新疆2000-2012年主要農作物虛擬水含量計算與分析

張 潤, 劉志輝, 秦 艷, 郭小云, 聶 敏, 蘇向明

(1.新疆大學 資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學 教育部綠洲生態重點實驗室, 烏魯木齊 830046;3.新疆大學 干旱生態環境研究所, 烏魯木齊 830046; 4.干旱半干旱區可持續發展國際研究中心, 烏魯木齊 830046)

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新疆2000-2012年主要農作物虛擬水含量計算與分析

張 潤1,2, 劉志輝2,3,4, 秦 艷1,2, 郭小云1,2, 聶 敏1,2, 蘇向明1,2

(1.新疆大學 資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學 教育部綠洲生態重點實驗室, 烏魯木齊 830046;3.新疆大學 干旱生態環境研究所, 烏魯木齊 830046; 4.干旱半干旱區可持續發展國際研究中心, 烏魯木齊 830046)

從農作物虛擬水角度出發，基于彭曼公式結合CROPWAT軟件計算、分析了新疆2000—2012年主要農作物的單位質量農作物虛擬水含量和農作物的虛擬水總量。結果表明：新疆主要農作物虛擬水含量從高到低為：棉花、小麥、玉米、薯類、蔬菜；從2000—2012年，各類作物的單位質量虛擬水含量呈下降趨勢，但各類農作物虛擬水總量大體上均呈現上升趨勢，主要農作物虛擬水含量下降與新疆各地區采取節水灌溉技術、提高單位面積產量密切相關，虛擬水總量大幅度增加主要是因為農作物的種植面積的擴大和產量大幅度的提升。從虛擬水視角對農作物政策和結構進行調整，為新疆實施水資源管理提供決策，同時對于新疆的生態保護具有重要意義。

虛擬水; 新疆; 主要農作物

虛擬水是Tony Allan提出的新概念[1-2]，虛擬水戰略[3-5]是指貧水國家或地區通過貿易的方式從富水國家或地區購買水密集型農產品(尤其是糧食)來獲得水和糧食安全。2003年來，虛擬水戰略作為一種解決水資源短缺地區水資源安全的新思路引進到中國。虛擬水戰略成為水資源匱乏的國家和地區平衡水赤字的戰略性手段，是緩解水危機和水安全的一種有效調控措施。相對于實體水運輸和跨流域調水工程而言，具有更易操作性、更為便捷求成本較低的特點，為緩解經濟發展與資源短缺之間的矛盾提供了一條新思路。

虛擬水戰略是水資源社會化管理的體現，是水資源管理進入到最高層次而尋求的解決方案，虛擬水戰略將自然資源的稀缺上升到為社會資源的稀缺高度，通過制度及結構的調整來解決水作為自然資源區域性稀缺的問題，促進了水資源管理觀念和制度創新。新疆實施虛擬水戰略的意義[6]：第一，當前新疆水資源與浪費、短缺與污染、短缺與管理粗放多重問題交織。因此，“開源節流并重，節流優先，治污為本”依然是當前及今后新疆水資源管理始終要堅持的原則。第二，新疆具有獨特的地緣優勢，與比鄰國家形成了資源優勢互補關系，且具有較明顯的技術比較優勢。因此要充分發揮這種潛在優勢，鼓勵、支持技術密集型產品的生產和出口，充分利用資源之間的替代效益，以緩和水資源緊缺現狀。第三，新疆生態環境十分脆弱，正確運用虛擬水戰略不但不影響當地的社會經濟發展，而且有助于生態環境的恢復和重建。同時當前新疆跨越式發展戰略為虛擬水戰略的實施提供了寬松的政策環境和體制保障。中國虛擬水研究起步較晚，特別是對新疆等干旱區的虛擬水缺乏深入研究，大多數研究集中在虛擬水戰略意義探討[7-9]，而對定量分析和實際應用方面的研究較少。本文計算和分析了新疆2000—2012年主要農作物的單位質量虛擬水含量和主要農作物的虛擬水總量，旨在通過對各主要農作物的虛擬水含量及其變化過程的分析，為農作物結構調整和水資源管理提供依據。

1　研究區概況

新疆位于歐亞大陸腹地內陸干旱區，氣候屬典型大陸性干旱氣候，干燥少雨，蒸發強烈。山區降水豐沛，98%的水資源形成于山區，而平原區和沙漠區，降水量除少量補給地下水外很少或不產生地表徑流，是徑流的散失區和無流區。新疆多年平均年降水總量為2 544億m3,折合年降水深154.8 mm，為全國平均降水深的23%[10]。其中，山區降水量占全疆降水總量的81.1 %，平原區占18.9 %。多年平均地表水資源量為789億m3，地下水水資源量為331億m3，水資源總量為840億m3。新疆水資源主要由降水、高山冰雪融水補給，由河流經山區排泄到平原。通過水循環，蒸發消耗或消失于沙漠之中。新疆面積廣闊，山地、荒漠和綠洲交錯，是典型的山地—綠洲—荒漠生態系統，生態系統脆弱。其中，綠洲是受干旱區自然和人文因素雙重影響的自然生態系統，比一般生態系統更脆弱[11]。

新疆是農業大省，水資源主要用于農業生產，工業產品的虛擬含水量相對于農產品而言數量較少，生產流程較為復雜，計算難度大，暫忽略不計，所以把農作物虛擬水含量的計算作為新疆虛擬水計算中的重要部分。

2　研究方法

農作物產品生產需要的水資源主要取決于農作物的類型、生長區域的自然地理條件、灌溉條件和管理方式等。因此農產品的虛擬水計算就是對特定地點農產品需水量的一種體現[12]。

2.1農作物中的虛擬水計算方法

根據聯合國糧農組織(FAO)的作物需水量和作物產量資料，計算在不同國家或地區每種農作物的虛擬含水量。

式中：SWD(n,c)——區域n作物c的虛擬含水量(m3/t)；CWR(n,c)——區域n作物c生長期內每公頃的需水量(m3/hm2)；CY(n,c)——區域n作物c的產量(t/hm2)。

作物需水量CW是作物整個生長期內累積的土壤蒸發量ETc(mm/d)計算獲得：

ETc=ET0×kc

式中：ETc——區域n作物c生長期內土壤蒸發量(mm/d)；kc——作物系數,是說明實際作物相對于參考作物的覆蓋度和表面粗糙度的差異，是實際作物與參考作物的物理和生理等各種因素的不同的綜合反映。

參考作物的需水量根據聯合國糧農組織的推薦可采用修正的標準彭曼公式計算ET0[13]：

式中:Rn——作物表面的凈輻射量(MJ/m);G——土壤熱流量(MJ/m);T——平均氣溫(℃);U2——離地面兩米高出風速(m/s);ea——飽和狀態下的蒸氣壓力(kPa);ed——實際蒸氣壓力(kPa)；Δ——蒸氣壓力曲線斜率(kPa/℃);γ——干濕度常量(kPa/℃)。

2.2數據資料

農作物虛擬水含量是通過使用聯合國糧農組織推薦的CROPWAT8.0軟件、CROP數據、CLIMATE數據庫來計算的。CROPWAT8.0軟件采用聯合國糧農組織推薦的修正彭曼公式，使用在CROP數據庫、CLIMATE數據庫中提取相關地區的氣候、土壤系數計算出參考作物的需水量，然后運用彭曼公式，引入不同作物參考系數Kc對數值進行修正，進而得到所選作物的需水量。然后再利用相關的統計年鑒提取作物單位面積產量，從而得出所求作物單位質量虛擬水含量,主要農作物的種植面積和產量數據來自2001—2013年新疆統計年鑒。

3　結果與分析

3.1作物需水量與單位面積產量

選取新疆本地種植結構比例和耕地面積較大的農作物，有小麥、玉米、棉花、薯類、蔬菜，通過CROPWAT8.0軟件計算出各地區主要農作物的需水量，求出新疆主要農作物平均需水量,計算結果如表1所示；農作物的單位面積產量可通過查找2001—2013年新疆統計年鑒的種植面積和產量數據進行計算獲得，計算結果如表2所示。

表1　新疆主要農作物需水量　mm

表2　新疆主要農作物的單位面積產量　kg/hm2

3.2虛擬水含量與虛擬水總量

用單位面積農作物需水量除以該農作物的單位面積產量，可以得到單位質量農作物的虛擬水含量，計算結果如圖1所示；最后，用單位質量農作物的虛擬水含量與總產量相乘可得到生產農作物的虛擬水含量，計算結果如圖2所示。因為統計年鑒相只有小麥、玉米的相關數據，冬小麥和春玉米的單位面積需水量大，故小麥、玉米部分分別取冬小麥和春玉米的單位面積需水量值。

由圖1可以看出，新疆主要農作物單位虛擬水含量，從高到低順序為：棉花、小麥、玉米、薯類、蔬菜。棉花的單位虛擬水含量遠大于其他農作物，以2012年為例，生產1 kg的棉花需要4.397 0 m3的水，而生產1 kg小麥、玉米分別需要1.111 9，1.004 5 m3的水，所以生產棉花的耗水量是小麥的近4倍，玉米的4倍，說明棉花的的耗水量最大，薯類和蔬菜的耗水量較小。從農作物單位虛擬式含量變化的時間序列來看，小麥、玉米、薯類、蔬菜各年份的虛擬水含量較為穩定，變化不大；棉花的虛擬水含量波動較大，總體呈下降趨勢，從最高虛擬含水量的6.510 1 m3/kg下降到4.397 0 m3/kg，這與政府重視農業節水灌溉政策，采取先進的滴灌技術和提高單位面積產量有關。

圖1　新疆主要農作物單位質量虛擬水含量

圖2　新疆主要農作物虛擬水總量

由圖2可以看出，新疆主要農作物虛擬水總量，從高到低順序為：棉花、小麥、玉米、蔬菜、薯類。棉花的虛擬水總量最大，一方面是因為單位虛擬水含量最高，另一方面是因為棉花是新疆的主要經濟作物，種植面積大最大，產量較高。從農作物的虛擬水總量的時間序列來看，各類農作物虛擬水總量大體上均呈現上升趨勢，其中棉花增幅最大，小麥、玉米次之，雖然農作物單位質量虛擬水含量有所下降，但農作物種植面積的擴大和產量的提高，使虛擬水總量扔保持上升趨勢，其中棉花最為顯著。說明各項農作物的用水規模都在不斷擴大，棉花是用水大戶。

4　結論與討論

4.1結 論

(1) 新疆主要農作物單位虛擬水含量，從高到低順序為：棉花、小麥、玉米、薯類、蔬菜。從高到低為：棉花、小麥、玉米、薯類、蔬菜，棉花的單位虛擬水含量遠大于其他農作物。(2) 新疆主要農作物虛擬水總量，從高到低順序為：棉花、小麥、玉米、蔬菜、薯類，棉花的虛擬水總量遠大于其他農作物。(3) 從時間序列來看，新疆主要農作物單位虛擬水含量大體上呈下降趨勢，然而虛擬水總量呈上升趨勢；主要農作物虛擬水含量下降與新疆各地區采取節水灌溉技術、提高單位面積產量密切相關，虛擬水總量大幅度增加主要是因為農作物的種植面積的擴大和產量大幅度的提升。

4.2討 論

依據2000—2012年新疆主要農作物虛擬水分析的結論，可以做出相應的水資源管理決策：(1) 對農作物種植結構進行調整，適當減少高耗水作物如棉花的種植，適當增加蔬菜、薯類等低耗水農作物的種植面積。(2) 加強農產品的虛擬水貿易，新疆處于西北邊緣，可以利用資源優勢和地緣優勢，出口低耗水農作物，進口高耗水農作物。

棉花的種植在新疆農業結構中占有很大的比例，也產生著巨大幾經濟效益；減少棉花的種植比例，勢必會影響當地經濟收入來源。我們如何控制農作物的種植面積、減少高耗水農作物的種植，又要保證經濟穩步發展，有待進一步研究。

虛擬水戰略在新疆的實施，有利于生態環境的改善。應用虛擬水戰略調整農業種植結構和進出口貿易，解決糧食和農產品供應，平衡區域水資源利用赤字，并將節約下來的有限實體水轉向生態環境恢復保護以及低耗水高效益產業，既可以保障經濟的穩步發展，又可以增加生態環境用水，保障生態安全，使達到人地和諧。

[1]Allan J A. Fortunately there are substitutes for water otherwise our hydro-political futures would be impossible [C]∥Priorities for Water Resources Allocation and Management. London: ODA:1993:13-26.

[2]Allan J A. Overall perspectives on countries and regions [C]∥ Rogers P， Lydon P. Water in the Arab World: perspectives and prognoses, Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts, 1994: 65-100.

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[12]田貴良.虛擬水貿易論[M].北京:中國水利水電出版社,2010.

[13]Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements-FAO Irrigation and drainage paper 56[R]. FAO, Rome, 1998.

Calculation and Analysis of Major Crop Virtual Water in Xinjiang from 2000 to 2012

ZHANG Run1,2, LIU Zhihui2,3,4, QIN Yan1,2, GUO Xiaoyun1,2, NIE Min1,2, SU Xiangming1,2

(1.School of Resources and Environment Science, Xinjiang University, Urumqi 830046, China;2.KeyLaboratoryofOasisEcology,MinistryofEducation,Xi-jiangUniversity,Urumqi830046,China;3.InstituteofAridEcologyandEnvironment,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 4.InternationalCenterforDesertAffairs-ResearchonSustainableDevelopmentinAridandSemi-aridLands,Urumqi830046,China)

From the perspective of virtual water of crops, the amount of virtual water per unit weight of major crops and the total amount of virtual water of major crops were calculated and analyzed based on Penman formula combining CROPWAT software from 2000 to 2012 in Xinjiang. The results showed that the virtual water of major crops was ranked from high to low as cotton, wheat, corn, potato, vegetable; the amount of virtual water per unit weight of major crops in Xinjiang decreased, but the total amount of virtual water generally showed the upward trend. The former was closely related with each region of Xinjiang adopting water-saving irrigation technology and increased yield per unit area, and the later was mainly due to the expansion of planting area and the great improvement of yield. From the perspective of virtual water, we can adjust the farming policy and crop planting structure, and provide decision for implement of water resource management, having the important significance for ecological protection in Xinjiang.

virtual water; Xinjiang; major crops

2014-06-26

2014-08-26

水利部公益性行業科研專項(201301103);國家自然科學基金重點項目(41130531);國家自然科學基金面上項目(41171023)

張潤(1989—),男,河南洛陽人,碩士研究生,研究方向為水文學與水資源。E-mail:zhangrundili@163.com

劉志輝(1957—),男,新疆石河子人,教授,博士生導師,主要從事水文學與水資源,資源環境與空間決策支持等研究。E-mail:lzh@xju.edu.cn

TV213.4

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1005-3409(2015)04-0265-04