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        新疆于田綠洲2015年農(nóng)業(yè)景觀要素水足跡計算

        2018-07-06 00:58:36黃秀艷師慶東
        節(jié)水灌溉 2018年6期
        關(guān)鍵詞:農(nóng)業(yè)

        黃秀艷,師慶東

        (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)

        0 引 言

        隨著我國人口的增長和社會經(jīng)濟的發(fā)展,人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響越來越大,由此引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題也日益突出[1]。西北干旱區(qū)位于亞歐大陸中心,遠(yuǎn)離海洋且四面環(huán)山,氣候干旱,水資源短缺,水資源已經(jīng)成為影響我國干旱區(qū)環(huán)境與發(fā)展的限制因子[2]。新疆作為典型的干旱半干旱地區(qū),水資源短缺是其基本特征,社會、經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境用水矛盾突出。其中荒漠綠洲是干旱區(qū)重要的生態(tài)系統(tǒng),是一種獨特的人地關(guān)系和自然景觀[3]。水是綠洲流域中下游經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)平衡的紐帶,其數(shù)量和分布直接影響著景觀的荒漠化和綠洲化進(jìn)程。

        J. Anthony Allan于1993年提出了“虛擬水”的概念,即指農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中所消耗的水資源數(shù)量[4]。Hoekstra于2002年在虛擬水的概念上提出水足跡的概念,它是以水資源消費為基礎(chǔ)的指示器,建立了水資源與人類消費模式之間的關(guān)系,將水資源問題拓展到社會經(jīng)濟領(lǐng)域,因而是當(dāng)前衡量人類活動對水資源系統(tǒng)影響的最好指標(biāo)[5,6]。馬靜、王紅瑞等對中國區(qū)域的農(nóng)產(chǎn)品及畜產(chǎn)品水足跡分別進(jìn)行了計算[7-9],高孟緒等運用GIS技術(shù)對中國人均水足跡進(jìn)行了計算[10],董蒙等運用投入產(chǎn)出法計算分析了新疆2012年的水足跡[11],景觀尺度能更好地表達(dá)和研究人類所生存環(huán)境的結(jié)構(gòu)、功能和過程,與人類活動密切相關(guān)?,F(xiàn)有的綠洲景觀格局變化的研究主要集中在生態(tài)水文效應(yīng)的研究[12],耗水研究主要集中在河道內(nèi)及河道外的生態(tài)需水研究,主要在于建立不同的模型對植被進(jìn)行耗水計算[13-15],對于干旱區(qū)綠洲內(nèi)各類農(nóng)業(yè)景觀的水足跡計算研究較少。

        農(nóng)業(yè)主要包括種植業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)和漁業(yè)等。而于田縣是典型的荒漠綠洲,以農(nóng)業(yè)為主,有著獨立灌溉系統(tǒng)的中等農(nóng)業(yè)縣。種植業(yè)主要以種植小麥、玉米為主,瓜果有葡萄、果用瓜等,畜牧業(yè)主要以羊為主,禽肉及奶類等為輔,其漁業(yè)不發(fā)達(dá),僅有少量的水產(chǎn)品。尤其是國務(wù)院發(fā)布《國務(wù)院關(guān)于實行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》后,更應(yīng)減少農(nóng)業(yè)用水量,提高水的利用效率[16]。

        因此,本文以于田綠洲為研究區(qū),從種植業(yè)、林果業(yè)、畜牧業(yè)及漁業(yè)四個角度,依據(jù)2016年新疆及于田縣統(tǒng)計年鑒,利用FAO提供的Climate、Cropwat數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)計算于田縣各類農(nóng)業(yè)景觀要素的水足跡。以期為該綠洲合理利用水資源,解決水資源短缺與糧食安全、生態(tài)環(huán)境等問題,優(yōu)化配置水資源提供參考。

        1 研究區(qū)與研究方法

        1.1 研究區(qū)概況

        新疆地處亞歐大陸腹地,氣候極端干旱,降水稀少,資源性缺水十分突出。于田縣位于新疆塔里木盆地南緣,是典型的荒漠綠洲,水資源就顯得尤為重要。于田縣隸屬于新疆和田地區(qū),東臨民豐縣、西臨策勒縣,南靠昆侖山,北臨塔克拉瑪干沙漠與沙雅縣相接,素有中國大蕓、中國胡楊、中國探險旅游之鄉(xiāng)等美名[17]。縣轄2個鎮(zhèn)、13個鄉(xiāng),土地總面積為39 126.14 km2,是以維吾爾族為主的少數(shù)民族聚居區(qū),其地勢南高北低,南北高差3 500 m。于田縣屬暖溫帶內(nèi)陸干旱荒漠氣候,地處內(nèi)陸腹地,平均蒸發(fā)量為2 420.23 mm,平均降水量為47.7 mm,平均相對濕度為42%,自然條件惡劣,經(jīng)濟發(fā)展緩慢。

        于田縣植被總特點為:結(jié)構(gòu)單一,種類稀少,覆蓋度低,但自然植被多具有耐旱、耐風(fēng)沙、耐鹽堿等特征。且自南向北形成高山、綠洲、戈壁、沙漠等地貌單元,并有典型的冰川、凍土、火山、沙漠等地貌類型。

        1.2 數(shù)據(jù)來源

        所用計算數(shù)據(jù)包括:①FAO的CLIMWAT數(shù)據(jù)庫(http:∥www.fao.org)中有關(guān)于田部分的數(shù)據(jù)以及CROPWAT軟件;②國際上有關(guān)虛擬水研究的中國主要農(nóng)畜產(chǎn)品單位質(zhì)量虛擬水含量;③2016年新疆及于田統(tǒng)計年鑒;④2015年于田縣氣溫及降水?dāng)?shù)據(jù)。

        1.3 主要農(nóng)業(yè)要素水足跡計算

        1.3.1 作物生長用水量

        一個國家或地區(qū)的水足跡定義為該國家或地區(qū)的居民生產(chǎn)和服務(wù)的水資源需求總量[18]。而作物生產(chǎn)水足跡包括作物生長用水量和引起的污染用水量。作物生產(chǎn)水足跡包括以下三個部分:綠水足跡、藍(lán)水足跡以及灰水足跡。其計算公式如下:

        Wproc=Wgreen+Wblue+Wgrey

        (1)

        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,分別計算于田縣主要農(nóng)業(yè)要素的綠水及藍(lán)水虛擬水含量,即作物生長用水量。

        (2)

        Wcn=Wgreen+Wblue

        (3)

        式中:Vcn代表區(qū)域n作物c的虛擬水含量,m3/t;Wcn代表區(qū)域n作物c生長期內(nèi)每公頃作物需水量,m3/hm2;Wgreen及Wblue代表區(qū)域內(nèi)每公頃作物所需綠水及藍(lán)水量;Ycn代表區(qū)域n作物c每公頃產(chǎn)量,t/hm2。

        作物需水量是通過計算作物整個生長期內(nèi)累積的土壤蒸發(fā)量ETc獲得,ETc是根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的修正的標(biāo)準(zhǔn)彭曼公式計算:

        ETc=ET0×kc

        (4)

        (5)

        式中:ETc為作物土壤蒸發(fā)量,mm/d;ET0為參照騰發(fā)量,mm/d;kc為作物系數(shù);Rn為作物表面的凈輻射量,MJ/m;G為土壤熱流量,MJ/m;T為平均氣溫,℃;U2為離地面兩米處風(fēng)速,m/s;ea為飽和狀態(tài)下的水氣壓,kPa;ed為實際水氣壓,kPa;Δ為蒸氣壓力曲線斜率,kPa/ ℃;γ為干濕度常數(shù),kPa/ ℃。

        1.3.2 作物引起的污染用水量

        灰水足跡指以自然本底濃度和現(xiàn)有的環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn),將一定的污染負(fù)荷稀釋至高于一定環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所需的淡水體積。采用《水足跡評價手冊》[19]中的計算方法,某種作物或樹木生長過程中的灰水足跡計算公式為:

        (6)

        式中:Y為作物產(chǎn)量,t/hm2。研究區(qū)地處干旱區(qū),農(nóng)田以灌溉為主不易形成地表徑流,氮肥主要造成地下水的污染,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[20],氮肥淋溶率α設(shè)為0.1;每升飲用水中不能超過10 mg的氮,即Cmax為0.01 kg/m3;假設(shè)自然水體中氮的濃度為0,即Cnat為0 kg/m3。AR確定方法為:通過《新疆統(tǒng)計年鑒》分別得到于田縣主要作物的施氮肥數(shù)據(jù)和種植面積,兩者比值即為施氮率AR[21,22]。

        1.4 動物產(chǎn)品水足跡計算

        于田縣畜牧業(yè)主要以牛、羊類為主,再加上奶類,禽蛋類。由于畜產(chǎn)品虛擬水含量計算較為復(fù)雜,而國內(nèi)的研究數(shù)據(jù)又較為一致[23-26]。因此,本文借鑒前人的研究成果,最終確定出于田縣主要畜產(chǎn)品單位質(zhì)量虛擬水含量。計算了2015年于田縣畜產(chǎn)品生產(chǎn)耗水量及城鄉(xiāng)居民消費虛擬水含量。

        表1 于田縣畜產(chǎn)品單位質(zhì)量虛擬水含量 m3/kgTab.1 The livestock products of unit mass Virtual Water content of Yutian County

        2 結(jié)果與分析

        2.1 主要農(nóng)業(yè)要素生長需水量

        根據(jù)2016年新疆統(tǒng)計年鑒,將新疆主要作物分為兩大類:①農(nóng)作物。農(nóng)作物分為以下九類:糧食作物、薯類、棉花、油料、甜菜、蔬菜、果用瓜、苜蓿及特色農(nóng)作物。糧食作物又可分為谷物及豆類;油料也可分為油菜、胡麻及葵花;特色農(nóng)作物可分為番茄、辣椒、打瓜籽及啤酒花。其中谷物又包括水稻、小麥及玉米。②林果及堅果。林果主要有蘋果、梨、葡萄、桃、杏及紅棗;堅果主要有核桃等。計算于田縣各類農(nóng)業(yè)作物水足跡(表2)。

        表2 2015年于田縣主要作物Tab.2 The main crops in Yutian county in 2015

        利用Cropwat軟件計算于田縣主要農(nóng)業(yè)要素的蒸發(fā)蒸騰量,單位面積總需水量、單位面積綠水量和藍(lán)水量。乘以于田縣各農(nóng)業(yè)要素播種面積,可得到于田縣各農(nóng)業(yè)要素總需水量、綠水量及藍(lán)水量[27,28]。

        為具體對比分析于田縣九種農(nóng)業(yè)要素的需水情況,計算2015年于田縣各農(nóng)業(yè)要素單位質(zhì)量虛擬水含量(圖1)。通過對比發(fā)現(xiàn),于田縣主要農(nóng)業(yè)要素單位質(zhì)量虛擬水含量棉花最大為5.78 m3/kg,小麥次之為0.97 m3/kg,棉花的單位質(zhì)量虛擬水含量是小麥的近6倍。然后分別為葵花、苜蓿、玉米、薯類、葡萄、蔬菜以及果用瓜,其單位質(zhì)量虛擬水含量依次為0.90、0.74、0.68、0.26、0.16、0.14及0.14 m3/kg。由此可知,棉花為于田縣主要耗水作物,蔬菜及果用瓜的單位質(zhì)量虛擬水含量相同,且虛擬水含量都最少。棉花的種植面積為0.536 萬hm2,占于田縣作物種植的13.03%,可在不減少棉花經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)上,合理減少棉花的種植面積,增加非耗水作物的面積,對于田縣合理利用水資源及可持續(xù)發(fā)展有重要作用。

        圖1 2015年于田縣單位質(zhì)量虛擬水含量Fig.1 The Unit mass Virtual water content in Yutian County in 2015

        通過比較于田縣各主要農(nóng)業(yè)要素需水量(表3),發(fā)現(xiàn)于田縣作物生長總需水量為2.30 億m3/a。小麥總需水量最多,為0.652 億m3/a,占于田縣總需水量的28.35%,薯類總需水量最少,為23.0 億m3/a。小麥及薯類都主要依靠藍(lán)水,也就是灌溉用水量來生長,小麥所需藍(lán)水最多,為0.630 億m3/a,薯類所需藍(lán)水最少,為22.3 萬m3/a,所消耗的藍(lán)水分別占各自總需水量的96.28%和95.87%。說明薯類雖所需藍(lán)水最少,但薯類在生長過程中,較為依賴藍(lán)水。葡萄在生長過程中,其所需藍(lán)水量占總需水量的74.95%,說明葡萄對綠水的利用率較其他農(nóng)業(yè)要素更高。

        表3 于田縣主要農(nóng)業(yè)要素需水量Tab.3 The amount of virtual water of main crops in Yutian

        2.2 主要農(nóng)業(yè)要素污染用水量

        通過年鑒中于田縣各農(nóng)業(yè)要素施氮肥量,并結(jié)合主要要素面積權(quán)重來計算于田縣主要農(nóng)作物的施氮肥量,進(jìn)而通過公式計算各農(nóng)作物灰水足跡(表4)。2015年于田縣總灰水足跡為66.8 萬m3,其中,棉花的總灰水足跡最大,為31.4 萬m3,占總灰水足跡的47.03%,小麥次之,為18.3 萬m3,占總灰水足跡的27.33%,玉米的總灰水足跡為12.5 萬m3,占總灰水足跡的18.67%,棉花、小麥及玉米共占于田縣總灰水足跡的93.03%,且其單位質(zhì)量灰水也較大。

        表4 2015年于田縣主要農(nóng)業(yè)要素灰水足跡Tab.4 The grey water footprint of the main crops in Yutian in 2015

        2.3 畜產(chǎn)品生產(chǎn)耗水量

        根據(jù)畜產(chǎn)品單位質(zhì)量虛擬水含量,結(jié)合于田統(tǒng)計年鑒畜產(chǎn)品產(chǎn)量,計算畜產(chǎn)品生產(chǎn)耗水量(表5)。2015年于田縣畜產(chǎn)品生產(chǎn)耗水量共計3.13 億m3。其中,羊肉所需水量最多,為2.02億m3,占總畜產(chǎn)品需水量的64.4%。

        表5 2015年于田縣畜產(chǎn)品生產(chǎn)耗水量Tab.5 The livestock production of water consumption of Yutian County in 2015

        2.4 城鄉(xiāng)居民農(nóng)業(yè)要素虛擬水消費量

        利用新疆統(tǒng)計年鑒中居民平均每人全年主要食品消費量、于田縣城鎮(zhèn)居民人數(shù)、鄉(xiāng)村居民人數(shù)等相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果,計算了2015年于田縣城鄉(xiāng)居民對主要農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水消耗量。

        城鄉(xiāng)居民虛擬水消費總計2.27 億m3(表6)。從于田縣各產(chǎn)品消費總虛擬水量來看,城鎮(zhèn)居民與鄉(xiāng)村居民的虛擬水消費量分別為0.712 億m3和1.56 億m3,相差較大,這是由于于田縣鄉(xiāng)村居民人數(shù)比城鎮(zhèn)居民人數(shù)多造成的。其中,谷物所消費的虛擬水量最多,為8 617.8 萬m3,薯類所消費的虛擬水量最少,為4.7 萬m3。說明于田縣以谷物為主要消費產(chǎn)品,其他產(chǎn)品消費為輔。

        表6 2015年于田縣城鄉(xiāng)居民消費農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水含量Tab.6 The products consumed by the urban and rural residents of the virtual water in Yutian in 2015

        3 結(jié) 語

        3.1 討 論

        本文主要從農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡以及城鄉(xiāng)居民消費農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水含量兩方面來計算2015年于田縣農(nóng)業(yè)景觀要素生產(chǎn)及消費水足跡。

        通過計算于田縣主要農(nóng)業(yè)要素生產(chǎn)水足跡,可以發(fā)現(xiàn)小麥總需水量及藍(lán)水量都最大,其次是玉米,說明于田縣小麥生長主要依靠灌溉用水量;種植棉花會導(dǎo)致于田縣農(nóng)業(yè)用水大大增加,增加于田縣用水壓力。各要素灰水足跡表明,棉花的單位質(zhì)量灰水足跡最大,為0.60 m3/kg,可能是因為棉花在生長過程中,對肥料的利用率較低。其次,棉花、小麥及玉米三者的灰水足跡占于田縣總灰水足跡的93.03%,說明這三者的種植對水資源的污染最為嚴(yán)重。畜牧業(yè)及漁業(yè)生產(chǎn)水足跡表明,羊肉及牛肉為于田縣主要畜產(chǎn)品。因此,可以知道,小麥、玉米、棉花、羊及牛是于田縣農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢種。

        從城鄉(xiāng)居民對主要農(nóng)業(yè)要素虛擬水消耗量中可看出,鄉(xiāng)村居民對谷物需求遠(yuǎn)高于城鎮(zhèn)居民,對于其他農(nóng)產(chǎn)品,如薯類、油料等,基本上是鄉(xiāng)村居民需求量大于城鎮(zhèn)居民。第二,羊肉為于田縣主要消費的畜產(chǎn)品,占總畜產(chǎn)品消費的53.86%,這可能與于田縣少數(shù)民族占多數(shù)有關(guān),而對于禽肉、水產(chǎn)品及奶類,城鎮(zhèn)居民需求高于鄉(xiāng)村居民。說明于田縣鄉(xiāng)村居民對于農(nóng)產(chǎn)品的需求較高。

        從可持續(xù)發(fā)展角度考慮,在保證棉花經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)上,可適當(dāng)?shù)臏p少棉花種植面積,適量增加單位質(zhì)量虛擬水含量及總需水量較小的農(nóng)業(yè)要素的種植面積,以減少于田縣灌溉用水量;其次,最好能夠減少污染源流失或適量減少肥料的施用量,并提高肥料的利用率,以減少對水資源的污染,減輕于田縣用水壓力。對解決水資源短缺與糧食安全、生態(tài)環(huán)境等問題,優(yōu)化配置水資源提供參考。另外,本文僅考慮了氮肥的污染,未考慮其他化肥及農(nóng)藥的污染,計算的灰水足跡會偏小。第三,羊肉的生產(chǎn)水足跡遠(yuǎn)大于消費水足跡,因此,可適量減少于田縣羊肉的產(chǎn)量,來減輕于田縣用水壓力。第四,于田縣作為水資源短缺的地區(qū),水資源極大地影響了糧食的生產(chǎn)和安全,虛擬水貿(mào)易是一種新的水資源供應(yīng)方式,可以調(diào)節(jié)于田縣糧食安全及水資源安全。因此,于田縣也可通過進(jìn)口虛擬水來緩解缺水帶來的壓力。但一個國家或地區(qū)對進(jìn)口虛擬水過分依賴會使其經(jīng)濟發(fā)展受限,因此,在進(jìn)口虛擬水時,應(yīng)采取合理措施,合理分配及利用當(dāng)?shù)厮Y源,使水資源的利用效率得到提高,以此來更好的解決水資源短缺的問題。

        3.2 結(jié) 論

        本文通過計算2015年于田縣農(nóng)業(yè)景觀要素生產(chǎn)水足跡及城鄉(xiāng)居民消費農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水含量得到以下結(jié)論:

        (1)于田縣主要農(nóng)業(yè)要素中單位質(zhì)量虛擬水含量棉花最大為5.78 m3/kg,小麥次之為0.97 m3/kg,接下來依次為葵花(0.90 m3/kg)、苜蓿(0.74 m3/kg)、玉米(0.68 m3/kg)、薯類(0.26 m3/kg)、葡萄(0.16 m3/kg)、蔬菜(0.14 m3/kg)以及果用瓜(0.14 m3/kg)。其次,小麥總需水量最多,占于田縣總需水量的28.35%。

        (2)棉花無論是總灰水足跡還是單位質(zhì)量灰水足跡都最大,棉花、小麥及玉米共占于田縣總灰水足跡的93.03%,且此三者單位質(zhì)量灰水足跡也較大。

        (3)于田縣農(nóng)業(yè)景觀水足跡中,種植業(yè)及畜產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡分別為:2.31 億m3及3.13 億m3,二者消費水足跡共為2.27 億m3。

        (4)從于田縣城鄉(xiāng)居民消耗農(nóng)畜產(chǎn)品來看,除禽肉、奶類及水產(chǎn)品外,鄉(xiāng)村居民消耗均高于城鎮(zhèn)居民消耗。

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