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2022 , Vol. 37 >Issue 10: 2750 - 2762

DOI: https://doi.org/10.31497/zrzyxb.20221019

其他研究论文

水足迹视角下黄土高原经济林果扩张的水安全风险分析——以苹果种植为例

  • 田嘉欣 , 1 ,
  • 党小虎 , 1 ,
  • 杨志 2 ,
  • 李鹏 3 ,
  • 曹小曙 4 ,
  • 樊良新 5 ,
  • 李霖 1
展开
  • 1.西安科技大学地质与环境学院,西安 710054
  • 2.宁夏回族自治区水土保持监测总站,银川 750002
  • 3.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,西安 710048
  • 4.陕西师范大学西北国土资源研究中心,西安 710119
  • 5.河南理工大学测绘与国土信息工程学院,焦作 454000
党小虎（1968- ）,男,宁夏隆德人,博士,教授,研究方向为生态经济、生态修复与水土保持。E-mail:

田嘉欣（1996- ）,女,山西忻州人,硕士,研究方向为区域生态环境及可持续发展。E-mail:

收稿日期: 2021-10-25

  修回日期: 2022-04-07

  网络出版日期: 2022-12-28

基金资助

宁夏水土保持科技项目(GZ4-21-05-069/-ZC-F)

“十三五”国家重点研发计划课题(2016YFC0501707)

收起

Analysis of water security risk of cash forest expansion in the Loess Plateau in terms of water footprint:A case study of apple planting

  • TIAN Jia-xin , 1 ,
  • DANG Xiao-hu , 1 ,
  • YANG Zhi 2 ,
  • LI Peng 3 ,
  • CAO Xiao-shu 4 ,
  • FAN Liang-xin 5 ,
  • LI Lin 1
Expand
  • 1. College of Geology and Environment, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054, China
  • 2. Ningxia Monitoring Station Soil and Water Conservation, Yinchuan 750002, China
  • 3. State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China
  • 4. Northwest Land and Resources Research Center, Shaanxi Normal University, Xi'an 710119, China
  • 5. School of Surveying and Land Information Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, Henan, China

Received date: 2021-10-25

  Revised date: 2022-04-07

  Online published: 2022-12-28

Fold

摘要

以苹果为主的黄土高原经济林果种植规模持续扩张,耗水量不断增多,潜在的水安全风险增大。量化苹果生产水足迹,讨论苹果生产扩张带来的水安全风险,对科学指导未来黄土高原苹果健康发展具有重要意义。本文基于ArcGIS和CROPWAT软件,选取2000—2019年黄土高原44个市（州）,探究了苹果水足迹的时空分布规律及水安全风险。结果表明：2000—2019年,黄土高原苹果种植面积增长了1.3倍,产量增长了3.1倍,呈“北移西扩”的发展趋势;苹果绿水足迹占比的空间分布与降雨量基本一致,从东南向西北递减,蓝水足迹空间分布正好相反;苹果水足迹总量从74.42亿m3增长到108.04亿m3,占农业耗水量的比例由42.78%提升至65.63%,灰水足迹占比高达13.88%,黄土高原苹果生产面临严峻的水安全风险。因此,应适度控制黄土高原苹果种植规模的进一步扩张。本文可为评价黄土高原苹果种植规模扩张背后的水安全风险提供依据。

关键词： 苹果水足迹; 水安全风险; 蓝水; 绿水; 灰水; 黄土高原

本文引用格式

田嘉欣 , 党小虎 , 杨志 , 李鹏 , 曹小曙 , 樊良新 , 李霖 . 水足迹视角下黄土高原经济林果扩张的水安全风险分析——以苹果种植为例[J]. 自然资源学报, 2022 , 37(10) : 2750 -2762 . DOI: 10.31497/zrzyxb.20221019

Abstract

The continuous expansion of the planting area of cash forest in the Loess Plateau, which is dominated by apples, has caused increasing water consumption and potential water security risk. Quantifying the water footprint of apple production and discussing the water security risk affected by the apple production expansion are of great significance to scientifically guide the healthy development of the future apple planting in the plateau. Based on ArcGIS and CROPWAT software, 44 cities (prefectures) in the Loess Plateau from 2000 to 2019 were selected to explore the spatial and temporal distribution patterns of apple water footprint and water security risk. The results showed that from 2000 to 2019, the area of apple planting in the Loess Plateau increased by 1.3 times and the yield increased by 3.1 times, presenting a development trend of "moving toward the north and expanding to the west". The spatial distribution of apple green water footprint was basically consistent with that of rainfall, both of which decreased from southeast to northwest, but was opposite to the spatial distribution of blue water footprint. The total apple water footprint increased from 7.442 billion m3 to 10.804 billion m3, the proportion of apple water footprint to agricultural water consumption increased from 42.78% to 65.63%, and the proportion of gray water footprint reached 13.88%, which reflected the serious water security risk posed by apple production in the Loess Plateau. Therefore, further expansion of apple planting in the plateau should be controlled moderately. This study can provide a basis for evaluating the water security risk behind the expansion of apple planting in the Loess Plateau.

Key words： apple water footprint; water security risk; blue water; green water; grey water; the Loess Plateau

自1999年退耕还林工程实施以来,传统经济林就一直是黄土高原农民脱贫致富的重要产业,在退耕还林初期大约占到20%（生态林比例为80%）。作为主要的传统经济林之一,苹果种植扩张最为明显。据统计,2019年黄土高原地区的苹果种植面积和产量分别占全国的53.53%和51.08%,已成为我国最大的苹果优势产区[1,2]。然而,该地区常年干旱缺水,年均蒸发量约是降雨量的2.5倍[3],人均可用水资源量只有541 m3,仅为全国人均水平的22%[4]。并且该地区80%以上的苹果园为旱作果园[5],水分供需矛盾突出,严重制约着苹果种植业的高效发展。同时,苹果消费量的增加以及化肥施用造成的污染使农业系统的水安全面临巨大风险[6,7]。因此,研究黄土高原苹果生产过程中的水资源利用现状（水资源消耗类型和数量）及其种植规模扩张带来的水安全风险,对该地区苹果种植业健康发展具有重要意义。
“水足迹”这一概念是由Hoekstra等[8]首先提出的,它不仅可以量化一定时期内生产产品或提供某种服务消耗的水资源量,还可以评估区域开发造成的水安全风险[9,10]。水足迹的概念提出后,很多学者对其量化方法、足迹构成等方面进行了研究。例如,Hoekstra等[11]以高空间分辨率量化和绘制了全球范围内人类的水足迹,发现农业生产是最大的水资源消耗者,超过总水足迹的92%,并进一步指出优化作物种植结构可提高地区水资源的可持续性。孙世坤等[12]通过对中国小麦水足迹的核算,发现绿水足迹比例呈现东南沿海高西北内陆低的空间分布格局,指出降雨等气候条件是造成这种空间差异的主要原因。由于作物产量、技术和气候的区域差异,全球或国家尺度的研究结果并不适合制定具体的区域政策。不少学者因此开展了流域和区域尺度的研究。Fu等[13]的研究发现长江流域的农业灰水足迹占比较高,大部分地区都存在过度施肥造成的环境污染问题,建议通过优化产业基础设施和农业科学水平以降低灰水足迹。Xu等[14]的研究发现中国华北平原农业水足迹超过780亿m3且逐年增长,农业水资源短缺加剧,所有县都面临不可持续的用水问题,建议提高用水效率而非依赖水利工程来满足更多的水资源需求。最近的研究大都围绕国家、省域、流域的农作物水足迹结构和影响因素进行研究[15,16],而对季风气候显著、年内降雨分布不均的黄土高原苹果生产水足迹的演变机制涉及较少。本文以水足迹的视角,解析苹果年内生产耗水规律,并综合评估其带来的水资源压力,以突出苹果生产、水资源消耗和水安全风险之间更全面的相互关系,这将有助于制定更有针对性的政策,缓解苹果生产和水安全之间的矛盾。
本文以2000—2019年黄土高原苹果种植业为研究对象,基于CROPWAT 8.0软件,结合地区逐月气象数据和农业统计数据对黄土高原44个市（州）的苹果生产水足迹总量及其蓝水、绿水、灰水足迹构成进行量化,并评价黄土高原苹果种植规模扩张背后的水安全风险,以期为黄土高原苹果种植发展与水资源协调利用提供理论支撑。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

黄土高原位于100°54′~114°33′E、33°43′~41°16′N之间,范围包括青海省、甘肃省、陕西省、河南省、山西省、内蒙古自治区、宁夏回族自治区7个省（自治区）的44个市（州）,总面积约64.87万km2,占中国国土面积的6.76%。该地区具有典型的大陆季风气候特征,2000—2019年年均降雨量122~950 mm,降雨四季分布不均,春季（3-5月）和冬季（12至次年2月）干旱多发,夏季（6-8月）和秋季（9-11月）降水偏多,降雨量从东南向西北递减（图1）。该地区年均气温3.6~14.3 ℃,蒸发量780~1470 mm,普遍高于实际降雨量[17],水资源匮乏,生态环境脆弱。
图1 黄土高原多年降雨量平均值

Fig. 1 Mean annual rainfall in the Loess Plateau

1.2 研究方法

苹果生产水足迹（WF）由绿水足迹（WFgreen）、蓝水足迹（WFblue）和灰水足迹（WFgrey）组成,用于反映苹果生产用水类型、数量和淡水污染程度,公式如下[18]：
W F = W F g r e e n + W F b l u e + W F g r e y
式中：WF为苹果生产水足迹（m3/t）;WFgreen为绿水足迹（m3/t）;WFblue为蓝水足迹（m3/t）;WFgrey为灰水足迹（m3/t）。
绿水是指可被作物利用的雨水,以有效降雨量表示;蓝水是指消耗的地表水或地下水量,以灌溉水表示;灰水是指用于稀释污染物以达到水质安全标准的水量,以稀释淋失氮的需水量表示,公式如下[18]：
W F g r e e n = 10 E T g r e e n Y
W F b l u e = 10 E T b l u e Y
W F g r e y = ( α × A R ) / ( C m a x - C n a t ) Y
式中：ETgreen和ETblue分别为苹果蒸腾量中来自有效降雨和灌溉水的量（mm）;10是单位转化系数,将水深（mm）转换为单位面积水量（m3/hm2）;Y为苹果单位面积产量（t/hm2）;α为淋溶率（污染物进入水体的量占总化学施用量的比例）（%）;AR为苹果化肥施用量（kg/hm2）;Cmax为污染物最大容许浓度（kg/m3）;Cnat为污染物的自然本底浓度（kg/m3）。本文选取氮肥施用量的10%作为淋溶率,即α=10%[18];根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类水标准,将Cmax定为0.01 kg/m3;Cnat在无人为影响的自然条件下设为0[19]。
ETgreen和ETblue计算公式如下[20]：
E T g r e e n = m i n ( E T c , P e f f )
E T b l u e = m a x ( 0 , E T c - P e f f )
式中：ETc为作物生育期蒸散量（mm）;Peff为有效降雨量（mm）。有效降雨量采用美国农业部土壤保持局推荐的USDA SCS方法,结合CROPWAT软件计算[20]：
P e f f = P × ( 125 - 0.2 × P ) 125 , P ≤ 250 125 + 0.1 × P , P > 250
式中：P是月降雨量（mm）。
按照粮农组织建议的作物系数Kc和该特定时间的潜在蒸散量ET0来计算苹果的实际蒸散量ETc[20]。
E T c = K c × E T 0
式中：Kc是作物系数,根据FAO-CROPWAT中的作物需水与潜在蒸散量的关系,可以得到苹果在不同生长期的Kc值。
参考作物蒸散量采用CROPWAT模型,利用Penman-Monteith方程计算[18]：
E T 0 = 0.408 ∆ R n - G + γ 900 T + 273 u 2 ( e s - e a ) ∆ + γ ( 1 + 0.34 u 2 )
式中：Δ为饱和水汽压与温度曲线的斜率（kPa/℃）;Rn为净辐射 [MJ/(m2·d)];G为土壤热通量 [MJ/(m2·d)],本文中G取0[20];γ为干湿表常数（kPa/℃）;T为平均温度（℃）; u 2为离地2 m处的风速（m/s）;es为空气饱和水汽压（kPa）;ea为空气实际水汽压（kPa）。

1.3 数据来源与处理

数据与模型包括：（1）黄土高原2000年、2005年、2010年、2015年和2019年的气象数据来源于国家科技基础条件平台—国家地球系统科学数据中心（ http://www.geodata.cn/data/）,包括逐月降雨量、月最高气温、月最低气温、月平均风速、月相对湿度、日照时数等,空间分辨率为1 km×1 km,通过ArcGIS软件进行分区统计,提取各市（州）气象参数。为了显示降水的特征,参照GB/T22482-2008《水文情报预报规范》选取了3种降水类型（偏枯水年、正常年和偏丰水年）。使用1958—2016年平均降水量（423.68 mm）作为基线,-20%≤年降水量<-10%是偏枯水年,-10%≤年降水量<10%是正常年,10%≤年降水量<20%是偏丰水年。选取2000年（377.32 mm）,2019年（471.76 mm）分别为偏枯水年和偏丰水年,2005年、2010年和2015年（分别为413.76 mm、442.06 mm和392.25 mm）为正常年。（2）使用联合国粮农组织开发的CROPWAT 8.0软件计算参考作物蒸散量和作物需水量。（3）有效降雨量采用美国农业部水土保持局的径流曲线模型进行估算。（4）苹果生育期和作物系数参考了联合国粮农组织（FAO）灌溉排水（第56号）报告。（5）各市苹果产量、播种面积、化肥施用量及农业耗水量等数据,来源于各省（自治区）、市（州）统计年鉴和水资源公报（2000—2019年）。

2 结果分析

2.1 黄土高原苹果产地与产能演变

2000—2019年黄土高原苹果种植面积从78.74万hm2增长到105.88万hm2,占全国的比例从34.93%增加到53.53%;苹果产量从710.47万t增长到2167.14万t,增幅达205.03%。研究期间,黄土高原苹果主产区呈现“北移、西扩”的发展趋势（图2、图3）。从各地的种植面积变化来看,“北移”表现为由咸阳、渭南向延安、榆林延伸,其中延安、榆林两市的种植面积由2000年的12.97万hm2增长到2019年27.81万hm2,占黄土高原苹果种植面积的比例增长了9.80%;苹果产量呈现“西扩”趋势,具体表现为由咸阳向庆阳、平凉扩张,其中庆阳市的苹果产量增长了31.23万t,平凉市产量增长了111.05万t,二者占黄土高原苹果产量的比例由4.83%提高到8.15%。
图2 2000—2019年黄土高原苹果种植面积分布

Fig. 2 Distribution of apple planting area in the Loess Plateau from 2000 to 2019

图3 2000—2019年黄土高原苹果产量分布

Fig. 3 Distribution of apple production in the Loess Plateau from 2000 to 2019

2.2 多个时间尺度苹果生产水足迹的变异性

如图4所示,黄土高原苹果生产水足迹呈下降趋势,由2000年1047.42 m3/t减少至2019年498.52 m3/t,年均减少3.83%。研究期间,蓝水、绿水和灰水足迹的变化趋势与总水足迹变化一致,分别从2000年的461.14 m3/t、447.29 m3/t和138.99 m3/t下降到2019年的182.73 m3/t、246.59 m3/t和69.20 m3/t,蓝水足迹下降趋势最为显著,年均减少4.99%。本文中,黄土高原果业技术的发展使得生产效率明显改善（单位面积产量从9.02 t/hm2增长至20.47 t/hm2）,导致了苹果生产水足迹的降低。
图4 2000—2019年黄土高原苹果水足迹变化

Fig. 4 Changes of apple water footprint in the Loess Plateau from 2000 to 2019

苹果生产水足迹主要受绿水足迹变化的影响,并且与降雨量密切相关：降雨量越多,绿水足迹占比越大;降雨量越少,蓝水足迹占比越大。从月尺度看（图5）,2000年苹果月均绿水足迹为55.73 m3/t,占蓝绿水足迹总量的49.25%,蓝水足迹在3月份比例最大（90.87%）,10月份最小（5.31%）;2005—2015年月均绿水足迹占蓝绿水足迹总量的53.23%,3-6月份灌溉时,蓝水足迹明显增加,占比最高（61.01%）,7-8月份苹果处于旺盛生长期,绿水足迹占比较高（58.99%）,9-10月份,随着苹果停止生长,绿水足迹的比例逐渐减少;2019年苹果月均绿水足迹为30.82 m3/t,占蓝绿水足迹总量的57.43%,其中8月（96.51 mm）和9月（81.82 mm）降水充沛,绿水足迹的比例最高,分别为76.89%和92.34%。因此,在2000年干旱年份,苹果月均蓝水足迹占蓝绿水足迹的50.75%,在2019年湿润年份,绿水足迹占57.43%。
图5 黄土高原苹果各月水足迹

Fig. 5 Monthly water footprint of apples in the Loess Plateau

2.3 苹果水足迹总量构成及时空格局

在研究期间,黄土高原苹果水足迹总量为93.06亿m3（2000—2019年均值）,其中绿水、蓝水和灰水足迹占比分别为45.52%、39.68%和14.80%。黄土高原苹果水足迹总量呈空间聚集型,中南部最高,东西两侧较低（图6）,中南部地区大规模的苹果生产是其水足迹总量比西部地区高10倍的主要原因。咸阳市的水足迹总量为17.22亿m3,居黄土高原之首,占研究区水足迹总量的18.50%,延安（16.19%）和渭南（10.72%）次之。绿水足迹空间分布与地区降雨量有关,由西北向东南递增,故绿水占比高值区主要分布在南部降雨充沛的黄南、天水和宝鸡,比例在57%以上,这符合大多数地区农业生产依赖雨水的现实;蓝水与绿水的空间分布具有较强的互补性,蓝水足迹比例呈西北高东南低的空间分布格局,包头、鄂尔多斯和石嘴山等地,蓝水占比达到65%以上,这与大型灌区分布一致,如西北的河套灌区等,这些地区降雨稀少,在苹果生长期内缺水严重,迫使该地区果农使用大量灌溉水;灰水占比的区域差异小于蓝水和绿水,北部和南部地区的灰水足迹高于东西两侧,高值区主要分布在乌海、咸阳和渭南,占比达20%以上,南部地区苹果产量高,施肥量也高,例如咸阳和渭南苹果的单位面积施氮量分别为232.57 kg/hm2和241.94 kg/hm2,灰水足迹均在2亿m3以上,污染严重。总的来说,西北部地区降水稀少,需要更多的灌溉用水,蓝水足迹占比相对较高;东南部地区有丰富的雨水可供苹果吸收,使得果树对灌溉的需求较低,绿水比例相应较高。
图6 黄土高原苹果水足迹构成（2000—2019年均值）

Fig. 6 Structure of apple water footprint in the Loess Plateau (Average value from 2000 to 2019)

2000—2019年黄土高原苹果生产水足迹总量从74.42亿m3增加到108.04亿m3,年均增长1.98%（图7）。绿水足迹从31.78亿m3增加到53.44亿m3,占黄土高原苹果水足迹总量的比例由42.70%提高到49.46%,是黄土高原苹果耗水量的主要来源。2000—2015年蓝水足迹缓慢增长,自2015年以后,降雨量增多,灌溉用水减少,蓝水足迹从46.81亿m3减少为39.60亿m3,比例维持在39%左右,未能改变苹果生产水足迹的组成结构。由于苹果产出的扩大和农户过量施肥的行为,单位面积施氮量从125.41 kg/hm2增长到136.04 kg/hm2,灰水足迹增长了5.22亿m3。黄土高原地区农业耗水量变化幅度较小,在170亿m3上下波动,而苹果生产水足迹占农业耗水量的比例由2000年的42.78%增长至2019年的65.63%,超过了农业耗水量的一半,苹果生产系统面临着严峻的水安全风险,水资源危机日益凸显。
图7 2000—2019年黄土高原苹果水足迹总量及农业耗水量变化

Fig. 7 Changes of apple water footprint and agricultural water consumption in the Loess Plateau from 2000 to 2019

2.4 苹果生产的水资源压力

作物生产水足迹总量与农业耗水量的比值可以作为分析水资源压力的指标。对黄土高原44个市（州）苹果种植规模扩张的水资源压力进行量化（图8）,高值表明该地区的苹果生产过程是不可持续的,面临着巨大的水安全风险和环境压力。苹果生产水足迹占农业耗水量的比例与苹果生产水足迹的空间分布整体相似,呈现出中南部高,西部和东部地区偏低的分布格局。2000年青海、宁夏、内蒙古和山西各市（州）的苹果水足迹总量与农业耗水量的比值均小于1;咸阳、渭南和三门峡的比值介于1~3;庆阳、平凉和天水的比值分别达到了3.97、4.71和5.29;铜川和延安两地比值为8.69和10.52,比例远超当地农业耗水量。截至2019年,黄土高原苹果生产水足迹占农业耗水量的比例突破65%,较2000年（42%）增长明显,苹果生产耗水压力持续增大。具体而言,新增宝鸡、榆林两市的苹果水足迹总量与农业耗水量的比值超过1,水足迹总量分别增加了1.82亿m3、3.02亿m3。延安市的苹果水足迹总量与农业耗水量的比值为28.96,在44个市（州）中排名最高,其次是铜川市,比值为15.42。延安和铜川苹果耗水压力较大,一方面是由于该地区水资源短缺限制了农业可利用水量,另一方面是苹果生产量增多导致了农业灌溉用水需求增大引起的。
图8 2000年和2019年黄土高原苹果生产水足迹与农业耗水量比值的空间分布

Fig. 8 Spatial distribution of the proportion of apple production water footprint to agricultural water consumption in the Loess Plateau in 2000 and 2019

3 结论与讨论

3.1 结论

评估苹果生产水足迹及其对水资源的压力,可为缓解苹果生产和水安全之间的矛盾提供决策依据。本文从水足迹的视角,分析了黄土高原苹果生产水足迹的时空分布特征,评估了水安全风险,初步得到以下结论：（1）2000—2019年,黄土高原地区苹果种植规模扩大,呈“北移西扩”的发展趋势。（2）苹果水足迹总量增长显著,苹果生产耗水需求超过108亿 m3,占农业耗水量的比例升高至65.63%,尤其是中南部地区苹果生产带来的用水压力愈发严重。（3）黄土高原苹果灰水足迹占生产水足迹总量的比例达到13.88%,苹果生产对水环境的污染不容忽视。因此,黄土高原当前大体量的苹果种植背后,面临严峻的水安全风险,应适度控制黄土高原地区苹果种植规模的进一步扩张。

3.2 讨论

本文中降雨和蒸发是黄土高原地区农业发展的限制因子。当蒸发量小于降雨量时,苹果树所需水量主要来自降雨（绿水）;当蒸发量大于降雨量时,需要补充灌溉水（蓝水）以满足苹果树的生长需求。基于已有研究对降雨和蒸发量进行梯度划分,降雨量分低降雨（400 mm以下）和高降雨量（400 mm以上）,蒸发量分低蒸发（950 mm以下）和高蒸发量（950 mm以上）[3],进而得到4个气候区域：低蒸发低降雨区域、低蒸发高降雨区域、高蒸发低降雨区域和高蒸发高降雨区域（图9a）。2019年黄土高原苹果生育期内降雨量不及蒸发量的43%,仅有不到0.7%的地区降雨量高于蒸发量,果园水分供需矛盾突出。从气候区域来看,高蒸发低降雨区域的面积占黄土高原总面积的34%,与图中蓝水足迹的空间分布一致（图9b）,降雨量越少,苹果所需灌溉水量越多,蓝水足迹越大。各地区中,鄂尔多斯市的蒸发量是降雨量的6倍左右,所需灌溉水量位居黄土高原第一。虽然苹果供需水量的空间分布不能完全表征苹果的种植适宜性,但对于干旱半干旱的黄土高原地区来说,苹果供需水量可用于表示当地果树生育期水分条件的优劣,对合理进行果树种植具有重要意义。因此,黄土高原地区这种高蒸发低降雨的组合效应,不利于更大规模的苹果种植。
图9 2019年黄土高原降雨蒸发量与苹果蓝水足迹空间分布

Fig. 9 Spatial distribution of rainfall, evaporation and apple blue water footprint in the Loess Plateau in 2019

尽管绿水比例的空间分布与地区降雨量大体一致,部分地区仍呈现一定的差异性。西南部的一些地区（包括海南、黄南和天水）年平均降雨量不及350 mm,多集中在7-9月,这些地区在雨季的降雨利用率甚至可以达到百分之百,呈现相对较高的绿水占用率。相比之下,渭南虽然降雨量较大,然而苹果生产水平也较高,降雨难以满足生育期内苹果需水,依靠灌溉水作为补充[21]。此外,该区大型灌区的投入使用,使得该地区农业灌溉率较高,苹果绿水占用率相对较低。因此,如何提高这些地区绿水资源利用率对农业的可持续发展至关重要。
通过分析月尺度的苹果生产水足迹,可以更直观地看出苹果在不同生长阶段对水分需求不同。黄土高原苹果根据其生长发育特征,按照物候期分为初始生长期、旺盛生长期及生长后期[22]。3-5月处于苹果初始生长期,从叶芽开放到开花末期需水量相对较小,主要依赖灌溉水,蓝水足迹比例较高;6-9月处于苹果旺盛生长期,大量消耗有效降雨和灌溉水量,由于该时期内降雨充沛,降雨量约占全年的69%,绿水足迹占比相对较高;9-10月苹果生长逐步成熟,需水量逐渐减少,蓝绿水足迹降低。进一步表明在苹果旺盛生长期有针对性地采取措施促进果树对水分的吸收,可以提高降雨利用率,减少灌溉用水量,节省劳动力和灌溉成本。
2019年黄土高原苹果蓝水足迹为182.73 m3/t,是全国平均水平（165 m3/t）[23]的1.18倍;蓝水与绿水足迹之和为429.32 m3/t,相对黄河流域的马铃薯（193~250 m3/t）[24]、关中地区的桃（170 m3/t）、梨（100 m3/t）、杏（70 m3/t）和葡萄（120 m3/t）[25]而言,苹果树的耗水量更大,这无疑更加重了黄土高原农业耗水的压力。而自1999年国家退耕还林工程实施以来,黄土高原地区经济林果的种植规模快速扩张,水足迹总量随之增长,农业用水压力增大,加剧了农业生产的水安全风险。
此外,在水资源匮乏的黄土高原地区,水污染后果可能要比水资源丰富地区更为严重。灰水足迹作为黄土高原苹果生产的可持续性指标,在研究期间增长了5.12亿m3,占水足迹总量的比例已经达到了13.88%,特别是在咸阳市（高达23.17%）,与其他地区相比,该地区氮肥施用量更多。未来更高比例的灰水足迹可能会进一步威胁该地区的水资源安全,可见果树种植的污染问题不容忽略。因此,如果选择采用合适的氮肥施用方式,未来可以实现更可持续的苹果生产。
总之,从水足迹的视角来看,黄土高原苹果当前“北移西扩”的发展趋势对地区农业水资源造成较大压力,而灰水足迹的增长,更加剧了当地的水安全风险。建议通过以下措施对黄土高原苹果水足迹进行调控：应在黄土高原地区适度控制苹果种植规模的进一步扩张,降低苹果种植对地区水资源的压力;推广使用地膜、保水剂等农艺技术,减少土壤蒸散量[26];引进抗旱高产品种、推广采用喷灌或滴灌等节水灌溉措施[27],提高水资源利用效率;优化养分管理[28],减少过度施肥,降低由水环境污染引起的水资源消耗。

感谢国家科技基础条件平台—国家地球系统科学数据中心（ http://www.geodata.cn）提供数据支撑。

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