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《排灌機械工程學報》2014年第五期

1研究方法與數(shù)據(jù)來源

以灌區(qū)為研究單位，以水量平衡法為基礎，作物生育期的實際耗水量為由于灌區(qū)的灌溉范圍和行政單位存在交叉現(xiàn)象，忽略縣級行政區(qū)域面積的大小對灌區(qū)所輻射市的作物需水量的貢獻的影響，各市的作物實際耗水量W′con及其組成可由其行政區(qū)域內(nèi)各灌區(qū)所灌溉縣級行政單位的個數(shù)加權得到，即文中選取1998，2005及2010這3個水平年，計算分析陜西關中地區(qū)各市小麥、玉米的作物耗水生產(chǎn)水足跡狀況．降水量、糧食產(chǎn)量、種植面積等資料來自所需年份的《陜西統(tǒng)計年鑒》和《陜西農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒》；平均灌溉水量通過各灌區(qū)管理局的統(tǒng)計資料得到；相關氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)［18］；多年降水有效利用系數(shù)和小麥、玉米生育期土壤水分的變化值參考寶雞峽、武功（楊凌）、交口、洛川等灌溉實驗站的測量值［17］，對于內(nèi)部無灌溉試驗站的灌區(qū)，以灌區(qū)管理局為計算點，以已知灌溉實驗站的位置和數(shù)據(jù)為基礎，通過泰森多邊形法［19］計算得到．

2結果與分析

2.1作物實際耗水情況直接決定作物耗水量的因素是種植期的自然條件和實際管理方式，如降水量、灌水量、土壤水分狀況．研究年份小麥、玉米生長過程中的單位面積有效降水量可由實際降水量乘以試驗測得的降雨有效利用系數(shù)獲得．利用式（1）可以計算關中地區(qū)11個大型灌區(qū)1998，2005及2010年2種作物耗水量．代表年各灌區(qū)小麥、玉米耗水量及組成的計算分別如表1，2所示。從表1，2可以看出，由于降水量及灌溉水保障程度的差異，同一年份同一作物不同灌區(qū)中的耗水量存在較大差異：如2006年涇惠渠灌區(qū)的小麥耗水量達4240mm，是最小值（石堡川灌區(qū)）的16倍，同時，玉米耗水量的最大值（石頭河灌區(qū)）比最小值（羊毛灣灌區(qū)）大713％；各個灌區(qū)小麥和玉米的耗水都來自天然降水（綠水）和灌溉水（藍水），但是水分來源的時空上有區(qū)別．玉米的生長期為6—10月，正值研究地區(qū)的雨季（關中地區(qū)全年降水量的60％以上集中在6—9月［20］），但是由于需水總量大于降水總量，同時作物部分關鍵需水期和降水期存在錯位，因此還需要灌溉一定的水量予以補償，多余的降水儲存在土壤中；小麥除需要生長期內(nèi)相當數(shù)量的灌溉水和有效降水外，還消耗了其生育期以外的水分；11個灌區(qū)中，小麥平均利用生育期以外的水分為52mm左右，相當于每公頃耕地減少凈灌溉水量510m3．這不僅體現(xiàn)了“土壤水庫”［21］的強大功效，也間接減少了灌溉水量、增加綠水資源的利用率，對保障糧食產(chǎn)量起到了重要作用．11個大型灌區(qū)幾乎覆蓋關中全境，同時，假設其他小型灌區(qū)灌水狀況和大型灌區(qū)類似．利用式（2）可以計算出5個地級市、2種作物實際耗水量3個代表年的平均值，如表3所示．同時根據(jù)氣象資料、利用FAO的Cropwat軟件計算得到各代表年的作物需水量平均值Wre．表3中需水耗水量之間的偏差率β為兩者之間的差值除以實際耗水量，即需水量比耗水量高出的百分比．表3顯示，2種作物的實際耗水量和需水量之間都存在不同程度的差異，且除寶雞地區(qū)外，作物實際耗水小于需水；關中5市小麥和玉米的耗水量比需水量分別小162％和124％；關中東部各地區(qū)的作物需水量和實際耗水量之間的差距較大；銅川與其他地區(qū)的氣候差異較大，造成小麥需水量最大而玉米需水量最小；咸陽地區(qū)的2種作物需水量普遍較大，作物耗水量與需水量的差距最大，后者比前者大近1／3，這與該地區(qū)遠離寶雞峽灌區(qū)渠首、輸水損失大使得灌溉水的保障程度相對較低有關；雖然玉米生產(chǎn)過程中造成了少量水資源的浪費，但寶雞地區(qū)的實際耗水基本上與作物需水量一致，說明該地區(qū)的灌溉制度合理、灌溉保障度高，田間管理水平較高，這也與實際情況相符．總之，受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際的影響，作物的實際耗水量和需水量之間會在一定的差別，由于灌區(qū)設施的限制使得灌溉保證率不足，往往造成前者小于后者．

2.2作物生產(chǎn)水足跡農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量是計算作物生產(chǎn)水足跡的基礎，可以用生產(chǎn)單位對應產(chǎn)品所消耗的水資源數(shù)量來表示．將作物生長期的實際耗水量和糧食單產(chǎn)通過式（3）運算就可求出各地級市的小麥、玉米單位質量的生產(chǎn)水足跡．表4給出了各地區(qū)各代表年2種糧食作物的生產(chǎn)水足跡值及年平均值．各地區(qū)的2種作物生產(chǎn)水足跡都有隨時間減少的趨勢，1998年普遍大于2006年和2010年值（后兩者相差不大），這可能與作物品種的改變、高產(chǎn)作物品種的栽培有關；銅川地區(qū)小麥灌水量大于玉米，但后者能依靠當?shù)剌^優(yōu)良的光熱條件得到較大的單產(chǎn)，故小麥生產(chǎn)水足跡最大而玉米最??；不同市之間3年作物生產(chǎn)水足跡差異較大，西安小麥生產(chǎn)水足跡為086m3／kg，而銅川高達132m3／kg，同時，寶雞玉米虛擬水含量近090m3／kg，銅川則剛過060m3／kg，這與區(qū)域間作物實際耗水及產(chǎn)量差異有關．據(jù)張蕾［10］的計算，陜西省1996—2006年小麥、玉米產(chǎn)品的虛擬水含量分別為142，118m3／kg．從表4可以看出，基于實際耗水的作物產(chǎn)品虛擬水很大程度上小于基于作物需水的計算結果．所以，利用作物理想需水量來計算其生產(chǎn)水足跡往往會忽略田間實際情況（如耕作方式、灌溉方式、作物品種等）對作物利用水分的影響，從而無法反映其生長過程中對水資源的真實利用情況，不利于區(qū)域農(nóng)業(yè)水足跡的可持續(xù)性評價和基于虛擬水貿(mào)易的宏觀政策的制定．

2.3作物生產(chǎn)水足跡組成作物生長過程耗水量來自綠水和藍水之和，藍水、綠水足跡在總生產(chǎn)水足跡中構成能反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對不同水資源存在形式的利用狀況．考慮灌溉的目的在于緩解水資源缺乏，認為玉米生長過程中土壤水分的增加全部來自降水，故2種作物的藍水足跡皆為來自實際灌水，在式（3）的基礎上就可以分別計算各作物所利用的藍水、綠水資源量．圖1給出了各地區(qū)3個代表年小麥、玉米生長期耗水量中藍水占總量的比例．藍水的占有比例反映了一個地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的高低．各地區(qū)生產(chǎn)小麥的藍水比例在10％～40％，而玉米在20％～50％內(nèi)變化，這可能因為2種作物的灌溉水量相當而玉米的總耗水量相對較?。荒攴莶煌貐^(qū)間的藍水比例大小關系無明顯趨勢，說明各灌區(qū)的供水情勢不盡相同，無統(tǒng)一規(guī)律；2005年，各地區(qū)小麥藍水占有比例明顯高于1998及2010年，而玉米則正好相反，這可能與該灌區(qū)渠首供水量有限同時年內(nèi)天然降水集中于夏季有關；根據(jù)多年平均情況，西安、咸陽、寶雞、渭南和銅川地區(qū)的小麥藍水占有比例為242％，203％，235％，225％及210％左右，玉米分別在406％，333％，345％，368％及305％左右．作物生產(chǎn)水足跡與糧食產(chǎn)量的乘積為生產(chǎn)糧食所消耗的水資源總量（總水足跡），1998，2005和2010年關中地區(qū)用于生產(chǎn)小麥、玉米2種糧食的總水資源量分別為701，598及607億m3，皆超過了該地區(qū)的水資源總量的577億m3．糧食總產(chǎn)量逐年增加的情況下，所利用的廣義水資源用量有減少的趨勢，這與田間管理方式的改善、優(yōu)良高產(chǎn)作物品種的推廣等因素有關．從組成上，3個代表年2種作物總生產(chǎn)水足跡中灌溉水比例分別為311％，315％及246％，平均值為291％，灌溉的充分性沒有得到滿足的同時說明天然降水在保障該區(qū)域糧食生產(chǎn)中起到了十分重要的作用．同時，各灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)不足05，可見，進行灌區(qū)改造、提高灌溉水利用率、增加藍水足跡比例的潛力尚存．

3結論

基于作物耗水量，計算得到西安、咸陽、寶雞、渭南、銅川地區(qū)1998，2005和2010年平均小麥虛擬水含量分別為086，090，101，099，132m3／kg，玉米虛擬水的3個代表年均值分別為079，070，089，079及061m3／kg；整個關中地區(qū)的小麥、玉米產(chǎn)品的虛擬水含量的平均值分別為096，077m3／kg，其中藍水分別占223％和351％．小麥、玉米2種糧食的生產(chǎn)水足跡總量的3個代表年份平均值為635億m3，其中灌溉水貢獻率為291％，用水總量大于該地區(qū)的水資源總量，可見發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)、減小作物生產(chǎn)水足跡對緩解該區(qū)域的水資源壓力有重要意義．由于農(nóng)田生產(chǎn)實際的影響，作物在生育期實際消耗的水量往往不會等于其取得高產(chǎn)潛力的條件下為滿足植株蒸騰、棵間蒸發(fā)、組成植株體所需要的水量，即作物需水量．陜西中部地區(qū)小麥的理論需水量高出實際耗水量162％，玉米高出124％．所以基于作物實際耗水計算其生產(chǎn)水足跡更能反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水資源的真實占用，符合水足跡概念提出的初衷．農(nóng)業(yè)為工業(yè)生產(chǎn)和人類生活提供基本物質來源，同時也是一個國家用水量和節(jié)水潛力最大的領域．基于作物實際耗水計算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡有利于真實計算國家的生產(chǎn)、消費水足跡，在真實反映人類活動對水資源的真實占有的同時，合理地指導基于水足跡控制和虛擬水貿(mào)易的科學研究及政策制定．同時，基于作物實際耗水的生產(chǎn)水足跡計算的限制因素在于各地區(qū)基礎數(shù)據(jù)的獲取難度較大，不少地區(qū)的試驗條件有限，造成如降水有效利用系數(shù)、作物生育期土壤水分的變化等數(shù)據(jù)的缺乏．因此進行全國范圍農(nóng)業(yè)水土基礎數(shù)據(jù)的試驗和收集有利于水足跡的進一步研究和實踐。

作者：劉帝操信春王玉寶單位：西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院西北農(nóng)林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院