Dấu ấn nước xanh, nước xanh và nước xám của cây trồng và sản phẩm cây trồng chế biến
Tóm tắt
Tóm tắt. Nghiên cứu này định lượng dấu ấn nước xanh, nước xanh và nước xám của sản xuất cây trồng toàn cầu theo cách cụ thể về mặt không gian trong giai đoạn 1996–2005. Đánh giá này cải thiện so với các nghiên cứu trước bằng cách tiếp cận độ phân giải cao, ước lượng dấu ấn nước của 126 loại cây trồng tại lưới 5 x 5 phút cung. Chúng tôi đã sử dụng một mô hình cân bằng nước động lực học dựa trên lưới để tính toán mức sử dụng nước của cây trồng theo thời gian, với bước thời gian một ngày. Mô hình này xem xét sự cân bằng nước trong đất hàng ngày và các điều kiện khí hậu cho mỗi ô lưới. Thêm vào đó, ô nhiễm nước liên quan đến việc sử dụng phân đạm trong sản xuất cây trồng cũng được ước lượng cho mỗi ô lưới. Sự bốc hơi nước của 20 loại cây trồng phụ khác được tính toán bằng mô hình CROPWAT. Ngoài ra, chúng tôi đã tính toán dấu ấn nước của hơn hai trăm sản phẩm cây trồng chế biến, bao gồm nhiều loại bột, đồ uống, sợi và nhiên liệu sinh học. Chúng tôi đã sử dụng khung đánh giá dấu ấn nước theo hướng dẫn của Mạng lưới Dấu ấn Nước. Khi xem xét dấu ấn nước của các cây trồng chính, chúng tôi nhận thấy rằng dấu ấn nước trung bình toàn cầu trên mỗi tấn cây trồng tăng từ cây mía (khoảng 200 m3 tấn−1), rau củ (300 m3 tấn−1), củ và khoai (400 m3 tấn−1), trái cây (1000 m3 tấn−1), ngũ cốc (1600 m3 tấn−1), cây dầu (2400 m3 tấn−1) đến cây đậu (4000 m3 tấn−1). Dấu ấn nước tuy nhiên còn biến đổi giữa các loại cây trồng khác nhau trong mỗi nhóm cây trồng và theo từng vùng sản xuất. Bên cạnh đó, nếu xem xét dấu ấn nước trên mỗi kcal, bức tranh cũng thay đổi. Khi tính trên mỗi tấn sản phẩm, các hàng hóa có dấu ấn nước tương đối lớn là: cà phê, trà, ca cao, thuốc lá, gia vị, hạt dẻ, cao su và sợi. Phân tích dấu ấn nước của các nhiên liệu sinh học khác nhau cho thấy etanol sinh học có dấu ấn nước thấp hơn (trong m3 GJ−1) so với biodiesel, điều này hỗ trợ cho các phân tích trước đó. Loại cây trồng được sử dụng cũng rất quan trọng: dấu ấn nước trung bình toàn cầu của etanol sinh học dựa trên củ đường khoảng 51 m3 GJ−1, trong khi đó là 121 m3 GJ−1 cho ngô. Dấu ấn nước toàn cầu liên quan đến sản xuất cây trồng trong giai đoạn 1996–2005 là 7404 tỷ mét khối mỗi năm (78 % nước xanh, 12 % nước xanh, 10 % nước xám). Dấu ấn nước tổng thể lớn được tính toán cho lúa mì (1087 Gm3 yr−1), gạo (992 Gm3 yr−1) và ngô (770 Gm3 yr−1). Lúa mì và gạo có dấu ấn nước xanh lớn nhất, chung cộng lại chiếm 45 % dấu ấn nước xanh toàn cầu. Ở cấp độ quốc gia, dấu ấn nước tổng thể lớn nhất là ở Ấn Độ (1047 Gm3 yr−1), Trung Quốc (967 Gm3 yr−1) và Hoa Kỳ (826 Gm3 yr−1). Một dấu ấn nước xanh tổng thể tương đối lớn do sản xuất cây trồng được quan sát trong lưu vực sông Ấn (117 Gm3 yr−1) và lưu vực sông Hằng (108 Gm3 yr−1). Hai lưu vực này chung cộng lại chiếm 25 % dấu ấn nước xanh liên quan đến sản xuất cây trồng toàn cầu. Toàn cầu, nông nghiệp truyến mưa có dấu ấn nước là 5173 Gm3 yr−1 (91 % nước xanh, 9 % nước xám); nông nghiệp tưới tiêu có dấu ấn nước là 2230 Gm3 yr−1 (48 % nước xanh, 40 % nước xanh, 12 % nước xám).
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Alcamo, J., Flörke, M., and Märker, M.: Future long-term changes in global water resources driven by socio-economic and climatic changes, Hydrolog. Sci. J., 52(2), 247–275, 2007.
Allen, R. G., Pereira, L. S., Raes, D., and Smith, M.: Crop evapotranspiration: guidelines for computing crop water requirements, FAO Drainage and Irrigation Paper 56, Food and Agriculture Organization, Rome, 1998.
Alptekin, E. and Canakci, M.: Determination of the density and the viscosities of biodiesel-diesel fuel blends, Renew. Energ., 33(12), 2623–2630, 2008.
Batjes, N. H.: ISRIC-WISE derived soil properties on a 5 by 5 arc-minutes global grid, Report 2006/02, ISRIC – World Soil Information, Wageningen, The Netherlands, available at: www.isric.org, 2006.
Chapagain, A. K. and Hoekstra, A. Y.: Water footprints of nations, Value of Water Research Report Series No. 16, UNESCO-IHE, Delft, The Netherlands, 2004.
Chapagain, A. K., Hoekstra, A. Y., Savenije, H. H. G., and Gautam, R.: The water footprint of cotton consumption: an assessment of the impact of worldwide consumption of cotton products on the water resources in the cotton producing countries, Ecol. Econ., 60(1), 186–203, 2006.
Critchley, W. and Siegert, K.: Water harvesting: A manual for the design and construction of water harvesting schemes for plant production, Food and Agriculture Organization, Rome, 1991.
De Willigen, P.: An analysis of the calculation of leaching and denitrification losses as practised in the NUTMON approach, Plant Research International, Wageningen, The Netherlands, 2000.
Döll, P. and Siebert, S.: Global modelling of irrigation water requirements. Water Resour. Res., 38(4), 1037, https://doi.org/10.1029/2001WR000355, 2002.
Doorenbos, J. and Kassam, A. H.: Yield response to water, FAO Drainage and Irrigation Paper 33, FAO, Rome, 1979.
Fader, M., Gerten, D., Thammer, M., Heinke, J., Lotze-Campen, H., Lucht, W., and Cramer, W.: Internal and external green-blue agricultural water footprints of nations, and related water and land savings through trade, Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss., 8, 483–527, https://doi.org/10.5194/hessd-8-483-2011, 2011.
FAO: Technical conversion factors for agricultural commodities, Food and Agriculture Organization, Rome, 2003.
FAO: Review of agricultural water use per country, Food and Agriculture Organization, Rome, available at: www.fao.org/nr/water/aquastat/water_use_agr/index.stm, 2005.
FAO: Fertilizer use by crop, FAO Fertilizer and Plant Nutrition Bulletin 17, Food and Agriculture Organization, Rome, 2006.
FAO: FAOSTAT on-line database, Food and Agriculture Organization, Rome, http://faostat.fao.org, last access: 10 October 2008a.
FAO: AQUASTAT on-line database, Food and Agriculture Organization, Rome, http://faostat.fao.org last access: 10 October 2008b.
FAO: Global map of monthly reference evapotranspiration – 10 arc minutes, GeoNetwork: grid database, Food and Agriculture Organization, Rome, http://www.fao.org/geonetwork/srv/en/resources.get?id=7416&fname=ref_evap_fao_10min.zip&access=private, last access: 15 October 2008c.
FAO: Global Information and Early Warning System (GIEWS) – Crop calendar tool, Food and Agriculture Organization, Rome, http://lprapp08.fao.org/fenix-portal last access: 15 October 2008d.
FAO: FertiStat – Fertilizer use statistics. Food and Agriculture Organization, Rome, www.fao.org/ag/agl/fertistat/, last access: 10 February 2009.
Gerbens-Leenes, P. W., Hoekstra, A. Y., and Van der Meer, T. H.: The water footprint of bio-energy: Global water use for bio-ethanol, bio-diesel, heat and electricity, Value of Water Research Report Series No. 29, UNESCO-IHE, Delft, The Netherlands, 2008a.
Gerbens-Leenes, P. W., Hoekstra, A. Y., and Van der Meer, T.H.: Water footprint of bio-energy and other primary energy carriers, Value of Water Research Report Series No. 34, UNESCO-IHE, Delft, The Netherlands, 2008b.
Gerbens-Leenes, W., Hoekstra, A. Y., and Van der Meer, T. H.: The water footprint of bioenergy, P. Natl. Acad. Sci. USA, 106(25), 10219–10223, 2009.
Gleick, P. H. (Ed.): Water in crisis: A guide to the world's fresh water resources, Oxford University Press, Oxford, UK, 1993.
Gleick, P. H.: The changing water paradigm: a look at twenty-first century water resources development, Water Inter., 25(1),127–138, 2000.
Global Runoff Data Centre Major River Basins of the World, Global Runoff Data Centre, Koblenz, Federal Institute of Hydrology (BfG), Germany, 2007.
Hanasaki, N., Inuzuka, T., Kanae, S., and Oki, T. An estimation of global virtual water flow and sources of water withdrawal for major crops and livestock products using a global hydrological model, J. Hydrol., 384, 232–244, 2010.
Heffer, P.: Assessment of Fertilizer Use by Crop at the Global Level 2006/2007-2007/2008. International Fertilizer Industry Association, Paris, 2009.
Hoekstra, A. Y. (Ed.): Virtual water trade: Proceedings of the International Expert Meeting on Virtual Water Trade, Delft, The Netherlands, 12–13 December 2002, Value of Water Research Report Series No. 12, UNESCO-IHE, Delft, The Netherlands, 2003.
Hoekstra, A. Y. and Chapagain, A. K.: Water footprints of nations: water use by people as a function of their consumption pattern, Water Resour. Manag., 21(1), 35–48, 2007.
Hoekstra, A. Y. and Chapagain, A. K.: Globalization of water: Sharing the planet's freshwater resources, Blackwell Publishing, Oxford, UK, 2008.
Hoekstra, A. Y. and Hung, P. Q.: Virtual water trade: A quantification of virtual water flows between nations in relation to international crop trade. Value of Water Research Report Series No. 11, UNESCO-IHE, Delft, The Netherlands, 2002.
Hoekstra, A. Y., Chapagain, A. K., Aldaya, M. M., and Mekonnen, M. M.: The water footprint assessment manual: Setting the global standard, Earthscan, London, UK, 2011.
Hoff, H., Falkenmark, M., Gerten, D., Gordon, L., Karlberg, L., and Rockström, J.: Greening the global water system, J. Hydrol., 384, 177–186, 2010.
Hutson, S. S., Barber, N. L., Kenny, J. F., Linsey, K. S., Lumia, D. S., and Maupin, M. A.: Estimated Use of Water in the United States in 2000, USGS Circular 1268, US Geological Survey, Reston, USA, available at: http://water.usgs.gov/watuse, last access: 15 February 2010, 2004.
IFA: International Fertilizer Industry Association Databank, www.fertilizer.org/ifa/ifadata/results, last access: 24 September 2009.
L'vovich, M. I., White, G. F., and Turner, B. L. I.: Use and transformation of terrestrial water systems, in: The earth as transformed by human action: Global and regional changes in the biosphere over the past 300 years edited by: Turner II, B. L., Clark, W. C, Kates, R. W., Richards, J. F., Mathews, J. T., and Meyer, W. B., Cambridge University Press, New York, 235–252, 1990.
Liu, J. and Yang, H.: Spatially explicit assessment of global consumptive water uses in cropland: green and blue water, J. Hydrol., 384, 187–197, 2010.
Liu, J., Yang, H., and Savenije, H. H. G.: China's move to higher-meat diet hits water security, Nature, 454, p. 397, 2008.
Liu, J., Zehnder, A. J. B., and Yang, H.: Global consumptive water use for crop production: The importance of green water and virtual water, Water Resour. Res., 45, W05428, https://doi.org/10.1029/2007WR006051, 2009.
Liu, J., You, L., Amini, M., Obersteiner, M., Herrero, M., Zehnder, A. J. B., and Yang, H.: A high-resolution assessment on global nitrogen flows in cropland, P. Natl. Acad. Sci. USA, 107(17), 8035–8040, 2010.
Mekonnen, M. M. and Hoekstra, A. Y.: A global and high-resolution assessment of the green, blue and grey water footprint of wheat, Hydrol. Earth Syst. Sci., 14, 12590–1276, https://doi.org/10.5194/hess-14-1259-2010, 2010.
Mitchell, T. D. and Jones, P. D.: An improved method of constructing a database of monthly climate observations and associated high-resolution grids, Int. J. Climatol., 25, 693–712, available at: http://cru.csi.cgiar.org/continent_selection.asp, last access: 3 October 2008, 2005.
Monfreda, C., Ramankutty, N., and Foley, J. A.: Farming the planet: 2. Geographic distribution of crop areas, yields, physiological types, and net primary production in the year 2000, Global Biogeochem. Cy., 22, GB1022, https://doi.org/10.1029/2007GB002947, available at: www.geog.mcgill.ca/landuse/pub/Data/175crops2000/, last access: 18 September 2008.
Perry, C.: Efficient irrigation; inefficient communication; flawed recommendations, Irrig. and Drain., 56, 367–378, https://doi.org/10.1002/ird.323, 2007.
Pimentel, D., Houser, J., Preiss, E., White, O. Fang, H., Mesnick, L., Barsky, T., Tariche, S., Schreck, J., and Alpert, S.: Water resources: Agriculture, the environment, and society, BioScience, 47(2), 97–106, 1997.
Pimentel, D., Berger, B., Filiberto, D., Newton, M., Wolfe, B., Karabinakis, E., Clark, S., Poon, E., Abbett, E., and Nandagopal, S.: Water resources: Agricultural and environmental issues, BioScience, 54(10), 909–918, 2004.
Portmann, F. T., Siebert, S., and Döll, P.: Mirca2000 – global monthly irrigated and rainfed crop areas around the year 2000: A new high-resolution data set for agricultural and hydrological modelling, Global Biogeochem. Cy., 24(1), GB1011, https://doi.org/10.1029/2008GB003435, available at: http://www.geo.uni-frankfurt.de/ipg/ag/dl/forschung/MIRCA/data_download/index.html, last access: 15 October 2009, 2010.
Postel, S. L., Daily, G. C., and Ehrlich, P. R.: Human appropriation of renewable freshwater, Science, 271(5250), 785–788, 1996.
Reynolds, C. A., Yitayew, M., Slack, D. C., Hutchinson, C. F., Huete, A., and Petersen, M. S.: Estimating crop yields and production by integrating the FAO Crop Specific Water Balance model with real-time satellite data and ground-based ancillary data, Int. J. Remote Sens., 21(18), 3487–3508, 2000.
Rockström, J. and Barron, J.: Water productivity in rainfed systems: overview of challenges and analysis of opportunities in water scarcity prone savannahs, Irrigation Sci., 25(3), 299–311, 2007.
Rockström, J. and Gordon, L.: Assessment of green water flows to sustain major biomes of the world: Implications for future ecohydrological landscape management, Phys. Chem. Earth Pt. B, 26(11–12), 843–851, 2001.
Rockström, J., Gordon, L., Falkenmark, M., Folke, C., and Engvall, M.: Linkages among water vapor flows, food production, and terrestrial ecosystem services, Conserv. Ecol., 3(2), 5, available at:http://www.consecol.org/vol3/iss2/art5/, 1999.
Rockström, J., Barron, J., and Fox, P.: Water productivity in rain-fed agriculture: challenges and opportunities for smallholder farmers in drought-prone tropical agroecosystems, in: Water productivity in agriculture: limits and opportunities for improvement, edited by: Kijne, J. W., CAB International, Wallingford, 315–352, 2003.
Rockström, J., Hatibu, N., Oweis, T. Y., Wani, S., Barron, J., Bruggeman, A., Farahani, J., Karlberg, L., and Qiang, Z.: Managing water in rainfed agriculture, in: Water for food, water for life: A comprehensive assessment of water management in agriculture, edited by: Molden, D., Earthscan, London, 315–352, 2007a.
Rockström, J., Lannerstad, M., and Falkenmark, M.: Assessing the water challenge of a new green revolution in developing countries, P. Natl. Acad. Sci. USA, 104(15), 6253–6260, 2007b.
Rockström, J., Falkenmark, M., Karlberg, L., Hoff, H., Rost, S., and Gerten, D.: Future water availability for global food production: the potential of green water for increasing resilience to global change, Water Resour. Res., 45, W00A12, https://doi.org/10.1029/2007WR006767, 2009.
Rohwer, J., Gerten, D., and Lucht, W.: Development of functional types of irrigation for improved global crop modelling, Potsdam Institute for Climate Impact Research, Potsdam, Germany, 2007.
Rosegrant, M. W. and Ringler, C.: Impact on food security and rural development of transferring water out of agriculture, Water Policy, 1(6), 567–586, 2000.
Rost, S., Gerten, D., Bondeau, A., Lucht, W., Rohwer, J., and Schaphoff, S.: Agricultural green and blue water consumption and its influence on the global water system, Water Resour. Res., 44, W09405, https://doi.org/10.1029/2007WR006331, 2008.
Rost, S., Gerten, D., Hoff, H., Lucht, W., Falkenmark, M., and Rockström, J.: Global potential to increase crop production through water management in rainfed agriculture, Environ. Res. Lett., 4, https://doi.org/10.1088/1748-9326/4/4/044002, 2009.
Roy, R. N., Misra, R. V, Lesschen, J. P., and Smaling, E. M. A.: Assessment of Soil Nutrient Balance. Approaches and Methodologies, FAO Fertilizer and Plant Nutrition Bulletin, 14, FAO, Rome, 2003.
Sacks, W. J., Deryn, D. G, Foley, J. A., and Ramankutty, N.: Crop planting dates: An analysis of global patterns, Global Ecol. Biogeogr., 19(5), 607–620, https://doi.org/10.1111/j.1466-8238.2010.00551.x, available at: http://www.sage.wisc.edu/download/sacks/ArcINFO5min.html, last access: 9 September 2009, 2010.
Schuol, J. and Abbaspour, K. C.: Using monthly weather statistics to generate daily data in a SWAT model application to West Africa, Ecol. Model., 201, 301–311, 2007.
Seckler, D., Amarasinghe, U., Molden, D. J., de Silva, R., and Barker, R.: World water demand and supply, 1990–2025: Scenarios and issues, IWMI Research Report 19, IWMI, Colombo, Sri Lanka, 1998.
Siebert, S. and Döll, P.: The global crop water model (GCWM): Documentation and first results for irrigated crops. Frankfurt Hydrology Paper 07, Institute of Physical Geography, University of Frankfurt, Frankfurt am Main, Germany, available at: http://www.geo.uni-frankfurt.de/ipg/ag/dl/f_publikationen/2008/FHP_07_Siebert_and_Doell_2008.pdf, 2008.
Siebert, S. and Döll, P.: Quantifying blue and green virtual water contents in global crop production as well as potential production losses without irrigation, J. Hydrol., 384, 198–207, 2010.
Shiklomanov, I. A.: World fresh water resources, in: Water in crisis: A guide to the world's fresh water resources, edited by: Gleick, P. H., Oxford University Press, Oxford, UK, 13–24, 1993.
Shiklomanov, I. A.: Appraisal and Assessment of World Water Resources, Water Int., 25(1),11–32, 2000.
Shiklomanov, I. A. and Rodda, J. C. (Eds.): World water resources at the beginning of the twenty-first century, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2003.
Solley, W. B., Pierce, R. R., and Perlman, H. A.: Estimated Use of Water in the United States in 1995, USGS Circular 1200, US Geological Survey, Reston, USA, available at: http://water.usgs.gov/watuse, 1998.
UNDP: Beyond scarcity: power, poverty and the global water crisis, Human Development Report 2006, United Nation Development Program, 2006.
UNEP GEMS/Water Programme: Water Quality for Ecosystem and Human Health, 2nd Edn, UNEP GEMS/Water Programme, 2008.
USDA: The major world crop areas and climatic profiles, Agricultural Handbook No. 664, World Agricultural Outlook Board, United States Department of Agriculture, available at: www.usda.gov/oce/weather/pubs/Other/MWCACP/MajorWorldCropAreas.pdf, 1994.
Vörösmarty, C. J., McIntyre, P. B., Gessner, M. O., Dudgeon, D., Prusevich, A., Green, P., Glidden, S., Bunn, S. E., Sullivan, C. A., Liermann, C. R., and Davies, P. M.: Global threats to human water security and river biodiversity, Nature, 467(7315), 555–561, 2010.