水 足 跡 研 究 述 評

賀志文，向平安

(湖南農業大學商學院，長沙 410128)

水是人類生存和發展的一種基礎資源。第二次世界大戰后，世界人口和經濟的快速增長，淡水資源占用增加迅猛。自20世紀90年代起，稀缺的淡水資源已成為人類社會可持續發展的重要制約因素，科學家們開始積極探索水資源優化管理措施[1-4]。客觀反映水資源占用情況是企業和政府制定符合可持續發展要求的水資源管理制度的必要條件[5]。過去人們衡量用水情況只關注直接用水量，2002年Hoekstra提出一種新的水資源占用評價指標----水足跡，這一顧及產品供應鏈用水的觀點引起了科學家和政府的高度關注[6]。水足跡的綜合反映直接用水和間接用水的新視角獲得學者們的廣泛關注，并開展了大量相關研究。本文從理論、方法和應用等方面來綜述水足跡的研究進展，試圖概括水足跡研究的基本面貌，并指出存在的不足。

1 水足跡理論基礎

“水足跡”是在“虛擬水”概念基礎上發展而來的。虛擬水概念由Allan[7,8]提出，最初被定義為生產農產品所需要的所有水資源數量。虛擬水并非真正意義上的實體水，而是以虛擬形式物化在產品中的所有投入消耗的水資源，又被稱為“嵌入水”和“外生水”，是生產商品和服務所需要的水資源總量[9,10]。虛擬水概念把生產者與消費者的水資源使用聯系起來，是測量水消耗對總水資源系統的影響的重要指標[11]。

水足跡是一種衡量占用水資源的指標和方法。Hoekstra將水足跡概念定義為任何已知人口(一個國家、地區或個人)在一定時間內消耗的所有產品和服務所需要的水資源的數量[12]。傳統淡水資源計算結果明顯少于水足跡方法計算結果，其原因是傳統淡水資源計算方法忽視了虛擬水的存在，對于以虛擬形式存在的供應鏈耗水和灰水足跡沒有納入其計算范圍。大部分淡水資源消耗是以虛擬水的形式體現，虛擬水是水足跡的主要組成部分，任何產品除了直接消耗的水足跡還包括產品生產過程中各種投入消耗的水足跡，以及與污染有關的水足跡。與傳統水資源消費計算方法相比，水足跡核算方法連接生產者與消費者的足跡，反映了消耗和污染消納的需水量。與虛擬水核算相比，水足跡不僅反映耗水量，而且包含用水的類型、時間和地點。

2 水足跡相關概念

(1)藍水足跡(Blue Water Footprint)。藍水是指來由降雨而形成的徑流，包括地表水與地下水。藍水足跡指人類活動消耗的徑流，包括貯存在產品內的水、蒸發耗水、未回到原流域的水和在同一時間段未返回的水。降水量是徑流的重要組成部分，且降水量隨地區而不同。藍水足跡可以反映降水量消耗對當地環境的影響。

(2)綠水足跡(Green Water Footprint)。綠水是來自降水但還未形成徑流或補注地下水，貯存在土壤或植被表面。綠水足跡指人類活動利用的蒸散發流，主要被植物生長占用。綠水足跡是對土壤中水消耗的估算，這被傳統計算方法中所忽視。降水量稀少地區的綠水足跡占總水資源消耗比例大。

(3)灰水足跡(Grey Water Footprint)。灰水是在產品生產和使用過程中產生的污水。灰水足跡指吸收人類活動產生的污水所需水量，即稀釋水中污染物達到一定水質標準所需要的水量。灰水足跡彌補傳統方法中重視水量而不重視水質的問題。隨著廢棄物不斷增多，灰水足跡已成為水資源可持續評價的重要內容。

(4)產品水足跡(Product Water Footprint)。產品水足跡指某產品在生產過程中消耗的藍水、綠水和灰水足跡，包括間接的水消耗，即供應鏈中的水消耗。產品水足跡是水資源消耗的基本形式，水資源以產品消費的方式消耗。

(5)個人水足跡(Personal Water Footprint)。個人水足跡反映個人消費的商品與服務相關的淡水消耗與污染量以及消費產品內所包含的水足跡。人類作為水消耗的主體，個人水足跡研究對于水資源利用具有重要意義。

(6)企業水足跡(Business Water Footprint)。企業水足跡是支撐和運營一個企業直接或間接消耗和污染的淡水資源量。直接消耗指企業經營時消耗和污染的淡水量，間接消耗指企業需要的投入產品所消耗的但水量。企業水足跡計算為企業制定水資源戰略提供的新的視角和依據。

(7)地區水足跡(Regional Water Footprint)。地區水足跡指在一定地域內所發生的總水資源消耗量和污染量，該區域可以是流域、省、州或其他空間單元。地區水足跡研究為針對當地特定的水資源及消耗特點制定水資源戰略提供依據。

(8)國家水足跡(National Water Footprint)。國家水足跡系發生在一個國家內所有水資源消耗和污染量，包括進口的虛擬水以及出口虛擬水。國家水足跡的研究為國內水資源戰略提供依據，同時為全球范圍內水資源可持續發展合作提供可能。①內部水足跡(Internal Water Footprint)。內部水足跡指某地區生產且用于該地區內消費的產品的水足跡量，是某產品在國內生產的水足跡與所消耗產品的數量的乘積。該指標可評價國家水資源自給率以及可持續發展水平。②外部水足跡(External Water Footprint)。外部水足跡指某個地區通過進口產品所獲得的虛擬水，是某產品在國外生產地的水足跡與進口數量的乘積。該指標可反應該國家水資源依賴率，同時也是水資源安全評價和水資源公平性評價的重要指標，是水足跡的重要應用。

(9)水足跡生產率(Productivity of Water Footprint)。水足跡生產率是某地區的總體水足跡所生產的產品的數量，或每個產品所消耗的水資源量。水足跡生產率可評估該地區的水資源利用效率，在不同的地區的水資源生產率因生產技術、產品等因素的不同而不同，通常在發達國家的水資源生產率通常要高于發展中國家的水足跡生產率。通過比較水足跡生產率從而對該地區的水資源利用效率進行評價。

(10)水足跡經濟生產率(Economic Productivity of Water footprint)。水足跡經濟生產率指某地區的水足跡所生產的某種產品在經濟活動中所獲得經濟價值。該指標較常使用于分析國家進出口產品的水足跡所帶來的經濟效益，可根據產品的水足跡經濟生產率來調整進出口的產品類型。在產品水足跡經濟生產率低的地區可通過增加出口本地區水足跡經濟生產率高的產品或進口本地區水足跡經濟生產率低的產品來獲得更多的經濟效益，同時也提高水資源利用效率。

(11)人均水足跡(Water Footprint Per Capita)。人均水足跡指某個國家或地區內的每個人所消耗的水足跡數量。人均水足跡可用于比較不同地區的每個人水資源消耗水平，也可用來衡量水資源使用的公平性評價。

(12)水足跡可持續性(Sustainability of Water Footprint )。水足跡可持續性是指某地區的總體水足跡占可用水資源的比率。該指標有效反映了一個地區的水資源的可持續程度，從而為決策提供依據。

(13)水足跡依賴率(Dependency of Water Footprint)及自給率(Self-Sufficiency of Water Footprint)。水足跡依賴率指地區進口的水足跡占總體水足跡的比率。水足跡自給率地區的內部水足跡占總體水足跡的比率。水足跡依賴度從完全不依賴(0%)到完全依賴(100%)，水足跡自給率從完全自給(100%)到完全他給(0%)，水足跡依賴度和水足跡自給率互為補充。水足跡依賴率和水足跡自給率可分析地區水資源結構，對于水足跡自給率高的地區可利用水資源稟賦來出口水資源密集型產品來獲得競爭優勢。

3 主要指標的核算方法

(1)過程水足跡包括藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡。藍水足跡=藍水蒸發量+貯存在產品內水量+同一時間不能被同一流域重新利用水量；綠水足跡=綠水蒸發量+貯存在產品內水量；灰水足跡=排污量/(污染物水質標準濃度-接納水體的本底濃度)。

(2)產品水足跡是某產品生產所有過程的藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡之和。其計算方法有鏈式求和法和階段累積法。鏈式求和法僅適用于一種輸出產品的生產，此時的產品水足跡是生產系統各流程水足跡之和。階段累積法是核算生產某產品所有投入品的水足跡及每個流程的過程水足跡，是產品水足跡核算的常用方法。最終產品水足跡=(從投入品到輸出品的過程水足跡+投入品水足跡與產品比率的比值的累加)×價值比率。

產品比率是指每單位投入品可獲得的輸出品的量；價值比率是該輸出品的價值與其投入品生產的所有輸出品的總價值的比值。

(3)企業水足跡。支撐和運營一個企業直接或間接消耗或污染的淡水資源量為企業水足跡[13]，也稱為“組織水足跡”、“公司水足跡”，包括運營水足跡和供應鏈水足跡。企業水足跡=運營水足跡+供應鏈水足跡。

運營水足跡指企業經營時消耗和污染的淡水量，包括運營中蒸發量、進入到產品中的水量以及流到其他流域的水量。供應鏈水足跡指該企業產品生產投入產品的水足跡。

(4)國家水足跡通常有自上而下和自下而上兩種核算方法。在自上而下法中，國家水足跡等于國家范圍內消耗和污染的淡水總量加上虛擬水進口量，減去虛擬水出口量，通常適用于進出口貿易大的國家，有比較準確的貿易數據。自下而上方法是基于消費群體水足跡的計算方法，適用于貿易數據獲取困難的國家，但實際區域之間存在虛擬水流動，從而使得自下而上的核算結果與實際水資源存在差異。

在自上而下法中，國家消費水足跡等于國家內水足跡加上虛擬水進口量，減去虛擬水出口量，其方法如下：國家水足跡=國家內水足跡+虛擬水進口量-虛擬水出口量；國家內部水足跡=本國生產且用于國內的產品數量×本國生產的產品水足跡；虛擬水進口量=生產地產品水足跡×進口產品的數量；虛擬水出口量=本國產品水足跡×出口產品數量。

自下而上法是基于消費者水足跡的計算方法，國家消費水足跡計算方法是將國家所有消費者的直接和間接水足跡相加，間接用水等于本國居民消費的所有產品的量乘以產品水足跡，其計算方法如下：國家水足跡=個人直接水足跡+個人間接水足跡。

個人直接水足跡指個人在日常生活中直接消耗和污染的淡水量，個人間接水足跡等于個人消耗的所有產品的數量與各自的水足跡的乘積。

4 水足跡應用研究

(1)全球尺度研究。Hoekstra和Mekonnen[14]測算了人類水足跡，對國家生產水足跡、國際虛擬水流量、國家消費水足跡和水足跡依賴度的分析，研究表明，農業水足跡占總水足跡比重達92%，其中33%的農業水足跡被用于動物生產，20%產品水足跡用于國際貿易，許多國家對其他國家的水質和水量影響嚴重，一些國家嚴重依賴其他國家水資源。Orlowsky[15]用水足跡分析了未來氣候變化和當前虛擬水貿易條件下可利用水資源的變化，認為因氣候變化導致水資源減少，國家內水足跡也將減少，單個國家的水資源可持續并不能緩解全球水資源減少的問題，需要從水消耗和水貿易模式進行可持續性調整。Becken[16]采用水足跡分析了全球21個國家旅游業和當地水資源公平問題，發現中低收入的國家旅游用水高于當地居民用水，工業發達國家則沒有明顯區別，用水效率也更高。Vanham[17]對歐盟28國的飲食習慣進行觀察分析，認為健康的飲食習慣能使虛擬水凈進口國轉變成虛擬水凈出口國，從農業生產過程和飲食方式改變對減輕水資源壓力更有效，同時也指出水足跡指標需要與社會經濟相聯系。

(2)國家尺度研究。Chouchane[18]等從經濟角度對突尼斯的水足跡分析，發現糧食生產占突尼斯總水足跡87%，藍水經濟生產力低于0.2 美元/m3，地表水面臨嚴重的缺乏。Ercin[19]等對法國水足跡的研究，發現農作物消耗82%的水，人均水足跡每年1 786 m3，超過世界平均水平30%，農產品在個人水足跡中占比87%，外部水足跡占據47%。Hess[20]等分析了英國不同的飲食方式對全球藍水足跡的影響，認為不同的飲食方式對水足跡的影響有限，更可持續的生活方式雖可減輕英國藍水壓力，但會在其他地方增加藍水資源壓力，并不能有效地減輕水資源壓力。Ge[21]采用自下而上的方法對中國水足跡核算中發現東南沿海發達地區水足跡高，各省際水足跡差異大。蕫璐[22]等研究認為水足跡將生活中實體水資源消耗及生產服務的間接水資源消耗聯系起來，解決了用水公平性評價中全面衡量用水量的問題，結果得出我國大部分地區屬于用水不公平地區。蓋力強[23]等則以水足跡為基礎對中國水生態功能進行分區，將我國分為東北松遼山地平原少水區、華北黃淮海平原少水區、西北內陸干旱缺水區、南部山地丘陵豐水區、青藏高原水塔區和西南高原山谷豐水區6個水生態功能一級區以及100個二級區。Zhao[24]等基于擴展的STIRPAT模型對中國水足跡的回歸分析，發現人口、財富、飲食結構和城市化水平與水足跡都呈現正相關關系，人口是水足跡增長的主要因素。張曉宇[25]和王艷陽[26]等基于投入產出模型分析了中國水足跡結構演變及走勢，分別從產業和總量方面分析，發現水足跡以間接水足跡為主，第一產業用水份額下降，第二三產業份額上升，同時中國是水足跡凈流出國。在王艷陽的研究中認為對不同行業部門消耗的藍水計算沒有考慮水質量的不同，同時灰水足跡以COD為評價水質標準。吳兆丹[27]等分析了中國水足跡地區間的差異，使用水足跡強度來表明水資源與經濟發展之間的效率關系，認為存在虛擬水流動導致水足跡與本地GDP比值不能準確反映當地的水資源利用效率。

(3)流域尺度研究。潘文俊[28]等對九龍江流域的水足跡可持續評價中采用水足跡結構指標、水足跡效益指標和水資源生態安全指標來評價九江流域的水資源情況，在水資源結構指標項內容方面，主要計算了水資源進口依賴度和水資源自給率。徐長春[29]等則基于生命周期法計算了我國黃河、淮河、海河和長江流域的小麥水足跡，認為藍水和綠水機會成本不同，農產品消耗綠水不會引起水資源匱乏，生命周期計算方法比將藍水、綠水和灰水直接相加更能體現水資源利用對環境的影響。張麗瓊[30]等對黑河中游不同生計方式(分為純農戶、兼業戶和非農戶)農戶的水足跡分析，因虛擬水貿易數據的缺乏而采用自下而上法，產品虛擬水含量采用Chapagain虛擬水研究中有關中國的部分，結果與自上而下法略有差異。

(4)省市尺度研究。孫艷芝[31]等對北京市水足跡的研究，研究結果表明城鎮居民水的消耗量大于農村消耗，對動物的消耗量很高，因貿易數據缺少而忽視了進口產品再出口的問題。韓舒[32]等結合水足跡模型分析了新疆1999-2004年水足跡趨勢及內部特征，發現用水先升后降，水資源利用效率提高，虛擬水出口給新疆水資源帶來巨大的壓力。祝穩[33]等則運用水足跡理論對河南省水足跡結構分析，發現水足跡逐年增加，水足跡依賴度小，水資源匱乏指數達305%。劉民士[34]等在基于水足跡理論的安徽水資源評價中所采用的萬元GDP水足跡值，其值越高說明水資源利用效率越低，需要將傳統粗放型農業轉變向高節約型。Zhang[35]等利用水足跡為基礎對黑龍江開墾地的農業水消耗、環境影響和糧食生產的耦合分析，發現水消耗和糧食生產具有脫鉤傾向，而農業水環境影響則和糧食生產有正向關系，認為灰水足跡需要考慮氮等更多的水污染物，建立用水標準以激勵生產者減少水足跡。李嘯虎和楊德剛[36,37]基于水足跡的對烏魯木齊市工業結構和城郊種植業研究，對比兩者間的水足跡結構差異特征，在兩個研究中灰水足跡分別采用了COD和氮肥作為灰水足跡指標，在城郊種植業研究中關注年流量而忽視了對流量變化對特定時間的環境的影響。王旭[38]等對寧夏中衛市農業水資源評價中發現水資源利用逐年增大，灰水足跡平均達到10%增長速度。代穩[39]等對六盤水市水資源安全的水足跡分析指出工農也用水占到96%以上，水資源利用效率上升。周玲玲[40]等在對墨市的水足跡研究中認為區域水足跡是水足跡研究重要內容，但因消費、貿易數據的缺乏而影響到研究結果。

(5)產品水足跡研究。Schyns[41]等分析摩洛哥不同農產品的水足跡經濟效益，發現該國所出口的主要是低經濟價值而耗水量高的產品，在水資源缺乏的地區生產高耗水的產品，因此建議重新分配作物來減少水資源消耗。Morillo[42]等以水足跡計算為基礎研究了西班牙維爾瓦省草莓的灌溉管理，認為水足跡雖然提供了單位產品的需水量，但沒有提供關于灌溉管理和當地實際的信息，因此建立了灌溉水足跡和作物生長水足跡，作物灌溉水和作物吸收水以及相關灌溉水五個指標以此來提高水資源利用效率。Hoekstra和Mekonnen[43]測算了全球家禽水足跡，發現幾乎有30%的農業用水用于動物生產，在相同營養量下動物的水足跡大于谷物的水足跡，動物的食物轉化效率也低于谷物，谷物比動物有更高的水利用效率。在計算家禽水足跡中對于家禽分布和家禽飼養成分數據的缺乏造成一定的影響。Jeswani[44]等計算了全球12個國家酒精的水足跡，發現工業過程的水消耗相較于農業可以忽略，玉米種植耗水因依賴于氣候、季節降雨量而各不相同，認為國家尺度并不能反映特定地區的用水影響，流域尺度的研究最合適，這表明水資源消耗的空間和時間上的數據是一個挑戰。Chapagain[45]等分析了全球范圍內的大米水足跡，發現綠水足跡占大米水足跡的48%，藍水足跡和灰水足跡占比分別為44%和8%，認為需要精確的分析大米生產在不同地點和時間對環境的影響。Bosire[46]等計算1980-2000年肯尼亞的肉類和牛奶的水足跡，研究得出23%的水用于生產出口產品，生產水足跡主要由產量、食物轉化效率和家禽的食物結構決定，每立方米水足跡得到0.25 美元，進口每立方米水足跡花費0.1美元，認為通過出口低水足跡的產品和進口高水足跡的產品可緩解肯尼亞的水資源壓力。在徐鵬程[47]等對江蘇省2000-2010年主要農作物生產水足跡研究中，發現藍水和綠水總體呈下降，說明用水效率提高，小麥和水稻占總體水足跡的84.15%，棉花成產水足跡最大，綠水在作物生產中占有重要地位，建議提高農作物生產過程中綠水的使用比例以此來增加水資源效率。

5 結 語

水足跡概念本身涵蓋了藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡3個部分，連接直接用水和間接用水，彌補了傳統水資源評價中只重視藍水足跡的缺點，具有全面反映人類消耗產品和服務對水資源占用的特性，對水資源使用效率和水資源使用的影響進行定量化分析的優點。水足跡概念為減少水資源使用量和提高水資源使用效率、全面評價水資源的可持續性、有效性、公平性和安全性[48]，以及制定水資源策略提供科學依據，但是水足跡研究也存在一些不足。

(1)不能反映對環境的影響程度。水足跡代表人類活動實際消耗的水資源數量，并沒有反映消耗的水資源所產生的環境影響，這就不能為國家政策的制定提供全面有效的信息[49,50]。因此，水足跡的數量指標并不能反映水資源消耗對環境的影響，還需要多方面與社會、經濟和環境指標相結合，以彌補這方面不足。

(2)難以用于小尺度研究。水足跡研究多針對于全球、國家和省級尺度，對于流域以及市級尺度的研究則較少，相關數據缺少是其主要限制因素，某地區的水消耗對當地的環境會產生重要影響，大尺度的研究并不能有效反映特定地區環境問題，因此流域尺度和市級尺度的研究非常必要，同時需要關注特定時間段水量變化時水資源消耗所產生的環境影響，年際水足跡研究并不能反映特定時間段內的環境影響程度。

(3)虛擬水核算結果不夠精確。產品虛擬水計算是件重要工作，但計算所有不同地區的產品虛擬水是非常困難的，以至于許多研究者采用他人的相關研究結果，如Hoeskra對全球農產品虛擬水含量的計算結果被廣泛使用。但是他人的研究結果并不能代表特定地區產品的虛擬水含量，使得研究結果的可信度下降。

(4)國家間灰水足跡難以進行比較。不同的國家，其水質標準可能存在差異，那么，這也就難以對不同國家的灰水足跡進行直接比較。

(5)忽視污染物特征和自然生態系統自凈能力。灰水足沒有考慮不同污染物的物理化學特征，以及自然生態系統除水以外的其他組分對污染物的消納功能，這可能使得高估或低估灰水足跡。

綜上分析，進一步改進和完善虛擬水核算方法，廣泛開展小尺度地域的研究，與環境影響的其他指標綜合分析，將是今后一段時期水足跡研究的重點。

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