水足迹核算及作物耗水量研究

人类几乎所有的活动都需要陆地的淡水。海洋中的咸水并不能直接用于饮用、洗漱、做饭、灌溉和绝大部分工厂的生产。海水通过净化可以被利用，但是成本高、能量消耗大，仅适合小规模应用。此外，海水分布在海岸边，而大量水资源的需求地在内陆，因此运输上也是一个大问题。总之，人类依赖陆地的淡水资源。虽然水资源是循环的，陆地的淡水资源可以不断更新补充，但是可利用的淡水资源是有限的。人们每年都需要一定的生活、农业和工业用水，但使用的水量不能超过年更新补充水量。因此我们应关注的主要的问题是：一段时间内，可利用的淡水资源有多少？人们实际用了多少？水足迹核算可以解决后半个问题。水足迹反映了人类使用的淡水量。

单一过程的水足迹是所有水足迹核算的基础（图4-1）。中间或最终“产品”（商品或服务）的水足迹是该产品所有生产过程的水足迹的总和。消费者消费的各种产品的水足迹影响着个体消费者的水足迹。消费群体的水足迹，如市、省、州或国家的消费者群体水足迹，是该群体所有个人消费水足迹的总和。生产者或企业的水足迹等于生产者或企业所生产的产品水足迹总和。省、国家、流域等地理区域内的水足迹等于发生在这个地域内所有过程的水足迹总和。人类的总水足迹等于世界所有消费者的水足迹总和，等于每年消费的最终商品和服务的水足迹总和，也等于世界上所有水消耗或污染过程的总和。下面重点介绍作物或树木生长的绿水、蓝水和灰水足迹核算（Hoekstra，2012）。

图4-1　过程水足迹是所有水足迹核算的基础

1.作物或树木生长的绿水、蓝水和灰水足迹核算

许多产品的原料都来自农业或林业。作物可用作食品、饲料、纤维、燃料、油、肥皂、化妆品等。乔木和灌木可用作木材、纸张和燃料。由于农业和林业是主要的耗水部门，因此与农业和林业生态系统相关产品的水足迹比较大，也比较重要。此类产品都与作物或树木生长的水足迹密切相关。下面介绍如何评价作物和树木生长的水足迹。该方法适用于一年生和多年生作物，树木可以被看作一种多年生的作物，也包括用于生产木材的“树”。

作物或树木生长的总水足迹是其绿水、蓝水和灰水足迹之和。

作物或树木生长过程的绿水足迹等于作物耗水中的绿水量除以作物产量。蓝水足迹的计算也类似。

一年生作物的产量可以从产量统计中得到。对于多年生作物，可以采用作物生长期内的平均年产量。多年生作物种植第一年的产量很低或为零，几年之后产量增高，随着作物的寿命结束产量又降低。作物的耗水变化过程与产量类似，水足迹核算时应该计算作物生长期的平均年耗水量。

作物或树木生长过程的灰水足迹计算公式为

其中，AR为每公顷土地的化肥施用量；α为淋溶率（进入水体的污染量占总化学物质施用量的比例）；Cmax为最大容许浓度；Cnat为污染物的自然本底浓度；Y为作物产量。

污染物通常包括化肥（氮、磷等）、除草剂和杀虫剂。计算时仅需考虑进入淡水体的“废水流”，通常指土地中施用化肥或杀虫剂进入水体的比例。一般来说，只需计算最关键的污染物，即产生最大灰水足迹的污染物。

作物耗水的绿水和蓝水部分等于整个生长期每日蒸散发的积累，即

其中，ETgreen为绿水蒸散发量；ETblue为蓝水蒸散发量。常量因子10是将水的深度转化为单位陆地面积的水量单位的转换系数。总和∑ET求的是从种植日期（第一天）到收获日期的积累量（lgp表示生长期的长度，以日计量）。不同作物生长期的长度差异很大，对作物耗水的影响非常明显。对长久生（多年生）作物和森林来说，全年都在进行蒸散发。此外，要想计算多年生作物和树木在整个生长周期内的蒸散发的变化，研究者应当对作物或树木整个生命周期的年平均蒸散发进行研究。假设某一多年生作物生命周期为20年，从第6年开始提供产量。在这种情况下，用作物20年的耗水量除以15年的总产量得到单位质量产品的水足迹。作物“绿水”消耗指在生长期田间总雨水蒸散发量；作物“蓝水”消耗指用于田间灌溉的蒸散发量。

通过经验公式模型可以估算蒸散发量。直接测量蒸散发的成本较高，也非常罕见。研究者通常以气候、土地类型和作物特征作为输入数据，利用模型间接估算蒸散发。模拟ET和作物生长的方法和模型有很多。常用模型是EPIC（Erosion-Productivity Impact Calculator model）模型（Williams et al.，1989；Williams，1995），以及基于地理信息系统的GEPIC（an extension of original EPIC，was developed linking ArcGIS［a Geographic Information System］）模型（Liu et al.，2007）。联合国粮农组织（FAO）开发的以Allen等（1998）提出的方法为基础的CROPWAT模型（FAO，2010b）也是常用的模型。另一种模型为AQUACROP模型，FAO新推出的以水分为驱动的作物生长模型，专门用于模拟缺水状况下的作物生长和ET（FAO，2010e）。

CROPWAT模型为计算蒸散发提供了两种不同的方法：“作物需水量法”（假设最适宜的生长条件）和“灌溉制度法”（包括实际灌溉供给的可能性）。建议采取第二种方法，因为它同时适用于最适宜和非最适宜生长条件的模拟，也更为准确（该模型包括土壤水分动态平衡）。

计算作物生长的绿水、蓝水和灰水足迹需要大量的数据源，一般来说最好使用相关作物的当地数据。大多数情况下，收集当地详细的数据非常困难。如果只是粗略的计算，可以考虑采用研究地周边、所在地区或是国家的平均数据，因为这些数据比较容易获得。

水足迹核算需要的主要数据包括：气候数据、作物参数、作物产量、土壤数据图、灌溉分布图、化肥施用率、杀虫剂施用率、淋溶率、环境水质标准、受纳水体的自然本底浓度和受纳水体的实际浓度。

气候数据，应使用离田地最近的、最具代表性的或在农田生产区域的气象观测站的气象数据。当区域内有多个气象观测站时，可以根据每个站点的数据都计算一次，然后比较和权衡计算结果。气象数据库CLIMAT2.0（FAO，2005）提供了CROPWAT8.0模型所需的气象数据。

作物参数，包括作物系数和种植模式（种植和收货日期），最好采用本地数据。作物的品种及其最适宜生长期取决于气候及其他因素，如当地的习俗、传统、社会结构、现有法规和政策。因此，最可靠的作物数据来源于当地的农业研究站。可利用的全球数据库有：Allen等（1998）、FAO（2010）、美国农业部（USDA）（1994）、FAO的全球信息网以及预警系统提供的发展中国家主要作物历。

2.CROPWAT模型计算作物蒸散发的两种方法

（1）作物需水量法

作物生长期的蒸散发可以用联合国粮农组织的CROPWAT模型来估算（FAO，2010b）。该模型提供了两个备选方案。最简单但非最准确的方案是作物需水量法，该选项假设作物生长过程不受水分的限制，计算：①在特定气候条件下生长期作物需水量（CWR）；②同期的有效降水；③灌溉蓄水。

作物需水量是在理想的生长条件下，作物从种植到收获所需的蒸散发量。“理想条件”是指降水或灌溉能保证充足的土壤水分，而不会因为水分限制而影响作物生长或作物产量。作物需水量由参照作物蒸散量（ET0）乘以作物系数（Kc）计算而得：CWR=Kc×ET0。假设作物需水量得到充分满足，作物的实际蒸散发将等于作物需水量：ET=CWR。(www.xing528.com)

参考作物蒸散量ET0来自于不缺水参考地表的蒸散发。参考作物是假设具有特定标准特点的大的绿草覆盖面，所以影响ET0的唯一因素是气候参数。ET0表示在特定的地点和时间，在不考虑作物特性和土壤因素条件下的空气蒸发能力。作物在理想条件下的实际蒸散发完全不同于参考作物蒸散量，作为地表覆盖物，作物实际的冠层特性和空气动力学特性完全不同于作为参照作物的草本植物所具有的相应特性。作物和草之间的特征差异可以用作物系数Kc表示。作物系数的变化取决于作物生长期的长短。不同生长期作物系数的取值可参考相关文献（Allen et al.，1998）。还有一种可选方法，Kc为Kcb与Ke之和，其中，Kcb为基本作物系数，Ke为土壤蒸发系数。基本作物系数是指当土壤表面干燥但处于潜在蒸腾阶段（水分不限制蒸腾）时作物蒸散发和参考作物蒸散量的比率（ETC/ET0）。因此，Kcb×ET0主要表示的是ET0的蒸腾部分，但蒸散发包括干燥地表和茂密植物下土壤水分的蒸发。当地表因降水或灌溉湿润时，Ke是最大的；当地表土壤表层没有水分维持其蒸腾而干燥时，Ke很小甚至为0。不同的灌溉技术会有不同的土壤表层湿度。例如，喷灌湿润土壤的能力比滴灌强，会在灌溉之后直接产生更高的Ke也会产生更高的ETc。因此CROPWAT模型并没有分别详细地考虑Kcb和Ke，它只要求Kc的详细数值。此外，Kc没有日值，只能分为作物生长的三个不同时期。因此CROPWAT只能通过粗略的调整Kc来反映不同灌溉技术使用的效果。平均来说，灌溉技术使土壤湿润则Kc的值有更高的趋势。作为CROPWAT的备选，人们可以选择使用AQUACROP（FAO，2010e），这是一个作物模型，它可以更好地模拟在水分胁迫条件下的作物产量，它也可将Kcb和Ke分离。

有效降水（Peff）是总降水的一部分，它留存在土壤中，为作物提供潜在的可利用水分。有效降水常常小于总的降水，因为不是所有的降水都会被作物所利用，如降雨可转化为地表径流或者土壤入渗（Dastane，1978）。有许多不同的方法可以根据总的降水估计有效降水。Smith在1992年提出了USDA SCS方法（该方法由美国农业部土壤保护局提出），这种方法是CROPWAT的四个可选方法之一。

灌溉需求（IR）由作物需水和有效降水之间的差值算出。如果有效降水大于作物需水量，灌溉需求为0。绿水蒸散发（ETgreen），也就是降水的蒸散发，等于总作物蒸散发（ETc）与有效降水（Peff）的较小值。蓝水蒸散发（ETblue）也就是农田灌溉用水的蒸散发，等于总作物蒸散发减去有效降水（Peff）。但当有效降水超过作物蒸散发时，其值为0。

灌溉需求（IR）、绿水蒸散发（ETgreen）和蓝水蒸散发（ETblue）用公式表示如下：

（2）灌溉制度法

作物生长时期的绿水和蓝水的蒸散发可以用FAO的CROPWAT模型来模拟（FAO，2010b）。该模型提供了两个备选方案。其中考虑到作物生长期的实际灌溉的“灌溉制度法”比“CWR选项”更精确却并不复杂多少，该模型不采用有效降水概念。作为替代，该模型包括土壤水分平衡。因为这个原因，该模型要求输入土壤类型数据。所计算的蒸散发叫作ETa，其所计算的作物蒸散发在非理想条件下会小于ETc。ETa等于理想条件下作物蒸散发（ETc）乘以水胁迫系数（Ks）：

水胁迫系数Ks描述水分胁迫对作物蒸腾的影响。当存在土壤水分限制条件时，Ks＜1；当没有土壤水分胁迫时，Ks=1。作物系数Kc与“CWR选项”中描述的定义一致。

雨养条件可以通过假定灌溉深度为零来模拟。在雨养条件下，绿水蒸散发（ETgreen）等于模型模拟的总蒸散发量，而蓝水蒸散发（ETblue）等于0。

灌溉条件下可以通过明确灌溉方式进行模拟。灌溉时间和制度可以根据实际的灌溉策略来进行选择。默认的选择为“关键期灌溉”和“回补到最大田间持水量”，假定“优化”灌溉，使最大灌溉间隔能最大限度地避免作物生长胁迫。平均的灌溉深度是与灌溉方法相关的。一般来说，在高频灌溉系统中，如微灌系统和喷灌机，大约每次灌溉10mm或者更少。在漫灌和喷灌条件下，灌溉深度为40mm或者更深是很常见的。在选定灌溉模式后运行模型，在模型的输出结果中，作物在生长期总的水分蒸散发（ET0）等于所谓的“作物的实际用水”。蓝水的蒸散发（ETblue）等于“总的净灌溉”和“实际的灌溉需求”两者中的较小值。在灌溉条件下，绿水的蒸散发（ETgreen）等于总的水分蒸散发（ETa）减去蓝水的蒸散发（ETblue）。

另外，模型还可运行两种情景：有灌溉和无灌溉。在这两种情景下，应选择有灌溉条件下的作物特性（如根的深度），因为在灌溉条件和雨养条件下这些作物的特性会有不同。绿水在灌溉条件下的蒸散发可以通过假定其等于在无灌溉情境下总的蒸散发来估计。蓝水的蒸散发可以通过在灌溉情景下的总的蒸散发减去无灌溉情景下的绿水蒸散发来计算。

值得注意的是，在作物的整个生长期中，蓝水的蒸散发总体上是少于实际的灌溉量的，其差值为灌溉用水从田间渗透到地下水的水量或者田间径流。

3.消费者的水足迹

消费者水足迹指生产消费者消费的所有产品和服务所需的淡水消耗量和污染量。消费者群体的水足迹指该群体所有个体的消费者水足迹的总和。

（1）计算

消费者水足迹等于该消费者直接水足迹和间接水足迹之和，即

直接水足迹指在家或是在花园中的淡水消耗量和污染量；间接水足迹指与消费者消费的商品和服务相关的淡水消耗量和污染量，也就是在生产如食物、衣服、纸张、能源和工业产品等消费产品中使用的水。间接用水等于消费所有产品的量乘以各自的过程水足迹，即

其中，C（p）为产品的消费量；WF*prod（p）为该产品的水足迹。

消费的p的总量一般来源于x个不同的地区。产品p的平均水足迹核算如下：

其中，C（x，p）为来自产地x的产品p的消费量；WFprod（x，p）为来自产地x的产品p的水足迹。可根据研究的详细程度选择消费品产地追踪的精细程度。如果不能或是不想追踪消费品的产地，就只能使用全球或国家水平的消费品平均水足迹。然而，如果选择追踪消费品的原产地，就可以得到空间分布精度很高的产品水足迹。

最终私有商品和服务的水足迹将全部分配给相应的消费者。公共和公用的商品和服务的水足迹则应按照消费个体所占的份额进行分配。