遼河流域(遼寧段)主要農作物生產虛擬水含量計算及其影響要素定量分解

王春華

(遼寧省鞍山市岫巖縣水利事務服務中心，遼寧 鞍山 114300)

農業產品屬于典型的水密集產品，生產所需水資源較多，農業虛擬產品的計算對于區域水資源高效利用和缺水區域的水資源安全十分重要[1]。結合區域糧食和人口以及農業貿易之間的相關性，為水資源較為短缺的區域開發新的水資源量提供較為行之有效的途徑[2]。遼河(遼寧段)屬于遼寧省農作物密集型的區域，區域農業產品用水量較大，近些年來，隨著遼河流域用水矛盾的日益嚴重，農業用水滿足度逐年遞減[3]，為提高區域農業用水效率及用水安全，需要對區域農業產品的虛擬水量進行計算，并對其影響要素進行定量分解。當前，對于區域農業產品虛擬水量的計算得到國內學者的廣泛關注，并取得一定的研究成果[4-9]，但是在遼寧地區還未得到相關應用，為此本文重點針對遼河(遼寧段)區域主要農作物的生產特性，對其主要農作物生成的虛擬水量進行計算。研究成果對于提高區域農作物生產用水效率及用水安全具有重要的參考價值。

1 研究方法

1.1 虛擬水量計算方法

農產品的虛擬水量計算主要包括初級、加工、副產品以及非消耗產品4個類型。首先對初級產品的虛擬水量進行計算，初級產品主要和農作物的類型相關，其計算方程為：

(1)

式中，SWD[n，i]—農業初級產品的生成虛擬水量，m3/t；CWR[n，i]—區域內第i種類型農作物產品的需水量，m3/t；CY[n，i]—區域農作物單位面積的產量，t。在方程中需要對農作物的需水量進行確定，其計算方程為：

CWR[n，i]=ETc=ET0×Kc

(2)

式中，Kc—農作物需水系數；ET0—參考農作物的蒸散發量，mm/d；ETc—農作物的蒸散發量，mm/d。其中參考農作物的蒸散發量計算方程為：

(3)

式中，Rn—農作物表層的太陽凈輻射，MJ/m2/d；Δ—飽和水汽壓與溫度變化曲線的斜率值，kPa/℃；G—土壤的熱能通量，MJ/m2/d；T—區域的平均溫度，℃；γ—土壤的濕度常數，kPa/℃；es—飽和水汽壓，kPa；ed—實測水汽壓，kPa；U2—高度為2m處的平均風速，m/s。加工、副產品以及非消耗產品主要按照初級產品結合其類型進行一定比例的設置。

1.2 通徑分析計算方法

通徑分析方法主要研究變量之間相關關系，并對其相關關系進行定量分解，該方程對變量之間的相互獨立性不做任何相關要求，其計算系數可采用以下方程組進行分析:

(4)

式中，rij—因素i與j的簡單相關方程；riy—變量xi與影響要素Y之間的相關關系；Pi—通徑系數，為變量xi與xj的間接影響要素；riyPi—變量xi對因變量之間的總的貢獻率。

該方法采用決定系數表示影響要素之間的貢獻率，其計算方程為：

(5)

式中，dj—決定系數；dij—xi與xj之間的共同影響因素。

本文選擇氣象、農業生產投入程度、區域的灌溉面積、農業機械投產能力以及農業機械的總動力作為其主要的影響因素進行分析。

2 研究方法

2.1 研究區域概況

本文主要以遼河流域(遼寧段)為主要的研究區域，該區域為遼寧省主要農作物密集區域，主要的農作物為玉米、水稻、大豆。從其各年份農作物的生產潛力(表1)可以看出，各年份玉米的生產潛力最大，平均值為22913kg/hm2，大豆的生產潛力最小，各年份平均值為16824kg/hm2，各農作物的生成潛力呈現較為明顯的遞增變幅，隨著生產潛力的遞增，其農業生產所需水量將出現明顯的遞增變化。為提高區域農業生產用水效率，亟需要對其農業生產的虛擬水量進行計算，從而為區域農業用水高效利用和用水安全提供重要的參考價值。

2.2 農作物生產虛擬水量計算結果

結合農作物生產虛擬水量的計算方法，分別對遼河流域(遼寧段)主要作物類型的生產初級虛水量及生產虛水量進行計算，計算結果見表2—3。

從表2中可看出，遼河流域(遼寧段)主要作物類型的初級虛擬水量總體呈現遞增的變化趨勢，這主要是因為隨著作物生產潛力的逐年增加，其作物的初級虛擬水量也將隨著增加，從其變化幅度可分析，其遞增變幅為1.23億m3/a。從各作物類型的初級虛擬水量分析結果可看出，玉米的初級虛擬水量最大，其次為水稻，大豆的初級虛擬水量最低，這主要是因為在遼河流域玉米是主要的農作物，其作物產量和生產潛力也最大，因此玉米的初級虛擬含水量高于其他2種作物。從表3中可看出，相比于初級虛擬水量，各作物類型的生成虛擬水量都有較為明顯的增加，這主要是因為在遼河流域，水稻和大豆是主要的加工農產品，其加工產品的虛擬水量呈現一定的遞增變化趨勢，而非消耗產品的生成虛擬水量相比較少，區域各作物類型生產虛擬水量主要消耗在初級生產和加工產品上。

表1 遼河流域(遼寧段)主要農作物生產潛力 單位：kg/hm2

表2 區域農作物初級生產虛擬水量計算結果 單位：m3/t

表3 區域農作物生產虛擬水量計算結果 單位：m3/t

2.3 農作物生產虛擬水量與其主要影響要素相關性分析結果

為對農作物生產虛擬水量影響要素進行分析，結合主要的4種影響要素，分析其與農作物生產虛擬水量的相關性，各作物類型與其生產虛擬水量的相關性分析結果如圖1所示。

從圖1中可看出，各作物類型下其農作物耕作的面積和其生產虛擬水量都具有較高的相關性，其相關系數都要高于其他影響因素，這主要是因為農作物耕作面積是區域農產品作物虛擬水量影響較為關鍵的要素，特別是對農作物初級產品的影響比例最大，其相關系數可以達到0.65以上。農作物生產機械動力和農作物生產虛擬水量的相關度也較高，在0.2358～0.5485之間，其中和玉米的相關度較低，與大豆的相關度最高。其次是化學使用效率，一般而言，化學使用效率越高，作物生產所需水量越少，因此其對作物的虛擬水量影響程度也較高。從其相關度分析結果可看出，其相關度均高于農作物生產的機械動力。綜合分析結果可看出，對遼河流域(遼河段)主要作物虛擬水量影響的主要因素分別為作物的耕種面積、氣候影響、農作物機械設備動力以及化肥使用效率。

2.4 農作物生產虛擬水量影響要素定量分解

在主要因素分析的基礎上，結合通徑分析方法對區域農作物生產虛擬水量的主要因素進行定量分解，定量分解結果見表4—6。

表4 玉米生產虛擬水量主要影響要素定量分解結果

表5 水稻生產虛擬水量主要影響要素定量分解結果

表6 大豆生產虛擬水量主要影響要素定量分解結果

從分析結果可看出，各影響要素的總體貢獻度和其相關性分析結果較為一致，耕種面積作為作物生產虛擬水量的主要影響要素，其貢獻度也最大，基本達到60%以上，其中大豆耕作面積的增加，對其生產虛擬水量的影響程度最大，而對玉米影響的程度相對較低，貢獻度也最低。農作物生產機械動力通過對農作物的產量進行影響，從而對其農作物的虛擬水量產生一定程度的影響，從其貢獻度可以看出，其對遼河流域(遼寧段)主要農作物虛擬水量的貢獻度均值達到21.3%。此外，化肥使用效率的提高也將加大農作物的產量，使得其虛擬水量相應增加，從其貢獻度可看出，化肥使用效率對區域各作物類型的農業生產虛擬水量的均值也可達到15.1%，可見，除農作物耕作面積外，農業生產機械動力以及化肥使用效率是影響區域農作物生產虛擬含水量的主要影響因素。從表中還可看出，氣象綜合因子由于對作物的影響主要表現在潛在蒸散發上，對作物生產產量影響稍弱，因此其貢獻度較低。

圖1 區域各作物類型生產虛擬水量與其影響要素分析結果

3 研究結論

(1)在耕作面積不增加的前提下，加大對農業機械設備動力以及提高化肥使用效率可間接影響區域農業虛擬水量，提高農業用水效率以及用水安全，保障遼河流域(遼寧段)農業用水的高效可持續利用。

(2)應結合虛擬水量綜合計算結果，對遼河流域(遼寧段)農作物產品結構類型進行優化，對作物虛擬水量較少的農作物進行類型的增加，而對于高消耗類型的農作物進行農業設備投入和化肥使用效率的轉變，降低其農業產品的虛擬水量。

(3)本文對氣候綜合影響因子選取的指標還較少，而氣候綜合影響主要表現在對農作物潛在蒸散發的影響上，在以后的研究中還需要結合更多的氣象因子進行綜合分析。