河北省夏玉米水足迹时空演变特征及影响因子分析_曹永强.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）；辽宁省兴辽英才项目（，）作者简介：曹永强（），男，内蒙古乌兰察布人，教授，博士，主要从事水文水资源方面研究。：，（）：河北省夏玉米水足迹时空演变特征及影响因子分析曹永强，杨雪婷，周姝含（辽宁师范大学 地理科学学院，辽宁 大连）摘 要：为研究和分析河北省夏玉米水足迹变化规律，提高农业中水资源利用效率，基于水足迹理论和方法，选取河北省 年 个气象站点气象数据和相关农业数据，对河北省夏玉米水足迹时空演变规律和影响水足迹变化的因素进行研究。结果表明：研究期间，河北省夏玉米生产水足迹呈波动式下降，年平均值为 ；通过对比河北省夏玉米绿水足迹和蓝水足迹在枯水年 年、平水年 年和丰水年 年空间演变特征，总体表现为研究年份绿水足迹值整体水平相当，蓝水足迹值差异较大；对选取的 个影响因子进行相关性分析后，得出蒸散量、有效灌溉面积与夏玉米生产水足迹呈显著正相关关系；夏玉米总产值与其呈显著负相关关系。研究成果对河北省农业水资源合理高效利用，优化夏玉米地域分布有参考价值。关键词：绿水足迹；蓝水足迹；时空演变；夏玉米；河北省中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，）：，（），（），（），；：；研究背景水资源作为促进农业和农村经济稳定发展的重要物质基础，是农业稳定发展的必要因子，农业的可持续发展离不开水资源的支持。我国是农业用水较多的国家。据最新数据显示，我国农业用水占社会总用水量的。随着人口增长和气候不断演变，国家各项水利工程投入巨大，我国农业用水需求有所缓解，但农业经营粗放、灌溉方式不健全等问题 第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 仍然存在。因此，合理分析作物用水组成和用水效率是急需解决的关键问题。水足迹作为区域农业水资源合理管理和评价的重要研究方法，为科学评价农业生产过程中水资源使用状况提供了新视角。通过对农作物生产水足迹研究，能够清楚地反映出某一地区农业需水量状况，并科学地指导区域水资源利用和调配情况，在农业发展和水资源管理方面理论和现实意义巨大。目前国内外学者对于作物生产水足迹在农业方面的变化做了很多研究。国外学者对作物水足迹研究主要从全球或者国家角度展开。等在全球水稻背景下，对其水足迹测算评估，得出全球水稻生产的水足迹为 ，其中绿色水足迹（）和蓝色水足迹（）占比几乎相等。等在气候变化影响下，评估德国（大陆地区）和意大利（地中海地区）粮食产量和耗水量未来趋势，分析不同旱作和灌溉条件下绿水足迹和总水足迹，得出德国和意大利作物生产效率平均增长和。在未来的预测中，作物用水量（绿色和蓝色）将保持稳定。等通过研究历史气候变化对津巴布韦冬小麦生产蓝水足迹影响，得出 年间花期太阳辐射和、月份最高气温的耦合效应使小麦减产。气候变化对作物需水量和小麦产量累积效应使蓝水足迹增加。中国国内学者对作物生产水足迹分析研究热点主要是探讨其影响因子，对其时空演变规律进行讨论。高海燕等结合气象因素与作物产量，对宁夏回族自治区 年主要农作物生产水足迹进行了时空分布及变化趋势分析，得出研究期各地区综合作物生产水足迹最大为吴忠市（）、最小为固原市（）。张沛等通过对新疆 年近 种农作物生产水足迹计算，分析新疆农作物水足迹时空变化，揭示全疆范围内农作物水足迹在 间总量增加了。崔克蓉等对 年湖南省水稻生产水足迹的研究表明水稻水足迹在研究时段内呈下降态势，农机动力、化肥投入、成灾率是水足迹主要影响因素。张旭东等在对影响玉米水足迹的 个因子进行显著性分析后，对辽宁省玉米生产水足迹进行空间聚类，从而促进辽宁省玉米生产空间合理布局。以往研究尺度较大，无法适应于具体研究区域；其次，以往研究容易忽视灰水足迹在水足迹中重要作用，无法更加全面地反映作物全部耗水状况，水环境污染问题考虑欠缺。同时，作为我国重要玉米产地之一，对河北省水足迹演变相关研究成果较少。因此，本文在参考相关研究成果基础上，综合灰水足迹对区域环境影响，对河北省区域范围内水足迹演变进行探究。随着人们对粮食作物需求增加，我国玉米播种面积不断增加。河北省承担着重要玉米生产任务，这意味着河北省业用水需求也在日益增长。目前河北省农业灌溉用水除了地表水以外，大多来自地下水，且存在超采现象严重问题。就 年而言，河北省农业地下水开采量占全省地下水开采量的、占农业用水量的，在全国省份中均为第一。综合目前河北省农业用水形势，本文通过对河北省 年夏玉米生产水足迹进行计算，探讨其时空演变规律，分析了影响夏玉米生产水足迹因素，从而通过相应政策调整和多因子分析指导河北省农业水资源合理高效利用，优化夏玉米地域分布。研究区概况与数据来源 研究区概况温带大陆性季风气候下的河北省在我国华北地区，该省四季分明，降水年际变化大，雨量呈东南向西北逐渐递减的空间分布趋势。河北省是我国缺水农业大省，也是中国粮食和蔬菜的主产区，水资源量占全国的，其中农业用水量占总用水量的，粮食生产占全国的，是玉米主产地之一，播种面积和总产约居全国第六位。近年来夏玉米在河北省农作物中所占的比重越来越大，其种植主要集中于河北省中南部地区，其他地区略有分布。不同气候地形区夏玉米产量高低差异显著，不同地区农业技术投入和田间管理措施也对夏玉米产量具有一定影响。因此，本文基于水足迹相关理论，对河北省玉米生产水足迹时空变化特征进行探究，并对其相关变化进行归因分析，以期为调整河北省夏玉米种植结构和水资源合理有效利用。数据来源本文选取的河北省内 年相关气象数据包括秦皇岛、遵化、唐山等 个气象站点（图）经纬度和海拔高程等地理数据，日平均气温、日最高气温、日最低气温、平均风速、日照时数及平均相对湿度来源于中国气象数据网平台（：）。农业统计数据出于中国统计年鉴和河北省农村统计年鉴，主要包括河北省夏玉米产量、播种面积和化肥施用量等。最后，作物相关数据 长江科学院院报 年 当中，玉米生育期主要经历了初始生长期、发育期、发育中期和全熟期几个阶段，月 日 月 日（月中旬 月下旬）全育期数据源于国家气象科学数据中心。秦皇岛乐亭唐山青龙遵化承德围场丰宁张北张家口蔚县霸州黄骅保定饶阳邢台南宫图例市行政边界气象站点03 0 01 5 0k mN图 河北省气象站点分布 研究方法作物水足迹是指在整个生长过程中，某一作物每单位质量消耗的水资源量，主要由绿水足迹（）、蓝水足迹（）和灰水足迹（）三部分构成。此概念由荷兰学者 等 年提出，其具体的计算方法为 。（）式中：为农作物生产水足迹（）；为绿水足迹（）；为蓝水足迹（）；为灰水足迹（）。绿水足迹、蓝水足迹与灰水足迹中，土壤中供植物生长利用的水为绿水，通常用有效降水量来表示；地表水和地下水的总和为蓝水，通常用灌溉用水量来表示；灰水消耗的水资源量主要是作物生育期内氮肥稀释所产生。绿水和蓝水足迹的计算式为：；（）。（）式中：和 分别为绿水和蓝水的蒸散发值（）；为作物单位面积的产量（），为单位变换系数，将水深单位变换成单位面积水量（）来进行计算。绿水和蓝水的蒸散发值的计算式为：（，）；（）（，）。（）式中：为调整后的农作物蒸散量；为作物生育期有效降水量的值，其计算参考美国农业部土壤保持局（）提出的方法进行计算，即（），；，。（）式中：为旬降水量（），即作物生长期内旬降水量之和。农作物蒸散量通常指农作物在生长期间用于蒸发蒸腾的水资源量，大多采用联合国粮食及农业组织（，）推荐的 模型计算农作物蒸散量。但采用该模型计算的蒸散量从气候角度出发，不能够具体地反映出农作物水量变化，因此又通过作物系数 来计算出调整后的农作物蒸散量。、的表达式分别为：()（）（），（）。（）式中：为净辐射（）；为土壤热通量密度（）；为日平均温度（）；为 高处风速（）；为饱和空气水汽压（）；为空气水汽压（）；为饱和水汽压温度曲线的梯度（）；为湿度计常数；、为常数，在计算过程中分取值 和。灰足迹 的计算式为 ()。（）式中：为单位面积化肥施用量（）；为氮肥淋溶率，一般取氮肥施用量的 作为其淋溶率；为最大污染物浓度（），根据国家环境保护总局发布的地表水环境质量标准（），氮元素单位质量浓度不得超过 ；为收纳水体的自然本底浓度，取值为 。研究结果与分析 河北省夏玉米水足迹时间演变特征根据水足迹计算公式可得，河北省夏玉米多年总水足迹平均值为 。其中，绿水、蓝水和灰水足迹多年平均值分别为、。年河北省夏玉米总水足迹时间演变情况见图、图。从图 可看出，河北省夏玉 第 期曹永强 等 河北省夏玉米水足迹时空演变特征及影响因子分析米生产总水足迹以 呈下降趋势，这主要与河北省农业种植结构改变有关，粮食作物种植比重不断减少，经济作物种植比重在不断增加。其中，绿水足迹变化趋势与总水足迹趋势保持一致，绿水足迹的最大值出现在 年，为 ，蓝水足迹时间变化趋势波动较大，年的最大值 与 年的最小值 形成鲜明对比，灰水足迹变化波动幅度较小，整体以 轻微下降，说明近年来化肥施用对河北省夏玉米污染程度逐年减少。图 表明多年绿水足迹、灰水足迹和蓝水足迹总体构成，其中绿水足迹占主要地位，其次是灰水足迹，占比最少的是蓝水足迹，三者占比分别为、和，说明有效降水为夏玉米生长过程中的主要耗水，灰水足迹变化离不开化肥大量使用对农业面源污染的负作用。由图 可以看出，整体趋势来看，绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹都以整体下降趋势出现，蓝水足迹变动趋势最大，尤其是 年蓝水足迹变化值最高达 。01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 01 0 0 02 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 02 0 1 12 0 1 22 0 1 32 0 1 42 0 1 52 0 1 62 0 1 72 0 1 8()/(m3t-1)y=-1 1.0 9 7 x+8 5 8.9R2=0.5 4 1 3图 河北省夏玉米水足迹年际变化 图 河北省夏玉米多年水足迹构成 图 是河北省夏玉米绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹 年变化趋势。整体上绿水足迹在研究时段内以 速率减少，其多年平均值可达 ，在总水足迹中所占比重高达，最大值出现在 年，高达 ；最小值出现在 年，仅有 。通过河北省夏玉米生育期数据对比发现，研究时段内蒸散量 与降水量呈现较大的波动，且二者在生育01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0年份 绿水足迹 线性拟合线05 01 0 01 5 02 0 02 5 0灰水足迹线性拟合线05 01 0 01 5 02 0 02 5 0蓝水足迹 线性拟合线绿水足迹/(m3t-1)灰水足迹/(m3t-1)蓝水足迹/(m3t-1)2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 02 0 1 12 0 1 22 0 1 32 0 1 42 0 1 52 0 1 62 0 1 72 0 1 8年份 2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 02 0 1 12 0 1 22 0 1 32 0 1 42 0 1 52 0 1 62 0 1 72 0 1 8年份 2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 02 0 1 12 0 1 22 0 1 32 0 1 42 0 1 52 0 1 62 0 1 72 0 1 8y=4.6 3 9 7 x+1 1 0.6 1R2=0.1 6 6 y=-0.0 5 0 7 x+1 9 5.8 6R2=0.0 0 0 6 y=-6.4 0 6 4 x+5 5 2.4 3R2=0.4 0 0 3绿水足迹(a)绿水足迹(b)灰水足迹(c)蓝水足迹图 河北省夏玉米绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹年际变化 ，期内的数值相差不大，夏玉米绿水足迹与蒸散量 大致呈反向变动，与降水量数值变化基本一致，即该年降水量多