山西省粮食生产水足迹时空特征及水资源利用评价.pdf
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1、 收稿日期:基金项目:中国科学院战略性先导科技专项(类)()作者简介:邓祥征(),男,山东日照人,研究员(二级),博士生导师,主要从事资源环境管理与发展地理学及相关领域的研究工作:【“黄河流域生态保护和高质量发展”专题】山西省粮食生产水足迹时空特征及水资源利用评价邓祥征,王文宣,李志慧,(中国科学院 地理科学与资源研究所,北京;中国科学院大学,北京)摘 要:山西省粮食生产在黄河流域乃至全国极具特色,其少主粮、多杂粮的特殊作物种植结构对实现区域稳粮保供和推动农业特色产业高质量发展发挥了重要作用。针对山西省粮食生产过程中的水资源利用问题,评估了 年山西省各地级市粮食生产面临的水资源稀缺状况,核算了
2、不同粮食生产结构下水足迹的时空分布变化,测评了粮食生产水资源利用效率,从粮食生产水资源利用的稀缺压力、足迹状态和效率响应维度构建三维分析框架,提出山西省各地级市兼顾粮食生产和水资源优化利用的措施。结果表明:)年山西省水资源稀缺状况总体得到改善,水稀缺指数由 年的 下降至 年的;)粮食生产水足迹总量下降了,而高粱、谷子、薯类等杂粮和新主粮作物的水足迹占比从 年的 上升至 年的 左右;)粮食生产水足迹总量呈现“北低南高,东低西高”空间特征,晋西南地区平均年水足迹总量在 亿 以上,是区域粮食生产水足迹总量最高的地区;)粮食生产的水资源利用效率有所提高,以上的地区在粮食生产过程中实现了水资源有效利用。
3、关键词:粮食生产;水资源;水足迹;水效率;山西省中图分类号:文献标志码:引用格式:邓祥征,王文宣,李志慧山西省粮食生产水足迹时空特征及水资源利用评价人民黄河,():,(,;,):,),),)“,”,),:;水资源是农业生产中最重要的基础性资源之一,是保障粮食生产和维护国家粮食安全的基本支撑。我国农业生产用水量超过我国总用水量的,水资源的短缺、供需矛盾等问题长期以来限制了农业生产和发展。黄河流域是我国重要的粮食生产基地,水资源季节短缺、时空错配等问题在一定程度上影第 卷第 期 人 民 黄 河 ,年 月 ,响了粮食生产和区域生态环境改善,制约了区域农业高质量发展。相较于黄河流域其他省区,山西省粮食
4、产量和种植面积较小,但其少主粮、多优质杂粮的独特粮食生产结构,对实现稳粮保供、丰富我国粮食种植结构起到很好的调节作用。水资源短缺、用水效率低下等问题同样是当前山西省粮食产业发展亟待解决的关键问题。水足迹是一种描述世界淡水资源消费状况的指标,常表征人类对水资源直接和间接的需求与影响。基于虚拟水的理念,等将其定义扩展到生产产品和服务所需的水量。水足迹的概念和测算方法已在国家和区域的水资源利用评估研究中被广泛应用。高甜等通过计算黄河流域粮食生产蓝水足迹、绿水足迹和虚拟水足迹,指出山西省粮食水足迹偏低,粮食生产面临中等缺水压力。通过使用自下而上的核算方法,王宁等认为山西省农业水足迹相对低,但农业水足迹
5、在水足迹总量中占比较高,达到。马海良等采用自上而下的核算方法对山西省水足迹进行核算,发现山西农业水足迹占总量的,种植业的占比高于畜牧业,而粮食作物的比重大于经济作物。在具体作物方面,孙世坤等使用 模型对小麦、玉米、水稻等作物的水足迹进行分析,提出降低作物生产水足迹能使农业水资源得以高效利用,是保障中国粮食安全的重要途径。吴普特等使用 种作物生产水足迹量化方法,对小麦水足迹进行量化。卓拉等基于能值分析法,对黄河流域 个省区的玉米和小麦生产的蓝绿水资源利用进行评估,发现粮食生产水资源利用效率有所提升。综合上述研究,当前粮食生产水足迹研究集中在省级尺度和主粮作物上,针对城市尺度和有区域特色作物的水足
6、迹研究相对较少。针对更精细的时空尺度,纳入具有区域特色的粮食作物,量化不同粮食生产结构的水足迹时空变化特征,可为区域水资源利用政策和农业结构调整提供科学的理论支持和决策依据。随着黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的提出,黄河流域区域用水超载、产业高质量发展水平较低、行业用水效率低下等问题,成为被关注的重点议题。近年来,山西省以乡村振兴为抓手,加强农业现代化顶层设计,推动全省农业高质量发展。在当前保障国家和区域粮食安全与黄河流域高质量发展背景下,针对性地关注区域粮食生产用水情况,优化水资源消费结构和提升水资源利用效率具有较强的现实意义。本研究以黄河流域粮食生产极具旱作农业特色的山西省为案例
7、,兼顾水量和水质双重影响计算 年山西省各地级市水资源稀缺指数,评估区域水资源压力状况;核算 年 种主要粮食作物(小麦、玉米、谷子、高粱、豆类、薯类)生产的蓝水、绿水和综合水(蓝水绿水)足迹,分析山西省粮食生产水足迹的时空分布特征;评测 年山西省粮食生产水资源利用效率,揭示各级地市农业水资源生产率的差异;从水资源稀缺(压力)、水资源足迹(状态)、水资源效率(响应)个维度对山西省各地级市农业水资源利用状况进行评价,以期为推动山西省农业节水和可持续发展、促进旱作农业高质量发展提供科学参考。研究区概况山西省地处黄河流域中游,地跨黄河、海河两大水系,位于黄河“几”字弯东端,耕地面积 万。黄河干流流经忻州
8、、吕梁、临汾、运城 个市 个县,在山西境内长度为 。黄河流域在晋面积 万,覆盖山西省全部 个地级市,涉及的县级行政区,占黄河流域总面积的。山西省地势东北高西南低,山地丘陵面积占全省面积 以上,年降水量 ,属温带大陆性气候区。山西省地势及 年土地利用情况见图。图 山西省地势及 年土地利用情况山西省粮食生产在黄河流域乃至全国极具特色,受地形高程和气候条件限制,小麦、稻谷等主粮的生产能力偏低,自给率不足。独特的自然条件适宜生产谷子、高粱、藜麦等小杂粮,区域年均调出量近 万,是我国传统旱作农业的典型代表,其少主粮、多杂粮的特殊作物结构对实现区域稳粮保供和推动农业特色产业高质量发展发挥了重要作用。同时,
9、山西省也是我国重要的能源资源富集区、水土保持功能区,还是黄土高原生态安全的重要屏障,在黄河流域高质量发展中占据重要地位。研究方法与数据来源 水资源稀缺性测度考虑水资源利用和生态系统保护之间的平衡,基于水量评价的水稀缺指数 计算公式如下:()式中:为部门 的用水量;为水资源可利用量;人 民 黄 河 年第 期为生态环境所需水量,参考黄河流域的研究成果,在这里被定义为水资源可利用量的。进一步考虑水质对水稀缺性的影响,采用稀释法将水质不达标的用水量转化为所需的额外用水量,与水资源可利用量进行比较。基于水质评价的水资源稀缺指数 是指保障水质情况下所需用水与水资源可利用量的比例,计算方法如下:()(,)(
10、),(,)(,)(,)()式中:为部门 获得可接受质量用水而稀释所需的额外用水量,为基于水质参数 的部门 的稀释水量,为水质参数 的实际值,为部门 所需水质参数 的阈值。综合考虑水量和水质的水稀缺指数 计算方法如下:()粮食生产水足迹计算粮食生产水足迹是单位粮食作物生产过程中消耗的水 资 源 量,包 括 绿 水 足 迹()、蓝 水 足 迹()和灰水足迹(),参考 等提出的水足迹计算方法,以及水足迹评价手册中关于灰水足迹的计算方法,粮食生产水足迹计算公式如下:(,)(,)()式中:、分别为作物蒸发蒸腾中来自降水、灌溉的水量;为作物单位面积产量;为单位转换系数;为 作 物 蒸 发 蒸 腾 量,根
11、据 作 物 系 数 和公式基于气象数据计算得到;为有效降水量;为灌溉水输配过程中的水面蒸发损失量。()()()式中:为进入水体的污染物量占总化学物质施用量的比例,为化学物质施用率,为水体的最大污染物容许浓度,为污染物的自然本底浓度。粮食生产水资源利用效率评价数据包络分析(,)模型是一种非参数技术效率的分析方法,以投入产出数据为基础,可以实现对同类型可比较决策单元的有效评价,在产业经济、区域发展、资源利用等的效率评估方面应用广泛。本研究采用 改进的超效率()模型,引入的非期望产出提高了模型的严谨性,非径向、非角度地对多个决策单元进行决策评价。每个决策单元有 种投入(,)、种期望产出(,)和 种非
12、期望产出(,)。()()(,)(,)(,),式中:为粮食作物生产水资源利用效率,、分别为投入冗余、期望与非期望冗余的松弛量,为求解参数。当 时,表明决策单元具有效率;当 时,表明决策单元存在效率损失现象。在投入产出指标的选择中,考虑粮食生产过程对水资源的需求以及指标选择的代表性和可获得性,选取农业用水量、农业从业人员数量、有效灌溉面积、农业机械总动力、化肥施用量作为投入指标,粮食产量和粮食生产灰水足迹分别为期望产出和非期望产出。数据来源山西省各地级市与粮食生产相关的投入和产出数据(如粮食播种面积和产量、农业从业人口、灌溉面积、农业机械总动力等)来源于山西省及各地级市统计年鉴,水资源总量及各部门
13、利用数据和水质数据来源于山西省水资源公报,气象数据(如气温、降水、风速和日照时数)来源于中国气象数据网(:),作物系数和生育期参考联合国粮农组织数据库。灰水足迹计算使用最大容许浓度与自然本底浓度方法,采取中华人民共和国地表水环境质量标准()中类水标准。结果与分析 山西省各地级市水资源稀缺状况在本研究中,根据水稀缺指数将缺水情况分为人 民 黄 河 年第 期 个级别:低()、中,)、高,、严重()。年山西省各地级市水稀缺指数变化如图 所示。从全省来看,年山西省水资源稀缺状况总体上趋于改善,水稀缺指数由 年的 下降至 年的,但随年份波动情况较为显著,部分年份水资源稀缺状况依然严峻,年和 年稀缺等级达
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