河南冬小麥—夏玉米生產耗水結構及其時空差異分析
——基于水足跡視角

秦婭青,王 銳,李瑞華,馬守臣

(1.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院,河南 焦作 454000;2.國土資源部土地資源綜合監測與持續利用野外科學觀測研究基地,河南 焦作 454000)

1 引言

農業用水是糧食生產的重要基礎資源[1]。隨著工業、生活和生態等非農業用水量的大幅增加,我國農業用水量占總用水量的比重從2000年的68.8%降至2016年的62.4%[2,3],水資源緊缺對糧食生產的剛性約束在持續加強,將有限的水資源為糧食生產提供可持續保障面臨著巨大挑戰[4]。在農業用水趨緊的形勢下，對作物生產用水來源、組成和效率的量化成為亟需解決的問題。傳統意義上的作物生產用水一般指灌溉用水[5,6],1993年“虛擬水”的提出發展了對農業生產中作物用水的認識[7]。之后，荷蘭學者Hoekstra于2002年提出用“水足跡”來衡量任何已知人口(國家、區域或個人)在一定時間內生產或消費產品和服務所需水資源的數量，相應的作物生產水足跡為作物生產過程中所消耗的水資源數量[8]。雖然以往對農業生產用水的計量主要以灌溉用水(藍水)使用量為核算標準,但是降水(綠水)在維持生態系統和糧食生產中同樣具有重要的作用[9,10],因此農業生產用水計量研究對象和內容由單一的藍水計算發展到包含藍水和綠水在內[11]。同時,鑒于區域降水時空分布和水土資源匹配的差異性,作物生產用水中藍綠水計量與構成[12,13]、糧食流通所帶來的虛擬水流動對糧食輸出區的影響[14]等成為研究熱點。操信春等學者[15,16]對我國灌區糧食作物生產水足跡進行了量化分析,并對其構成、用水效率進行了分析評價;吳普特等學者[17,18]從虛擬水角度得出在“北糧南運”過程中,伴隨著“北水南調”對糧食輸出區作物生產耗水有了重新認識;嚴冬等學者[19]對作物種植水資源消耗量進行了控制研究,分析了如何調控糧食流通格局以改變虛擬水的流向。

河南省作為我國糧食主產省之一,以冬小麥—夏玉米“一年兩熟”的種植模式為主,其農業用水的保障是其糧食安全戰略中的重要一環[20]。對農業供水而言,河南省多年平均降水量為500—900mm[21],折合降水資源量1100—1600億m3。有效利用降水資源可不同程度地滿足作物生長需要,但由于河南省降水的時空差異明顯,有效降水對糧食生產貢獻的量化較為困難。農業生產水足跡理論對作物生產過程中消耗藍綠水數量和構成進行了核算,深化了傳統水資源核算和評價體系,也促進了對綠水貢獻量化的研究[22]。基于此,本文基于水足跡理論對河南省18個地市主要糧食作物生產耗水進行量化并對其構成進行分析,以明晰降水和灌溉水對糧食生產的貢獻,在此基礎上運用空間自相關分析法對各地市進行時空差異分析,對不同地市的農業用水結構進行分區,為制定全省的農業用水政策，改善農業用水狀況提供理論依據和參考。

2 研究區概況

河南省位于我國中部,地理位置為31°23′—36°22′N、110°21′—116°39′E,土地總面積16.7萬 km2,其中耕地面積8.14萬km2；地勢西高東低,平原和盆地、山地、丘陵分別占總面積的55.7%、26.6%和17.7%;屬暖溫帶—亞熱帶濕潤半濕潤季風氣候,全年無霜期由北向南為180—240天；年均降水量約為500—900mm,南部和西部山地較多,大別山區年均降水量可達1100 mm以上。河南省地跨長江、淮河、黃河、海河4大流域,多年平均水資源總量403.5億m3,其中南陽、信陽、駐馬店、周口等市水資源最為豐富。自2002年開始,河南省糧食總產量實現“十三連增”,持續保持全國第一的位次,對保障我國的糧食安全做出了巨大的貢獻。其中小麥、稻谷占全國的種植比例自2006年的21.2%、2.1%增加到2015年的22.5%、2.2%，玉米種植比例減少了0.3%[23,24]。鑒于水稻種植限于新鄉和信陽局部地區,因此本研究選用冬小麥和夏玉米作為研究對象。

由于歷史與地理因素的影響,將河南省劃分為豫東、豫西、豫南、豫北、豫中5個地區。其中,豫東包括開封、商丘、周口;豫西包括洛陽、三門峽;豫南包括南陽、駐馬店、信陽;豫北包括安陽、新鄉、焦作、濮陽、鶴壁、濟源6市;豫中包括鄭州、許昌、漯河、平頂山。文中按照該行政區劃進行描述。

3 研究數據和方法

3.1 研究數據來源

本研究采用CROPWAT8.0模型計算作物需水量，研究數據包括:①氣象數據。包括河南省18個地市20個氣象站點經度、緯度和海拔高度,以及2006—2015年月平均最高溫度、月平均最低溫度、相對濕度、風速、日照時數和降水量數據。數據來源于中國氣象科學數據共享網。②作物數據。生育期數據來源于中國氣象科學數據共享網,作物系數來源于FAO數據庫。③農業統計數據。包括18個地市冬小麥和夏玉米的種植面積、產量等,來源于2006—2016年《河南省統計年鑒》。

3.2 研究方法

本研究中作物生產水足跡是指生產單位重量的作物(一般為經濟產量)所消耗的廣義水資源量[1,25],按來源不同可分為藍水足跡和綠水足跡。本文應用CROPWAT8.0模型得出的田間作物蒸散發量結合作物單產進行計算,計算公式為:

WF=WFgreen+WFblue

(1)

式中,WF為作物生產水足跡(m3/kg);WFgreen為作物生產綠水足跡(m3/kg);WFblue為作物生產藍水足跡(m3/kg)。

作物生產綠水足跡和藍水足跡根據作物生育期的綠水消耗量和藍水消耗量結合作物單位面積產量進行量化,按下式計算:

WFgreen=CWUgreen/Y=10ETgreen/Y

(2)

WFblue=CWUblue/Y=10ETblue/Y

(3)

式中,CWUgreen和CWUblue為作物生長綠水和藍水資源消耗量(m3/hm2);Y為作物單位面積產量(kg/hm2);常量因子10是將水的深度(mm)轉化為單位陸地面積水量(m3/hm2)的轉化系數;ETgreen和ETblue為作物蒸發蒸騰量中有效降水和灌溉水的部分(mm)。ETgreen和ETblue按下式計算:

ETgreen=min(ETc,Peff)

(4)

ETblue=max(0,ETc-Peff)

(5)

式中,ETc為作物蒸發蒸騰量(mm);Peff為作物生育期所利用的有效降水量(mm)。

作物蒸散發量ETc按下式計算:

ETc=Kc×ET0

(6)

式中,Kc為作物系數;ET0為參考作物蒸發蒸騰量(mm)。根據當地氣象資料，運用CROPWAT模型內嵌的Penman-Monteith公式對參考作物蒸發蒸騰量進行計算。

有效降水量是指降水儲存在土壤中可供作物生長有效利用的那部分降水量。本研究中Peff采用CROPWAT模型中推薦的美國農業部土壤保持局(USDA-SCS)提出的計算方法,公式為:

(7)

式中,Pmonth為月降水量(mm);Pe(month)為月有效降雨量(mm)。該經驗公式主要是以美國22個不同氣候和土壤條件實驗站的50年降水實驗數據為基礎得到,在國內外研究中已得到較為廣泛的應用[15,26]。

4 結果與分析

4.1 作物生產水足跡的時空變化

本文運用CROPWAT模型計算河南省2006—2015年18個地市冬小麥和夏玉米生長藍綠水消耗量,結合各地市作物單產分別對其生產水足跡進行量化,得到2006—2015年各地市作物生產水足跡。選取2006年、2010年、2015年為代表年,冬小麥和夏玉米生產水足跡見圖1。

圖1 2006年、2010年和2015年冬小麥和夏玉米生產水足跡

從圖1可見,冬小麥生產的水足跡總體上高于夏玉米,總體上全省冬小麥生產的水足跡為0.89m3/kg,夏玉米生產水足跡為0.62m3/kg。在年際變化方面,除豫北安陽、鶴壁、濮陽等市冬小麥生產水足跡2015年高于2006年、2010年外,其他地市均呈遞減趨勢。其中,鄭州、開封和信陽降幅最大,表明該地市研究期內生產單位冬小麥耗水量在減少,用水效率在提高。而夏玉米生產水足跡呈不規律分布,隨年際間降水量豐枯而波動較大,其中洛陽、三門峽、信陽變幅最大,同時作物生產水足跡呈現一定的空間差異。為了方便統計,本文以全省作物生產水足跡10年均值為基礎分析其空間上的總體差異特征,結果見圖2。

圖2 河南省冬小麥和夏玉米生產水足跡空間分布

全省冬小麥、夏玉米生產水足跡表現出一定的空間集聚性(圖2)。除信陽外,總體上自西北向東南遞減,高值區主要分布在三門峽、洛陽、鄭州。其中,三門峽冬小麥和夏玉米生產水足跡最高,分別為1.31m3/kg和0.83m3/kg;低值區主要分布在周口、漯河、許昌,其中周口冬小麥和夏玉米生產水足跡最低,分別為0.60m3/kg和0.49m3/kg,不難看出冬小麥生產水足跡空間差異程度明顯大于夏玉米。

冬小麥生育期內降水量少,使降水對冬小麥生長需水滿足程度較低,灌溉用水需求大。生產水足跡中藍水足跡呈西北高東南低,與冬季降水量分布相似。其中,最高值的鄭州為0.85m3/kg,比最低值的信陽高0.59m3/kg;夏玉米生育期同步的雨季降水量多,作物生育期內水分條件得到保證,對夏玉米需水量滿足程度較高,使夏玉米生產以綠水滿足為主,全省范圍內綠水足跡比重均在60%以上,甚至在商丘、駐馬店、信陽等地市達到90%,即豐沛的降水理論上可基本滿足夏玉米生育期所需。

作物生育期需水量由有效降水和灌溉水量來保證,作物生產水足跡的高低由年內作物耗水量和單產決定(圖3)。本研究中冬小麥—夏玉米作物需水量10年間變化不大,作物耗水量的高低直接受到有效降水的影響。因此，有效降水和作物單產水平均較高的地區,如周口、漯河和許昌等地市水足跡最低;有效降水和作物單產均較低的地區，如三門峽、洛陽、鄭州等水足跡最高。

圖3 河南省主要糧食作物單產和年均降水量

4.2 生產水足跡空間自相關分析

通過以上分析可知,河南省冬小麥和夏玉米生產水足跡在空間上呈一定的集聚分布狀態,說明可能受鄰近地市的自然、社會、經濟條件的相似而存在空間關聯[16]。而具體的空間關聯性如何,需要從全局和局部分別進行量化分析,由此進行生產水足跡空間分區格局分析,為分區制定科學合理的用水策略提供理論依據。

全局空間自相關分析:全局空間自相關能描述某要素屬性間的總體空間關聯及其差異情況[28]。本文運用GeoDa軟件得出河南省代表年份冬小麥和夏玉米水足跡全局Moran′s I估計值與檢驗，見表1。

表1 代表年冬小麥—夏玉米生產水足跡的Moran′s I與檢驗

從表1可見,代表年全局Moran′s I估計值均大于0,但并不是所有年份都通過了顯著性檢驗(P=0.05時臨界值為1.96)。從10年總體平均情況來看,冬小麥通過顯著性檢驗,即冬小麥水足跡的高值區在空間上呈集聚分布,低值區趨于相鄰;夏玉米則沒有通過顯著性檢驗,即夏玉米的水足跡在95%置信區間上呈離散分布。

糧食生產水足跡與區域氣候、作物類型、土壤等自然因素有關,同時也與區域用水效率和糧食產量等社會、經濟、管理技術等因素有關[1,10,16]。本研究中夏玉米生產水足跡離散分布的主要原因在于:全省各分區有效降水量和作物單產量差異小,使夏玉米生產水足跡在全省各分區間差異不明顯,呈不顯著集聚;而冬小麥生育期降水不足、不同灌溉方式和用水效率影響藍水消耗量的多少,同時水資源消耗量、水土匹配狀態、管理技術水平間的差異造成小麥單產的差異,因此基于自然、社會、經濟、技術等條件會在區域上表現出地理空間上的相似性,形成全省毗鄰地市冬小麥生產水足跡的空間集聚性。

表2 代表年作物生產水足跡的LISA屬性

注:HH表示某一地市和周圍地市的屬性值都較高，LH表示某一地市屬性值較低而其周圍地市較高，LL表示某一地市和周圍地市的屬性值都較低，HL表示某一地市屬性值較高而其周圍較低;*表示達到p=0.05顯著水平。

局部空間自相關分析:由于全局Moran′s I指數為總體自相關統計量,并不能表示具體區域的空間集聚特征,因此采用空間關聯局域指標LISA指數來進一步分析全省冬小麥—夏玉米生產水足跡區域分布的時空演變特征。本文利用GeoDa軟件得出河南省不同地市的LISA指數,顯著性檢驗見表2。

表2顯示,河南省各地市間冬小麥和夏玉米局部空間自相關屬性差異明顯,但從年際變化上看總體較穩定,說明作物生產水足跡的局部分異特征隨作物類型的差異較大,隨時間變化的差異較小。具體來看,冬小麥生產的水足跡局部屬性表現為正相關(HH和LL)的地市個數占較大部分,不同年份均在11個地市以上。其中,豫西三門峽、洛陽因高耗水低單產穩定處于HH區,豫東、豫南漯河、周口、商丘、駐馬店因其糧食生產水平高,水資源利用效率高穩定處于LL區,表明冬小麥生產水足跡高值地市和低值地市分別形成顯著的集聚區,而低值區地市個數多于高值區地市,表明冬小麥生產水足跡低值區集聚性更強。相比較而言,夏玉米生產水足跡整體呈不顯著集聚(表1),局部分異特征表現為正相關(HH和LL)的地市個數僅占1/2左右,表明夏玉米生產的水足跡高值區與低值區集聚性相較冬小麥更弱,而HL和LH區地市較多表明空間穩定性較弱,非典型性地市較多。

5 政策建議

由于全省各地區間存在水土資源空間分布不均[29]、利用效率不一[30]等問題，康紹忠院士在華北地區適水農業發展報告中指出,緩解用水緊張可從壓面積、調結構、新品種、增供水四個層面入手,但面對農業用水占比持續降低和河南省傳統種植模式調整困難的現實條件,在作物生長期實施開源節流措施成為河南省適水農業的主要發展方向。由于河南省各地市的自然與社會經濟條件與農業管理間的差異,作物生產耗水量和用水效率也呈現明顯不同，因此根據藍綠水資源特點和水足跡分異特征,制定糧食生產用水效率分區改進措施,因地制宜地實施節水是農業發展的必經之路。

考慮河南省行政區劃和作物生產耗水空間分布特征,對全省各分區提出以下幾條改進措施:①豫北地區地勢平坦、土壤肥沃,良好的種植傳統使其作物生產水足跡較低,但是冬季降水量少直接導致冬小麥生育期內對地下水的過量開采,研究期內地下水埋深變化明顯。王書吉等[31]通過實驗得出，減少單位面積灌溉水量對冬小麥產量的影響較小,冬小麥生長中水分適度虧缺并不一定造成減產的結論在研究中得到驗證。因此,發展半旱地農業可作為一個更好的選擇,在充分利用降水基礎上實施少量灌溉水以有效緩解冬季灌水緊缺態勢,減輕對地下水的過分開采;或將雨季多余降水資源進行儲備、調蓄,用作作物生育期灌溉用水,以減少灌溉用水消耗。②豫西地區作物生產水足跡高是由于作物生產耗水高單產低,借鑒趙西寧[32]、山侖[33]對黃土高原和黃淮海典型區農業發展研究,充分利用當地天然供水,對降水在時間空間上進行調配、存儲,優化水資源的時空分布用作缺水期作物生長灌溉所需。豫西山地丘陵地形具備集雨補灌實施條件;或針對其地形條件通過修筑梯田攔蓄水流以增加土壤入滲,將降水資源有效多轉化為土壤水,在提高降水有效利用的同時實現產量與用水效率同步提高。③豫東平原區許昌、周口農業生產條件優越、作物生產水足跡低,夏玉米單產仍有提升潛力,因此節水高效的精準農業是未來的最佳發展方向[34]。同時也應認識到，農業生產的集約化和適度規模化是先進的水利灌溉技術和管理體制充分發揮作用的重要因素。④豫南的駐馬店、信陽、南陽是降水資源最為豐富的地區,但實際生產中作物單產低、生產水足跡高。究其原因，該地區在于用水效率低,水資源浪費嚴重。從這些地區冬小麥生產水足跡呈遞減之勢可見,其農業用水效率在逐步提高。此外,信陽市是河南省的水稻主產區,耕作、灌溉方式都會對用水效率產生較大影響[35],在這種情況下,應加大管理技術投入力度、完善相關配套設施、適當調整種植結構、優化灌溉模式，以充分利用降水資源,提高用水效率[36]。⑤農業種植比較效益低導致農業發展受限一直都是農業發展中不可回避的現實問題,在經濟快速發展地區表現得更為明顯[37]。如豫中鄭州、洛陽等市農業種植中耕地不足,作物單產低、用水效率低，該區域應利用經濟技術優勢,大力引進農業節水設備,發展節水農業。同時,城市發展中對地下水只增不減的需求同樣需要控制,通過提高水資源利用效率以逐漸緩解地下水埋深中心的擴大,減輕對地下水系統施加的壓力。

綜合河南省各地市降水條件、糧食生產水平、用水效率以及地市水土資源匹配狀態和社會經濟發展能力,討論不同類型地市糧食生產中農業用水發展的相關建議。過分依賴地下水不是長遠發展之計,切實進行農業(灌溉)用水供給側改革,加大對集雨及其他工程供水的技術投入,減輕對地下水的掠奪,扼制地下水漏斗區的蔓延,才能在維護生態健康發展的同時實現農業的可持續發展。

6 討論與結論

CROPWAT模型中作物蒸散發量有作物需水量法和灌溉制度法兩種計算方法：前者是估算作物生長不受水分脅迫的理想狀態的作物蒸散發量,后者則依據地區不同灌溉方式,估算土壤水分脅迫影響下的作物蒸散發量。鑒于省域研究尺度下各地市自然氣候條件有一定的差異,灌溉條件不一、數據收集完整度差,因此本研究選用作物需水量法進行估算,考量不受水分脅迫影響下的作物需水量中有效降水和灌溉耗水構成。在沒有灌溉水源補充的情況下,作物生育期水分消耗僅靠雨季降水的支撐,使該方法計算下的作物生產藍水足跡偏高,有效降水對作物生長的貢獻度也高于數值計算結果。但是通過對全省取多年均值進行生產耗水構成和時空差異分析仍可得出河南省全省范圍內農業用水的整體結構以及區域分布差異特征。

本文以作物生產水足跡為核算指標,對2006—2015年河南省冬小麥—夏玉米種植模式下的作物生產耗水分別進行量化并對其構成時空差異進行分析，初步得出以下結論:①冬小麥生產水足跡總體高于夏玉米,總體上全省冬小麥生產水足跡為0.89m3/kg,夏玉米生產水足跡為0.62m3/kg。在年際變化方面,冬小麥生產水足跡總體呈遞減趨勢,其中鄭州、開封和信陽降幅最大;而夏玉米生產的水足跡呈不規律分布,隨年際間降水量豐枯而波動較大。②作物生產水足跡的高低由年內作物耗水量和單位面積產量決定。全省范圍內冬小麥最高值與最低值分別為1.31m3/kg、0.60m3/kg,夏玉米分別為0.83m3/kg、0.50m3/kg。在空間分布特征方面,冬小麥生產水足跡高值地市和低值地市分別形成顯著的集聚區;夏玉米生產水足跡則非典型性地市較多,分區間集聚性相較于冬小麥更弱。③在作物生產耗水構成方面,冬小麥藍水足跡占生產水足跡比值高于夏玉米,呈北高南低的分布特征;夏玉米則綠水足跡占生產水足跡比值高于冬小麥,驗證了時空分布不均的降水資源在農業生產中的重要作用,應加強對農業生產主要供水來源的降水資源的有效利用。