灌區(qū)糧食生產(chǎn)水足跡的影響因素

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摘要：以人民勝利渠灌區(qū)為研究區(qū)，基于1961—2013年的長(zhǎng)系列數(shù)據(jù)，采用彭曼公式和CROPWAT軟件，計(jì)算出歷年灌區(qū)冬小麥的藍(lán)水、綠水足跡，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行藍(lán)水、綠水足跡及其影響因子的時(shí)間序列分析。采用結(jié)構(gòu)方程模型方法，對(duì)藍(lán)水、綠水足跡與氣候和農(nóng)業(yè)投入因子的作用關(guān)系進(jìn)行路徑分析。結(jié)果表明：1961—2013年灌區(qū)冬小麥的藍(lán)水、綠水足跡均呈顯著下降趨勢(shì)，作物需水量（ETc）無(wú)顯著變化，冬小麥產(chǎn)量顯著增加是其藍(lán)水、綠水足跡下降的主要原因；影響冬小麥ETc的主要?dú)庀笠蛩厥瞧骄L(fēng)速、平均氣溫、相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)；在不考慮農(nóng)業(yè)投入的影響時(shí)，灌區(qū)冬小麥生長(zhǎng)季平均風(fēng)速是對(duì)藍(lán)水、綠水足跡影響最大的氣候因子，日照時(shí)數(shù)和有效降水的影響次之；在農(nóng)業(yè)投入和氣象因子的共同作用下，冬小麥藍(lán)水、綠水足跡的主要影響因素為農(nóng)用化肥使用折純量、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力和有效降水。

關(guān)鍵詞：藍(lán)水足跡；綠水足跡；農(nóng)業(yè)投入；氣象因子；結(jié)構(gòu)方程模型；人民勝利渠灌區(qū)

1研究背景

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，水足跡提供了一種新的方法來(lái)評(píng)估農(nóng)作物對(duì)水資源的利用效率。Sun等［1］498利用歷史數(shù)據(jù)研究表明，1980—2009年河套灌區(qū)小麥需水量減少和產(chǎn)量增加導(dǎo)致其水足跡呈下降趨勢(shì)，小麥水足跡主要受農(nóng)業(yè)管理措施的影響。趙慧等［2］應(yīng)用CROPWAT模型計(jì)算作物生產(chǎn)水足跡，分析了氣候變化對(duì)作物生產(chǎn)水足跡的影響，研究表明生育期平均相對(duì)濕度、平均氣溫和平均日較差對(duì)馬鈴薯生產(chǎn)水足跡影響較大，生育期平均風(fēng)速和平均日較差對(duì)春小麥生產(chǎn)水足跡影響較大。孫世坤等［3］基于水足跡理論和量化方法，分析了中國(guó)大陸小麥生產(chǎn)水足跡空間分布情況和特征，并對(duì)造成水足跡區(qū)域差異的因素進(jìn)行了歸因分析。水足跡由作物需水量和糧食產(chǎn)量計(jì)算得到。各種因素通過(guò)影響作物需水量和糧食產(chǎn)量對(duì)水足跡產(chǎn)生復(fù)雜影響。黃維等［4］研究表明，一定幅度內(nèi)氣溫上升和降水增加對(duì)我國(guó)糧食產(chǎn)量變動(dòng)有正向作用。崔靜等［5］13研究表明，氣候變化對(duì)于中國(guó)北方地區(qū)糧食產(chǎn)量的影響以正向?yàn)橹鳎鴮?duì)南方地區(qū)糧食產(chǎn)量的影響則以負(fù)向?yàn)橹?；除氣候因素外，糧食產(chǎn)量還受農(nóng)業(yè)投入因素的影響。李海鵬等［6］通過(guò)主成分分析發(fā)現(xiàn)：水資源稟賦等自然生產(chǎn)力因子是影響糧食綜合生產(chǎn)能力的基本因素；機(jī)械化率等技術(shù)生產(chǎn)力因子和耕作制度等管理生產(chǎn)力因子是主要促進(jìn)因素；政策生產(chǎn)力因子影響不太顯著，卻是保障糧食綜合生產(chǎn)能力的穩(wěn)定因素。綜上所述，糧食生產(chǎn)水足跡受氣候和農(nóng)業(yè)投入等因子的綜合影響。但目前尚未定量探明氣候和農(nóng)業(yè)投入因子與糧食產(chǎn)量、作物需水量及糧食生產(chǎn)水足跡間的綜合作用關(guān)系，不能確定各類(lèi)因子對(duì)糧食生產(chǎn)水足跡的影響程度。針對(duì)該問(wèn)題，筆者以河南省人民勝利渠灌區(qū)為研究區(qū)，基于灌區(qū)長(zhǎng)系列糧食產(chǎn)量、氣候和農(nóng)業(yè)投入資料，采用時(shí)間序列分析和結(jié)構(gòu)方程模型方法，分析冬小麥藍(lán)水和綠水足跡及其影響因子的變化趨勢(shì)，定量研究氣候、農(nóng)業(yè)投入、冬小麥產(chǎn)量、藍(lán)水足跡、綠水足跡間的相互關(guān)系。

2數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2．1研究區(qū)概況

灌區(qū)是相對(duì)獨(dú)立的用水系統(tǒng)，以灌區(qū)作為研究對(duì)象有利于糧食生產(chǎn)水足跡的計(jì)算和影響因素分析。人民勝利渠灌區(qū)位于河南省北部，在東經(jīng)113°31′—114°25′、北緯35°00′—35°30′之間，是中華人民共和國(guó)成立后在黃河下游興建的第一個(gè)引用黃河水灌溉的大型自流灌區(qū)。灌區(qū)屬半濕潤(rùn)、暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，擁有長(zhǎng)系列氣象觀測(cè)、糧食產(chǎn)量資料和較完善的農(nóng)業(yè)投入資料，便于分析各種因子對(duì)糧食生產(chǎn)水足跡的影響。2．2數(shù)據(jù)來(lái)源研究數(shù)據(jù)來(lái)源于統(tǒng)計(jì)資料和實(shí)地調(diào)查。灌區(qū)1961—2013年氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于灌區(qū)監(jiān)測(cè)資料和中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，1961—2013年冬小麥的產(chǎn)量來(lái)源于灌區(qū)統(tǒng)計(jì)資料，1999—2013年灌區(qū)糧食生產(chǎn)投入數(shù)據(jù)（農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、農(nóng)用化肥施用折純量、農(nóng)藥施用實(shí)物量、農(nóng)用柴油使用量）根據(jù)《中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》和《河南統(tǒng)計(jì)年鑒》中灌區(qū)相關(guān)市（縣）的數(shù)據(jù)折算得到。2．3研究方法采用彭曼公式和CROPWAT軟件，根據(jù)灌區(qū)氣象數(shù)據(jù)計(jì)算冬小麥生長(zhǎng)季的需水量和有效降水量，運(yùn)用作物需水量法，計(jì)算歷年灌區(qū)冬小麥的藍(lán)水、綠水足跡［7］。M－K法是一種常用的非參數(shù)趨勢(shì)診斷方法，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，其最常用的兩個(gè)檢驗(yàn)指標(biāo)為Zc（置信區(qū)間閾值）和β（Kendall傾斜度，即單位時(shí)間內(nèi)的變化量）［8］1187－1188。采用M－K檢驗(yàn)方法對(duì)灌區(qū)冬小麥需水量、有效降水量、產(chǎn)量和藍(lán)水足跡、綠水足跡、灌區(qū)歷年氣候因子以及農(nóng)業(yè)投入指標(biāo)進(jìn)行趨勢(shì)分析，揭示其變化趨勢(shì)和突變點(diǎn)。SPSSAMOS21．0是一款通過(guò)結(jié)構(gòu)方程建模（SEM）檢驗(yàn)變量之間相互影響的軟件。運(yùn)用該軟件對(duì)冬小麥水足跡與各影響因子間的作用關(guān)系進(jìn)行路徑分析，揭示氣候因子以及非氣候因子變化對(duì)糧食生產(chǎn)水足跡的影響規(guī)律。

3氣候因子對(duì)灌區(qū)糧食生產(chǎn)水足跡的影響

3．1糧食生產(chǎn)水足跡的時(shí)間序列分析

對(duì)計(jì)算得到的灌區(qū)冬小麥水足跡進(jìn)行趨勢(shì)分析，冬小麥藍(lán)水、綠水足跡在53a中均呈顯著下降趨勢(shì)。冬小麥產(chǎn)量顯著增加，生長(zhǎng)季作物蒸散發(fā)量（ETc）無(wú)顯著變化，表明冬小麥藍(lán)水、綠水足跡下降的主要原因?yàn)楫a(chǎn)量增加。灌區(qū)冬小麥的藍(lán)水、綠水足跡在1961—1972年變化顯著，原因是該時(shí)期灌區(qū)冬小麥產(chǎn)量過(guò)低，使得單位產(chǎn)量的水足跡過(guò)高；1973—2013年灌區(qū)冬小麥產(chǎn)量逐年穩(wěn)定增長(zhǎng)，使得冬小麥單位產(chǎn)量水足跡逐年下降到正常值并趨于穩(wěn)定。圖2表明，1972年以前冬小麥藍(lán)水足跡顯著下降，但在1972年以后變化趨勢(shì)不顯著，突變點(diǎn)為1972年。圖3顯示冬小麥綠水足跡1975年以前在0．05置信水平上顯著下降，突變發(fā)生在1972年。冬小麥綠水足跡在1982—1990年顯著上升（0．05置信水平），之后呈不顯著下降趨勢(shì)。2005年以前灌區(qū)冬小麥產(chǎn)量在0．05置信水平上顯著上升，之后上升趨勢(shì)不明顯，突變發(fā)生在1985年。作物藍(lán)水、綠水足跡除受產(chǎn)量影響外，還與ETc、有效降水Peff的大小有直接關(guān)系。1961—2013年灌區(qū)冬小麥生長(zhǎng)季ETc、Peff及二者差值隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖5，ETc在600mm上下波動(dòng)。圖5和圖7顯示，冬小麥生長(zhǎng)季有效降水整體呈不顯著的下降趨勢(shì)，年際間波動(dòng)較大，突變點(diǎn)較多。冬小麥生長(zhǎng)季ETc先上升后下降，存在一個(gè)突變點(diǎn)。有效降水下降使得綠水蒸散發(fā)呈下降趨勢(shì)，在產(chǎn)量增加的綜合作用下，綠水足跡下降趨勢(shì)明顯。ETc和Peff的差值（藍(lán)水蒸散發(fā)）表現(xiàn)為先減小后增大。產(chǎn)量呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，導(dǎo)致藍(lán)水足跡下降速度先快后慢，最后趨于平穩(wěn)。

3．2氣候因子對(duì)糧食生產(chǎn)水足跡的影響分析

由于各種氣候因子對(duì)作物需水量和產(chǎn)量有直接影響，因此對(duì)作物的藍(lán)水、綠水足跡會(huì)產(chǎn)生間接影響。1961—2013年灌區(qū)冬小麥生長(zhǎng)季各氣候因子的M－K檢驗(yàn)結(jié)果，平均氣溫顯著上升，相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)顯著下降，其他氣候因子變化不顯著。丁一匯等［9］研究發(fā)現(xiàn)，近50a全國(guó)日照時(shí)數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)、近地面平均風(fēng)速呈減小趨勢(shì)。Sun［1］500等研究發(fā)現(xiàn)，河套灌區(qū)1960—2008年平均氣溫和降水顯著上升，平均相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、平均日照時(shí)數(shù)顯著下降，其中降水的變化幅度最大，其次為溫度和風(fēng)速。本研究與上述研究結(jié)果一致。為了進(jìn)一步探明各氣候因子對(duì)藍(lán)水、綠水足跡的影響程度，利用AMOS軟件構(gòu)建各氣候因子與冬小麥ETc、產(chǎn)量、藍(lán)水足跡、綠水足跡間的路徑分析圖。各氣候因子對(duì)藍(lán)水足跡、綠水足跡的效應(yīng)分解。平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速與ETc正相關(guān)，相對(duì)濕度、水汽壓與ETc負(fù)相關(guān)，均通過(guò)置信水平P＝0．001的顯著性檢驗(yàn)。其中：對(duì)ETc影響最大的氣候因子為平均風(fēng)速，相關(guān)系數(shù)為0．67；平均氣溫對(duì)ETc的影響次之，相關(guān)系數(shù)為0．55。灌區(qū)平均風(fēng)速增大、平均氣溫上升以及相對(duì)濕度減小，使得冬小麥生長(zhǎng)季ETc增大，但灌區(qū)日照時(shí)數(shù)減少使ETc減小，導(dǎo)致ETc雖然呈增大趨勢(shì)，但不顯著。陳博等［8］1194－1196研究發(fā)現(xiàn)，華北平原夏玉米生長(zhǎng)季水面蒸發(fā)量與平均氣溫、平均風(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)顯著相關(guān)，與本文的研究結(jié)果類(lèi)似。從表2可見(jiàn)，日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速與作物產(chǎn)量負(fù)相關(guān)，且均通過(guò)P＝0．01顯著性檢驗(yàn)。其中：平均風(fēng)速對(duì)產(chǎn)量影響最大，相關(guān)系數(shù)為－0．78；其他氣候因子與產(chǎn)量的相關(guān)性不顯著。崔靜等［5］19－20研究表明，氣候因子對(duì)產(chǎn)量的影響在各區(qū)域間差異較大，平均日照時(shí)數(shù)增加對(duì)華中地區(qū)和西北地區(qū)冬小麥單產(chǎn)的邊際影響為負(fù)，與本研究結(jié)果類(lèi)似。藍(lán)水足跡相關(guān)性分析中，ETc與藍(lán)水足跡的相關(guān)性不顯著，作物產(chǎn)量與藍(lán)水足跡顯著負(fù)相關(guān)。除有效降水外，各氣候因子對(duì)藍(lán)水足跡的直接效應(yīng)均不顯著，但是各因子通過(guò)中間變量ETc和產(chǎn)量對(duì)藍(lán)水足跡的間接效應(yīng)各有差異，從而使各氣候因子對(duì)藍(lán)水足跡產(chǎn)生的整體效應(yīng)不盡相同。平均風(fēng)速是對(duì)藍(lán)水足跡影響最大的因子，日照時(shí)數(shù)和有效降水的影響次之。Sun等［1］504發(fā)現(xiàn)風(fēng)速是對(duì)河套灌區(qū)作物水足跡變化影響最大的氣象因素，并且風(fēng)速與作物水足跡負(fù)相關(guān)，與本研究結(jié)果相反。綠水足跡相關(guān)性分析中，ETc、產(chǎn)量與綠水足跡顯著負(fù)相關(guān)。產(chǎn)量呈顯著增加趨勢(shì)是綠水足跡下降的主要原因，這與Sun等［1］505的研究結(jié)果一致。溫度、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速對(duì)冬小麥綠水足跡均有顯著影響。其中：平均風(fēng)速對(duì)冬小麥綠水足跡的影響最大，有效降水、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、平均氣溫的影響依次減小?？傮w而言，灌區(qū)冬小麥生長(zhǎng)季平均風(fēng)速是對(duì)藍(lán)水、綠水足跡影響最大的氣候因子，這與趙慧等［2］414的研究結(jié)果一致；日照時(shí)數(shù)和有效降水對(duì)灌區(qū)冬小麥藍(lán)水、綠水足跡的影響次之。趙慧等［2］413研究發(fā)現(xiàn)春小麥生產(chǎn)水足跡與生育期內(nèi)平均日照時(shí)數(shù)的相關(guān)系數(shù)為－0．472，與本文研究結(jié)果相反。

4氣候因子和農(nóng)業(yè)投入對(duì)糧食生產(chǎn)水足跡的影響

為了確定氣候因子和非氣候因子對(duì)作物水足跡的影響，利用SPSSAMOS21．0軟件構(gòu)建考慮農(nóng)業(yè)投入指標(biāo)的各影響因子、產(chǎn)量、ETc和藍(lán)水足跡、綠水足跡間的路徑關(guān)系，得到1999—2013年各氣候因子及農(nóng)業(yè)投入指標(biāo)對(duì)藍(lán)水、綠水足跡的效應(yīng)。在農(nóng)業(yè)投入因子中，影響產(chǎn)量的主要因素為農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力。氣候因子對(duì)產(chǎn)量的影響遠(yuǎn)小于農(nóng)業(yè)投入因子。在引入農(nóng)業(yè)投入指標(biāo)后，所有因素對(duì)冬小麥藍(lán)水、綠水足跡的影響均顯著，其中：對(duì)冬小麥藍(lán)水足跡影響最大的因素為農(nóng)用化肥使用折純量，農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力和有效降水對(duì)藍(lán)水足跡的影響次之。在氣候因子中，水汽壓對(duì)藍(lán)水足跡的影響最大，相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)次之，平均風(fēng)速對(duì)藍(lán)水足跡的影響較小。有效降水對(duì)冬小麥綠水足跡影響最大，農(nóng)用化肥使用折純量和農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力的影響次之。其他氣候因子對(duì)綠水足跡的影響較小。

5結(jié)論

（1）1961—2013年灌區(qū)冬小麥生長(zhǎng)季藍(lán)水、綠水足跡顯著下降，主要原因?yàn)楫a(chǎn)量增加。冬小麥生長(zhǎng)季平均氣溫顯著上升，相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)顯著下降，其他氣候因子變化不顯著。（2）影響ETc的主要因素為平均風(fēng)速、平均氣溫、相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)。在氣候因子中，影響產(chǎn)量的主要因素為平均風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)；在農(nóng)業(yè)投入因子中，影響產(chǎn)量的主要因素為農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力。氣候因子對(duì)產(chǎn)量的影響遠(yuǎn)小于農(nóng)業(yè)投入因子。（3）在不考慮農(nóng)業(yè)投入的影響時(shí)，平均風(fēng)速是對(duì)灌區(qū)冬小麥生長(zhǎng)季藍(lán)水、綠水足跡影響最大的氣候因子，日照時(shí)數(shù)和有效降水的影響次之。考慮農(nóng)業(yè)投入和氣候因子的綜合作用，冬小麥藍(lán)水、綠水足跡的主要影響因素為農(nóng)用化肥使用折純量、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力和有效降水。

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作者：韓宇平 張嘉彧 代小平 周雯晶 單位：華北水利水電大學(xué)水資源高效利用與保障工程 河南省協(xié)同創(chuàng)新中心 河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室