基于水、碳足迹的绿洲小麦生产环境影响特征及其脱钩关系——以新疆叶尔羌河流域莎车灌区为例.pdf

第45 卷第4期2023年7 月刘鑫钰，王犬，贺斌，等.基于水、碳足迹的绿洲小麦生产环境影响特征及其脱钩关系一一以新疆叶尔羌河流域莎车灌区为例.地球科学与环境学报，2 0 2 345（4）：8 6 9-8 8 0.LIU Xin-yu,WANG Yi,HE Bin,et al.Characteristics of Environmental Impact for Wheat Production and Their Decoupling Relation-ship in Oasis Irrigation Area Based on Water and Carbon FootprintsTaking Shache Irrigation District in Yarkant River Basin of Xin-jiang,China as an ExampleJJ.Journal of Earth Sciences and Environment,2023,45(4):869-880.D01:10.19814/j.jese.2022.12072基于水、碳足迹的绿洲小麦生产环境影响特征及其脱钩关系以新疆叶尔羌河流域莎车灌区为刘鑫钰1,王弋1*，贺斌,罗平平3.4，曹成琳1（1.华北电力大学水利与水电工程学院，北京10 2 2 0 6；2.广东省科学院生态环境与土壤研究所，广东广州5 10 6 5 0；3.长安大学水利与环境学院，陕西西安7 10 0 5 4；4.长安大学西安市流域空间水文的模拟监测与预警国际合作基地，陕西西安7 10 0 5 4）摘要：农业是水资源消耗和温室气体排放的重要贡献部门，农作物的不合理种植会对生态环境造成影响，并威胁粮食安全。以新疆叶尔羌河流域莎车灌区为研究区，考察了19 9 0 2 0 2 0 年典型粮食作物小麦的生产情况；基于水、碳足迹理论，综合评价了小麦生产过程中的水资源消耗和温室气体排放特征，并对二者的主要影响因素进行了相关性分析；同时，通过构建弹性脱钩模型，探讨了小麦生产与环境影响变化之间的动态关系，揭示了小麦生产中存在的环境问题。结果表明：1990 2020年，莎车灌区小麦生产中水、碳足迹均整体表现为波动上升状态，在2 0 0 8 年前后转入显著上升态势（P0.05）；蓝水足迹在水足迹中的多年平均占比最大（6 5%），农资投入造成的碳足迹和农田NO2排放引起的碳足迹多年平均占比相当，但前者占比逐年增大；政策和粮食需求驱动下的农业生产投入是影响小麦生产水、碳足迹变化的主要因素，其中水、碳足迹增长与氮肥施用增多、种植面积扩大显著相关；灌溉用电量虽然有控制水足迹增长的作用，但导致碳足迹增长；小麦产量与水、碳足迹的脱钩结果说明小麦生产存在造成高资源消耗和高环境成本的风险，绿色发展面临挑战。因此，为了实现区域小麦生产的可持续发展，应提高资源利用效率以及优化生产管理方式，以缓解小麦生产造成的环境胁迫。关键词：水足迹；碳足迹；小麦生产；脱钩指数；影响因素；趋势分析；莎车灌区；新疆中图分类号：S181;S271Characteristics of Environmental Impact for Wheat Production andTheir Decoupling Relationship in Oasis Irrigation Area Based on-Taking Shache Irrigation District in Yarkant River Basin of Xinjiang,China as an ExampleLIU Xin-yu,WANG Yil*,HE Bin,LUO Ping-ping-,CAO Cheng-lin收稿日期：2 0 2 2-12-2 9；修回日期：2 0 2 3-0 3-0 3基金项目：国家自然科学基金项目（42 17 7 0 6 5）；广东省科学院建设国内一流研究机构行动专项资金项目（2 0 2 0 GDASYL-20200102013）；广东省科技计划项目（2 0 2 0 B1111530001,2019QN01L682，2 0 19B12 12 0 10 0 4）作者简介：刘鑫钰（1997-），女，山东济南人，工学硕士研究生，E-。*通讯作者：王（197 7-)，女，湖北武汉人，教授，博士研究生导师，工学博士，E-mail:。地球科学与环境学报Journal of Earth Sciences and Environment文献标志码：AWater and Carbon Footprints投稿网址：http：/je s e.c h d.e d u.c n/Vol.45No.4July2023环境与可持续发展专刊文章编号：16 7 2-6 5 6 1（2 0 2 3)0 4-0 8 6 9-12870Abstract:Agriculture sector is an important contributor of global water consumption andgreenhouse gas emissions,unreasonable crop cultivation system play negative impact on theecosystem and food security.The wheat production development of Shache irrigation district inYarkant river basin,Xinjiang from 1990 to 2020 was examined;the characteristics of waterconsumption and greenhouse gas emissions associated with wheat production were evaluated interms of water and carbon footprints,and their influencing factors were investigated bycorrelation analysis method;furthermore,the dynamic relationship between wheat productionand environmental impact were explored by means of Tapio decoupling model,so that thepotential environmental risk during the wheat production was revealed.The results show thatwater and carbon footprints of wheat production in Shache irrigation district fluctuate andincrease from 1990 to 2020,both of them turn into significant upward trends around 2008(Paj,j=1,2,.,ir=loiaj,j=1,2,i在时间序列独立同分布的假定下定义统计量，则统计量UuF服从正态分布。其表达式为Uur:=SE(S.)k=1,2,n(15)VVar(S,)k(k-1)E(S.)=4Var(S.)=k(k-1)(2k+5)72式中:Uur.1=O;E(S）、V a r(S)分别为序列S的均值和方差。将时间序列的逆序，n-1，,i重复上述计算过程，同时令统计量UuB.=一UuF.k。给定显著性水平=0.05,则对应临界值为1.96,将Uur.k和UuB,绘制在同一图上。若UuF,k0,则表明序列为上升趋势，反之则为下降;UuF,在临界线以内变动，表明变化趋势不显著，反之则显著；若UuF.与UuB,在临界线以内出现交点，则该点为突变点,序列开始出现突变5 0 。2.2.4足迹与影响因素变化的相关性分析本文利用IBMSPSS Statistics软件对各影响因素和水、碳足迹变化率进行Spearman非参数相关性分析。将变化率和相关分析法结合，可以探究刘鑫钰，等：基于水、碳足迹的绿洲小麦生产环境影响特征及其脱钩关系碳排放参数0.58 kg CO2-eq kg-10.89 kg CO2-eq kg-10.27 kg CO2-eq MJ-11.53 kg CO2-eq kg-11.63 kg CO2-eq kg-1k=2,3,n(16)873影响因素变化与足迹指标之间变化的相关性和同步性5 1。Spearman相关系数是秩相关系数的一种，适用于连续变量，是非参数相关性指标。Spearman相关系数（R)具有不受两变量总体分布形态和样本容量限制的特点，同时适用于非线性数据。其基本原理和表达式为R=1-6Z,dn(n?-1)式中：n为数据量；d，为两个数据次序的差值。对于 Spearman相关系数强弱和显著性的检验，采用双尾显著性水平，本文样本数量为30，查检验表即可检验显著性。2.2.5脱钩指数脱钩分析是判断产业发展与资源消耗、环境变化是否同步的一种方法，并且通过脱钩指数的状态可以衡量产业发展是否可持续5 2 。本文选取产量和水、碳足迹作为分析指标，采用Tapio弹性脱钩模型构建小麦产量与水、碳足迹之间的脱钩指数并进(13)行分析。Tapio弹性脱钩模型能够克服基期选择造成的影响，可以动态反映作物生产与水资源消耗、温(14)室气体排放之间的关系5 3。其表达式为DwF-YYDF-Y=AY式中：DwF-Y、D c F-Y 分别为小麦产量与水足迹、碳足迹的脱钩指数；Y、Fw a t e r 和Fearbon分别为小麦产量、水足迹和碳足迹在现期与基期之间的变化率;Y为产量；j为现期时间，j一1为基期时间，基于研究区实际情况，本文选取时间间隔为5 年。在脱钩分析中，稳定系数可以用来评估脱钩稳定性状态。该值越低，则脱钩波动性越低5 4。其表达式为Sp=m1m-1式中：Sp为稳定系数；Di+1和D,表示后一阶段和前一阶段的脱钩指数；为脱钩指数的样本数。结合前人研究与本文实际情况，将脱钩关系分为6 类5 5-5 6 ,详见表2。3结果分析3.1小麦生产水、碳足迹变化特征19902020年，新疆叶尔羌河流域莎车灌区小麦总产量由1.31X10kg增长到2.40 X10kg，(18)Y,/Y,-1-1(19)Y,/Y,-1-1Di+1-DiD,(20)874脱钩状态强脱钩弱脱钩扩张连接衰退连接弱耦合Fw a t e r 0,Y 0,0 D w F-Y 1强耦合Fwater0,Y 0,D w F-y 02020年比19 9 0 年增长了8 3%，其中2 0 16 年达到峰值（3.0 2 10 kg)图2（a)，此后略有下降。水足迹和碳足迹整体表现为波动增长图2（b）、（c)，但变化趋势不一致，说明小麦生产对水资源消耗和温室气体排放有不同程度的影响。水足迹由19 9 0 年的3.2 910 m增长至2 0 2 0 年的4.5 0 10 m，最低值和最高值分别出现在19 9 9 年（2.9 0 X108m）和2 0 16 年（5.30 X10m）；碳足迹由1990 年的0.61X10kgCO2-eq增长至2 0 2 0 年的1.5 4X108kgCO2-eq，最高值出现在2 0 16 年（1.7 8 10 kgCO2-eq）。线性拟合结果显示，研究期内小麦产量、水足迹和碳足迹三者均呈上升态势。本文进一步对小麦生产水足迹和碳足迹总量进行了Mann-Kendall 突变检验分析。由图3（a）可知：2 0 0 1年之前，水足迹呈波动变化，此后转人上升状态；2 0 0 7 年左右发生突变，上升速率加快，此后于2008年左右进人显著上升时期（P0.05）。碳足迹则一直表现为上升态势图3（b)，并在2 0 0 8 年前后上升态势由不显著转为显著（P0.05）。2 0 世纪90年代，南疆地区兴修水利设施和变革土地经营制度共同促进了农业发展，但同时由于区域经济和技术水平等客观条件的限制，农业生产力水平较低且发展较缓慢；进人2 1世纪，国家开始实行农业税减免、粮食生产补贴等惠农政策，为莎车灌区农业经济发展注人了新的动力；2 0 0 5 年以后，中央推进发展现代农业，强化农业基础地位，小麦生产的战略地位上升，然而在追求增产的同时，其对环境的负面影响也日益明显。3.2小麦生产水、碳足迹构成结构特征图4（a）展示了水足迹和碳足迹的构成情况。水足迹的主要贡献成分为表征灌溉用水量的蓝水足迹，在水足迹中多年平均占比达6 5%，其次为表征水污染的灰水足迹（占比为33%），而代表可供作物生长利用有效降水的绿水足迹占比仅为2%。莎车地球科学与环境学报表2 小麦产量与水、碳足迹脱钩关系的划分标准Table 2Division Criteria of Decoupling Relationship of Wheat Yield from Water and Carbon Footprints水足迹与小麦产量之间的关系AFwater0,DwF-Y 0,Y 0,0 D w F-y 0,Y 0,D w F-Y 1Fw a t e r 0,Y 0,D w F-Y 12023年碳足迹与小麦产量之间的关系状态说明Fc a r b o n 0,D c F-Y 0,Y 0,0 D c F-Y 0,Y 0,D c F-Y 1小麦产量与对环境影响联动增长，增速同步Fc a r b o n 0,A Y 0,D c F-Y 1小麦产量与对环境影响联动减少，减速同步小麦产量减少，对环境影响减小，但小麦产量Fcarbon0,Y 0,0 D c F-Y 1减小速度更快Fc a r b o n 0,Y 0,D c F-Y 0小麦产量减少，对环境影响增大绿洲温带大陆性干旱气候的自然特征导致绿水资源十分稀缺，小麦生长期间供水主要依赖灌溉，因此蓝水足迹较高而绿水足迹极低；而灰水足迹约占1/3，表明灌区小麦生产造成了较为严重的非点源污染。图4(b)展示了碳足迹的构成和变化，并详细分解了农业投入造成的碳足迹情况。农田NO2排放引起的碳足迹和农资投入造成的碳足迹多年平均占比均为5 0%。但农资投入造成的碳足迹比重有逐渐增多的趋势：19992 0 0 9年由44%增长至5 0%，特别是2 0 142 0 2 0 年农资投人造成的碳足迹明显上升，至2 0 2 0 年占比已达6 3%。研究区推行大力发展粮食生产的政策，促进了小麦生产规模和农资投入力度的增大，使农资投入造成的碳足迹迅速增长。在农资投入造成的碳足迹中，氮肥投人引起的碳排放量最多，占比约为42%。毫无疑问，氮肥施用是研究区小麦生产水足迹和碳足迹的重要贡献成分；其次灌溉用电所占比例约为2 7.3%，并且随着生产发展进程推移，其占比逐渐增大，小麦生产的能源消耗及其引起的温室气体排放有增多趋势。3.3水、碳足迹变化影响因素基于前述研究结果和水、碳足迹的计算原理，气候和农业生产投人是水足迹和碳足迹变化的主要影响因素。鉴于此，本文从上述两方面选取8 个指标分析其对作物生产水足迹和碳足迹变化的影响(表3)。在气候因素方面，水足迹变化率、碳足迹变化率除与降雨量变化率、日照时数变化率成负相关关系外，与其余各指标均表现为正相关关系。气候因素作用于小麦蒸散量变化来影响水足迹，气温、风速和日照时数增长会加重农业干旱的程度，降水量和相对湿度的增长则使农业干旱有所缓解。由于小麦属于耐旱型作物，且莎车灌区小麦供水主要依靠引水灌溉，所以气象因素对小麦生产环境影响较小。而受水分条件限制，莎车灌区小麦生产需要更多的电第4期3.22.8(3,01)/鲁2.4刘鑫钰，等：基于水、碳足迹的绿洲小麦生产环境影响特征及其脱钩关系小麦产量拟合线8755432UuF.kUuB-k0.05显著性水平2.01.6-21.219905.55.0(a01)/44.54.03.53.02.5i9901.8(ba-08y,01)/1.51.20.90.611990图219902 0 2 0 年小麦产量、水足迹和碳足迹变化Fig.2Changes of Wheat Yield,Water Footprint andCarbon Footprint from 1990 to 2020力用于灌溉，以及更多的肥料投入用于保持土壤肥力，进而使碳足迹增多。与水足迹变化率、碳足迹变化率相关性最高的指标分别是单位面积氮肥折纯施用量变化率、种植面积变化率和灌溉用电量变化率，均属于农业生产投人因素。其中，种植面积增大、氮肥施用量增多与小麦生产水足迹和碳足迹的增长均有显著相关关系，研究期内小麦生产种植规模整体呈扩张趋势；1990 2 0 2 0 年小麦种植面积由38 313hm扩大到45 8 30 hm，种植面积最大达到50620hm（2 0 19年），导致小麦需水量和氮肥施用-319952000(a)小麦产量水足迹拟合线19952000(b)水足迹碳足迹拟合线-19952000(c)碳足迹2005年份20052010年份20052010年份20102015201520152020202020201990654322-31990图319902020年小麦生产水、碳足迹的Mann-Kendall突变检验Fig.3Mann-Kendall Test of Water and CarbonFootprints of Wheat Production from 1990 to 2020表3小麦生产水、碳足迹变化率与影响因素变化率之间的相关关系Table 3Correlations Between Water and Carbon Footprints,and Their Influencing Factors of Wheat Production因素类型相关分析指标RTRp气候因素RRURsRA农业生产RPSN投人因素REL.注：R表示变化率；下标T、P、H、U、S分别表示小麦生育期气温、降雨量、风速、相对湿度以及日照时数的平均值；下标EL、W F和CF分别表示灌溉用电量、水足迹、碳足迹；*表示在0.0 1显著性水平下相关；*表示在0.0 5 显著性水平下相关。量增多，并直接引起水足迹和碳足迹增多。而灌溉用电量变化率与水足迹变化率成负相关关系，与碳足迹变化率成正相关关系，说明灌溉设施的投人有1995UuF.kUuB0.05显著性水平19952000(b)碳足迹RwF0.134-0.051-0.2270.0100.1470.718*0.749*一0.2 7 72000(a)水足迹20052010年份2005年份201020152015RcF0.197-0.001-0.2990.0520.2160.441*0.831*0.300202020208764.03.53.0(m,01)/2.52.01.51.00.501990Fig.4 Structures and Changes of Water and Carbon Footprints of Wheat Production from 1990 to 2020利于控制水足迹，但带来了更多的能源消耗和温室小麦减产速率，仍旧对环境造成不利影响。气体排放。根据式（2 0)检验出小麦产量与水足迹、碳足迹综上所述，农业生产投入与水足迹、碳足迹变化的脱钩指数的稳定系数分别为2 4.9 2 5 和2.7 9 0，表的相关性和同步性都较强，是小麦生产造成环境影明小麦生产发展与水足迹、碳足迹变化的脱钩指数响的最主要驱动因素。莎车灌区干旱的气候条件限波动性较大。政策的支持促使莎车灌区农业获得发制了小麦的生产力，是小麦生产造成环境影响的内展，然而增大开垦力度、扩张种植面积和兴修农业水在因素。利的措施也对环境产生了影响，同时缺乏系统性的3.4小麦生产发展与环境影响的脱钩调控与管理导致农资投入利用效率低，加之西北干产量是小麦生产发展状况的直接反映。构建小旱区的环境和气候条件的限制，虽然短期内依靠化麦产量与水足迹、碳足迹的脱钩指数，对于揭示小麦肥等农资品的高投人实现了种植产量的增长，但过生产存在的环境问题及是否具有可持续性有重要的于粗放的农业生产方式会导致生产与环境关系的失指示意义（表4）。小麦产量与水足迹之间以及小麦调，表现为脱钩状态缺乏稳定性。小麦生产发展与产量与碳足迹之间分别经历了“强脱钩强耦合环境影响变化的脱钩结果表明：小麦生产对不同方强脱钩弱脱钩一强脱钩衰退连接”和“扩张连面的环境影响变化程度不同；小麦增产未必带来更接强耦合弱脱钩弱脱钩扩张连接弱耦大的资源环境压力，而小麦减产也未必减少相应的合”的变化过程。在小麦产量与水资源影响变化的环境问题，未来小麦生产可持续发展的风险与机遇脱钩分析中，强脱钩间歇出现的次数最多，在此期间并存。小麦产量增长而水资源占用量减少，是环境友好的4 讨 论发展模式；强耦合状态的出现反映了较高的水资源代价但小麦没有相应产量的增长，此时生产活动严重侵占生态安全，是最不可持续的状态；衰退连接出现时，小麦产量与水足迹几乎同步减少，属于联动变化状态，此时小麦产量发展与环境影响的变化关系密切。小麦产量与碳足迹变化的脱钩分析中，扩张连接、弱脱钩、弱耦合分别出现两次。扩张连接时，小麦生产发展与碳足迹联动增长；弱脱钩状态表示小麦产量提升是以温室气体排放增多作为代价，但由于小麦产量提升速率快于温室气体排放速率，该状态下的农业生产模式短期内尚可接受，但长此以往将会出现农业生产过度排放温室气体的问题；弱耦合时，温室气体排放情况有所好转，但其速率小于地球科学与环境学报1.4F农资投入造成的碳定迹构成绿水足迹1.2蓝水足迹灰水足迹19952000(a)水足迹图41990 2 0 2 0 年小麦生产水、碳足迹构成及变化2023年农田NO，排放引起的碳足迹农资投入造成的碳足迹磷肥种子施角10.6%播种1.022.0%灌溉0.8F用电27.3%42.0%氮肥施角0.68.2%柴油消耗0.40.2020052010年份201520201990自1990 年以来，小麦生产的水足迹和碳足迹呈现波动上升状态，小麦生产对环境的影响逐渐增加。而小麦产量与水资源消耗、温室气体排放的脱钩指数，反映了小麦生产过程中的高耗低效问题以及不可持续预警；但不可否认的是，小麦产量与水、碳足迹之间确实发生过脱钩，尽管脱钩的趋势并不明显，但消除脱钩障碍和实现农业绿色发展的机遇仍然存在。为此，需要采取应对措施以减轻小麦生产发展带来过度侵占环境资源的问题。本文在计算研究区小麦生产水足迹时发现氮肥施用所致的灰水足迹在整体水足迹中的占比达1/3，并且氮肥施用导致的直接和间接温室气体排放量19952000(b)碳足迹2005年份201020152020第4期年份范围199019951995200020002005200520102010201520152020在研究区小麦生产碳足迹中的占比最大。因此，控制氮肥施用、优化肥料管理是降低区域水环境污染和碳足迹的必要措施。同时，水资源消耗和灌溉用电量分别是水足迹和碳足迹的主要贡献成分，故而提高小麦生产过程中水资源利用效率仍是干旱区绿洲农业发展的重点。而合理规划开垦面积和种植区域，促进小麦生产向优势产区集中，不仅能有效控制耕地面积扩张，也可以提高农资利用率和灌溉效率，并为实施轮作和休耕制度以恢复生态提供更大的可行性，进而保障小麦生产实现绿色可持续发展。5 结 语本文基于水足迹和碳足迹的理论与模型，综合评估了新疆叶尔羌河流域莎车灌区小麦生产造成的环境影响，通过相关性分析分别对影响水、碳足迹变化的主要因素及影响机理进行了阐释，并基于脱钩理论探究了小麦生产发展过程中的环境问题。(1)19902 0 2 0 年，莎车灌区小麦生产水足迹和碳足迹总体呈上升趋势，水足迹由3.2 9 10 m3增长至4.5 0 10 m，碳足迹由0.6 110 kgCOz-eq增长至1.5 4X10kg COz-eq。M a n n-K e n d a l l 突变检验显示二者都在2 0 0 8 年前后转入显著上升期。从足迹的结构来看，小麦生产水足迹主要构成部分为蓝水足迹（占比为6 5%），其次为灰水足迹（33%）；农田NO2排放引起的碳足迹和农资投人造成的碳足迹各占碳足迹总量的5 0%，并且农资投人造成的碳足迹有逐年增长的趋势。(2)粮食需求和政策驱动是莎车灌区小麦生产发展的源动力，农业生产投人是小麦生产造成环境影响的最主要影响因素，其中气象因素是内在影响因素。干旱的气候条件限制使小麦生产发展主要依赖扩张种植规模和加大农资品投入力度，进而对环境造成负面影响。（3)19 9 0 2 0 2 0 年，小麦产量与水足迹之间经刘鑫钰，等：基于水、碳足迹的绿洲小麦生产环境影响特征及其脱钩关系表4小麦产量与水足迹、碳足迹的脱钩关系Table 4Decoupling Relationship of Wheat Yield from Water and Carbon Footprints小麦产量与水足迹的脱钩关系AFwaterAY-0.0020.0460.025-0.007-0.0030.0500.0820.083-0.0010.010-0.011-0.039877小麦产量与碳足迹的脱钩关系DWF-Y脱钩等级0.037强脱钩-3.756强耦合-0.060强脱钩0.990弱脱钩0.132强脱钩0.291衰退连接历了“强脱钩强耦合强脱钩扩张连接强脱钩衰退连接”的变化过程，稳定系数为2 4.92 5；小麦产量与碳足迹之间经历了“扩张连接强耦合弱脱钩弱脱钩扩张连接弱耦合”的变化过程，稳定系数为2.7 90。小麦产量与水、碳足迹的脱钩关系均不稳定。整体来看，小麦生产发展建立在较高的资源投人和环境成本的基础上，长期过度投入造成生态环境恶化，但脱钩状态的存在说明小麦生产仍具备可持续发展的潜力。（4)莎车灌区小麦生产存在高耗低效的问题，过度的生态资源侵占和粗放的农业管理模式加重了水资源压力和温室效应。因此，建议优化作物生产方式，合理控制种植面积，提高资源利用效率，实现小麦生产与环境平衡发展，保障农业生产的长效机能。参考文献：References:1J LIU J G,FOLBERTH C,YANG H,et al.A Globaland Spatially Explicit Assessment of Climate ChangeImpacts on Crop Production and Consumptive WaterUseLJJ.PLOS One,2013,8(2):e57750.2AL-BAKRI J T,SALAHAT M,SULEIMAN A,et 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