芮

（寧夏師范學(xué)院 資源環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院，寧夏 固原 756000）

0 引言

農(nóng)業(yè)水足跡是一種能反映出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與消費(fèi)對(duì)水資源影響的綜合性指標(biāo)。農(nóng)業(yè)水足跡主要包括農(nóng)業(yè)綠水足跡、農(nóng)業(yè)藍(lán)水足跡、農(nóng)業(yè)灰水足跡。近年來針對(duì)農(nóng)作物水足跡的研究迅速發(fā)展，主要集中在水足跡量化和驅(qū)動(dòng)力分析等方面。國外學(xué)者M(jìn)ekonnen等［1-2］通過建立基于柵格數(shù)據(jù)的水量平衡模型，估算了全球主要農(nóng)作物的藍(lán)水、綠水和灰水生長(zhǎng)過程中的水足跡；Silalertruksa等［3］研究了可持續(xù)性水稻的水足跡。國內(nèi)學(xué)者田園宏等［4-9］對(duì)中國主要糧食作物即華北平原的小麥和玉米以及湖南、山東、山西、黑龍江等省份的農(nóng)作物水足跡分別進(jìn)行了計(jì)算和分析；卓拉等［10］對(duì)黃河流域內(nèi)的小麥生產(chǎn)水足跡進(jìn)行了量化與評(píng)價(jià)；黃會(huì)平等［11］針對(duì)海河流域的冬小麥、夏玉米生產(chǎn)水足跡進(jìn)行了量化分析；高海燕等［12］研究了寧夏主要農(nóng)作物的生產(chǎn)水足跡及其變化趨勢(shì)；齊婭榮等［13］研究了固原市主要農(nóng)作物的生產(chǎn)水足跡。總體看來，目前研究多集中于對(duì)區(qū)域農(nóng)作物整體水足跡、水資源狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，而針對(duì)同一作物在不同時(shí)間和區(qū)域空間的水足跡及其變化趨勢(shì)的深入研究較少。本文旨在合理量化玉米藍(lán)、綠水足跡，探究寧夏5個(gè)地級(jí)市玉米生產(chǎn)用水的空間格局，為寧夏玉米種植結(jié)構(gòu)的合理調(diào)整和農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供重要依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

寧夏地處中國西北干旱區(qū)，屬于典型的溫帶大陸性干旱、半干旱氣候，具有秋冬長(zhǎng)、春夏短，氣候干燥、蒸發(fā)旺盛、降水季節(jié)變化明顯等特征。目前寧夏全區(qū)的水資源總量約為11億m3，人均水資源儲(chǔ)量為160 m3，寧夏已經(jīng)成為我國干旱缺水最嚴(yán)重的地區(qū)之一［12］。

2 研究方法和數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

2.1.1 玉米生長(zhǎng)過程水足跡的計(jì)算 玉米生長(zhǎng)過程水足跡是指玉米在生長(zhǎng)過程中對(duì)水資源的消耗總量，主要有藍(lán)水足跡、綠水足跡以及灰水足跡。由于灰水足跡描述的是稀釋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所排放的污染物所消耗的水資源量，并不是農(nóng)作物在生長(zhǎng)過程中真正消耗的水資源量，故本研究只考慮農(nóng)作物在生長(zhǎng)過程中真正消耗的實(shí)際水資源量，即只考慮藍(lán)水足跡和綠水足跡，水足跡的計(jì)算公式為［14］：

式（1）中：WF 為玉米生長(zhǎng)過程水足跡(m3/t)；WFgreen為綠水足跡(m3/t)； WFblue為藍(lán)水足跡(m3/t)。

2.1.2 藍(lán)水足跡和綠水足跡的計(jì)算 本文水足跡的計(jì)算是建立在聯(lián)合國糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations)推薦的Penman-Monteith 公式［15］的基礎(chǔ)上，運(yùn)用該公式計(jì)算玉米的參考騰發(fā)速率ET0，在此基礎(chǔ)上可以得到作物蒸發(fā)騰發(fā)速率ETC，根據(jù)水足跡參考手冊(cè)中的相關(guān)公式計(jì)算得到玉米單位質(zhì)量的綠水足跡值和藍(lán)水足跡值。隨后，根據(jù)寧夏的玉米產(chǎn)量計(jì)算寧夏的水足跡值。其中藍(lán)水是指降水過程中形成的地表水和地下水，一般包括河流、湖泊以及地下蓄水層中的水，在玉米生長(zhǎng)過程的用水需求中經(jīng)常用灌溉用水來表示；綠水是降水下滲到不飽和土壤層中用于植物生長(zhǎng)的水，在玉米生長(zhǎng)過程的用水需求中主要指有效降水。

在對(duì)玉米生長(zhǎng)周期的蒸散發(fā)總量進(jìn)行計(jì)算之前需要對(duì)作物參考騰發(fā)速率ET0進(jìn)行計(jì)算，公式為：

式（2）中： ET0為參考騰發(fā)速率(mm/d)； Rn為作物表面上的凈輻射[MJ/(m2·d)]；G為土壤熱通量[MJ/(m2·d)]；T為日平均氣溫(℃)； u2為風(fēng)速(m/s)；es為飽和水汽壓(kPa)；ea為實(shí)際水汽壓(kPa)；es-ea為飽和水汽壓差(kPa)；Δ為飽和水汽壓曲線的傾率；γ為濕度計(jì)常數(shù)(kPa/℃)。

再計(jì)算出作物蒸發(fā)蒸騰量ETC，其計(jì)算公式為：

式（3）中：KC為作物系數(shù)。

然后根據(jù)作物水足跡參考手冊(cè)《The water footprint assessment manual：setting the global standard》中的方法進(jìn)行量化計(jì)算，主要計(jì)算公式為：

式（4）~式（5）中： WFgreen為玉米生產(chǎn)綠水足跡(m3/kg)； WFblue為玉米生產(chǎn)藍(lán)水足跡(m3/kg)；CWUgreen、CWUblue分別為玉米所消耗的綠、藍(lán)水資源量(m3/hm2）；Y為作物單位面積產(chǎn)量(kg/hm2）；10為單位轉(zhuǎn)化系數(shù)，將單位由水深(mm)轉(zhuǎn)化為單位面積水量(m3/hm2）。

接著計(jì)算出作物蒸發(fā)蒸騰量中來自有效降水和灌溉水的部分（mm），計(jì)算公式為：

式（6）~式（7）中：ETC為玉米蒸發(fā)蒸騰量(mm)；Pe為玉米生長(zhǎng)期的有效降水量(mm)。

作物生育期的有效降雨量采用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的方法 USDA SCS來計(jì)算，公式為:

式（8）中：Pdee為旬降水量(mm)； Pe(dee)為旬有效降水量(mm)。玉米生長(zhǎng)周期內(nèi)的有效降水量可由各旬有效降水相加得到［16］。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文主要研究數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中寧夏回族自治區(qū)內(nèi)的5個(gè)地級(jí)市（銀川市、石嘴山市、吳忠市、中衛(wèi)市和固原市）2006—2020年的降雨量、氣溫等數(shù)據(jù)來源于相關(guān)氣象站點(diǎn)。農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)來源于國家數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.stats.gov.cn)、寧夏數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://nxdata.com.cn)及寧夏2006—2020年的統(tǒng)計(jì)年鑒等。

3 玉米生長(zhǎng)過程水足跡計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 寧夏玉米生長(zhǎng)過程水足跡時(shí)間序列特征

從寧夏數(shù)據(jù)網(wǎng)獲取了2006—2020年寧夏玉米的播種面積（表1）。

從表1可以看出，2006—2020年寧夏的玉米播種面積整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中吳忠市玉米播種面積最廣，2020年達(dá)到最大值94550 hm2；固原市玉米播種面積增速最快，2020年固原市玉米播種面積已達(dá)到83337 hm2，排名第2位；銀川市、石嘴山市和中衛(wèi)市3市的玉米播種面積有增有減，起伏不大，較為平穩(wěn)。

采用Penman Monteith模型先計(jì)算玉米生長(zhǎng)需水量以及有效降水量，接著計(jì)算出寧夏各市玉米生長(zhǎng)過程中的藍(lán)水、綠水蒸散量，最后逐年計(jì)算各市玉米生長(zhǎng)的藍(lán)水、綠水足跡，計(jì)算結(jié)果如表2~表3。

表2 2006—2020年寧夏5市的玉米生長(zhǎng)綠水足跡 m3/t

表3 2006—2020年寧夏5市玉米生長(zhǎng)藍(lán)水足跡 m3/t

圖 1 2006—2020年寧夏5市玉米生長(zhǎng)水足跡的變化

表 4 不同降水年型寧夏玉米生長(zhǎng)過程水足跡

由表2可知，2018年寧夏5市的玉米生長(zhǎng)綠水足跡達(dá)到最高，為1239.323 m3/t；2009年寧夏5市的玉米生長(zhǎng)綠水足跡最低，為923.475 m3/t。2006—2020年寧夏5市的玉米生長(zhǎng)過程綠水足跡平均值為1076.134 m3/t，其中固原市綠水足跡值排名第1位，這與固原市年降水量最多的實(shí)際情況相吻合。

由表3可知，寧夏各市的玉米水足跡均是以藍(lán)水足跡為主，這是因?yàn)槲鞅钡貐^(qū)降雨量稀少，使得農(nóng)作物大多通過灌溉用水或地下水的補(bǔ)給來維持其耗水需求量。具體來看，2006年寧夏玉米生長(zhǎng)藍(lán)水足跡最高，為6706.088 m3/t；2019年寧夏玉米生長(zhǎng)藍(lán)水足跡最低，為4743.934 m3/t；多年藍(lán)水足跡平均值為5497.461 m3/t，是綠水足跡平均值（1076.134 m3/t）的5倍。

將每年的藍(lán)水足跡、綠水足跡進(jìn)行相加，得到2006—2020年寧夏5市玉米生長(zhǎng)的水足跡情況（圖1）。從圖1可看出，2006—2020年寧夏5市玉米生長(zhǎng)過程中水足跡整體處于波動(dòng)下降的變化趨勢(shì)。2006—2020年玉米生長(zhǎng)過程總水足跡的平均值為6573.595 m3/t，其中綠水足跡占16%，藍(lán)水足跡占84%。5市之中固原市的總水足跡波動(dòng)最大，2017年固原市玉米生產(chǎn)總水足跡達(dá)到峰值，為2162.885 m3/t，突破2000 m3/t，這主要與固原市玉米生育期降雨量多及作物耗水規(guī)律有關(guān)。

3.2 不同降水年型玉米生長(zhǎng)過程水足跡

根據(jù)2006—2020年寧夏玉米生長(zhǎng)期有效降水量的多少，分別選擇2009年（122.50 mm）、2010年（148.97 mm）、2012年（177.38 mm）作為枯水年、平水年、豐水年（表4）。

從表4可以看出：2009年寧夏玉米生長(zhǎng)期平均降水量最少，播種面積為215078 hm2，此時(shí)的玉米生長(zhǎng)過程總水足跡為6866.596 m3/t，是選取代表年份中水足跡的最高值；2010年平水年降水量適中，玉米播種面積為223405 hm2，其玉米生長(zhǎng)過程總水足跡值為6402.228 m3/t；2012年降水最豐富，玉米播種面積為245896 hm2，此年出現(xiàn)玉米生長(zhǎng)過程總水足跡的最低值，為6247.015 m3/t。數(shù)據(jù)表明寧夏玉米生長(zhǎng)過程水足跡值的大小不僅受降水量的影響，同時(shí)還受到播種面積和灌溉條件等因素的影響。根據(jù)玉米生長(zhǎng)過程水足跡構(gòu)成計(jì)算得出，2009年玉米生長(zhǎng)過程水足跡值中藍(lán)水足跡占87%、綠水足跡占13%；2010年玉米生長(zhǎng)過程水足跡值中藍(lán)水足跡占83%、綠水足跡占17%；2012年玉米生長(zhǎng)過程水足跡值中藍(lán)水足跡占81%，綠水足跡占19%；說明降水量與玉米藍(lán)水足跡呈負(fù)相關(guān)，而與玉米綠水足跡呈正相關(guān)［17］。

3.3 寧夏玉米生長(zhǎng)過程水足跡的空間分異特征

3.3.1 寧夏玉米生長(zhǎng)過程水足跡的空間分布 由于各地氣候、降雨的不均勻性，播種面積也有一定的差異，使得玉米生產(chǎn)過程中消耗的水資源量也不盡相同，因而呈現(xiàn)出不同的地域空間特征［18-20］。選取3個(gè)具有代表性的年份運(yùn)用Arc GIS軟件繪制寧夏不同降水年型各市玉米生長(zhǎng)過程水足跡的空間分布圖（圖2）。

圖2 寧夏不同降水年型玉米生長(zhǎng)過程水足跡的空間分布

通過圖2a可以看出，枯水年（2009年）寧夏5市玉米水足跡值大小排序?yàn)楣淘校俱y川市＞石嘴山市＞中衛(wèi)市＞吳忠市；圖2b顯示平水年（2010年）寧夏5市水足跡值大小排序?yàn)楣淘校緟侵沂校臼焐绞校局行l(wèi)市＞銀川市；圖2c顯示豐水年（2012年）寧夏5市水足跡值大小排序?yàn)楣淘校臼焐绞校俱y川市＞中衛(wèi)市＞吳忠市。

總體來看，固原市的水足跡始終排名第1位，這是因?yàn)楣淘惺艿匦魏蜌夂虻纫蛩氐挠绊?，其降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他4市，說明降水量是玉米生長(zhǎng)過程水足跡的主要影響因素之一。枯水年總的水足跡大于豐水年的水足跡，且藍(lán)水足跡值最大，說明灌溉用水是枯水年玉米生長(zhǎng)過程中水足跡的主力軍，藍(lán)水足跡是影響寧夏玉米生長(zhǎng)過程水足跡的最重要因素。

3.3.2 玉米生長(zhǎng)過程水足跡的區(qū)域差異 為了更進(jìn)一步對(duì)比研究寧夏不同地區(qū)玉米生長(zhǎng)過程水資源的利用情況，將寧夏5市分為3個(gè)區(qū)域，北部包括銀川市和石嘴山市，中部包括吳忠市和中衛(wèi)市，南部為固原市。分別計(jì)算各區(qū)域的玉米生長(zhǎng)過程水足跡，如圖3所示。

圖3 寧夏不同地區(qū)玉米生長(zhǎng)過程水足跡的分布情況

由圖3可以看出，不同年份寧夏藍(lán)水足跡值大小排序?yàn)楸辈浚局胁浚灸喜浚S水年藍(lán)水足跡南北差異最大；綠水足跡值大小排序?yàn)槟喜浚颈辈浚局胁?，豐水年綠水足跡3個(gè)地區(qū)差異最??；總水足跡值大小排序?yàn)楸辈浚局胁浚灸喜?，總水足跡在北部地區(qū)不同年份之間差距較小，而南部地區(qū)水足跡總量最小。

分區(qū)域來看，寧夏北部地區(qū)不同年份玉米藍(lán)水足跡持續(xù)減少，綠水足跡不斷增加，總水足跡呈現(xiàn)緩慢減少趨勢(shì)；寧夏中部地區(qū)藍(lán)水足跡持續(xù)減少，綠水足跡明顯增加，總水足跡變化不大，降幅較小；寧夏南部地區(qū)藍(lán)水足跡有波動(dòng)，2012年較2010年有小幅增加但漲幅不明顯，綠水足跡也有波動(dòng)，2012年綠水足跡相較于2010年有所下降，但總水足跡整體處于持續(xù)下降趨勢(shì)。

整體來看，寧夏各地區(qū)藍(lán)水足跡均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于綠水足跡，說明灌溉用水依舊為寧夏農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文參考水足跡理論，對(duì)2006—2020年寧夏玉米生產(chǎn)水足跡進(jìn)行了時(shí)空量化分析，主要結(jié)論為：（1）研究時(shí)段內(nèi)，寧夏玉米生長(zhǎng)過程水足跡整體呈減小趨勢(shì)。（2）寧夏玉米生長(zhǎng)過程中，水足跡以藍(lán)水足跡為主導(dǎo)，綠水足跡為輔助。通過對(duì)寧夏玉米生長(zhǎng)過程中藍(lán)水、綠水足跡的增長(zhǎng)趨勢(shì)以及所占比重發(fā)現(xiàn)：藍(lán)水足跡占比最大，綠水足跡占比較小。說明寧夏玉米生長(zhǎng)用水以灌溉用水為主，自然降水次之，對(duì)自然降水的利用率也較低，當(dāng)藍(lán)水足跡值較高時(shí)，綠水足跡會(huì)有一定程度的降低。（3）從5個(gè)地市的玉米生長(zhǎng)水足跡空間分布格局來看，枯水年（2009年）寧夏5市玉米水足跡值大小排序?yàn)楣淘校俱y川市＞石嘴山市＞中衛(wèi)市＞吳忠市；平水年（2010年）寧夏5市水足跡值大小排序?yàn)楣淘校緟侵沂校臼焐绞校局行l(wèi)市＞銀川市；豐水年（2012年）寧夏5市水足跡值大小排序?yàn)楣淘校臼焐绞校俱y川市＞中衛(wèi)市＞吳忠市，各年份中固原市的玉米水足跡值始終名列前茅。

4.2 討論

寧夏目前以藍(lán)水為玉米生長(zhǎng)的主要水源，綠水占比較小。雖然玉米生產(chǎn)過程水足跡整體呈減少趨勢(shì)，但其嚴(yán)重依賴灌溉水和地下水。寧夏水資源十分短缺，不利于玉米種植的可持續(xù)發(fā)展。因此如何解決并改善寧夏的水資源短缺問題，減少農(nóng)業(yè)用水量，調(diào)整灌溉模式以達(dá)到提高糧食產(chǎn)量，減小玉米生產(chǎn)過程藍(lán)水足跡的問題仍需進(jìn)一步深入研究。

此外，本文對(duì)玉米生長(zhǎng)過程水足跡進(jìn)行量化計(jì)算時(shí)，使用的數(shù)據(jù)部分存在計(jì)算誤差，從而可能對(duì)計(jì)算的水足跡產(chǎn)生了影響，因此后期還需考慮更多影響玉米水足跡的因素來進(jìn)行完善。