龔 嚴(yán) ，馬彥彬 ，趙梳坍 ，秦 杰 ，陳 丹 *

（1.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

0 引言

提高農(nóng)業(yè)用水效率并控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響對(duì)區(qū)域內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)平衡至關(guān)重要[1]。水足跡是衡量一個(gè)地區(qū)水資源消耗的重要指標(biāo)，農(nóng)作物播種水足跡可以全面衡量作物播種及生長(zhǎng)過(guò)程中水資源的需求量，分為藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡[2-3]。藍(lán)水和綠水足跡分別用于作物生長(zhǎng)對(duì)灌溉水和有效降水的消耗，而灰水足跡為稀釋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的污染物使其達(dá)到環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所消耗掉的淡水量[4]。農(nóng)作物水足跡的計(jì)算與分析對(duì)水資源短缺的中國(guó)有重要意義，所以學(xué)者對(duì)不同區(qū)域農(nóng)作物水足跡進(jìn)行了研究。田園宏等[5]與操信春等[6]對(duì)全國(guó)尺度上糧食作物生產(chǎn)水足跡進(jìn)行和核算；單純宇和王素芬[7]計(jì)算了流域尺度上作物生產(chǎn)水足跡；陳龍等[8]對(duì)華北平原小麥和玉米作物的生產(chǎn)水足跡進(jìn)行了研究。省區(qū)尺度作物生產(chǎn)水足跡研究較多，例如陜西、北京、山東以及黑龍江等[9-12]。由于灌區(qū)是農(nóng)業(yè)用水集中的區(qū)域，所以包括河套灌區(qū)與人民勝利渠灌區(qū)等在內(nèi)典型灌區(qū)作物水足跡也受到關(guān)注[13-14]。此外，也有學(xué)者在更小的尺度上作物生產(chǎn)水足跡計(jì)算方法進(jìn)行探索：劉帝等[15]基于田間耗水對(duì)深吸關(guān)中地區(qū)主要糧食作物水足跡進(jìn)行了計(jì)算分析；Cao等[16]對(duì)中國(guó)東部水稻水足跡進(jìn)行了田間觀測(cè)；吳楠等[17]對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡進(jìn)行了試驗(yàn)觀測(cè)。以上研究為水足跡理論尤其農(nóng)業(yè)節(jié)水研究提供了重要的信息，然而當(dāng)前的研究多停留在對(duì)單個(gè)作物或主要研究糧食作物上，也較少在農(nóng)作物播種水足跡的驅(qū)動(dòng)因子和調(diào)控機(jī)制上展開(kāi)研究。本文以面臨較嚴(yán)峻水資源壓力的江蘇省為研究對(duì)象[18]，計(jì)算1996～2015年不同種類作物水足跡，分析類農(nóng)作物的水足跡構(gòu)成及其隨時(shí)間變化過(guò)程，并探尋影響農(nóng)作物播種水足跡變化的驅(qū)動(dòng)因素，為區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源管理提供參考。

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 農(nóng)作物播種水足跡

農(nóng)作物播種水足跡為所有農(nóng)作物水足跡之和，能夠衡量研究區(qū)域種植業(yè)對(duì)水資源的真實(shí)占用。每種作物的水足跡（CWF）可分為藍(lán)水足跡（CWFblue）、綠水足跡（CWFgreen）和灰水足跡（CWFgrey）[17]：

其中CWFblue與CWFgreen之和等于作物蒸發(fā)蒸騰量，可利用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的彭曼公式計(jì)算得到[8，17]?；宜阚E、根據(jù)化肥中氮的流失造成水污染而需要的稀釋水量來(lái)估算：

式中，AR為每公頃土地的化肥施用量，kg；α為淋溶率（即進(jìn)入水體的污染量占總化學(xué)物質(zhì)施用量的比例）；cmax為最大容許濃度，kg/m3；cmin為污染物的自然本底濃度，kg/m3。由于同一稀釋水能同時(shí)稀釋多種污染物，因此在計(jì)算稀釋污染物的需水量時(shí)由所需稀釋水量最大的污染物決定，前人考慮到數(shù)據(jù)的可獲得性和代表性，以稀釋淋失氮的需水量為代表，取氮肥施用量的10%作為淋失氮[3]，稀釋標(biāo)準(zhǔn)濃度為10 mg/L，即α=10%，cmax=0.01 kg/m3，受納水體的自然本底濃度為0[3]。

1.2 影響因素分析

本文利用通徑分析方法來(lái)進(jìn)行江蘇省農(nóng)作物水足跡變化的驅(qū)動(dòng)因子分析。該方法通過(guò)對(duì)自變量與因變量之間表面直接相關(guān)性的分解，來(lái)研究自變量對(duì)因變量的直接重要性和間接重要性，即將相關(guān)系數(shù)分解為直接通徑系數(shù)（某一自變量對(duì)因變量的直接作用）和間接通徑系數(shù)（該自變量通過(guò)其他變量對(duì)因變量的間接作用）[1]。本文所篩選的潛在影響因子包括降水量（X1）、人口密度（X2）、人均GDP（X3）、人均純收入（X4）、化肥施用量（X5）、糧食單產(chǎn)（X6）、灌溉水利用系數(shù)（X7）、高耗水作物比（X8）、農(nóng)業(yè)用水比重（X9）及耕地灌溉率（X10）。其中，高耗水作物比為糧食作物播種面積與農(nóng)作物總播種面積的比值；耕地灌溉率為有效灌溉面積與耕地面積的比值。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文研究時(shí)間段為1996～2015年，水足跡計(jì)算所包含的作物有小麥、玉米、稻谷、豆類、薯類、油料、花生、甜菜、麻類、煙葉以及水果等，與統(tǒng)計(jì)年鑒分類相對(duì)應(yīng)。江蘇省氣象資料來(lái)自于位于13個(gè)地級(jí)市的70個(gè)氣象站點(diǎn)（圖1），由中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）下載得到；歷年各作物播種面積、產(chǎn)量，全省國(guó)土面積、耕地面積、有效灌溉面積、化肥施用量、人口、GDP、人均純收入等數(shù)據(jù)來(lái)自1997～2016年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒和江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒；此外，還參考了歷年江蘇省水資

源公報(bào)等資料。

圖1 氣象數(shù)據(jù)收集站點(diǎn)分布圖

2 結(jié)果與分析

2.1 江蘇省農(nóng)作物播種水足跡

1996～2015年，江蘇省農(nóng)作物播種水足跡的年均值為702.3億m3，其中藍(lán)水、綠水和灰水足跡分別為83.5億m3、477.5億m3及141.3億m3。計(jì)算出歷年江蘇省藍(lán)水、綠水和灰水足跡值，如圖2所示。

圖2 江蘇省歷年農(nóng)作物播種水足跡值

圖2顯示，藍(lán)水足跡基本保持平穩(wěn)狀態(tài)發(fā)展，上下起伏波動(dòng)不大；綠、灰水足跡變化趨勢(shì)基本相同，都是先減小再增大最終趨于平穩(wěn)。藍(lán)水足跡最大年份出現(xiàn)在1997年，為91.1億m3，比最小年份大19.7億m3；綠水足跡在462.3億～498.8億m3之間變化；灰水足跡最大值為148.8億m3，出現(xiàn)在1997年，最小值為134.9億m3，出現(xiàn)在2000年?？傮w來(lái)看，江蘇省農(nóng)作物播種水足跡呈現(xiàn)先下降后上升再穩(wěn)定的趨勢(shì)，最大值和最小值之間相差69.0億m3，波動(dòng)較小。

為更好的研究江蘇省農(nóng)作物播種水足跡的變化及構(gòu)成，計(jì)算出1996～2015年江蘇省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡密度及藍(lán)、綠、灰水足跡分別占總水足跡的比例，由上述數(shù)據(jù)繪制出圖3。

圖3 江蘇省1996～2015年單位耕地農(nóng)作物水足跡及其構(gòu)成

由圖3可知，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡密度的年均值為1456.93 mm，藍(lán)、綠、灰水足跡占總水足跡的比例的年均值分別為11.9%、68%和20.11%。1996年到2003年，農(nóng)作物水足跡密度呈下降趨勢(shì)，藍(lán)、綠、灰水比例基本保持不變；在2000年由于江蘇省耕地面積的增加以及農(nóng)作物水足跡總值的下降，農(nóng)作物水足跡密度出現(xiàn)了突然下降的情況，藍(lán)水比例下降；綠水比例上升；灰水比例保持不變。2001～2008年，農(nóng)作物水足跡密度緩慢上升，藍(lán)水比例小幅度上升；綠水比例有較小的下降；灰水比例繼續(xù)保持不變。2008～2015年，農(nóng)作物水足跡密度趨于平穩(wěn)，藍(lán)、綠、灰水比例保持穩(wěn)定。

2.2 農(nóng)作物播種水足跡構(gòu)成

江蘇省播種的農(nóng)作物包括稻谷、水果、小麥、棉花、豆類、玉米、花生、油料、薯類、茶葉、甘蔗、麻類、煙葉及糖料等類別。計(jì)算出1996～2015年各類作物水足跡值年均值，以該省作物水足跡的來(lái)源，結(jié)果列于表1。因薯類、茶葉、甘蔗、麻類、煙葉與糖料的水足跡值較小，為便于分析，將此6類作物統(tǒng)一歸為“其他”類。

表1顯示，全省各個(gè)作物的綠水足跡占自身總水足跡的比例最大，平均可達(dá)到74%，說(shuō)明綠水是江蘇省農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育所需水資源的最重要來(lái)源，是維持該地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品正常生產(chǎn)的重要水資源基礎(chǔ)。其中，豆類、花生的綠水足跡占自身總水足跡的比例最大，均超過(guò)80%；水果、稻谷、小麥的綠水足跡最多，占總綠水足跡的74.5%。除稻谷、小麥之外，其他農(nóng)作物的藍(lán)水足跡均小于2億m3或在2億m3左右，藍(lán)水足跡占自身總水足跡的比例也基本在10%以下，說(shuō)明藍(lán)水在這些作物生長(zhǎng)發(fā)育階段所使用的比例不大，這跟作物的生長(zhǎng)習(xí)性以及江蘇省沿江沿海降水充沛有關(guān)。灰水足跡中，除豆類作物外，其他作物的灰水足跡占自身總水足跡的比例均在10%以上，這一方面是由于作物自身生長(zhǎng)特性導(dǎo)致，另一方面也說(shuō)明在種植過(guò)程中環(huán)境污染問(wèn)題較為嚴(yán)重。其中，玉米、油料和水果作物的綠水足跡占自身總水足跡的比例超過(guò)80%，生長(zhǎng)發(fā)育主要來(lái)源于綠水，藍(lán)水用量很少，可在降水豐沛的地區(qū)推廣種植；但由于這幾種作物灰水足跡占自身總水足跡的比例過(guò)大，對(duì)環(huán)境污染較大，在今后的種植過(guò)程中需要考慮對(duì)環(huán)境的影響。

表1 1996-2015年各個(gè)作物水足跡及其組成年均值

圖4所示的是1996～2015年間，各類作物水足跡隨年份變化折線圖。在1996～2015年間，豆類、玉米、花生還有其他類作物水足跡隨年份變化幅度均較小，基本保持不變。稻谷、水果、小麥、棉花這4類作物水足跡隨年份的變化幅度大。其中，稻谷呈先下降后上升再穩(wěn)定的狀態(tài)，并在2004年達(dá)到最小值，2007年以后水足跡基本穩(wěn)定。小麥的變化趨勢(shì)和稻谷大致相同，小麥水足跡在1996～2005年間呈下降趨勢(shì)，2006～2008年有小幅度的上升，2008年以后基本平穩(wěn)。水果水足跡基本呈上升的趨勢(shì)發(fā)展，只在2007～2008年有小幅度的下降。棉花水足跡除在1999～2001和2002～2005年有上升過(guò)，其余年份基本以下降的趨勢(shì)發(fā)展。不同的作物的水足跡隨年份變化的趨勢(shì)多有不同，除跟作物本身的生長(zhǎng)特性有關(guān)以外，與作物的種植面積、氣候條件等都有很大的關(guān)系。

圖4 各類作物水足跡隨時(shí)間變化

選取1996年、1999年、2003年、2008年和2015年為特征年份計(jì)算各個(gè)作物藍(lán)、綠、灰水足跡和總水足跡，并計(jì)算各個(gè)作物1996～2015年的藍(lán)、綠、灰水足跡和總水足跡的平均值，繪制出圖5。稻谷、玉米、花生和其他類作物的藍(lán)、綠、灰水足跡各占的比例隨年份的變化基本保持不變；水果的綠水足跡和灰水足跡所占比例呈上升趨勢(shì)，并在2015年的時(shí)候達(dá)到最大；小麥在2003年時(shí)總水足跡達(dá)到最低值，藍(lán)、綠、灰水足跡占總水足跡比例也達(dá)到最低；棉花水足跡一直呈下降趨勢(shì)，在2015年達(dá)到最低值，藍(lán)、綠、灰水足跡占總水足跡比例也達(dá)到最小。

2.3 作物播種水足跡的驅(qū)動(dòng)因素分析

所選因子對(duì)單農(nóng)作物播種水足跡影響程度用通徑分析，結(jié)果列于表2。

各因素對(duì)農(nóng)作物播種水足跡變化直接影響因素由大到小依次為：正相關(guān)為人均GDP（X3）、有效灌溉面積比重（X10）、單位耕地面積化肥施用量（X5）、高耗水作物面積比（X8）、糧食單產(chǎn)（X6）；負(fù)相關(guān)為人均純收入（X4）、灌溉水利用系數(shù)（X7）、人口密度（X2）、降水量（X1）、農(nóng)業(yè)用水比重（X9）。人均GDP（X3）較大則農(nóng)作物播種水足跡變化較大，而人均純收入（X4）和灌溉水利用效率（X7）較大則相反?？傆绊懴禂?shù)與直接通徑系數(shù)的一致性不強(qiáng)，說(shuō)明因素與因素之間存在不可忽視的間接影響。降水量（X1）、單位耕地面積化肥施用量（X5）、糧食單產(chǎn)（X6）、高耗水作物面積比（X8）、有效灌溉面積比重（X10）的直接通徑系數(shù)和總影響系數(shù)相差不大，這幾個(gè)因子主要直接影響農(nóng)作物播種水足跡的變化；人均GDP（X3）直接通徑系數(shù)較大的同時(shí)，也對(duì)人均純收入（X4）、灌溉水利用系數(shù)（X7）、農(nóng)業(yè)用水比重（X9）產(chǎn)生較大的影響，使得這3個(gè)因子對(duì)農(nóng)作物播種水足跡的負(fù)相關(guān)影響變成正相關(guān)。而人均GDP（X3）直接通徑系數(shù)較大，但總影響系數(shù)卻較小，主要是受到人均純收入（X4）及灌溉水利用系數(shù)（X7）的間接影響。

圖5 典型年份藍(lán)、綠及灰水足跡的來(lái)源構(gòu)成

表2 農(nóng)作物播種水足跡變化的影響因素的通徑分析結(jié)果

總體來(lái)看，除降水量（X1）和灌溉水利用效率（X7）對(duì)農(nóng)作物播種水足跡起負(fù)相關(guān)作用外，其他因子都起正相關(guān)作用，其中，有效灌溉面積比重（X10）、高耗水作物面積比（X8）、單位耕地面積化肥施用量（X5）對(duì)農(nóng)作物播種水足跡變化的影響最大，特別是有效灌溉面積，這說(shuō)明在合理利用水資源，提高有效灌溉面積的比重，減少不必要的農(nóng)作物播種水足跡，對(duì)減緩農(nóng)業(yè)用水壓力有重要影響；同時(shí)，單位耕地面積化肥施用量直接影響農(nóng)作物播種水足跡中的灰水足跡，故合理使用化肥，減少污染對(duì)緩解農(nóng)業(yè)用水緊張也很重要。

3 總結(jié)

農(nóng)作物播種水足跡可以通過(guò)藍(lán)、綠水足跡從水量消耗角度分析，也可以通過(guò)灰水足跡從污染角度分析，從而能更好地衡量區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)水足跡的真實(shí)需求。此外，核算和研究區(qū)域農(nóng)作物播種水足跡能夠全面評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)水資源系統(tǒng)的真實(shí)影響。江蘇省農(nóng)作物播種水足跡雖然保持穩(wěn)定不變，但其平均值仍然超過(guò)700億m3，其中大部分水由稻谷、水果和小麥消耗，對(duì)作物用水量的合理分配和管理、提高有效灌溉面積、減少高耗水作物的種植將是接下來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。同時(shí)，灰水足跡占總水足跡的比例高達(dá)20%，優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)技術(shù)減少化肥使用，減少灰水足跡較高作物的種植比例也是減少作物灰水足跡從而保持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境平衡的重要措施。

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