中国主要粮食作物的生产水足迹量化及评价

明确作物消耗单位水量所提供的营养物质差异对于引导节水型膳食结构和农业种植规划具有重要意义,水足迹为进行上述分析提供了有效的指标。本文基于水足迹理论,在量化中国大陆主要粮食作物重量、能量和蛋白质水足迹的基础上,评价了各作物间及区域间三种水足迹的差异性,探讨了粮食作物消费结构调整对生产端水资源消耗产生的影响。结果显示:各作物生产水足迹差异显著并且具有明显的区域分布特征,东北地区、黄淮海地区作物重量水足迹均较低,表明上述地区的水分利用效率较高;5种粮食作物中,玉米和小麦具有较低的能量水足迹,而大豆具有较低的蛋白质水足迹,表明在耗水量相同的情况下,玉米和小麦较其他作物能提供更多的能量,大豆能提供更多的蛋白质;不同粮食作物消费结构下的农业用水差异显著,通过调整作物消费结构,可以达到显著的节水效果。本研究结果可为解决未来粮食生产水危机提供一个潜在途径。     

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。     

水足迹研究进展及其对农业水资源利用的启示

在明确水足迹起源、概念的基础上,综合评述基于虚拟水理论的水足迹方法、生命周期评价和基于生命周期评价的水足迹方法。比较不同方法的特点及其研究意义,认为基于虚拟水理论的水足迹方法适用于区域层面,而基于生命周期评价的水足迹方法更适用于产品层面的研究;二者结合可为农业水资源可持续利用提供从区域到产品尺度的研究方法及思路。     

水账户方法及其在流域水分生产率分析中的应用

引入水账户理论和方法,以研究流域水资源的利用状况。介绍了水账户的概念体系、基本数学表述、尺度和平衡要素。该方法根据水平衡原理,对流域内不同用途的水进行分类。通过分析水资源在生态经济系统中的流向、流量和存量等的变化过程,完整地呈现研究区内的所有用户,以便分析提高可用水量的途径及节水的可能性。应用该方法对黑河流域中游张掖市水资源利用情况的分析表明,研究时间内田间尺度所有可用水均被损耗殆尽,导致土壤水储量减少,减少水分的无效损耗量是提高灌区水资源利用率的重要措施。从流域尺度上看总入境水量中92.6%被损耗利用,该市的水资源利用处于不可持续的极限状态。最后讨论了不同尺度水分生产率转化、农业节水措施选择、流域生态健康与水利用效率的关系等,指出仅提高渠系利用率和渠道衬砌率等措施不能从根本上提高水分生产率,水利用效率的提高应以全流域水利用效率为指标。     

去区域气候变异的农业水资源利用效率研究

农业水资源利用效率可用作物耗水量与总供水量(包括灌溉输水量和降水量)的比值表示。气象因子直接影响着作物耗水量和总供水量,但是气象因子对两者的影响程度不同,因此区域的气候差异造成的作物耗水量和总供水量的差异,在一定程度上影响着农业水资源利用效率。提出了一种去区域气候变异的农业水资源利用效率指标,以2004年为基准年,计算了全国的农业水资源利用效率,并分析了其主要影响因素。研究结果显示全国的水资源利用效率总体上从北至南呈下降的趋势。水资源利用效率随着农业水资源亏缺度和节水灌溉面积的增加而增加,随着灌溉水量的增加而降低。     

基于水足迹的宁夏平原农作物生产用水分析

引入水足迹的概念和计算方法,对宁夏平原农作物生产用水状况进行分析,结合农业发展规划,对种植结构调整后的农业用水量和用水效率进行了分析.结果表明:2004年宁夏平原农作物生产用水总量为26.28亿m3,被作物有效吸收利用的引黄灌溉水量为22.37亿m3,占农作物生产用水总量的85.14%;由降水形成的土壤"绿水"利用效率为14.86%,"绿水"利用量远小于灌溉"蓝水"利用量;种植结构调整可减少区域农作物生产用水总量,使"蓝水"利用效率提高、"绿水"利用效率下降,还可促进区域粮食水分生产率的提高.     

基于作物耗水定额控制的灌溉管理模型

海河流域水资源供需矛盾突出,其中农业灌溉所占用水量和耗水量比例最大,而其水分利用效率相对偏低,因此节水潜力较大,为合理调控区域灌溉用水,本文将田间试验观测为基础的灌溉节水理论和方法与遥感数据反演区域耗水(ET)的点面优势相结合,提出了基于作物耗水定额管理的农业灌溉管理模型,通过控制区域上的作物耗水量分布,促进区域灌溉水资源的合理调配和利用,实现资源性节水。模型主要功能包括遥感反演数据统计分析、区域耗水目标分解、作物ET定额分配、种植结构调整、节水潜力分析以及净灌溉需水量估算。可实现从区域综合耗水控制目标向主要作物ET定额的分解,并转化为灌溉用水管理中可控制的灌溉定额,通过逐年设置主要作物的ET控制定额和种植结构情景方案,分析区域的节水潜力,消除奢侈耗水,实现不同水文年和耗水控制阶段目标下的灌溉定额管理,为区域灌溉水管理提供技术支持。     

基于农作物水足迹的济南市农业用水评价

水足迹是评价一个地区水资源利用模式以及消费模式的新方法。基于水足迹理论,计算了1997-2013年济南市农作物用水量、进出口虚拟水量、水足迹值,分析了济南市农业水资源状况与农业水资源安全状况。结果表明:济南市水足迹组成中绿水、蓝水、灰水足迹均呈现逐年增加趋势;农产品水足迹中小麦、玉米、蔬菜3类作物对济南市农业具有支撑作用;农业水安全方面,济南市多年平均水资源匮乏度为536%,水资源压力指数高达789%,农业人均水足迹为717.9 m~3。总而言之,济南市农业水资源压力巨大,水资源匮乏严重,需要提高当地水资源的可调蓄性,优化种植结构与虚拟水进口种类,强化节水工作。     

水资源利用与经济发展协调关系探析

为了研究区域水资源利用与经济发展的协调性,基于水足迹理论,计算了连云港市2008—2017年10年的水足迹和相关评价指标的值,并构建脱钩评价模型,从宏观层面探索连云港市水资源利用与经济发展的协调性关系。结果表明,2008—2017年期间,连云港市人均水足迹在1. 01 hm~2上下波动,农业用水是水足迹的主要组成部分;仅考虑本地水资源,水资源压力指数较大,连云港用水主要依靠外调水;从水资源利用效率来看,10年间水资源利用效率不断提高,水资源利用与经济增长基本处于协调发展阶段。     

水生态文明建设背景下长江经济带水足迹变化研究

水生态文明是生态文明的重要组成和基础保障。在水生态文明建设背景下,调查2007年、2012年和2017年长江经济带各省市生产、生活、生态用水量和进出口贸易等数据,核算区域水足迹总量构成及变化,分析区域水足迹供需结构演变,评价区域水资源压力和用水效率。结果表明,水生态文明建设后,长江经济带水足迹增速下降明显,水足迹总量得到了有效控制,其中中部三省的节水效果最为明显。水足迹存在明显的人口和经济规模效应。农业用水是水足迹的主体部分,生态用水所占比重较小,虚拟水贸易的消减效应逐渐减弱。工业用水的节水效应较为明显,而农业和生活用水的效率需进一步提高。区域水资源以自给为主,东部省市水资源进口依赖度高于西部和中部省市。区域水资源需求量稳中有升,需求结构保持相对平稳。区域水资源压力总体较小,水资源承压情况由西向东逐渐增加。区域用水效率逐步提升,中部和西部省市用水效率明显改善。该研究能够作为最严格水资源管理制度“三条红线”的补充,为长江经济带水资源开发利用和保护提供参照。     

基于多源遥感数据和水量平衡原理的灌溉用水量分析

农业灌溉水量估算和区域农业用水的校核是用水统计、监管的难点。现行基于典型调查和定额推算的方法依赖统计人员经验,易受人为因素干扰,准确性难以控制;采用基于水量平衡的灌溉用水推算方法时,区域蓄水变量和耗水量等要素仅依靠传统地面监测条件难以获取。遥感技术能够解决水量平衡方程中区域蓄水变量和蒸散发的估算问题,可以提高水量平衡方法在计算灌溉用水中应用的可行性,但大多数遥感产品存在区域适用性和精度的问题,需要将多种产品结合,通过相互校验和组合控制误差;此外,遥感产品与水量平衡要素之间还存在一定程度的概念差异,需要进行匹配与转换。本文构建了一种基于多源遥感数据和水量平衡原理的灌溉用水分析方法,利用区域水量平衡方程检验多源遥感数据的一致性和可靠性,建立遥感数据与水量平衡要素的对应关系,选取合理的区域蒸散发数据,再利用田间水量平衡将总蒸散发分解为降水蒸散发和灌溉蒸散发,推算得到灌溉耗水量和灌溉用水量的合理范围。应用本文提出的方法进行山东省济南市2012—2015年灌溉用水分析,并与济南市水资源公报统计的农业用水进行对比,结果表明:在降水量接近多年平均的2012、2013、2015年,二者结果较为接近;在干旱的2014年,本文的分析结果与公报结果相差较大。结合同期农田作物长势、区域地下水位变化分析,认为该年份存在较大的灌溉用水,本文结果比较合理。本文方法可为校核区域灌溉用水统计数据的合理性提供技术支撑。     

基于减少水足迹的水资源管理措施

水足迹是衡量人类真实水资源需求的概念,因此通过水足迹研究,能够寻找调整水资源消费模式的切入点,并据此采取相应的措施减少水足迹,提高水资源利用效率。基于上述理论,提出了减少水足迹的水资源管理措施:提高工业用水效率,调整产业结构和消费模式,发展虚拟水贸易,可以直接降低区域水足迹;提高灌溉水有效利用率,提高绿水利用率可以降低农业水足迹;通过加强非传统水资源特别是再生水、海水、雨水的利用,可以提高水资源重复利用,间接降低水足迹。因此建议在流域上利用水足迹理论,将水资源和生态系统整合起来,进行水资源管理。     

基于水文-作物耦合模型和CWAPI指数的农业干旱评估

基于模拟土壤含水量构建的干旱指数可反映农业干旱的时空发展过程,已被广泛用于大范围农业干旱评估中。当前模拟用于干旱评估的土壤含水量时,常采用水文模型进行模拟。然而,水文模型常过于简化作物模块甚至缺少作物模拟方案,无法模拟作物需水量,因此仅基于土壤含水量构建的土壤干旱指数因忽略作物需水而难以准确评估实际的农业干旱情况。研究构建了考虑灌溉过程影响的水文-作物耦合模型VIC-EPIC（Variable Infiltration Capacity-Environmental Policy Integrated Climate）,提出了基于VIC-EPIC模拟作物需耗水过程的作物缺水距平指数CWAPI（Crop Water Anomaly Percentage Index）,在青口河流域开展了区域农业干旱评估方法研究。验证分析表明,构建的CWAPI因考虑作物需水影响可直接反映作物的缺水状态和缺水对作物生长的累积影响;由于在干旱评估中引入了作物种植比例、轮作类型和灌溉的影响,CWAPI能够较SMAPI（Soil Moisture Anomaly Percentage Index）更客观地反映区域作物旱情。因此评估农业干旱时,需要考虑作物种植比例、轮作和灌溉过程的影响。     

应用遥感监测ET技术实现北京市农业用水的可持续管理

地表蒸腾蒸发值(ET)是北京市农业用水最主要的消耗量,利用遥感技术监测ET值不仅可以制定合理的区域灌溉用水定额,提高地表与地下水的监测与管理水平,而且可以对农业用水效率、灌溉管理、节水效果做出切合实际的评价,同时可为政府部门进行流域水资源管理和区域水资源利用规划提供决策依据。     

从土壤水动力学到生态水文学的发展与展望

在20世纪80年代,土壤水动力学成为我国水文水资源领域的一个新兴研究方向。在此后的30多年中,土壤水动力学得到了巨大发展,并对我国农田水利、水文水资源等领域的科学与技术起到了巨大的推动作用。以土壤水动力学为基础,逐步认识了非饱和土壤中水分与热量、溶质等耦合运移机理与规律,在20世纪90年代发展了土壤-作物-大气之间的水热交换和传输理论(即土壤-植物-大气连续体理论,简称SPAC理论)。以SPAC理论为基础,农田作物模型得到了快速发展,成为本世纪研究气候变化对农业水资源和粮食生产影响的主要工具。与此同时,从农田到区域的水转化机理与规律、不同尺度的农业用水效率、以及水资源开发利用的生态和环境影响等基础科学问题和生产实践问题逐渐被重视,从而形成了新的交叉学科——生态水文学。生态水文学以水分-能量-物质耦合循环的动力学过程为基础,注重区域气候-植被/作物-水文相互作用的基础科学问题,旨在为区域水资源、生态和环境评价与管理提供科学依据。     

鲁北地区秸杆覆盖对冬小麦需水量、作物系数及水分利用效率的影响

作物系数和需水量是制定作物灌溉制度和计算区域水资源平衡的重要参数,不同气候和不同栽培条件下作物系数和需水量会发生变化。通过大田试验,以Penman-Monteith公式计算小麦播种~成熟期间参照作物蒸散量,并利用农田水量平衡方程及土壤水分胁迫系数计算作物实际蒸发蒸散量,进而对小麦秸杆覆盖和露地栽培条件下各生育阶段的作物系数进行计算。结果表明,鲁北地区小麦秸杆覆盖栽培比露地栽培生育期内作物需水量减少40.3 mm,作物系数降低9.1%,水分利用效率增加18.0%。冬小麦产量提高10%左右。