三江平原地区农作物水足迹时空演变特征及可持续性利用评价

为揭示三江平原地区农业水资源利用特征,基于水足迹理论量化三江平原地区2000~2019年主要农作物蓝水足迹、绿水足迹及灰水足迹,通过LMDI模型探究三江平原农作物生产水足迹驱动机制,创新性地将各水足迹指标纳入评价指标体系,拓展传统水资源评价体系,综合评价三江平原地区农业水资源可持续性。结果表明,三江平原绿、灰水足迹在研究时段内呈上升趋势,蓝水足迹在研究时段内呈明显下降趋势;各地区在水足迹结构特征上差异较显著,双鸭山市、鹤岗市和鸡西市绿水资源消耗占比高;七台河市和佳木斯市灰水足迹多年平均占比高于其他3市。在研究时段内,土地产值效应和人均土地效应为主要正向驱动因素;农作物水足迹人口密度呈上升趋势,除枯水年份土地密度整体呈上升趋势,农作物水足迹强度下降幅度较大,农业水资源效益显著;三江平原农业水资源在多数年份均呈不可持续状态,水资源可持续性极不乐观。基于量化的水足迹指标综合评价三江平原地区农业水资源可持续性,可真实反映三江平原农业水资源效益和现状,为实现三江平原地区农业水资源可持续发展提供理论依据和参考。

黑龙江省“粮食作物水足迹强度”空间关联格局及影响因素研究

为提高农业生产用水效率,促进环境与经济的协调可持续发展,以粮食生产“虚拟水”与“农业总产值”比值定义“粮食作物水足迹强度”这一指标。通过FAO推荐的标准彭曼公式测算黑龙江省(1988—2017年)粮食水足迹,应用探索性空间数据分析(ESDA)方法分析其空间关联格局,采用空间杜宾模型(SDM)对影响因素分解。结果表明:(1)近30年来黑龙江省水资源利用效率有所提高,整体“粮食作物水足迹强度”值约下降88.55%;(2)相邻地区该指标值呈相对集聚状态,由高低聚集区(H-L)逐渐向低高聚集区(L-H)转移;(3)农业机械总动力、化肥施用量、教育水平对整体农业生产用水效率的提高有正向影响,而人均GDP、有效灌溉面积则有反向作用,未来黑龙江省农业生产应对这几种要素重点关注。

1988—2015年新疆农业用水时空变化与政策驱动研究——基于农作物水足迹的统计分析

农业用水是人类开发利用水资源以及影响生态系统的主要扰动因素,科学定量农业用水是合理配置与调控区域水资源的基础工作。传统的农业用水统计只是记录了可测量的用水量,而水足迹则完整刻画了人类活动对水资源系统的压力表现。从水足迹理论出发,采用Cropwat软件计算了新疆1988—2015年近20种农作物生产水足迹总量,并利用Mann-Kendall趋势和突变检验的方法,分析了28年间新疆农作物水足迹的时空变化,探讨了农作物水足迹驱动因素及机制。结果表明:新疆农作物水足迹在28年间总量增加了256%;水足迹序列在2005年前后增长出现了突变,后一阶段增长率是前一阶段的3倍以上;从农作物水足迹中蓝水足迹与绿水足迹的构成看,农作物绿水足迹呈持续增加趋势,但其在农作物水足迹总量中的比例略有下降。进一步分析表明,农业种植规模的快速扩张是新疆农作物水足迹大幅度增加的根本原因,而脱贫致富、扶贫攻坚等经济发展需求下的政策(战略)支持是农业种植规模(灌溉面积)持续快速增长的核心驱动力。通过探究农作物水足迹的变化及原因,揭示了新疆农业用水的时空变化,以及农作物水足迹与国家、地方政策和社会活动之间的关系,可为深入解析新疆农业增长与水资源开发利用及生态环境之间的时空演化关系和相关决策与政策制定提供参考。

近25 a来新疆农作物水足迹与经济增长的空间关系分析

水-经济空间关系是干旱区与半干旱区水资源研究的热点,揭示水-经济空间分布演变规律和因果关系,可为优化水资源合理配置、合理部署产业结构调整政策提供理论和决策参考。研究应用水足迹理论,核算新疆各地州1991-2015年农作物水足迹,结合信息熵值理论分析新疆各地州农作物水足迹、国内生产总值、第一产业增加值其熵值的空间演变规律及因果关系。结果表明:新疆农作物水足迹与第一产业增加值、国内生产总值空间演变整体向着均衡有序的方向发展,水-经济的空间不均衡性逐步缩小;新疆农作物水足迹显著影响其第一产业增加值空间演变,影响期1~5 a,农业经济空间分布受农业用水空间分布的长期制约;农作物水足迹和国内生产总值没有空间演变因果关系,全疆经济发展向着第二产业、第三产发展转型,农业经济不再显著影响全疆经济发展。

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。

基于作物水足迹的塔里木盆地水资源压力评价分析

针对塔里木盆地进入本世纪以来水资源压力相对较大的问题,为提出有效缓解研究区水资源压力的方法,利用研究区5个行政区域2001-2015年的气候、农业及水文数据,基于水足迹理论对研究区作物生产用水量及水资源压力时空分布特征进行了分析与评价。结果表明:研究区作物种植结构呈多样化的趋势发展,种植规模逐年增长;不同作物的生产水足迹(WFpro)在时空序列上均表现出了一定的差异,各地区WFpro总体呈下降趋势,其中克州的综合WFpro多年均值最高,为2.43 m^3/kg,喀什综合WFpro最低,为1.42 m^3/kg。研究区农业生产依赖蓝水资源,蓝水比例为88.3%左右,蓝水资源压力较大,2004年后均表现为"严重短缺",多年平均蓝水资源压力指数(βcrop-blue)为0.59;阿克苏和喀什两个地区的多年平均水资源压力指数(βcrop)分别为0.89和0.76,是塔里木盆地水资源压力最大的两个地区,用水矛盾最为突出。因此,未来应通过适当降低红枣、棉花等高耗水经济作物的种植面积等方式优化作物种植结构,均衡调整地区间蓝水资源分配,以减轻研究区的农业生产用水压力。

基于作物生产水足迹的农业灌溉水价研究

在新时期背景下,农业生产面临的形势产生了显著变化,灌溉水价控制是面临的重要课题之一,直接关系到农业节水目标达成以及农民切身利益。基于此,研究结合试点区实际情况,基于作物生产水足迹理论对农业灌溉水量进行计算,为落实农业可持续发展目标提供有力保障。

水足迹视角下黄土丘陵区农业水土资源匹配格局——以山西省和顺县为例

从水足迹视角出发,运用CROPWAT及标准差椭圆模型分析2010—2019年山西省和顺县乡镇域主要农作物生产水足迹和耕地面积的时空变化,运用基尼系数及空间失配指数深入研究2010年、2014年、2019年乡镇域农业水土资源时空匹配格局,并明确调控方向。结果表明,研究期间,和顺县作物生产水足迹、蓝水足迹、绿水足迹和耕地面积总体上均呈下降趋势;绿水足迹对各区域作物生产水足迹的构成贡献最大,占比均超过62.0%;和顺县西部地区作物生产水足迹和耕地的空间聚集性不断增强;和顺县作物生产水足迹、蓝水足迹、绿水足迹与耕地之间的空间失配均逐渐加剧,中部和东部地区农业水土资源分别为中度失配和重度失配,是和顺县未来农业水土资源调控的重点地区;可以将县域10个乡镇分别划分为水源涵养调蓄、水土优化调控与引水节水灌溉3个调控区。总的来说,受社会经济、生产要素投入和气候条件的影响,和顺县农业水土资源匹配协调水平处于失衡状态,但在调控区划分的基础上,有针对性地进行人工调控,仍可实现农业水土资源匹配协调水平的较大提升。

基于水足迹与水-能源-粮食关联关系的提水灌溉系统种植结构优化

灌溉系统是农业生产与用水的关键载体,其水-能源-粮食关联关系的协调性对区域可持续发展有重要影响。相较于传统的灌溉水高效分配研究,水足迹理论明晰了农业生产水资源消耗总量及其利用类型。针对提水灌溉系统水资源、能源供需配置不紧密及其生态影响考虑不全面的问题,联合水足迹理论与水-能源-粮食关联关系,统筹社会、资源、生态和经济多维系统,构建了考虑水资源调配、农业生产用水及粮食生产转移全过程的提水灌溉区种植结构多目标优化评价模型。将该模型应用于涟水灌溉区,通过调整粮食作物(水稻、小麦、玉米和大豆)的种植结构,运用Topsis方法对比评价了现状和优化配置情况的相对贴近度。优化结果表明:在保障粮食安全的基本前提下,应增大玉米的播种面积,减少大豆的播种面积;相较于现状,优化后的年均粮食单方水经济净效益提升4.0%,作物碳足迹在农作物种植基线改变时呈现下降态势,且2018年优化后的碳足迹降低79.5 kg。优化方案的相对贴近度均大于现状,对促进提水灌溉系统资源高效利用和农业可持续性具有可靠的支撑作用。

1996～2015年江苏农作物播种水足迹变化及其驱动因子分析

计算了1996~2015年江苏省农作物播种水足迹,在分析水足迹及其组成变化趋势的基础上,借助通径分析方法对其影响因素进行了研究。结果表明:全省年均农作物播种水足迹为702.7亿m^3,其中蓝水、绿水和灰水足迹分别为83.5亿m^3、477.5亿m^3及141.3亿m^3;水足迹总量及其各组成成分均呈先减小后增大最终趋于平稳的变化趋势,各组成占总水足迹的比例基本保持不变;稻谷、小麦、水果、棉花等作物水足迹随时间呈现不同的变化趋势,而豆类、花生等作物未出现明显的变化特征。区域经济发展程度和种植结构能直接影响区域作物播种水足迹,其中控制高耗水作物比重和耕地灌溉率是对其进行调控的有效手段。

基于CROPWAT 8.0的白城市农作物水足迹分析

白城市位于吉林西部生态脆弱区,水资源短缺矛盾突出,地下水是主要供水来源,并且农作物种植耗水较大。本文根据CLIMWAT 2.0以及中国气象数据网提供数据,运用CROPWAT 8.0软件,对2005~2016年白城市农作物水足迹及其效率进行计算,得出以下结论:(1)白城市农作物水足迹整体呈缓慢波动变化趋势,主要影响因素为降水量和农作物单产量;(2)农作物水足迹构成中,绿水、蓝水和灰水足迹占比分别为36.08%、33.13%和30.79%;(3)农作物水足迹差异较为明显,稻谷蓝水消耗量最多;不同水文年型条件下,枯水年份农作物水足迹普遍增大。主要受单产水平影响,绿豆、葵花籽水足迹较高;甜菜、蔬菜和瓜果水足迹较低;(4)农作物水足迹效率呈下降趋势,水资源利用效率不断提高,但数值仍然较大,急需解决水资源短缺瓶颈。因此,白城市农作物种植应高度重视水土资源合理开发利用,因地制宜,适当调整种植结构;以科技为支撑,提高农作物单产;加强节水灌溉,提升水生态良性循环。

基于Cobb-Douglas生产函数的新疆各地区典型作物生产水足迹驱动因素研究

水资源紧缺是限制我国西北干旱区农业发展的主要瓶颈,正确评估地区农业用水效率及其影响机制,可为提高农业用水效率提供理论依据。以新疆为研究区,基于1988-2015年的长系列数据,分别计算出历年北疆、南疆、东疆典型作物(小麦、棉花)生产水足迹,并采用Cobb-Douglas生产函数定量分析气象因素(年降雨量、年日照时数、年均温度、年均风速、年均湿度)和技术因素(农机总动力、有效灌溉率、化肥施用折纯量)对作物生产水足迹的影响贡献率。结果表明:1988年至2015年,东疆小麦、棉花生产水足迹显著高于北疆和南疆,在气候变化和技术进步的综合影响下,各地区典型作物生产水足迹逐年降低,其中技术进步对新疆典型作物单产水足迹影响显著高于气候因素,是驱动新疆各地区典型作物生产水足迹变化的主要控制因素。地区尺度上,北疆、南疆、东疆气候变化和农业技术发展均呈现显著的地区差异,总体来看,北疆气候条件最适宜作物生长,东疆气候最为恶劣,北疆、南疆农业技术发展速率整体上高于东疆。

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。

水足迹框架下稻田水资源利用效率综合评价

为综合评价稻田水资源利用效率,优选高效灌排模式,本文基于水足迹理论,考虑水资源利用率、水资源产出效益和水量及环境效益3个方面,构建稻田水资源利用效率综合评价指标体系,利用层次分析法和模糊综合评价模型对2015—2018年各处理稻田水资源利用效率进行综合评价,并与单个指标的评价进行对比。结果显示:各处理作物水足迹年均值分别为976.8(浅水勤灌)、1008.7(浅湿灌溉)、954.4(控制灌溉)和792.6 mm(蓄水-控灌),蓝、绿及灰水比例年均值分别为16.4%、40.9%和42.7%;水资源产出效益在水资源利用效率评价中占据首要位置;各处理稻田水资源利效率综合评分值在2.8058~3.9432之间,等级为中或中高,优选出的高效灌排模式为蓄水控灌;作物水分利用效率、作物水足迹与综合评价的对比表明水资源利用效率综合评价至关重要。基于水足迹的稻田水资源利用效率评价能够为农业用水效率评价提供一种新视角,为农业节水尤其是水稻节水的科学研究和决策提供实践依据。

基于农业水足迹的水资源安全时空变化分析——以新疆和田地区为例

和田地区是典型的内陆干旱区,研究区域水资源安全对指导水资源开发利用,促进社会经济与水资源可持续发展具有重要意义。本文基于水足迹理论,研究和田地区1989—2018年农作物生产和动物产品生产的农业生产水足迹的组成及时空变化,通过水足迹强度和水资源压力指标从水资源消耗和污染两个角度分析和评价水资源安全状态的时空变化。结果表明:和田地区农业生产水足迹经历了快速增长、缓慢增长和明显下降3个阶段,以农作物生产水足迹与动物产品生产水足迹约8:2的比例组成。各阶段变化以农作物生产蓝水足迹的增减为主导,在空间上呈西高东低分布;水足迹强度呈对数的趋势减小,至2018年缩小为原来的1/19。和田地区水资源压力值均在1以下变化,水资源多年来均处于安全状态,近10 a的水资源压力程度较高。多年来,和田地区农业生产水足迹随时间变化波动增长,水资源利用效率显著提升,而水资源压力也同步增加,不断威胁着区域的水资源安全。

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m^(3)/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。

1989—2019年陕西省作物生产水足迹时空演变与节水潜力评价

【目的】陕西省是中国重要的粮油果基地,却大部分地处半干旱区,有限的水资源是制约当地经济社会可持续发展的最大刚性约束。作物生产耗水及节水潜力定量评价是农业适水发展与绿色高效节水的基础性工作。【方法】本文基于1989—2019年陕西省地级市尺度10种主要作物在灌溉、雨养条件下作物生产蓝水足迹(灌溉水消耗)、绿水足迹(有效降水消耗)和灰水足迹(稀释污染负荷所需水量)时空演变特征,推演典型年作物生产工程节水潜力和真实节水潜力。【结果】结果显示:(1)近30年陕西省各作物生产消耗型水足迹均呈整体下降趋势,同一作物生产水足迹在市际间存在较大差异。省平均苹果生产消耗型水足迹下降幅度达91.3%;各市间小麦生产消耗型水足迹差异值可达3.41 m^(3)/kg,同时,苹果和油菜籽生产灰水足迹呈上升趋势。(2)省作物生产消耗型总水足迹在2019年达160.55亿m^(3)/a,较1989年微降1.8%;玉米、小麦和苹果贡献了省作物生产消耗型总水足迹的80%以上。(3)陕西省作物生产工程节水潜力、蓝水真实节水潜力和绿水真实节水潜力分别可达62%、68%和49%。【结论】陕西省农业节水潜力较大,初步有两方面建议:(1)技术与管理措施结合,加快农业节水增效;(2)加快推进科学精准施肥,减少环境压力。

河北省粮食作物用水效率时空特征及影响因素分析

河北省粮食生产与水资源矛盾日益加深,提高粮食作物用水效率势在必行。文中以河北省为研究区域,运用超效率SBM模型,结合空间计量模型和GTWR模型,对河北省1995-2019年多要素投入产出框架下粮食作物用水效率及影响因素进行实证研究。结果表明:1)1995年以来,河北省粮食作物水足迹呈上升态势,灰水足迹年增长率幅度最大。2)研究期内河北省粮食作物用水效率呈现下降(1995-2000年)-上升(2000-2015年)-下降(2015-2019年)的变化态势,整体处于较低水平;空间分布上呈现西北低、东南高的格局,且区域内差异大于区域间差异。3)有效灌溉程度、产业结构、农村居民人均纯收入、城镇化水平和农业机械力密度对粮食作物用水效率存在显著正向效应,种植结构和化肥施用强度则存在显著的负向效应,且各影响因素对粮食作物用水效率的影响程度存在空间差异。文中研究为各地区制定因地制宜的用水效率提高对策提供研究依据。