河南省主要農作物虛擬水空間分布及水資源配置研究

白景鋒 ，楊 杰

(南陽師范學院環境科學與旅游學院，河南南陽473061)

0 引言

隨著經濟和社會的發展，缺水已經成為許多國家和地區經濟可持續發展的重要制約因素。河南是我國嚴重缺水的地區之一，1hm2耕地占有水資源量為5 555．25 m3，人均水資源量約為352 m3，僅為全國人均水資源占有量的16%。彌補淡水資源不足，破解缺水難題，成為河南省可持續發展的重點和難點。

虛擬水是指生產商品或服務所需的水資源量［1-2］，是近年來國際水資源問題研究的創新領域和熱點問題。虛擬水一詞是英國學者Tony Allan在1993年首次提出的，他將其定義為生產農產品所需要的水資源量，后經Hoekstra進一步拓展為目前公認的虛擬水概念:生產商品和服務所需要的水資源數量［3］。我國對虛擬水及虛擬水戰略的研究起步較晚，2003年程國棟院士首先將虛擬水的概念引入國內，認為虛擬水為中國水資源安全戰略提供了新思路［4］。目前，我國諸多學者在該領域開展了廣泛研究，主要包括以下方面:(1)單位產品虛擬水量化研究。徐忠民等介紹了虛擬水的計算方法，并計算了甘肅省2000年生產和消費的虛擬水量［5］。(2)虛擬水貿易研究。馬靜等分析了我國南北方各地區間的虛擬水流量。王新華對河南、湖北、江西、湖南4省的虛擬水貿易進行了估算。(3)水足跡研究。龍愛華、徐中民研究了2000年西北四省的水足跡［6］。孫才志等結合基尼系數和錫爾指數對中國水足跡強度時空差異進行了研究［7］。虛擬水研究對缺水國家或地區通過貿易方式從富水國家或地區購買糧食等水密集型產品以獲取水和糧食安全具有重要戰略指導意義。河南省是我國的糧食生產大省，研究主要農作物“虛擬水”的空間分布對于合理布局河南省的糧食生產具有重要的指導意義。

1 研究區概況

河南省處于我國東部季風區的中部，大致以伏牛山主脊與淮河干流連線為界，界南屬北亞熱帶濕潤區，界北屬暖溫帶半濕潤區。氣候特點是春季干旱多風沙，夏季炎熱多雨水，秋季晴爽日照長，冬季寒冷少雨雪，具明顯的過渡性和季風型特色。全省年均氣溫穩定在14℃左右，具有由北向南遞增、由東向西遞減的趨勢。分屬于北亞熱帶范圍內的信陽和南陽地區，年均氣溫15℃左右，全年日均氣溫≥0℃的“溫暖期”320 d以上;日均氣溫≥5℃的植物“生長期”達260 d以上;日均氣溫≥10℃的植物“生長活躍期”220 d以上，積溫 4 700℃ ～5 000℃，無霜期多在220～240 d。分屬于暖溫帶范圍內的大部分地區年均氣溫在13℃ ～14．5℃，全年日均氣溫≥0℃的“溫暖期”300～320 d;日均氣溫≥5℃的植物“生長期”達240～260 d;日均氣溫≥10℃的植物“生長活躍期”200～220 d，積溫4 300℃ ～4 700℃;豫西山地和豫北太行山地因地勢較高，年均氣溫在12．1℃ ～12．7℃，全年日均氣溫≥10℃的植物“生長活躍期”187～197 d，積溫3 500℃ ～3 700℃［8］。河南省是我國的糧食主產區，從1978年到2008年河南省的糧食總產量一直呈上升趨勢，總產量從1978年的2 097．4萬t，增加到2009年的5 389．0萬 t，年均增長 3．18%，占全國糧食產量的10%。河南省的小麥、玉米和棉花等主要農產品產量均居全國前列，2009年河南省小麥、玉米和棉花產量占全國產量的26．5%，10%和8．1%，小麥和玉米占全省糧食總產的56．7%和30．3%。

2 計算過程及數據來源

本研究采用FAO-56推薦的計算模式，選取小麥、玉米和棉花3種農作物進行虛擬水計算。農作物的虛擬水估計值為作物生長發育期間的累積蒸發蒸騰水量，影響因素包括氣象因素、作物類型、土壤條件和作物的生育期等。

2．1 潛在蒸散ET0

ET0也稱為參考作物蒸發蒸騰水量，定義為一種假想的參考冠層的蒸散率。ET0表征氣象因子的影響，涉及太陽輻射、日最高氣溫和最低氣溫、相對濕度、平均風速、日照時數幾個變量，目前計算方法主要采用Penman-Monteith 公式［9］。

2．2 作物系數

用作物系數對潛在蒸散予以修正，就可以將作物類型和作物生長地的土壤等環境因子的影響考慮進去。作物蒸散量計算公式為:

式中:Etc為作物蒸散量;ET0為參考作物蒸發蒸騰水量;Kc為作物系數，各種作物系數參考前人的研究［10，12］，結合河南省實際情況，確定小麥、玉米，棉花的作物系數，是作物全生育期作物系數平均值。

式中:CWR為單位面積作物全生育期需水量(m3/hm2);Kc為相應的作物系數;ET0為作物生育期內的逐日潛在蒸散量(mm/d);n為作物生育期的總天數。

2．3 作物全生育期需水量

河南省3種作物的播種時間、收獲時間和全生育期天數由文獻得到［12-13］，為多年觀測的平均值。作物全生育期需水量用下式計算:VWC=CWR/CY。式中:CWR為單位面積作物全生育期需水量(m3/hm2);CY為單位面積農作物產品產量(kg/hm2)。

2．4 數據來源及處理方法

氣候數據為河南省氣象局的119個國家級氣象站點2009年的逐日氣候觀測數據。本研究由逐日數據平均得到逐月的氣候數據;作物播種面積及產量來源于《河南省統計年鑒(2010)》。計算過程借助Excel 2003和ARCINFO實現。

3 結果分析

3．1 作物類型間虛擬水差異

由于河南省從北到南、從東到西溫度和水分等環境條件存在著明顯的區域差異，作物生育期以及作物系數也都不同，加之種植結構的差別，作物單位虛擬水含量以及虛擬水總量在不同作物類型之間差異較大，且呈現出一定的空間格局。根據虛擬水的計算過程可知，作物初級產品單位虛擬水含量的差異來源于該作物單位面積全生育期需水量和作物單位面積產量2個因子，因此分別對各地區不同類型作物的這2個變量予以觀察(圖1和表1)。作物單位面積全生育期需水量在不同地區之間的比較中代表了氣候因子的差異，在不同作物類型之間的比較中代表了作物類型的影響。從圖1和表1可以看到，不同作物類型之間的比較，棉花的單位面積全生育期需水量明顯高于其他兩種作物，但是由于小麥和玉米的單位面積產量明顯高于棉花，所以最終表現為棉花的單位質量耗水量最高而玉米耗水量最少。

圖1 河南各地區主要作物單位面積全生育期需水量Fig．1 Virtualwater contents in the primary crops products of 18 regions in Henan Province

表1 河南省各地區主要作物單位面積產量 t/hm2Tab．1 Primary crops yield per unit area of 18 regions in Henan Province

不同地區之間，同種作物單位面積全生育期需水量的差異比較小，而單位面積產量的差異更為明顯，不同地區之間作物單位虛擬水含量的差異更多是由于單位面積產量的差異造成的，產量高的地區，在同類產品中虛擬水含量也相對小。周口和商丘的小麥和玉米單產很高，較之于其他地區虛擬水量較低。而三門峽、洛陽和平頂山無論是在小麥還是棉花生產上，產量低，其虛擬水含量也高。

據計算2009年河南省小麥的平均虛擬水含量為745．51 m3/t，玉米的平均虛擬水含量為 638．4 m3/t，棉花的平均虛擬水含量為6 478．7 m3/t。從作物的差異來看，棉花單位虛擬水含量在河南省最高，玉米最低。

3．2 小麥單位虛擬水空間分布

小麥單位虛擬水含量低于全省平均水平的有新鄉、濮陽、許昌、南陽、漯河、商丘、周口、駐馬店和信陽，其中漯河最低，僅486．9 m3/t，其次是周口和駐馬店，虛擬水含量高于800 m3/t的地區主要有三門峽、鄭州、開封、洛陽、平頂山、鶴壁和濟源，最高的是三門峽，為1 298．2 m3/t，其次是鄭州。從整體看，小麥虛擬水含量從東南向西北增加，鶴壁、鄭州到平頂山一線以東地區普遍較低，以西則不斷增大;鄭汴洛城市帶地區明顯偏高(圖2)。

圖2 2009年河南省小麥、玉米和棉花單位虛擬水空間分布Fig．2 Spatial distribution of wheat，m aize and cotton virtual water contents in Henan Province in 2009

3．3 玉米單位虛擬水空間分布

玉米單位虛擬水含量低于平均水平的地區有11個地區，其中最低的是許昌，為480．9 m3/t，其次是商丘。玉米虛擬水含量高于全省平均水平的有鄭州、開封、平頂山、鶴壁、三門峽、信陽和濟源，其中三門峽最高，為1 112．6 m3/t，其次是濟源和鄭州。從整體看，玉米虛擬水含量分布比較復雜，高值區集中分布于從東南的信陽到中部的開封、平頂山直至西部三門峽、焦作的彎月形區域，低值區集中分布在西南和東北部(圖2)。

3．4 棉花單位虛擬水空間分布

棉花單位虛擬水含量低于全省平均水平的有安陽、新鄉、焦作、許昌、漯河、南陽、商丘、周口、駐馬店和信陽，其中信陽最低，為4 220．8 m3/t，其次是周口和安陽，虛擬水含量高于全省平均水平的8個地區，其中鶴壁最高，為8 584．3m3/t，其次是三門峽和鄭州。從整體看，棉花虛擬水含量從東南向西北增加，開封、許昌和南陽一線以東地區普遍較低，以西則增大(圖2)。

3．5 基于作物單位虛擬水的水資源配置

根據河南省水資源數據和2009年各地區耕地數量，計算河南省單位耕地地表水占有量和單位耕地水資源總量［14-15］。從單位耕地地表水占有量看，河南省單位耕地地表水的分布呈向東的彎月形分布，東部的豫東平原區較少，南部大別山沿線、西南部伏牛山區和北部的太行山沿線單位耕地地表水含量較高，其中信陽、平頂山、濟源和鶴壁為峰值區。這也是小麥、玉米和棉花作物單位虛擬水含量高的地區。從單位耕地水資源總量看，河南省單位耕地水資源總量西北部高，除信陽和平頂山外，其他地區普遍較低(圖3)。因此，為提高河南省的農業用水效益，在單位耕地地表水占有量多的丘陵和山前平原區，應提高水資源利用率，降低作物單位虛擬水含量。在單位耕地水資源總量較低的中東部平原區應大力推行節水灌溉，提高單位虛擬水含量低的玉米和小麥種植面積，提高單位水資源效益。

4 結論與討論

4．1 結論

(1)河南省的3種主要農作物中，棉花的單位虛擬水含量最高，其次是小麥和玉米，其中玉米最小。作物的單位虛擬水含量由單位面積上的全生育期耗水量和產量共同決定，同種作物在不同地區的單位耗水量不同，單從這個角度看，小麥適宜于在漯河、周口、駐馬店、許昌、信陽、南陽種植，玉米宜在信陽、駐馬店、許昌、商丘、新鄉、安陽和洛陽種植，棉花宜在安陽、焦作、漯河、駐馬店、鶴壁、信陽、周口和南陽種植。(2)作物單位虛擬水含量從東南向西北增加，尤其在東西方向最明顯，但是不同作物又有細微差別。(3)中東部平原區由于單位耕地水資源總量低，因此應擴大玉米、小麥等虛擬水含量較低作物的種植面積。丘陵和山前平原地表水占有較高的地區可適當種植虛擬水含量較高的作物。

4．2 討論

圖3 2009年河南省單位耕地地表水資源和單位耕地水資源分布Fig．3 Surface water resources and water resources per unit crop land in Henan Province in 2009

作為我國重要的糧食主產區，河南省的糧食供應在我國占有舉足輕重的地位，但河南省水資源的分布不均衡，水資源量自北向南逐漸增加，信陽水資源量較豐富，安陽、鶴壁、三門峽水資源量較匱乏。農作物初級產品單位虛擬水含量可以從提高水資源利用效率的角度，為優化區域糧食生產布局提供依據［16］。河南省小麥的單位虛擬水含量僅占全國平均值的70%，玉米的單位虛擬水含量占全國平均水平的86．2%，棉花的單位虛擬水含量是全國的3倍，說明在河南省生產棉花從用水的角度看是不經濟的［17］。根據河南統計年鑒的數據，從1978年到2009年河南省棉花種植面積波動較大，但是從1992年以來，總體趨勢是下降的，即從1992年的124．7萬hm2下降到2009年的53．7萬hm2。這種趨勢符合提高用水效率的要求。在河南省內部18個地區間農作物初級產品單位虛擬水含量也存在著相對差異，在漯河種植1t小麥比在三門峽要節約812 m3水，在許昌種植1t玉米要比在濟源節約465m3水，從虛擬水角度，3種作物在三門峽種植都不是最經濟的，3種作物的橫向比較顯示，在河南省生產棉花的單位質量耗水是玉米的10倍。理論上可以據此對該區農作物種植結構予以調整，達到節約用水的目的，但是這未免過于理想化，農民的種植行為還要受到多種因素的驅動，例如市場因素。因此，想要將用水效益納入到區域農作物布局的參考因素，需要通過特定措施，如調整水價，糧食調入區和種糧地區間財政轉移或種糧補償來實現。

［1］ Allan JA．VirtualWater:A Long Term Solution forWater ShortMiddle Eastern Economies?［EB/OL］．(2005-03-12)［2011-11-09］．http//www soas．ac．uk/Geography/Water Issues/Occasional Papers/Home1 html．

［2］ Hoekstra A Y．Perspectives on Water:A Model Based Exploration of the Future［M］．Utrecht，The Netherlands:Internatonal Books，1998．

［3］ 劉寶勤，封志明，姚治君．虛擬水研究的理論、方法及其主要進展［J］．資源科學，2006，28(1):120-127．

［4］ 程國棟．虛擬水:中國水資源安全戰略的新思路［J］．中國科學院院刊，2003，18(4):260-265．

［5］ 徐中民，龍愛華，張志強．虛擬水的理論方法及在甘肅省的應用［J］．地理學報，2003，58(6):861-869．

［6］ 王新華，徐中民，龍愛華．中國2000年水足跡的初步計算分析［J］．冰川凍土，2005，27(5):774-780．

［7］ 孫才志，劉玉玉，陳麗新，等．基于基尼系數和錫爾指數的中國水足跡強度時空差異變化格局［J］．生態學報，2010，30(5):1312-1352．

［8］ 楊藝，周繼良，吳明作．河南省各地區主要作物生態需水研究［J］．河南科學，2008，26(6):676-680．

［9］ FAO．ETO Calculator:Land and Water DigitalMedia Series 36［M］．Rome:FAO，2009．

［10］ 邵曉梅，嚴昌榮．黃河流域主要農作物的降水盈虧格局分析［J］．中國農業氣象，2007，28(1):40-44．

［11］ 丁德峻，張旭輝．江蘇淮北地區主要作物需水量的初步研究［J］．江蘇省氣象研究，1992，16(3):41-46．

［12］ 中國主要農作物需水量等值線圖協作組．中國主要農作物需水量等值線圖研究［M］．北京:中國農業科技出版社，1993．

［13］ 陳玉民，郭國雙，王廣興，等．中國主要作物需水量與灌溉［M］．北京:水利電力出版社，1995．

［14］ 河南水資源編委會．河南省水資源［M］．鄭州:黃河水利出版社，2007．

［15］ 河南省統計局．河南省統計年鑒2010［Z］．北京:中國統計出版社，2010．

［16］ 黃姣，高陽，李雙成．東北三省主要農作物虛擬水變化分析［J］．北京大學學報，2011，47(3):505-512．

［17］ 孫才志，張蕾．基于分形的中國地均農畜產品虛擬水規模分布的時空演變研究［J］．地理科學，2009，29(3):402-408．