寧夏固原市主要農作物生產水足跡分析

齊婭榮， 張嗣曌， 唐 蓮,2,3， 陳炯利

(1.寧夏大學 土木與水利工程學院， 寧夏 銀川 750021； 2.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021； 3.旱區現代農業水資源高效利用教育部創新團隊， 寧夏 銀川 750021)

1 研究背景

隨著經濟的飛速發展，人們開發利用水資源的需求越來越大，實體水利用已達到自然資源的巔峰，而"水足跡與虛擬水"的出現為解決目前水資源短缺問題提供了一條有力途徑。Hoekstra等[1]于2002年提出水足跡的概念，指出水足跡為一定區域內人口消費的商品和服務所耗用的水資源量。寧夏南部山區是典型的水資源短缺地區，水足跡理論可為寧夏解決水資源短缺以及當地水資源規劃管理提供參考。

目前國內主要針對北方地區的糧食作物水足跡進行研究。馮變變等[2]基于水足跡，計算了2005-2014年山西省6種主要糧食作物的藍水和綠水足跡，得到玉米的總水足跡為全省最高且在年際間有增長趨勢，但水足跡整體上均呈逐年下降趨勢。馬鳳才等[3]對黑龍江省2005-2015年的主要糧食水足跡進行計算分析，得到藍水足跡除了水稻呈上升趨勢外，其余作物均呈下降趨勢；大部分作物的綠水足跡均呈上升趨勢；玉米的灰水足跡保持穩定上升的態勢，小麥整體呈下降趨勢。付強等[4]計算了黑龍江省各地2007-2012年的糧食水足跡，得到糧食作物灌溉用水量逐年增加，糧食藍水足跡明顯低于綠水足跡，糧食生產主要依賴綠水，這與當地降水情況密切相關。楊裕恒等[5]基于水足跡理論，對1997-2013年濟南市農作物的用水量進行了計算，結果顯示濟南市水足跡中綠水、藍水、灰水足跡均呈逐年增加趨勢，且農作物中的小麥、玉米、蔬菜種植占主要地位，這與山東省是我國糧食生產基地的實際情況一致。宋智淵等[6]對1980-2012年敦煌市農業水足跡進行計算評價，結果得到農業水足跡呈逐年上升趨勢。韓宇平等[7]分析了2000-2015年京津冀地區作物藍水、綠水、灰水足跡，得到在此期間, 綠水足跡所占比例呈增長趨勢, 藍水足跡呈下降趨勢, 灰水足跡呈先增后降趨勢。李紅穎等[8]計算分析了長春市1960-2012年玉米生產水足跡，得到玉米的綠水、藍水足跡占比逐漸減少，而灰水足跡占比呈上升狀態，化肥施用量的增加是導致灰水足跡上升的主要原因。通過對大量農業作物水足跡的研究，可以為當地農業種植結構以及農業水資源分配利用提供理論依據。

寧夏地區用水主要以農業為主，固原市是寧夏南部山區的代表地區，同時也是中國四大馬鈴薯種植基地之一和中國北方特色苗木基地[9]，故本文基于水足跡理論對固原市主要農作物的藍水、綠水及灰水足跡進行分析，并以此為基礎優化作物種植模式，提高水資源利用率，對固原市保障糧食安全和水生態安全、保障經濟社會可持續發展具有重要意義。

2 研究區域概況

寧夏固原市位于我國黃土高原的西北部，屬于黃土丘陵溝壑區。海拔大部分在1 500～2 200 m之間。地域范圍為北緯35°14″～36°38″、東經105°20″～106°58″[9]。固原市屬于半干旱暖溫帶，是典型的大陸性氣候，具有冬天嚴寒漫長、夏天炎熱干燥、一年四季晝夜溫差大、災害性天氣多、區域降水差異大等特征。年平均氣溫在5.8～7.8℃之間，降水稀少，年降水量306.9 ～737.7 mm，日照充足，全年降水時空分布不均，出現間歇性干旱[9]。

3 研究方法與數據來源

3.1 研究方法

3.1.1 作物生長過程中藍水、綠水足跡計算 1995年，Falkenmark以雨養農業和糧食安全問題為基礎提出了藍水、綠水的概念[1]，2002年，Hoekstra等[1]又進一步指出將藍水和綠水足跡作為測量水資源消耗的指標。藍水足跡是指作物生長過程中所消耗的地表水和地下水，這里主要指作物生長過程中消耗的灌概用水量[10]；綠水足跡主要指作物在生長過程中吸收和利用的有效降水量[11]。計算公式如下：

ETblue=max(0,ETc-Peff)

(1)

ETgreen=min(ETc,Peff)

(2)

式中：ETblue為藍水蒸發蒸騰量，mm；ETgreen為綠水蒸發蒸騰量，mm；ETc為作物的蒸發蒸騰量，mm；Peff為有效降水量，mm。 若Peff大于ETc，則ETblue為0，否則ETblue為ETc與Peff之差；ETgreen取決于ETc與Peff中的較小值。

根據CROPWAT8.0軟件可得單位面積作物的蒸發蒸騰量(ETc)和有效降水量(Peff)。

由公式(1)、(2)計算可得作物的藍水、綠水蒸發蒸騰量，根據作物需水量的計算，作物的蒸發蒸騰量即為作物的需水量。藍水足跡、綠水足跡公式如(3)、(4)所示：

WFblue=CWRblue·A=10ETblue·A

(3)

WFgreen=CWRgreen·A=10ETgreen·A

(4)

式中：WFblue、WFgreen分別為藍水足跡、綠水足跡，m3/a；CWR為單位面積作物的年需水量，m3/(hm2·a)；A為作物的種植面積，hm2； 10為水深(mm)轉化為單位陸地面積水量(m3/ hm2)的轉化系數。

3.1.2 作物生長過程中灰水足跡計算 灰水足跡的概念由Hoekstra等[12]于2008年首次提出，后經水足跡網絡灰水足跡工作小組完善, 將其定義為以自然本底濃度和現有的環境水質標準為基準，吸收一定的污染物負荷所需的淡水水量[13]。農業生產通常會使用大量的化肥和農藥來提高農作物的產量，這些多余的肥料及農藥會滲入地下或進入地表徑流造成地下水和地表水的污染[14]。根據對固原市化肥使用情況了解得知，氮肥在所有使用的化肥中占比最大。因此，以氮元素作為作物灰水足跡的研究指標[15]。受數據收集影響，本文灰水足跡計算僅考慮氮肥對水質造成的污染，沒有考慮其他農藥對水質的影響。

作物灰水足跡計算公式如下[16]：

(5)

式中：WFgrey為灰水足跡，m3/a；L為年產量，kg/a; ?為氮肥的淋失率；Appl為氮肥使用量，kg/a；Cmax為現有環境水質標準下氮元素的最高排放濃度，kg/m3；Cnat為自然條件下水體中氮元素的質量濃度，kg/m3。

根據《第一次全國污染源普查-農業污染源肥料流失系數手冊》將氮元素淋失率確定為10%[15]；Cmax值根據《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)中的Ⅲ類水標準確定為0.01 kg/m3[17]；Cnat值通常設定為0[17]。

3.1.3 作物生長過程中總水足跡計算 作物生長總水足跡是指作物在整個生長過程中所利用的總水資源量，包括有效降水(綠水)、來自地表或地下的灌溉用水(藍水)以及由氮肥所引起的污染水(灰水)，其為評價作物生產過程中水資源消耗及用水效率的綜合指標[18]，計算公式如下[19]：

WF總=WFgreen+WFblue+WFgrey

(6)

式中：WF總為灰水足跡，m3/a；WFgreen、WFblue、WFgrey分別為綠水足跡、藍水足跡、灰水足跡，m3/a。

3.2 數據來源

主要農作物的播種面積、產量及化肥使用情況均來源于《寧夏統計年鑒(2009-2017)》；利用CROPWAT8.0軟件計算所需數據來源于聯合國糧農組織的CROP數據庫、CLIMATE2.0 數據庫(http://www.fao.org/land-water/databases-and-software/en/)；寧夏固原市氣候數據(月最高氣溫、月最低氣溫、平均濕度、平均風速、日照時數)來源于《寧夏統計年鑒(2009-2017)》和中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)；固原市主要農作物(馬鈴薯、油料、玉米、瓜果類、蔬菜、小麥)產量數據來源于《寧夏統計年鑒(2009-2017)》。

4 固原市主要農作物生產水足跡計算與分析

4.1 主要農作物種植面積現狀分析

根據《寧夏統計年鑒(2009-2017)》所統計的寧夏固原市的主要農作物播種面積及其變化趨勢以及2017年各主要農作物播種面積所占比重分別見圖1和2。

由圖1可以看出： 2009 -2017年，固原市主要作物年均播種面積按大小排列為：馬鈴薯、玉米、小麥、蔬菜、油料作物以及瓜果類。2009-2016年，馬鈴薯的種植面積一直位居第1，但呈現逐年下降趨勢；小麥的播種面積在2010年最大，自此之后也呈現不斷減少的趨勢；玉米的播種面積呈平穩增長趨勢；油料作物與蔬菜種植面積變化趨勢都是呈現先增長后下降趨勢，不同的是油料作物從2012年開始出現明顯下降趨勢，而蔬菜從2016年開始呈現下降趨勢，在此之前均為穩定上升趨勢；瓜果類的種植面積最小且變化趨勢不明顯。

由圖2可以看出：2017年玉米的種植面積最大，為8.98×104hm2，占總種植面積的36%；馬鈴薯種植面積僅次于玉米，為7.21×104hm2，占總種植面積的29%；小麥為4.17×104hm2，占總種植面積的17%；蔬菜種植面積為3.19×104hm2，占總種植面積的13%；油料作物的種植面積為1.61×104hm2，占總種植面積的6%；瓜果的種植面積為0.01×104hm2，占總種植面積的0.1%。寧夏固原市糧食作物播種面積占總種植面積的81%，遠高出其他作物的種植面積；經濟作物占總播種面積的19%，其中主要為蔬菜。由此可以得出寧夏固原市農業是以糧食作物為主、經濟作物為輔的種植結構。

4.2 主要農作物水足跡分析

4.2.1 主要農作物藍水足跡分析 根據公式(1)和(3)，借助CROPWAT8.0軟件對作物的藍水足跡進行計算，計算結果如表1所示。

由表1可以得出： 2015年固原市的藍水足跡最高，這也表明2015年灌溉用水量最高。其次為2011年，2013年最低。2015年各主要作物中，瓜果的藍水足跡最低，為0.0075×108m3，占2015年固原市總藍水足跡的0.065%；馬鈴薯的藍水足跡最高，為4.3937×108m3，占2015年總藍水足跡的38.28%，這主要是由于馬鈴薯的種植面積為所有作物中最大，因此所用的灌溉水量最多；其次是玉米為2.5108×108m3，占2015年總藍水足跡的21.87%；小麥的藍水足跡為1.7428×108m3，油料作物的藍水足跡為1.5800×108m3，蔬菜的藍水足跡為1.2435×108m3，占比分別為15.18%、13.77%、10.83%。2011年各主要作物中，瓜果的藍水足跡最低，為0.0091×108m3，占2011年總藍水足跡的0.084%；馬鈴薯的藍水足跡最高為3.9614×108m3，所占比重為36.72%；其次是小麥為2.9330×108m3，占比為27.19%；玉米是1.2380×108m3，油料作物是1.8373×108m3，蔬菜是0.8085×108m3，分別占2015年總藍水足跡的11.48%、17.03%、7.49%。

4.2.2 主要農作物綠水足跡分析 根據公式(2)和(4)，借助CROPWAT8.0軟件對作物的綠水足跡進行計算，計算結果如表2所示。

圖1 寧夏固原市主要農作物多年種植面積變化趨勢 圖2 2017年寧夏固原市主要農作物種植面積所占比例

表1 寧夏固原市2009-2017年各主要農作物藍水足跡 108 m3

表2 寧夏固原市2009-2017年各主要農作物綠水足跡 108 m3

由表2可以看出：2013年固原市總綠水足跡最高，這與農作物的種植面積密切相關。

由圖1統計可知，2013年固原市農作物種植面積為2009-2017年中最大。綠水足跡主是指作物在生長發育過程中吸收和利用的有效降水量，這也表明2013年固原市自然降水量最高。其次為2014年，2015年最低。2013年各主要作物中，瓜果的綠水足跡最低，為0.0240×108m3，占2013年總綠水足跡的0.23%；馬鈴薯的綠水足跡最高，為4.8433×108m3，占2013年的47.40%，這同樣是由于馬鈴薯的種植面積為最大；其次是玉米為2.1250×108m3，占2013年綠水足跡的20.80%；油料作物是1.4432×108m3，占比為14.12%，蔬菜與小麥的綠水足跡相差較小，分別為0.8471×108和0.9356×108m3，占比分別為8.30%和9.16%。2014年各主要作物中，瓜果的綠水足跡最低，為0.0252×108m3，占比為0.31%；馬鈴薯的綠水足跡最高，為3.3502×108m3，所占比例為41.53%；其次玉米為1.8543×108m3，占比為22.99%；油料作物、小麥與蔬菜所占比例位列第3、第4、第5位，分別為13.71%、12.49%、8.97%。

4.2.3 主要農作物藍、綠、灰水足跡多年變化趨勢分析 寧夏固原市2009-2017年主要農作物藍、綠、灰、總水足跡變化趨勢見圖3及表3。

圖3 寧夏固原市2009-2017年主要農作物水足跡變化趨勢

由圖3(a)和表3可知：固原市總水足跡以2016年為分界，之前趨勢波動起伏但穩定在21×108m3左右，之后2017年驟降至17.717×108m3。對于藍水足跡來說，2013年最低，為6.6656×108m3，2015年最高，為11.4782×108m3。藍水足跡在2009-2012年保持穩定波動趨勢，2013年比2012年下降了約32%，2014-2015年又連續增長了72%以上，而從2016-2017年又呈現下降趨勢。對于綠水足跡來說，2009 -2012年也是保持穩定波動趨勢，但均低于藍水足跡，這表明在農業用水中自然降水量少于灌溉用水；2013年綠水足跡達到最大，而藍水足跡最小，說明2013年可利用的自然降水量最多，而灌溉用水量最少；2013-2015年，綠水足跡的變化趨勢則與藍水足跡相反，呈下降趨勢且下降至最低點4.7172×108m3，這是由于2015年的降水量是最小的。而2016又升高至7.0309×108m3，2017年又略有下降。這表明在滿足農作物一定需水量的前提下，自然降水量多的時候灌溉用水有所減少，自然降水量少的時候就得增加灌溉用水量，二者此消彼長。對于灰水足跡來說，所消耗的水量小于藍水足跡和綠水足跡，但多年保持穩定增長趨勢。除2011-2012年和2017年灰水足跡略微下降外，其他年份灰水足跡均呈增長趨勢。這說明近年來固原市農業生產中化肥的使用率有所增加。

由圖3(b)作物的藍水足跡分析可以看出，同種作物在不同年份的藍水足跡也不相同。對于小麥來說，2009年藍水足跡最大，其余年份呈現逐年下降趨勢，說明由于小麥種植面積的減少，利用的灌溉水也隨之減少；對于玉米和馬鈴薯來說，兩種作物2015年的藍水足跡都達到最高，表明所需要的灌溉用水量最多，2013年最低。油料作物2012年的藍水足跡達到最大，蔬菜在2015年達到最大，這是由于2012年油料的種植面積達到最大，2015年蔬菜的種植面積達到最大。瓜果類由于種植面積很少，計算的藍水足跡接近于0，故不進行分析。

由圖3(c)作物的綠水足跡分析可得，同種作物在不同年份的綠水足跡也不相同。對于小麥來說，2010年綠水足跡達到最大，這是因為2010年小麥的種植面積為最大。其余年份變化不大。對于玉米和馬鈴薯來說，兩種作物2013年的綠水足跡均為最高，表明可利用的自然降水量最多，2015年最低或較低，這正好與同年藍水足跡相反。對于油料作物與蔬菜來說，同樣在2013年綠水足跡達到最大值，原因是2013年的降水為最大值。

綜上所述，為滿足作物一定需水量的要求，當所利用的灌溉水量低時，需要可利用的有效降水量就高，反之可利用的有效降水量低；對于不同年份來說，藍水足跡與綠水足跡保持波浪式發展趨勢，此消彼長，互相補充；對于不同的作物，由于種植面積以及可利用的降水量不同，綠水足跡與藍水足跡變化趨勢也不盡相同；灰水足跡雖數量上遠低于藍水和綠水足跡，但呈現逐年增長趨勢，說明固原市為提高糧食產量增加了化肥的使用量，從而用于減少土壤和水體污染所消耗的淡水資源量就會增多，造成水資源利用率降低。

表3 寧夏固原市2009-2017年主要農作物藍、綠、灰、總水足跡 108 m3

4.2.4 主要農作物藍、綠、灰水足跡占比分析 寧夏固原市2009-2017年主要農作物的藍水足跡占作物生產總水足跡的比例為44%，綠水足跡占比為33%，灰水足跡占比為23%。藍水足跡在作物生產水足跡中占優勢，所占比例高于綠水和灰水足跡，這表明固原市農作物的種植主要來源于灌溉水，呈現出以藍水為主、綠水為輔的農作物生產用水格局。灰水足跡占作物生產水足跡的比例相對較高，表明目前化肥的使用已成為固原市水環境惡化的重要原因之一。

4.3 討 論

寧夏固原市經濟發展是以農業為主，農作物的種植結構對于寧夏固原市農業水資源合理分配具有重要的影響。本文對寧夏固原市主要農作物的水足跡進行了初步計算，基于水足跡理論分析了綠水、藍水及灰水足跡所占比重以及各個水足跡多年變化趨勢，探討了各個水足跡在固原市農作物種植過程中的影響，對寧夏固原市農業水資源利用有一定的參考價值。

建議在農業灌概用水充分的條件下，建立節水型農業種植模式，減少高耗水農作物的種植，提高自然降水的利用率，最大限度地提高氮肥利用效率、減少氮肥在使用過程中的損失，但是由于缺乏更加詳細的經濟數據和氮肥使用數據，針對固原市的灰水足跡分析還存在一定的不足之處，其討論結果還存在一定程度的局限性，將來對寧夏固原市主要農作物水足跡的研究還需要更為詳細的水資源資料和其他經濟相關數據，以便獲得更好的結果來反映該地區的實際狀況。

5 結 論

本文在水足跡理論的基礎上，借助CROPWAT8.0軟件，利用《寧夏統計年鑒》和《寧夏水資源公報》等資料，對寧夏固原市主要作物的綠水足跡和藍水足跡進行了計算，并對固原市的灰水足跡進行了研究，得到以下結論：

(1)寧夏固原市2009-2017年主要農作物平均種植面積按面積大小排列為：馬鈴薯>玉米>小麥>蔬菜>油料作物>瓜果類。表明固原市農作物種植主要以糧食作物為主，經濟作物為輔。

(2)分析2009-2017年寧夏固原市主要農作物的藍水、綠水、灰水足跡和各個水足跡多年增長趨勢及其所占比重，結果表明：藍水足跡占比最大，綠水足跡次之，說明固原市農作物生長需水主要來自灌溉水，其次是自然降水，自然降水的利用率相對較低；在滿足作物一定需水量的要求時，當藍水足跡高時，綠水足跡則降低，反之綠水足跡升高。藍水與綠水足跡此消彼長，但整體趨勢保持穩定發展。

(3)對固原市的灰水足跡進行計算分析，得到灰水足跡雖占比最少，變化幅度也不大，但連年保持增長的趨勢。這表明固原市為保證農作物的產量而大量使用化肥，對水環境與水生態安全造成了一定的影響。