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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.docx
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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.docx
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0 引言
全球农业用水占总用水量的 70%~75%
[ 1-3]
,农业用水是人类开发利用水
资源系统以及影响生态系统的主要扰动因素,科学地定量农业用水是合理配置
与调控区域水资源开发利用的基础工作
[ 4]
。长期以来,我国依赖传统逐级统
计的用水量计算方法,实践证明其准确性有待改进。以新疆农业用水统计为例,
据 2001—2010 年 新 疆 水 资 源 公 报 , 新 疆 农 业 用 水 量 从 2001 年 的
463.85×10
8
m
3
缓慢增加至 2010 年的 495.95×10
8
m
3
,而新疆维吾尔自治区第
一次水利普查结果显示,2011 年新疆农业用水达到了 591.75×10
8
m
3
,这一突
变凸显出传统的区域农业用水量统计存在一定的问题。源于虚拟水理论方法的
水足迹概念理论与方法为真实测量农业用水量提供了一种新思路和新方法,水
足迹理论可以真实地反映一个地区或一个国家对水资源的真实需求和占用情
况,用以表达人类对水资源系统水资源量的压力大小
[ 5-6]
。目前,国际上对农
作物水足迹的研究大致集中在 3 个方面:一是对大宗和典型农作物生产水足迹
的时空演变进行探讨
[ 7-10]
,或者横向比较不同区域间农作物水足迹的差异及影
响因素
[ 11-12]
,为解决水资源短缺和创新水资源管理体制提供新思路
[ 6]
;二是
基于农作物水足迹对水资源压力和用水结构、效率进行评价
[ 13-15]
,对农业种
植结构进行优化
[ 16]
;三是对影响农作物生产水足迹的气象和农业投入因素进
行初步探索
[ 17-19]
。通过以上分析可知,水足迹理论从系统的角度出发,将经
济、政策、资源与环境结合起来,从外部入手寻求解决途径,从宏观政策方面
而不仅是从技术方面探究水资源消耗问题。农作物水足迹核算是研究其他行业、
产业生产和消费水足迹的基础,可以为解决水资源紧缺地区水安全与农业用水
科学调控提供参考
[ 20-21]
。
作为我国重要的农产品生产基地,新疆生产了全国棉花的 63%、甜菜的
56%、葡萄的 20%、梨的 6%和粮食的 2%
[ 22 ]
,干旱缺水的新疆成为大量输
出高耗水农产品的典型,新疆农业用水量不仅长期以来占到其经济社会总用水
量的 95%以上。进入 21 世纪以来,农业灌溉规模更是不断膨胀,农业用水日
益挤占生态环境用水,严重危害本底十分脆弱的生态环境
[ 23]
,农业用水在未
来也将会面临巨大的挑战
[ 24]
,但现有统计数据难以客观描述新疆农业耗用的
水资源量。因此,借助水足迹理论,探究在农业生产规模日益扩大的背景下农
业生产活动消耗的水资源,及其在时空上的分布和演变是本研究的核心问题,
也是当地政府和诸多学者最关注的焦点之一。此外,工业基础薄弱等导致新疆
区域经济欠发达,国家和新疆当地政府实施的一系列经济发展战略和政策对农
业用水的影响是本文研探的另一问题。
本文以水足迹理论为指导,研究新疆 28 年间(1988—2015 年)农作物水
足迹的时空分布及演变过程,探究新疆农作物水足迹增长的变化及驱动机制,
揭示农作物水足迹与国家、地方政策和社会活动之间的关系,以期为深入解析
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,以及相关决
策与政策制定提供参考。
1 数据与方法
1.1 研究区 概 况
新疆深居亚欧大陆内陆腹地,位于 73°25′~96°24′ E、34°09′~49°08′ N 之
间,总面积 1.66×10
6
km
2
,区内地形地貌从北至南呈现鲜明的“三山夹两盆”格
局,分别为阿尔泰山脉、天山山脉和昆仑山山脉,以及阿尔泰山脉与天山山脉
之间的准噶尔盆地、天山山脉与昆仑山山脉之间的塔里木盆地,其中天山山脉
将新疆地域分为北疆、南疆和东疆三大区域。区内大部分区域气候干燥、降雨
稀少,新疆多年平均年降水量为 146.4 mm,其中北疆、南疆和东疆年均降水
分别为 215.0 mm、70.7 mm 和 21.7 mm;年均蒸发能力为 1 600~2 300 mm,
年均日照时数 2 808.6 h。由于年温差、日温差均较大,冬寒夏热,发展农业
生产的光、热和土地资源条件十分优越。据统计,2015 年新疆农作物总种植
面积为 6.13×10
6
hm
2
,其中棉花的种植面积 2.27×10
6
hm
2
,小麦、玉米种植
面积分别为 1.24×10
6
hm
2
和 0.96×10
6
hm
2
;同期新疆总供水量 577.18×10
8
m
3
,
其中国民经济用水 561.37×10
8
m
3
;国民经济用水中农业灌溉 540.61×10
8
m
3
①
①,分别占第一产业用水、国民经济用水、新疆总用水的 98.94%、96.30%和
93.84%,是新疆用水的绝对主体。
①①数据来源于新疆维吾尔自治区水利厅《新疆维吾尔自治区水资源公报
2015》。
1.2 研究方 法
(1) 农作物水足迹计算
本次研究采用联合国粮农组织的 Cropwat 模型
[ 25-26]
区分计算了农作物水
足迹中的蓝水足迹与绿水足迹,由于农作物灰水足迹的计算方法及指标尚未统
一认识
[ 27]
,且新疆的农业灰水足迹量相对较小
[ 28]
,本次研究暂不考虑灰水
足迹。农作物绿水足迹的计算公式为
WFPgreen=CWUgreen/YWFPgreen=CWUgreen/Y
(1)
CWUgreen=10×∑d=1lgpETgreenCWUgreen=10×∑d=1lgpETgreen
(2)
ETgreen=min(ETc,Peff)ETgreen=min(ETc,Peff)
(3)
式中:WFP
green
为农作物绿水足迹(m
3
·t
-1
);CWU
green
为农作物绿水用量
(m
3
·hm
-2
);Y(yield)为农作物单位面积产量(t·hm
-2
);ET
green
为农作物
绿水需水量(mm);10 是常量因子,是将水的深度(mm)转化为单位陆地
面积水量(m
3
·hm
-2
)的转换系数;总和∑计算的是从种植日期(第一天)到收
获日期的积累量(lgp 为 length of growth process,表示生长期的长度,以日
计量);ET
c
为农作物蒸发蒸腾量(mm),采用 FAO 推荐的 Cropwat 8.0 软
件计算;P
eff
为有效降雨量(mm)。
农作物水足迹蓝水足迹的计算公式为
WFPblue=CWUblue/YWFPblue=CWUblue/Y
(4)
CWUblue=10×∑d=1lgpETblueCWUblue=10×∑d=1lgpETblue
(5)
ETblue=max(0,ETc−Peff)ETblue=max(0,ETc-Peff)
(6)
式中:WFP
blue
为农作物蓝水足迹(m
3
·t
-1
);CWU
blue
为农作物蓝水用量
(m
3
·hm
-2
);ET
blue
为农作物蓝水需水量(mm)。其他量与上式相同。
计算得到新疆各个生产单元农作物生产的蓝水、绿水足迹后,蓝水足迹与
绿水足迹之和即为农作物水足迹。
CWF=∑i=1n(WFPi,blue+WFPi,green)⋅YiCWF=∑i=1n(WFPi,blue+WFPi,green)
⋅Yi
(7)
式中:CWF(crop water footprint)为农作物水足迹总量;i 为农作物的种
类。
(2) 农作物水足迹的空间计算
农作物蒸散发计算所用的气象数据来自国家气象中心的 66 个位于新疆境
内的气象站,基本覆盖了新疆 14 个地州市。本次研究以各气象站覆盖区域内
的各种典型农作物进行计算,因此以地州市为分析单位的过程中,存在同一农
作物多个蓝水、绿水用量的不同结果,为此需要将分析单元内的各个气象站计
算结果进行加权,才能够得到该地区该农作物蓝水与绿水用量。本研究选用反
距离加权法对该农作物 ET
0
数据进行差值计算
[ 29-30]
。
z0=∑i=1nzi1dik∑i=1n1dikz0=∑i=1nzi1dik∑i=1n1dik
(8)
式中:z0z0 为待插值点的估计值;zizi 为控制点 i 的 zz 值;d
i
为控制点 i
与待插值点 0 之间的距离;n 为在估算中用到的控制点的数目;k 为指定的幂
级,本研究中取值为 2。
di=(x0−xi)2+(y0−yi)2−−−−−−−−−−−−−−−−−−√di=(x0-xi)2+(y0-yi)2
(9)
式中:(x
0
,y
0
)为待插值点 0 的坐标;(x
i
,y
i
)为控制点 i 的坐标;控
制点 i 为气象站点,待插值点 0 为每个地州市的中心点。
1.3 数据来 源
本研究计算了新疆近 20 种主要农作物的蓝、绿水足迹,所需的降水量、
日 照 、 湿 度 、 气 温 、 风 速 等 气 象 数 据 来 源 于 国 家 气 象 中 心 ( http :
//www.nmic.cn/),社会经济数据中农业生产相关数据来源于统计年鉴(包括
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