廣義水資源利用效率綜合評價指數的

王丹丹楊陳玉何鑫王振昌操信春

摘要：基于廣義水資源利用過程，同時考慮區域灌溉效率、水分生產率、水資源來源及消耗途徑構建廣義水資源利用效率綜合評價指數（C指數）。基于中國主要灌區數據，在量化1998年-2010年各省區C指數的基礎上探索了其時空分異特征。結果顯示：省區尺度C指數總體呈增長態勢，全國值由0550增加到0704，中國糧食生產用水結構趨于合理；空間自相關分析結果顯示，[JP2]代表年省區尺度C指數在空間上呈現顯著的聚集現象，全局莫蘭I的檢驗值均超過了001的置信水平；C指數較大省區集中于黃淮海平原和長江流域北部，低值省區則廣泛分布于長江以南、東北及西北地區；各省區局部自相關屬性穩定，HH和LL的省區在20個左右。從自然氣候特點、農業生產條件等方面分析了C指數的時空分異特征。研究成果為農業水資源利用評價方法和水資源管理宏觀政策制定提供參考。

關鍵詞：藍綠水；農業用水綜合指數；空間格局；灌區；糧食安全；中國

中圖分類號：TV213文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2016）06005606

Spatial and temporal differences of agricultural water utilization composite index in irrigated farmland of China

WANG Dandan1，YANG Chenyu2，HE Xin2，WANG Zhenchang2，CAO Xinchun2

（1.School of Resource and Environmental Sciences，Chifeng University，Chifeng 024000，China；2.Key Laboratory of HighEffective Irrigation and Drainage and Agricultural Water and Soil Environment in Southern China，Ministry of Education，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract：

Based on the use of generalized water resources and the existing evaluation index system of agricultural water，regional irrigation efficiency，water productive efficiency，source of water resources and consumptive ways to build agricultural water utilization composite index（Cindex）were considered.Based on data collected from major irrigation districts of China，this paper quantified irrigation Cindex from 1998 to 2010，explored the spatial differentiation characteristics.The results showed that：the Cindex at provincial level presented an increasing trend，and the national Cindex increased from 0.550 to 0.704，the structure of water for food production trended to be rationalized；Spatial autocorrelation analysis results showed that，C index on provincial scale gathered significantly in space，Moran′s I inspection values were higher than the confidence level（0.01）.High value provinces were concentrated in HuangHuaiHai Plain and north of Changjiang River，low value provinces were widely distributed in the south of Changjiang River，Northeast and Southeast China；Attribute of local autocorrelation was stable，and about 20 provinces showed highhigh positive autocorrelation（HH）and lowlow positive autocorrelation（LL）.Spatial differentiation characteristics of Cindex from natural features，agricultural production conditions were also analyzed.This paper provides references for development of evaluation methods for agricultural water use and macro policies of water resources management.

Key words：bluegreen water resources；agricultural water utilization composite index（Cindex）；spatial distribution pattern；irrigation district；food security；China

1研究背景

農業水資源利用效率區域差異解析是進行水資源管理的重要依據。傳統研究主要針對農業生產過程，通過建立灌溉效率、水分生產率及綜合生產效率指標來分析農業水資源利用問題[12]。現代水資源管理研究通過水足跡來衡量人類生產或消費活動對水資源的影響[36]。兩者的共同基礎為廣義水資源利用和水資源量平衡，傳統的農業用水效用評價中注重區域水文循環下的水量平衡，而水足跡理論更強調在消費社會中區域間的水資源量產銷平衡。水足跡理論強調區分藍、綠水資源和虛擬水的重要作用，在更大尺度上評價水資源的利用效益，使得水資源管理成為兼顧區域內外部相互影響的系統工程。建立水資源利用與農業產出之間關系的評價指標是兩類方法契合點。學者在基于傳統研究指標的特定區域農業用水評價上做了大量工作，主要包括作物田間需水、耗水規律[79]，不同角度灌溉效率及水分生產率評價指標構建、量化及其尺度效應[1012]，農業水資源高效優化配置及農業節水潛力計算方法的建立等[1315]。在水足跡與農業用水評價結合方面，分析區域間農業用水狀況差異，并進一步評價消費水足跡和虛擬水流動現象帶來的水資源節約效益的相關研究也取得一定進展[1618]。然而，當前研究僅以田間尺度水分生產率作為比較區域間農業用水效率的指標，這使得研究結論具有局限性。因為影響農業用水狀況的因素眾多，包括氣候條件、作物品種、灌溉設施、技術推廣等，某一類指標很難全面地體現[1920]。同時，從水資源投入糧食產出關系衡量的角度講，田間尺度水分生產率也并非最具代表性的指標[21]。本文參考傳統農業用水效用評價和水足跡理論中的相關范式，選擇從不同角度衡量農業用水狀況指標來建立廣義水資源利用效率綜合評價指數（C指數），量化中國灌區C指數并利用空間統計學方法分析其時空分異特征。為相關研究和宏觀政策制定提供參考。[HJ]

2.2空間自相關分析

[JP+1]空間自相關分析方法反映一個地理屬性與鄰近區域同一屬性相關程度，可分為全局和局部空間自相關。全局空間自相關對地理屬性在整個區域的空間特征進行描述，判斷該屬性值在總體空間上是否存在聚集現象[23]。在此，通過對全局Moran′s I指標的計算來分析C指數的總體空間關聯程度。通過局部Moran′s I測算局部地理單元C指數的空間異質性，并推算出聚集地的地理位置、范圍及其隨時間變化情況，并以LISA聚集圖的形式表征。與總體的平均水平相比，可以判斷出一個省區C指數在總體中所處的位置。LISA聚集圖中屬性分為四種類型[7]：HH，表示某該省區和周圍省區的地理屬性值都較高；LH，表示該省區較低而周圍省區較高；HL，表示該省區較高而周圍較低；LL，表示該省區和周圍省區都較低。在給定顯著性水平時，可以判斷各區域局部空間自相關屬性的顯著性。

2.3數據來源

降水量數據由中國氣象科學數據共享服務網下載；各灌區代表年的灌溉效率、糧食產量、灌溉面積、復種指數、灌溉用水量等數據來源于中國大型灌區網站（http：//www.dxgq.org.cn）及部分的灌區管理局；還參考了研究時段內的中國統計年鑒、中國水利年鑒、中國水資源公報、各省區統計年鑒及水資源公報等資料；因數據所限，選取1998年-2010年的起始年、中間年（2005年）及末尾年為代表年，來分析C指數的時空分布特征。

3結果與分析

[BT（3]3.1[ZK（][JP+1]不同年份廣義水資源利用效率綜合評價指數（C指數）[ZK）][BT）]

將各省區C指數進行對有效灌溉面積的加權得到全國灌區不同年份C指數值，見圖1。為便于分析和對比，圖1還給出了全國灌區灌溉效率（η）、廣義水資源水分生產率（Pwu）、綠水比例（Rg）及有效耗水比例（RET）四個指標在不同年份的表現。

由圖1可知，中國灌區η、Pwu、Rg及RET均在0300～1000之間，且不同年份四個指標在數值上大小關系為：Pwu>RET>η>Rg。η、Pwu、Rg、RET和C指數代表年均值分別為0452、0860、0365、0652以及0619，農業生產用水綜合指數與有效耗水比例在數值最為接近。C指數在三個代表年的值分別為0550、0603及0704，呈穩步增長態勢，說明綜合灌溉效率、水分生產率、水資源來源構成以及消耗途徑看，中國灌區糧食生產用水向更加合理的趨勢發展。η、Pwu、Rg及RET均呈隨時間增大趨勢，其中Pwu最為明顯，這也直接導致了C指數的隨時間增加。四個指標及C指數的增長主要由糧食單產水平的提高和灌溉設施改進使得灌溉引水量減少引起。如1998年中國灌區的平均灌水量約為8 900 m3/hm2，對應耕地上的糧食單產約為9 900 kg/hm2，2010年這兩個參數分別變化為7 300 m3/hm2和12 200 kg/hm2，在降水量變化不明顯的情況下，η、Pwu、Rg及RET分別由0420、0725、0350和0623增長到0492、1020、0390以及0690。為了C指數隨時間變化的區域差異，計算出各省區C指數的年均變化幅度，列于表2。

結果顯示，各省區C指數均隨時間增加，增加速度存在一定差異。北京和內蒙古的年均增幅在300%以上，為中國糧食生產用水合理性變強最快的區域；天津、吉林、湖北和重慶的年均增加幅度均超過250%，屬于灌區農業生產用水綜合指數增長較快的省區；還有13個省區在全國平均水平（200%）之上。12個省區的增長速率在全國值以下，其中安徽最小，為唯一不足100%的省份。總體來看，北方地區的C指數增長較快而南方省區相對較慢，如增幅最大前4個省區均在北方而最小的4省區均位于長江流域。C指數的全面增加說明中國農業水資源利用效率的顯著提升，對于緩解區域水資源壓力、提升水資源利用效益以及促進區域經濟發展均具有重要意義。

3.2農業生產用水綜合指數空間差異

為分析C指數的空間分散程度及其隨時間變化情況，計算出不同年份省級行政區尺度C指數的最大值、最小值、極差及標準差等統計量，列于表3。同時，由于C指數值在各代表年省區間大小關系的一致性較好，用各省區C指數三個年份的平均值來分析空間格局，見圖2。

由表3可知，省級行政區尺度C指數的最大值、最小值及平均值（算術平均值）均隨時間穩步增長，這與圖2、表2中糧食生產用水合理性全面升高的研究結果相吻合。與C指數全國加權值值相比，不同年份的省區算術平均值均偏小，說明總體上農業生產規模較大省區的糧食生產用水合理性更占優勢。省區C指數的極差和標準差也均在1998年-2005年-2010年區間內逐漸增大，說明中國糧食生產用水合理性的區域差距正在不斷擴大。

中國灌區農業生產用水綜合指數的省區差異較大，總體空間分布格局為黃河中下游及華北地區的省區較大而東北、華南、東南及西北部分省區較小。圖2顯示，陜西的C指數最高，達0924，陜西也是唯一超過0900的省份；山東、河南、河北及北京分別為0893、0867、0859及0859，分列2位至5位；其他省區均在0800以下，其中7個省區大于全國值的0619；19個小于全國值的省區中的10個不足0500，包括東南沿海的廣東、廣西、福建、海南，西北的新疆、青海和東北的遼寧、吉林、黑龍江；黑龍江的C指數全國最低，為0389，不足陜西、山東、河南、河北及北京五省市的一半；四川、湖北和江西的C指數值分別為0761、0695及0647均為南方為數不多的高值省區之一；除四川外的西南諸省區C指數均接近全國值，處于中等水平。

氣候狀況、作物播種類型、農業生產條件、經濟發展水平等影響區域灌溉效率、水分生產率、水資源的因素共同決定了省區度C指數的大小：關中平原和黃淮海地區地理條件優越、土地肥沃，糧食生產效率高的同時面臨比較嚴重的缺水問題，單位面積上產出的糧食可達130 ton/hm2，灌溉用水量在4 000 m3/hm2上下，使得水分生產率（Pwu）在1200 m3/kg左右，雖然灌溉效率（η）與其他省份差異不大，但綠水比例（Rg）和有效耗水比例（RET）均分別在40%和70%左右，明顯高于其他省區和全國水平，故C指數在省區中占明顯優勢；經濟發展較快的華南和東南地區以種植水田作物為主，降水量和灌溉用水同時較多且糧食單產也不占優勢，這些地區的Pwu僅在0500 m3/kg左右，Rg和RET分別為低于全國值的30%和60%，所以農業生產綜合用水C指數較低。東北地區也種植了大量水稻，灌溉引用水量較大，雖然糧食單產水平較高，但因復種程度、單位耕地糧食產出受到限制，加上η較低，糧食生產用水綜合效率還有很大的提升空間。西北的青海、新疆及寧夏等地區的C指數較小主要因降水資源有限、灌水量大從降低了Rg和RET導致；西南地區將水資源豐富、灌溉水資源投入較少，使得Rg與RET較大，雖然糧食單產和Pwu較低，C指數仍能處于全國中上游位置。

[BT（3]3.3[ZK（][JP+1]農業生產用水綜合指[JP+2]數的空間自相關分析[ZK）][BT）]

表4列出了不同時間C指數全局空間自相關的計算結果。不同年份全局Moran′s I估計值均明顯大于零，同時對應的ZScore均大于標準正態分布函數概率為001的臨界值，即通過了顯著性檢驗。代表年C指數均值的全局Moran′s I、ZScore及Pvalue分別為0264 8、3818 3以及0000 1。說明灌區C指數在省級行政區間的存在正自相關關系，總體上表現為相似大小的值在地理上顯著地集中。灌區C指數與區域的氣候條件、作物生產類型、水土資源等自然因素關系密切，同時也受灌溉水平、糧食單產、生產資料投入及管理方式等經濟社會條件的影響，而以上各因素大體上均能表現出地理上的類似性，這是大小相似C指數省區在地理空間上呈現聚集現象的重要原因。

大部分省區的局部空間自相關屬性在不同時間無明顯變化；三個年份表現為HL的省區均不多于4個，其余均為HH、LL及LH省區；各年份表現為HH、LL的省區個數之和分別為21、19及20，占省區的絕大多數；HH省區以華北平原為中心連片分布并涉及到部分的西南省區，LL省區則主要分布于長江以南和東北地區，均表現為地理上的正相關；表現為LH及HL省區在空間上分布相對散亂；表5顯示，HH（11個）、LL（9個）省區個數在各年份維持不變，只是顯著區減少了一個；LH省區的數量由7增至8，HL省區相應減少1個。總體說來，13年來C指數的局部分布特征沒有發生明顯的變化，這與省區間自然條件和社會經濟狀況差異的穩定有關。具體來說，天津一直處于LH區，其C指數明顯低于與之相鄰的河北與北京，不僅因為緊鄰HH省區，而且因為在自然條件、灌溉設施、種植結構和糧食產量相當相似的情況下，天津灌水量較大幅度大于與之相鄰的北京、河北，使得Pwu、Rg及RET均小于兩省市；內蒙古與江蘇的C指數處全國中下游水平，同時因受HH區輻射作用明顯，故均長期位于LH區；江西表現為HL，其代表年均C指數為0647，明顯大于鄰省浙江、福建、廣東的0450左右，江西與鄰省相比經濟發展滯后而有較好的農業基礎，局部自相關屬性受與其社會經濟條件類似的湖南、湖北影響較大；此外，黑龍江與遼寧分別由HL和LL變為LL與LH，而在云南HL與HH之間搖擺。不同時期C指數的全局及局部空間自相關特性差異較小，說明中國糧食生產用水狀況的空間格局將穩定存在。

由于C指數能夠更加全面衡量區域間農業用水狀況差異，各地區應結合自身糧食生產能力與水資源狀況等條件，針對各農業用水評價指標（η、Pwu、Rg及RET）的具體狀況制定相應對策以提升C指數，從而緩解區域水資源壓力、提高農業水資源利用效率和促進經濟社會持續發展。例如南方地區降水資源豐富、糧食生產任務小、經濟較為發達的同時其他行業對水資源需求較大，應在充分利用降水資源的基礎上提高η與Rg，將節約的灌溉水用于工業生產與服務業，提升水資源經濟效益；東北糧食主產區的Pwu較高，而面臨灌溉水資源管理粗放的同時降水有效利用率不高，所以提高η與RET是提高C指數的主要途徑；而華北和西北省區面臨嚴峻的水資源壓力，農業水資源供應有限，不僅要重視農業水分生產率Pwu，還應該重視有效耗水比例RET的提高以減少水資源的浪費。

4結論

由于灌溉效率、廣義水資源水分生產率、綠水比例及有效耗水比例均不同程度地增加，中國及各省區灌區糧食生產用水C指數呈全面上升態勢，全國值由1998年的0550增長到2010年的0704，糧食生產用水合理性在增強。省級行政區尺度C指數的差距較大，多年值在黑龍江的0398至陜西的0924之間變化；C指數的省區間有隨時間增大趨勢，中國區域間農業用水狀況的改善步調一致性不強。空間自相關方法分析發現，其在空間上呈顯著聚集現象，高值省分緊密分布在黃淮海平原及其周邊區域，低值省區則主要集中于長江以南和東北地區。局部自相關空間屬性為HH、LL、LH和HL的省區個數均相對穩定，顯著省區個數在減少。全局和局部自相關分析結果隨時間變化不大，中國糧食生產用水的時空分異格局穩定。

本文從區域用水狀況角度進行了評估并分析其時空分異格局，可為區域間農業水資源利用評價提供新思路，也為全國及區域農業生產及水資源宏觀管理提供理論參考。由于水資源問題涉及社會經濟系統的各個方面，提升農業水資源綜合利用效率是任何區域均需重視的問題。然而，不同地區的種植結構、氣候條件、水資源條件存在差異，導致對不同農業用水評價指標的重視程度不盡相同，針對農業用水過程本身的水資源利用效率評價指數提升的急迫性和策略制定還需與區域自然及農業生產條件相結合，以為區域農業用水效率提升明確方向。而基于現代水資源管理理念的農業水資源具體管理政策的建立與實施，需要在水資源利用相對狀況評價的基礎上，進行以提升全國水資源利用效益和保障全國范圍內糧食安全生產的水土資源優化配置研究是需要考慮的問題。

參考文獻（References）：

[1]Molden D，Sakthivadivel R，Christopher JP，et al.Indicators for Comparing Performance of Irrigated Agricultural Systems.IWMI Research Report no.20[R].International Water Management Institute（IWMI）：Colombo，Sri Lanka.DOI：10.1002/ird.1816

[2][JP2]Heydari N.Water productivity in agriculture：challenges in concept，terms and values[J].Irrig.and Drain.，2014，63：2228.

[3]Allan JA.Virtual water eliminates water wars？ A case study from the Middle East.In Hoekstra AY edited.Virtual Water Trade：Proceedings of the International Expert Meeting on Virtual Water Trade.Value of Water Research Report Series No12[R].IHE Delft，the Netherlands，2003：137145.

[4]Cao X C，Wu P T，Wang Y B，et al.Water footprint of grain product in irrigated farmland of China[J].Water Resources Management，2014，28（8）：22132227.DOI：10.1007/s1126901406071

[5]孫克，徐中民.基于地理加權回歸的中國灰水足跡人文驅動因素分析[J].地理研究，2016，35（1）：3748.（SUN Ke，XU Zhongmin.The impacts of human driving factors on grey water footprint in China using a GWR model[J].Geographical Research，2016，35（1）：3748.（in Chinese）） DOI：10.11821/dlyj201601004

[6]Aldaya M M，Allan J A，Hoekstra A Y.Strategic importance of green water in international crop trade[J].Ecological Economics，2010，69（4）：887894.DOI：10.1016/j.ecolecon.2009.11.001

[7]操信春，吳普特，王玉寶，等.中國灌區水分生產率及其時空差異分析[J].農業工程學報，2012，28（13）：17.（CAO Xinchun，WU Pute，WANG Yubao，et al.Analysis on temporal and spatial differences of water productivity in irrigation districts in China[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2012，28（13）：17.（in Chinese））DOI：103969/j.issn.10026819.2012.13.001

[8]張芊，任理.應用根系層水質模型分析冬小麥夏玉米輪作體系的農田水氮利用效率Ⅱ：模型的驗證與情景分析[J].水利學報，2012，43（3）：354362.（ZHANG Qian，REN Li.Applying application of root zone water quality model to simulate water and nitrogen use efficiency of winter wheatsummer maize double cropping system II.Model validation and scenario analysis[J].Journalof Hydraulic Engineering，2012，43（3）：354362.（in Chinese）） DOI：05599350（2012）03035409

[9]Cai X，Yang Y，Ringler C，et al.Agricultural water productivity assessment for the Yellow River Basin[J].Agricultural Water Management，2011，98（8）：12971306.[ZK）]

[10][ZK（#]陳皓銳，黃介生，伍靖偉，等.井渠結合灌區用水效率指標尺度效應研究框架[J].農業工程學報，2009，25（8）：17.（CHEN Haorui，HUANG Jiesheng，WU Jingwei，et al.Scale effect research framework of irrigation water use efficiency indices in wellcanal combined irrigation area[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2009，25（8）：17.（in Chinese））DOI：103969/J.issn.10026819.2009.08.001

[11]崔遠來，董斌，李遠華.水分生產率指標隨空間尺度變化規律[J].[JP+2]水利學報，2006，37（1）：4551.（CUI Yuanlai，DONG Bin，LI Yuanhua.Variation of water productivity in different spatial scales[J].Journal of Hydraulic Engineering，2006，37（1）：4551.（in Chinese））DOI：0559-9350（2006） 01004507

[12]Zwart S，Bastiaanssen W，Fraiture C，et al.A global benchmark map of water productivity for rainfed and irrigated wheat[J].Agricultural Water Management，2010，97（10）：16171627.DOI：10.1016/j.agwat.2010.05.018

[13]Juliet C S，Heather C，Peter H G.Potential water savings associated with agricultural water efficiency improvements：a case study of California，USA[J].Water Policy，2012，14（2）：194213.DOI：10.2166/wp.2011.017

[14][JP2]Keramatzadeh A，Chizari A H，Moore R.Economic optimal allocation of agriculture water：mathematical programming approach[J].Journal of Agricultural Science and Technology，2011，13（4）：477490.

[15]Chapagain A K，Hoekstra A Y，savenije H H G.Water saving through international trade of agricultural products[J].Hydrol.Earth Syst.Sci.，2006，10（3）：455468.

[16][ZK（#][JP3]Fader M，Gerten D，Thammer M，et al.Internal and external greenblue agricultural water footprints of nations，and related water and land savings through trade[J].Hydrol.Earth Syst.Sci.，2011，15（5）：16411660.DOI：10.5194/hess1516412011.

[17]Sun S K，Wu P T，Wang Y B，et al.The virtual water content of major grain crops and virtual water flows between regions in China[J].Journal of the Science of Food and Agriculture，2013，93（6）：14271437.DOI：10.1002/jsfa.5911.

[18][JP3]馬濤，陳家寬.虛擬水貿易在解決中國和全球水危機中的作用[J].生態經濟，2006（11）：2226.（MA Tao，CHEN Jiakuan.The role of virtual water trade in efforts to resolve china and global water crisis[J].Ecological Economy，2006（11）：2226.（in Chinese））

[19]許迪，龔時宏，李益農，等.作物水分生產率改善途徑與方法研究綜述[J].水利學報，2010，41（6）：631639.（XU Di，GONG Shihong，LI Yinong，et al.Overview of recent study on improvement approaches and methods for crop water productivity[J].Journal of Hydraulic Engineering，2010，41（6）：631639.（in Chinese））DOI：05599350（2010）06063109

[20]Jensen ME.Beyond irrigation efficiency[J].Irrig.Sci.2007，25（3），233245.DOI：10.1007/s0027100700605

[21]操信春，吳普特，王玉寶，等.水分生產率指標的時空差異及相關關系[J].水科學進展，2014，25（2）：268274.（CAO Xinchun，WU Pute，WANG Yubao，et al.Temporal and spatial variation and correlativity of water productivity indexes in irrigated land of China[J].Advances in Water Science，2014，25（2）：268274.（in Chinese）） DOI：10.14042/j.cnki.32.1309.2014.02.011.

[22]Sun S K，Wu P T，Wang Y B，et al.The impacts of interannual climate variability and agricultural inputs on water footprint of crop production in an irrigation district of China[J].Science of the Total Environment，2013，444：498507.DOI：10.1016/j.scitotenv.2012.12.016.

[23]孟斌，王勁峰，張文忠，等.基于空間分析方法的中國區域差異研究[J].地理科學，2005，25（4）：393400.（MENG Bin，WANG JinFeng，ZHANG WenZhong，et al.Evaluation of Regional Disparity in China Based on Spatial Analysis[J].Scientia Geographical Sinica，2005，25（4）：393400.（in Chinese））