張 潤, 劉志輝, 秦 艷, 郭小云, 聶 敏, 蘇向明

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學(xué) 教育部綠洲生態(tài)重點實驗室, 烏魯木齊 830046;3.新疆大學(xué) 干旱生態(tài)環(huán)境研究所, 烏魯木齊 830046; 4.干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國際研究中心, 烏魯木齊 830046)

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新疆2000-2012年主要農(nóng)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(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046; 2.新疆大學(xué) 教育部綠洲生態(tài)重點實驗室, 烏魯木齊 830046;3.新疆大學(xué) 干旱生態(tài)環(huán)境研究所, 烏魯木齊 830046; 4.干旱半干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展國際研究中心, 烏魯木齊 830046)

從農(nóng)作物虛擬水角度出發(fā)，基于彭曼公式結(jié)合CROPWAT軟件計算、分析了新疆2000—2012年主要農(nóng)作物的單位質(zhì)量農(nóng)作物虛擬水含量和農(nóng)作物的虛擬水總量。結(jié)果表明：新疆主要農(nóng)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(zhì)量虛擬水含量呈下降趨勢，但各類農(nóng)作物虛擬水總量大體上均呈現(xiàn)上升趨勢，主要農(nóng)作物虛擬水含量下降與新疆各地區(qū)采取節(jié)水灌溉技術(shù)、提高單位面積產(chǎn)量密切相關(guān)，虛擬水總量大幅度增加主要是因為農(nóng)作物的種植面積的擴大和產(chǎn)量大幅度的提升。從虛擬水視角對農(nóng)作物政策和結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，為新疆實施水資源管理提供決策，同時對于新疆的生態(tài)保護具有重要意義。

虛擬水; 新疆; 主要農(nóng)作物

虛擬水是Tony Allan提出的新概念[1-2]，虛擬水戰(zhàn)略[3-5]是指貧水國家或地區(qū)通過貿(mào)易的方式從富水國家或地區(qū)購買水密集型農(nóng)產(chǎn)品(尤其是糧食)來獲得水和糧食安全。2003年來，虛擬水戰(zhàn)略作為一種解決水資源短缺地區(qū)水資源安全的新思路引進到中國。虛擬水戰(zhàn)略成為水資源匱乏的國家和地區(qū)平衡水赤字的戰(zhàn)略性手段，是緩解水危機和水安全的一種有效調(diào)控措施。相對于實體水運輸和跨流域調(diào)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(jīng)濟發(fā)展與資源短缺之間的矛盾提供了一條新思路。

虛擬水戰(zhàn)略是水資源社會化管理的體現(xiàn)，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(zhàn)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(jié)構(gòu)的調(diào)整來解決水作為自然資源區(qū)域性稀缺的問題，促進了水資源管理觀念和制度創(chuàng)新。新疆實施虛擬水戰(zhàn)略的意義[6]：第一，當(dāng)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(jié)流并重，節(jié)流優(yōu)先，治污為本”依然是當(dāng)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(yōu)勢，與比鄰國家形成了資源優(yōu)勢互補關(guān)系，且具有較明顯的技術(shù)比較優(yōu)勢。因此要充分發(fā)揮這種潛在優(yōu)勢，鼓勵、支持技術(shù)密集型產(chǎn)品的生產(chǎn)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(xiàn)狀。第三，新疆生態(tài)環(huán)境十分脆弱，正確運用虛擬水戰(zhàn)略不但不影響當(dāng)?shù)氐纳鐣?jīng)濟發(fā)展，而且有助于生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)和重建。同時當(dāng)前新疆跨越式發(fā)展戰(zhàn)略為虛擬水戰(zhàn)略的實施提供了寬松的政策環(huán)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(qū)的虛擬水缺乏深入研究，大多數(shù)研究集中在虛擬水戰(zhàn)略意義探討[7-9]，而對定量分析和實際應(yīng)用方面的研究較少。本文計算和分析了新疆2000—2012年主要農(nóng)作物的單位質(zhì)量虛擬水含量和主要農(nóng)作物的虛擬水總量，旨在通過對各主要農(nóng)作物的虛擬水含量及其變化過程的分析，為農(nóng)作物結(jié)構(gòu)調(diào)整和水資源管理提供依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

新疆位于歐亞大陸腹地內(nèi)陸干旱區(qū)，氣候?qū)俚湫痛箨懶愿珊禋夂颍稍锷儆?，蒸發(fā)強烈。山區(qū)降水豐沛，98%的水資源形成于山區(qū)，而平原區(qū)和沙漠區(qū)，降水量除少量補給地下水外很少或不產(chǎn)生地表徑流，是徑流的散失區(qū)和無流區(qū)。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(qū)降水量占全疆降水總量的81.1 %，平原區(qū)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(jīng)山區(qū)排泄到平原。通過水循環(huán)，蒸發(fā)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(tài)系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。其中，綠洲是受干旱區(qū)自然和人文因素雙重影響的自然生態(tài)系統(tǒng)，比一般生態(tài)系統(tǒng)更脆弱[11]。

新疆是農(nóng)業(yè)大省，水資源主要用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，工業(yè)產(chǎn)品的虛擬含水量相對于農(nóng)產(chǎn)品而言數(shù)量較少，生產(chǎn)流程較為復(fù)雜，計算難度大，暫忽略不計，所以把農(nóng)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(nóng)作物產(chǎn)品生產(chǎn)需要的水資源主要取決于農(nóng)作物的類型、生長區(qū)域的自然地理條件、灌溉條件和管理方式等。因此農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水計算就是對特定地點農(nóng)產(chǎn)品需水量的一種體現(xiàn)[12]。

2.1農(nóng)作物中的虛擬水計算方法

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)的作物需水量和作物產(chǎn)量資料，計算在不同國家或地區(qū)每種農(nóng)作物的虛擬含水量。

式中：SWD(n,c)——區(qū)域n作物c的虛擬含水量(m3/t)；CWR(n,c)——區(qū)域n作物c生長期內(nèi)每公頃的需水量(m3/hm2)；CY(n,c)——區(qū)域n作物c的產(chǎn)量(t/hm2)。

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

ETc=ET0×kc

式中：ETc——區(qū)域n作物c生長期內(nèi)土壤蒸發(fā)量(mm/d)；kc——作物系數(shù),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(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的推薦可采用修正的標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)速(m/s);ea——飽和狀態(tài)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(shù)據(jù)資料

農(nóng)作物虛擬水含量是通過使用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的CROPWAT8.0軟件、CROP數(shù)據(jù)、CLIMATE數(shù)據(jù)庫來計算的。CROPWAT8.0軟件采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的修正彭曼公式，使用在CROP數(shù)據(jù)庫、CLIMATE數(shù)據(jù)庫中提取相關(guān)地區(qū)的氣候、土壤系數(shù)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(shù)Kc對數(shù)值進行修正，進而得到所選作物的需水量。然后再利用相關(guān)的統(tǒng)計年鑒提取作物單位面積產(chǎn)量，從而得出所求作物單位質(zhì)量虛擬水含量,主要農(nóng)作物的種植面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自2001—2013年新疆統(tǒng)計年鑒。

3　結(jié)果與分析

3.1作物需水量與單位面積產(chǎn)量

選取新疆本地種植結(jié)構(gòu)比例和耕地面積較大的農(nóng)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(qū)主要農(nóng)作物的需水量，求出新疆主要農(nóng)作物平均需水量,計算結(jié)果如表1所示；農(nóng)作物的單位面積產(chǎn)量可通過查找2001—2013年新疆統(tǒng)計年鑒的種植面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)進行計算獲得，計算結(jié)果如表2所示。

表1　新疆主要農(nóng)作物需水量　mm

表2　新疆主要農(nóng)作物的單位面積產(chǎn)量　kg/hm2

3.2虛擬水含量與虛擬水總量

用單位面積農(nóng)作物需水量除以該農(nóng)作物的單位面積產(chǎn)量，可以得到單位質(zhì)量農(nóng)作物的虛擬水含量，計算結(jié)果如圖1所示；最后，用單位質(zhì)量農(nóng)作物的虛擬水含量與總產(chǎn)量相乘可得到生產(chǎn)農(nóng)作物的虛擬水含量，計算結(jié)果如圖2所示。因為統(tǒng)計年鑒相只有小麥、玉米的相關(guān)數(shù)據(jù)，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(nóng)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(nóng)作物，以2012年為例，生產(chǎn)1 kg的棉花需要4.397 0 m3的水，而生產(chǎn)1 kg小麥、玉米分別需要1.111 9，1.004 5 m3的水，所以生產(chǎn)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(nóng)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(wěn)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(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉政策，采取先進的滴灌技術(shù)和提高單位面積產(chǎn)量有關(guān)。

圖1　新疆主要農(nóng)作物單位質(zhì)量虛擬水含量

圖2　新疆主要農(nóng)作物虛擬水總量

由圖2可以看出，新疆主要農(nóng)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(jīng)濟作物，種植面積大最大，產(chǎn)量較高。從農(nóng)作物的虛擬水總量的時間序列來看，各類農(nóng)作物虛擬水總量大體上均呈現(xiàn)上升趨勢，其中棉花增幅最大，小麥、玉米次之，雖然農(nóng)作物單位質(zhì)量虛擬水含量有所下降，但農(nóng)作物種植面積的擴大和產(chǎn)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(nóng)作物的用水規(guī)模都在不斷擴大，棉花是用水大戶。

4　結(jié)論與討論

4.1結(jié) 論

(1) 新疆主要農(nóng)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(nóng)作物。(2) 新疆主要農(nóng)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(nóng)作物。(3) 從時間序列來看，新疆主要農(nóng)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(nóng)作物虛擬水含量下降與新疆各地區(qū)采取節(jié)水灌溉技術(shù)、提高單位面積產(chǎn)量密切相關(guān)，虛擬水總量大幅度增加主要是因為農(nóng)作物的種植面積的擴大和產(chǎn)量大幅度的提升。

4.2討 論

依據(jù)2000—2012年新疆主要農(nóng)作物虛擬水分析的結(jié)論，可以做出相應(yīng)的水資源管理決策：(1) 對農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，適當(dāng)減少高耗水作物如棉花的種植，適當(dāng)增加蔬菜、薯類等低耗水農(nóng)作物的種植面積。(2) 加強農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水貿(mào)易，新疆處于西北邊緣，可以利用資源優(yōu)勢和地緣優(yōu)勢，出口低耗水農(nóng)作物，進口高耗水農(nóng)作物。

棉花的種植在新疆農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)中占有很大的比例，也產(chǎn)生著巨大幾經(jīng)濟效益；減少棉花的種植比例，勢必會影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟收入來源。我們?nèi)绾慰刂妻r(nóng)作物的種植面積、減少高耗水農(nóng)作物的種植，又要保證經(jīng)濟穩(wěn)步發(fā)展，有待進一步研究。

虛擬水戰(zhàn)略在新疆的實施，有利于生態(tài)環(huán)境的改善。應(yīng)用虛擬水戰(zhàn)略調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和進出口貿(mào)易，解決糧食和農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)，平衡區(qū)域水資源利用赤字，并將節(jié)約下來的有限實體水轉(zhuǎn)向生態(tài)環(huán)境恢復(fù)保護以及低耗水高效益產(chǎn)業(yè)，既可以保障經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展，又可以增加生態(tài)環(huán)境用水，保障生態(tài)安全，使達到人地和諧。

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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(yè)科研專項(201301103);國家自然科學(xué)基金重點項目(41130531);國家自然科學(xué)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(xué)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(dǎo)師,主要從事水文學(xué)與水資源,資源環(huán)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