操信春，崔思夢，吳夢洋，任 杰，郭相平

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

1 研究背景

因水稻喜濕耐淹的特性，生育期天然降水往往難以滿足其需水特征，發(fā)展灌溉的同時滿足排水條件是水稻種植過程中的基本要求[1]；同時，化肥作為水稻增產(chǎn)保產(chǎn)的有效途徑，正被過度施用，從而增加了農(nóng)業(yè)面源污染的風險[2]。因此，在節(jié)約水資源、提高產(chǎn)量的同時降低對環(huán)境的負面影響是稻田水資源利用效率評價和提升的目標。在田間水肥運移過程和水分耗用量核算的基礎(chǔ)上進行指標構(gòu)建和分析是農(nóng)業(yè)用水效率評價研究的一般路徑[3-4]。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)用水效率研究經(jīng)歷了由單一的灌溉效率或水分生產(chǎn)力指標向綜合評價發(fā)展的過程[5]；稻田用水效率評價也實現(xiàn)了由節(jié)水灌溉到節(jié)水減排控污多重需求的轉(zhuǎn)變[6]。水稻具有明顯的兩棲性，不同生育期對土壤水分的要求不同，適宜的水分虧缺在復水后水稻表現(xiàn)出補償效應。因此，通過改變灌溉排水模式來調(diào)控稻田水肥運移過程，是稻田水分管理和污染控制的主要措施，也得到了廣泛認可[7-9]。然而，節(jié)水與控污效果往往獨立評價而難以直接比較，無法為用水效率和灌排模式選擇提供全局信息。

水足跡概念的出現(xiàn)為全面評價農(nóng)業(yè)用水及其效率提供了全新的方法。作物水足跡為農(nóng)作物生育期消耗和污染的水資源總量，由藍水足跡（灌溉水消耗量）、綠水足跡（有效降水消耗量）和灰水足跡（農(nóng)田釋放污染物所需的水資源量）3個部分組成[10-11]。與傳統(tǒng)方法相比，區(qū)分藍、綠水資源的不同屬性的基礎(chǔ)上同時量化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水資源數(shù)量和質(zhì)量的影響是水足跡理論的進步之處[12-13]。因此，不同區(qū)域尺度上作物水足跡及其組成的表現(xiàn)均得到國內(nèi)外學者的分析[14-16]。在此基礎(chǔ)上，已有學者探索基于水足跡的農(nóng)業(yè)用水和節(jié)水評價研究。吳普特等[17]提出3種不同作物生產(chǎn)水足跡量化方法，以適應不同評價目標和尺度；Cao等[18]和Wang等[19]在田間和區(qū)域尺度上進行了水稻作物生產(chǎn)水足跡和水分生產(chǎn)率指標的對比分析；操信春等[20-21]將作物水足跡分別與灌溉發(fā)展程度、水資源稟賦結(jié)合，建立農(nóng)業(yè)用水效果評價和水短缺指標，全面評估區(qū)域農(nóng)業(yè)用水效率；Mekonnen等[22]劃定作為生產(chǎn)水足跡標準，為農(nóng)業(yè)節(jié)水服務。此外，田間管理和節(jié)水灌溉對作物水足跡影響研究也開始受到關(guān)注[23-24]。作物水足跡在農(nóng)業(yè)用水效率評價和水資源管理中的優(yōu)勢正在慢慢顯現(xiàn)。然而，當前研究大多強調(diào)作物水足跡本身，將水足跡理論與傳統(tǒng)范式相結(jié)合，既能量化農(nóng)業(yè)用水和作物產(chǎn)出，又能分析環(huán)境影響，可為農(nóng)業(yè)用水效率評價提供新視角。

本文通過不同灌排模式下的稻田試驗，觀測各處理的水、肥運移和農(nóng)作物產(chǎn)量指標并進行氣象數(shù)據(jù)收集，從水資源利用率、水資源產(chǎn)出效益、水量及環(huán)境效益3個方面出發(fā)，形成合理的評價指標體系，進行基于水足跡的稻田水資源利用效率評價，分析水足跡框架下稻田水資源高效利用的灌排模式。

2 研究方法

2.1 試驗布設(shè)與觀測試驗于2015—2018年在河海大學江寧節(jié)水園區(qū)內(nèi)進行。試驗共設(shè)有4種灌排模式處理：淺水勤灌（frequent and shallow irrigation，F(xiàn)SI）、淺濕灌溉（wet-shallow irrigation，WSI）、控制灌溉（controlled irrigation，CI）和蓄水-控灌（rain-catching and controlled irrigation，RC-CI）。灌排控制指標參考了彭世彰等[6]和郭相平等[8]的文獻資料。試驗設(shè)3個重復，各有底試驗小區(qū)面積一致（圖1）。全生育期人工拔草，除灌排標準外其余農(nóng)技措施均相同。4年試驗水稻在6月中下旬移栽，10月下旬收獲，生育期內(nèi)分別施以基肥、返青肥、分蘗肥和穗肥，其中基肥為復合肥（N∶P2O5∶K2O=15%∶15%∶15%）施用量300 kg/hm2，返青肥、分蘗肥、穗肥均為尿素（含氮量46.2%），施用量分別為：150、125和150 kg/hm2。

圖1 試驗小區(qū)布置示意

觀測指標和測定方面，土壤水分情況：每日上午8時測定，當田面有水層時，通過標準鋼尺讀取水層深度，遇明顯降雨進行加測；當田面無水層時，利用埋設(shè)在土壤中0～30 cm的TDR探頭進行土壤含水率測定。灌溉和排水情況：參照灌排控制標準，記錄每次的灌排水時間和灌排水量。生育期每3 d排地下水一次，到生育期末補測一次，所有排水均取樣進行氮素測試。氮素濃度測試：水樣中總氮測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，銨氮測定采用納氏試劑比色法，硝氮測定采用紫外分光光度法。水樣采集后盡量2 h內(nèi)進行測試分析，若水樣較多，放入冰柜于4℃低溫保存，24 h內(nèi)處理完畢。產(chǎn)量：水稻完熟期，按面積單打單收換算實際產(chǎn)量。在中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)上搜集試驗區(qū)附近氣象站點的降雨量資料。

2.2 作物水足跡計算以稻田水量平衡為基礎(chǔ)計算農(nóng)作物水足跡，包含藍、綠和灰水足跡[17]：

式中：CWF為作物水足跡；CWFblue為藍水足跡；CWFgreen為綠水足跡；CWFgrey為灰水足跡，單位均為mm。對于考慮水肥利用全過程的稻田系統(tǒng)，各組分計算方法為：

式中：T為核算時段的總天數(shù)；和分別為第t天田間蒸散發(fā)水量中來自灌溉和天然降水的部分；分別為第t天地表排水與地下排水中氮素濃度，mg/L；分別為第t天地表排水與地下排水水量，mm；Cmax為環(huán)境容許最大濃度，以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838—2002）中的地表水Ⅴ類水質(zhì)規(guī)定的總氮的濃度上限作為Cmax代入公式計算，即2.0 mg/L；Cnet為污染物自然界本底濃度，mg/L，試驗灌溉水來源為自來水，取本底濃度為0。田間每日藍綠水足跡按日降水與灌水對田間水分平衡各要素的貢獻比例計算：

稻田日蒸發(fā)蒸騰量根據(jù)每日稻田水量平衡計算：

式中：P、I、SD和DP分別為降水量、灌溉水量、地表排水量和深層滲漏量；ΔFt為第t天稻田田間水量變化，即ΔFt=Ft+1-Ft，用水層深度表示，單位均為mm。

根據(jù)田間藍綠水利用與分解構(gòu)建日步長水分動態(tài)平衡方程，土壤初始有效水含量和初始水層劃歸為綠水，可求出每日田間藍綠水量：

作物生產(chǎn)水足跡（crop production water footprint，WFP）的值WFP用作物水足跡和產(chǎn)量（Y）的比值來計算，衡量作物對水資源的利用效率：

式中WFP的單位m3/kg，10是單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2.3 層次分析法與模糊綜合評價考慮稻田水資源利用效率評價的特點，本文選擇層次分析法和模糊綜合評價模型計算綜合評價值并判斷水資源利用效率等級。

（1）層次分析法。層次分析法是一種定性定量相結(jié)合的多屬性決策分析方法。該方法克服了定量權(quán)重確定方法中追求數(shù)據(jù)統(tǒng)計規(guī)律而忽視了決策者偏好的不足，被學者廣泛用于水資源利用效率評價中[25]。其基本步驟如下：

①首先建立多層次的結(jié)構(gòu)。本研究根據(jù)稻田水資源利用效率的性質(zhì)和高效用水的目標，考慮水資源利用的3個方面，選擇13個基礎(chǔ)指標，并根據(jù)指標的相互聯(lián)系與區(qū)別構(gòu)建三個層次的指標體系。

②按照Saaty標度（1-9）定量化，形成判斷矩陣。為了綜合不同專家的判斷，本研究將專家咨詢法和層次分析法結(jié)合起來，編制專家打分表，通過專家咨詢和幾何平均數(shù)的方法確定判斷矩陣。本文實際發(fā)出專家打分表12份，收回12份。根據(jù)此次建立的評價指標體系，對指標層建立3個判斷矩陣，準則層建立1個判斷矩陣，共4個判斷矩陣。

③在得到各層指標的判斷矩陣后，即可通過MATLAB計算判斷矩陣的最大特征根λmax及其對應的特征向量wi，即該矩陣中各因素的權(quán)重。

④判斷矩陣的一致性檢驗。

（2）模糊綜合評價。模糊綜合評價是以模糊數(shù)學為基礎(chǔ)，根據(jù)給出的評價標準和實測值，經(jīng)過模糊變換對研究問題做出評價的一種方法?；静襟E如下：①確定各層的權(quán)重系數(shù)A；②計算單因素指標層隸屬度，推求評判矩陣R；③建立模型，計算綜合評價值。

按公式P=B○S=A○R○(1，2，3，4，5)T計算評價得分值。其中在計算目標層的綜合評價值時，需根據(jù)實際情況對準則層隸屬度進行歸一化。最后根據(jù)評價值判斷等級并選擇高效灌排模式，綜合評分值越大表明效率越高。

3 綜合評價指標體系

3.1 評價指標體系的建立通過分析總結(jié)農(nóng)業(yè)用水效率評價研究現(xiàn)狀，本文指標體系建立原則如下：（1）體現(xiàn)稻田水資源利用效率評價的目標和內(nèi)涵；（2）指標體系在全面反映稻田水資源利用效率特性的前提下，盡量減少指標數(shù)目；（3）指標特殊性與普遍性相統(tǒng)一；（4）指標要具有一定的實用性和可操作性。

根據(jù)以上原則，本文建立了由目標層、準則層、指標層三個層次組成的指標體系框架如表1所示。其中目標層反映稻田水資源利用的綜合水平，是稻田水資源利用過程中水資源、經(jīng)濟及生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的綜合體現(xiàn)。準則層由水資源利用率、水資源產(chǎn)出效益、水量及環(huán)境效益3個準則組成。本研究中水資源利用率指稻田系統(tǒng)中水資源利用程度的總體情況。水資源產(chǎn)出效益指各項與水資源相關(guān)的投入所對應的產(chǎn)出效益。水量及環(huán)境效益是指水稻生產(chǎn)全過程中的各項水量指標以及生產(chǎn)過程產(chǎn)生的環(huán)境影響。指標層是描述稻田水資源利用效率的一組基礎(chǔ)指標，本文在理論分析、文獻查閱和咨詢專家基礎(chǔ)上，反復研究，選擇能表征稻田水資源利用效率的13個指標。

表1 綜合評價指標體系框架

3.2 指標的評級標準參考已有的成果[26]和咨詢專家，確定指標等級標準，指標的等級閾值按照Ⅰ（低）、Ⅱ（中低）、Ⅲ（中）、Ⅳ（中高）、Ⅴ（高）5級標準分別確定，具體劃分如表2所示。

3.3 指標的權(quán)重根據(jù)層次分析法確定的指標權(quán)重見表3。各判斷矩陣和總體的隨機性一致比例CR均滿足要求，通過一致性檢驗。從表3可知：水資源產(chǎn)出效益權(quán)重較大，表明專家對水資源產(chǎn)出的重視程度，也與中國水資源短缺和糧食安全的基本情況相符。水量及環(huán)境效益比水資源利用率的權(quán)重高44.8%。水量及環(huán)境效益包含水稻全生育期實際消耗水量和環(huán)境影響兩個方面，其次環(huán)境治理正在成為日益重要的話題，對環(huán)境影響的量化和評價自然也成為主要內(nèi)容。在水資源利用率各指標中，廣義水資源利用系數(shù)權(quán)重最大，因為該指標涵蓋藍、綠水資源，內(nèi)容更為豐富。在水資源產(chǎn)出效益各指標中，作物生產(chǎn)水足跡權(quán)重最大，作物水分利用效率次之，灌溉水分生產(chǎn)率再次，最后是勞動生產(chǎn)率。作物生產(chǎn)水足跡是全面衡量水資源產(chǎn)出效益的指標，已廣泛應用于農(nóng)業(yè)水資源利用效率的評價中。在水量及環(huán)境效益各指標中，灌溉用水量最大，其次是作物水足跡，然后是總氮淋失量，最后是節(jié)水量和灰水比例。灌溉用水量是水稻生產(chǎn)耗水最直接的反映，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入的關(guān)系也最為緊密?？偟苁Я繖?quán)重大于節(jié)水量則體現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水有了更新的認識，強調(diào)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水資源可持續(xù)利用。

表2 體系指標評分標準

表3 各個層次評價指標權(quán)重

4 作物水足跡及其組成

2015—2018年各處理CWF及其組成如圖2所示。各年份處理間的CWF均存在差異，說明灌排模式能夠?qū)λ舅阚E產(chǎn)生影響。然而，灌排模式間的CWF及其組成的大小關(guān)系隨著年份發(fā)生改變。圖2顯示，除2017年外，處理間CWF的大小關(guān)系均表現(xiàn)為WSI＞CI＞FSI＞RC-CI；2015年CWF均低于1000 mm，其中RC-CI、FSI、CI的值分別比WSI（953 mm）減少了20.8%、2.6%和2.5%；2016年處理間差異明顯大于2015年，后三者分別在WSI處理（1028.7 mm）的基礎(chǔ)上降低了34.4%、13.7%及3.3%，其中RC-CI的674.7 mm為所有觀測結(jié)果的最小值；2018年各處理作物水足跡均超過了900 mm（圖2（d），普遍高于前3年，其中WSI處理達到了1132.3 mm。由圖2（c）可知，2017年RC-CI的CWF為846.3 mm，仍為最低處理；FSI的CWF達1022.6 mm，超過WSI的936.3 mm成為水稻作物水足跡最高的灌溉模式。

圖2 2015—2018各處理水稻水足跡及組成

從年均情況看，4種灌溉模式的CWF分別為976.8（FSI）、1008.7（WSI）、954.4（CI）和792.6（RCCI）mm，前三者較為接近，以水足跡為標準的高效灌排模式為蓄水控灌。然而，作物水足跡組成在年份和處理間存在復雜的大小關(guān)系?？傮w上看，藍水在所有處理中的占比最小，2015與2017年各處理綠水均占主導地位，其余年份表現(xiàn)為灰水比例最大。所有處理藍水足跡比例均值僅為16.4%，最大值和最小值出現(xiàn)在2016年的FSI（23.0%）和2015年的RC-CI（7.4%）處理。綠水和灰水足跡比例均值分別為40.9%和42.7%，總體上較為接近。但二者的關(guān)系存在較大不確定性，如2015年RC-CI處理的綠水比例高達63.2%，高出灰水足跡比例（30.3%）32個百分點，而在2018年的CI處理中，綠水和灰水比例分別為31.1%和55.0%，前者比后者低23.9%。藍水足跡的降低是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)節(jié)水的主要目標；綠水具有較低的機會成本，水足跡大小接近的同時增大綠水足跡比例有利于降低成本；而灰水足跡的控制是實現(xiàn)水資源高效可持續(xù)利用的重要需求。不同灌排模式下水足跡及其組成關(guān)系錯綜復雜，也體現(xiàn)了基于水足跡的農(nóng)業(yè)用水效率綜合評價的現(xiàn)實意義。

5 綜合評價結(jié)果

由于建立的指標體系具有層次關(guān)系，計算隸屬度和綜合評價值也需要分層進行，即從指標層開始算起，隨后依次是準則層和目標層，最后按照建立的模型計算綜合效率評價值，結(jié)果列于表4。

從表4可知，2015、2016年各處理模糊綜合評分值大小依次為RC-CI＞CI＞W(wǎng)SI＞FSI，等級為3級或4級。當年RC-CI處理的作物生產(chǎn)水足跡、勞動生產(chǎn)率、作物水足跡、灌溉用水量、總氮淋失量和灰水比例較其他處理均擁有明顯優(yōu)勢，使得綜合評分值和評價等級最高。2017年各處理綜合評分值大小依次為CI＞RC-CI＞W(wǎng)SI＞FSI，評價等級為3級或4級。CI與RC-CI處理相比，水資源產(chǎn)出效益上具有較大優(yōu)勢，但這種優(yōu)勢被勞動生產(chǎn)率和節(jié)水量的劣勢抵消了，使得二者整體表現(xiàn)即綜合評分值接近，評價等級相同；CI與其他處理相比，作物生產(chǎn)水足跡、勞動生產(chǎn)率、作物水分利用率、作物水足跡（圖2（c））、灌溉用水量、節(jié)水量均具有優(yōu)勢，因此綜合評分值和評價等級較高。2015—2017年大多數(shù)處理的評價等級為3級，這是因為較高等級和較低等級的指標權(quán)重較大且接近。2018年各處理綜合評分值大小和評價等級關(guān)于與前2年類似，而導致結(jié)果的原因不盡相同。與其他處理相比，2018年RC-CI處理的降水利用率、廣義水資源利用系數(shù)、勞動生產(chǎn)率、作物水足跡、灌溉用水量、總氮淋失量和灰水比例擁有顯著優(yōu)勢，綜合評分值和評價等級最高。其余處理評價等級均為3級，原因是田間灌溉效率、降水利用率、廣義水資源利用系數(shù)、作物生產(chǎn)水足跡、勞動生產(chǎn)率和節(jié)水量向第3級聚集，這些指標權(quán)重超過了0.5000。2015、2016和2018年RC-CI占優(yōu)勢的指標權(quán)重接近或超過一半，而2017年CI和RC-CI處理的各指標呈現(xiàn)此強彼弱、總體接近的特點，這些表現(xiàn)均反映在綜合評價值和等級確定上，綜合評價結(jié)果具有可信度。本研究在日步長上觀測作物水足跡及其相關(guān)指標的決定參數(shù)，數(shù)據(jù)可靠性強于基于作物模型和灌溉制度假設(shè)的模擬評估方法[11，16]，也保障了評價結(jié)果與實際情況的吻合程度。

表4 2015—2018年稻田水資源利用效率綜合評價結(jié)果

蓄水控灌和控制灌溉全生育期灌水上、下限相同，說明稻田仍有較長時間處于無水層狀態(tài)，土壤透氣性得到良好的保障。在南京，乃至整個江淮之間的氣候呈現(xiàn)出雨熱同期的特點，降雨大多集中于7、8月，對應水稻的分蘗期和拔節(jié)孕穗期，分蘗期蓄水深度大，一定程度上可以減少無效分蘗，拔節(jié)孕穗期是水稻需水關(guān)鍵期，此時大量的降雨可以明顯減少灌溉用水量和灌水次數(shù)，節(jié)省勞動力和成本。蓄水控灌對于雨水的集蓄，在短時間內(nèi)雖會增加滲漏，但在較深的水層中，作物對氮磷的吸收以及硝化、反硝化作用降低氮素濃度更加明顯，有效減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的影響。蓄水控灌雖然造成了一定程度的減產(chǎn)，可能是干旱脅迫降低了水稻的耐淹能力，但耗水量卻有明顯的降低，使該處理水資源利用效率整體上升。

6 討論

將綜合評價結(jié)果與當前最常用的農(nóng)業(yè)用水效率評價指標作物水分利用效率（WUE）及作物水足跡（CWF）進行比較，列于表5。依據(jù)Spearman等級相關(guān)系數(shù)檢驗，WUE、CWF評價和綜合評價排序之間的相關(guān)性系數(shù)均為0.700，表明WUE與CWF均能一定程度反映稻田水資源利用效率，但由于對水資源占用量核算，二者在處理間的表現(xiàn)存在差異。

表5 2015—2018年稻田水資源利用效率評價結(jié)果對比

本文的評價指標體系是基于水資源、經(jīng)濟及生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展建立的，有別于以降低水量投入和提高糧食產(chǎn)出為目標的農(nóng)業(yè)用水評價指標。CWF評估和提升目標旨在降低作物全生育期投入的水資源量，難以維持產(chǎn)量穩(wěn)定；WUE核算單位水量消耗所獲得的作物產(chǎn)量，沒有區(qū)分藍、綠水資源屬性和各自發(fā)揮的作用；此外，兩者均忽視了水資源的有效利用程度和農(nóng)業(yè)管理水平?？梢钥闯鲈u價指標體系比單一指標所涵蓋的信息更為全面，并且層次分析法的運用也有效規(guī)避了主觀因素對評價結(jié)果的影響。水稻不同生育期的需水特點不同，在生長過程中準確判斷水稻所處生育期，確定合理的田間水位，對于保證水資源，尤其是降水資源的高效利用有重要意義。蓄水控灌會造成一定的減產(chǎn)，增加了推廣難度，因此需要采取措施穩(wěn)定產(chǎn)量。精細化的田間管理有利于水稻生長發(fā)育，除了除草和農(nóng)藥等農(nóng)技措施外，改良水稻品種提高作物耐淹能力也是需要努力的方向。保證農(nóng)田水利工程配套和良好運行，移栽水稻前進行土地平整提高灌水均勻度，均有利于灌排措施和效益良好發(fā)揮。不合理的施肥量和施肥方式都會導致氮素大量淋溶，因此水稻施肥需根據(jù)水稻長勢，隨水施肥，同時避開大量降雨，方可在確保產(chǎn)量的同時減少環(huán)境影響。

綜上所述，基于水足跡理論進行農(nóng)業(yè)用水效率綜合評價更加清晰地揭示，農(nóng)業(yè)節(jié)水減排需要在發(fā)展灌溉技術(shù)以提高水資源利用率、改良作物品種以維持水稻產(chǎn)量和提高管理水平以控制環(huán)境影響三個方面尋求提升。因此，作物水足跡、其涵蓋的指標體系以及農(nóng)業(yè)用水效率綜合評價理念可以作為稻田工程布局、種植設(shè)計和灌溉制度制定的依據(jù)。需要注意的是，降水過程是田間水分管理決策和水肥運移規(guī)律的原動力，也是影響作物水足跡及其組成的重要因素。對區(qū)域降水進行可靠預估是基于水足跡理論和指標體系設(shè)定高效灌排模式參數(shù)時需要考慮的問題。

7 結(jié)論

試驗觀測的水稻作物水足跡在674.7～1132.3 mm之間，灌溉排水模式對水足跡及其構(gòu)成均具有重要影響。指標體系權(quán)重的計算表明水資源產(chǎn)出效益最受重視，水稻生產(chǎn)過程中的環(huán)境問題也不可忽視。基于水足跡的稻田水資源利用效率綜合評價克服了傳統(tǒng)評價指標功能單一的問題。2015—2018年各處理稻田水資源利用效率綜合評分值在2.8058～3.9432之間，綜合評價等級為中高或高。水資源利用效率總體上從高到低依次為蓄水-控灌、控制灌溉、淺濕灌溉和淺水勤灌，大部分年份的高效灌排模式為蓄水控灌?；谒阚E的農(nóng)業(yè)用水效率評價為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水評估提供全面而嶄新的視角，也可為農(nóng)業(yè)水資源高效可持續(xù)利用的技術(shù)開發(fā)和管理實踐提供支撐。