江琦瑋，李玥瑤，吳夢(mèng)洋，操信春

(河海大學(xué) 農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

水資源短缺是危及糧食安全和制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的潛在因素[1]。農(nóng)業(yè)消耗了全球供水總量的70%，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的水資源高效利用是解決水資源供需矛盾、實(shí)現(xiàn)其可持續(xù)利用的可靠途徑[2]。農(nóng)業(yè)水資源利用過(guò)程及其效用評(píng)價(jià)也一直是學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題[3-4]。

涉及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水資源包括藍(lán)水和綠水，前者是指從天然水體中取用的灌溉水，后者是指作物生長(zhǎng)過(guò)程中消耗的降水[5]。農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)中，有關(guān)藍(lán)水有效利用及其效用評(píng)估的研究受到廣泛關(guān)注[6-7]。盡管綠水貢獻(xiàn)了全球農(nóng)業(yè)水足跡的60%以上[8]，但在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)用水估算、分配和調(diào)節(jié)中容易被忽視[9]。此外，作為自然植被的唯一水源，綠水對(duì)整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)的綜合治理與生物多樣性維護(hù)也具有重要影響[10]。因此，農(nóng)業(yè)水資源利用效用的評(píng)價(jià)對(duì)象由單一藍(lán)水向涵蓋綠水在內(nèi)的廣義水資源擴(kuò)展是重要的發(fā)展方向[11]。自水足跡概念被提出以來(lái)，關(guān)于不同尺度農(nóng)作物藍(lán)水和綠水資源消耗量評(píng)價(jià)的研究不斷深入[12-16]，估算有效降水量與假設(shè)作物全生育季田間蒸散發(fā)中的藍(lán)、綠水比例是當(dāng)前研究的共同點(diǎn)。與此同時(shí)，農(nóng)業(yè)水資源利用表現(xiàn)指標(biāo)也逐漸由灌溉效率和水分生產(chǎn)率轉(zhuǎn)向廣義水資源效率及其對(duì)水環(huán)境的影響[17-18]，從而豐富了水資源利用的評(píng)價(jià)內(nèi)涵、擴(kuò)展了指標(biāo)的時(shí)空尺度，也增加了農(nóng)業(yè)水資源利用效用的維度[19]。田間尺度上，灌溉效率指標(biāo)是灌溉技術(shù)先進(jìn)程度的重要度量[20]。對(duì)于雨養(yǎng)農(nóng)田，可用降水利用率來(lái)衡量水資源的有效利用程度，它是指進(jìn)入田間的降水(綠水)的蒸散量相對(duì)于進(jìn)入田間總降水量的比例[21]。在此基礎(chǔ)上，可使用任一指定區(qū)域的廣義水系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)區(qū)域藍(lán)、綠水資源的有效利用程度[22]，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)水資源效率評(píng)價(jià)指標(biāo)的內(nèi)涵。農(nóng)業(yè)水資源產(chǎn)出能力指標(biāo)被稱(chēng)為水分生產(chǎn)力，利用作物產(chǎn)量和水分投入項(xiàng)的比值來(lái)計(jì)算[23]，水分投入項(xiàng)通常根據(jù)研究對(duì)象和評(píng)價(jià)目的進(jìn)行選擇，從而建立不同的水分生產(chǎn)力指標(biāo)[24]。在水分投入項(xiàng)中同時(shí)考慮藍(lán)水和綠水是水分生產(chǎn)力研究的發(fā)展方向。

基于農(nóng)田藍(lán)、綠水平衡過(guò)程分析的水資源效用評(píng)估對(duì)區(qū)域資源環(huán)境的可持續(xù)性至關(guān)重要。然而，若忽略田間的復(fù)雜水分運(yùn)移過(guò)程，則難以揭示農(nóng)田藍(lán)、綠水資源的平衡原理和利用表現(xiàn)[25]，也無(wú)法為田間灌溉管理和區(qū)域藍(lán)、綠水協(xié)同調(diào)控提供準(zhǔn)確的信息。基于稻田藍(lán)、綠水遷移過(guò)程的試驗(yàn)觀測(cè)，本文在日時(shí)間步長(zhǎng)上描述藍(lán)水與綠水的平衡過(guò)程，建立基于藍(lán)、綠水分解的田間水資源效用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，分析不同降水條件對(duì)水資源利用效率指標(biāo)的影響，以期為農(nóng)業(yè)水文過(guò)程和水資源效用評(píng)價(jià)的研究與實(shí)踐提供參考。

2 試驗(yàn)與研究方法

2.1 稻田藍(lán)、綠水核算

稻田灌溉排水行為影響著藍(lán)、綠水遷移和消耗過(guò)程。當(dāng)作物未進(jìn)行播種時(shí)，降水(P)是田間水分的唯一來(lái)源，水量平衡過(guò)程只涉及綠水。在作物生長(zhǎng)階段，由于灌排時(shí)間的不確定性，每個(gè)水量平衡參數(shù)可能包含藍(lán)水和綠水部分。作物收獲后田間剩余藍(lán)、綠水以蒸發(fā)的形式流出。因此，稻田每日的水量平衡方程為：

F(t-1)+P(t)+I(t)=ET(t)+D(t)+L(t)+F(t)

(1)

式中：F(t)為日田間水量，mm；P(t)為日降水量，mm；I(t)為日灌水量，mm；ET(t)為日蒸散量，mm；D(t)為日地表排水量，mm；L(t)為日滲漏量，mm；t為當(dāng)日，t-1為前一日。

根據(jù)每日田間水量中藍(lán)、綠水的比例，分別構(gòu)建日尺度下藍(lán)水和綠水的水量平衡方程如下[17]：

(2)

式中：F(b,t)和F(g,t)分別為日田間藍(lán)水和綠水的含量，mm。

田間每日各水量平衡要素(ET(t)、L(t)、D(t))中來(lái)自藍(lán)水和綠水的部分均通過(guò)前一天結(jié)束時(shí)田間水層中藍(lán)、綠水的比例進(jìn)行計(jì)算。這里需要特別說(shuō)明的是，稻田地表排水的形成不同于旱作物地表徑流，它的發(fā)生是由灌溉制度決定的，因此也按照上述方法進(jìn)行計(jì)算。如，稻田藍(lán)、綠水蒸散量的計(jì)算如下：

(3)

式中：ET(b,t)和ET(g,t)分別為日蒸散量中來(lái)自藍(lán)水和綠水的部分，mm。

田間初始藍(lán)、綠水比例可以在田間尺度測(cè)量，也可以在區(qū)域尺度進(jìn)行定義，與藍(lán)、綠水劃分模型相結(jié)合，為農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)。

2.2 水資源利用效率評(píng)價(jià)指標(biāo)

藍(lán)水效率(BE)、綠水效率(GE)、水資源效率(WE)是衡量田間水資源有效利用程度的指標(biāo)。定義為蒸散量與對(duì)應(yīng)水資源投入量的比值。計(jì)算式分別為：

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：ETb、ETg、ET分別為藍(lán)水、綠水蒸散量及總蒸散量，mm；F0為初始田間水量，mm；T為核算時(shí)段總天數(shù)。

選取凈、毛水分生產(chǎn)率指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)水資源的產(chǎn)出能力。凈水分生產(chǎn)率指標(biāo)定義為單位水資源蒸散量的糧食產(chǎn)量(Y，單位：kg/hm2)，包括凈藍(lán)水生產(chǎn)率(BP)、凈綠水生產(chǎn)率(GP)和凈水分生產(chǎn)率(WP)，計(jì)算式分別為：

(8)

(9)

(10)

毛水分生產(chǎn)率指標(biāo)為單位水資源總投入量的糧食產(chǎn)量，包括毛藍(lán)水生產(chǎn)率(BPgross)、毛綠水生產(chǎn)率(GPgross)、毛水分生產(chǎn)率(WPgross)，計(jì)算方法與上述一致。

2.3 試驗(yàn)布設(shè)與觀測(cè)

試驗(yàn)于2015-2018年在江蘇省南京市河海大學(xué)節(jié)水園區(qū)內(nèi)(31°57′N(xiāo)，118°50′E)進(jìn)行。該區(qū)域年均氣溫為17.5 ℃，年均降水量為1 051 mm，年均蒸發(fā)量為900 mm，無(wú)霜期約220 d。表1收集了2015-2018年水稻各生育期降水量和降水持續(xù)天數(shù)。試驗(yàn)區(qū)土壤類(lèi)型為黏壤土，干容重為1.31 g/cm3，土壤飽和質(zhì)量含水率為38.2%，有機(jī)質(zhì)含量為2.40%，pH值為8.10。灌排方式為淺水勤灌，各生育期田間水分控制參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 2015-2018年水稻分生育期天數(shù)及降水量

表2 試驗(yàn)水稻各生育期稻田水分控制標(biāo)準(zhǔn)

水稻于6月下旬移栽，10月下旬收獲。整個(gè)水稻生育期分為6個(gè)階段：返青期、分蘗期、拔節(jié)孕穗期、抽穗開(kāi)花期、乳熟期和黃熟期。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)重復(fù)，各試驗(yàn)小區(qū)面積一致，所采取的農(nóng)技措施與當(dāng)?shù)匾恢?。水稻種植在長(zhǎng)0.90 m、寬0.68 m、深0.67 m的微型蒸滲儀中，試驗(yàn)小區(qū)布置見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)布置圖

通過(guò)試驗(yàn)觀察獲取每日的氣象、土壤水分、灌排和產(chǎn)量等數(shù)據(jù)。日降水量(P(t))用安裝在試驗(yàn)地點(diǎn)的雨量計(jì)記錄。每天上午08：00時(shí)，用鋼尺測(cè)量田間水層。當(dāng)田面沒(méi)有水層時(shí)，用TDR探頭監(jiān)測(cè)土壤水分含量，在測(cè)桶中心處0～30 cm的土壤中預(yù)埋一組TDR探頭。根據(jù)水分控制標(biāo)準(zhǔn)(表2)確定每次的灌水量(I)和地表排水量(D)，并進(jìn)行詳細(xì)記錄。每3 d用桶底埋置的三通管來(lái)獲取滲漏量(圖1)。三通管中的水面線要始終保持在桶內(nèi)土面以下約30 cm處。在作物生育期結(jié)束后人工收割作物，并用手推式脫粒機(jī)進(jìn)行脫粒，待水稻自然曬干后測(cè)定該測(cè)桶內(nèi)的水稻實(shí)際產(chǎn)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 稻田藍(lán)、綠水平衡與耗用過(guò)程

2015-2018年稻田年均的水資源流入總量為1 322.9 mm，其中田間已有水量(F0)占12.3%，降水量(P)占57.0%，灌水量(I)占30.7%。地表排水量(D)、蒸散量(ET)、滲漏量(L)的年均值分別為572.3、246.0和375.2 mm。藍(lán)、綠水遷移過(guò)程受降水及其在作物季節(jié)分布的影響。各年份作物生育期每日的藍(lán)、綠水資源收支動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程如圖2所示。

由圖2可以看出，各水量平衡參數(shù)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)存在年際差異。2015-2016年降水量分配不均，降水量在分蘗期比較集中，而拔節(jié)孕穗期和抽穗開(kāi)花期比較依賴灌溉。2017-2018年降水量較前兩年平均減少了33.5%，視作干旱年，但降水在整個(gè)生育期的分配相對(duì)均勻，降水量的峰值均出現(xiàn)在拔節(jié)孕穗期并且未超過(guò)120 mm。地表排水通常由降水量及其發(fā)生頻率直接引起。2015和2016年的地表排水分別發(fā)生了6次和10次，而在后兩年只發(fā)生了3次和2次。2015、2017和2018年所有排水事件均包含了藍(lán)水和綠水。而因灌溉需求滯后，2016年藍(lán)水地表排水只出現(xiàn)在最后一個(gè)生育階段。2015年各生育階段均發(fā)生了灌溉。2016年水稻在前兩個(gè)生育階段不需要灌溉。2017年分蘗期和拔節(jié)孕穗期比較依賴灌溉，該階段灌水量占全生育期的58.7%，藍(lán)水消耗量也高于其他生育期。2018年拔節(jié)孕穗期和乳熟期灌水量較為集中，藍(lán)水的消耗也相對(duì)較高。生育期內(nèi)降水的分配影響到了稻田藍(lán)水和綠水資源的遷移過(guò)程。2015年作物全生育期降水共發(fā)生了42次，其中分蘗期降水量占全生育期的50%以上，呈現(xiàn)明顯的聚集特征。分蘗期一共進(jìn)行了3次排水，累計(jì)排水量高于其他生育階段，其中綠水排水量的占比最高。分蘗期和拔節(jié)孕穗期是綠水消耗的主要階段，綠水的蒸散量(ETg)與滲漏量(Lg)占全生育期的60%以上。2015年全生育期灌水次數(shù)為12次，在拔節(jié)孕穗期、抽穗開(kāi)花期、乳熟期較為頻繁。其中乳熟期的藍(lán)水消耗量最高，該階段藍(lán)水蒸散量(ETb)及其滲漏量(Lb)占全生育期的30%以上。2016年全生育期降水量較2015年增加了15.3%，但降水次數(shù)減少，生育前期和末期頻繁發(fā)生較大降水，這也增加了藍(lán)水的遷移量和頻率。

2015-2018年，整個(gè)作物生育期內(nèi)田間藍(lán)、綠水分平衡參數(shù)也呈現(xiàn)出年際變化特征，如表3所示。

表3 2015-2018年試驗(yàn)稻田全生育期水分收支指標(biāo) mm

圖2 2015-2018年試驗(yàn)稻田藍(lán)、綠水收支參數(shù)逐日變化圖

本研究中初始土壤水含量(F0)全部來(lái)自播種前的降水，因此，表3中的F0和降水量(P)統(tǒng)一歸為綠水投入量，灌水量(I)為稻田的藍(lán)水投入量。試驗(yàn)期水資源總流入量為1 322.9 mm，其中藍(lán)水占30.7%，綠水占69.3%。各年份總水資源投入量及其組成存在差異，濕潤(rùn)年(2015-2016年)綠水投入量平均為1 101.6 mm，比干旱年(2017-2018年)高出50.4%。各年份灌水量(I)的變化范圍為374.9～425.3 mm，年際差異小于綠水投入量。此外2015-2018年田間耗水量(ET+L)的變化范圍為891.6～1 058.3 mm，其中綠水的消耗量超過(guò)了60%。田間蒸散量(ET)的年均值為572.3 mm，是試驗(yàn)稻田中最主要的水分消耗形式。ET代表實(shí)際用于作物生長(zhǎng)的有效消耗量，對(duì)于衡量田間水分的有效利用程度至關(guān)重要。即便如此，投入的水資源以蒸散發(fā)消耗的比例也不超過(guò)50%。地表排水量(D)和滲漏量(L)年均值分別達(dá)到246.0和375.2 mm。L是由土壤特性決定的不可避免的田間耗水，而D可以通過(guò)人為干預(yù)而減少。綠水在所有的水量支出參數(shù)中均占主導(dǎo)地位，其構(gòu)成也存在年際差異。2016年的Dg超過(guò)了450 mm，明顯高于其他年份。Dg在濕潤(rùn)年占水資源總投入量的30%以上，而在干旱年(2017-2018年)低于10%，這表明綠水投入量的增加可能導(dǎo)致綠水利用量和效率的下降。濕潤(rùn)年綠水的消耗量為668.8 mm，其中ETg的占比低于干旱年，尤其是2015年。干旱年藍(lán)水的消耗量為334.3 mm，其中ETb的占比與濕潤(rùn)年差異不明顯。這意味著藍(lán)水的有效利用程度可能受降水分布特征的影響更大。通過(guò)追蹤全生育期藍(lán)、綠水的遷移過(guò)程，可進(jìn)行各生育階段的藍(lán)、綠水資源支出去向的區(qū)分，從而為水資源的效用分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 藍(lán)、綠水利用效率

圖3給出了2015-2018年水稻全生育期的綠水利用效率(GE)、藍(lán)水利用效率(BE)及水資源利用效率(WE)及各年份降水量。

圖3 2015-2018年試驗(yàn)水稻全生育期水資源利用效率及降水量

分析圖3可知，2015-2018年全生育期GE、BE及WE的年均值分別為0.425、0.490和0.440，總體上，綠水的有效利用率低于藍(lán)水。GE和WE與P呈負(fù)相關(guān)。干旱年的水資源(尤其是綠水)有效利用程度高于濕潤(rùn)年，具體而言，干旱年P(guān)較濕潤(rùn)年平均減少了33.5%，GE平均增大了26.5%。2016年GE為0.299，在所有年份中最低，僅為2018年(最高值)的56.7%。生育期P較大或頻次較高都可能導(dǎo)致綠水隨地表排水的損失而增加，從而降低綠水的有效利用率。2015-2018年WE的變化范圍為0.355～0.511，隨著P的減少，干旱年WE平均增加了27.5%，在以降水為主要農(nóng)業(yè)水源的地區(qū)，綠水往往是影響WE的主要因素，因此，減少地表排水量有利于在水稻生產(chǎn)中充分利用廣義水資源。BE的年際差異小于WE和GE的年際差異，而且BE與降水量沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系。2015年BE為0.426，低于其他年份，2016和2017年BE超過(guò)了0.520，2018年下降到0.483。盡管2015年P(guān)接近900 mm，但由于生育期內(nèi)P分布不均，需要大量的I來(lái)滿足作物需水(表3)，而I的有效利用率較低，特別是在分蘗期和拔節(jié)孕穗期。在分蘗前期，由于沒(méi)有提前預(yù)測(cè)到第7 d會(huì)發(fā)生較大降水，在進(jìn)入分蘗期的第3 d還進(jìn)行了一次不必要的灌水(圖2(a))，導(dǎo)致幾乎均以Db形式流出田間，因此，田間灌溉效率不僅取決于土壤和作物的需水量，還受藍(lán)水和綠水資源流入時(shí)間和數(shù)量的影響。

2015-2018年試驗(yàn)稻田的水稻單產(chǎn)量分別為8 803.4、8 599.1、8 491.7和8 287.4 kg/hm2。由此可以計(jì)算出各年份的水分生產(chǎn)率指標(biāo)。

圖4展示了2015-2018年試驗(yàn)稻田的藍(lán)水、綠水以及廣義水資源的毛水分生產(chǎn)率和凈水分生產(chǎn)率指標(biāo)對(duì)比。

圖4 2015-2018年試驗(yàn)稻田的水資源生產(chǎn)力指標(biāo)比對(duì)

圖4顯示，藍(lán)水產(chǎn)出能力高于綠水和廣義水資源。由于2015-2018年作物單產(chǎn)量的年際差異不超過(guò)6%，遠(yuǎn)小于水資源投入量及有效消耗量的年際差異，因此水分生產(chǎn)率指標(biāo)整體與相應(yīng)的水資源投入或者消耗量呈負(fù)相關(guān)。

由圖4(a)可知，2015-2018年毛綠水生產(chǎn)率(GPgross)的年均值為0.970 kg/m3。2016年為0.736 kg/m3，比其他年份低約7%～38%。毛藍(lán)水生產(chǎn)率(BPgross)的年均值為2.113 kg/m3，超過(guò)GPgross的2倍。由于I與P幾乎是此消彼長(zhǎng)，因此2016年BPgross最大，為2.302 kg/m3。包括藍(lán)水和綠水的毛水分生產(chǎn)率(WPgross)的年均值為0.657 kg/m3。綠水是水資源投入量的主要組成部分，所以WPgross整體與GPgross呈現(xiàn)相同的年際變化規(guī)律。綜合來(lái)看，除了BPgross年際差異相對(duì)較小，干旱年毛水分生產(chǎn)率指標(biāo)高出濕潤(rùn)年30%。凈水分生產(chǎn)率反映的是單位水資源有效利用量的產(chǎn)出能力，整體比毛生產(chǎn)率指標(biāo)高出近2倍，如圖4(b)所示。2015-2018年凈綠水生產(chǎn)率(GP)的年均值為2.301 kg/m3，濕潤(rùn)年與干旱年的平均差異不超過(guò)5%，主要是由于濕潤(rùn)年平均30%的P通過(guò)地表排水損失致使其ETg與干旱年的差異微小。2015-2018年凈藍(lán)水生產(chǎn)率(BP)的年均值為4.334 kg/m3，干旱年平均低于濕潤(rùn)年12%，主要是由干旱年的ETb超出濕潤(rùn)年的9.0%，而產(chǎn)量又低于濕潤(rùn)年的3.6%而引起。因此，需要提高作物產(chǎn)量，以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和BE，特別是干旱年。凈水分生產(chǎn)率(WP)的年均值為1.496 kg/m3，年際差異明顯小于BP和GP，表明低耗水的優(yōu)勢(shì)可能被作物的低產(chǎn)量抵消。

上述水資源效用指標(biāo)的比較結(jié)果表明，水資源投入量對(duì)每個(gè)具體的用水效率評(píng)價(jià)指標(biāo)均有影響。在此基礎(chǔ)上，分析了水資源總投入量與藍(lán)、綠水效用指標(biāo)的相關(guān)性，如圖5所示，以進(jìn)一步闡明兩者之間的關(guān)系。

圖5 2015-2018年試驗(yàn)稻田用水效用與水資源總投入量的相關(guān)關(guān)系

由圖5(a)可以看出，BE與水資源總投入量無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系，而WE、GE與水資源總投入量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，兩者與水資源總投入量的擬合系數(shù)分別達(dá)到0.909 8和0.809 3，表明水資源投入量對(duì)綠水和總水分的有效利用程度影響較大。作物需水量主要由作物特性和氣象條件決定，在不同年份基本保持穩(wěn)定，因此WE隨著水資源總投入量的增大而減??；降水貢獻(xiàn)了大部分的水資源投入量(表3)，因此，綠水的有效利用程度隨著水資源投入量的增加而明顯減小，與水資源投入數(shù)量相比，灌溉行為對(duì)BE有更大影響。由圖5(b)可以看出，BP與水資源總投入量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，擬合系數(shù)為0.304 9，而WP和GP與水資源總投入量無(wú)明顯關(guān)系?？梢?jiàn)在基于藍(lán)、綠水分解的農(nóng)業(yè)用水評(píng)價(jià)體系中，水資源的消耗和利用過(guò)程變得更加復(fù)雜。

4 討 論

本文將綠水納入農(nóng)業(yè)水資源效用評(píng)價(jià)體系之中，意味著該方法不僅適用于灌溉農(nóng)田，還可以對(duì)雨養(yǎng)農(nóng)田的水資源效用進(jìn)行評(píng)價(jià)。然而如何分別量化農(nóng)業(yè)用水中的藍(lán)水和綠水資源是現(xiàn)代水資源評(píng)估的難點(diǎn)。在此之前，未進(jìn)入土壤的水資源所產(chǎn)生的地表徑流或排水一律被認(rèn)為來(lái)自降水，人們只關(guān)心如何區(qū)分進(jìn)入土壤的水資源中的藍(lán)水和綠水。在已有的研究中，認(rèn)可度較高的田間尺度下藍(lán)、綠水量化方法是根據(jù)生育期內(nèi)藍(lán)水和綠水的投入比例來(lái)粗略估算田間水分消耗過(guò)程中藍(lán)、綠水各自的部分[25]。事實(shí)上藍(lán)水和綠水的遷移過(guò)程十分復(fù)雜，這種量化方法忽略了藍(lán)水和綠水在作物生育進(jìn)程中所展現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。

基于藍(lán)、綠水分解的農(nóng)田水資源利用評(píng)估方法彌補(bǔ)了上述缺陷，該方法考慮到了水稻生育期水分遷移的完整過(guò)程，追蹤了這一完整過(guò)程中藍(lán)水和綠水各自的遷移路徑。對(duì)水稻生育期內(nèi)藍(lán)、綠水的科學(xué)區(qū)分使得改進(jìn)后的水資源效用指標(biāo)更具有參考價(jià)值。在傳統(tǒng)方法中，認(rèn)為所有的地表排水均來(lái)自于降水(綠水)，此外，其他水量平衡參數(shù)中的藍(lán)、綠水組成由整個(gè)作物生育期進(jìn)入田間的灌溉水與降水比例決定。蒸散量ET為田間水平衡和農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)估的核心指標(biāo)，因此，將本文研究方法與傳統(tǒng)計(jì)算方法得到的ET列于表4進(jìn)行對(duì)比。

表4 2015-2018年試驗(yàn)稻田本文研究方法與傳統(tǒng)計(jì)算方法下的蒸散量ET比對(duì)

由表4中的傳統(tǒng)方法計(jì)算結(jié)果來(lái)看，ETb和ETg年均值分別為288.7和283.6 mm，與本文研究方法得出的ETb和ETg(表3)相差較大，其中表4中的ETb年均值比表3中相應(yīng)值大45.5%。另外，傳統(tǒng)方法下試驗(yàn)期各年份ETb的變化幅度為16.1 mm(279.6～295.7 mm)，遠(yuǎn)小于本研究方法得到的ETb變化幅度33.1 mm(181.3～214.4 mm)，ETg的占比與ETb呈現(xiàn)相似的情況。由于ETb年際變化較小，傳統(tǒng)方法中ETb平均占比為50.5%，遠(yuǎn)高于本研究計(jì)算結(jié)果34.8%。顯然，如果不考慮田間藍(lán)、綠水的動(dòng)態(tài)遷移過(guò)程，灌溉水的作用可能被高估，而降水的貢獻(xiàn)則被低估，并且藍(lán)、綠水組成的年際差異可能被掩蓋，藍(lán)、綠水核算結(jié)果的差異直接導(dǎo)致了用水效率評(píng)價(jià)的偏差。為了全面揭示水資源消耗和利用的表現(xiàn)，將本文研究方法與傳統(tǒng)方法得出的水資源效率評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行比較，如圖6所示。

圖6 本文研究方法與傳統(tǒng)方法得出的水資源效用評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比

圖6(a)中IE、RUR、GR分別為傳統(tǒng)方法下得到的灌溉效率、降水利用率和廣義水利用率，用來(lái)衡量傳統(tǒng)視角下藍(lán)水(灌溉水)、綠水(降水)和總水資源(藍(lán)水+綠水)的有效利用程度?？梢钥闯?，兩種途徑得到的有效利用程度指標(biāo)中，IE明顯高于BE，其變化范圍在0.674～0.785之間，比BE高46.2%(2015和2016年為55.0%)，說(shuō)明傳統(tǒng)方式下藍(lán)水的有效利用程度被高估的可能性較大，尤其是在濕潤(rùn)年。相反，GE均略低于RUR，這使得WE也小于GR。此外，RUR-GE和GR-WE存在明顯的線性關(guān)系，而IE-BE則沒(méi)有。可見(jiàn)采用不同的方法得出的灌溉水有效利用率相差較大，這也證明了進(jìn)行藍(lán)水和綠水科學(xué)區(qū)分的重要性。圖6(b)對(duì)比了兩種方法下的水資源產(chǎn)出能力指標(biāo)，從中可以看出兩種方法下的水分生產(chǎn)率指標(biāo)存在明顯差異。以傳統(tǒng)方法獲得的灌溉水生產(chǎn)率(IP)平均比本文研究方法得出的BP低30%，雨水生產(chǎn)率(RP)與GP之間的情況則相反。由于缺乏水文學(xué)原理，傳統(tǒng)方法往往低估了藍(lán)水的產(chǎn)出能力，高估了綠水的產(chǎn)出能力，不能準(zhǔn)確揭示田間水資源利用的真實(shí)情況。本文提出的藍(lán)、綠水核算框架是科學(xué)、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)稻田水資源利用狀況的有效手段，該方法可以用來(lái)評(píng)估其他作物或水文模型的區(qū)域藍(lán)、綠水通量和作物水足跡。此外，本文對(duì)藍(lán)、綠水利用效用的研究結(jié)果，如藍(lán)、綠水利用效率特征的差異，可以為田間水資源的效用評(píng)價(jià)和管理提供新的啟示。相較于水資源量，水資源的核算過(guò)程對(duì)水資源利用表現(xiàn)有更為明顯的影響，特別是對(duì)藍(lán)水。這不僅為灌溉管理提供了新的信息，也進(jìn)一步說(shuō)明了對(duì)藍(lán)、綠水劃分進(jìn)行研究的重要性。

5 結(jié) 論

(1)試驗(yàn)期2015-2018年稻田來(lái)自降水和灌溉的水資源年均投入量分別為917.0和405.9 mm，綠水在所有水資源流出參數(shù)中占主導(dǎo)地位。降水投入量及其分布特征對(duì)稻田水資源的遷移及利用產(chǎn)生了重要影響，濕潤(rùn)年的總水資源投入量、地表排水量和滲漏量均高于干旱年，過(guò)多的降水不能增強(qiáng)藍(lán)水的高效利用。

(2)藍(lán)水和綠水的利用效率指標(biāo)在干旱年和濕潤(rùn)年之間存在較大差異。綠水利用效率指標(biāo)與降水關(guān)系密切，而藍(lán)水利用效率也受水資源(降水或灌溉水)投入時(shí)間的影響。與本文研究結(jié)果相比，傳統(tǒng)方法得到的BE和GP分別平均偏高46.2%和29.7%，傳統(tǒng)方法容易高估藍(lán)水的有效利用程度、低估藍(lán)水的產(chǎn)出能力同時(shí)低估降水在作物生長(zhǎng)過(guò)程中的貢獻(xiàn)。

(3)本研究建立的稻田藍(lán)、綠水核算框架及水資源效用評(píng)價(jià)體系不僅拓展了原有評(píng)價(jià)體系的適用范圍，還增強(qiáng)了農(nóng)業(yè)水資源效用評(píng)價(jià)的科學(xué)性與準(zhǔn)確性?？蔀榛谒阚E的農(nóng)業(yè)水管理研究與實(shí)踐提供支撐。本文是基于田間尺度展開(kāi)研究，未來(lái)可以考慮空間尺度變化帶來(lái)的影響，以促進(jìn)區(qū)域水資源的可持續(xù)利用。