卓 拉 王 偉 馮變變 謝朋軒 高學睿 吳普特

(1.西北農林科技大學水土保持研究所， 陜西楊凌 712100； 2.中國科學院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100；3.西北農林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西楊凌 712100)

0 引言

水資源供需矛盾突出、時空分布不均、用水效率時空差異大是我國農業(yè)水資源高效利用與管理的重要瓶頸[1-3]。作物生產耗水的時空變異性取決于作物、氣象、土壤等自然因素以及種植類型、灌溉技術等人為因素[4]。量化區(qū)域不同時空尺度作物生產耗水量及耗水效率的動態(tài)變化及其分布規(guī)律是農業(yè)水資源高效利用與需水管理的核心內容。

為全面度量人類活動對水資源的影響，荷蘭學者HOEKSTRA[5]提出水足跡(Water footprint，WF)概念。作物生產水足跡，指一定時間、一定地理范圍內作物生產過程中產生的水資源消耗量和污染量，可分為藍水足跡、綠水足跡與灰水足跡[6]。藍水足跡指地表水和地下水(灌溉水)的消耗，綠水足跡指降雨的消耗[7]。與傳統(tǒng)作物用水評價指標作物水分生產力相比，作物生產水足跡區(qū)分考慮作物生長階段對廣義水資源(藍水與綠水)消耗強度，為水資源管理提供了新視角[8-9]。以HOEKSTRA等[10]建立的水足跡標準計算方法框架為基礎，國際上通過將地理信息系統(tǒng)(GIS)技術與作物水分模型、水文統(tǒng)計數據相結合，已經實現柵格尺度高空間分辨率的作物生產水足跡量化。CHUKALLA等[11]基于國際糧農組織(FAO)作物水分生產力模型AquaCrop，針對以色列、西班牙、意大利與英國特定區(qū)域內不同灌溉方式下小麥、玉米與馬鈴薯生產水足跡進行了評價，發(fā)現當灌溉方式從傳統(tǒng)地面灌轉為滴灌時，作物藍水足跡與綠水足跡之和平均減少8%～10%，灌溉方式差異顯著影響區(qū)域作物生產水足跡強度和時空分布。近年來，諸多學者對我國作物生產水足跡進行了研究。LIU等[12]的研究指出處于干旱半干旱地區(qū)的黃河流域是全球作物生產水足跡中藍水占比最高的流域之一。CAO等[13]通過引入輸配過程的水損失，同時區(qū)分雨養(yǎng)和灌溉兩種供水方式，對我國小麥生產水足跡進行了核算，揭示了其時空變異性。然而，對于灌溉這一人工主導過程，已有研究常假設灌溉水等于凈灌溉需水量，尚未考慮不同灌溉方式對作物生產水足跡的影響。

黃河流域3/4的面積地處干旱半干旱地區(qū)，流域水資源量僅占全國2%，卻承擔著全國13%的糧食生產任務，是我國農業(yè)生產與灌溉用水矛盾最為突出的流域。本研究利用FAO作物水分生產力模型AquaCrop，在5′×5′(約為7.4 km×9.3 km)柵格尺度作物生產水足跡計算框架內引入灌溉方式模塊，對黃河流域種植最廣的糧食作物小麥[14-16]的生產水足跡進行量化與評價，分析小麥生產水足跡空間分布規(guī)律，明晰不同供水方式(灌溉和雨養(yǎng))和灌溉方式(傳統(tǒng)地面灌、噴灌和微灌)對作物生產水足跡核算的影響，以期為農作物水足跡量化及在農業(yè)節(jié)水中應用的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究方法

本研究基于AquaCrop模型[17-19]的柵格尺度作物生產水足跡計算方法框架[20]，通過引入灌溉方式模塊，對不同降雨典型年黃河流域不同供水方式和灌溉方式下小麥生產水足跡進行量化。黃河流域被劃分為上游、中游、下游3個片區(qū)，如圖1所示，上游區(qū)域從源頭到內蒙古自治區(qū)河口鎮(zhèn)，河口鎮(zhèn)到河南省鄭州市桃花峪為中游部分，自桃花峪至渤海為流域下游[21]。AquaCrop是由FAO開發(fā)的作物水分生產力模型，該模型在精度、模型復雜性和穩(wěn)定性之間尋求平衡，同時實現對作物不同灌溉方式、播種日期和氣候變化條件下產量的模擬[18]，已被廣泛應用于作物耗水量及耗水類型的模擬與評價[22-24]。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Map of Yellow River Basin

1.1.1作物生產水足跡量化

單位產量作物生產藍水足跡和綠水足跡，分別由單位產量作物生育期騰發(fā)量(ET)中藍水量和綠水量表示[10]。作物生長期日步長ET以及作物單產Y(kg/hm2)由AquaCrop模型模擬得出，對產量模擬值進行柵格所在省域單產統(tǒng)計值校核。AquaCrop通過追蹤根區(qū)水分流入量和流出量來模擬土壤水分動態(tài)平衡，為

St=St-1+Pt+It+Ct-ETt-Rt-Dt

(1)

式中St——作物生長期第t天末土壤含水量，mm

Pt——第t天的降雨量，mm

It——第t天的灌溉水量，mm

Ct——第t天的地下水毛細上升量，mm

ETt——第t天的作物騰發(fā)量，mm

Rt——第t天由降雨及灌溉產生的地表徑流量，mm

Dt——第t天土壤的深層滲漏量，mm

依據ZHUO等[25]和CHUKALLA等[11]基于AquaCrop模型提出的作物根區(qū)土壤水分平衡關系：作物生長期初始土壤水設為綠水，生育期內灌溉與降雨分別是藍水足跡與綠水足跡來源，追蹤逐日灌水量與降雨量對土壤水分平衡各要素的貢獻比例，分別得到相應藍、綠水騰發(fā)量ETbt與ETgt，進而得到作物生產藍、綠水足跡

(2)

(3)

式中Sbt、Sgt——每日土壤中藍水量和綠水量，mm

作物生長期土壤水分要素中，每日地表徑流中藍水與綠水的構成由當日灌溉與降雨的比例所決定；每日ET與土壤水深層滲漏中藍、綠水的占比等于前一日結束時土壤水中藍、綠水所占比例。

1.1.2灌溉方式模塊

基于AquaCrop模型的柵格尺度作物生產水足跡計算方法框架，以表層土壤濕潤率(Fraction of soil surface wetted, %)為表征參數，分別創(chuàng)建針對傳統(tǒng)地面灌(表層土壤濕潤率為80%)、噴灌(100%)和微灌(40%)3種灌溉方式的標準化輸入文件；基于柵格所在省級行政區(qū)灌溉方式應用比例，量化不同灌溉方式實施分布權重系數，得到相應灌溉方式下田間小麥生產藍、綠水足跡

(4)

(5)

式中WFb、WFg——田間灌溉作物生產藍水足跡與綠水足跡，m3/kg

i——灌溉方式，i為1、2、3依次代表傳統(tǒng)地面灌、微灌和噴灌

ETb,it、ETg,it——實施灌溉方式i條件下作物生長期第t天藍水和綠水蒸發(fā)蒸騰量，mm

Yi——灌溉方式i下的作物單產，kg/hm2

wi——灌溉方式i在空間單元的應用面積比例，%

gp——作物生育期時間，d

每一柵格中各灌溉方式施用面積所占份額與其所在省份各灌溉方式下灌溉面積占全省有效灌溉面積的比例一致。

1.2 數據來源

選取2005年(枯水年)、2009年(豐水年)和2013年(平水年)為黃河流域小麥水足跡的分析年。黃河流域小麥有效灌溉面積和各灌溉方式灌溉面積等農業(yè)生產數據來源于《中國農業(yè)機械工業(yè)年鑒》[26]；流域各省區(qū)小麥播種面積和產量數據來源于國家統(tǒng)計局“國家數據”數據庫[16]；月平均降雨量、日平均最高溫度和日平均最低溫度等AquaCrop模型所需氣象數據源于CRU-TS3.10數據庫[27]；大氣CO2濃度數據源于美國夏威夷冒納羅亞觀測站(https:∥www.esrl.noaa.gov/)；黃河流域土壤類型和含水量數據分別來自ISRIC土壤地形數據庫[28]，小麥生育期關鍵作物參數見表1；黃河流域上、中、下游3個片區(qū)降雨典型年不同灌溉方式下小麥的播種面積見表2。

表1 小麥生育期主要參數Tab.1 Crop characteristics for wheat in current study

注：作物播種日期來自文獻[29]；收獲指數來自文獻[30-31]；作物生育期分段方法和最大根深依據國際糧農組織FAO 56號文件[32]及文獻[33]。

表2 黃河流域小麥播種面積及各灌溉方式面積分布Tab.2 Harvested area of wheat and occupations by irrigation methods in Yellow River Basin

2 結果與分析

2.1 黃河流域小麥生產總水足跡構成

圖2為典型年黃河流域小麥生產總水足跡構成。黃河流域小麥生產總水足跡年均值為2.19×1010m3，各典型年間不同灌溉方式的貢獻比例基本保持穩(wěn)定。傳統(tǒng)地面灌的藍水和綠水足跡在全流域小麥生產總水足跡中都占較大比例，分別為92%和50%。而微灌在藍水和綠水中的貢獻比例僅分別為2%和1%。表3列出了黃河流域典型年各片區(qū)小麥生產總水足跡。各片區(qū)間，中游小麥生產總水足跡要遠高于上游和下游。中游小麥生產總水足跡的年均值為1.16×1010m3，占流域總量的53%(表3)。

圖2 典型年黃河流域小麥生產總水足跡構成Fig.2 Composition of total water footprint of wheat production in every typical year in Yellow River Basin

表3 黃河流域典型年各片區(qū)小麥生產總水足跡Tab.3 Total water footprint of wheat production in different reaches in Yellow River Basin m3

小麥生產總水足跡在灌溉方式間及各片區(qū)間所表現出的差異主要歸因于小麥播種面積的空間分布，即中游播種面積最大，占到總播種面積的56%，小麥生產總水足跡最高。排除各片區(qū)小麥種植面積的作用，以節(jié)水灌溉面積(微灌)占作物灌溉面積的比例進行分析，上游分別為中游和下游的2倍和4倍，節(jié)水灌溉工程在偏干旱的上游地區(qū)發(fā)展現狀要優(yōu)于中下游地區(qū)。在相同播種面積條件下，節(jié)水灌溉面積占比越高，小麥生產總水足跡越低。就整個流域灌溉農業(yè)的發(fā)展而言，通過推廣節(jié)水灌溉提高區(qū)域農業(yè)用水效率和降低作物生產水足跡總量仍具有較大潛力。

2.2 黃河流域小麥生產水足跡空間分布

圖3為黃河流域小麥生產水足跡空間分布狀況。黃河流域小麥生產水足跡年均值為1.22 m3/kg，其中藍水占65%。不同降雨典型年間，枯水年小麥生產水足跡最大(1.36 m3/kg)，豐水年(1.19 m3/kg)和平水年(1.12 m3/kg)較小。圖3顯示，流域小麥生產水足跡在不同典型年空間差異明顯，整體呈現從上游向下游遞減趨勢，上游、中游及下游小麥生產水足跡的年均值分別為1.66、1.28、0.96 m3/kg。小麥生產水足跡空間差異主要原因為：內蒙古、寧夏和甘肅等地降雨少蒸散量大，導致這些地區(qū)小麥單產水平過低，故水足跡較大；青海等地多種植春小麥，生育期短耗水量較少，因而水足跡偏??；下游河南和山東等地小麥生產水足跡較小的原因是單產水平較高。流域小麥生產水足跡強度差異主要體現在上中游地區(qū)，這是由不同典型年降雨量在這一區(qū)域變化顯著所造成的。

圖3 黃河流域小麥生產水足跡空間分布Fig.3 Spatial distributions of water footprint in wheat production in Yellow River Basin

圖4 黃河流域小麥生產藍水足跡占比分布Fig.4 Weight distribution of blue water footprint in total for wheat production in Yellow River Basin

圖4為黃河流域小麥生產藍水足跡占比分布圖。由圖4可知，全流域小麥生產藍水足跡占比處于較高水平。流域內藍水足跡比重較大地區(qū)集中在上游寧蒙平原灌區(qū)，達70%以上；其次是中游的伊洛沁河和汾渭盆地灌區(qū)；下游的黃淮海引黃灌區(qū)，藍水足跡占比亦維持在60%以上。不同降雨典型年間，各分片區(qū)藍水足跡占比隨降雨差異產生波動?？菟?圖4a)全流域表現出高生產水足跡、高藍水足跡占比的特點。豐水年(圖4b)充沛降雨條件下，流域中游地區(qū)藍水足跡占比最低。平水年(圖4c)黃河及其主要支流(渭河、汾河、伊洛河等)沿岸藍水足跡占比偏高。全流域普遍偏高的藍水足跡，一方面是因為上中游地區(qū)降雨較少故需實施大規(guī)模灌溉，另一方面是下游較高的土壤蒸發(fā)量也要求該地區(qū)要有足夠的灌溉保證率，這同LIU等[12]得出的黃河流域是全球作物藍水足跡比重最高的流域之一的研究結果一致。

2.3 不同灌溉方式下的小麥生產水足跡

圖5和表4分別為典型年黃河流域及其各片區(qū)不同供水方式和灌溉方式下小麥生產水足跡分布。對比不同供水方式和灌溉方式下小麥生產水足跡發(fā)現，傳統(tǒng)地面灌最低，為1.20 m3/kg，微灌和噴灌小麥生產水足跡差異較小，分別為1.40、1.50 m3/kg。流域灌溉農田小麥生產水足跡(1.40 m3/kg)均值高于雨養(yǎng)農田(1.12 m3/kg)。片區(qū)間不同供水方式和灌溉方式間小麥生產水足跡也呈現差異，以節(jié)水灌溉面積占比最大的上游為例，微灌小麥生產水足跡最低，為1.67 m3/kg，藍水足跡占比71.8%；傳統(tǒng)地面灌為1.76 m3/kg和71.7%，噴灌為2.07 m3/kg和73.6%。

全流域與各片區(qū)間小麥生產水足跡產生差異的主要原因在于流域上中游地區(qū)傳統(tǒng)地面灌面積占流域總播種面積的68%，且流域內超過86%的微灌種植聚集于此，在上游地區(qū)單產(3.2 t/hm2)水平顯著低于流域平均水平(4.2 t/hm2)的前提下，導致全流域水足跡加權結果向下游播種面積更廣的傳統(tǒng)地面灌種植傾斜。這說明在同一空間尺度，微灌與傳統(tǒng)地面灌和噴灌相比，用水效率更高，降低作物生產水足跡的效果更明顯。

圖5 黃河流域降雨典型年不同供水方式和灌溉方式下小麥生產水足跡Fig.5 Water footprint of wheat production under different irrigation methods in typical years in Yellow River Basin

表4 黃河流域降雨典型年不同供水方式和灌溉方式片區(qū)尺度平均小麥生產水足跡Tab.4 Water footprint of wheat production in different reaches of Yellow River Basin

圖6 不同供水方式和灌溉方式下小麥騰發(fā)量組成Fig.6 Composition of evapotranspiration in wheat production under different irrigation methods

將作物騰發(fā)量進一步分為無效藍綠水蒸發(fā)與有效藍綠水蒸騰。圖6為不同供水方式和灌溉方式下小麥騰發(fā)量組成。由圖6可知，不同供水方式下小麥生育期耗水量和耗水類型存在明顯區(qū)別。微灌方式下于生育期總騰發(fā)量最低，年均值為519 mm；傳統(tǒng)地面灌和噴灌方式下偏高，分別為560、576 mm；雨養(yǎng)模式下的綠水騰發(fā)量為415 mm。不同供水方式及灌溉方式下有效藍綠水蒸騰量均大于無效藍綠水蒸發(fā)量，其中微灌方式下有效蒸騰量占到作物總耗水的91%，在傳統(tǒng)地面灌、噴灌和雨養(yǎng)中分別為84%、80%和85%。至于機會成本更高的藍水，特別是藍水無效蒸發(fā)量，噴灌最大，為51 mm；其次是傳統(tǒng)地面灌的42 mm；最低為微灌的22 mm。此外，灌溉方式間藍水無效蒸發(fā)量相對大小不隨年降雨量變化，而主要取決于不同灌溉方式下土壤表層濕潤率的差異。

不同灌溉方式下小麥生產水足跡量化結果表明，噴灌小麥生育期騰發(fā)量和生產水足跡最大。傳統(tǒng)意義上的節(jié)水灌溉是從用水角度出發(fā)，通過提升灌溉效率減少輸水損失來降低用水需求[34]。而作物生產水足跡是從耗水角度展開，衡量作物生長的實際耗水，未考慮因深層滲漏而造成的回歸水量[10]，這一觀點的合理性也被GRAFTON等[35]提出的“節(jié)水灌溉悖論”所證實：噴灌同傳統(tǒng)地面灌相比，用水量雖然減少，但土壤表層濕潤率更大，去除回歸水量影響后，噴灌耗水更多。這同CHUKALLA等[11]針對以色列、西班牙、意大利和英國主要作物的研究結果一致。此外，流域灌溉小麥生產水足跡高于雨養(yǎng)，因為同等環(huán)境下，雨養(yǎng)小麥生育期耗水量比灌溉小麥平均低25%，單位產量比灌溉小麥低22%。

3 結束語

以黃河流域典型年小麥生產水足跡量化與評價為研究案例，揭示大區(qū)域尺度不同供水方式與灌溉方式對作物生產水足跡的影響不可忽略。流域小麥生產水足跡年均值為1.22 m3/kg，藍水足跡占65%，呈現出從上游向下游遞減趨勢；黃河流域灌溉小麥生產水足跡普遍大于雨養(yǎng)；不同灌水方式下，以節(jié)水灌溉面積占比最大的上游為例，微灌小麥生產水足跡最低，為1.67 m3/kg，藍水足跡占比71.8%；傳統(tǒng)地面灌為1.76 m3/kg和71.7%，噴灌為2.07 m3/kg和73.6%。流域中游地區(qū)作為小麥主要種植區(qū)域，小麥生產總水足跡占全流域53%以上；傳統(tǒng)地面灌在流域小麥生產總藍水足跡及總綠水足跡中都占較大比例，分別為92%和50%。