灌区蓝绿水资源与作物生产水足迹多时空分布量化分析

作物生产水足迹度量作物生产过程对不同类型水资源的消耗,为实现农业水资源管理与评价提供了更全面的新视角。该研究通过耦合土壤水分动态平衡模块,考虑输配水损失,构建灌区蓝、绿水资源与作物生产水足迹多时间尺度分布式量化模型;以宝鸡峡灌区为例,定量评价不同典型年灌区蓝绿水资源与作物生产水足迹多时间尺度演变规律。结果表明:宝鸡峡灌区蓝绿水资源总量在2008-2017年呈上升趋势。各作物对绿水资源利用效率均持续上升,而小麦蓝水资源利用效率呈下降趋势;玉米、小麦生产总水足迹整体呈上升趋势,多年平均值分别为573和779 m3/t;作物生产绿水足迹在拔节-灌浆期占比较高,成熟期占比较低;作物生产水足迹在日尺度波动幅度最大;平水年、丰水年灌区用水存在不合理现象,枯水年作物生产单产水平最高,总水足迹最低,水资源利用效率最高。该研究所构建模型可移植适用于无排水渠系灌区水文模拟,准确量化灌区农业生产耗水,解析日-月尺度作物生产水足迹演变特征,有助于明确灌区作物耗水规律,进而高效利用绿水资源,合理配置蓝水资源,提高作物产量,实现高效生产。     

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。     

气候变化背景下武川主要作物生产水足迹变化分析

生产水足迹(WFP)是指生产单位产品所消耗的水资源,一般用单位质量农产品所需要的水的体积来表示作物生产水足迹。气候变化对生产水足迹的影响是农业生产者关心的重要科学问题。本文以内蒙古自治区武川县主要作物马铃薯、春小麦为例,基于1983-2010年气象数据及生育期资料,修正作物系数,应用CROPWAT模型,计算作物生产水足迹,分析气候变化对作物生产水足迹的影响。结果表明：（1）近28a来,武川县气候呈干暖化变化趋势,马铃薯和春小麦生产水足迹呈显著下降趋势（P<0.05）;（2）气候变化对作物生产水足迹影响显著,生育期平均相对湿度、平均气温和平均日较差对马铃薯生产水足迹影响较大,生育期平均风速和平均日较差对春小麦生产水足迹影响较大;（3）1983-2010年马铃薯平均生产水足迹为1.37m3·kg-1,春小麦平均生产水足迹为2.51m3·kg-1,说明在当地生产单位质量的干物质,春小麦比马铃薯消耗更多水分。在该地区适当增加马铃薯播种面积,对提高水资源利用效率,促进地区农业发展具有重要作用。     

小麦生产水足迹区域差异及归因分析

用水效率评价是节水农业研究的重点领域之一。作物生产水足迹作为评价作物生产过程中水资源消耗类型、数量以及用水效率的综合指标,为农业水资源管理评价提供了全新的思路。该文基于水足迹理论和量化方法,分析了中国大陆小麦生产水足迹空间分布情况和特征,并对造成水足迹区域差异的因素进行归因分析。结果表明:小麦水足迹的空间分布差异显著,其中西北、西南局部以及华南等地的小麦水足迹较高,而黄淮海、东北东部等地的水足迹较低。新疆绿水足迹比例为11.87%,部分南方省份大于80%,绿水足迹所占比例呈现出从东南沿海向西北内陆递减的空间分布格局。归因分析结果显示除小麦品种差异外,区域农业生产水平和气候条件的差异也是造成小麦水足迹空间差异的主要原因,其中化肥、农业机械投入是影响小麦水足迹的主要农业生产因子,而太阳辐射和降水量是影响小麦水足迹的主要气候因子,该研究结果可为国家制定农业水资源管理策略提供参考。     

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。     

基于三维水足迹-LMDI的安徽省水资源压力及驱动力分析

[目的]探究区域水资源压力状态和产生的原因,为区域合理开发和配置水资源提供理论依据。[方法]通过构建三维水足迹模型,利用水资源可持续指数定性分析水资源可持续程度,并用对数平均迪氏指数(LMDI)分解法因素分解模型定量分析结构效应、技术效应、经济效应和人口效应对2007—2016年间安徽省水资源压力的影响。[结果]①2007—2016年间安徽省水足迹总体先增加后下降,其中比例达97.88%～98.73%的内部水足迹中以农业生产用水比例最高且与总水足迹变化趋势一致;2016年安徽省由北向南人均农业用水依次递减,其他类型水足迹以长江流域比例最高;②2007—2016年间安徽省水足迹深度在2～4内波动并最终呈下降趋势且由北向南逐渐递减;2007—2016年安徽省水资源整体可持续利用趋势在增强;③安徽省水足迹各驱动因素中,技术效应为逆向驱动,正向驱动中经济效应贡献值最大。[结论]本文所用三维水足迹模型更能反映安徽省水足迹的实际情况;虽然水资源可持续利用趋势在增强,但还需优化水资源利用结构,加快提高水资源利用效率以缓解经济发展和人口增长带来的水环境压力。     

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。     

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%。     

基于污染足迹的太湖流域稻作农业污染评估——以常州市和宜兴市为例

稻作农业在保障粮食安全方面贡献巨大,但因经济利益驱动,化肥农药被过量施用,造成了氮、磷等营养物质流失,对水环境产生严重影响。本文基于全国第一次污染普查数据,结合各类污染物的产排污系数计算了稻作农业COD、TN和TP入河量,通过污染足迹模型计算了稻作农业COD、TN和TP的污染足迹,通过污染压力模型计算了稻作农业COD、TN和TP的污染压力指数,并对其进行评估。结果表明:(1)常州市、宜兴市稻作农业生产过程中向水环境排放的污染物中以COD和TN为主,其入河量分别为792.96 t·a-1和605.28 t·a-1,TP入河量为27.16 t·a-1;(2)常州市、宜兴市稻作农业TN污染足迹最大(3 944.50 hm2),其次为TP污染足迹(2 578.95 hm2),最小的是COD污染足迹(523.52 hm2);(3)常州市、宜兴市稻作农业对水环境的污染压力指数为2.10,处于中度污染压力状况,表明常州市、宜兴市稻作农业生产活动超出了当地水域的承载能力,对当地水环境产生了压力。     

水足迹分析中国耕地水资源短缺时空格局及驱动机制

为全面评估区域农业水资源供需关系,基于水足迹理论构建了耕地水资源短缺指数(arablelandwaterscarcity index,AWSI)。在分析1999-2014年中国AWSI时空分布格局的基础上,借助偏最小二乘法揭示了AWSI的主控因子。结果显示:中国AWSI的年均值约为0.413,总体上处于高度水资源压力状态,且有随时间加剧的趋势;各年份AWSI以华北平原为中心向外递减式扩散;面临极高水资源压力(AWSI0.800)的省区均分布在北方地区,长江以南省区均面临中度水资源压力(0.100AWSI0.400);降水量与日照时数是与耕地水短缺最为密切的气象因子,农业机械总动力、粮食面积比重以及人均GDP是影响AWSI的主要社会经济条件。农业生产水平较高的粮食主产区应以水足迹调控为重要内容进行农业水管理策略的制定。     

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。     

河北省冀州市水资源评价及农业节水对策

简析了河北省冀州市水资源利用现状及其存在问题 ,并提出积极推广节水灌溉技术 ,充分利用微咸水或咸淡水混浇灌溉 ,加强农田管理的对策     

调水还是造水——关于我国水资源的忧思与遐想

阐述了我国可利用水资源现状及远距离调水热潮存在的问题,指出解决我国水危机的根本出路在于造水(增加水资源),并提出造水对策。     

新疆城乡居民虚拟水消费结构及其用水效率评价

水足迹模型是评估人类消费结构对水资源影响的有效方法。结合1995~2007 年的统计资料, 运用水足迹模型, 对新疆城乡居民虚拟水消费结构进行综合评价, 并引入水文和社会水资源稀缺度、集约利用度等指标, 考察城乡居民用水效率。结果表明: 1995~2007 年间新疆全社会总水资源足迹呈现上升趋势, 从1995 年的108.95×10⁸ m³ 上升到2007 年的158.40×10⁸ m³, 增幅达45.4%; 城镇居民虚拟水消费结构多样性指数平均值比农村居民高0.69, 说明城镇居民的虚拟水消费结构更加合理; 不同社会群体的消费多样性指数呈上升趋势,表明居民消费品分布逐步分散化, 饮食结构单一化在逐步改善; 水资源集约利用度从1995 年的7.58 上升到2007 年的22.22, 水资源利用效率有较明显提高。     

冬小麦、夏玉米水分胁迫监测系统

根据冬小麦、夏玉米田间试验结果分析了作物水分胁迫判别指标叶水势、冠层温度-气温差变化规律,在充分考虑判别指标随作物发育期变化的特征基础上,提出了叶水势、冠层温度-气温差反映土壤相对含水量的指标,并建立了作物水分胁迫监测系统,对指导生产实践具有一定作用。     

夏玉米农田SPAC系统水分传输势能及其变化规律研究

试验测定华北平原夏玉米农田SPAC系统不同界面的水势,并计算水流传输阻力结果表明,大气水势和叶水势均呈明显日变化,最大值出现在日出前;大气水势日变幅最大,土壤水势主要受土壤含水量的影响而日变化较平缓。夏玉米植株由下部至上部呈逐渐降低的水势梯度,水流在SPAC系统传输过程中不同界面间存在明显的水势梯度和较大的阻力,从叶片至大气的阻力远大于由土壤至叶片的传输阻力,证明从叶片至大气阻力对限制与调节作物水分散失强度和数量具有关键作用。     

我国农业用水安全的分区及发展对策

针对我国农业用水区域差异特点,选择水资源状况、农业用水特征、经济发展水平、农业生产条件等4个方面的10个指标,采用聚类分析方法,以2013年为基准年对我国农业用水进行分区,为我国农业用水安全提供依据。结果表明,按照省级行政单元农业用水可划分为8类地区,第1类地区包括江西、湖南、湖北等3省,农业用水量和粮食产量分别占全国农业用水量和粮食产量的13.3%和12.5%;第2类地区包括贵州、云南、安徽、四川、重庆、广西等6个省(直辖市、自治区),上述2个指标分别为23.6%和20.3%;第3类地区是海南省,上述2个指标分别为0.9%和0.3%;第4类地区包括山东、河南、河北、辽宁、山西、陕西、甘肃等7省,以占6.8%的水资源量、19.2%的农业用水量,生产了33.7%的农业产值和32.4%的粮食;第5类地区包括吉林、黑龙江、内蒙古等3省(自治区),以占6.9%的水资源量、12.0%的农业用水量,生产了20.5%的粮食;第6类地区包括宁夏、新疆、西藏、青海等4个省(自治区),农业用水量、粮食产量分别占16.2%和3.2%;第7类地区包括福建、广东、江苏、浙江等4省,农业用水量和粮食产量占全国比例分别为19.5%和10.2%;第8类地区包括天津、上海、北京等3个直辖市,农业用水量与粮食产量最低,分别占全国比例为1.1%和0.6%。第4类和第5类地区合计农业用水量和粮食产量占全国比例分别为31.2%和52.9%,是我国农业水资源管理特别关注的地区。在此基础上,提出了我国农业用水分区对策,第1类地区以节水为主;第2类地区以提高灌溉水利用系数为主;第3类地区增加有效灌溉面积;第4类地区在挖掘本地区节水潜力的前提下,通过外流域调水或水权交易增加水资源总量;第5类地区以提高农业用水保障程度为主;第6类地区以保护水资源和水源涵养为主;第7类、第8类地区以提高农业用水效益为主。本文研究结果可为我国农业用水安全提供科学依据。     

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。     

水氮调控对冬小麦根冠比和水分利用效率的影响研究

通过田间和桶栽试验研究了水、氮调控对冬小麦根冠比和水分利用效率的影响。田间试验结果显示,土壤水分条件对冬小麦根冠生长影响显著。当冬小麦生育期60 cm土层土壤水分维持在田间持水量的60%以上时,根冠比维持稳定状态,不随灌溉次数的增加而变化;当冬小T麦生育期60 cm土层土壤水分低于田间持水量的60%时,土壤越干旱,根冠比越大。桶栽试验结果显示,氮素水平对冬小麦根冠比影响显著,而水氮互作效应对根冠比影响不显著。在所有水分处理条件下,随着施氮量增加,冬小麦根量减少。施氮对冬小麦地上部分和地下部分的影响不同。在水分亏缺条件下,随着氮用量增加,冬小麦经济产量呈增加趋势,水分利用效率与施氮量存在明显正相关关系;而在充分灌溉条件下,产量随着施氮量的增加表现出先增加后降低的趋势,存在一个氮肥用量阈值。因此,水氮通过调控地上地下干物质分配而影响作物产量和水分利用效率,在水分供应受限制条件下,增施氮肥会降低根冠比,更利于地上干物质的积累和经济产量形成。田间试验和桶栽试验均表明,冬小麦根冠比与水分利用效率呈负相关,根冠比大不利于地上部分干物质的积累和作物产量的形成,导致水分利用效率降低。     

中国农业水问题: 若干研究重点与讨论

农业用水是水资源的主要消耗方式,尤其在华北地区,因地表水资源不足,大量农田灌溉导致地下水超采现象严重;而社会经济的快速发展和气候变化加剧了水资源的不足。水循环过程是农业节水的科学基础。从水循环过程出发,开展水量转化研究,在农田水文过程界面加以调控,进行系统的节水研究,是节水研究的重点。重视水资源的科学管理,提高水分利用效率,建立节水农业的市场机制,促进节水设施建设;同时深入开展水循环的基础研究,充分利用非传统水资源,是解决我国农业水问题的有效途径。