辽宁省春玉米生产水足迹的时空变化研究

冯兴兴，王学凤，阳 辉，曹永强

（1.辽宁师范大学 地理科学学院，辽宁 大连 116029；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038；3.西藏自治区水文水资源勘测局，西藏 拉萨 850000）

1 研究背景

水是粮食生产的重要基础资源，农业作为我国第一用水大户，占总用水量的比例已超过60%[1]。在气候变化和人口增长的背景下，我国仍面临粮食新增需求的巨大压力，农业用水的短缺将直接影响我国粮食安全[2]。在农业用水日趋紧张的情况下，分析作物生产用水来源、量化用水组成及用水效率成为亟待解决的问题。虚拟水作为凝结在产品和服务中的水资源量，为不合理的产业结构和农产品贸易导致的水资源短缺现状及水资源所面临的压力提供了全新的思路[3]。水足迹理论研究可以真实反映一个地区农业对水资源的真实需求和占用情况，从而对区域内科学量化农业用水，合理调配水资源具有重要指导意义。

国内外学者对农作物水足迹展开了大量研究，大致集中在3个方面：一是对典型地区农作物生产水足迹的时空演变规律进行研究，或是比较不同地区农作物水足迹差异水平及影响因素。Zotou I等[4]利用水足迹方法评估Mesogeia地区42种作物耗水量，揭示了区域内水资源的有效分配及潜在的错误农业措施；Rattanawan Mungkung等[5]研究发现泰国8个不同品种的水稻水足迹存在差异，提出了在降水量较高的栽培期采用干湿交替的耕作系统的管理方法。二是评价农作物水足迹对水资源压力、用水效率和结构，以此优化农作物种植结构。周雯晶[6]通过对我国多种粮食作物水分生产率、灌溉效率及节水潜力进行时空分析，结果表明夏玉米理论水分生产率最大且呈现南高北低的趋势；李莹莹等[7]从用水状况、节水技术、人力资本和用水效益四个维度，建立区域农业用水效率评价指标体系，为农业用水效率的提高提供一定的现实依据。三是探究影响农作物水足迹的气象和农业投入因素。郑晓雪等[8]通过对吉林省主要农作物水足迹影响因素及变化分析，表明气温和降水是影响作物水足迹的重要因子，并有针对性地提出了调整农业生产投入因素等措施的建议；韩杰等[9]通过评估民勤县8种主要农作物耗水当量与气候响应关系，表明不同作物耗水变化的气候响应模式差异较大，整体受降水和温度的影响显著。

辽宁省所在的东北地区是世界“三大黑土”地带之一，土壤肥沃，总耕地面积为4.09万hm2，占全省土地面积的27.65%。玉米是辽宁省第一大粮食生产作物，种植面积广阔，玉米生产多以雨养为主，灌溉为辅[10]。不同区域地形、气候等自然条件下，各地区玉米产量差异明显，且农作物水足迹中的主要因素大气降水呈波动变化。因此，本文基于水足迹理论，计算1987—2018年辽宁省春玉米生产水足迹，并重点分析时空变化特征，以期为辽宁省农作物水资源高效利用与管理提供科学依据。

2 辽宁省春玉米生产水足迹研究

2.1 研究区概况辽宁省地势自北向南、自东西两侧向中部倾斜，气候类型为温带大陆性季风气候，为玉米种植气候适宜区[11]，辽宁省14个地市均有玉米种植分布。辽宁省四季分明，日照丰富，积温较高，雨热同季，年均累积降水量600～1100 mm，是东北三省中降水最多的省份；但辽宁省雨量空间分布极为不均，降水量东部明显多于西部。其中东部地区年降水量可达1100 mm以上；西部地区年降水量最少，为400 mm左右，干旱最为严重；中部的平原地区降水量相对适中，年平均600 mm左右。

2.2 数据来源基于1987—2018年辽宁省气象、农业统计和作物等相关数据。（1）气象数据源于中国气象网（http：//data.cma.cn/wa），主要包括辽宁省19个气象站点（见图1）经度、纬度和海拔高度等地理数据，以及日平均气温、最高气温、最低气温、平均风速、日照时数及平均相对湿度等气象数据。（2）农业统计数据源于《中国统计年鉴》，主要包括春玉米产量数据、播种面积、灌溉面积及化肥施用量等数据。（3）作物数据包括生育期数据和作物系数，玉米生育期数据（4月11日—9月20日）源于中国气象科学数据共享网。

图1 辽宁省气象站点分布

2.3 研究方法

2.3.1 辽宁省春玉米生育期划分 根据实际生产实践经验并结合辽宁省水利电力厅编制的《辽宁省抗旱资料汇编》，玉米生产经历播种、出苗、拔节、抽雄、灌浆、乳熟、成熟等主要发育时期，生产起止日期为4月11日—9月20日，共历时163 d。

2.3.2 农作物蒸散量ETC农作物蒸散量通常指农作物在生长期间蒸发蒸腾所消耗的水资源量，通常采用FAO（联合国粮食及农业组织）推荐的Penman-Monteith模型。首先，利用气象参数计算参考作物ET0，之后根据作物系数Kc对ET0进行调整，获得具体农作物蒸散量ETC[12]。

式中：Rn为净辐射，MJ（/m2·d）；G为热通量密度，MJ（/m2·d）；T为日平均温度，℃；u2为2 m高处风速，m/s；es为饱和空气水汽压，kPa；ea为空气水汽压，kPa；Δ为饱和水汽压-温度曲线的梯度，kPa/℃；γ为湿度计常数；Gn、Gd为固定常数，在估算逐日潜在蒸散发量时取值分别为900和0.34。

2.3.3 农作物生产水足迹 农作物生产水足迹是指单位质量农作物在生长过程中所消耗的水资源总量，包括绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹。Hoekstra等人于2011年提出了农作物生产水足迹的计算框架[8，13]。

式中：WF为农作物生产水足迹，m3/t；WFgreen为绿水足迹，m3/t；WFblue为蓝水足迹，m3/t；WFgray为灰水足迹，m3/t。

（1）绿水足迹和蓝水足迹。根据CropWat模型对作物需水量计算研究，绿水足迹和蓝水足迹是基于田间作物蒸发蒸腾量与作物单位面积产量进行计算，从而表征田间尺度作物用水效率。绿水是指降水下渗到非饱和土壤层中用于植物生长的水，在作物生长需水中通常以有效降水来表示；蓝水是指降水形成的地表水和地下水，在作物生长需水中通常以灌溉用水来表示。

式中：ETgreen和ETblue分别为绿水和蓝水蒸散量，mm；Y为作物产量，t/hm2；Peff为作物生长期有效降水量，mm。有效降水量采用美国农业部土壤保持局推荐的USDA SCS方法来计算：

式中：P为旬降水量，mm，作物生长期有效降水量逐旬累积。

（2）灰水足迹。灰水是指作物生长过程中，用于稀释污染物，使水质达到安全标准所需的水量。在灰水足迹核算时，通常以稀释淋失氮的需水量为代表。计算公式为：

式中：WFgray为灰水足迹，m3/t；AR为化肥施用量，kg/hm2；α为淋溶率；Cmax为最大容许浓度，kg/m3；Cnat为污染物的自然本底浓度，kg/m3。本文选择氮肥施用量的10%作为淋溶率，Cnat假设为0，Cmax为污染物环境最大容许浓度，根据我国《地表水环境质量标准》，氮元素质量浓度不得超过10 mg/L[14]。

3 研究结果与分析

图2 辽宁省春玉米生产水足迹年际变化

图3 辽宁省春玉米生产水足迹比重构成

3.1 水足迹时间变化特征根据水足迹公式可知，多年生产总水足迹平均值是1424.21 m3/t，绿水、蓝水以及灰水生产水足迹平均值分别为745.73 m3/t、279.37 m3/t和399.11 m3/t。辽宁省春玉米水足迹变化趋势及构成如图2和图3所示。由图2看出，辽宁省春玉米生产水足迹变化波动较大，整体以19.24 m3/t波动下降，其中绿水足迹及灰水足迹与总水足迹变化波动趋势基本一致，蓝水足迹变化趋势与绿水足迹变化趋势大致相反，体现出雨养作物消耗水资源的一般规律。辽宁省春玉米生产水足迹自2002年起变化幅度减小，但仍呈现下降趋势，主要原因是辽宁省大力推广玉米节水抗旱新品种以及扩大种植面积，逐步提高农业管理水平，从而使春玉米产量不断上升且水足迹平稳下降[10]。由图3可知，辽宁省春玉米生产总水足迹主要由绿水足迹构成，其次是灰水足迹，最后是蓝水足迹，多年水足迹占总水足迹平均值分别为54%、27%、19%，说明有效降水是春玉米生产耗水的主要来源，灰水足迹大于蓝水足迹居于水足迹生产的第二位，这与玉米种植过程中化肥的大量使用造成的农业污染有关[15]。整体来看，绿水足迹和蓝水足迹呈负向变动趋势，即在绿水足迹占比较大年份，蓝水足迹占比较小，反之亦然。同时，灰水足迹呈不断降低趋势。

3.1.1 绿水足迹变化 1987—2018年辽宁省春玉米生产绿水足迹如图4所示。整体来看，研究时段内辽宁省春玉米绿水足迹每年以6.28 m3/t速率减少，多年平均值为745.73 m3/t，占总水足迹的54%。其中1994年辽宁省春玉米生产绿水足迹最高，达到了1150.82 m3/t；2002年绿水足迹最低，仅为541.59 m3/t。通过对比数据发现，研究时段内蒸散量ETC整体上大于降水量，春玉米绿水足迹与蒸散量ETC呈反向变动，与降水量数值变化基本一致，在降水量多的年份，绿水足迹大，反之，绿水足迹小。其中，春玉米生产绿水足迹较高的年份主要有1994—1995年、1997—1998年、2001年、2005年、2010年、2012年等，与前人对辽宁省降水时空分布差异的研究结果一致[16-17]。此外，绿水足迹还和当年春玉米产量相关。例如1989年，降水量仅为332.35 mm，但春玉米绿水足迹较大，为900.26 m3/t，主要与当年粮食单产较低有关。绿水作为不产生径流而被农作物利用的降水，下一步应提高绿水利用效率，进一步优化水资源利用结构。

3.1.2 蓝水足迹变化 1987—2018年辽宁省春玉米蓝水足迹如图5所示。近32年间辽宁省蓝水足迹波动变化较大，整体以每年1.06 m3/t的速率增长，年平均值为279.37 m3/t，占总水足迹的19%。其中，1998年辽宁省春玉米生产蓝水足迹最低，仅为8.12 m3/t；2000年蓝水足迹最高，为754.37 m3/t。蓝水足迹变化趋势与绿水足迹相反，主要是受降水量和ETC的影响，表明蓝水作为从自然水体中提取出的灌溉用水，较低的增长率则降低了对农业灌溉技术的要求。因此，在降水量较少的年份，蓝水足迹明显较大，反之，蓝水足迹较小。据上述历史资料显示，在丰水年份，如1990年、1994—1995年、1998年、2005年、2010年等，辽宁省降水量往往较多，作物有效降水量较高，作物蒸腾蒸发量中灌溉水较少，因此春玉米蓝水足迹也较小；在降水量相对较低的年份，如1989年、1997年、2000年、2002年，2009年、2014-2015年等，辽宁省春玉米蓝水足迹较大，主要原因是相关年份出现了不同程度的干旱及风雹灾害，同时粮食产量相对较低[18-19]。

图4 辽宁省春玉米生产绿水足迹年际变化

图5 辽宁省春玉米生产蓝水足迹年际变化

3.1.3 灰水足迹变化 1987—2018年辽宁省春玉米生产灰水足迹如图6所示。1987—2000年辽宁省春玉米生产灰水足迹变化起伏较大，2000年后趋于稳定并呈现逐渐下降的趋势；1987—2018年整体以每年14.03 m3/t的速率降低，年平均值为399.11 m3/t，占总水足迹的27%。春玉米灰水足迹受降水量和蒸散量影响不大，主要与农作物产量及氮肥施用量相关，灰水作为稀释农药化肥的污水，控制其增长率有助于改善粮食安全问题。其中，1989年、1994—1995年、1997年、2000年等辽宁省春玉米灰水足迹较高，主要是由于相关年份出现了不同程度的农业气象灾害，粮食生产受到威胁，产量较低。2000年后，春玉米单产相对较高且稳定，并且通过控制农药化肥的使用，灰水作为稀释农药化肥的污水逐年降低，同时粮食安全问题得到改善[15]。

3.2 绿、蓝水足迹空间变化特征为探究辽宁省春玉米绿水、蓝水足迹的空间变化特征，文章引入丰水年和枯水年的概念。丰水年是指其年径流量大于多年平均年径流量的年份；枯水年是指其年径流量少于多年平均年径流量的年份。根据春玉米生育期降水量和蒸散量变化的特征，选择2010年和2002年分别代表丰水年和枯水年[20]，以此探究辽宁省水足迹的空间变化特征。

3.2.1 绿水足迹时空变化特征 根据辽宁省春玉米生育期降水量的丰枯，将绿水足迹变化分为2002年（枯水年）和2010年（丰水年）两个研究时段，绘制辽宁省春玉米生产绿水足迹的时空变化特征图（见图7）。由图7可知，辽宁省春玉米绿水足迹在枯水年（2002年）和丰水年（2010年）的空间分布差异较大，在枯水年绿水足迹整体较低，反之，在丰水年，绿水足迹整体较高。2002年绿水足迹高值区主要集中在东部地区，可能与东部地区湿润度大，降水量高，绿水蒸散量较高有关；同时，东部地区多为低山丘陵，玉米种植面积少且分散。此外，叶柏寿及其周围地区相比其他地区绿水足迹相对较高，主要与该地当年有效降水多于周围地区；而辽宁南部地区，在2002年有效降水量较低，故绿水足迹较低。在2010年，由于该年辽宁省春玉米生育期降水量较高，绿水蒸散量较高，故当年辽宁省整体绿水足迹较高。而当年叶柏寿地区降水量相比其他地区相对较低，有效降水量少，故绿水足迹较低。

图6 辽宁省春玉米生产灰水足迹年际变化

图7 辽宁省春玉米生产绿水足迹空间分布特征

图8 辽宁省春玉米生产蓝水足迹空间分布特征

3.2.2 蓝水足迹时空变化特征 根据辽宁省春玉米生育期降水量的丰枯，将蓝水足迹变化分为2002年（枯水年）和2010年（丰水年）两个研究时段，绘制辽宁省春玉米生产蓝水足迹的时空变化特征图（见图8）。由图8可知，辽宁省春玉米蓝水足迹在枯水年（2002年）和丰水年（2010年）的空间分布差异较大。其中，2002年不同地区蓝水足迹存在显著差异，2010年蓝水足迹整体较低。2002年，辽宁春玉米蓝水足迹高值区主要分布在环渤海、宽甸及其周围地区，主要与当年该地区有效降水少，蓝水蒸散量较大有关[21]；低值区主要分布在沈阳、党章、清原以及本溪等地区，该地区当年有效降水量高于其他地区，故蓝水蒸散量较低，蓝水足迹也较低。2010年，辽宁省大部分地区蓝水足迹较低，叶柏寿及其周围地区蓝水足迹相对较高，主要原因是辽宁省春玉米生育期内降水量较高，有效降水量高，蓝水蒸散量较低，故蓝水足迹低；叶柏寿等地区由于降水量地区低于其他地区，故蓝水蒸散量大于其他地区。

4 结论

（1）辽宁省春玉米生产水足迹年际变化波动较大，自2002年起变化幅度不明显，多年总水足迹生产平均值1424.21 m3/t，总水足迹主要由绿水足迹构成，其次是灰水足迹，最后是蓝水足迹；绿水足迹及灰水足迹与总水足迹变化波动趋势基本一致，蓝水足迹变化趋势与绿水足迹变化趋势大致相反。未来应提高灌溉和降水利用率以降低农业水资源消耗量。

（2）从绿水足迹看，辽宁省春玉米绿水足迹每年以6.28 m3/t速率减少，多年平均值为745.73 m3/t，占总水足迹的54%，其中，1994年绿水足迹最高，2002年绿水足迹最低。空间分布上2002年绿水足迹高值区主要集中在东部地区，而辽宁南部地区绿水足迹较低；2010年辽宁省整体绿水足迹较高，而叶柏寿地区降水量相比其他地区相对较低，绿水足迹较低。未来应充分开发和利用好绿水资源对于农业生产的保障。

（3）从蓝水足迹看，辽宁省蓝水足迹波动变化较大，以每年1.06 m3/t的速率增长，多年平均值为279.37 m3/t，占总水足迹的19%；其中，1998年蓝水足迹最低，2000年蓝水足迹最高。2002年，辽宁省春玉米蓝水足迹高值区主要分布在环渤海、宽甸及其周围地区，低值区主要分布在沈阳、党章、清原以及本溪等地区；2010年，辽宁省大部分地区蓝水足迹较低，叶柏寿及其周围地区蓝水足迹相对较高。未来可通过提高农业灌溉技术水平以提高蓝水利用效率。

（4）从灰水足迹看，灰水足迹变化起伏较大，整体以每年14.03 m3/t的速率降低，多年平均值为399.11 m3/t，占总水足迹的27%，2000年后趋于稳定并呈现逐渐下降的趋势；春玉米灰水足迹受降水量和蒸散量影响不大，主要与农作物产量及氮肥施用量相关。未来应合理控制化肥和农药用量，在维持高产的同时，减小化肥农药对区域土壤和水环境的影响。