中国典型农作物需水量及生产水足迹区域差异

雒新萍，刘晓洁

(1.中国环境科学研究院，北京100012；2.中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101)

0 引 言

“水是生命之源、生产之要、生态之基”。随着经济增长、人口增加和城市化进程的加快，人类对水资源的需求急剧增加，水资源短缺已经成为制约我国经济社会可持续发展的重要瓶颈。农业是水资源消耗的主要部门，农业用水占全社会总用水量的62%，每年农业灌溉用水量约3 600 亿m3，缺口300多亿m3。同时，我国农业水资源利用效率极低，平均1 m3水生产的粮食只有0.8 kg，远低于发达国家的2 kg水平[1]。据预测，在2030年前后中国人口将达到16亿的高峰，粮食需增长到6.4～7.2 亿t才能满足人口增长的需求。按照现有水平预测，灌溉面积需发展到6 亿hm2，用水量将增长到6 650 亿m3，在不增加灌溉用水的条件下，2030年中国缺水将高达1 300～2 600 亿m3，其中农业缺水500～700 亿m3[2]。因此，水资源是农业发展和粮食安全的首要限制因子，如何在保障农业用水零增长或者负增长的前提下，确保我国粮食安全生产成为我们面临的亟需解决的重大战略性问题。

研究表明[3-5]，农业用水主要消耗于植被蒸腾和土壤蒸发(ET)，农业生产不仅消耗耕地灌溉水“蓝水”，还消耗耕地有效降水“绿水”。“绿水”的循环反映了自然界“土壤-植物”生态系统的用水消耗。统计发现，绿水支撑着约占全球耕地面积83%的雨养农业，为世界70%的人口提供粮食保障，大约60%的农业粮食生产依赖于绿水[6-8]。在全球人口日益膨胀的背景下雨养农业在可预见的将来仍然是维系农业粮食安全的关键，因此绿水资源是农业粮食生产中最重要的水源。对于雨养农业，有效降雨是土壤可供水量的唯一来源，作物需水量全部来自绿水；对于灌溉农业，作物需水量中的绿水部分由有效降水提供，蓝水部分由灌溉水提供。因此，有效地评价农业水资源中蓝、绿水的利用情况对农业水资源管理具有十分重要的意义，也是制定提高农业用水效率具体管理措施的重要依据。近几年来，国际及国内学者对重要的农业敏感区作物需水和耗水做了大量研究，重点分析了粮食主产区的水稻、玉米、冬小麦、夏玉米等主要农作物的需水、耗水规律及其影响因素[9-15]，另外，在作物生产水足迹方面，研究者们从水足迹和虚拟水的视角通过分析不同地区作物的蓝绿水足迹[16-20]，为研究区农业灌溉用水及种植作物的结构调整提供了科学依据，然而从国家层面来讲，对我国主要农作物蓝绿需水量及作物水足迹的研究仍比较薄弱。本文面向国家农业水资源和粮食生产的重大战略需求以及农业水资源高效利用的国际前沿，在“水足迹”研究的理论体系背景下，以绿水概念为依据，选择中国主要农作物分析其生产过程中的蓝绿水需用量以及生产水足迹，以期为各省市间水资源的合理优化配置建立理论和实践基础，并为优化水资源限制条件下的我国粮食作物产业结构提供科学保障和政策支持。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

1.1.1 CROPWAT模型介绍

CROPWAT 是联合国粮农组织(FAO)土地和水发展司于1991年开发的用于灌溉计划和管理的模型，其基本功能包括参考作物蒸散发量、作物需水量、有效降水量及灌溉需水量的计算，该模型可为如何改进灌溉方法、规划不同供水条件下的灌溉日程及评价雨养条件或非充分灌溉条件下对作物产量的影响提供依据[21,22]。CROPWAT 模型所需的输入参数包括气象参数、作物参数、土壤参数。其中气象参数包括月平均日最高和最低气温、月降水量、月平均风速、月平均日照时数、月平均相对湿度。作物参数包括作物播种日期、作物系数、根区范围、作物缺水敏感系数。土壤参数包括土壤质地、可利用水量、渗透速率、初始含水量。首先利用CROPWAT模型计算气象站点的作物需水量，然后通过克里格插值和作物种植面积分布获得区域作物需水量，进一步通过灌溉面积分布得到区域作物的蓝、绿水需用量。

1.1.2 参考作物蒸散发量

Penman-Monteith公式[23]是FAO 1998年推荐使用的具有较小误差的计算参考作物蒸散发量(ET0)的方法。其修正公式如下：

(1)

式中：ET0为参考作物蒸散发量，mm/d；Rn为作物表面净辐射，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；T为2 m高处日平均气温，℃；u2为2 m高处风速，m/s；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；δ为饱和水汽压曲线斜率，kPa/℃；γ为干湿表常数，kPa/℃。

1.1.3 作物需水量

作物需水量(CWR)是在理想的生长条件下，作物从种植到收获所需的蒸散发量。一般作物需水量等于整个生长期作物蒸散发量(ETc)的累积值，可通过ET0和不同阶段的作物系数(Kc)得到，公式如下：

(2)

式中：CWR为作物全生育期需水量，m3/a；Kc为相应的作物系数；ET0为作物生育期内的参考作物蒸散发量，mm/d；ETc为作物生育期内的蒸散发量，mm/d；Ac为作物种植面积；c为作物种类；10为量纲转换因子。

1.1.4 作物蓝绿水需用量

作物水分的供给主要来源于降水和灌溉两部分，作物需水量即等于作物有效降水量与灌溉水量之和。对于雨养农业，有效降雨是土壤可供水量的唯一来源，作物需水量全部来自绿水；对于灌溉农业，假定灌溉水量能满足作物的需水量，作物需水量中的绿水部分由有效降水提供，蓝水部分由灌溉水提供。

本文采用CROPWAT模型中美国农业部提出的SCS方法计算有效降水量。公式如下：

(3)

Peff=125+0.1×Ptot(Ptot>250 mm)

(4)

式中：Peff为有效降水量，mm；Ptot为月降水量，mm。

绿水蒸散发(ETgreen)，即降水的蒸散发，等于总作物蒸散发(ETc)与有效降水(Peff)的较小值。蓝水蒸散发(ETblue)，即农田灌溉用水的蒸散发，等于作物总蒸散发减去有效降水。但当有效降水超过作物蒸散发时，其值为0。公式如下：

ETgreen=min(ETc,Peff)

(5)

ETblue=max(0,ETc-Peff)

(6)

式中：ETgreen和ETblue分别为作物生长时期所需的绿水量和蓝水量，mm。

1.1.5 作物生产水足迹

作物生产水足迹是指某个区域生产作物单位产量(一般为经济产量)所消耗的水资源数量(包括蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹)。鉴于灰水足迹表示“占有的纳污能力”，其定义为吸收污水所需的水量，即确定范围内稀释污染物所需的水量，以使环境水质满足允许的水质标准。由于灰水足迹不是作物生产过程中实际消耗的水资源量，量化方法还不完善[24]，而且区域土壤施肥量和杀虫剂等数据较难获取，所以本文只计算作物生长的蓝水足迹和绿水足迹。作物生产水足迹计算公式如下：

WF=WFgreen+WFblue

(7)

式中：WFgreen和WFblue分别为作物生产绿水足迹和蓝水足迹，m3/t。

作物生长过程的绿水足迹(WFgreen, m3/t)等于作物用水中的绿水量(CWRgreen, m3/hm2)除以作物产量(Y, t/hm2)。作物生长蓝水足迹(WFblue, m3/t)的计算也类似。

(8)

(9)

式中：ETgreen为绿水蒸散发量；ETblue为蓝水蒸散发量。常量因子10是将水的深度(单位：mm)转化为单位陆地面积的水量(单位：m3/hm2)的转换系数；Ac是第c种作物的播种面积比例；Ic为第c种作物的播种灌溉面积比例。

1.2 数据来源

采用中国546个气象站1961-2010年的气象资料，包括月降水量、月平均日最高气温、月平均日最低气温、月平均日照时数、月平均风速、月平均相对湿度。作物种植面积和产量数据来自Monfreda等[25]制作的2000年全球作物分布图，作物分布图表示作物种植面积占栅格面积的百分比，产量分布图表示每种作物在栅格内的平均产量，t/hm2。灌溉面积来自于2007年FAO全球灌溉面积分布图，表示每个栅格内有灌溉设施的面积占栅格面积的百分比，空间分辨率均为5′×5′。本文研究选取中国主要的三种农作物(小麦、玉米和棉花)，其种植面积不包括香港、澳门和台湾地区。

2 结果与分析

2.1 中国主要农作物需水量的分布

从图1(a)可以看出，中国小麦需水量的最高值主要分布在华北平原，尤其是山东西部、河北南部、河南中东部以及安徽北部地区，绝大部分栅格的年需水量均大于1 000 万m3。华北平原光热资源充足，有利于冬小麦生长，但降水时间与冬小麦的主要生长季耦合性较差。冬小麦需水量最大的时期为3-5月，而该期间华北平原大部分地区降水不足80 mm，有效降水量远远低于冬小麦实际需水量，所以该地区冬小麦的主要需水来源于地下水灌溉。从图1(b)可以看出，玉米需水量的最高值主要位于松嫩平原和河北、山东北部等地区。与小麦相比，玉米需水与降雨的时间分布耦合性较好，华北夏玉米的生长期一般为6月中旬到9月中旬，生育期为90～100 d，而降水主要发生在7-9月，有效降水可以满足夏玉米70%～80%的需水要求，所以夏玉米是对灌溉依赖程度较弱的农作物。分布于东北和西北地区的春玉米生长期约为4月下旬到9月中旬，生育期为125～140 d，生长期灌溉需水量较大。从图1(c)可以看出，中国棉花的种植面积较少，主要集中在黄淮海平原、新疆西部粮棉产区以及湖南、江苏等地区，棉花生长期一般为4月中旬到10月中下旬，栅格内的年需水量多在200 万m3以下。

图1 1961-2010年中国主要农作物需水量的空间分布Fig.1 Distribution of water requirement for main crops in China in 1961-2010

经统计可知，中国小麦、玉米和棉花的种植面积分别为2 608、2 297和367 万hm2，通过估算，1961-2010年中国小麦、玉米和棉花多年平均需水总量分别约为1 056.4、1 045.2和217.7 亿m3。从各省主要农作物需水量占全国的比例来看(表1)，河南、山东和河北省的小麦需水量占全国小麦总需水量比例均超过10%，小麦需水量分别为186.7、173.1和109.7 亿m3，其次是江淮地区，小麦需水量占全国的比例也基本在5%以上。玉米需水比例较高的省份为黑龙江、吉林和山东，分别占全国玉米总需水量的14.48%、13.34%和10.39%，玉米需水量分别为151.3、139.4和108.5 亿m3；棉花需水比例较高的省份为河南和新疆，分别占全国棉花总需水量的20.40%和15.88%，棉花需水量分别约为44.4和34.5 亿m3。

2.2 主要农作物的蓝绿水分布

绿水占作物需水的比例反映了农业中有效降水的利用程度，即依靠降雨的水量满足作物需水的程度。绿水利用率越高，灌溉用水量越少。图2给出了中国小麦、玉米和棉花蓝水和绿水需用量的空间分布。

表1 中国各省主要农作物需水量的对比Tab.1 Comparison of water requirement for main crops in different provinces of China

注：-表示该地区无棉花种植。

图2显示，作物绿水需用量的空间分布与作物总需水量的分布大体一致。分析表明，中国主要农作物小麦、玉米和棉花的绿水需用比例均高于蓝水，绿水的利用强度与当地的农业开发强度及降水情况密切相关，农业发达的地区，作物种植密度高，所需的绿水量也多；降水丰沛的南方地区，可以说是天然的宜农区域，作物需水量主要依赖于绿水。而对于西北、关中等天然降水量匮乏和灌溉设施落后的地区，多为灌溉农业，需保证足够的灌溉才能满足农作物的生长，而且由于灌溉设施陈旧，灌溉水有效利用系数不高，造成蓝水需用量较大。

经过统计可知，中国小麦、玉米和棉花绿水需用量占各自作物总需水量的比例分别为57.6%、72.3%和68.7%，作物的多年平均绿水需用量分别约为608.5、755.7和149.6 亿m3。从各省主要农作物绿水需水量占全国的比例来看(表1)，对于小麦而言，安徽、江苏、重庆、湖北、浙江、上海、福建和贵州的绿水需用量比例均为100%，说明这些地区的小麦需水完全来源于绿水，有效降水完全可以满足作物生长需求。其次是湖南和江西，绿水需用量比例也在95%以上，黑龙江、陕西、河南、四川、广东和云南的绿水需用量比例均在60%以上，而新疆和西藏常年干旱少雨，降水远远不能满足作物生长需求，绿水需用量比例最低，仅为14.45%和3.45%。

图2 中国主要农作物蓝绿水需用量的空间分布Fig.2 The distribution of blue and green water requirement for main crops in China

玉米是这3种农作物中绿水需用量最高的作物，江苏、四川、重庆、湖北、广东、广西、贵州和云南省种植的玉米完全为雨养，玉米绿水需用量比例均接近或达到100%，有效降水可以完全满足玉米生育期的需水要求。华北平原地区(如河南、山东和河北等)夏玉米绿水需用量比例约在70%～90%之间，东北地区(如黑龙江、吉林和辽宁)春玉米绿水需用量比例约在60%～75%之间，西北地区(如宁夏、青海、甘肃、新疆等)春玉米的绿水需用量比例较低，均在50%以下，新疆的最低，仅为6.72%。

棉花的绿水需求同玉米类似，四川、重庆、湖南、湖北、江西、浙江、上海和云南等地区棉花绿水需用量比例均接近或等于100%，华北平原及陕西关中地区棉花绿水需用量比例约在50%～80%之间，东北地区只有辽宁省有棉花种植，绿水需用量比例约为51.10%，绿水需用量比例最低的为新疆和甘肃，分别仅为6.07%和2.30%。

2.3 主要农作物的生产水足迹

作物生产水足迹指作物单位产量的需水量，也称为作物的虚拟水含量，反映作物生产中的用水效率。对于不同作物而言，棉花是生产水足迹最高的农作物，中国小麦、玉米和棉花的平均水足迹约为1.37、1.10和2.02 m3/kg。从各省区不同作物生长的水足迹分析(表2)，小麦生产水足迹较高的省份主要分布在江西、福建、广西和贵州，生产水足迹均在2.0 m3/kg以上，玉米生产水足迹较高的地区主要位于青海、湖南和广东，棉花是三种农作物中生产水足迹最高的作物，尤其是北京、天津以及甘肃等西部地区，均在3 m3/kg以上。中国南方地区水资源丰富，作物生长充分利用雨水的同时也补充了大量灌溉用水，造成单位作物产量的用水量低下。而陕西关中、甘肃和青海等地区，灌溉农业较发达，作物生长期间蓝水需用量很大，虽维持了一定产量，但灌溉水有效利用系数不高，造成作物生产水足迹偏大。

表2 中国各省主要农作物平均生产水足迹 m3/kg

注：-表示该地区无棉花种植。

3 结 论

通过对中国典型农作物小麦、玉米和棉花多年平均需水量及作物生产水足迹的模拟，揭示了不同农作物在生产过程中对蓝绿水资源的需求及其地域分布特点，结论如下：

(1)中国小麦、玉米和棉花多年平均(1961-2010年)需水量分别约为1 056.4、1 045.2和217.7 亿m3，且小麦、玉米和棉花的绿水利用比例均高于蓝水，玉米是这三种农作物中绿水利用率最高的作物。

(2)中国小麦、玉米和棉花的平均水足迹约为1.37、1.10和2.02 m3/kg。不同地区不同农作物生产水足迹存在较大差异，中国南方地区绿水资源虽丰富但利用效率不高，单位作物产量的用水量低下；陕西关中、甘肃和青海等西北干旱地区，有效降水不足导致作物依赖于灌溉，但灌溉水有效利用系数不高，造成作物生产水足迹也偏高。