基于水足跡理論的盤錦市農(nóng)業(yè)用水評(píng)價(jià)

王 迪

(盤山縣農(nóng)業(yè)水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 盤錦 124000)

0 引言

水資源為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和構(gòu)成綜合國(guó)力的重要戰(zhàn)略資源，對(duì)維持人類生存和自然環(huán)境發(fā)揮著重要作用[1]。當(dāng)前，中國(guó)生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)糧食、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等受水環(huán)境污染和水資源短缺的影響十分顯著。農(nóng)業(yè)為促進(jìn)社會(huì)發(fā)展和保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的第一產(chǎn)業(yè)，學(xué)術(shù)界一直比較關(guān)注農(nóng)業(yè)水資源的可持續(xù)利用問題。例如，王浩等[2]通過分析農(nóng)業(yè)用水形勢(shì)提出集雨增效的現(xiàn)代旱作農(nóng)業(yè)和高效節(jié)水灌區(qū)農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略；宋巖等[3]對(duì)灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水安全利用模糊綜合法和AHP法進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)，依據(jù)工程實(shí)踐和文獻(xiàn)資料提出了切實(shí)可行的建議措施；張華等[4]提出了基于水貧困理論的農(nóng)業(yè)水貧困理念，認(rèn)為中國(guó)農(nóng)業(yè)用水正處于較嚴(yán)重狀態(tài)；徐學(xué)良等[5]研究認(rèn)為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)有序推進(jìn)的基本條件是加強(qiáng)農(nóng)業(yè)水資源的科學(xué)管理；包曉斌等[6]指出農(nóng)業(yè)用水應(yīng)實(shí)施高效節(jié)水措施。

2002年Hoekstra教授[7]將虛擬水定量測(cè)度理論和水資源消費(fèi)指示器相結(jié)合，提出了水文領(lǐng)域中水足跡這一全新概念，對(duì)于提升人們對(duì)農(nóng)業(yè)用水安全、缺水型城市發(fā)展的理解和認(rèn)識(shí)發(fā)揮著積極作用。水足跡理論可以較為準(zhǔn)確、系統(tǒng)的反映區(qū)域水資源狀況及其用水需求，因考慮了消費(fèi)者與生產(chǎn)者之間的足跡，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水安全和可持續(xù)利用等領(lǐng)域。當(dāng)前，相關(guān)研究主要側(cè)重于區(qū)域水足跡可持續(xù)性、水資源安全研究和產(chǎn)品水足跡評(píng)價(jià)等方面。涉及農(nóng)業(yè)用水方面的水足跡研究也越來越多，如劉莉[8]、李澤紅[9]等分析了農(nóng)業(yè)水足跡的時(shí)空變化特征及其相關(guān)性；黃晶[10]、王旭[11]等以北京和寧夏地區(qū)為例，對(duì)各區(qū)域農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)和水資源可持續(xù)利用選用水足跡理論開展了評(píng)價(jià)。

盤錦市地處遼河三角洲的中心地帶，降水量較小而蒸發(fā)量極大，隨著人口的急劇增加和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，當(dāng)?shù)赜盟坎粩嘣龃螅Y源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化問題已十分突出，其中造成該問題的主要根源是農(nóng)業(yè)用水的占比過大，因此采用合適的方法評(píng)價(jià)該區(qū)域農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀具有重要意義。因此，文章對(duì)盤錦地區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率利用水足跡理論開展評(píng)價(jià)，以期為保障農(nóng)業(yè)水資源協(xié)調(diào)發(fā)展和持續(xù)利用提供科學(xué)的指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

盤錦市地處遼寧省西南部，南臨渤海遼東灣，北與錦州、鞍山相鄰，東南與營(yíng)口市隔大遼河相望，介于E121°25′-122°31′，N40°39′-41°27′之間，總面積4071km2。該地區(qū)為大陸性季風(fēng)氣候，氣候特點(diǎn)春秋季短、冬長(zhǎng)夏暖、平原風(fēng)大、寒冷期長(zhǎng)、雨量集中、雨熱同期、四季分明、光照豐富，平均降水量564.5mm/a，平均氣溫9.3℃，日照時(shí)數(shù)2780.5h，年蒸發(fā)量顯著高于降水量。該地區(qū)流域面積3570km2，大小河流共21條，主要有遼河、饒陽(yáng)河、大凌河、大遼河等4條大型河流和鴨子河、沙子河、大洋河、小柳河等17條中小河流，大多數(shù)河流呈現(xiàn)出比降陡、流程短、面積小等山區(qū)型河流特征。近年來，盤錦市農(nóng)業(yè)產(chǎn)值和耕地面積不斷增加，經(jīng)濟(jì)社會(huì)和人口規(guī)模發(fā)展迅速。2009-2017年，人均GDP快速提高至62810元/人，增長(zhǎng)了近1.5倍；同時(shí)，農(nóng)業(yè)播種面積和人口數(shù)量也急劇增加，9年內(nèi)增加了約11350hm2耕地和3.4萬(wàn)人口。全市80%以上水資源用于農(nóng)業(yè)灌溉水，為實(shí)現(xiàn)盤錦市現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展有必要科學(xué)分析農(nóng)業(yè)水資源的利用效果[12-16]。

2 研究方法

2.1 農(nóng)業(yè)水足跡計(jì)算

水足跡理論是通過對(duì)單位產(chǎn)品虛擬含水量與居民消費(fèi)的服務(wù)、商品數(shù)量的乘積求和確定消耗的水資源量，在此基礎(chǔ)上考慮一定區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境和居民生產(chǎn)、生活消耗的實(shí)體水確定水足跡總量。該理論是對(duì)區(qū)域水資源占有和需求狀況從消費(fèi)、生產(chǎn)的角度分析，預(yù)測(cè)分析結(jié)果較傳統(tǒng)的測(cè)算法更加系統(tǒng)、客觀。當(dāng)前，較為常用的四種方法為產(chǎn)品生命周期法、投入產(chǎn)出法、自下而上法和自上而下法。從信息資料可獲取性和數(shù)據(jù)可靠性的角度，對(duì)盤錦市農(nóng)業(yè)水足跡利用自上而下的方法求解，從而獲取區(qū)域農(nóng)業(yè)開發(fā)占有的水資源狀況，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

式中：WF為農(nóng)業(yè)水足跡總量；VWCi、Pi為農(nóng)業(yè)產(chǎn)品i的單位質(zhì)量虛擬含水量和產(chǎn)量。

2.2 水足跡效益

水資源的集約利用度也稱為水足跡效益，為了表征農(nóng)業(yè)發(fā)展所付出的水資源代價(jià)及衡量區(qū)域農(nóng)業(yè)對(duì)水資源的利用效率，引入經(jīng)濟(jì)價(jià)值指標(biāo)。其值越高則農(nóng)業(yè)用水效率越高，反之則用水程度越低，表達(dá)式為：

(2)

式中：WF、WE為農(nóng)產(chǎn)品總水足跡和水足跡效益；GDP為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值。

2.3 數(shù)據(jù)來源

選取盤錦市2009-2017年國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)、水資源公報(bào)和統(tǒng)計(jì)年鑒等資料作為數(shù)據(jù)來源，盤錦地區(qū)農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水含量調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果。盤錦地區(qū)單位質(zhì)量農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬含水量，見表1。

表1 盤錦地區(qū)單位質(zhì)量農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬含水量

3 結(jié)果分析

3.1 農(nóng)業(yè)水足跡總量變化

根據(jù)盤錦地區(qū)農(nóng)業(yè)水足跡2009-2017年變化趨勢(shì)，繪制水足跡圖，盤錦市農(nóng)業(yè)水足跡變化特征，見圖1。從圖1可知研究期間總體呈波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)，農(nóng)業(yè)水足跡自2009年的8.12×108m3逐漸提升至2017年的9.08×108m3，2009-2017年期間增加了0.96×108m3，多年平均增長(zhǎng)量達(dá)到0.107×108m3/a，其中農(nóng)業(yè)水足跡最高的年份為2014年，所對(duì)應(yīng)的值為9.81×108m3。水足跡總量和人均農(nóng)業(yè)水足跡保持同步變化特征，人均農(nóng)業(yè)水足跡自2009年的1105.32m3/人逐漸提升至2017年的1150.46m3/人，2009-2017年期間增加了45.14m3/人，多年平均增速達(dá)到5.02m3/人，其中人均農(nóng)業(yè)水足跡最高的年份為2013年，所對(duì)應(yīng)的值為1328.05m3/人。研究表明，盤錦地區(qū)的農(nóng)業(yè)用水量不斷增大，該地區(qū)增發(fā)量大且降水量少，農(nóng)業(yè)用水比重越來越高，其中85%左右的水資源用于農(nóng)業(yè)灌溉，對(duì)于生態(tài)、生活和工業(yè)用水具有嚴(yán)重的擠占作用，各行業(yè)用水結(jié)構(gòu)失調(diào)。

3.2 農(nóng)業(yè)水足跡結(jié)構(gòu)變化

盤錦地區(qū)農(nóng)業(yè)水足跡結(jié)構(gòu)，見圖2。圖2(a)反映了盤錦地區(qū)農(nóng)業(yè)水足跡分配狀況，其中水足跡最高的為糧食作物，2009-2017年期間的均值為4.26×108m3，且處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)；研究期間，畜產(chǎn)品水足跡自2009年的2.77×108m3逐漸減少至2017年的2.40×108m3，總體呈現(xiàn)出緩慢下降趨勢(shì)，年均值為2.58×108m3；2009-2017年的經(jīng)濟(jì)作物水足跡呈一定的上升趨勢(shì)，自2009年的1.27×108m3緩慢上升至2017年的2.30×108m3。同時(shí)，水足跡在各農(nóng)業(yè)產(chǎn)品內(nèi)部的分布呈不均衡分布特征，具體如圖2(b)、(c)和(d)，詳細(xì)分析如下：

圖1 盤錦市農(nóng)業(yè)水足跡變化特征

圖2盤錦地區(qū)農(nóng)業(yè)水足跡結(jié)構(gòu)

1) 從糧食作物的角度分析，水足跡增長(zhǎng)較為迅速的為玉米作物，自2009年的161.05×106m3快速提升至2017年的237.35×106m3，2009-2017年的平均增速達(dá)到8.48×106m3；稻谷作物呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，水足跡自2009年的120.04×106m3緩慢上升至2017年的141.52×106m3，研究期間的平均增速為2.39×106m3；水足跡較為穩(wěn)定的豆類作物，自2009年的1.90×106m3逐漸上升至2017年的2.71×106m3，多年平均水足跡增速為0.09×106m3；水足跡呈下降趨勢(shì)的小麥作物，自2009年的125.86×106m3，快速減少至2017年的51.48×106m3，多年平均下降速度為8.26×106m3。

2) 從經(jīng)濟(jì)作物的角度分析，蔬菜總體呈現(xiàn)出先上升后下降的變化特征，水足跡2009-2012年呈上升趨勢(shì)，自98.76×106m3上升至138.26×106m3，下降階段為2013-2017年，自134.58×106m3下降至108.31×106m3，從2009-2017年總體的角度仍增加了6.55×106m3；水足跡增長(zhǎng)趨勢(shì)較為顯著的為藥材，水足跡自2009年的2.41×106m3快速提升至2017年的59.86×106m3，2009-2017年期間平均增速達(dá)到6.38×106m3；油料水足跡表現(xiàn)出先增大后穩(wěn)定的趨勢(shì)，瓜果的水足跡較為穩(wěn)定整體處于5.72×106m3水平。

3) 從畜產(chǎn)品的角度分析，水足跡存在明顯波動(dòng)的為牛奶和牛肉，通過線性趨勢(shì)擬合發(fā)現(xiàn)二者存在負(fù)相關(guān)性，即表現(xiàn)出波動(dòng)下降的變化特征；羊肉的水足跡自2009年的3.52×107m3提升至2017年的4.86×107m3，研究期間增加了1.34×107m3，多年平均增長(zhǎng)幅度為0.15×107m3；禽蛋和豬肉的水足跡呈一定程度的減少趨勢(shì)，二者分別由之前的2.25、2.42×107m3減少至1.04、1.81×107m3，前者下降了1.21×107m3，后者下降了0.61×107m3。

3.3 農(nóng)業(yè)水足跡效率變化

根據(jù)盤錦地區(qū)水足跡效益變化特征，見圖3可知研究期間總體呈顯著的增大趨勢(shì)。水足跡效益自2009年的0.42元/m3快速提升至2017年的2.95元/m3，研究期間平均增速為0.28元/m3，增加了約6倍。對(duì)研究區(qū)農(nóng)業(yè)水足跡效益利用灰色預(yù)測(cè)模型中的GM(1,1)均值差分法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果限制灰色殘差和作用量b值為2.0672、0.2106，發(fā)展系數(shù)a為-0.3106，可見數(shù)值模擬呈現(xiàn)出指數(shù)增長(zhǎng)的變化特征，盤錦地區(qū)消耗單位體積水產(chǎn)出的農(nóng)業(yè)價(jià)值呈上升趨勢(shì)，用水效率不斷增大。然后以水足跡效益和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品水足跡占比為縱、橫坐標(biāo)做散點(diǎn)圖，盤錦地區(qū)水足跡效益分析，見圖3。結(jié)果顯示畜產(chǎn)品和糧食作物存在“倒U”型變化關(guān)系，在水足跡占比<46%的情況下，糧食作物水足跡占比越高則效益越高；反之，水足跡占比>46%的情況下，糧食作物水足跡占比越小則效益越高。在水足跡占比<28%的情況下，畜產(chǎn)品水足跡占比越高則效益越高；反之，水足跡占比<28%的情況下，畜產(chǎn)品水足跡占比越小則效益越高，二者的分界線分別為46%和28%。根據(jù)相關(guān)研究資料，經(jīng)濟(jì)作物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和水資源利用度角其他農(nóng)業(yè)產(chǎn)品更高。

圖3 盤錦地區(qū)水足跡效益分析

圖4 盤錦地區(qū)水農(nóng)業(yè)水足跡比例

盤錦地區(qū)水農(nóng)業(yè)水足跡比例，見圖4。從圖4可以看出，糧食作物的水足跡百分比較為穩(wěn)定，且處于最高水平，多年平均占比達(dá)到48.26%；2009-2017年期間，畜產(chǎn)品由開始的33.91%逐漸減小至26.58%，多年平均值為28.68%；研究期間，經(jīng)濟(jì)作物的水足跡百分比呈一定的上升趨勢(shì)，自開始的15.58%上升至25.12，多年均值為23.52%。2009年的經(jīng)濟(jì)作物面積為8.51×104hm2，截止2017年提升至9.47×104hm2，每年平均增長(zhǎng)量為0.107×104hm2，共增加了9.6×104hm2。2009-2017年期間的糧食作物面積總體處于6.68×104hm2水平，變化幅度為-0.08-0.25。水足跡效益最高的為經(jīng)濟(jì)作物，且糧食作物播種面積<經(jīng)濟(jì)作物，可見盤錦地區(qū)的農(nóng)業(yè)用水處于良好的態(tài)勢(shì)。糧食作物水足跡最高但其種植面積相對(duì)較小，因此仍需要進(jìn)一步提升盤錦地區(qū)的糧食作物用水效率。在保證糧食安全生產(chǎn)的情況下，進(jìn)一步調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)作物種植比例，加強(qiáng)耗水量小且經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的作物的種植。

4 結(jié) 論

文章結(jié)合現(xiàn)有研究成果和水足跡計(jì)算方法，客觀評(píng)價(jià)了盤錦地區(qū)農(nóng)業(yè)用水效果。結(jié)果顯示：盤錦地區(qū)的人均農(nóng)業(yè)用水足跡和農(nóng)業(yè)用水足跡總量總體表現(xiàn)出同步上升的變化特征，且用水量的85%用于農(nóng)業(yè)灌溉，用水結(jié)構(gòu)處于嚴(yán)重失衡狀態(tài)。在農(nóng)業(yè)產(chǎn)品中水足跡分配極不均衡，水足跡最高的為糧食作物，最低的為經(jīng)濟(jì)作物，水足跡分配在各農(nóng)業(yè)產(chǎn)品內(nèi)部也分配不均，其中牛奶、牛肉和蔬菜在畜產(chǎn)品與經(jīng)濟(jì)作物中的占比最高；水足跡效益和播種面積最大的為經(jīng)濟(jì)作物，可見盤錦地區(qū)處于良好的農(nóng)業(yè)用水態(tài)勢(shì)。