宁夏玉米生长过程水足迹研究

陈红翔，马 芮

（宁夏师范学院 资源环境与生命科学学院，宁夏 固原 756000）

0 引言

农业水足迹是一种能反映出农业生产与消费对水资源影响的综合性指标。农业水足迹主要包括农业绿水足迹、农业蓝水足迹、农业灰水足迹。近年来针对农作物水足迹的研究迅速发展，主要集中在水足迹量化和驱动力分析等方面。国外学者Mekonnen等［1-2］通过建立基于栅格数据的水量平衡模型，估算了全球主要农作物的蓝水、绿水和灰水生长过程中的水足迹；Silalertruksa等［3］研究了可持续性水稻的水足迹。国内学者田园宏等［4-9］对中国主要粮食作物即华北平原的小麦和玉米以及湖南、山东、山西、黑龙江等省份的农作物水足迹分别进行了计算和分析；卓拉等［10］对黄河流域内的小麦生产水足迹进行了量化与评价；黄会平等［11］针对海河流域的冬小麦、夏玉米生产水足迹进行了量化分析；高海燕等［12］研究了宁夏主要农作物的生产水足迹及其变化趋势；齐娅荣等［13］研究了固原市主要农作物的生产水足迹。总体看来，目前研究多集中于对区域农作物整体水足迹、水资源状况进行评价，而针对同一作物在不同时间和区域空间的水足迹及其变化趋势的深入研究较少。本文旨在合理量化玉米蓝、绿水足迹，探究宁夏5个地级市玉米生产用水的空间格局，为宁夏玉米种植结构的合理调整和农业用水结构的优化提供重要依据。

1 研究区概况

宁夏地处中国西北干旱区，属于典型的温带大陆性干旱、半干旱气候，具有秋冬长、春夏短，气候干燥、蒸发旺盛、降水季节变化明显等特征。目前宁夏全区的水资源总量约为11亿m3，人均水资源储量为160 m3，宁夏已经成为我国干旱缺水最严重的地区之一［12］。

2 研究方法和数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 玉米生长过程水足迹的计算 玉米生长过程水足迹是指玉米在生长过程中对水资源的消耗总量，主要有蓝水足迹、绿水足迹以及灰水足迹。由于灰水足迹描述的是稀释农业生产所排放的污染物所消耗的水资源量，并不是农作物在生长过程中真正消耗的水资源量，故本研究只考虑农作物在生长过程中真正消耗的实际水资源量，即只考虑蓝水足迹和绿水足迹，水足迹的计算公式为［14］：

式（1）中：WF 为玉米生长过程水足迹(m3/t)；WFgreen为绿水足迹(m3/t)； WFblue为蓝水足迹(m3/t)。

2.1.2 蓝水足迹和绿水足迹的计算 本文水足迹的计算是建立在联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations)推荐的Penman-Monteith 公式［15］的基础上，运用该公式计算玉米的参考腾发速率ET0，在此基础上可以得到作物蒸发腾发速率ETC，根据水足迹参考手册中的相关公式计算得到玉米单位质量的绿水足迹值和蓝水足迹值。随后，根据宁夏的玉米产量计算宁夏的水足迹值。其中蓝水是指降水过程中形成的地表水和地下水，一般包括河流、湖泊以及地下蓄水层中的水，在玉米生长过程的用水需求中经常用灌溉用水来表示；绿水是降水下渗到不饱和土壤层中用于植物生长的水，在玉米生长过程的用水需求中主要指有效降水。

在对玉米生长周期的蒸散发总量进行计算之前需要对作物参考腾发速率ET0进行计算，公式为：

式（2）中： ET0为参考腾发速率(mm/d)； Rn为作物表面上的净辐射[MJ/(m2·d)]；G为土壤热通量[MJ/(m2·d)]；T为日平均气温(℃)； u2为风速(m/s)；es为饱和水汽压(kPa)；ea为实际水汽压(kPa)；es-ea为饱和水汽压差(kPa)；Δ为饱和水汽压曲线的倾率；γ为湿度计常数(kPa/℃)。

再计算出作物蒸发蒸腾量ETC，其计算公式为：

式（3）中：KC为作物系数。

然后根据作物水足迹参考手册《The water footprint assessment manual：setting the global standard》中的方法进行量化计算，主要计算公式为：

式（4）~式（5）中： WFgreen为玉米生产绿水足迹(m3/kg)； WFblue为玉米生产蓝水足迹(m3/kg)；CWUgreen、CWUblue分别为玉米所消耗的绿、蓝水资源量(m3/hm2）；Y为作物单位面积产量(kg/hm2）；10为单位转化系数，将单位由水深(mm)转化为单位面积水量(m3/hm2）。

接着计算出作物蒸发蒸腾量中来自有效降水和灌溉水的部分（mm），计算公式为：

式（6）~式（7）中：ETC为玉米蒸发蒸腾量(mm)；Pe为玉米生长期的有效降水量(mm)。

作物生育期的有效降雨量采用美国农业部土壤保持局推荐的方法 USDA SCS来计算，公式为:

式（8）中：Pdee为旬降水量(mm)； Pe(dee)为旬有效降水量(mm)。玉米生长周期内的有效降水量可由各旬有效降水相加得到［16］。

2.2 数据来源

本文主要研究数据包括气象数据和农业统计数据，其中宁夏回族自治区内的5个地级市（银川市、石嘴山市、吴忠市、中卫市和固原市）2006—2020年的降雨量、气温等数据来源于相关气象站点。农业数据来源于国家数据网(http://data.stats.gov.cn)、宁夏数据网(http://nxdata.com.cn)及宁夏2006—2020年的统计年鉴等。

3 玉米生长过程水足迹计算结果与分析

3.1 宁夏玉米生长过程水足迹时间序列特征

从宁夏数据网获取了2006—2020年宁夏玉米的播种面积（表1）。

从表1可以看出，2006—2020年宁夏的玉米播种面积整体呈增长趋势，其中吴忠市玉米播种面积最广，2020年达到最大值94550 hm2；固原市玉米播种面积增速最快，2020年固原市玉米播种面积已达到83337 hm2，排名第2位；银川市、石嘴山市和中卫市3市的玉米播种面积有增有减，起伏不大，较为平稳。

采用Penman Monteith模型先计算玉米生长需水量以及有效降水量，接着计算出宁夏各市玉米生长过程中的蓝水、绿水蒸散量，最后逐年计算各市玉米生长的蓝水、绿水足迹，计算结果如表2~表3。

表2 2006—2020年宁夏5市的玉米生长绿水足迹 m³/t

表3 2006—2020年宁夏5市玉米生长蓝水足迹 m³/t

图 1 2006—2020年宁夏5市玉米生长水足迹的变化

表 4 不同降水年型宁夏玉米生长过程水足迹

由表2可知，2018年宁夏5市的玉米生长绿水足迹达到最高，为1239.323 m³/t；2009年宁夏5市的玉米生长绿水足迹最低，为923.475 m³/t。2006—2020年宁夏5市的玉米生长过程绿水足迹平均值为1076.134 m³/t，其中固原市绿水足迹值排名第1位，这与固原市年降水量最多的实际情况相吻合。

由表3可知，宁夏各市的玉米水足迹均是以蓝水足迹为主，这是因为西北地区降雨量稀少，使得农作物大多通过灌溉用水或地下水的补给来维持其耗水需求量。具体来看，2006年宁夏玉米生长蓝水足迹最高，为6706.088 m³/t；2019年宁夏玉米生长蓝水足迹最低，为4743.934 m³/t；多年蓝水足迹平均值为5497.461 m³/t，是绿水足迹平均值（1076.134 m³/t）的5倍。

将每年的蓝水足迹、绿水足迹进行相加，得到2006—2020年宁夏5市玉米生长的水足迹情况（图1）。从图1可看出，2006—2020年宁夏5市玉米生长过程中水足迹整体处于波动下降的变化趋势。2006—2020年玉米生长过程总水足迹的平均值为6573.595 m³/t，其中绿水足迹占16%，蓝水足迹占84%。5市之中固原市的总水足迹波动最大，2017年固原市玉米生产总水足迹达到峰值，为2162.885 m³/t，突破2000 m³/t，这主要与固原市玉米生育期降雨量多及作物耗水规律有关。

3.2 不同降水年型玉米生长过程水足迹

根据2006—2020年宁夏玉米生长期有效降水量的多少，分别选择2009年（122.50 mm）、2010年（148.97 mm）、2012年（177.38 mm）作为枯水年、平水年、丰水年（表4）。

从表4可以看出：2009年宁夏玉米生长期平均降水量最少，播种面积为215078 hm2，此时的玉米生长过程总水足迹为6866.596 m3/t，是选取代表年份中水足迹的最高值；2010年平水年降水量适中，玉米播种面积为223405 hm2，其玉米生长过程总水足迹值为6402.228 m3/t；2012年降水最丰富，玉米播种面积为245896 hm2，此年出现玉米生长过程总水足迹的最低值，为6247.015 m3/t。数据表明宁夏玉米生长过程水足迹值的大小不仅受降水量的影响，同时还受到播种面积和灌溉条件等因素的影响。根据玉米生长过程水足迹构成计算得出，2009年玉米生长过程水足迹值中蓝水足迹占87%、绿水足迹占13%；2010年玉米生长过程水足迹值中蓝水足迹占83%、绿水足迹占17%；2012年玉米生长过程水足迹值中蓝水足迹占81%，绿水足迹占19%；说明降水量与玉米蓝水足迹呈负相关，而与玉米绿水足迹呈正相关［17］。

3.3 宁夏玉米生长过程水足迹的空间分异特征

3.3.1 宁夏玉米生长过程水足迹的空间分布 由于各地气候、降雨的不均匀性，播种面积也有一定的差异，使得玉米生产过程中消耗的水资源量也不尽相同，因而呈现出不同的地域空间特征［18-20］。选取3个具有代表性的年份运用Arc GIS软件绘制宁夏不同降水年型各市玉米生长过程水足迹的空间分布图（图2）。

图2 宁夏不同降水年型玉米生长过程水足迹的空间分布

通过图2a可以看出，枯水年（2009年）宁夏5市玉米水足迹值大小排序为固原市＞银川市＞石嘴山市＞中卫市＞吴忠市；图2b显示平水年（2010年）宁夏5市水足迹值大小排序为固原市＞吴忠市＞石嘴山市＞中卫市＞银川市；图2c显示丰水年（2012年）宁夏5市水足迹值大小排序为固原市＞石嘴山市＞银川市＞中卫市＞吴忠市。

总体来看，固原市的水足迹始终排名第1位，这是因为固原市受地形和气候等因素的影响，其降水量远远高于其他4市，说明降水量是玉米生长过程水足迹的主要影响因素之一。枯水年总的水足迹大于丰水年的水足迹，且蓝水足迹值最大，说明灌溉用水是枯水年玉米生长过程中水足迹的主力军，蓝水足迹是影响宁夏玉米生长过程水足迹的最重要因素。

3.3.2 玉米生长过程水足迹的区域差异 为了更进一步对比研究宁夏不同地区玉米生长过程水资源的利用情况，将宁夏5市分为3个区域，北部包括银川市和石嘴山市，中部包括吴忠市和中卫市，南部为固原市。分别计算各区域的玉米生长过程水足迹，如图3所示。

图3 宁夏不同地区玉米生长过程水足迹的分布情况

由图3可以看出，不同年份宁夏蓝水足迹值大小排序为北部＞中部＞南部，丰水年蓝水足迹南北差异最大；绿水足迹值大小排序为南部＞北部＞中部，丰水年绿水足迹3个地区差异最小；总水足迹值大小排序为北部＞中部＞南部，总水足迹在北部地区不同年份之间差距较小，而南部地区水足迹总量最小。

分区域来看，宁夏北部地区不同年份玉米蓝水足迹持续减少，绿水足迹不断增加，总水足迹呈现缓慢减少趋势；宁夏中部地区蓝水足迹持续减少，绿水足迹明显增加，总水足迹变化不大，降幅较小；宁夏南部地区蓝水足迹有波动，2012年较2010年有小幅增加但涨幅不明显，绿水足迹也有波动，2012年绿水足迹相较于2010年有所下降，但总水足迹整体处于持续下降趋势。

整体来看，宁夏各地区蓝水足迹均远远大于绿水足迹，说明灌溉用水依旧为宁夏农业发展的关键因素。

4 结论与讨论

4.1 结论

本文参考水足迹理论，对2006—2020年宁夏玉米生产水足迹进行了时空量化分析，主要结论为：（1）研究时段内，宁夏玉米生长过程水足迹整体呈减小趋势。（2）宁夏玉米生长过程中，水足迹以蓝水足迹为主导，绿水足迹为辅助。通过对宁夏玉米生长过程中蓝水、绿水足迹的增长趋势以及所占比重发现：蓝水足迹占比最大，绿水足迹占比较小。说明宁夏玉米生长用水以灌溉用水为主，自然降水次之，对自然降水的利用率也较低，当蓝水足迹值较高时，绿水足迹会有一定程度的降低。（3）从5个地市的玉米生长水足迹空间分布格局来看，枯水年（2009年）宁夏5市玉米水足迹值大小排序为固原市＞银川市＞石嘴山市＞中卫市＞吴忠市；平水年（2010年）宁夏5市水足迹值大小排序为固原市＞吴忠市＞石嘴山市＞中卫市＞银川市；丰水年（2012年）宁夏5市水足迹值大小排序为固原市＞石嘴山市＞银川市＞中卫市＞吴忠市，各年份中固原市的玉米水足迹值始终名列前茅。

4.2 讨论

宁夏目前以蓝水为玉米生长的主要水源，绿水占比较小。虽然玉米生产过程水足迹整体呈减少趋势，但其严重依赖灌溉水和地下水。宁夏水资源十分短缺，不利于玉米种植的可持续发展。因此如何解决并改善宁夏的水资源短缺问题，减少农业用水量，调整灌溉模式以达到提高粮食产量，减小玉米生产过程蓝水足迹的问题仍需进一步深入研究。

此外，本文对玉米生长过程水足迹进行量化计算时，使用的数据部分存在计算误差，从而可能对计算的水足迹产生了影响，因此后期还需考虑更多影响玉米水足迹的因素来进行完善。