2001-2015年平塘縣喀斯特峰叢洼地主要農產品水足跡的變化

易武英， 蘇維詞， 賈真真， 李 威， 刑 丹

(1.貴州省山地資源研究所， 貴州 貴陽 550001； 2.貴州大學 生命科學學院， 貴州 貴陽 550025； 3.重慶師范大學 地理與旅游學院， 重慶 400047； 4.貴州省農業科學院 蠶業研究所， 貴州 貴陽 550006)

水是重要的自然資源和戰略性社會經濟資源[1-2]。中國是世界上13個最缺水的國家之一[3-4]，水資源時空分布不均，資源性缺水(西北地區)、工程性缺水(西南喀斯特地區)和水質性缺水(東部沿海地區)形勢嚴峻，隨著社會經濟發展與人口的增長，人水矛盾日益突出[5]。水足跡概念起源于虛擬水研究(虛擬水又稱嵌入水或外生水，以隱性形式虛擬物化于產品生產過程中)，該概念于20世紀90年代被正式提出，其定義為生產產品或服務所消耗水資源量。水足跡是新的水資源觀，是目前國內外廣泛認可的水資源定量核算評估工具[6]，其以虛擬水為量化媒介，涵蓋直接、間接、顯性和隱性的水資源量化，藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡是水足跡概念的進一步拓展與延伸，水足跡概念提出前，更多關注產品本身的所含水量，而對產品生產過程消耗的水量關注較少。水足跡研究空間尺度多為國家、區域、流域、省區和市[7]，對鄉鎮尺度的研究較少，而對小尺度水足跡的研究更有利于提高其準確性。目前，水足跡研究領域不斷拓展，被逐步應用到旅游、紡織、造紙、采礦、煉鋼、水電、化工和建材等行業[8-12]，以揭示不同領域水資源利用狀況。從研究對象看，主要集中于農產品/畜產品及其衍生產品、林產品及非木質林產品等水足跡評價研究。干旱、半干旱區的水足跡研究受到的關注較多，喀斯特地區的水足跡研究受到的關注相對較少，鮮見有關喀斯特峰叢洼地水足跡研究的文獻報道。水是農業生產的關鍵影響因素，農業是國家根基所在，也是用水大戶(農業用水占水資源消耗總量60%以上)，隨著產業結構升級，農業用水問題日益突出，科學客觀量化農業水資源消耗量是水資源管理的客觀要求。

喀斯特地區由于特殊的地表地下二元結構特征，溶蝕孔(裂)隙、管道、漏斗、巖洞、次生孔(隙)等廣泛發育，地表地下孔(裂)連通性較好，地表水向地下水轉化速度極快，導致地表水資源調蓄能力極弱(土少水漏，水土資源時空匹配狀況不佳，植物受水分脅迫頻繁)，雖降水資源豐富，巖溶干旱問題突出，地表可用于人類生產生活的水量極其匱乏，已水成為當地社會經濟發展與生態修復中極其關鍵的限制因子[13]。為緩解喀斯特地區水資源壓力，開展農業生產水資源消耗及其潛在環境影響相關研究具有重要意義。為此，在基于鄉鎮尺度下，研究平塘縣各鄉鎮農業水足跡時空差異性，識別農業水資源利用中存在關鍵問題，提出其水資源管理措施及農業產業結構調控對策，以期為喀斯特峰叢洼地水資源的開發利用與管理提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

平塘縣位于黔南州(東徑106°40′～107°27′，北緯25°30′～26°07′)，地處云貴高原東南坡向廣西丘陵過渡地帶，西北高東南低，海拔落差大，是典型的“山高坡陡、土薄易旱、田高水低”的喀斯特地貌，生態極其脆弱，人地關系緊張；屬于亞熱帶濕潤季風氣候，年均降水量約1 259 mm，降水時空分配不均，生產生活生態用水短缺。境內喀斯特峰叢洼地廣泛發育，土壤類型多為黃壤，質地為砂壤，耕作條件差，主要農作物有水稻、玉米、土豆、紅薯、水果、蔬菜和烤煙等，畜牧業以生豬為主，包括牛、馬、禽類及魚類等。由于歷史及自然原因，平塘縣社會經濟發展相對滯后，全縣轄19個鄉(鎮)，2015年總人口32.95萬人，農業人口占總人口77.62%。

1.2 數據來源

選擇平塘縣種植業中19種植物類(谷物類、豆類、薯類、花生、油菜籽、煙葉、蔬菜瓜果、芭蕉芋、油桐、油茶、棕片、核桃、板栗、花椒、小雜竹、木材、竹材、茶葉和水果)農產品和畜牧業中7種動物類(豬肉、牛肉、羊肉、馬肉、禽肉、禽蛋和魚類)農產品進行農業水足跡估算。其中，植物類農產品涵蓋播種面積大于10%的主要的作物，且包含了平塘縣居民消費的農產品種類。

氣候數據：采用聯合國糧農組織的CLIMWAT數據中有關平塘的氣候數據；作物播種期和收獲期數據：由實際調查資料整理所得；作物播種面積與產量數據：來自2000-2016年《平塘縣統計年鑒》；降水、部分水資源數據：來源于 2000-2016年《黔南州水資源公報》；土壤數據：來自FAO全球數據庫中對應當地土壤類型的土壤信息。

1.3 研究方法

利用聯合國糧農組織FAO開發的CropWat計算平塘縣種植業中19種主要植物類主要產品綠水、藍水和灰水，采用CHAPAGAIN等[14]的研究成果估算畜牧業中不同畜產品的虛擬水含量，在此基礎上，分析平塘縣不同鄉鎮人均水足跡、水足跡強度及水資源匱乏度等。

1.3.1 農產品生產用水量

1) 單位面積作物生長需水量。作物生長所需水量采用聯合國糧農組織FAO開發的CropWat軟件計算，其計算公式如下：

CWR=ETc×10000/1000

(1)

式中，CWR為單位面積作物需水量(m3)，ETc為利用CropWat獲得的作物生長期內總蒸散發量(mm)。

2) 農作物生長的藍水量與綠水量。利用聯合國糧農組織所推薦的氣候資料庫CLIMWAT和農作物需水量軟件CropWat，計算出平塘縣主要農作物的虛擬水含量。農作物生長所需綠水量可通過有效降雨量和農作物產量的比值計算，農作物生長所需的藍水量也可通過灌溉用水量和作物產量的比值估算，農作物生產用水量為綠水、藍水及灰水之和。

IR=CWR-ER

(2)

當ER≥CWR時，IR=0，農作物所需的藍水量為0，單位質量農作物綠水量為：

VWg=CWR/Y

(3)

當ER

VWb=IR/Y=(CWR-ER)/Y

(4)

單位質量農作物綠水量為：

VWg=ER/Y

(5)

VWprod=VWg+VWb

(6)

式中，IR為單位面積灌溉用水量(m3/hm2)，CWR為單位面積農作物需水量(m3/hm2)，ER為有效降雨量(m3/hm2)，VWprod為單位質量農作物的生產用水量(m3/hm2)，VWg為單位質量農作物綠水量(m3/hm2)，VWb為單位質量農作物藍水量(m3/hm2)，Y為農作物單位面積產量(kg/hm2)。

3) 灰水足跡計算。農業生產過程投入化肥(主要成分為氮、磷、鉀)，磷離子、鉀離子能與土壤中其他礦物質反應生成不易溶解化合物或者被土壤中的膠體離子吸收而不易對環境造成污染[14]，由于數據局限性，以稀釋氮元素的耗水量為代表評價種植業的灰水足跡。根據灰水足跡最新研究成果，假定化肥中總氮施用量的10%會作為污染物進入到地下水或者地表水，則灰水足跡(稀釋每噸氮離子所需要的水量)計算公式如下：

WFgrey=Ntot/(ρmax-ρ0)

(7)

式中，WFgrey為某一個地區水足跡(m3)，ρmax為氮離子標準濃度限值，Ntot指作物生產過程施用肥料中氮元素的總質量，用于計算灰水量。根據EPA標準，氮離子標準濃度限值假定為10 mg/L；ρ0為氮離子原始濃度值，假定其為0。

1.3.2 畜產品生產用水量 關于畜產品虛擬水含量采用CHAPAGAIN等[14]的研究成果計算出平塘縣主要畜產品的虛擬水含量。

1.3.3 人均水足跡 人均水足跡對照文獻[15-16]的方法進行，計算公式如下：

WP=Ntot/TP

(8)

式中，TP為地區人口總數。

1.3.4 水足跡強度 水足跡強度表征人類對水資源的利用效率水平[17]，其計算公式如下：

WFI=WF/GDP

(9)

式中，WFI為水足跡強度，GDP為某地區國內生產總值，WF為某地區水足跡。

1.3.5 水資源匱乏度 水資源匱乏度計算參照文獻[17]的方法進行，公式如下：

Ws=WTot/WA

(10)

式中，WS為水資源匱乏度，WTot為地區水足跡，WA為當地可用水資源量。

2 結果與分析

2.1 主要農畜產品的虛擬水含量及主要農產品水足跡的空間分布

平塘縣19種植物類農產品的用水量主要由單位質量農作物綠水量和單位質量農作物藍水量構成。其中，單位質量農作物綠水量為0.04～11.31 m3/kg，以茶葉最高，為11.31 m3/kg；棕片其次，為1.81 m3/kg；竹材最低，為0.04 m3/kg。單位質量農作物藍水量為0.04～10.93 m3/kg，茶葉最高，為10.93 m3/kg；棕片其次，為1.68 m3/kg；竹材最低，為0.04 m3/kg(表1)。除茶葉和棕片非作物類外，平塘縣主要農作物單位質量農作物的生產用水量為煙葉>花生>油菜>薯類>豆類>谷類，主要農產品均以綠水為主，與中國主要地區單位質量農產品虛擬水含量對比[15]，同種農作物虛擬水含量略高于非喀斯特地區。平塘縣畜牧業中豬肉、牛肉、羊肉、馬肉、禽肉、禽蛋和魚類等7種動物類畜產品的虛擬水含量分別為3.946 m3/kg、12.560 m3/kg、5.202 m3/kg、2.550 m3/kg m3/kg、3.652 m3/kg、3.550 m3/kg和5.000 m3/kg。

從圖1看出，2001-2015年平塘縣北部農業水足跡相對較小，而中部及南部地區水足跡相對較高，各年份不同區域的水足跡分布存在差異。其中，2001年的塘邊鎮、2003年的塘邊鎮和通州鎮、2005年、2007年、2009年、2011年、2013年和2015年的通州鎮的農業水足跡均為0.80億～1.00億m3。

表1 平塘縣主要農作物的虛擬水含量

圖1平塘縣主要農產品水足跡的空間分布

Fig.1 Spatial distribution of water footprint of main agricultural products in Pingtang County

2.2 2001-2015年主要農作物、農產品和畜產品的生產用水量

從表2看出，2001-2015年19個鄉鎮主要農作物生產用水量、主要農產品生產用水量和主要畜產品生產用水量的變化趨勢。1) 主要農作物生產用水量。主要農作物生產用水量呈上升趨勢，主要由于種植結構調整、單位耕地面積農產品產出量增長所致。通州鎮主要農作物生產平均用水量最高，為1.16億m3；塘邊鎮其次，為0.63億m3；掌布鄉最低，為0.17億m3。經均方差計算，2001-2015年通州鎮主要農作物生產用水量均方差系數最高，為102.62%，塘邊鎮其次，為20.05%，甘寨鄉最小，為3.44%。2) 主要農產品生產用水量。主要農產品生產用水量呈上升趨勢，主要由于種植結構調整、單位耕地面積農產品產出量增加，農業投入增加(農藥化肥施用量逐年遞增，導致灰水足跡增加)所導致的。通州鎮主要農產品生產平均用水量最大，為1.21億m3；塘邊鎮其次，為0.67億m3；掌布鄉最小，為0.18億m3。19個鄉鎮主要農產品生產用水量均方差系數變幅為3.26%～102.22%，通州鎮均方差系數最大，為102.22%；塘邊鎮其次，為20.37%；甘寨鄉最小，為3.26%。3) 主要畜產品生產用水量。平塘縣主要畜產品生產用水量變化趨勢不明顯，由于畜牧養殖業規模變化不穩定所導致。19個鄉鎮主要畜產品生產用水量變幅為0.01～0.07，各鄉鎮主要畜產品生產用水量差異主要是不同鄉鎮養殖結構與養殖規模所導致。19個鄉鎮主要畜產品生產用水量均方差系數較小，均小于或等于1%。

表2 2001-2015年平塘縣主要農作物、農產品和畜產品的生產用水量

續表2

鄉鎮Townships2001年2002年2003年2004年2005年2006年2007年2008年2009年2010年2011年2012年2013年2014年2015年平均 卡羅鄉 Kaluo0.21 0.19 0.20 0.22 0.20 0.27 0.22 0.22 0.27 0.28 0.25 0.28 0.29 0.29 0.30 0.25 谷硐鄉 Gudong0.12 0.14 0.14 0.15 0.15 0.20 0.16 0.17 0.23 0.24 0.23 0.24 0.25 0.26 0.28 0.20 西涼鄉 Xiliang0.14 0.19 0.21 0.27 0.28 0.33 0.29 0.28 0.25 0.26 0.23 0.25 0.75 0.44 0.46 0.31 鼠場鄉 Shuchang0.39 0.39 0.55 0.58 0.55 0.59 0.58 0.58 0.64 0.66 0.65 0.70 0.23 0.60 0.61 0.55 新塘鄉 Xintang0.13 0.13 0.13 0.16 0.17 0.22 0.19 0.19 0.22 0.22 0.20 0.22 0.23 0.25 0.26 0.19 掌布鄉 Zhangbu0.07 0.07 0.08 0.12 0.17 0.28 0.19 0.19 0.21 0.21 0.18 0.19 0.19 0.24 0.25 0.18 全縣 Whole county6.02 10.36 6.12 6.72 6.52 7.58 6.84 6.73 8.08 8.30 8.07 8.51 8.86 8.47 8.60 7.72畜產品生產用水量 平湖鎮 Pinghu0.020.030.030.030.040.040.040.020.030.030.030.030.030.030.030.03 牙舟鎮 Yazhou0.030.030.030.030.050.040.040.020.020.030.030.030.030.030.030.03 通州鎮 Tongzhou0.030.030.040.040.050.050.070.040.040.050.050.050.050.050.060.05 克度鎮 Kedu0.020.020.020.020.040.030.030.020.020.020.020.020.020.020.020.02 塘邊鎮 Tangbian0.060.050.060.060.040.050.050.030.030.030.030.040.040.030.030.04 大塘鎮 Datang0.020.010.020.020.030.030.030.020.020.020.020.020.030.030.030.02 擺茹鎮 Bairu0.010.020.020.020.030.030.020.010.010.010.010.020.020.010.010.02 者密鎮 Zhemi0.020.020.020.020.020.030.040.020.020.030.030.030.030.030.030.03 四寨鎮 Sizhai0.010.010.010.010.020.020.020.010.010.010.010.010.010.020.020.01 苗二河鄉 Miaoerhe0.010.010.010.010.020.020.020.010.010.010.010.010.010.010.010.01 卡蒲鄉 Kapu0.020.020.020.020.020.020.020.010.020.020.020.020.020.020.020.02 白龍鄉 Bailong0.010.010.010.010.010.020.030.020.020.020.020.020.020.020.020.02 甘寨鄉 Ganzhai0.010.010.010.010.010.020.010.010.010.010.010.010.010.010.010.01 卡羅鄉 Kaluo0.010.010.010.020.010.020.020.010.010.010.010.010.010.010.010.01 谷硐鄉 Gudong0.010.010.010.010.020.020.020.010.010.010.010.010.020.020.020.01 西涼鄉 Xiliang0.010.010.010.020.020.020.020.010.010.010.010.010.010.010.010.01 鼠場鄉 Shuchang0.020.020.020.020.020.030.030.020.020.020.020.020.020.020.020.02 新塘鄉 Xintang0.010.010.010.010.010.020.020.010.010.010.010.010.010.010.010.01 掌布鄉 Zhangbu0.010.010.010.010.020.010.020.010.010.010.010.010.010.010.010.01 全縣 Whole county0.340.330.360.410.470.490.530.320.350.360.370.400.430.410.410.40

2.3 平塘縣人均主要農產品的水足跡

從表3可知，2001-2015年平塘縣各鄉鎮人均主要農產品水足跡的變幅為860～4 923 m3，平均為1 242～3 863 m3。其中，平湖鎮、擺茹鎮、卡蒲鄉、卡羅鄉、白龍鄉、谷硐鄉、新塘鄉和掌布鄉總體呈上升趨勢，牙舟鎮、通州鎮、克度鎮、塘邊鎮、大塘鎮、者密鎮、四寨鎮、苗二河鄉、甘寨鄉、西涼鄉和鼠場鄉變化趨勢不明顯。同一鄉鎮不同年份人均農業水足跡的差異主要是氣候條件不同所致，相同年份不同鄉鎮人均農業水足差異較大主要原因是作物類型、播種面積和耕作管理方式等不同所致。

表3 2001-2015年平塘縣各鄉鎮人均主要農產品的水足跡

2.4 水足跡的強度

水足跡強度是反映水資源利用效率的指標之一，其是根據水足跡總量除以國內生產總值(GDP)獲得。水足跡強度越大，就表明單位GDP所消耗的水足跡數量越多。從表4可知，2001-2015年平塘縣19個鄉鎮水足跡強度變幅為2 472～23 438 m3/萬元，平均為3 329～14 244 m3/萬元。擺茹鎮、通州鎮和鼠場鄉水足跡強度相對較大，均超過10 000 m3/萬元，分別為11 403 m3/萬元、12 997 m3/萬元和14 244 m3/萬元。谷硐鄉、四寨鎮和新塘鄉其次，分別為9 200 m3/萬元、9 399 m3/萬元和9 524 m3/萬元；平湖鎮最小，為3 329 m3/萬元。與已有研究相比，平塘縣各鄉鎮水足跡強度較高，水資源利用效率較低，主要原因是該地區屬于典型喀斯特峰叢洼地，其地表調蓄功能弱，藍水、綠水和灰水水足跡大，土被不連續、土層較薄，植被受干旱脅迫頻繁，作物單產低，且經濟效益不佳等原因所致。

表4 2001-2015年平塘縣各鄉鎮水足跡的強度

2.5 水資源的匱乏度

從表5可知，19個鄉鎮水水資源匱平均乏度變幅為0.26%～0.79%。其中，平湖鎮最高，為0.79%；苗二河鄉、擺茹鎮、通州鎮、甘鼠場鄉、塘邊鎮、寨鄉和克度鎮相對較高，分別為0.73%、0.69%、0.65%、0.63%、0.63%、0.56%和0.54%；大塘鎮和谷硐鄉最小，均為0.26%。說明水資源利用方式粗放，可持續性較低。

表5 2001-2015年平塘縣各鄉鎮水資源的匱乏度

3 結論與討論

3.1 結論

喀斯特峰叢洼地主要農產品均以綠水為主，與目前已有研究相比，喀斯特農產品虛擬水含量略高于非喀斯特地區，喀斯特地區農產品水足跡較高，主要是因為喀斯特地區土薄坡陡、地表孔隙(裂)廣泛發育，土壤水分調蓄功能極弱，農作物受土壤水分脅迫強度大且頻繁，單產低。

2001-2015年平塘縣19個鄉鎮主要農作物生產用水量呈上升趨勢，主要是由于種植結構調整、單位耕地面積農產品產出量增大所致，畜產品生產用水量變化趨勢不明顯，主要由于畜牧養殖業規模波動變化所致；2001-2015年平塘縣各鄉鎮人均農業水足跡較高，不同鄉鎮水足跡變化趨勢不明顯，同一鄉鎮不同年份人均農業水足跡差異主要是由于氣候條件變化所致，相同年份不同鄉鎮人均農業水足差異較大，主要是由作物類型、播種面積和耕作管理方式等不同所致。

2001-2015年平塘縣各鄉鎮水足跡強度較高，水資源利用效率較低，主要由于主要農產品水足跡大，產量低且品質不佳等導致農業生產效益不高；19個鄉鎮水水資源匱平均乏度變幅為0.26%～0.79%。其中，平湖鎮最高，為0.79%；大塘鎮和谷硐鄉最小，均為0.26%。說明水資源利用方式粗放，可持續性較低。

3.2 討論

傳統上通過喀斯特地區農業集水工程建設，解決喀斯特地區水資源短缺問題，水足跡概念突破了喀斯特地區傳統調水、集水和蓄水解決水資源短缺的思維定式。由于貿易的數據較難收集，未核算二三產業水足跡，但平塘縣是國家級貧困農業縣，大部分地區延續傳統自給自足生活方式，農業用水方式粗放，水資源利用效率低。建議措施:1) 喀斯特地區土層薄，地表容污自凈能力弱，地表-地下裂隙廣泛發育，不合理農藥化肥施用極易造成地下水污染，因此，該地區農業生產過程中須謹慎使用農藥化肥。2) 平塘縣單位質量農產品水足跡普遍高于全國其他地區。因此，平塘縣應利用有限水資源發展土、優、特農產品，提高水資源利用率，提高經濟產出效果，優化農業生產模式，調整產業結構，控制水資源密集型農產品生產規模。3) 喀斯特地區存在重工程建設，輕用水過程的管理問題，喀斯特地表崎嶇缺水，工程建設條件差且成本高，投入使用年限短。因此，應加強用水管理。4) 灰水足跡核算，限于數據制約，只考慮氮肥施用量，未考慮農藥、殺蟲劑和除草劑，只是一個保守的估算，一定程度上影響計算結果的精度。農業產業結構優化調整，只停留于農業水足跡定量研究的定性指導，未考慮復雜微地貌(坡向、坡位和坡角部位地貌等)空間布局優化調控，下一步對其進行深入研究。