馮興興，王學(xué)鳳，陽(yáng) 輝，曹永強(qiáng)

（1.遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3.西藏自治區(qū)水文水資源勘測(cè)局，西藏 拉薩 850000）

1 研究背景

水是糧食生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)資源，農(nóng)業(yè)作為我國(guó)第一用水大戶，占總用水量的比例已超過(guò)60%[1]。在氣候變化和人口增長(zhǎng)的背景下，我國(guó)仍面臨糧食新增需求的巨大壓力，農(nóng)業(yè)用水的短缺將直接影響我國(guó)糧食安全[2]。在農(nóng)業(yè)用水日趨緊張的情況下，分析作物生產(chǎn)用水來(lái)源、量化用水組成及用水效率成為亟待解決的問(wèn)題。虛擬水作為凝結(jié)在產(chǎn)品和服務(wù)中的水資源量，為不合理的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易導(dǎo)致的水資源短缺現(xiàn)狀及水資源所面臨的壓力提供了全新的思路[3]。水足跡理論研究可以真實(shí)反映一個(gè)地區(qū)農(nóng)業(yè)對(duì)水資源的真實(shí)需求和占用情況，從而對(duì)區(qū)域內(nèi)科學(xué)量化農(nóng)業(yè)用水，合理調(diào)配水資源具有重要指導(dǎo)意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)農(nóng)作物水足跡展開了大量研究，大致集中在3個(gè)方面：一是對(duì)典型地區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡的時(shí)空演變規(guī)律進(jìn)行研究，或是比較不同地區(qū)農(nóng)作物水足跡差異水平及影響因素。Zotou I等[4]利用水足跡方法評(píng)估Mesogeia地區(qū)42種作物耗水量，揭示了區(qū)域內(nèi)水資源的有效分配及潛在的錯(cuò)誤農(nóng)業(yè)措施；Rattanawan Mungkung等[5]研究發(fā)現(xiàn)泰國(guó)8個(gè)不同品種的水稻水足跡存在差異，提出了在降水量較高的栽培期采用干濕交替的耕作系統(tǒng)的管理方法。二是評(píng)價(jià)農(nóng)作物水足跡對(duì)水資源壓力、用水效率和結(jié)構(gòu)，以此優(yōu)化農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)。周雯晶[6]通過(guò)對(duì)我國(guó)多種糧食作物水分生產(chǎn)率、灌溉效率及節(jié)水潛力進(jìn)行時(shí)空分析，結(jié)果表明夏玉米理論水分生產(chǎn)率最大且呈現(xiàn)南高北低的趨勢(shì)；李瑩瑩等[7]從用水狀況、節(jié)水技術(shù)、人力資本和用水效益四個(gè)維度，建立區(qū)域農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為農(nóng)業(yè)用水效率的提高提供一定的現(xiàn)實(shí)依據(jù)。三是探究影響農(nóng)作物水足跡的氣象和農(nóng)業(yè)投入因素。鄭曉雪等[8]通過(guò)對(duì)吉林省主要農(nóng)作物水足跡影響因素及變化分析，表明氣溫和降水是影響作物水足跡的重要因子，并有針對(duì)性地提出了調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入因素等措施的建議；韓杰等[9]通過(guò)評(píng)估民勤縣8種主要農(nóng)作物耗水當(dāng)量與氣候響應(yīng)關(guān)系，表明不同作物耗水變化的氣候響應(yīng)模式差異較大，整體受降水和溫度的影響顯著。

遼寧省所在的東北地區(qū)是世界“三大黑土”地帶之一，土壤肥沃，總耕地面積為4.09萬(wàn)hm2，占全省土地面積的27.65%。玉米是遼寧省第一大糧食生產(chǎn)作物，種植面積廣闊，玉米生產(chǎn)多以雨養(yǎng)為主，灌溉為輔[10]。不同區(qū)域地形、氣候等自然條件下，各地區(qū)玉米產(chǎn)量差異明顯，且農(nóng)作物水足跡中的主要因素大氣降水呈波動(dòng)變化。因此，本文基于水足跡理論，計(jì)算1987—2018年遼寧省春玉米生產(chǎn)水足跡，并重點(diǎn)分析時(shí)空變化特征，以期為遼寧省農(nóng)作物水資源高效利用與管理提供科學(xué)依據(jù)。

2 遼寧省春玉米生產(chǎn)水足跡研究

2.1 研究區(qū)概況遼寧省地勢(shì)自北向南、自東西兩側(cè)向中部?jī)A斜，氣候類型為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，為玉米種植氣候適宜區(qū)[11]，遼寧省14個(gè)地市均有玉米種植分布。遼寧省四季分明，日照豐富，積溫較高，雨熱同季，年均累積降水量600～1100 mm，是東北三省中降水最多的省份；但遼寧省雨量空間分布極為不均，降水量東部明顯多于西部。其中東部地區(qū)年降水量可達(dá)1100 mm以上；西部地區(qū)年降水量最少，為400 mm左右，干旱最為嚴(yán)重；中部的平原地區(qū)降水量相對(duì)適中，年平均600 mm左右。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源基于1987—2018年遼寧省氣象、農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)和作物等相關(guān)數(shù)據(jù)。（1）氣象數(shù)據(jù)源于中國(guó)氣象網(wǎng)（http：//data.cma.cn/wa），主要包括遼寧省19個(gè)氣象站點(diǎn)（見(jiàn)圖1）經(jīng)度、緯度和海拔高度等地理數(shù)據(jù)，以及日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)及平均相對(duì)濕度等氣象數(shù)據(jù)。（2）農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)源于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》，主要包括春玉米產(chǎn)量數(shù)據(jù)、播種面積、灌溉面積及化肥施用量等數(shù)據(jù)。（3）作物數(shù)據(jù)包括生育期數(shù)據(jù)和作物系數(shù)，玉米生育期數(shù)據(jù)（4月11日—9月20日）源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。

圖1 遼寧省氣象站點(diǎn)分布

2.3 研究方法

2.3.1 遼寧省春玉米生育期劃分 根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合遼寧省水利電力廳編制的《遼寧省抗旱資料匯編》，玉米生產(chǎn)經(jīng)歷播種、出苗、拔節(jié)、抽雄、灌漿、乳熟、成熟等主要發(fā)育時(shí)期，生產(chǎn)起止日期為4月11日—9月20日，共歷時(shí)163 d。

2.3.2 農(nóng)作物蒸散量ETC農(nóng)作物蒸散量通常指農(nóng)作物在生長(zhǎng)期間蒸發(fā)蒸騰所消耗的水資源量，通常采用FAO（聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織）推薦的Penman-Monteith模型。首先，利用氣象參數(shù)計(jì)算參考作物ET0，之后根據(jù)作物系數(shù)Kc對(duì)ET0進(jìn)行調(diào)整，獲得具體農(nóng)作物蒸散量ETC[12]。

式中：Rn為凈輻射，MJ（/m2·d）；G為熱通量密度，MJ（/m2·d）；T為日平均溫度，℃；u2為2 m高處風(fēng)速，m/s；es為飽和空氣水汽壓，kPa；ea為空氣水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線的梯度，kPa/℃；γ為濕度計(jì)常數(shù)；Gn、Gd為固定常數(shù)，在估算逐日潛在蒸散發(fā)量時(shí)取值分別為900和0.34。

2.3.3 農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡 農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡是指單位質(zhì)量農(nóng)作物在生長(zhǎng)過(guò)程中所消耗的水資源總量，包括綠水足跡、藍(lán)水足跡和灰水足跡。Hoekstra等人于2011年提出了農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡的計(jì)算框架[8，13]。

式中：WF為農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡，m3/t；WFgreen為綠水足跡，m3/t；WFblue為藍(lán)水足跡，m3/t；WFgray為灰水足跡，m3/t。

（1）綠水足跡和藍(lán)水足跡。根據(jù)CropWat模型對(duì)作物需水量計(jì)算研究，綠水足跡和藍(lán)水足跡是基于田間作物蒸發(fā)蒸騰量與作物單位面積產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)算，從而表征田間尺度作物用水效率。綠水是指降水下滲到非飽和土壤層中用于植物生長(zhǎng)的水，在作物生長(zhǎng)需水中通常以有效降水來(lái)表示；藍(lán)水是指降水形成的地表水和地下水，在作物生長(zhǎng)需水中通常以灌溉用水來(lái)表示。

式中：ETgreen和ETblue分別為綠水和藍(lán)水蒸散量，mm；Y為作物產(chǎn)量，t/hm2；Peff為作物生長(zhǎng)期有效降水量，mm。有效降水量采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的USDA SCS方法來(lái)計(jì)算：

式中：P為旬降水量，mm，作物生長(zhǎng)期有效降水量逐旬累積。

（2）灰水足跡?；宜侵缸魑锷L(zhǎng)過(guò)程中，用于稀釋污染物，使水質(zhì)達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)所需的水量。在灰水足跡核算時(shí)，通常以稀釋淋失氮的需水量為代表。計(jì)算公式為：

式中：WFgray為灰水足跡，m3/t；AR為化肥施用量，kg/hm2；α為淋溶率；Cmax為最大容許濃度，kg/m3；Cnat為污染物的自然本底濃度，kg/m3。本文選擇氮肥施用量的10%作為淋溶率，Cnat假設(shè)為0，Cmax為污染物環(huán)境最大容許濃度，根據(jù)我國(guó)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，氮元素質(zhì)量濃度不得超過(guò)10 mg/L[14]。

3 研究結(jié)果與分析

圖2 遼寧省春玉米生產(chǎn)水足跡年際變化

圖3 遼寧省春玉米生產(chǎn)水足跡比重構(gòu)成

3.1 水足跡時(shí)間變化特征根據(jù)水足跡公式可知，多年生產(chǎn)總水足跡平均值是1424.21 m3/t，綠水、藍(lán)水以及灰水生產(chǎn)水足跡平均值分別為745.73 m3/t、279.37 m3/t和399.11 m3/t。遼寧省春玉米水足跡變化趨勢(shì)及構(gòu)成如圖2和圖3所示。由圖2看出，遼寧省春玉米生產(chǎn)水足跡變化波動(dòng)較大，整體以19.24 m3/t波動(dòng)下降，其中綠水足跡及灰水足跡與總水足跡變化波動(dòng)趨勢(shì)基本一致，藍(lán)水足跡變化趨勢(shì)與綠水足跡變化趨勢(shì)大致相反，體現(xiàn)出雨養(yǎng)作物消耗水資源的一般規(guī)律。遼寧省春玉米生產(chǎn)水足跡自2002年起變化幅度減小，但仍呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，主要原因是遼寧省大力推廣玉米節(jié)水抗旱新品種以及擴(kuò)大種植面積，逐步提高農(nóng)業(yè)管理水平，從而使春玉米產(chǎn)量不斷上升且水足跡平穩(wěn)下降[10]。由圖3可知，遼寧省春玉米生產(chǎn)總水足跡主要由綠水足跡構(gòu)成，其次是灰水足跡，最后是藍(lán)水足跡，多年水足跡占總水足跡平均值分別為54%、27%、19%，說(shuō)明有效降水是春玉米生產(chǎn)耗水的主要來(lái)源，灰水足跡大于藍(lán)水足跡居于水足跡生產(chǎn)的第二位，這與玉米種植過(guò)程中化肥的大量使用造成的農(nóng)業(yè)污染有關(guān)[15]。整體來(lái)看，綠水足跡和藍(lán)水足跡呈負(fù)向變動(dòng)趨勢(shì)，即在綠水足跡占比較大年份，藍(lán)水足跡占比較小，反之亦然。同時(shí)，灰水足跡呈不斷降低趨勢(shì)。

3.1.1 綠水足跡變化 1987—2018年遼寧省春玉米生產(chǎn)綠水足跡如圖4所示。整體來(lái)看，研究時(shí)段內(nèi)遼寧省春玉米綠水足跡每年以6.28 m3/t速率減少，多年平均值為745.73 m3/t，占總水足跡的54%。其中1994年遼寧省春玉米生產(chǎn)綠水足跡最高，達(dá)到了1150.82 m3/t；2002年綠水足跡最低，僅為541.59 m3/t。通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，研究時(shí)段內(nèi)蒸散量ETC整體上大于降水量，春玉米綠水足跡與蒸散量ETC呈反向變動(dòng)，與降水量數(shù)值變化基本一致，在降水量多的年份，綠水足跡大，反之，綠水足跡小。其中，春玉米生產(chǎn)綠水足跡較高的年份主要有1994—1995年、1997—1998年、2001年、2005年、2010年、2012年等，與前人對(duì)遼寧省降水時(shí)空分布差異的研究結(jié)果一致[16-17]。此外，綠水足跡還和當(dāng)年春玉米產(chǎn)量相關(guān)。例如1989年，降水量?jī)H為332.35 mm，但春玉米綠水足跡較大，為900.26 m3/t，主要與當(dāng)年糧食單產(chǎn)較低有關(guān)。綠水作為不產(chǎn)生徑流而被農(nóng)作物利用的降水，下一步應(yīng)提高綠水利用效率，進(jìn)一步優(yōu)化水資源利用結(jié)構(gòu)。

3.1.2 藍(lán)水足跡變化 1987—2018年遼寧省春玉米藍(lán)水足跡如圖5所示。近32年間遼寧省藍(lán)水足跡波動(dòng)變化較大，整體以每年1.06 m3/t的速率增長(zhǎng)，年平均值為279.37 m3/t，占總水足跡的19%。其中，1998年遼寧省春玉米生產(chǎn)藍(lán)水足跡最低，僅為8.12 m3/t；2000年藍(lán)水足跡最高，為754.37 m3/t。藍(lán)水足跡變化趨勢(shì)與綠水足跡相反，主要是受降水量和ETC的影響，表明藍(lán)水作為從自然水體中提取出的灌溉用水，較低的增長(zhǎng)率則降低了對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)的要求。因此，在降水量較少的年份，藍(lán)水足跡明顯較大，反之，藍(lán)水足跡較小。據(jù)上述歷史資料顯示，在豐水年份，如1990年、1994—1995年、1998年、2005年、2010年等，遼寧省降水量往往較多，作物有效降水量較高，作物蒸騰蒸發(fā)量中灌溉水較少，因此春玉米藍(lán)水足跡也較?。辉诮邓肯鄬?duì)較低的年份，如1989年、1997年、2000年、2002年，2009年、2014-2015年等，遼寧省春玉米藍(lán)水足跡較大，主要原因是相關(guān)年份出現(xiàn)了不同程度的干旱及風(fēng)雹災(zāi)害，同時(shí)糧食產(chǎn)量相對(duì)較低[18-19]。

圖4 遼寧省春玉米生產(chǎn)綠水足跡年際變化

圖5 遼寧省春玉米生產(chǎn)藍(lán)水足跡年際變化

3.1.3 灰水足跡變化 1987—2018年遼寧省春玉米生產(chǎn)灰水足跡如圖6所示。1987—2000年遼寧省春玉米生產(chǎn)灰水足跡變化起伏較大，2000年后趨于穩(wěn)定并呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)；1987—2018年整體以每年14.03 m3/t的速率降低，年平均值為399.11 m3/t，占總水足跡的27%。春玉米灰水足跡受降水量和蒸散量影響不大，主要與農(nóng)作物產(chǎn)量及氮肥施用量相關(guān)，灰水作為稀釋農(nóng)藥化肥的污水，控制其增長(zhǎng)率有助于改善糧食安全問(wèn)題。其中，1989年、1994—1995年、1997年、2000年等遼寧省春玉米灰水足跡較高，主要是由于相關(guān)年份出現(xiàn)了不同程度的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，糧食生產(chǎn)受到威脅，產(chǎn)量較低。2000年后，春玉米單產(chǎn)相對(duì)較高且穩(wěn)定，并且通過(guò)控制農(nóng)藥化肥的使用，灰水作為稀釋農(nóng)藥化肥的污水逐年降低，同時(shí)糧食安全問(wèn)題得到改善[15]。

3.2 綠、藍(lán)水足跡空間變化特征為探究遼寧省春玉米綠水、藍(lán)水足跡的空間變化特征，文章引入豐水年和枯水年的概念。豐水年是指其年徑流量大于多年平均年徑流量的年份；枯水年是指其年徑流量少于多年平均年徑流量的年份。根據(jù)春玉米生育期降水量和蒸散量變化的特征，選擇2010年和2002年分別代表豐水年和枯水年[20]，以此探究遼寧省水足跡的空間變化特征。

3.2.1 綠水足跡時(shí)空變化特征 根據(jù)遼寧省春玉米生育期降水量的豐枯，將綠水足跡變化分為2002年（枯水年）和2010年（豐水年）兩個(gè)研究時(shí)段，繪制遼寧省春玉米生產(chǎn)綠水足跡的時(shí)空變化特征圖（見(jiàn)圖7）。由圖7可知，遼寧省春玉米綠水足跡在枯水年（2002年）和豐水年（2010年）的空間分布差異較大，在枯水年綠水足跡整體較低，反之，在豐水年，綠水足跡整體較高。2002年綠水足跡高值區(qū)主要集中在東部地區(qū)，可能與東部地區(qū)濕潤(rùn)度大，降水量高，綠水蒸散量較高有關(guān)；同時(shí)，東部地區(qū)多為低山丘陵，玉米種植面積少且分散。此外，葉柏壽及其周圍地區(qū)相比其他地區(qū)綠水足跡相對(duì)較高，主要與該地當(dāng)年有效降水多于周圍地區(qū)；而遼寧南部地區(qū)，在2002年有效降水量較低，故綠水足跡較低。在2010年，由于該年遼寧省春玉米生育期降水量較高，綠水蒸散量較高，故當(dāng)年遼寧省整體綠水足跡較高。而當(dāng)年葉柏壽地區(qū)降水量相比其他地區(qū)相對(duì)較低，有效降水量少，故綠水足跡較低。

圖6 遼寧省春玉米生產(chǎn)灰水足跡年際變化

圖7 遼寧省春玉米生產(chǎn)綠水足跡空間分布特征

圖8 遼寧省春玉米生產(chǎn)藍(lán)水足跡空間分布特征

3.2.2 藍(lán)水足跡時(shí)空變化特征 根據(jù)遼寧省春玉米生育期降水量的豐枯，將藍(lán)水足跡變化分為2002年（枯水年）和2010年（豐水年）兩個(gè)研究時(shí)段，繪制遼寧省春玉米生產(chǎn)藍(lán)水足跡的時(shí)空變化特征圖（見(jiàn)圖8）。由圖8可知，遼寧省春玉米藍(lán)水足跡在枯水年（2002年）和豐水年（2010年）的空間分布差異較大。其中，2002年不同地區(qū)藍(lán)水足跡存在顯著差異，2010年藍(lán)水足跡整體較低。2002年，遼寧春玉米藍(lán)水足跡高值區(qū)主要分布在環(huán)渤海、寬甸及其周圍地區(qū)，主要與當(dāng)年該地區(qū)有效降水少，藍(lán)水蒸散量較大有關(guān)[21]；低值區(qū)主要分布在沈陽(yáng)、黨章、清原以及本溪等地區(qū)，該地區(qū)當(dāng)年有效降水量高于其他地區(qū)，故藍(lán)水蒸散量較低，藍(lán)水足跡也較低。2010年，遼寧省大部分地區(qū)藍(lán)水足跡較低，葉柏壽及其周圍地區(qū)藍(lán)水足跡相對(duì)較高，主要原因是遼寧省春玉米生育期內(nèi)降水量較高，有效降水量高，藍(lán)水蒸散量較低，故藍(lán)水足跡低；葉柏壽等地區(qū)由于降水量地區(qū)低于其他地區(qū)，故藍(lán)水蒸散量大于其他地區(qū)。

4 結(jié)論

（1）遼寧省春玉米生產(chǎn)水足跡年際變化波動(dòng)較大，自2002年起變化幅度不明顯，多年總水足跡生產(chǎn)平均值1424.21 m3/t，總水足跡主要由綠水足跡構(gòu)成，其次是灰水足跡，最后是藍(lán)水足跡；綠水足跡及灰水足跡與總水足跡變化波動(dòng)趨勢(shì)基本一致，藍(lán)水足跡變化趨勢(shì)與綠水足跡變化趨勢(shì)大致相反。未來(lái)應(yīng)提高灌溉和降水利用率以降低農(nóng)業(yè)水資源消耗量。

（2）從綠水足跡看，遼寧省春玉米綠水足跡每年以6.28 m3/t速率減少，多年平均值為745.73 m3/t，占總水足跡的54%，其中，1994年綠水足跡最高，2002年綠水足跡最低?？臻g分布上2002年綠水足跡高值區(qū)主要集中在東部地區(qū)，而遼寧南部地區(qū)綠水足跡較低；2010年遼寧省整體綠水足跡較高，而葉柏壽地區(qū)降水量相比其他地區(qū)相對(duì)較低，綠水足跡較低。未來(lái)應(yīng)充分開發(fā)和利用好綠水資源對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的保障。

（3）從藍(lán)水足跡看，遼寧省藍(lán)水足跡波動(dòng)變化較大，以每年1.06 m3/t的速率增長(zhǎng)，多年平均值為279.37 m3/t，占總水足跡的19%；其中，1998年藍(lán)水足跡最低，2000年藍(lán)水足跡最高。2002年，遼寧省春玉米藍(lán)水足跡高值區(qū)主要分布在環(huán)渤海、寬甸及其周圍地區(qū)，低值區(qū)主要分布在沈陽(yáng)、黨章、清原以及本溪等地區(qū)；2010年，遼寧省大部分地區(qū)藍(lán)水足跡較低，葉柏壽及其周圍地區(qū)藍(lán)水足跡相對(duì)較高。未來(lái)可通過(guò)提高農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)水平以提高藍(lán)水利用效率。

（4）從灰水足跡看，灰水足跡變化起伏較大，整體以每年14.03 m3/t的速率降低，多年平均值為399.11 m3/t，占總水足跡的27%，2000年后趨于穩(wěn)定并呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)；春玉米灰水足跡受降水量和蒸散量影響不大，主要與農(nóng)作物產(chǎn)量及氮肥施用量相關(guān)。未來(lái)應(yīng)合理控制化肥和農(nóng)藥用量，在維持高產(chǎn)的同時(shí)，減小化肥農(nóng)藥對(duì)區(qū)域土壤和水環(huán)境的影響。