辽宁北部地区农作物虚拟水核算及二、三产业虚拟水量分析

呼振颖

(沈阳利鑫土木工程有限责任公司， 辽宁 沈阳 110179)

1 概述

本溪市城市属于温带,气候温暖而潮湿，农作物主要有玉米、大豆、水稻、蔬菜、中草药、油料、谷子等。本文选取以上主要作物，研究虚拟水理论利用各种作物的耕种面积和产量数据，计算主要作物的虚拟水量。本研究的第二产业用水包括火(核)电、非火(核)电工业产业及建筑产业用水，第三产用水业为服务业用水。

2 农作物虚拟水计算方法

本溪市农作物的产量、种植面积等数据来自于本溪市统计局网站；气象观测数据(最高、最低气温温度、湿度、光照、风速、降水等)取自本溪市国家气象站；作物数据(播种日期、收获日期、作物系数、生长阶段天数、根深、P-无水分胁迫下根层耗水量与土壤总有效水量之比[1]、Ky-产量响应因子、株高等)根据前人相关研究成果进行取用。

虚拟水是指农业或工业产品生产过程中消耗的水[2]，也就是产品和服务中凝结的虚拟水量，对改变生产者行为、对解决水资源问题，实现水和粮食安全很重要，故利用联合国粮农组织(FAO)土地与水发展司开发的Cropwat8.0软件来计算作物需水量[3]。

其计算公式为：

(1)

式中：ET0为参考作物蒸散量；Δ为饱和水蒸汽压力与温度曲线的斜率(kPa/℃)；Rn为农作物表面净辐射(MJ/m2·d)；G为土壤热通量(MJ/m2·d)；Γ为干湿计常数(kPa/℃)；T为平均气温(℃)；ea为饱和水汽压(kPa)；es为实际水汽压(kPa)；U2为2 m高处的日平均风速(m/s)。

作物需水量CWR计算公式为：

CWR=10·ETc=10·KcET0

(2)

式中：CWR为单位面积作物需水量(m3/hm2)；ETC为土壤蒸发量；ET0为作物生长期间的每日潜在蒸发量(mm/d)；KC为对应的作物系数。

单位作物质量的虚拟水计算公式：

(3)

式中：SWD为作物单位质量虚拟水含量(m3/kg)；CY为农作物单位面积产量(m3/hm2)。

作物虚拟用水总量计算公式：

TVW=SWD×TCY

(4)

式中：TVW为作物虚拟用水总量(t)；TCY为当年总产量(kg)

2.1 不同作物虚拟水量分析

利用CROPWAT软件和上述公式计算出本溪市2018年主要农作物的单位虚拟水含量，再根据当年各种作物的单产计算单位产品的虚拟水总量，结果见表1所示。

表1 2018年本溪市主要农作物虚拟水计算结果

比较主要作物单位面积虚拟水量发现，水稻生育期要维持一定时间的田间积水深度，因此虚拟水量最大；人参因为植株小、蒸发蒸腾量非常有限且种植密度较小，单位面积的虚拟水量最小。玉米和水稻的单位产量虚拟水量比较接近，对于每单位面积大豆的低产量，导致该值最大；与此相反的是蔬菜的单位面积产量远高于其他作物，单位产量虚拟水量最低；人参单位面积产量远低于其他作物，单位产量虚拟水量最高。根据各种作物的产量，计算出每种作物的虚拟水量。结果见表2。

表2 2018年本溪市主要农作物各虚拟水总量

由表2可以看出，本溪市玉米种植面积最大，产量最高，玉米消耗的虚拟水总量是农业虚拟水的绝对主体；水稻次之，剩余依次为蔬菜和大豆。人参为多年生作物，其产量低，单位产量虚拟水量高，因此虚拟水总量最小。上述各种作物中，玉米虚拟水总量是本溪市2018年所有主要农作物虚拟水的主体，占比达到了的80%；水稻、大豆和蔬菜分别占比11.4%、1.8%、5.7%。

2.2 不同农作物虚拟水变化趋势分析

2010-2018年间本溪市各年及玉米、大豆、水稻、蔬菜、人参等作物单位产量虚拟水量计算，在明显增长的趋势下，大部分作物单位产量的虚拟水量有不同程度的减少，这说明作物单方虚拟水产量有一定的提高，农业用水效率得以真正的提高。

对本溪市2010-2018年影响作物需水的气温和ET0两个参数以及主要农作物单位产量虚拟水量进行MK趋势检验分析，结果见表3。

表3 本溪市及主要农作物单位产量虚拟水MK趋势分析

由表3可以看出，在气温极显著增加的背景下(Z最低气温=1.73；Z最高气温=2.23)，本溪市的ET0也呈极其显著的上升趋势；而各种作物，玉米、水稻、大豆、人参等作物单位产量虚拟水量呈下降趋势，其中,玉米和大米达到了显著水平,人参达到极其显著水平。上述变化与各种节水技术方法大量投入应用，用水效率不断提高有关。

2.3 不同农作物虚拟水总量随时间变化分析

根据本溪市2010-2018年的农作物产量和单位产量虚拟水，对本溪市玉米、大豆、水稻、蔬菜、人参和农业虚拟水总量进行计算，本溪市不同农作物的用水规模有明显差异，玉米的虚拟水总量明显高于其他作物，其中2018年达到最大，达到了2.32亿 m3；2014年最少，为1.64亿 m3。大豆、蔬菜、人参的虚拟水总量随时间变化较为稳定。本溪市2010-2018年农作物耗水量在3亿 m3左右；2017年耗水量最大，达到3.08亿 m3；2014年耗水量最少，为2.5亿 m3。

对本溪市2010-2018年主要农作物虚拟水总量、种植面积和作物产量进行MK趋势检验分析，结果见表4。可以看出玉米、水稻虚拟水总量呈极其显著上升趋势；大豆、蔬菜、人参虚拟水总量呈极其显著下降趋势。其中影响虚拟水总量变化的主要原因在于本溪市农作物的种植结构变化，大豆、蔬菜、人参栽培面积呈极显著的下降趋势，玉米种植面积呈非常显著的上升趋势，种植面积的变化进一步影响各作物产量，蔬菜产量呈现显著下降趋势。由于玉米产量和种植面积基数大，其作物虚拟水总量增加值远大于其余作物虚拟水总量减少值，进而促使本溪市农业虚拟水总量上升。同时本溪市农业发展属于雨养农业与灌溉农业综合发展，农作物产量对地区降水量的依赖程度较大。2010-2018年本溪市降水量总体趋势呈下降趋势，尤其在2014年全年降水量降至最低，对当地虚拟水量有着一定的波动性影响。

表4 本溪市主要农作物虚拟水总量和种植面积MK趋势分析

3 二、三产业虚拟水量分析

本文研究的第二产业用水包括火(核)电、非火(核)电工业产业及建筑产业用水，第三产用水业为服务业用水。根据本溪市第二、第三产业万元GDP耗水量，同当年各产业业产值的乘积，二、三产业的虚拟水量计算，二、三产业产值和万元GDP耗水量统计计算结果见表5。

表5 本溪市二、三产业产值和万元GDP耗水量

根据获取得到的本溪市第二产业、第三产业产值及万元GDP耗水量数据，采用上述公式，计算出本溪市二、三产业的虚拟水量见图1所示。

图1 本溪市2010-2018年二、三产业虚拟水量变化情况

第二产业虚拟水量在2014年到达峰值，为9519.22万 m3；第三产业虚拟水量在2012年到达峰值，为684.84万 m3。由于节水意识的逐渐提高和节水设备的投入使用，使得第二、三产业的虚拟水量呈下降趋势。

3.1 生活虚拟水量分析

依据水足迹的理论，生活用水足迹分为城市居民和农村居民，居民生活水足迹主要是对水的消耗，因此，虚拟生活用水量主要是指居民实际用水量。结果见图2所示。

图2 本溪市生活虚拟水量变化情况

由图2可知，城镇居民生活虚拟水量持续高于农村居民生活虚拟水量，但两者在2016年后都有大幅度下降的趋势。农村居民虚拟用水量呈下降趋势，因此在2010年最高，2017年最低；城镇居民虚拟水量在2016年之前呈平稳且小幅增加的趋势，因此在2016年达到最高，而在2017年大幅下降。

3.2 本溪市各年虚拟水总量

将本溪市2010-2018年各产业的虚拟水量核算结果进行汇总，结果见表6所示。

表6 本溪市各部门虚拟水量汇总表 亿m3

通过表6可以看出，第一产业是本溪市虚拟水消耗的绝对主体；由于本溪市森林覆盖率较高，森林又是第一产业虚拟水消耗的绝对主体。在2010-2018年间，本溪市虚拟水的年际变化有一定的波动性，但变化幅度较小。

根据计算得出的总虚拟水量与本溪市统计年的耗水量、用水量数据进行对比，结果见表7所示。

表7 本溪市耗水、用水及虚拟水量对比 亿m3

表中耗水量和用水量在2016年开始有显著的减少，因此总体呈现减少趋势，但由于森林虚拟水是虚拟水的主体水量，因此，虚拟水没有明显的下降趋势。表中虚拟水量大幅高于实际的用水量和耗水量，是耗水量的8.8倍以上，是用水量的4.7倍以上。因为虚拟水是所有包含在产品和服务的“虚拟”形式中的水，且用水量和耗水量计算中并没有包括森林水量的原因。

4 结语

研究流域健康评价成果可以为管理者提供科学有效的管理措施、制定管理方案，而且为修订完善“一河一策”技术指南、河湖生态水量制定等相关的技术标准，为推进河湖修复与治理、维护河湖生态系统良性循环确立科学的约束准则。成果的推广实施有效地提高了流域河湖健康管理水平，推动了管理体制由粗放式向科学化、系统化转变，本文提出的基于虚拟水的水资源核算方式及水资源观点丰富了水资源评价，特别是水资源用水评价理论，可以行业内水资源评价相关工作提供了理论依据。