基于作物需水量的城市农业水资源评估——以贵州省贵阳市为例

[目的]对贵阳市城市农业绿水和蓝水的水足迹与灌溉效率进行定量研究,为科学定量评估城市农业用水和管理监测提供依据。[方法]利用实地调查数据、贵阳市气象数据与农业统计数据,基于作物需水量、水足迹的方法进行农业水资源评估。[结果]①作物水足迹极值取决于调查样地作物单位面积产量的极值。②贵阳市城市农业不同作物生长的消耗绿水量均高于蓝水量,绿水量和蓝水量的比例范围从最低53.81%(豇豆)到最高63.60%(番茄)。③贵阳市城市农业3种灌溉效率(沟灌、喷灌和滴灌)分别为27.23%,69.45%与80.32%。④2017年贵阳市城市农业蓝色水量灌溉需求量在4.81×10~5 m~3(完全滴灌)与6.93×10~5 m~3(完全沟灌)之间。[结论] 2017年贵阳市城市农业总用水需求为1.29×10~6 m~3,其中8.84×10~5 m~3为绿水,4.02×10~5 m~3为蓝水。灌溉方式对贵阳市城市农业用水有较大的提升空间,滴灌方式对贵阳市城市农业水资源管理贡献率达53.09%。     

基于水足迹理论的水资源评价——以河北省张家口市宣化区为例

[目的]河北省张家口市是2022年北京冬季奥运会雪上项目的举办地,其中宣化区是当地重要工业区,对当地用水和水质有举足轻重的影响。对宣化区水资源情况进行分析,旨在保障冬奥会顺利进行。[方法]采用水足迹理论对张家口市宣化区2007—2014年的农业、工业和生活用水情况进行分析,并结合水量、水质评价其水资源短缺状状况。[结果](1)宣化区2007—2014年平均蓝水足迹5.77×10~7 m~3,且工业占比最大;绿水足迹年平均值为9.90×10~6 m~3,全部来源于农业。(2)以COD为主要污染物排放指标核算该地区灰水足迹,年平均灰水足迹为4.22×10~7 m~3。(3)根据年平均水量型缺水指标(Iblue为3.55)和年平均水质型缺水指标(Igrey为0.51)可知,宣化区属于严重水量型缺水地区,且水质型缺水情况日益明显。[结论]从宣化区用水现状来看,当地亟需优化产业结构,提高非常规水源利用率,改善区域水资源治理模式。     

基于水足迹的中国农业用水效果评价

为兼顾灌溉用水效率和总量控制评估区域农业用水效率,结合水足迹与灌溉发展状况构建了农业用水效果评价指标(agricultural water use effect,AWE),AWE越小农业用水效果越好。在核算2000—2014年间31个省区农作物水足迹的基础上,分析了中国AWE的时空格局及其与灌溉用水效率指标之间的关系。结果显示:中国年均农作物水足迹为1.097 2×10~(12) m~3,蓝水、绿水足迹分别占13.1%和86.7%,且均随时间增加;单位耕地面积农作物水足迹及绿水比例均呈现由东南向西北递减,研究时段内灌溉效率稳步提升,而由于灌溉用水规模的扩大和蓝水足迹比例的增长,AWE由2003年的0.113增长到2014年的0.137,中国农业用水效果呈恶化趋势;AWE空间差异大,且在不同年份均表现为黄淮海平原和西部省区较大而东南沿海较小;经济发达地区农业用水效果有明显改善趋势,而粮食增产任务加大的黑龙江省AWE的增速最大;AWE与传统灌溉用水效率评价指标无空间一致性,灌溉效率和水分生产率高的北方农业主产区应注重农业生产用水效果的评估与提升。农业用水效果评价可为区域灌溉用水效率提升与总量控制的科学研究与决策实践依据。     

山西省作物生产蓝绿水足迹核算及影响因素分析

基于水足迹理论,对山西省2005—2014年11个市主要粮食作物生产蓝水和绿水足迹进行了量化,并结合农业与气候数据分析了其时空变异及气候影响因素。结果表明:近10年山西省各地区粮食作物生产水足迹呈下降趋势,且蓝水足迹下降趋势较绿水足迹显著;全省综合作物生产蓝水足迹从1.11降到0.64 m³/kg。不同作物间生产水足迹差异显著,大豆生产蓝绿水足迹均最高,分别为2.74,2.11 m³/kg;前者是玉米生产蓝水足迹的6.5倍,后者是小麦生产绿水足迹的5.1倍。从蓝绿水构成来看,山西省绿水比例南多北少;其多年均值为46%,具备提高绿水资源利用效率的空间。不同区域间作物生产蓝绿水足迹均表现出由北向南波动中下降的趋势,大同和吕梁地区水足迹较高。通径分析结果显示气候因子中的日照、气温和降雨是影响作物生产水足迹的主要影响因素。在山西省范围内,气候条件的时空差异是造成作物生产水足迹时空变异的主要原因,农业生产资料投入的影响较小。     

苹果和柑桔损耗与浪费的综合足迹评估

水果全产业链损耗不仅浪费了食物,还意味着生产、收获后处理、贮藏、流转消费等各环节中水、耕地、能源等各种资源的浪费。本研究采用问卷调查和"一对一"访谈的方法,在苹果和柑桔主产区和主销区进行实地调研,调查分析水果全产业链(生产、收获后处理、贮藏、流转和消费)损耗现况,主产区累计调研全产业链从业者209人,主销区调研消费者271人。通过生态足迹、碳足迹和水足迹等模型对损耗浪费产生环境和资源影响进行定量评估。结果显示,苹果和柑桔损耗浪费率分别为18.56%和17.15%,其中流转环节占比最高,约为总损耗的1/3。损耗量分别为719.86×10~4t和733.99×10~4t,损耗总量为1453.85×10~4 t。苹果和柑桔损耗浪费的生态足迹分别为13.33×10~4 hm~2和13.76×10~4 hm~2,总生态足迹为26.09×10~4 hm~2;碳足迹分别为92.37×10~4 t (CO_2 eq)和102.98×10~4 t (CO_2 eq),碳足迹总量为195.35×10~4 t (CO_2eq);水足迹分别为57.65×10~8 m~3和41.10×10~8 m~3,水足迹总量为98.75×10~8 m~3。其中生产环节碳排放占比最高,占总排放的9成以上。综上,水果损耗和浪费也产生了巨大环境影响,需要尽快采取相关措施,减损降耗,从而减轻环境资源压力,提高水果供给水平。     

南疆棉花消费水足迹及其对生态环境影响研究

基于虚拟水和水足迹的理论与方法、棉花生产水资源消费的特征,提出了棉花消费水足迹的概念及模型,并对南疆地区2005年的棉花消费水足迹进行计算和分析.结果表明:南疆地区的棉花消费水足迹为353.95×106m3,虚拟水外调量为3 185.54×106m3,其中蓝水调出量为2 290.53×104m3,分别是本地消费水足迹的9倍和6.5倍.大量的地表水和地下水外流,给水资源本来就不富裕的南疆地区带来巨大的压力,严重阻碍着该地区的可持续发展.最后探讨了棉花生产带来的生态环境问题,并提出了水资源持续利用和环境保护对策.     

中亚棉花生产需水量与虚拟水贸易变化趋势

棉花是中亚重要的出口农产品之一,在水资源日趋严峻形势下,评价棉花生产需水和虚拟水贸易对区域水资源管理具有重要意义。本研究基于中亚175个站点长期气象数据,利用ArcGIS空间插值和作物系数法,结合棉花空间分布情况,首先估算了中亚五国的棉花需水量和单产需水量;基于单产需水量和国际粮农组织(FAO)的棉花产量和贸易数据,分析了1992年以来棉花的生产需水量、虚拟水贸易变化趋势及影响因素;最后评价了虚拟水贸易对中亚水资源的影响。研究结果表明:1)中亚棉花需水量为761.0～1033.9mm,单产需水量为2834.4～5732.1 m~3·t~(-1),其中产棉大国乌兹别克斯坦为4263.8 m~3·t~(-1)。2)1992—2017年,中亚地区棉花收获面积减少和产量偏低,导致总产量下降,生产需水量从初期的不足300亿m~3下降到目前的不足200亿m~3;棉花消费量增加导致出口量降低,净出口虚拟水量从初期的200亿m~3左右下降到目前50亿m~3;年均棉花生产需水量、净出口虚拟水量和净出口占生产需水量的比值分别为237.2亿m~3、147.4亿m~3和62.1%。3) 1992—2017年,乌兹别克斯坦和土库曼斯坦通过棉花出口分别输出其可更新水资源总量的18.4%和12.7%,加剧了咸海流域水资源短缺。因此减少农田输水损失,提高棉花水分利用效率,是提升中亚棉花总产、减少棉花生产耗水、提升棉花出口贸易、减少虚拟水外输的有效措施。     

内蒙古河套灌区粮食生产灰水足迹评价

随着面源污染和土壤盐渍化成为重要的环境污染源和粮食安全的制约要素,如何评价和量化农业生产的负面效应,成为亟需解决的问题。水足迹理论的出现使该负面效应的量化成为可能,水足迹包括蓝水、绿水和灰水足迹,灰水足迹可以表征不同类型负面效应的大小,粮食生产灰水足迹反映了单位粮食产量的负面效应。该文应用水足迹理论,以内蒙古河套灌区为研究区,给出粮食生产灰水足迹的计算方法,选取环境最大允许浓度Cmax和本底浓度Cnat,逐项计算各项灰水足迹,并根据短板原理得出总灰水足迹,计算分析河套灌区粮食生产灰水足迹。结果表明:2005-2008年面源污染的灰水足迹为0.55~0.58亿m3;积盐的灰水足迹从2005年的4.570亿m3减少到2008年的1.825亿m3。总灰水足迹从2006年的5.872亿m3,减少到2008年的1.825亿m3,总灰水足迹在总水足迹中比例小于10%,有逐年降低的趋势。2005-2008年粮食生产灰水足迹分别为0.129、0.159、0.062和0.043 m3/kg,粮食生产灰水足迹有逐年降低的趋势,2008年的粮食生产灰水足迹仅相当于2006年的27.04%。节水灌溉等新技术的推广是其主要原因,节水灌溉可以减少无效灌溉水量和水分的无效蒸发量,从而减小粮食生产灰水足迹。在此基础上,给出减少粮食生产灰水足迹的措施,即节水灌溉、种植业结构调整、合理确定地下水位和合理使用化肥、农药。研究成果较好地量化了大型灌区粮食生产的负面效应和粮食生产灰水足迹,可为其他粮食主产区农业可持续发展及制定农业产业政策提供参考。     

农产品水足迹评价研究进展

水足迹是消费者或生产者直接或间接使用水资源量的衡量指标,并被广泛应用于全球或区域虚拟水贸易分析研究。本文从全球、国家或地区等不同空间尺度对农产品水足迹评价研究进行了比较全面的综述。近十几年来,农产品水足迹研究从2008年以前的全球农产品贸易虚拟水量分析评价为主,转向2009年以后国家或地区空间尺度的农产品形成过程中所消耗的直接和间接水量的详细核算研究为核心。水足迹评价具有明显的空间分布特征,为了获取准确、全面客观的农产品生产水足迹信息,必须要考虑区域地理特征、土壤理化特性、气候变化、生产技术及污染物生态毒性等因素的影响。水资源管理决策制定时应综合考虑农产品绿水、蓝水和灰水足迹,因为农产品的蓝水足迹表征了社会淡水资源的直接消耗,对国际市场贸易决策制定具有重要意义,而农产品灰水足迹评价则更明确地反映了农业生产对环境的影响程度。实现全球或区域农业水资源保护与可持续利用,不仅要提高农业生产水资源利用效率,还应该调整农业生产结构、农产品虚拟水贸易的模式和方向,减少农产品流通过程和饮食消费的水资源浪费。     

基于作物生产水足迹的陕西省水资源压力评价

作物生产水足迹可以反映农业生产过程中的水资源利用效率及其真实占用量,对作物生产水足迹的量化可为各地区明确农业生产过程的用水情况,根据当地水资源禀赋合理调整农业种植结构,提高用水效率提供理论支撑。以陕西省为研究区域,在构建了考虑渠系水面蒸发损失的水足迹量化方法的基础上,对陕西省主要作物生产水足迹(WFP)进行量化,并构建了反映水足迹与区域水资源关系的水资源压力指数(βt)和蓝水资源压力指数(βb),分析了陕西省2000—2012年作物生产水足迹与水资源压力指数的时空分异特征。结果显示:作物生产水足迹在作物间、区域间均有较大差异,且在研究时段内均呈现下降趋势,全省综合作物生产水足迹由1.382 m3·kg-1减小到0.931 m3·kg-1;全省年均作物水足迹总量为127.39×108 m3,绿水比例为50.22%;陕西省βt、βb多年均值分别为0.255、0.187,渭南市、咸阳市两地βt、βb分别为0.610和1.200左右,是水资源压力最为严重的地区;除陕南地区外,陕西省其他区域均面临着水资源不可持续的挑战。     

水足迹视角下陕西省种植业水资源利用评价及经济发展脱钩分析

陕西省位于"一带一路"关键地带,经济发展将处于加速转型的关键时期,期间农业水资源可利用量势必被进一步压缩,因此对陕西省各地市种植业水足迹进行量化并研究与其经济发展的协调关系,有利于明确各区域种植业生产的用水情况并为陕西省水资源管理提供参考。本研究运用水足迹理论,将灌溉水在输配水及田间灌溉过程中的损失纳入作物区域生产水足迹核算之中,通过核算2005-2016年陕西省种植业的水足迹值,定量分析了陕西省各作物耗水量的时空差异性,以及绿水足迹利用效率和各市水环境压力状况,并结合脱钩模型研究了种植业经济增长与水资源利用和水环境变化的脱钩关系。结果显示：1）各作物耗水量在研究期内差异较大,蔬菜和水果水足迹较低,分别为0.42 m³·kg^-1和0.51 m³·kg^-1,茶叶则高达30.29 m³·kg^-1,但总体呈下降趋势;2）各地市种植业耗水量构成呈现较大差异性,关中地区粮食类作物占比为69.59%,陕北地区玉米和水果占75.16%,陕南地区则相对均衡,耗水量组成基本与水资源禀赋和作物水足迹大小相一致;3）全省绿水足迹利用效率相对较低,水环境压力指数呈现南部低,中部、北部高的特点,其中咸阳市水环境压力指数12年间平均高达4.75,是水环境压力最为严重地区;4）陕西省种植业经济增长与水资源利用和水环境压力强脱钩状态分别占比45.45%和27.27%。研究结果说明,陕西省各市种植结构相对合理,但绿水足迹利用效率和水环境压力上仍需改良,种植业经济增长与水资源利用的关系逐渐完成了由弱脱钩的初级协调到强脱钩的优质协调的转变,但仍面临着种植业经济增长与水环境压力增大的挑战。     

1992-2015年中亚五国LUCC特征及耕地驱动力研究

中亚五国地处亚欧大陆的中心地带,是"一带一路"重要的沿线节点之一。借助GIS空间统计分析方法,以欧洲太空局气候变化项目全球土地覆盖数据为基础,利用土地利用程度、动态度和转移矩阵对中亚五国1992—2015年土地利用/覆盖变化(LUCC)特征进行分析,并运用地理探测器对耕地驱动力进行深入研究。结果表明:1)1992—2015年,中亚五国的土地利用格局总体上表现为耕地和城镇用地持续增加,林地、草地和水域呈减少的趋势。耕地的增加主要来自林地(7.88万km~2)和草地(5.27万km~2)的转入,城镇用地的增加主要来自耕地(0.50万km~2)的转入,耕地是仅次于城镇用地增速较快、变化最为显著的土地利用类型;城镇用地在各国均呈现增加的趋势,耕地除乌兹别克斯坦之外,在其他4国均呈现增加的趋势。2)1992—2015年中亚五国土地利用程度总体呈缓慢上升趋势(土地利用程度综合指数从1992年的193.34增加到2015年的197.41),即土地利用处于发展阶段;土地利用程度为耕地林地草地未利用地水域城镇用地。3)地理探测器对耕地变化驱动因素的分析结果表明,自然因素中年平均降水量对耕地变化的作用较为显著,但在短时间内社会和农业因素发挥决定性的作用;因子探测表明人口总数(0.882)和农村人口(0.881)对耕地扩张的影响力最大,其次为粮食单产(0.746);交互探测表明各因子交互作用均为互相增强,其中,农村人口与粮食单产的叠加作用对耕地扩张的解释力度最大(0.972),影响耕地扩张的主要因素可归纳为人口增长和粮食单产提高。本研究可为中亚五国土地利用格局演变、区域土地利用规划和土地资源可持续利用提供决策支持。     

华北平原主要种植模式农业地下水足迹研究——以河北省吴桥县为例

本研究采用地下水足迹分析方法,以华北平原传统冬小麦-夏玉米两熟区河北省吴桥县为例,开展冬小麦、夏玉米两熟复种体系农业地下水资源消耗研究,在此基础上分析了不同作物地下水足迹对地下水资源的影响,以期为华北平原地下水超采区种植结构调整提供理论依据。研究结果表明,自1949年以来,吴桥县冬小麦地下水足迹均高于夏玉米,历年冬小麦和夏玉米的地下水足迹均值分别为89.02 km~2和29.84 km~2。从变化趋势来看,吴桥县冬小麦和夏玉米的地下水足迹均呈波动上升的趋势。而作物地下水足迹胁迫指数(GF/Aaq),冬小麦基本处于中等程度胁迫(0.1GF/Aaq1),夏玉米绝大多数年份处于较轻程度胁迫(0.01GF/Aaq0.1),但两种作物胁迫指数近年来不断增加。对该区域其他作物地下水足迹计算结果表明,夏花生和马铃薯的每平方米地下水足迹较低,分别为2.08×10~(-7)km~2和1.94×10-7 km~2,且两者的每平方米地下水足迹胁迫指数在被比较作物中同样最低,分别为3.57×10~(-10)和3.34×10~(-10)。根据作物比较认为传统冬小麦-夏玉米种植模式可以通过在农作制度调整过程中将花生、马铃薯作为替代作物引入到当地的种植结构中,可在一定程度上减少对地下水资源的消耗,从而缓解区域环境中的地下水资源压力。因此,为改善华北平原农业地下水资源的利用状况,可以通过调整作物种植结构,增加低耗水作物与主粮作物复种轮作的面积有效控制地下水资源的开采,实现农业的可持续发展。     

中亚五国棉花和冬小麦需水量的变化及预测

农业灌溉用水是中亚地区最主要的水资源利用方式,灌溉用水量的变化直接影响中亚地区水资源消耗量,进而影响水资源管理和配置。作物需水量是衡量农业灌溉用水量的直接指标,为此本文以中亚主要作物棉花和冬小麦为研究对象,分析了2006—2015年中亚地区灌溉农业用地,以及棉花和冬小麦的需水量变化,并利用CA_Markov方法预测了2030年灌溉农地的变化,进而分析了未来中亚地区农业需水量的状况。研究表明,2006—2015年,中亚地区灌溉农田面积总体增加492km~2,其中哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦和土库曼斯坦均有所增加,但塔吉克斯坦和乌兹别克斯坦有所减少。2006—2015年,棉花需水量只在土库曼斯坦和哈萨克斯坦东部地区显著增加(2.5～4.3 mm·a~(-1)),在吉尔吉斯斯坦显著减少,并且是唯一呈现总体减少趋势的国家。冬小麦需水量在土库曼斯坦明显增加(10.0mm·a~(-1))。至2015年,土库曼斯坦的棉花总灌溉水量增幅最大(3.44%),其他4个国家变化较小。中亚五国冬小麦的总灌溉水量均呈上升趋势; 2030年,土库曼斯坦是唯一灌溉农业用地增加的国家,棉花和冬小麦的总灌溉水量均明显增加,棉花灌溉水量增加约28km~3,冬小麦增加约17 km~3。     

华北平原种植结构变化对农业需水的影响

不同种植结构下的农田需水研究是调整农业种植结构、制定切实可行的区域灌溉方案的重要依据。为了定量估算华北平原种植结构变化对农业需水的影响,本文基于MODIS NDVI数据和TM/ETM遥感影像提取了2002年和2012年华北平原主要作物类型及其种植面积,同时基于作物系数法计算了华北平原7种主要作物需水量,分析了华北平原种植结构变化对作物需水的影响。结果表明:2002—2012年,主要作物种植面积减少60.7万hm~2。其中,种植面积明显减少的作物分别为冬小麦-夏玉米(-43.18万hm~2)、棉花(-32.43万hm~2)、水稻(-9.3万hm~2)和春玉米(-4.9万hm~2),种植面积增加的作物主要是林果(+16.61万hm~2)和蔬菜(+12.6万hm~2)。2002—2012年,华北平原主要作物的总需水量从742.7亿m~3下降至695.5亿m~3,共下降6.37%。其中,需水量减少的作物类型为冬小麦-夏玉米(-35.41亿m~3)、棉花(-24.31亿m~3)、水稻(-7.48亿m~3)和春玉米(-2.1亿m~3),需水量增加的为林果(+11.24亿m~3)和蔬菜(+10.71亿m~3)。从空间分布来看,华北平原作物需水量整体呈减少趋势,仅在河北平原、鲁西北以及滨海平原靠近城市周边的区域呈增加趋势,其中滨海平原需水增加量最大。华北平原由于作物种植面积减小引起的作物需水减少量达44.7亿m~3;由作物种植结构调整引起的作物需水减少量为2.5亿m~3。种植规模的减小是华北平原作物需水量减少的主要原因。     

基于水足迹的河北省水资源安全评价

水足迹是基于消费基础的水资源利用情况的指示器, 能深刻揭示社会经济系统对水资源的真实消费, 为水资源可持续规划与管理提供了新的思路和研究方向。本文以河北省为例, 运用产品虚拟水研究方法计算了2010年河北省的虚拟水消费和水足迹。结果表明, 2010年河北省水足迹为896.40×10⁸ m³, 人均水足迹为 1 246.04 m³, 高于全国平均水平; 水资源匮乏度为747.81%, 水资源压力指数高达1 054.08%, 说明河北省水资源利用呈不可持续状态。亟需加快提高水资源利用效率, 优化作物布局、调整种植结构, 改善人类消费结构及消费模式和虚拟水进口, 强化节水工作。     

江西省2007-2011年水资源生态足迹和生态承载力动态特征

[目的]为定量评价江西省水资源可持续发展状态。[方法]以水资源生态足迹的基本原理和计算模型为基础,分析了江西省2007—2011年水资源生态足迹、生态承载力和水资源负载指数的动态变化。[结果]2007—2011年江西省水资源生态承载力整体上呈现增加的趋势,从2007年的2.029 12×108 hm2增加到2010年的4.151 51×108 hm2。总水资源生态足迹5a整体上呈现增加的趋势,从2007年的3.882 09×107 hm2增加到2011年的4.344 7×107 hm2。万元GDP生态足迹呈逐渐增加的势,水资源利用率有所降低。[结论]水资源生态足迹的变化与社会经济发展密切相关。应该充分调整产业结构,合理调度、利用水资源,促进江西省整个社会经济的持续发展。