黑龍江省典型灌區(qū)農(nóng)業(yè)水足跡演變環(huán)境響應研究

劉 超

(黑龍江省江河流域保護中心,哈爾濱 150080)

0 引 言

水資源是中國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的主要物質(zhì)基礎(chǔ),水資源的可持續(xù)利用是人類經(jīng)濟社會不斷發(fā)展的必然要素[1]。據(jù)有效資料顯示,2021 年,我國的農(nóng)業(yè)用水量達到3644.3億m3,占社會總用水總量的61.5%,灌溉用水有效利用系數(shù)僅為0.568,僅為其他發(fā)達國家的0.7～0.8 倍[2]。因此,合理分析農(nóng)作物用水效率演變規(guī)律,識別農(nóng)業(yè)水足跡主控環(huán)境因子,是保證我國農(nóng)業(yè)綠色、高效、健康發(fā)展的有效途徑。

Hoekstra以“生態(tài)足跡”理論為基礎(chǔ),于2002年最先提出了水足跡的概念[4],并將水足跡分為了綠水生產(chǎn)水足跡(降雨耗水量)、藍水生產(chǎn)水足跡(灌溉耗水量)、灰水生產(chǎn)水足跡(稀釋污染用水量)3類生產(chǎn)水足跡。

本研究以黑龍江省和平灌區(qū)為例,系統(tǒng)分析了區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)藍水、綠水和灰水足跡在時間尺度的演變規(guī)律,采用通徑分析方法分析了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡對生產(chǎn)要素的響應關(guān)系。該研究成果對于構(gòu)建區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水方案,科學合理制定用水定價具有重要的指導意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理位置

和平灌區(qū)位于中國黑龍江省東部,是中國現(xiàn)代灌區(qū)建設(shè)的一個重要示范區(qū)之一,也是黑龍江省重要的農(nóng)田灌溉區(qū)。

1.2 氣候類型

該區(qū)的自然氣候?qū)儆诤疁貛Т箨懶詺夂?冬季寒冷漫長,夏季溫熱短暫。年均氣溫約為0°C左右,年降水量在500～800mm之間。冬季冰雪覆蓋時間較長,春季較早,夏季天熱日照充足,秋季較早且氣候干燥。

1.3 種植類型

和平灌區(qū)以農(nóng)業(yè)為主導產(chǎn)業(yè),主要農(nóng)產(chǎn)品包括水稻、小麥、玉米、大豆等。其中,水稻是當?shù)刈钪饕慕?jīng)濟作物,種植面積廣闊。由于灌區(qū)地處黑龍江流域,擁有豐富的水資源,通過合理的灌溉系統(tǒng),提供了穩(wěn)定的灌溉條件,促進了農(nóng)作物的良好生長。

2 農(nóng)業(yè)水足跡測算理論

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡是一個綜合性指標,主要由藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡組成[6, 7]。其中,藍水足跡指代農(nóng)田灌溉供給研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)消耗的水資源數(shù)量;綠水足跡指代有效降水量供給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所消耗的水資源數(shù)量;灰水足跡指代吸收農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中化肥、農(nóng)藥等引發(fā)的污染所需要的水資源總量。因此,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡組成可以表示為:

WF=WFgreen+WFblue+WFgrey

(1)

式中:WFblue為藍水足跡,m3/t;WFgreen為綠水足跡,m3/t;WFgrey為灰水足跡,m3/t。

2.1 作物需水量計算方法

首先,借助傳統(tǒng)的經(jīng)典Penman-Monteith公式來計算參考作物的蒸騰狀況,具體表達式如下所示[8-9]:

(2)

式中:Rn為作物表面的輻射量,MJ/m2·d;G為土壤熱通量,MJ/m2·d;T為平均氣溫,℃;U2為離地面2m高處的風速,m/s;es為飽和水汽壓,kPa;ea為實測水汽壓,kPa;Δ為飽和水汽壓與溫度相關(guān)曲線的斜率,kPa/℃;γ為濕度計常數(shù),kPa/℃。

理想條件下,作物需水量ETc是將參考作物蒸散量乘以作物系數(shù)Kc來獲得,具體表達式為:

ETc=KCET0

(3)

非理想條件下作物蒸散量ETa小于作物需水量ETc,通過ETc乘以水分脅迫系數(shù)Ks來獲取,具體表達式為:

ETA=KsETc=KsKcET0

(4)

水脅迫系數(shù)Ks描述水分脅迫對作物蒸騰的影響,當存在王壤水分限制條件時Ks<1;當沒有王壌水分脅迫時Ks=1。

2.2 作物水足跡計算方法

在水足跡研究中,我們借助CROPWAT模型進行藍水和綠水中的蒸散部分水資源量測算,該模型提供了兩種藍水和綠水蒸散量計算方法,即“作物需水量模式”和“灌溉制度模式”。

作物需水量測算原理是通過比對作物需水量與土壤有效降水的數(shù)值大小來確定藍水和綠水蒸散量。其中,綠水蒸散量的確定通常是選取作物蒸發(fā)量和有效降水量兩者之間較小數(shù)值,而藍水蒸散量則是通過計算作物需水量與有效降水量的差值來獲取,并且當作物需水量小于有效降水量時,藍水蒸散量取值為0,反之,取作物需水量與有效降水量的差值,具體表達式如下:

ETgreen=min(ETc,Peff)

(5)

ETblue=max(0,ETc-Peff)

(6)

式中:ETgreen和ETblue分別為全生育期作物生長綠水和藍水的蒸散量,mm;Peff為全生育期作物生長的有效降水量,mm。另外,公式(5)和(6)中涉及的有效降水量Peff計算方法通過以下公式來獲取:

(7)

式中:P為旬降水量,mm),并且以250/3 mm作為降水量的分界值,采用不同的公式進行測算。

灌溉制度法是通過比對凈灌溉量和灌溉需水量的大小來獲取藍水和綠水蒸散量,其中,藍水蒸散量取凈灌溉量和灌溉需水量的較小值,而綠水蒸散量則通過作物實際總的水分蒸散量與藍水蒸散量做差來獲取,具體計算公式如下:

ETblue=min(Inet,)IR

(8)

ETgreen=ETa-ETbule

(9)

式中:Inet為農(nóng)田凈灌溉量,mm;IR為灌溉需水量,mm。

基于上述介紹的藍水和綠水蒸散量,進一步計算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的藍水足跡和綠水足跡如下所示:

(10)

(11)

式中:常數(shù)10為將降水深度轉(zhuǎn)化為單位面積降水總量的轉(zhuǎn)化系數(shù),Y為不同作物單位面積內(nèi)的產(chǎn)量,kg/hm2。

作物生育期內(nèi)需要向農(nóng)田中投加肥料補給,而未被植株根系吸收汲取的養(yǎng)分元素將引發(fā)水質(zhì)產(chǎn)生污染。為了使現(xiàn)有的環(huán)境水質(zhì)達到安全使用標準,需要大量的水源將污染物進行稀釋,所需要的水資源量稱為灰水足跡[10-11]。具體計算公式為:

(12)

式中:AR為每公頃土地的化肥施用量,kg/hm2;α為淋溶率(即擴散進入到水體中的污染物占總施加量的比例);cmax為最大容許濃度,kg/m3;cnat為污染物的背景濃度,kg/m3。

本研究選取化肥施用量的10%作為淋溶率;假設(shè)自然水體中氮元素的背景含量c采用US EPA設(shè)定的10mg/L的氮元素濃度作為環(huán)境水質(zhì)的標準,即cmax為0.01。

(13)

式中:Fi為各種作物化肥的施用量,kg;Si為各種作物的種植面積,hm2;i=1, 2, 3;其中,1為玉米;2為水稻;3為大豆。

3 糧食生產(chǎn)水足跡演變特征

3.1 水稻生產(chǎn)水足跡演變規(guī)律

水足跡體現(xiàn)了作物生產(chǎn)過程對農(nóng)業(yè)水資源的需求狀況,具體分析可知,藍水生產(chǎn)水足跡整體表現(xiàn)為逐漸下降趨勢。2001—2021年水稻生產(chǎn)藍水足跡每年以0.0141 m3/kg的速率減少,多年平均值為0.804 m3/kg,其最大值出現(xiàn)在枯水年(2005年),為1.116 m3/kg,最小值出現(xiàn)在2021年,為0.629 m3/kg。同理,綠水足跡和灰水足跡同樣呈現(xiàn)出逐漸降低的變化趨勢,并且分別以每年0.0091和0.0053 m3/kg的速率減少,其變化幅度相對于藍水足跡顯著降低。

另外,2001—2021年水稻生產(chǎn)總水足跡擬合線的跡斜率為-0.0035 m3/kg,多年平均值為1.623 m3/kg,其最大值出現(xiàn)在2005年,為2.018 m3/kg,最小值出現(xiàn)在2021年,為1.271 m3/kg。綜合分析趨勢線和距平百分率的變化過程可知,隨著國家對農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入力度的不斷加大及農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)的提升,研究區(qū)內(nèi)水稻生產(chǎn)過程中水資源利用率和灌溉用水利用效率不斷提高。

3.2 玉米生產(chǎn)水足跡演變規(guī)律

研究區(qū)玉米作物藍水足跡、綠水足跡、灰水足跡及總水足跡變化趨勢。在2001-2021年之間,研究區(qū)玉米生產(chǎn)藍水足跡多年平均值為0.005 m3/kg,其最大值出現(xiàn)在2007年,水足跡為0.007 m3/kg,最小值出現(xiàn)在2021年,為0.003m3/kg。分析距平百分率可知,玉米生產(chǎn)藍水足跡在時間尺度上的波動性較強,由此可知,玉米在春季生長發(fā)育過程中,氣候變化相對較為復雜,研究區(qū)干旱現(xiàn)象頻發(fā),其對于農(nóng)業(yè)灌溉用水的不確定性較強。

相反,玉米生產(chǎn)綠水足跡呈波動上升的變化趨勢,并且每年以0.0097 m3/kg的速率增長,多年平均值為0.669 m3/kg,這可能是近些年來,隨著黑龍江省高標準農(nóng)田建設(shè)項目的開展,土地質(zhì)量顯著提升,土壤入滲及有效囤水能力增強,進而導致玉米生產(chǎn)的綠水足跡顯著提升。

另外,2001～2021年玉米生產(chǎn)總水足跡無顯著變化,整體保持相對穩(wěn)定的水平。研究區(qū)玉米生產(chǎn)總水足跡多年平均值為0.944 m3/kg,其最大值出現(xiàn)在2006年,為1.098 m3/kg,最小值出現(xiàn)在2011年,為0.739 m3/kg。由距平百分率的分析結(jié)果可知,研究周期內(nèi)2006年和2011年玉米生產(chǎn)總水足跡之間的差異較大。由于玉米生產(chǎn)總水足跡由作物生產(chǎn)的需水量和糧食產(chǎn)量共同來決定,表明該研究區(qū)2006年和2011年可能存在極端天氣情況,當降雨頻發(fā)時,水資源無效消耗量增加,水足跡大幅度提升,當區(qū)域干旱時,農(nóng)作物生產(chǎn)需要依靠農(nóng)業(yè)灌溉調(diào)虧補給,農(nóng)業(yè)水足跡大幅度降低。

3.3 大豆生產(chǎn)水足跡演變規(guī)律

首先,分析大豆生產(chǎn)藍水足跡變化規(guī)律可知,2001～2021年之間研究區(qū)大豆藍水足跡呈現(xiàn)微弱降低的變化趨勢,每年以0.0015 m3/kg的速率減少,多年平均值為0.242 m3/kg。同理可知,大豆生產(chǎn)綠水足跡呈波動下降的變化趨勢,并且每年以0.0249 m3/kg的速率減少,多年平均值為2.122 m3/kg,由距平百分率可知,大豆生產(chǎn)綠水足跡的年際變化波動較大,表明大豆生長綠水足跡消耗受降水作用的影響較強。

相反,2001—2021年大豆生產(chǎn)灰水足跡呈波動上升的變化趨勢,水足跡每年以0.0038 m3/kg的速率增加,多年平均值為0.231 m3/kg,2001—2021年大豆生產(chǎn)灰水足跡在均值附近波動,存在小幅度上升,這可能是研究區(qū)大豆種植面積相對較小,難以實現(xiàn)大面積科學施肥,導致大豆單位面積化肥施用量逐步增加,農(nóng)田出現(xiàn)污染物富集現(xiàn)象。

此外,2001—2021年大豆生產(chǎn)總水足跡呈波動下降趨勢,多年平均值為2.595m3/kg,由距平百分率可知,2020年大豆生產(chǎn)總水足跡相對于多年平均總水足跡生產(chǎn)值變化最大,且為負向變化。總體看來,研究區(qū)大豆生產(chǎn)總水足跡逐步下降,水資源可持續(xù)利用率呈現(xiàn)出提升趨勢。

4 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡影響因素分析

糧食生產(chǎn)水足跡由區(qū)域的農(nóng)業(yè)水資源消耗狀況以及糧食產(chǎn)能直接決定,然而,農(nóng)業(yè)水資源供給又受到區(qū)域氣象條件、水利工程設(shè)施、農(nóng)業(yè)機械裝備、農(nóng)藥化肥使用、人力資源管理等驅(qū)動因素的影響[12]。本研究選取環(huán)境積溫(X1)、大氣降水(X2)、環(huán)境濕度(X3)、化肥使用量(X4)、農(nóng)業(yè)機械動力(X5)、灌溉用水比例(X6)、人力資源投入(X7)這七個指標作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡通徑分析的自變量,分別以研究區(qū)內(nèi)作物藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡作為因變量,具體分析結(jié)果如下。

1)對于農(nóng)作物生產(chǎn)藍水足跡的影響因素分析可知,環(huán)境濕度、環(huán)境積溫、大氣降水對藍水足跡的影響作用較大。環(huán)境濕度與農(nóng)作物生產(chǎn)藍水足跡的直接通徑系數(shù)為-0.143,總通徑系數(shù)為-0.447,二者之間呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)關(guān)系。具體分析可知,環(huán)境濕度的增加在一定程度上降低了植株的蒸騰量,植株生長發(fā)育對于土壤水分消耗減弱,進而降低了灌溉用水需求量,二者呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系。另外,積溫升高能夠提升植株的光合作用速率,有效的促進農(nóng)作物干物質(zhì)的積累,農(nóng)作物產(chǎn)量升高,作物生產(chǎn)藍水足跡反而呈降低趨勢。

2)對于農(nóng)作物生產(chǎn)綠水足跡敏感性響應因素結(jié)果分析可知,環(huán)境積溫、環(huán)境濕度、化肥施用量和人力資源投入與農(nóng)作物生產(chǎn)綠水足跡呈負相關(guān)關(guān)系,大氣降水、農(nóng)業(yè)機械動力、灌水比例呈正相關(guān)關(guān)系。具體分析可知,大氣降水與農(nóng)作物生產(chǎn)綠水足跡之間的直接通徑系數(shù)為0.224,總通徑系數(shù)為0.379,表明隨著大氣降水量的增加,大氣降水入滲量增大,農(nóng)作物生長更多的依賴土壤貯存水分,而對于灌溉水的需求量則大幅度縮減,因此,農(nóng)作物生產(chǎn)綠水足跡逐漸提升,二者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。相反,對于環(huán)境積溫而言,在相同綠水資源消耗前提下,積溫提升有效促進作物生長發(fā)育,作物糧食產(chǎn)能相對提升,導致農(nóng)作物生產(chǎn)綠水足跡降低。

3)化肥施用量與之產(chǎn)生明顯的正相關(guān)關(guān)系,其直接通徑系數(shù)為0.286,總通徑系數(shù)為0.469,表明隨著化肥使用量的增加,需要補充更多的水資源對未利用部分進行稀釋,作物生產(chǎn)灰水足跡也隨之提升。此外,環(huán)境積溫升高、大氣降水以及環(huán)境濕度的增加等環(huán)境因素的變化都抑制了土壤灰水足跡的提升,這可能是環(huán)境條件的改善提升了作物長勢狀況,糧食產(chǎn)能的提升則間接降低了作物生產(chǎn)的灰水足跡。

5 結(jié) 論

黑龍江省和平灌區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡的大小順序為:大豆生產(chǎn)水足跡>水稻生產(chǎn)水足跡>玉米生產(chǎn)水足跡,表明大豆生長過程受灌區(qū)水資源供給的影響作用較強。另外,水稻和大豆生產(chǎn)總水足跡在時間尺度呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢,而玉米生產(chǎn)總水足跡變化幅度微弱。在影響農(nóng)業(yè)成產(chǎn)水足跡影響因素的分析中,環(huán)境積溫、大氣降水和環(huán)境濕度影響作用較大,并且呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。環(huán)境積溫、大氣降水及灌溉用水比例對綠水足跡的影響作用較大,且大氣降水和灌溉用水比例表現(xiàn)出正相關(guān)作用。化肥施用量是影響農(nóng)作物灰水足跡的核心因素,并呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系,相反,農(nóng)業(yè)機械動力、環(huán)境積溫、大氣降水、環(huán)境濕度則表現(xiàn)出明顯的負相關(guān)作用。