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田间实际耗水的作物生产

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《排灌机械工程学报》2014年第五期

1研究方法与数据来源

以灌区为研究单位,以水量平衡法为基础,作物生育期的实际耗水量为由于灌区的灌溉范围和行政单位存在交叉现象,忽略县级行政区域面积的大小对灌区所辐射市的作物需水量的贡献的影响,各市的作物实际耗水量W′con及其组成可由其行政区域内各灌区所灌溉县级行政单位的个数加权得到,即文中选取1998,2005及2010这3个水平年,计算分析陕西关中地区各市小麦、玉米的作物耗水生产水足迹状况.降水量、粮食产量、种植面积等资料来自所需年份的《陕西统计年鉴》和《陕西农业统计年鉴》;平均灌溉水量通过各灌区管理局的统计资料得到;相关气象数据来自中国气象科学数据共享服务网[18];多年降水有效利用系数和小麦、玉米生育期土壤水分的变化值参考宝鸡峡、武功(杨凌)、交口、洛川等灌溉实验站的测量值[17],对于内部无灌溉试验站的灌区,以灌区管理局为计算点,以已知灌溉实验站的位置和数据为基础,通过泰森多边形法[19]计算得到.

2结果与分析

2.1作物实际耗水情况直接决定作物耗水量的因素是种植期的自然条件和实际管理方式,如降水量、灌水量、土壤水分状况.研究年份小麦、玉米生长过程中的单位面积有效降水量可由实际降水量乘以试验测得的降雨有效利用系数获得.利用式(1)可以计算关中地区11个大型灌区1998,2005及2010年2种作物耗水量.代表年各灌区小麦、玉米耗水量及组成的计算分别如表1,2所示。从表1,2可以看出,由于降水量及灌溉水保障程度的差异,同一年份同一作物不同灌区中的耗水量存在较大差异:如2006年泾惠渠灌区的小麦耗水量达4240mm,是最小值(石堡川灌区)的16倍,同时,玉米耗水量的最大值(石头河灌区)比最小值(羊毛湾灌区)大713%;各个灌区小麦和玉米的耗水都来自天然降水(绿水)和灌溉水(蓝水),但是水分来源的时空上有区别.玉米的生长期为6—10月,正值研究地区的雨季(关中地区全年降水量的60%以上集中在6—9月[20]),但是由于需水总量大于降水总量,同时作物部分关键需水期和降水期存在错位,因此还需要灌溉一定的水量予以补偿,多余的降水储存在土壤中;小麦除需要生长期内相当数量的灌溉水和有效降水外,还消耗了其生育期以外的水分;11个灌区中,小麦平均利用生育期以外的水分为52mm左右,相当于每公顷耕地减少净灌溉水量510m3.这不仅体现了“土壤水库”[21]的强大功效,也间接减少了灌溉水量、增加绿水资源的利用率,对保障粮食产量起到了重要作用.11个大型灌区几乎覆盖关中全境,同时,假设其他小型灌区灌水状况和大型灌区类似.利用式(2)可以计算出5个地级市、2种作物实际耗水量3个代表年的平均值,如表3所示.同时根据气象资料、利用FAO的Cropwat软件计算得到各代表年的作物需水量平均值Wre.表3中需水耗水量之间的偏差率β为两者之间的差值除以实际耗水量,即需水量比耗水量高出的百分比.表3显示,2种作物的实际耗水量和需水量之间都存在不同程度的差异,且除宝鸡地区外,作物实际耗水小于需水;关中5市小麦和玉米的耗水量比需水量分别小162%和124%;关中东部各地区的作物需水量和实际耗水量之间的差距较大;铜川与其他地区的气候差异较大,造成小麦需水量最大而玉米需水量最小;咸阳地区的2种作物需水量普遍较大,作物耗水量与需水量的差距最大,后者比前者大近1/3,这与该地区远离宝鸡峡灌区渠首、输水损失大使得灌溉水的保障程度相对较低有关;虽然玉米生产过程中造成了少量水资源的浪费,但宝鸡地区的实际耗水基本上与作物需水量一致,说明该地区的灌溉制度合理、灌溉保障度高,田间管理水平较高,这也与实际情况相符.总之,受农业生产实际的影响,作物的实际耗水量和需水量之间会在一定的差别,由于灌区设施的限制使得灌溉保证率不足,往往造成前者小于后者.

2.2作物生产水足迹农产品虚拟水含量是计算作物生产水足迹的基础,可以用生产单位对应产品所消耗的水资源数量来表示.将作物生长期的实际耗水量和粮食单产通过式(3)运算就可求出各地级市的小麦、玉米单位质量的生产水足迹.表4给出了各地区各代表年2种粮食作物的生产水足迹值及年平均值.各地区的2种作物生产水足迹都有随时间减少的趋势,1998年普遍大于2006年和2010年值(后两者相差不大),这可能与作物品种的改变、高产作物品种的栽培有关;铜川地区小麦灌水量大于玉米,但后者能依靠当地较优良的光热条件得到较大的单产,故小麦生产水足迹最大而玉米最小;不同市之间3年作物生产水足迹差异较大,西安小麦生产水足迹为086m3/kg,而铜川高达132m3/kg,同时,宝鸡玉米虚拟水含量近090m3/kg,铜川则刚过060m3/kg,这与区域间作物实际耗水及产量差异有关.据张蕾[10]的计算,陕西省1996—2006年小麦、玉米产品的虚拟水含量分别为142,118m3/kg.从表4可以看出,基于实际耗水的作物产品虚拟水很大程度上小于基于作物需水的计算结果.所以,利用作物理想需水量来计算其生产水足迹往往会忽略田间实际情况(如耕作方式、灌溉方式、作物品种等)对作物利用水分的影响,从而无法反映其生长过程中对水资源的真实利用情况,不利于区域农业水足迹的可持续性评价和基于虚拟水贸易的宏观政策的制定.

2.3作物生产水足迹组成作物生长过程耗水量来自绿水和蓝水之和,蓝水、绿水足迹在总生产水足迹中构成能反映农业生产对不同水资源存在形式的利用状况.考虑灌溉的目的在于缓解水资源缺乏,认为玉米生长过程中土壤水分的增加全部来自降水,故2种作物的蓝水足迹皆为来自实际灌水,在式(3)的基础上就可以分别计算各作物所利用的蓝水、绿水资源量.图1给出了各地区3个代表年小麦、玉米生长期耗水量中蓝水占总量的比例.蓝水的占有比例反映了一个地区的农业生产水平的高低.各地区生产小麦的蓝水比例在10%~40%,而玉米在20%~50%内变化,这可能因为2种作物的灌溉水量相当而玉米的总耗水量相对较小.同一年份不同地区间的蓝水比例大小关系无明显趋势,说明各灌区的供水情势不尽相同,无统一规律;2005年,各地区小麦蓝水占有比例明显高于1998及2010年,而玉米则正好相反,这可能与该灌区渠首供水量有限同时年内天然降水集中于夏季有关;根据多年平均情况,西安、咸阳、宝鸡、渭南和铜川地区的小麦蓝水占有比例为242%,203%,235%,225%及210%左右,玉米分别在406%,333%,345%,368%及305%左右.作物生产水足迹与粮食产量的乘积为生产粮食所消耗的水资源总量(总水足迹),1998,2005和2010年关中地区用于生产小麦、玉米2种粮食的总水资源量分别为701,598及607亿m3,皆超过了该地区的水资源总量的577亿m3.粮食总产量逐年增加的情况下,所利用的广义水资源用量有减少的趋势,这与田间管理方式的改善、优良高产作物品种的推广等因素有关.从组成上,3个代表年2种作物总生产水足迹中灌溉水比例分别为311%,315%及246%,平均值为291%,灌溉的充分性没有得到满足的同时说明天然降水在保障该区域粮食生产中起到了十分重要的作用.同时,各灌区的灌溉水利用系数不足05,可见,进行灌区改造、提高灌溉水利用率、增加蓝水足迹比例的潜力尚存.

3结论

基于作物耗水量,计算得到西安、咸阳、宝鸡、渭南、铜川地区1998,2005和2010年平均小麦虚拟水含量分别为086,090,101,099,132m3/kg,玉米虚拟水的3个代表年均值分别为079,070,089,079及061m3/kg;整个关中地区的小麦、玉米产品的虚拟水含量的平均值分别为096,077m3/kg,其中蓝水分别占223%和351%.小麦、玉米2种粮食的生产水足迹总量的3个代表年份平均值为635亿m3,其中灌溉水贡献率为291%,用水总量大于该地区的水资源总量,可见发展节水农业、减小作物生产水足迹对缓解该区域的水资源压力有重要意义.由于农田生产实际的影响,作物在生育期实际消耗的水量往往不会等于其取得高产潜力的条件下为满足植株蒸腾、棵间蒸发、组成植株体所需要的水量,即作物需水量.陕西中部地区小麦的理论需水量高出实际耗水量162%,玉米高出124%.所以基于作物实际耗水计算其生产水足迹更能反映农业生产对水资源的真实占用,符合水足迹概念提出的初衷.农业为工业生产和人类生活提供基本物质来源,同时也是一个国家用水量和节水潜力最大的领域.基于作物实际耗水计算农业生产水足迹有利于真实计算国家的生产、消费水足迹,在真实反映人类活动对水资源的真实占有的同时,合理地指导基于水足迹控制和虚拟水贸易的科学研究及政策制定.同时,基于作物实际耗水的生产水足迹计算的限制因素在于各地区基础数据的获取难度较大,不少地区的试验条件有限,造成如降水有效利用系数、作物生育期土壤水分的变化等数据的缺乏.因此进行全国范围农业水土基础数据的试验和收集有利于水足迹的进一步研究和实践。

作者:刘帝操信春王玉宝单位:西北农林科技大学水利与建筑工程学院西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院

排灌机械工程学报责任编辑:田老师    阅读:人次
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