基于虚拟水视角的四川省农业水资源压力时空演化

【目的】探明四川省作物虚拟水流动对农业水资源压力产生的间接影响及其时空演化格局。【方法】以四川省内种植的16种作物为研究对象,基于AquaCrop模型模拟2000—2018年四川省各市（州）作物生产水足迹,基于每年作物产品供需平衡和最优运输成本法量化省际间作物贸易格局,分析各市（州）主要作物虚拟水流动平衡格局,解析作物虚拟水流动对四川省农业水资源压力的影响。【结果】2000—2018年,四川省多年平均作物生产水足迹为284亿m3/a,各市（州）作物生产总水足迹呈波动上升趋势,其中乐山市作物生产总水足迹变化幅度最大。四川省为作物虚拟水净输入地区,虚拟水净输入量整体呈上升趋势,西部作物虚拟水净输入量高于东部。作物虚拟水流动缓解了各市（州）农业水资源压力,因虚拟水输出导致水资源压力小幅度增加的地区由2000年的4个市（德阳市、资阳市、遂宁市和绵阳市）减少至2018年的1个市（资阳市）。【结论】根据各市（州）水资源分布现状与作物耗水规律进行种植结构调整、田间管理优化和虚拟水贸易调控,综合考虑实体水配置和虚拟水贸易可有效缓解四川省农业水资源压力。     

基于时间序列模型的黑龙江省粮食水足迹分析与预测

利用CROPWAT 8.0 模型计算了2000-2017年黑龙江省主要粮食作物水足迹,并利用自回归移动平均模型ARIMA对2018-2022年黑龙江省粮食作物水足迹进行了预测.黑龙江省粮食作物生产水足迹增长迅速,2000-2017年黑龙江省粮食作物生产水足迹总量增长了2.84倍;玉米的水足迹为0.47~1.07 m³/kg,而大豆、小麦和水稻的水足迹分别为1.35~2.39,1.12~2.99和1.76~1.41 m³/kg;小麦的绿水足迹占比最高,约为72.74%,其次是玉米(66.26%)和大豆(64.59%),而水稻的绿水足迹占比最低,约为46.99%;4种作物的灰水占水足迹的比例均低于1.12%.ARIMA模型预测结果表明,黑龙江省粮食作物的水足迹将逐年升高,玉米的水足迹呈逐年下降趋势,水稻和大豆的水足迹呈逐年上升趋势,小麦的水足迹基本不变.考虑到黑龙江水资源相对缺乏,而粮食作物水足迹总量逐年上升,建议加强农业管理,提高作物的水分利用效率.     

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.     

基于水稻生产水足迹的盘锦市水资源利用效率评价及水土资源测算与评价

水足迹是评价人类活动对水资源开采和水环境污染程度的重要方法。为缓解盘锦市水资源问题，结合水稻生产水足迹评估水资源利用效率，探究水稻生产中水土资源配置及短缺压力。结果表明：(1)2009-2021年，盘锦市水稻生产单位质量水足迹年均值为1.26 m³/kg。从用水来源来看，绿水足迹和蓝水足迹占水足迹总量的比重较大。(2)盘锦市水资源利用程度较高，表现为大多数年份基本不存在水资源压力；水资源开发程度较高；消耗等量水资源所带来的经济价值逐渐增加。(3)考虑资源数量的水土资源匹配系数均值为0.375万m³/hm²，考虑资源质量的匹配系数均值为0.273万m³/hm²，盘锦农业生产所产生的资源数量影响大于质量产生的影响。(4)整体上，水资源短缺压力高于土地资源短缺压力，基于生产视角的水资源短缺压力受社会、经济、生产环境发展因素的影响较小，经济环境因素对土地资源短缺压力影响显著。研究结果可在推动农业用水的高效利用、提高水资源利用率、促进农业水土资源合理配置方面，实现区域水资源的可持续利用。     

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。     

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。     

基于试验的稻田作物生产水足迹计算方法研究

传统的作物生产水足迹计算通常采用估算的方法,计算精度无法得到保证。基于桶栽试验提出了一种稻田作物生产水足迹计算方法,即利用实测稻田水量平衡要素推算稻田作物蓝绿水足迹,再通过记录每次排水量及测定每次排水水样中氮磷浓度来计算稻田作物生产灰水足迹。试验设置浅水勤灌(Frequent and Shallow Irrigation,FSI)、浅湿灌溉(Wet and Shallow Irrigation,WSI)、控制灌溉(Controlled Irrigation,CI)和蓄水-控灌(Rain-catching and Controlled Irrigation,RC-CI)4种灌溉模式,计算各灌溉模式下的稻田作物生产水足迹。结果表明,稻田生产蓝绿水足迹随生育期呈"增—降—增—降"的趋势,以拔节孕穗期较大;灰水足迹集中在返青期和分蘖前期,这主要与施肥和降雨有关;总水足迹随生育期呈"增-降-增-降"的趋势,以分蘖前期较大,返青期和拔节孕穗期次之。返青期和分蘖前期稻田作物生产水足迹组成以灰水足迹为主,其余生育期以蓝绿水足迹为主。稻田作物生产水足迹计算结果说明灌溉模式对稻田生产水足迹影响显著(P0.05)。基于试验的作物生产水足迹计算方法能够准确计算出各生育阶段作物生产蓝绿水和灰水足迹。     

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。     

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。     

基于水足迹理论的宁夏水资源安全评价

基于水足迹理论和计算模型及水资源安全评价指标,以宁夏2012年统计数据为依据,计算了该区2012年的水资源足迹,并对水资源利用现状进行了评价。研究表明:12012年宁夏总的水资源足迹为100.894亿m3,人均水资源足迹为1 558.953m3/人;2农业是宁夏水资源消耗量最大的产业,水资源足迹达到84.715亿m3,占本地生产服务用水量的63.086%;3宁夏水资源匮乏度为93.377%,水资源压力指数为124.280%,水资源利用处于不可持续状态。因此,可通过调整产业结构,转变消费理念和消费结构,从外流域调水和发展虚拟水贸易等方式缓解地区水资源压力,实现区域水资源可持续利用。     

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.     

基于水生态足迹模型的重庆市水资源可持续利用分析与评价

【目的】探讨重庆市水资源的可持续发展前景。【方法】运用水生态足迹、万元GDP水生态足迹等模型分析了重庆市2003—2016年水生态足迹、水生态承载力及水资源开发利用状况。【结果】2003—2016年重庆市水生态足迹除个别年份有微弱下降外,总体呈上升趋势,变化范围为0.725 6～1.407 2亿hm~2,用水量主要集中在第一产业和第二产业,城乡居民生活污水是影响重庆市水质的主要来源;水生态承载力受降水影响大,变化范围为0.513 0～0.894 2亿hm~2,地区分布不平衡;万元GDP水生态足迹在2011年突升,总体呈下降趋势,水资源利用率在不断提高,但水资源的开发利用不合理,开发利用潜力大。【结论】基于水资源可持续开发利用,应加大对重庆市生活污水的处理率,优化产业结构,将发展重心移至第三产业,利用政策辅助,优化地区用水结构。     

基于水足迹理论的县域农业用水评价及影响因素分析——以甘肃景泰县为例

水资源是一个地区发展的基础和重要保障,对区域水资源进行评价与分析研究,对于制定合理的水资源战略有重要的意义。利用水足迹理论,对景泰县的农业水足迹进行结构分析、时空变化分析和水足迹综合影响因子分析和评价。结果显示：(1)水足迹结构变化分析显示,景泰县农业水足迹整体上从2010年到2019年间总量呈现不断增长的变化趋势,其中经济作物水足迹最高,畜产品水足迹次之,粮食作物水足迹最低;从2010年到2019年农业水足迹增长变化来看,粮食作物水足迹增加了102％,畜产品水足迹增加了38％,经济作物水足迹增加了22％。(2)农业水足迹空间变化分析结果显示,在2010年到2019年间,景泰县农业水足迹呈现从东向西转移,农业水资源消耗重心由东向西转移;各乡镇农业水迹增长型主要为景泰县西部区域,下降型为中东部地区,以东北部及波动型区域。(3)主成分影响因素分析结果显示,第一主成分影响贡献率为高达64.997％,第二主成分和第三主成分分别为11.333％、10.504％。说明经济因素和农业生产因素对于景泰县的农业水足迹影响最大,而气候因素和人口因素,影响相对较低。未来景泰县需从调整农业结构出发,发展高水效农业,促进区域农业水资源可持续利用。     

1957-2017年京津冀主要作物水分利用效率及节水潜力分析

水资源短缺以及农业用水效率不高制约着京津冀一体化国家战略的实施。【目的】提高主要作物水分利用效率,缓解京津冀地区农业水资源矛盾。【方法】基于FAO推荐的Penman-Monteith公式及有效降水计算公式估算了1957-2017年京津冀地区冬小麦、夏玉米的耗水量及水分利用效率以及冬小麦、夏玉米的节水潜力。【结果】冬小麦、夏玉米水分利用效率呈逐年线性增长趋势。冬小麦、夏玉米水分利用效率仍有20%~30%的提升空间,在产量不变的前提下,京津冀地区可节约水量43.6亿~60.4亿m^3。冬小麦节水潜力高于夏玉米。【结论】可通过改善土壤条件,优化灌溉管理以及秸秆覆盖等措施提高冬小麦及夏玉米的水分利用效率。     

改进粒子群算法在农业种植结构优化中的应用

【目的】促进地区农业水资源高效利用,在保证粮食安全的基础上,降低灌溉需水量,推动农业节水、提高产量和效益。【方法】以安阳市为例,以经济、社会、生态和水资源效益最大为综合目标,引入惯性权重衰减和粒子变异策略,建立了基于改进粒子群算法的多目标农业种植结构优化模型。【结果】通过对现状水平年2018年、规划水平年2025年(近期)、2035年(远期)的种植结构调整,在结合现状缺水程度下,压减耗水量大的小麦、玉米等粮食作物种植比例,增加油料、蔬菜及食用菌等经济作物种植比例,经济、社会、生态、水资源目标的综合效益分别提升13.59%、10.90%、9.82%;同时,在满足农作物全生育期需水量的情况下,缺水率分别缩减9.02%、9.56%、9.95%,在一定程度上缓解了农业水资源供需矛盾。【结论】改进粒子群算法使种植结构得到平衡优化,在提高综合效益及产量的同时能够降低灌溉需水量。     

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.     

2000—2014年中国粮食主产区植被水分利用效率时空演变特征研究

【目的】实现在气候变化背景下对粮食产区农业水资源的优化配置和水分的高效利用。【方法】利用Python、ArcGIS软件和MODIS遥感估算的MOD17和MOD16数据产品,研究了中国粮食主产区(东北、内蒙古、华北、南部)2000—2014年植被生态系统水分利用效率(water use efficiency,WUE)的时空分布规律。【结果】①年WUE(以碳计,下同)整体呈上升趋势,增速为0.013 g/(mm·m2·a)(P<0.01),2个转折点分别出现在2003、2010年;②年内WUE的变化主要呈M型的双峰模式,峰值出现在4—5月、9—10月,而季节尺度上WUE的变化具有显著差异;③不同时间尺度的WUE空间分布上具有明显的异质性;④2000—2014年来全区年WUE整体呈上升趋势,其中呈上升趋势的面积占84.01%,但上升幅度以轻度、中度为主;⑤各季WUE整体呈上升趋势,但是不同季节WUE发生上升的区域位置、面积和显著性的大小都不同。【结论】在气候变化背景下,2000—2014年中国粮食主产区植被生态系统WUE呈上升趋势,且年内呈M型的双峰结构,季节和空间尺度上的分布具有显著差异。