摘要：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CLIMWAT2.0以及中国气象数据网提供数据，运用CROPWAT8.0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。
关键词：农作物水足迹;水资源管理;绿色农业;白城市
在东北西部生态经济带规划建设的背景下，白城市生态安全日益重要。白城市生态环境脆弱，属于生态脆弱区;水资源的严重短缺成为制约白城可持续发展的主要因素。2015年4月，白城市是东北地区唯一入选的首批“国家海绵城市建设试点城市”。水足迹作为一种全面核算人类活动对水资源真实占用的综合指标，为提高区域水资源利用效率提供重要的科学依据，已成为当前国内外水资源管理的重要研究领域。白城市是国家大型商品粮基地，农业用水占80%以上。因此，准确估算白城市农作物生产用水量、进行水资源科学管理、提高水土资源效益具有非常重要的意义。
1研究区概况与研究方法
1.1研究区概况
白城市位于东经121°38′～124°22′，北纬44°13′～46°18′，地处吉林省西北部，嫩江平原西部，科尔沁草原东部。属于温带大陆性季风气候，光照充足，降水变率大，旱多涝少。全市年平均降水量约400mm，年平均蒸发量约1800mm。白城市位于吉林、黑龙江和内蒙古自治区交界处，面积2.6万km2，总人口190.9万，其中农业人口106.5万。人均耕地、草原、宜林地、水面、芦苇面积均居吉林省首位，有丰富的石油、风能、太阳能以及矿产资源。2016年水资源总量为22.72亿m3，人均水资源占有量仅为全国和吉林省的51%和75%。其中地下水天然资源量为20.83亿m3，占91.68%，作为全市主要供水水源，地下水供水占55%以上，超采严重。各项用水中农业灌溉用水占比超过80%[1]。白城市是全国最大的绿豆主产区和绿豆交易中心，全省水稻第一大市，也是全省乃至全国的杂粮杂豆和油料主产区。2016年白城市实现农林牧渔业总产值223.08亿元，其中农业产值138.05亿元。总播种面积105.51万hm2，粮食播种面积88.26万hm2[2]。
1.2研究方法
1.2.1农作物蒸散量(ETc)
根据联合国粮食及农业组织(FAO)推荐的Penman-Moteith模型，利用气象参数计算参考作物蒸散量ET0。然后，利用作物系数Kc对ET0进行调整，获得具体农作物蒸散量(ETc)。
2结果与分析
2.1白城市农作物生长过程水足迹
利用CLIMWAT2.0、中国气象数据网和CROPWAT8.0软件，依据白城市气象数据得出主要农作物的参考蒸散量(ET0)。对2005～2016年白城市农作物生长过程水足迹进行核算时，借助CROWAT8.0模型，运用作物需水量(CWR)法计算农作物生长期蓝绿水的蒸散量、需水量、有效降水量[3]。其中稻谷的蓝绿水蒸散量最大，绿水蒸散量为295.1mm/dec，蓝水蒸散量为559.4mm/dec，以蓝水消耗为主;绿豆的蓝绿水蒸散量最小，绿水蒸散量为216.6mm/dec，蓝水蒸散量为142.2mm/dec，以绿水消耗为主。
在此基础上，利用公式(1)～(7)，分别计算白城市农作物生长过程水足迹，包括绿水足迹、蓝水足迹、灰水足迹，结果如图1所示。
2005～2016年白城市农作物绿水足迹、蓝水足迹与灰水足迹呈现波动变化趋势。2007年水足迹总量最大，为3867.84m3/t;其中，绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹也为12年间最大数值，分别为1342.83、1208.09、1316.92m3/t。主要原因为当年降水较少，农作物单产均较低。2013年水足迹总量最小，为1874.89m3/t;其中，绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹也为12年间最小数值，分别为694.57、645.82、534.50m3/t。主要原因是当年降水量丰富，农作物单产较高。因此，降水量和作物单产是影响白城市农作物水足迹的重要因素。
白城市农作物生长过程水足迹总体分析显示，绿水足迹最高，占比约为36.08%;其次为蓝水足迹，约为33.13%;灰水足迹约为30.79%。白城市农作物生长需水中，蓝水消耗量约占47.86%，绿水消耗量约占52.14%，生长需水约有一半来源于蓝水。而当有效降水不足时，农作物生长过程中还需消耗大量贮存在土壤中的水分来满足生长需要[7]。因此，会很大程度上影响水土生态平衡。而相关研究也表明，吉林省西部是有效降水量的低值区，却是需水量的高值区，因而导致吉林省西部水分亏缺严重[8]。白城市农作物灰水足迹占比较高，灰水足迹值的多少主要取决于氮肥施用量和农作物单产。白城市氮肥施用量较高农作物单产较低，因此灰水足迹较大。
2.2白城市农作物水足迹差异分析
根据不同水文年型差异，做出白城市农作物水足迹对比分析图(图2)，可以看出不同农作物水足迹差异明显。
第一，农作物蓝绿水足迹差异。白城市不同农作物中，稻谷、玉米、大豆、花生、烟叶、甜菜的蓝水足迹都高于绿水足迹，稻谷蓝绿水足迹差异最大，蓝水消耗量较多。2007年枯水年稻谷的绿水和蓝水足迹分别为376.02、712.79m3/t，2013年丰水年稻谷的绿水和蓝水足迹分别为439.86、833.81m3/t。主要原因是2007年稻谷单产水平较高，为7.85t/hm2，高于2013年的6.71t/hm2。
第二，粮食作物水足迹差异。2007年粮食作物中绿豆、其他谷物水足迹较高，分别为7592.58、7254.99m3/t;其次为大豆和谷子，分别为6056.71、5549.54m3/t;2013年粮食作物中绿豆水足迹最高，为4198.88m3/t;其次为其他谷物、小麦、大豆、谷子，分别为2272.27、2234.83、2225.39、1910.33m3/t。主要原因是作物单产较低，以绿豆为例，单产2007年仅为0.81t/hm2，2013年为1.33t/hm2。
粮食作物中，枯水年与丰水年对比，其他谷物、绿豆、谷子和大豆水足迹差异明显，2007年超出2013年2～3倍，主要因为枯水年单产较低。以水足迹相差最大的其他谷物为例，2007年单产仅为1.16t/hm2;2013年单产则为3.43t/hm2。其他作物水足迹，枯水年相对于丰水年普遍偏高，但差异不大，主要原因是单产水平差异不大。
第三，经济作物水足迹差异。经济作物中，葵花籽水足迹数值最大，且枯水年与丰水年对比差异最大。2007年、2013年葵花籽水足迹分别为11728.43、3469.62m3/t;主要原因为是单产水平差异较大，2007年、2013年单产分别为0.68、2.14t/hm2。2011年葵花籽水足迹最小，为2924.87m3/t;主要因为其单产最高，为2.54t/hm2。
甜菜水足迹数值最小，且枯水年与丰水年对比差异最小。2007、2011、2013年甜菜水足迹分别为303.76、198.68、297.47m3/t。主要原因是2011年甜菜单产最高，为4.18t/hm2;2007年单产居中，为2.93t/hm2;2013年单产最低，为2.14t/hm2。
第四，其他作物水足迹差异。蔬菜和瓜果的水足迹相对较小，枯水年水足迹均高于丰水年，但差异较小，主要原因是单产水平差异不大。2007、2011、2013年蔬菜的水足迹分别为277.45、262.67、218.45m3/t，单产分别为2.40、2.31、2.78t/hm2;2007、2011、2013年瓜果的水足迹分别为316.14、258.68、277.46m3/t，其单产分别为2.30、2.58、2.58t/hm2。
总体来说，白城市农作物水足迹中，绿豆、葵花籽水足迹较高;其次为其他谷物、大豆、谷子、烟叶、花生、小麦;甜菜、蔬菜和瓜果水足迹较低;水稻、玉米、土豆、高粱水足迹适中。
白城市农作物水足迹较高，尤其是蓝水足迹值较大。不同水文年型条件下，农作物水足迹差异明显，枯水年份农作物水足迹普遍增大。单产水平直接决定了白城市农作物水足迹大小。白城市气候干旱，降水量较少，水资源较为紧缺，农业水资源消耗量很大程度上决定了区域水资源科学合理利用程度。因此，必须采取有效措施，合理选择农作物种植结构，提升农业生产水平，降低水资源消耗，减轻农业对有限水资源的压力，实现良性水生态循环，促进区域农业绿色发展。
2.3白城市农作物水足迹效率
运用水足迹效率指标可更好地分析农业总产值与农作物水足迹关系，运用公式(8)计算得出2005～2016年白城市农作物水足迹效率(图3)。
12年间白城市农作物水足迹效率总体呈现下降趋势，说明白城市水资源利用效率在稳步提高。2014～2016年稍有回升，主要是由于农作物播种面积增加明显，产量较大，农作物总水足迹值较大，导致水足迹效率值有增长趋势。
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白城市农作物水足迹效率数值较大，水资源利用效率较低，12年间平均值为2469m3/万元，这与白城市水资源紧缺现状间产生极突出的矛盾。白城市农作物水足迹效率最小值为2013年的1357m3/万元，水足迹效率越高，说明水资源利用效率相对越高;最大值为2005年的4487m3/万元，水资源利用效率较低。
3结论和建议
3.1结论
(1)白城市农作物水足迹呈缓慢波动变化趋势。2007年水足迹总量最大，为3867.84m3/t;2013年水足迹总量最小，为1874.89m3/t。影响白城市农作物水足迹的主要因素为降水量和农作物单产量。不同水文年型条件下，农作物水足迹差异较明显，枯水年份农作物水足迹普遍增大。
(2)白城市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%。蓝水足迹和灰水足迹占比相对较高。
(3)白城市农作物水足迹差异较为明显。稻谷、玉米、大豆、花生、烟叶和甜菜的蓝水足迹都高于绿水足迹，其中稻谷蓝绿水足迹差异最大，蓝水消耗量较多。主要受单产水平影响，绿豆、葵花籽水足迹较高;其次为其他谷物、大豆、谷子、烟叶、花生、小麦;甜菜、蔬菜和瓜果水足迹较低;水稻、玉米、土豆和高粱水足迹适中。
(4)白城市农作物水足迹效率总体呈波动下降趋势，12年间平均值为2469m3/万元，最小值为2013年的1357m3/万元，最大值为2005年的4487m3/万元。白城市水资源利用效率不断提高，但数值仍然较大，需要进一步解决水资源短缺瓶颈。
3.2建议
(1)因地制宜，适当调整种植结构。从生态角度看，水稻属于高耗水作物，大面积种植水稻会加剧区域水资源短缺压力。农业农村部2019年《大豆振兴计划》指出，东北春播区应适当调减低产低质低效和地下水超采区的水稻种植，扩大大豆生产，推行大豆与玉米等作物合理轮作。2019年吉林省对各市县大豆、玉米种植分别给予265元/667m2、86元/667m2的补贴。作为大豆传统优势产区，2016年吉林省大豆播种面积仅为20万hm2，白城市仅有3369hm2，增长潜力较大。从水足迹视角看，白城市应逐步调整作物种植结构，适当减少高耗水作物的种植并寻求布局耗水少、虚拟水价值高的农作物，减轻水资源压力，实现可持续发展[9-10]。
(2)以科技为支撑，提高农作物单产量。这是减少农作物水足迹、提高水资源利用效率的最主要途径。白城市土地“三化”现象较为明显，气候干旱，长期以来“重用轻养”，化肥施用率较高，水土失衡严重。因此，要注重科学技术支撑实现农作物生产绿色高效发展，实施改良新品种、发明新技术、提高氮肥利用率、提升土壤肥力和增加农业现代化等各种措施，实现白城市乃至吉林省的粮食安全和生态安全[11-12]。相关研究表明，吉林西部通过构建“密植增产-秸秆深还-滴灌施肥”为核心的半干旱区玉米丰产增效绿色技术模式，与常规生产相比，可节肥19.1%，节水35.7%～41.7%，增产18.3%[13]。
(3)加强节水灌溉，实现水生态良性循环。白城市农业灌溉大量消耗水资源，尤其是地下水资源，因此，大力加强节水灌溉显得尤为紧迫。白城市是国家首批海绵城市建设试点城市之一，已经顺利通过国家验收，有效改善了白城市水生态环境，正在积极创建国家级节水型城市。国家“十三五”规划纲要中指出，在吉林白城等严重缺水区域，实施专项节水行动计划。在西部干旱区推广行走式节水灌溉技术;水稻生产中应用东北地区最新研发的寒地水稻控制灌溉技术，以期实现节水、高效、增产、减污的良性循环[14]。——论文作者：崔红艳
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