华北平原小麦_玉米作物生产水足迹的研究_盖力强
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考虑以上因素，在灰水的计算当中采用氮污染 水体的浓度，结合当前的研究[8,10]，在此假设总氮施 用量的 20%流失，其中有 10%作为污染源进入地下 水或地表水。每吨氮稀释所需要的水可通过过滤氮 和可自由排放的地表水中含氮的最高限度来计算 （假设自然水体当中氮的浓度为 0）。一般采用 EPA 的标准,即每升饮用水中不能超过 10 mg 的氮[11]。几 乎所有农药的使用都会引起地下水或地表水的污 染，但由于农药施用量数据难以收集，因此本文在 灰水足迹计算中，没有考虑农药对水质的影响。 3.3 小麦、玉米作物生产水足迹
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作物生长消费用水
蓝水
绿水
总量
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国（小 麦 虚 拟 水 为 0.849 m3/
注：＊为假设作物有效灌溉率为 100%；由于数据限制，河北省作物需水量采用的是该省石家庄、
生产水足迹研究较少。 华北平原在黄河下游，主要由黄河、淮河、海河
等 河 流 带 来 的 泥 沙 逐 渐 向 东 冲 积 而 成 ，地 处 36°-40°N，114°-119°E，总面积约 12×104 km2，属半 干旱、半湿润气候带，暖温带大陆性季风气候，四季 变化明显，冬季寒冷干燥夏季高温多雨。华北平原 主要分布有潮土、棕壤、褐土和部分盐碱土，是中国 重要的粮棉油生产基地，小麦-玉米轮作是该地区 主要的粮食种植体系，同时其水资源供需矛盾和水 环境问题也尤为突出。本文以华北平原地区的河 北、北京、天津为研究区域，计算其主要农作物体系 的生产水足迹情况，对科学管理水资源、合理规划 主要农作物种植及解决其相关的生态环境问题有 着十分重要的意义。
Table 2 Virtual water content of wheat and maize in North China Plain in 2007
及用水效率、农业生产技术和 项目 管理等因素有关。今后应加
水消耗量（×108 m3/year）
蓝水
绿水
总量
作物产量 （×104 t/year）
强农业科技投入，降低农产品 的虚拟水含量，从而降低水足 迹 ，达 到 水 资 源 的 可 持 续 利
营养元素（N、P、K）及药剂所需水资源量称为灰水。
作物生产水足迹据此可分为绿水、蓝水和灰色
水足迹。绿水足迹为农作物在生长过程所蒸发的
储存在土壤中雨水的水资源量。蓝水足迹为消耗
使用淡水水体的水资源量，主要包括农田灌溉用水
的蒸发。灰水足迹指以现有水环境水质标准为基
准，消纳产品生产过程中产生的污染物负荷所需要
关键词：水足迹；虚拟水；小麦；玉米；华北平原
1 引言
农业是世界上最大的水资源利用部门，有效的 评价农业水资源利用情况对水资源管理具有十分 重要的意义。然而过去评价一个国家和地区农业 对水资源的消费利用状况时，通常以农业灌溉用水 作为主要的表征指标，但这种方法忽视了农业生产 中对土壤水的利用及肥料和农药对水资源污染的 影响。针对这一缺陷，荷兰水资源专家 Hoekstra 基 于加拿大经济学家 William Rees 提出的“生态足迹” (Ecological Footprint)理论 ，在 [1,2] 虚拟水研究的基础 上，于 2002 年提出了水足迹（water footprints）的概念 [3]。水足迹评价拓宽了传统水资源评价体系的外延 和内涵，将实物形态的水与虚拟形态的水联系起 来，涵盖了蓝水、绿水和灰水，更能真实地反映对水 资源的需求和占有状况。基于不同的理解角度，水 足迹不仅可以表示消费水足迹，又可表示生产水足 迹，一种产品的生产水足迹就是生产该产品所消费 的水资源的量。但以往的研究 多 [4~6] 是集中在人类 对水资源的消费情况，即消费水足迹，而对产品的
物生长用水的消耗量，再除以 该作物的总产量可求出该农 初产品的虚拟水。结果如表 小麦 1、表 2、图 1 所示。2007 年华 北平原主要地区小麦虚拟水 玉米 含量为 1.054 m3/㎏，玉米虚拟 水含量为 0.808 m3/㎏，相比美
河北省 北京市 天津市 河北省 北京市 天津市
作物需水量 有效降雨量 灌溉需水量
小麦
河北省 北京市 天津市 合计
97.460 2.410 2.630 102.500
29.670 0.080 1.100
30.850
127.130 2.490 3.730
133.350
1193.700 20.385 50.590
1264.675
用。
玉米 河北省 23.470 92.180 115.650
文章编号：1007-7588（2010）11-2066-06
华北平原小麦、玉米作物生产水足迹的研究
盖力强 1,2，谢高地 1，李士美 1,2，张彩霞 1,2，陈 龙 1,2
（1. 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101； 2. 中国科学院研究生院，北京 100049）
摘 要：水足迹概念将水问题拓展到了社会经济领域，是当前测度人类活动对水资源系统影响的理想指标。 本文借助水足迹的概念，计算了华北平原地区（河北、北京、天津）小麦、玉米的虚拟水含量及其生长生产水足迹， 并就绿水的重要性和灰水对环境的不利影响进行了相关分析。结果显示：2007 年华北平原主要地区小麦虚拟水 含量为 1.054 m3/㎏，生长用水以蓝水为主；玉米虚拟水含量为 0.808 m3/㎏，生长用水以绿水为主；小麦生产水足迹 为 172×108 m3，其中绿水足迹 30.85×108 m3，蓝水足迹 102.5×108 m3，灰水足迹 38.65×108 m3；玉米生产水足迹为 173.07×108 m3，其中绿水足迹 101.06×108 m3，蓝水足迹 26.92×108 m3，灰水足迹 45.09×108 m3。通过分析表明：绿水在 当地农作物生产中占有重要的地位，绿水的使用与作物的生长特点及作物生长周期有关；小麦、玉米总水足迹约 为当地水资源总量的 2.2 倍，减少小麦、玉米作物生产水足迹对华北平原具有重要的意义。
雨量和作物产量的比值来计算，作物蓝水虚拟水含
量也可通过灌溉用水量和作物产量的比值来估算，
农产品的虚拟水含量就是绿水虚拟水与蓝水虚拟
水之和。
IR = CWR - ER
（1）
当ER ≥ CWR时，IR = 0，农作物蓝水虚拟水含
量为 0，绿水虚拟水含量为：
VW g
=
CWR Y
（2）
当ER < CWR时，农作物蓝水虚拟水含量为：
计 算 数 据 来 源 包 括 ：联 合 国 粮 农 组 织 的 CLIMWAT 和 CROP 数据库中有关中国部分的数据； 河北省、北京市、天津市 2007 年的统计年鉴；《中国 水资源公报 2007》。
4 结果分析
4.1 小麦、玉米作物虚拟水含量 作物单位面积的有效降水和灌溉用水可用
CROPWAT 软件计算，在得到单位面积作物生长需
2010 年 11 月
盖力强等：华北平原小麦、玉米作物生产水足迹的研究
2067
赋存于河流、湖泊、水库、池塘及蓄水层中的地表水
和地下水。因此，作物生长过程中消耗的水资源量
就是其消耗的绿水和蓝水之和。此外,在作物生长
过程中必须施加肥料和喷洒农药,并因此造成水质
污染，据此把为使水质达到安全标准，用于稀释各种
有 相 对 较 低 的 机 会 成 本 ， [14,15]
天津市
2.310 4.400 6.710
85.080
0.271 0.517 0.788
并且其对环境的负面影响是
合计
26.920 101.060 127.980
1583.425
0.170 0.638 0.808
很小的，因为作物生长对绿水
的蒸腾基本上和自然植被系统没有什么差别，但绿
VWb
=
IR Y
（3）
绿水虚拟水含量为:
VWg
=
ER YBiblioteka VWprod = VWg + VWb
（4） （5）
式中 IR 为灌溉用水量；CWR 为作物需水量；ER 为 有效降雨量；VWprod 为农产品的虚拟水含量；VWg 为 绿水虚拟水含量；VWb为绿水虚拟水含量；Y 为作物 产量。 3.2 灰水
在作物生长过程中，由于肥料和农药的施用对 水质都会产生污染的现象。其影响程度首先取决 于肥料的施用率和作物的吸收率，其次则跟土壤类 型和作物生产阶段可利用的肥料数量有关。土壤 中的磷能和其他矿物质反应生成不容易溶解的化 合物，所以磷不容易流动。钾在土壤中的流动性介 于磷和氮之间，但是由于钾离子能被土壤胶体离子 吸引以至于钾不容易被过滤。氮很容易污染地下 水和地表水，并且会形成对人体极其不利的亚硝酸 根离子。
据水足迹概念可知一个国家或地区的小麦（玉 米）生产水足迹就是该国家或地区的小麦（玉米）生 长过程中所消耗的水资源量，也就是绿水足迹、蓝 水足迹和灰水足迹之和。 WFprod = WFprod,green + WFprod,blue + WFprod,grey （6） 式中 WFprod 为作物生产水足迹；WFprod, green 为绿水足 迹；WFprod, blue为蓝水足迹；WFprod, grey为灰水足迹。 3.4 数据来源
主要因素有：降水、气温、气压、日照时数、风速、农
作物的类型、土壤条件、种植时间等。一般采用联
合国粮农组织（FAO）推荐的标准彭曼公式计算 。 [9]
本文采用 CROPWAT 软件进行计算。
作物需水一般包括绿水（土壤水）和蓝水（灌
溉用水）两部分。灌溉需水量等于作物需水量减去
有效降雨量。作物绿水虚拟水含量可通过有效降
1421.800
绿水相对蓝水来说一般
北京市
1.140 4.480 5.620
76.545
虚拟水含量（m3/㎏） 蓝水 绿水 总量 0.816 0.249 1.065 1.184 0.041 1.225 0.519 0.217 0.736 0.810 0.244 1.054 0.165 0.648 0.813 0.149 0.585 0.734
2068
资源科学
第 32 卷 第 11 期
水量的基础上，乘以各省市该 作物种植的面积可求出该作
表 1 2007 年华北平原主要地区小麦、玉米作物生产消费用水＊
Table 1 Volume of water use of wheat and maize’s growth in North China Plain in 2007 （mm）
㎏ ，玉 米 为 0.489 m3/㎏）要 高 保定、邢台、邯郸、沧州的平均值，其他计算以此为基础（以下同）。
得多 ，相 [12] 比中亚地区（小麦
虚 拟 水 为（1.44~4.00）m3/㎏）
表 2 2007 年华北平原主要地区小麦、玉米生产的水消耗量和虚拟水含量
要 小 得 多 。 [13] 这 与 气 候 条 件
2 概念界定：绿水、蓝水和灰水水足迹
在作物生产过程中所需的水主要有三种类型： 绿水、蓝水、灰水。据 Falkenmark[7]，用“绿水”来表 示赋存于土壤非饱和含水层并能以蒸散的形式为 植物利用，即通常所说的土壤水；用“蓝水”来表示
收稿日期：2009-04-12; 修订日期：2010-04-14 基金项目：国家科技支撑计划项目（编号：2006BAC18B01）；国家自然科学基金资助项目（编号：30770410）。 作者简介：盖力强，男，河北行唐人，博士生，从事资源生态及生态经济研究。E-mail: geliqiang220@ 通讯作者：谢高地，E-mail: xiegd@
作物绿水虚拟水含量可通过有效降雨量和作物产量的比值来计算作物蓝水虚拟水含量也可通过灌溉用水量和作物产量的比值来估算农产品的虚拟水含量就是绿水虚拟水与蓝水虚拟水之和
第 32 卷 第 11 期 2010 年 11 月
2010，32（11）：2066-2071
Resources Science
Vol.32，No.11 Nov.，2010
的淡水水量。可以用为使水质达到安全标准，用于
稀释所排放的污染物所需的水量来表示。为了能
更好的说明对生态环境的影响，在研究中往往把灰
水水足迹单独列出[8]。
3 研究方法与数据来源
3.1 小麦、玉米虚拟水含量
计算农产品的虚拟水含量，必须知道作物生长
需水量，根据作物生长发育期间的累积蒸发蒸腾水
量（作物需水量，CWR）来计算。影响作物需水量的
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作物生长消费用水
蓝水
绿水
总量
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国（小 麦 虚 拟 水 为 0.849 m3/
注：＊为假设作物有效灌溉率为 100%；由于数据限制，河北省作物需水量采用的是该省石家庄、
生产水足迹研究较少。 华北平原在黄河下游，主要由黄河、淮河、海河
等 河 流 带 来 的 泥 沙 逐 渐 向 东 冲 积 而 成 ，地 处 36°-40°N，114°-119°E，总面积约 12×104 km2，属半 干旱、半湿润气候带，暖温带大陆性季风气候，四季 变化明显，冬季寒冷干燥夏季高温多雨。华北平原 主要分布有潮土、棕壤、褐土和部分盐碱土，是中国 重要的粮棉油生产基地，小麦-玉米轮作是该地区 主要的粮食种植体系，同时其水资源供需矛盾和水 环境问题也尤为突出。本文以华北平原地区的河 北、北京、天津为研究区域，计算其主要农作物体系 的生产水足迹情况，对科学管理水资源、合理规划 主要农作物种植及解决其相关的生态环境问题有 着十分重要的意义。
Table 2 Virtual water content of wheat and maize in North China Plain in 2007
及用水效率、农业生产技术和 项目 管理等因素有关。今后应加
水消耗量（×108 m3/year）
蓝水
绿水
总量
作物产量 （×104 t/year）
强农业科技投入，降低农产品 的虚拟水含量，从而降低水足 迹 ，达 到 水 资 源 的 可 持 续 利
营养元素（N、P、K）及药剂所需水资源量称为灰水。
作物生产水足迹据此可分为绿水、蓝水和灰色
水足迹。绿水足迹为农作物在生长过程所蒸发的
储存在土壤中雨水的水资源量。蓝水足迹为消耗
使用淡水水体的水资源量，主要包括农田灌溉用水
的蒸发。灰水足迹指以现有水环境水质标准为基
准，消纳产品生产过程中产生的污染物负荷所需要
关键词：水足迹；虚拟水；小麦；玉米；华北平原
1 引言
农业是世界上最大的水资源利用部门，有效的 评价农业水资源利用情况对水资源管理具有十分 重要的意义。然而过去评价一个国家和地区农业 对水资源的消费利用状况时，通常以农业灌溉用水 作为主要的表征指标，但这种方法忽视了农业生产 中对土壤水的利用及肥料和农药对水资源污染的 影响。针对这一缺陷，荷兰水资源专家 Hoekstra 基 于加拿大经济学家 William Rees 提出的“生态足迹” (Ecological Footprint)理论 ，在 [1,2] 虚拟水研究的基础 上，于 2002 年提出了水足迹（water footprints）的概念 [3]。水足迹评价拓宽了传统水资源评价体系的外延 和内涵，将实物形态的水与虚拟形态的水联系起 来，涵盖了蓝水、绿水和灰水，更能真实地反映对水 资源的需求和占有状况。基于不同的理解角度，水 足迹不仅可以表示消费水足迹，又可表示生产水足 迹，一种产品的生产水足迹就是生产该产品所消费 的水资源的量。但以往的研究 多 [4~6] 是集中在人类 对水资源的消费情况，即消费水足迹，而对产品的
物生长用水的消耗量，再除以 该作物的总产量可求出该农 初产品的虚拟水。结果如表 小麦 1、表 2、图 1 所示。2007 年华 北平原主要地区小麦虚拟水 玉米 含量为 1.054 m3/㎏，玉米虚拟 水含量为 0.808 m3/㎏，相比美
河北省 北京市 天津市 河北省 北京市 天津市
作物需水量 有效降雨量 灌溉需水量
小麦
河北省 北京市 天津市 合计
97.460 2.410 2.630 102.500
29.670 0.080 1.100
30.850
127.130 2.490 3.730
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1193.700 20.385 50.590
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用。
玉米 河北省 23.470 92.180 115.650
文章编号：1007-7588（2010）11-2066-06
华北平原小麦、玉米作物生产水足迹的研究
盖力强 1,2，谢高地 1，李士美 1,2，张彩霞 1,2，陈 龙 1,2
（1. 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101； 2. 中国科学院研究生院，北京 100049）
摘 要：水足迹概念将水问题拓展到了社会经济领域，是当前测度人类活动对水资源系统影响的理想指标。 本文借助水足迹的概念，计算了华北平原地区（河北、北京、天津）小麦、玉米的虚拟水含量及其生长生产水足迹， 并就绿水的重要性和灰水对环境的不利影响进行了相关分析。结果显示：2007 年华北平原主要地区小麦虚拟水 含量为 1.054 m3/㎏，生长用水以蓝水为主；玉米虚拟水含量为 0.808 m3/㎏，生长用水以绿水为主；小麦生产水足迹 为 172×108 m3，其中绿水足迹 30.85×108 m3，蓝水足迹 102.5×108 m3，灰水足迹 38.65×108 m3；玉米生产水足迹为 173.07×108 m3，其中绿水足迹 101.06×108 m3，蓝水足迹 26.92×108 m3，灰水足迹 45.09×108 m3。通过分析表明：绿水在 当地农作物生产中占有重要的地位，绿水的使用与作物的生长特点及作物生长周期有关；小麦、玉米总水足迹约 为当地水资源总量的 2.2 倍，减少小麦、玉米作物生产水足迹对华北平原具有重要的意义。
雨量和作物产量的比值来计算，作物蓝水虚拟水含
量也可通过灌溉用水量和作物产量的比值来估算，
农产品的虚拟水含量就是绿水虚拟水与蓝水虚拟
水之和。
IR = CWR - ER
（1）
当ER ≥ CWR时，IR = 0，农作物蓝水虚拟水含
量为 0，绿水虚拟水含量为：
VW g
=
CWR Y
（2）
当ER < CWR时，农作物蓝水虚拟水含量为：
计 算 数 据 来 源 包 括 ：联 合 国 粮 农 组 织 的 CLIMWAT 和 CROP 数据库中有关中国部分的数据； 河北省、北京市、天津市 2007 年的统计年鉴；《中国 水资源公报 2007》。
4 结果分析
4.1 小麦、玉米作物虚拟水含量 作物单位面积的有效降水和灌溉用水可用
CROPWAT 软件计算，在得到单位面积作物生长需
2010 年 11 月
盖力强等：华北平原小麦、玉米作物生产水足迹的研究
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赋存于河流、湖泊、水库、池塘及蓄水层中的地表水
和地下水。因此，作物生长过程中消耗的水资源量
就是其消耗的绿水和蓝水之和。此外,在作物生长
过程中必须施加肥料和喷洒农药,并因此造成水质
污染，据此把为使水质达到安全标准，用于稀释各种
有 相 对 较 低 的 机 会 成 本 ， [14,15]
天津市
2.310 4.400 6.710
85.080
0.271 0.517 0.788
并且其对环境的负面影响是
合计
26.920 101.060 127.980
1583.425
0.170 0.638 0.808
很小的，因为作物生长对绿水
的蒸腾基本上和自然植被系统没有什么差别，但绿
VWb
=
IR Y
（3）
绿水虚拟水含量为:
VWg
=
ER YBiblioteka VWprod = VWg + VWb
（4） （5）
式中 IR 为灌溉用水量；CWR 为作物需水量；ER 为 有效降雨量；VWprod 为农产品的虚拟水含量；VWg 为 绿水虚拟水含量；VWb为绿水虚拟水含量；Y 为作物 产量。 3.2 灰水
在作物生长过程中，由于肥料和农药的施用对 水质都会产生污染的现象。其影响程度首先取决 于肥料的施用率和作物的吸收率，其次则跟土壤类 型和作物生产阶段可利用的肥料数量有关。土壤 中的磷能和其他矿物质反应生成不容易溶解的化 合物，所以磷不容易流动。钾在土壤中的流动性介 于磷和氮之间，但是由于钾离子能被土壤胶体离子 吸引以至于钾不容易被过滤。氮很容易污染地下 水和地表水，并且会形成对人体极其不利的亚硝酸 根离子。
据水足迹概念可知一个国家或地区的小麦（玉 米）生产水足迹就是该国家或地区的小麦（玉米）生 长过程中所消耗的水资源量，也就是绿水足迹、蓝 水足迹和灰水足迹之和。 WFprod = WFprod,green + WFprod,blue + WFprod,grey （6） 式中 WFprod 为作物生产水足迹；WFprod, green 为绿水足 迹；WFprod, blue为蓝水足迹；WFprod, grey为灰水足迹。 3.4 数据来源
主要因素有：降水、气温、气压、日照时数、风速、农
作物的类型、土壤条件、种植时间等。一般采用联
合国粮农组织（FAO）推荐的标准彭曼公式计算 。 [9]
本文采用 CROPWAT 软件进行计算。
作物需水一般包括绿水（土壤水）和蓝水（灌
溉用水）两部分。灌溉需水量等于作物需水量减去
有效降雨量。作物绿水虚拟水含量可通过有效降
1421.800
绿水相对蓝水来说一般
北京市
1.140 4.480 5.620
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虚拟水含量（m3/㎏） 蓝水 绿水 总量 0.816 0.249 1.065 1.184 0.041 1.225 0.519 0.217 0.736 0.810 0.244 1.054 0.165 0.648 0.813 0.149 0.585 0.734
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资源科学
第 32 卷 第 11 期
水量的基础上，乘以各省市该 作物种植的面积可求出该作
表 1 2007 年华北平原主要地区小麦、玉米作物生产消费用水＊
Table 1 Volume of water use of wheat and maize’s growth in North China Plain in 2007 （mm）
㎏ ，玉 米 为 0.489 m3/㎏）要 高 保定、邢台、邯郸、沧州的平均值，其他计算以此为基础（以下同）。
得多 ，相 [12] 比中亚地区（小麦
虚 拟 水 为（1.44~4.00）m3/㎏）
表 2 2007 年华北平原主要地区小麦、玉米生产的水消耗量和虚拟水含量
要 小 得 多 。 [13] 这 与 气 候 条 件
2 概念界定：绿水、蓝水和灰水水足迹
在作物生产过程中所需的水主要有三种类型： 绿水、蓝水、灰水。据 Falkenmark[7]，用“绿水”来表 示赋存于土壤非饱和含水层并能以蒸散的形式为 植物利用，即通常所说的土壤水；用“蓝水”来表示
收稿日期：2009-04-12; 修订日期：2010-04-14 基金项目：国家科技支撑计划项目（编号：2006BAC18B01）；国家自然科学基金资助项目（编号：30770410）。 作者简介：盖力强，男，河北行唐人，博士生，从事资源生态及生态经济研究。E-mail: geliqiang220@ 通讯作者：谢高地，E-mail: xiegd@
作物绿水虚拟水含量可通过有效降雨量和作物产量的比值来计算作物蓝水虚拟水含量也可通过灌溉用水量和作物产量的比值来估算农产品的虚拟水含量就是绿水虚拟水与蓝水虚拟水之和
第 32 卷 第 11 期 2010 年 11 月
2010，32（11）：2066-2071
Resources Science
Vol.32，No.11 Nov.，2010
的淡水水量。可以用为使水质达到安全标准，用于
稀释所排放的污染物所需的水量来表示。为了能
更好的说明对生态环境的影响，在研究中往往把灰
水水足迹单独列出[8]。
3 研究方法与数据来源
3.1 小麦、玉米虚拟水含量
计算农产品的虚拟水含量，必须知道作物生长
需水量，根据作物生长发育期间的累积蒸发蒸腾水
量（作物需水量，CWR）来计算。影响作物需水量的