李紅穎，秦麗杰，王曄旻

(東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130024)

長春市玉米生產(chǎn)水足跡時序變化及影響因素研究

李紅穎，秦麗杰，王曄旻

(東北師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130024)

對長春市1960—2012年53年來玉米生產(chǎn)水足跡進行了計算和分析.結(jié)果表明：長春市玉米生產(chǎn)水足跡呈顯著下降趨勢，組成結(jié)構(gòu)不斷變化，綠水、藍水足跡比重降低，灰水足跡比重顯著上升；玉米生產(chǎn)水足跡多年平均值為1.53 m3/kg，其中綠水占59%，藍水占23%，灰水占18%，綠水是玉米生長的主要水源；玉米生產(chǎn)水足跡受氣候和農(nóng)業(yè)投入等因素影響，相同氣候因子或農(nóng)業(yè)投入對綠水、藍水、灰水、總水足跡的影響程度不同，其中生長季積溫、風(fēng)速、化肥施用量和農(nóng)業(yè)機械總動力對水足跡的影響較大.

玉米；生產(chǎn)水足跡；長春市；年際變化；影響因素

水是糧食生產(chǎn)的主要制約因素，有效評價農(nóng)業(yè)用水的效率對水資源的高效利用具有重要作用.而一年或幾年的評價只能反映某一年或某幾年的農(nóng)業(yè)用水特征，無法反映長期的農(nóng)業(yè)用水及效率的變化特征或其在長期農(nóng)業(yè)用水中所處的位置.因此，長時間序列的研究，有利于掌握農(nóng)業(yè)用水量及用水效率的變化趨勢，可為深入分析其原因及影響因素，進一步提高水資源利用率和合理配置水資源提供依據(jù).

以前在評價農(nóng)業(yè)用水時，常以灌溉用水作為主要的表征指標，沒有考慮農(nóng)作物對土壤水的利用以及施用農(nóng)藥、化肥對水資源污染的影響.2002年，Hoekstra提出了水足跡(water footprints)概念[1]，為全面評價水資源提供了依據(jù).農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡是指農(nóng)作物生長過程中所消耗的水資源數(shù)量，包括綠水足跡、藍水足跡和灰水足跡[2].綠水是指降水下滲到非飽和土壤層中用于植物生長的水，在作物生長需水中通常以有效降水來表示；藍水是指降水形成的地表水和地下水，在作物生長需水中通常以灌溉用水來表示；灰水是指作物生長過程中，用于稀釋污染物，使水質(zhì)達到安全標準所需的水量.[2-4]因此，農(nóng)作物水足跡與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)用水量的核算范圍不同，不僅要計量灌溉用水，而且還要核算雨水利用量及稀釋污染物的用水量.在目前的農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡研究中，以水足跡核算和時空分異研究居多[3-11]，而長時間序列的水足跡研究較少.

長春市是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，玉米的播種面積占農(nóng)作物總播種面積的75%，與同緯度的美國玉米帶、烏克蘭玉米帶并稱為世界“三大黃金玉米帶”.本文通過對長春市1960—2012年玉米綠水足跡、藍水足跡、灰水足跡和總水足跡的核算，揭示了玉米生長過程中耗水量及耗水結(jié)構(gòu)的時序變化規(guī)律；采用相關(guān)分析法，探討了氣候條件、農(nóng)業(yè)投入等因素對玉米生長水足跡的影響.

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 水足跡核算方法

1.1.1 農(nóng)作物蒸散量

根據(jù)FAO推薦的Penman-Moteith模型，利用氣象參數(shù)計算參考作物蒸散量T0.然后，用作物系數(shù)Kc對T0進行調(diào)整，獲得具體農(nóng)作物生長需水量Tc[1-4，12]：

Tc=KcT0.

(1)

1.1.2 綠水足跡和藍水足跡

作物生長過程的綠水足跡(Fg，m3/kg)和藍水足跡(Fb，m3/kg)的計算框架由Hoekstra等人[2]在2011年提出：

(2)

(3)

式中：Wg和Wb分別為綠水和藍水消耗量(m3/hm2)；Tg和Tb分別為綠水和藍水蒸散量(mm)；Y為作物產(chǎn)量(kg/hm2).其中

Tg=min(Tc，P)；

(4)

Tb=max(0，Tc-P).

(5)

式中，P為作物生長期有效降水(mm).

1.1.3 灰水足跡

目前在灰水足跡核算時，通常以稀釋淋失氮的需水量作為代表.計算公式為

(6)

式中：Fgr為灰水足跡(m3/kg)；A為化肥施用量(kg/hm2)；α為淋溶率；cm為最大容許濃度(kg/m3)；cn為污染物的自然本底濃度(kg/m3).

本文選擇氮肥施用量的10%作為淋溶率，cm選擇EPA(美國環(huán)境保護署)公布的水環(huán)境質(zhì)量標準中10 mg/L的氮元素質(zhì)量濃度作為環(huán)境水質(zhì)標準.

1.1.4 玉米生產(chǎn)過程水足跡

玉米生產(chǎn)過程水足跡是指玉米生長過程中所消耗的水資源總量，包括藍水、綠水和灰水，也稱為玉米總水足跡.計算公式為

F=Fg+Fb+Fgr.

(7)

式中F為玉米總水足跡(m3/kg).

1.2 數(shù)據(jù)來源

玉米播種面積和產(chǎn)量來源于《吉林省統(tǒng)計年鑒》.氣象數(shù)據(jù)(最低溫度、最高溫度、濕度、風(fēng)速、日照時數(shù)、降水量)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http：//www.escience.gov.cn/metdata/page/index.html).作物系數(shù)Kc參考聯(lián)合國糧農(nóng)組織提供的Cropwat 8.0軟件中的數(shù)據(jù).

2 結(jié)果與分析

2.1 長春市玉米生產(chǎn)水足跡的變化特征

2.1.1 綠水足跡的年際變化

1960—2012年長春市玉米綠水足跡平均值為0.91 m3/kg，最大值為3.24 m3/kg(1960年)，最小值為0.31 m3/kg(2002年).玉米綠水足跡的年際變化情況見圖1.

圖1 長春市玉米綠水足跡年際變化

1960—2012年玉米綠水足跡呈下降趨勢，而且波動較大，變異系數(shù)(CV)達0.79.根據(jù)綠水足跡的變化趨勢，將其分為3個階段.1960—1970年玉米綠水足跡呈波動式快速下降趨勢，但由于這個階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件差、自然災(zāi)害頻發(fā)，個別年份的糧食產(chǎn)量極低(見圖2)，階段綠水足跡平均值(2.10 m3/kg)明顯高于整個研究期的平均值(0.91 m3/kg).1971—1987年為波動式緩慢下降階段，由于大力推廣玉米新品種和增施肥料，使得玉米單產(chǎn)迅速提高，且種植面積由60年代的13.3×104hm2上升到80年代的53.4×104hm2，綠水足跡下降，階段平均值(0.82 m3/kg)小于整個研究期的平均值，只有部分年份仍略高于平均值.此階段農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)還很脆弱，在自然災(zāi)害的影響下，年際間糧食產(chǎn)量波動較大，豐、歉年玉米產(chǎn)量相差約270×104t，因此，綠水足跡波動仍較大.1988—2012年玉米綠水足跡趨于穩(wěn)定，平均值為0.45 m3/kg，比上一階段降低0.37 m3/kg，且明顯低于整個研究期的平均值，機械投入和化肥施用的增加，使玉米單產(chǎn)大幅提高.

圖2 長春市玉米產(chǎn)量的年際變化

2.1.2 藍水足跡的年際變化

1960—2012年玉米藍水足跡的平均值為0.35 m3/kg，低于綠水足跡平均值約62%，最大值為1.40 m3/kg(1961年)，最小值為0.藍水足跡為0的年份共出現(xiàn)6次，分別為1960年、1973年、1985年、2005年、2008年和2010年，說明降水充足，不需灌溉.其年際變化見圖3.

圖3 長春市玉米藍水足跡年際變化

1960—2012年玉米藍水足跡呈明顯下降趨勢，但波動較大，變異系數(shù)(CV)達0.99.1960—1970年為玉米藍水足跡高值波動階段，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較差，抵御自然災(zāi)害的能力較弱，導(dǎo)致玉米產(chǎn)量較低，使得此階段藍水足跡平均值(0.84 m3/kg)比整個研究期的平均值(0.35 m3/kg)高140%，但本階段藍水足跡整體呈下降趨勢.1971—1987年為中值波動階段，該階段藍水足跡比上一階段降低約62%，平均值降低0.52 m3/kg，藍水足跡的階段平均值(0.32 m3/kg)略低于整個研究期的平均值.由于技術(shù)水平的提高，玉米產(chǎn)量迅速增加，藍水足跡顯著下降.1988—2012年為低值波動階段，這一階段由于玉米的總產(chǎn)量及單產(chǎn)都顯著提高，藍水足跡整體下降，平均值(0.16 m3/kg)比上一階段降低50%，且明顯低于整個研究期的平均值，僅為平均值的46%.

2.1.3 灰水足跡的年際變化

1960—2012年玉米灰水足跡平均值為0.27 m3/kg，低于綠水足跡和藍水足跡.最大值為0.47 m3/kg(2000年)，最小值為0(1960年、1961年).其年際變化見圖4.

圖4 長春市玉米灰水足跡年際變化

1960—2012年灰水足跡明顯升高，上升趨勢為0.008 4 m3/(kg·a)，而且灰水足跡波動變化，變異系數(shù)(CV)為0.54.1960—1970年灰水足跡的階段平均值(0.04 m3/kg)遠低于整個研究期的平均值(0.27 m3/kg).從1963年起我國才開始施用化肥，初期化肥的施用量非常小.在此階段，灰水足跡整體呈上升趨勢.1971—1987年灰水足跡比上一階段明顯提高，平均值上升0.21 m3/kg，增幅達525%，階段平均值(0.25 m3/kg)略小于整個研究期的平均值.這個階段開始大力推廣玉米新品種并且開始增施肥料，使得玉米單產(chǎn)迅速提高，增長幅度達到89%，并且單位面積的化肥施用量在本階段飛速增長，增幅達到了424%.化肥施用量的增長比玉米單產(chǎn)的增長快得多，因此本階段灰水足跡仍呈上升的趨勢.1988—2012年灰水足跡平均值(0.38 m3/kg)上升，比上一階段提高52%，且明顯高于整個研究期的平均值.

2.1.4 長春市玉米總水足跡的年際變化

1960—2012年玉米總水足跡平均值為1.53 m3/kg，最大值為3.86 m3/kg(1963年)，最小值為0.79 m3/kg(1998年、2005年).其年際變化見圖5.

圖5 長春市玉米總水足跡年際變化

1960—2012年玉米總水足跡明顯減少，減少趨勢為0.043 0 m3/(kg·a)，變異系數(shù)(CV)為0.55.綠水足跡、藍水足跡和灰水足跡占總水足跡的比重及年際變化見圖6.

由圖6可知，綠水足跡占總水足跡的比重最大(59%)，藍水足跡次之(23%)，灰水足跡最低(18%).但綠水足跡和藍水足跡所占比重隨時間呈下降趨勢，而灰水足跡的比重則不斷上升.

圖6 長春市玉米綠、藍和灰水足跡的比重及其年際變化

1960—1970年為波動式快速下降階段，玉米生產(chǎn)總水足跡的階段平均值(2.97 m3/kg)明顯高于整個研究期的平均值.本階段的綠水足跡和藍水足跡在三個階段中最高，分別為2.10 m3/kg和0.84 m3/kg，占總水足跡的71%和28%；灰水足跡較小，為0.04 m3/kg，占1%.玉米生產(chǎn)總水足跡整體呈下降趨勢，每年下降0.168 5 m3/kg.

1971—1987年為波動式緩慢下降階段，總水足跡的各組成成分所占比例變化明顯，綠水足跡和藍水足跡的比重分別下降到59%和23%，灰水足跡的比重顯著上升，達18%.而玉米生產(chǎn)總水足跡比上一階段明顯降低，階段平均值為1.39 m3/kg，降低了1.58 m3/kg，小于整個研究期的平均值.

1988—2012年為穩(wěn)定階段，總水足跡的各組成成分比重繼續(xù)發(fā)生明顯變化，綠水足跡與藍水足跡的比重進一步下降，綠水足跡下降到45%，而藍水足跡下降到16%，與此同時灰水足跡的比重大幅度上升，達38%，超過藍水足跡排在第二位.總水足跡平均值為0.99 m3/kg，比上一階段降低29%，且低于研究期平均值.

2.2 氣候變化與農(nóng)業(yè)投入對長春市玉米生產(chǎn)水足跡的影響

為進一步分析氣候變化和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素對玉米生產(chǎn)水足跡的影響，選取氣候因子(生長季≥10℃積溫、生長季降水量、生長季日照時數(shù)、生長季風(fēng)速、生長季相對濕度)和生產(chǎn)要素(化肥施用量和農(nóng)業(yè)機械投入)進行相關(guān)分析.

將玉米總水足跡、綠水足跡、藍水足跡、灰水足跡、產(chǎn)量與氣候因子、農(nóng)業(yè)投入因子做相關(guān)分析，結(jié)果如表1.

表1 水足跡、產(chǎn)量與影響因素的相關(guān)分析

注：*顯著性水平P<0.05；**顯著性水平P<0.01.

根據(jù)相關(guān)分析可知，生長季積溫、風(fēng)速、化肥施用量、農(nóng)業(yè)機械總動力與玉米生長水足跡和產(chǎn)量呈顯著的相關(guān)關(guān)系；生長季降水和日照時數(shù)與藍水足跡呈顯著的相關(guān)關(guān)系；生長季相對濕度與灰水足跡呈顯著的相關(guān)關(guān)系.生長季積溫與總水足跡、綠水足跡呈顯著負相關(guān)(P<0.01)，與灰水足跡呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，其對水足跡的作用主要表現(xiàn)為兩個方面：一是積溫的上升促進了玉米的光合作用，進而提高了產(chǎn)量，間接降低了水足跡；二是積溫的上升會加劇葉片的蒸騰作用，增加玉米的需水量，進而增大生產(chǎn)水足跡.由相關(guān)分析可知，積溫通過產(chǎn)量對玉米水足跡的作用遠大于通過蒸散量對水足跡的作用，因此積溫的上升有利于水足跡的降低.生長季降水量與藍水足跡呈顯著負相關(guān)(P<0.01)，而生長季日照時數(shù)與藍水足跡呈顯著的正相關(guān)(P<0.01).有效降水較多的年份，灌溉用水則較少，藍水足跡較其他年份要低.有效降水少的年份，灌溉用水則多，藍水足跡則隨之增加.生長季日照時數(shù)主要是通過風(fēng)速的作用對藍水足跡產(chǎn)生影響，研究期日照時數(shù)的減少，一方面使風(fēng)速降低，玉米蒸騰作用減弱，藍水足跡降低；一方面縮短玉米光合作用的時間，有機質(zhì)合成減少，玉米產(chǎn)量下降，玉米生產(chǎn)水足跡上升.綜合兩方面因素，生長季日照時數(shù)的降低對藍水足跡減少有積極作用.生長季風(fēng)速是影響水足跡最強的氣候因子，其與總水足跡、綠水足跡、藍水足跡和灰水足跡的相關(guān)性全部達到了顯著水平(P<0.01)，風(fēng)速的降低會減弱玉米葉片的蒸騰作用，從而降低玉米生產(chǎn)水足跡.生長季相對濕度與綠水足跡呈顯著的正相關(guān)(P<0.05)，與灰水足跡呈顯著的負相關(guān)(P<0.01).相對濕度受降水的影響，降水多，相對濕度大，藍水足跡降低，綠水足跡則相對較高；而隨著相對濕度的增大，灰水足跡降低.

化肥施用量、農(nóng)業(yè)機械總動力與綠水足跡、藍水足跡、總水足跡呈顯著的負相關(guān)(P<0.05)，化肥施用量與灰水足跡呈顯著的正相關(guān)(P<0.05).化肥施用量的增加和農(nóng)業(yè)機械化程度的加強使長春市玉米產(chǎn)量增加，玉米綠水、藍水、總水足跡逐年下降.化肥施用量對水質(zhì)污染的作用比對產(chǎn)量增加的影響要大，因此化肥施用量的增加使灰水足跡上升.

3 討論與結(jié)論

核算糧食作物生產(chǎn)水足跡不僅可掌握其生產(chǎn)過程中的耗水量，而且可明確耗水量的供給或需求來源，為合理利用水資源、調(diào)配水資源提供依據(jù).而開展長時間序列的糧食作物生產(chǎn)水足跡及其影響因素研究，既可掌握糧食作物生產(chǎn)過程中耗水量的動態(tài)變化規(guī)律，又可了解在此動態(tài)變化規(guī)律中氣象條件、農(nóng)田管理等因素對水足跡及其組成結(jié)構(gòu)的影響，為進一步提高農(nóng)業(yè)用水效率，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用提供依據(jù).1960—2012年長春市玉米生產(chǎn)水足跡的變化反映了不同時期長春市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，農(nóng)業(yè)投入不斷加大，玉米生產(chǎn)水足跡也具有階段性的特點.所以，玉米生產(chǎn)水足跡不僅受自然因素的影響，而且與農(nóng)業(yè)投入水平密切相關(guān).長春市玉米生產(chǎn)水足跡與氣候、農(nóng)業(yè)投入的關(guān)系與國內(nèi)相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果基本一致[13-16].特別是灰水足跡，隨著化肥施用量的增加而增大，反映了農(nóng)業(yè)面源污染的變化趨勢，也指明了農(nóng)業(yè)面源污染控制的方向.為了有效利用水資源，玉米生產(chǎn)中應(yīng)努力推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，提高雨水利用率；同時，在保證產(chǎn)量的前提下，控制化肥施用量，提高化肥營養(yǎng)元素的利用率，將灰水足跡控制在合理的范圍內(nèi)，以保護生態(tài)環(huán)境，促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展.

長春市1960—2012年不同階段玉米生產(chǎn)水足跡變化規(guī)律不同：1960—1970年由于化肥施用量和單產(chǎn)的提高使玉米生產(chǎn)水足跡呈波動式快速下降；1971—1987年為波動式緩慢下降階段，綠水、藍水足跡繼續(xù)下降，灰水明顯提高；1988—2012年為穩(wěn)定階段，藍水、綠水趨于穩(wěn)定，灰水上升幅度減慢.綠水是長春市玉米生長的主要水源，在玉米生產(chǎn)水足跡多年平均值中綠水足跡占59%，藍水足跡占23%，灰水足跡占18%.玉米生產(chǎn)水足跡組成結(jié)構(gòu)不斷變化，綠水、藍水足跡比重逐漸降低，灰水足跡比重顯著上升.不同的氣候因子、農(nóng)業(yè)投入對水足跡的影響程度不同，其中生長季積溫、風(fēng)速、農(nóng)業(yè)機械總動力和化肥施用量對水足跡的影響較大，生長季降水量、日照時數(shù)、相對濕度對水足跡的影響較小.

[1] HOEKSTRA A Y.Virtual water trade：proceedings of the international expert meeting on virtual water trade[C]//Value of Water Research Report Series：No.12.The Netherlands Delft：IHE，2003.

[2] HOEKSTRA A Y，CHAPAGAIN A K，ALDAYA M M，et al.The water footprint assessment manual：setting the global standard[M].London：Earthscan，2011.

[3] CHAPAGAIN A K，HOEKSTRA A Y，SAVENIJE H H G，et al.The water footprint of cotton consumption：an assessment of the impact of worldwide consumption of cotton products on the water resources in the cotton producing countries[J].Ecological Economics，2006，60(1)：186-203.

[4] CHAPAGAIN A K，HOEKSTRA A Y.The water footprint of coffee and tea consumption in the Netherlands[J].Ecological Economics，2007，64(1)：109-118.

[5] 孫才志，陳麗新，劉玉玉.中國農(nóng)作物綠水占用指數(shù)估算及時空差異分析[J].水科學(xué)進展，2010，21(5)：637-642.

[6] 龍愛華，徐中民，張志強.西北四省(區(qū))2000年的水資源足跡[J].冰川凍土，2003，25(6)：692-700.

[7] 張宇，李云開，歐陽志云，等.華北平原冬小麥-夏玉米生產(chǎn)灰水足跡及其縣域尺度變化特征[J].生態(tài)學(xué)報，2015，35(20)：6647-6654.

[8] 蓋力強，謝高地，李士美，等.華北平原小麥、玉米作物生產(chǎn)水足跡的研究[J].資源科學(xué)，2010，32(11)：2066-2071.

[9] 蔡燕，王會肖，王紅瑞，等.黃河流域水足跡研究[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，45(5/6)：616-620.

[10] 秦麗杰，靳英華，段佩利.吉林省西部玉米生產(chǎn)水足跡研究[J].地理科學(xué)，2012，32(8)：1020-1025.

[11] 段佩利，秦麗杰.基于ESDA的吉林省玉米生產(chǎn)水足跡空間分異[J].東北師大學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，47(2)：120-127.

[12] ALLEN R G，PRUITT W O，WRIGHT J L，et al.A recommendation on standardized surface resistance for hourly calculation of reference ET0by the FAO 56 Penman-Monteith method[J].Agricultural Water Management，2005，81(1/2)：1-22.

[13] 孫世坤.近50年來河套灌區(qū)作物生產(chǎn)水足跡時空演變過程研究[D].楊凌：中國科學(xué)院大學(xué)，2013.

[14] 石鑫.新疆近30年棉花生產(chǎn)水足跡時空演變分析[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012.

[15] SUN S K，WU P T，WANG Y B，et al.Temporal variability of water footprint for maize production：the case of Beijing from 1978 to 2008[J].Water Resour Manage，2013，8(27)：2447-2463.

[16] 趙慧，潘志華，韓國琳，等.氣候變化背景下武川主要作物生產(chǎn)水足跡變化分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2015，36(40)：406-416.

(責(zé)任編輯：方 林)

Temporal variability and influence factors of water footprint for maize production in Changchun

LI Hong-ying，QIN Li-jie，WANG Ye-min

(School of Geographical Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China)

Changchun is one of the commercial food production bases in China，with maize as the main crop.This study analyzed the interannual variability and influential factors of total water footprint and green，blue and grey water footprints of maize production in Changchun from 1960 to 2012.Results indicate that：the total water footprint of maize production showed a significant downward trend，and the composition structure of the total water footprint is constantly changing.The green and blue water footprints presented decreasing trends，but the grey water footprint had a clear increasing trend；the multi-year average water footprint of maize production was 1.53 m3/kg，which was 59% green，23% blue，and 18% grey.The major portion of maize production water footprint was green water；water footprint of maize production was affected by meteorological factors and agricultural inputs，among which the wind speed，accumulated temperature during growth period，machinery power and fertilizer input were the main factors.The influence of the same meteorological factors and agricultural inputs on the green，blue，grey and total water footprint varies.According to this study，it clearly shows that green water occupies an important position in maize production in Changchun，and it is useful for the rational utilization of water resources，the protection of ecological environment and the sustainable agricultural development.

maize；production water footprint；interannual variability；influence factors

1000-1832(2017)02-0120-07

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2017.02.023

2016-07-09

國家自然科學(xué)基金資助項目(41571526)；國家水體污染控制與治理科技重大專項課題(2014ZX07201-011).

李紅穎(1991—)，女，碩士研究生；通訊作者：秦麗杰(1966—)，女，博士，教授，主要從事水資源與水環(huán)境研究.

F 319.9 [學(xué)科代碼] 790·5920

A