疏勒河流域中下游地区主要粮食作物生产水足迹变化及影响因素分析

以甘肃省玉门市为典型案例区,基于水足迹理论和CROPWAT模型,利用气象和农业数据,对1981-2017年该地区小麦、大麦和玉米3种主要粮食作物生产水足迹进行核算,并分析其变化特征与影响因素。结果表明:水足迹总量整体呈下降趋势,蓝水所占比重最大(78%),灰水次之(16%),绿水最少(6%);从各粮食作物水足迹整体变化趋势来看,蓝水与绿水呈互补关系,灰水与蓝水变化相一致;从单位产量水足迹来看,玉米是粮食作物中单位产量水足迹最低,单产最高的作物,在主要粮食作物种植中占有绝对优势。影响因素分析结果显示:经济因素是影响粮食作物水足迹的首要因素,其次是农业生产因素、气象因素和人口因素。其中,蓝水足迹主要受经济因素和农业生产因素影响;绿水足迹主要受气象因素中的风速和降水的影响;灰水足迹主要受氮肥施肥量影响。     

海河流域作物水足迹研究

基于水足迹理论,利用海河流域8个省(市、自治区)气象及农业基础数据,计算了海河流域主要作物的虚拟水量和作物水足迹值,并对流域作物水足迹的空间格局进行了分析。结果表明,同一种作物不同地区的虚拟水量均匀分布;各市作物水足迹有由南向北逐渐增大的趋势。德州、保定、聊城等地的蓝水比例最高,均达到了50%以上,土壤水利用率较低;晋中、长治、阳泉和朝阳市的绿水足迹达到了总水足迹值的90%以上。流域内小麦的蓝水足迹占总水足迹比例最大,各省(市、自治区)平均为74.6%,作物生长需要大量灌溉水;玉米、棉花、谷子、大豆和花生蓝水足迹比例较少,均在20%以下。河北省的蓝水足迹为114.97×108 m3,农业灌溉用水压力最大;内蒙古的蓝水比例最大,为67.59%;辽宁省和山西省的土壤水利用率较高。     

东北半干旱地区膜下滴灌玉米生产水足迹研究

在作物生产中,田间尺度的水足迹变化在制定可持续发展的农业用水策略中发挥着重要作用。【目的】探讨中国东北半干旱地区玉米生产中水足迹田间尺度的变化。【方法】通过3 a的田间试验,确定了膜下滴灌玉米全生育期水足迹的蓝、绿、灰水的组成;分析了气温、降雨和灌溉时间与次数组合下的土壤水量平衡和水足迹变化。【结果】(1)玉米生育期的水足迹中,绿水足迹占65.5%~67.9%,蓝水足迹占8.7%~9.4%,灰水足迹占23.3%~25.1%。(2)在降雨能满足玉米各生育期耗水需求的年份,有效降雨量占绿水量的103.2%,玉米耗水高峰期(6—8月)的高温和多有效降雨具有显著地增产效果,且能有效降低玉米生产水足迹。(3)在生育期水分亏缺较大的年份,玉米耗水高峰期少次多量(灌水总量一定)的灌水可以有效地保证玉米产量,同时降低玉米生产水足迹。4)在生育期各时期降雨均匀的年份,玉米产量最低,水足迹最高。【结论】覆膜条件下玉米生产的绿水资源得到有效保护,而为了提高产量和降低水足迹,应根据不同水文年型制定合理的灌溉制度。     

黑龙江省粮食水足迹时空分布规律与影响因素分析

为分析黑龙江省粮食水足迹的变化规律,根据水足迹理论,选取2008—2018年黑龙江省11个地区进行粮食水足迹评价,并对其时空分布规律及影响因素进行研究。结果表明:黑龙江省粮食蓝水足迹、绿水足迹的空间分布差异显著,呈现南北高、东西低的分布趋势。通过斯皮尔曼相关系数分析可知,东、西横向地区人口密度大,可用于粮食生产的灌溉水资源消耗少,粮食蓝水足迹较低;南、北部致力于农业生产,农业灌溉用水消耗较大,粮食蓝水足迹较高。南、北部降水储蓄率高,因而南、北部粮食绿水足迹较高;东、西部横向地区地势较为平坦,植被少,降水不易蓄积,所以东、西部绿水足迹相对较低。利用时间序列模型对黑龙江省粮食水足迹进行预测得出,2021—2025年黑龙江省粮食总水足迹平均值为2 050 m~3/t。本研究可为黑龙江省农业水资源的合理分配和利用提供参考。     

水足迹视角下黑龙江省粮食生产用水分析

运用水足迹理论,计算黑龙江省各地区2007—2012年的粮食水足迹,分析其粮食作物用水情况。结果表明:黑龙江省粮食生产用水量巨大,粮食作物灌溉用水量存在逐年增加的趋势,用于粮食生产的灌溉用水量占黑龙江省水资源消耗量的绝大多数。黑龙江省各地区的粮食水足迹在空间分布上存在显著差异,大体上呈东北部高,西南部低的趋势;粮食蓝水足迹明显低于绿水足迹,粮食生产对绿水的依赖度较高。黑龙江省粮食水足迹整体上小于单产需水量,部分地区粮食作物生产过程中缺水现象严重。空间自相关分析显示,黑龙江省2007—2012年的粮食绿水足迹和蓝水足迹均存在相似值之间的空间聚集性。黑龙江省农垦总局的粮食产量较高,但粮食蓝水足迹比例较高,粮食生产比较依赖灌溉水资源,水资源消耗量较大。由于2009年粮食作物单位面积产量显著降低,使得2007—2012年被分成2007—2008年和2009—2012年2个不同的时期,粮食水足迹在2个时期均存在逐年降低的趋势,粮食生产的用水效率逐年升高。     

基于田间实际耗水的作物生产水足迹

为了衡量田间尺度粮食生产对资源的真实利用,基于水足迹及作物耗水理论,提出基于作物实际耗水的农作物生产水足迹计算方法,并以陕西关中的小麦、玉米为研究对象,对1998,2005及2010年的生产水足迹进行了计算.结果显示：同一年份同一作物不同地区间耗水量具有较大差异,同时,关中地区3个代表年份平均小麦、玉米耗水量分别比需水量小16.2%和12.4%;小麦、玉米生产水足迹有减小趋势,代表年平均值分别为0.96,0.77 m^3/kg;各地区小麦虚拟水中蓝水比例在10%-40%,玉米则在20%-50%范围内变化,且年际、地区间的蓝水占有比例均无明显变化趋势;3个代表年小麦、玉米的总水足迹之和分别为70.1,59.8及60.7亿m3,均大于当地的水资源总量,其中蓝水所占比例均值为29.1%.基于作物实际耗水的作物生产水足迹的计算对基于水足迹和虚拟水贸易的科学研究及政策制定均有重要意义.     

宝鸡峡灌区小麦水足迹时空变化特征与归因分析

基于水足迹理论,计算了实际耗水和施肥情况下宝鸡峡灌区小麦水足迹的各项指标,分析了小麦水足迹各指标的时空变化特征,利用对数平均迪氏指数分解法推导了总水足迹变化量分解公式,细致定量了气候变化和人类活动因子对总水足迹变化的贡献。结果表明:灌区小麦总水足迹1994—2010年均值为6.73亿m~3,Mann-Kendall检验呈显著下降趋势,年均变幅为-0.17亿m~3/a,水足迹结构由蓝水主导演变为灰水主导。单位产量的小麦生产水足迹、生产绿水、蓝水和灰水足迹多年平均值分别为1.04、0.36、0.32、0.37 m3/kg。生产水足迹、生产绿水和蓝水足迹在灌区内从西向东呈递增趋势,生产灰水足迹以兴平为中心向两侧递增。归因分析表明,影响灌区小麦总水足迹变化的主导因子为人类活动,其贡献率和为-113.57%,而气候变化因子的贡献率仅为13.57%。人类活动因子中,贡献率从大到小依次为灌溉定额(-56.58%)、总种植面积(-55.78%)、小麦种植比例(-43.76%)、单位面积施氮量(39.96%)、灌溉水有效利用系数(2.59%)。     

四川省能源和粮食生产用水竞争及与经济关系研究

水-能源-粮食系统存在相互依存、相互制约的复杂关系,量化该系统的相互关系,对于合理配置和协调利用水、能源和粮食资源,促进区域社会经济的可持续发展具有重要意义。本文运用能源和粮食生产水足迹模型、竞争指数模型、脱钩理论及锡尔指数等方法,核算分析了四川省2009—2019年能源和粮食生产水足迹及其时空变化特征,以及能源和粮食生产对水的竞争关系,探究了水足迹和地区生产总值的内在联系。研究结果表明：能源和粮食生产水足迹均呈上升趋势。能源生产蓝水足迹年均值为5.45×109m3,占能源生产水足迹的93.76%;粮食生产蓝水足迹年均值为1.06×1010m3,占粮食生产水足迹的26.02%,绿水足迹的贡献率超过蓝水足迹和灰水足迹之和,占比53.06%。四川省能源和粮食生产对水的竞争指数呈上升趋势,增幅为42.69%。由于川西北生态示范区和攀西经济区等地区兼顾粮食和水电生产,其竞争指数明显高于其他地区。四川省水足迹和地区生产总值的脱钩关系为弱脱钩,处于相对协调发展状态,说明经济发展对用水量的控制状态相对较好;水足迹强度总差异呈扩张趋势,说明四川省用水效率不均衡性逐渐扩大,但研究后期有所下降,发展逐渐趋同。该研究可为四川省水资源调配、能源开发和粮食生产提供建议,也可为该地区优化经济发展方式以及用水效率的协同发展提供参考。     

基于水足迹的云南省楚雄州水资源利用评价

传统用水量指标仅仅考虑了地表水和地下水使用量(蓝水),忽略了对人类生产贡献巨大的绿水,水足迹是指在一定的物质生活水平下,维持一定人群消费所需要的总的水资源数量,包含蓝水和绿水,水足迹真实地反映了一个地区人类消费对水资源的占有情况,为水资源科学管理提供了一个新的方法。引入了水足迹的概念和计算方法和相关评价指标,计算分析了2005年云南楚雄州生产用水量和水足迹。结果表明,楚雄州2005年的总的生产系统耗水量26.2亿m3,远远高于水资源公报中统计的蓝水消耗量,全州总的水足迹为13.257亿m3,人均水足迹516.52 m3,水足迹占生产系统耗水量的50.6%,其余49.4%的生产耗水以虚拟的形式流往其他地区。     

中国农作物水足迹时空分布与影响因素分析

为全面评价中国农作物对水资源真实消耗,计算并分析了31个省区1996—2015年农作物水足迹,并借助通径分析方法分别对影响农作物生产水足迹(单位耕地面积水足迹)时间变化和空间分布的影响因素进行了揭示。结果显示:全国年均农作物水足迹为1 421.07 Gm3,蓝水、绿水和灰水足迹分别占10.05%、66.79%及23.16%;粮食和水果类作物水足迹占总量的85%以上,二者很大程度上决定着中国农作物水足迹的变化。中国农作物生产水足迹为1 156.90 mm,时间上呈先下降后缓慢上升态势,空间上为从东南向西北逐渐递减的格局。人口密度、人均纯收入和化肥施用量是农作物生产水足迹时间变化的主要驱动因子,而降雨量、人均GDP及人均纯收入对其空间分布有重要影响。经济发展是降低农作物水足迹的原动力,可以促进化肥施用量降低、灌溉用水效率提高以及增强绿水资源调控能力。     

中国典型农作物需水量及生产水足迹区域差异

基于CROPWAT模型探讨了中国典型农作物需水的区域差异规律,分析了各自作物的生产水足迹。结果表明:中国小麦、玉米和棉花多年平均(1961-2010年)需水量分别约为1 056.4、1 045.23和217.7亿m~3,且3种作物的绿水利用比例均高于蓝水,多年平均绿水需用量分别约为608.5、755.7和149.6亿m~3。从各作物的生产水足迹空间格局上分析,中国小麦、玉米和棉花的平均生产水足迹约为1.37、1.10和2.02 m~3/kg。小麦和玉米生产水足迹高的地区主要分布在中国南方以及陕西、甘肃、青海等省,生产水足迹多在2.0 m~3/kg以上;棉花生产水足迹高的地区主要分布在北京、天津以及甘肃等西部地区,多在2.5 m~3/kg以上。研究结果可为中国粮食主产区灌溉制度的制定以及农作物产业结构优化调整提供科学依据。     

黄河流域小麦生产水足迹量化与评价

为准确评价区域不同时空尺度作物生产耗水量及耗水效率的动态变化及其分布规律,以黄河流域典型年为例,基于作物水分生产力模型Aqua Crop,考虑不同供水和灌溉方式,在5'空间尺度对流域内小麦生产水足迹进行了量化与评价。结果表明:流域小麦水足迹总量和单位生产水足迹年均值分别为2.19×10~(10)m~3和1.22 m~3/kg,蓝水足迹占65%,单位生产水足迹呈现上游向下游递减的趋势。传统地面灌农田小麦生产蓝、绿水足迹量分别为流域总量的92%和50%。流域灌溉条件下小麦生产水足迹(1.40 m~3/kg)高于雨养条件(1.12 m~3/kg);灌溉方式对小麦生产水足迹影响显著,其中微灌仅为1.67 m~3/kg,喷灌条件下高达2.07 m~3/kg。供水与灌溉方式对区域农作物生产水足迹的影响不可忽略,考虑不同供水与灌溉方式的作物生产水足迹量化与评价将成为农业水资源高效利用的重要基础。研究结果可为不同时空尺度农作物水足迹核算和区域农业节水策略制定提供参考。     

济南市1997-2014年农业水足迹及结构变化特征分析

为了研究地区农业用水总量与用水结构动态变化响应关系,深化调控农业产业结构与农业用水结构,基于水足迹理论,采用VAR(2)模型建立了脉冲响应函数以及方差分解,研究了济南市1997-2014年农业水足迹变化情况以及农业水足迹构成之间的响应关系.结果表明,济南市农业绿水、蓝水、灰水足迹呈现逐年递增趋势,其中1997-2009年为快速上升阶段,2009-2014年为平稳上升阶段;种植业水足迹与农业水足迹之间不存在黏滞性,渔业水足迹与农业水足迹之间存在负响应关系;影响济南市农业水足迹的重要因素依次为种植业水足迹、畜牧业水足迹、林业水足迹、渔业水足迹.总之,通过适当减少高耗水种植业和畜牧业生产、增加渔业产品产量、制定长期的农业用水规划,并进一步优化农业用水结构,方可实现农业水资源的可持续利用与发展.     

河北省主要农作物水足迹与耗水结构分析

【目的】调整区域农业种植结构,合理利用区域农业水资源。【方法】基于水足迹理论框架分析了1957—2015年河北省14种农作物的水足迹及其历史变化趋势,通过核算农作物耗水率和单位水价值2个指标,划分了主要农作物的耗水结构。【结果】河北省主要农作物年均总水足迹为434.4亿m~3,其中蓝水、绿水和灰水分别占44%、42%和14%;总水足迹、绿水足迹及灰水足迹均呈逐年增加趋势;而蓝水足迹变化趋势不明显。冬小麦、夏玉米、水果与蔬菜为主要耗水作物。棉花和芝麻耗水率最高,为典型的高耗水作物。甜菜、蔬菜和水果的单位水价值最高,且耗水结构最优。【结论】河北省可进一步控制棉花和芝麻的种植规模,在不造成水压力的前提下,适度扩大蔬菜和水果的种植规模。     

两种玉米的生产水足迹研究

为了提高水资源的利用效率,并为农产品生产水足迹科学系统的核算提供依据,在云南农业大学试验农场,利用小区试验,分别测定和计算了青贮玉米曲晨9号和常规玉米云瑞88号的经济产量、生物量生产水足迹。结果表明,(1)2012、2013年曲晨9号玉米的经济产量生产水足迹分别为0.505 4、0.536 5 m~3/kg,生物量生产水足迹分别为0.218 5、0.193 8 m~3/kg;云瑞88号玉米的经济产量生产水足迹分别为0.447 6、0.448 8 m~3/kg,生物量生产水足迹分别为0.223 3、0.206 4 m~3/kg。(2)2种玉米的生产灰水量占总用水量的26%左右,应注重科学合理施肥,降低灰水足迹,提高水资源利用效率,降低面源污染。(3)2种玉米的经济产量生产水足迹有较大差别,但生物量生产水足迹比较接近,应针对不同类型的玉米,采用不同的计算指标。对以收获籽粒为主的常规玉米,应按经济产量生产水足迹来计算,对收获生物量为主的青贮玉米,应以生物量生产水足迹来计算;在不考虑具体的品种时,用生物量生产水足迹衡量比用经济产量生产水足迹衡量更合理。     

甘肃省马铃薯种植水足迹及效率评价—基于GM(1,1)模型的实证预测研究

借助CropWat模型运用水足迹理论对1993-2014年甘肃省马铃薯种植水足迹进行量化分析,并利用GM(1,1)模型对马铃薯水足迹进行了预测分析。结果表明:(1)甘肃省马铃薯生长过程水足迹整体呈波动上升趋势,最小值为1993年的1.88×109m~3,最大值为2013年的5.11×10~9m~3,平均值为3.62×10~9m~3/a;(2)马铃薯水足迹构成中以蓝水足迹为主,约占63.80%,绿水足迹占23.28%,灰水足迹占12.92%,三者皆呈波动上升趋势;(3)马铃薯水足迹效率总体呈上升—下降—上升的态势,其最小值为1993年的5.27元/m~3,最大值为2014年的25.06元/m~3,同比增长约4.76倍,表明甘肃省马铃薯水足迹效率明显提高,意味着马铃薯种植为甘肃省农业总产值的贡献度有所提高;(4)借助GM(1,1)模型预测到2015-2020年马铃薯生长过程水足迹、蓝水、绿水及灰水足迹皆呈缓慢上升趋势。     

灌排模式对稻田作物水足迹的影响

设置浅水勤灌(FSI)、浅湿灌溉(WSI)、控制灌溉(CI)和蓄水控灌(RC-CI)4种灌排模式,于2017—2018年进行了桶栽观测试验,利用作物水足迹计算方法量化蓝、绿、灰水足迹,分析灌排模式对水稻水足迹及其组成的影响。结果表明:在不同灌排模式下,水稻作物水足迹、组成及其效率均存在差异。所有处理水足迹的范围为846.3~1132.3 mm,RC-CI处理水足迹最小,而FSI最大。FSI、WSI、CI、RC-CI作物生产水足迹年均值分别为1.26、1.18、1.06、1.08 m^3/kg。在水足迹组成方面,蓝、绿、灰水足迹比例分别为10.9%~22.3%、28.8%~44.1%和39.4%~55.0%。FSI处理蓝水比例最大,RC-CI处理绿水比例占有优势。蓄水控灌降低了水稻作物水足迹,其用水结构更为合理,减小了机会成本,能够较好地实现节水减排。本研究可为选择水稻高效灌排模式和农业节水策略制定提供参考。     

生态种养模式对稻田水足迹的影响

以江苏省淮安市涟水县传统稻田、稻虾生态种养田为研究对象,提出了稻田生态种养水足迹核算方法,测算分析了不同种养模式在不同阶段的供、用、排水量,耗水规律和水足迹.研究结果表明:研究区不同种养模式下水稻的灌溉定额、生产水足迹及其组成足迹均存在差异;稻虾生态种养灌溉定额为24 922.95 m³/ha,是传统水稻灌溉定额的5.75倍;水稻生产水足迹为19.9 m³/kg,高于传统水稻生产水足迹11.9 m³/kg;传统水稻的绿水生产水足迹相比最高,而稻虾生态种养的灰水生产足迹最高,且高于绿水和蓝水生产水足迹;从水足迹角度,研究区稻虾生态种养模式的用水效率不高,应针对不同用水环节采取适宜的节水减排策略.     

基于作物生产水足迹的农业灌溉水价研究

水价与农业节水和农民利益紧密联系,合理的农业水价能够减少水资源量使用、提高用水效率,达到节水目的。以博爱县为研究区,利用水足迹理论,计算P=75%水文年作物生产水足迹,在避免浪费和浇灌不彻底条件下,核算作物灌溉用水量。计算结果显示,小麦的产品水足迹是0.632 m3/kg,玉米的产品水足迹是0.622 m3/kg,将蓝水足迹折算为基础水价,得到基础水价为0.23元/m3;为便于水费收取和管理,将其折算为抽水电费,得到终端水价,即基础电费1.33元/k Wh。同时可结合用户节水情况,实施阶梯水价。该研究为农业水资源管理和水价综合改革提供参考。     

供应链视角小麦与初加工产品生产水足迹分析

针对农产品水足迹量化仅关注农田直接耗水,而忽略间接水足迹的问题,基于国际水足迹标准量化框架,结合生命周期法,构建考虑生产资料及其上游产品完整供应链、国际和国内贸易的农产品生产水足迹量化框架,计算2016年中国大陆省级行政区尺度小麦原粮及其初加工产品（面粉和麦麸）的生产水足迹,分析其耗水特征。结果表明：供应链视角下,全国平均小麦生产水足迹为4869m3/t,生产资料的间接水足迹占比为6%;面粉和麦麸生产水足迹分别为3781m3/t和11037m3/t;省级小麦及其初级加工产品生产水足迹的大小与构成存在显著空间异质性,福建省小麦生产间接蓝水足迹占比高达25%。研究结果可为全面解析区域间农业和工业用水投入内在联系,制定合理的配水方案、落实“以水定产”战略提供一定科学依据。