水足跡視角下華北平原典型縣域土地整治生態績效評價

劉航，胡永翔，尚國琲

水足跡視角下華北平原典型縣域土地整治生態績效評價

劉航，胡永翔*，尚國琲

（河北地質大學，石家莊 050000）

【目的】在水足跡視角下對華北平原典型縣域（景縣）土地整治生態績效進行評價。【方法】基于GROPWAT計算土地整治前、后的藍、綠、灰水足跡，構建以4個整治工程為準則層、共11個指標的土地整治生態績效評價體系。選用綜合賦權法對景縣16個鄉鎮進行生態績效評價。【結果】土地整治實施后，景縣藍、綠、灰水足跡均有所增加，其中藍水和灰水足跡增加顯著；景縣整體生態績效處于較好水平，良等及以上鄉鎮共8個，中等及以上鄉鎮共13個。阻礙景縣生態績效提升的主要障礙因素為：新增水澆地提高率、新增道路硬化率、排灌密度提高率、旱地水利化程度提高率和生物豐度指數提高率。主要障礙類型為水利障礙和土地平整障礙，次要障礙類型為道路障礙和生態障礙。【結論】隨著土地整治工程的實施，景縣整體生態效益得到有效提高，但對水資源存在負面影響。水足跡視角下華北平原區縣域土地整治生態績效評價模式可為相似地區的土地整治工程建設提供理論參考和可行性范式。

土地整治；水足跡；生態績效；綜合賦權法

0 引言

【研究意義】土地整治工程是人類利用與改造自然資源的重要手段。過度追求社會經濟效益造成了一系列生態環境負面效應，如水環境污染、農業面源污染加劇。水資源作為生態環境的最大剛性約束指標，是建立以生態為核心的土地整治績效評價模式的前提。

【研究進展】以往國內外針對水足跡的研究尺度較大，多集中于全球、國家、流域及城市等熱點區域。Zhuo等[1]和宋欣爽[2]分別在2016年和2017年對黃河流域的作物水足跡進行了演算；Gobin等[3]在2017年對歐洲作物水足跡變化進行了研究；馮變變等[4]和龔嚴等[5]分別研究了山西省和江蘇省的作物水足跡變化。在計算作物水足跡時，研究者多應用CROPWAT模型計算作物生長期內的蒸散量與灌溉需水量。例如，張耘銓等[6]利用該模型計算了黑龍江省西部玉米生育期內的需水量；王忠波等[7]則利用該模型對黑龍江省慶安縣水稻生育期內的需水量進行了計算。操信春等[8]將水足跡與區域灌溉發展情況應用于農業用水效益評價指標體系中，分析了中國31個省區農業用水效益的時空格局及其與灌溉用水效率指標之間的關系；易武英等[9]將農業經濟增長與農業水資源利用進行了耦合，探究平塘縣農業用水與經濟脫鉤之間的關系。姜秋香等[10]對黑龍江省13個地級市進行了農業水足跡計算，結合水足跡強度分析其用水效率。張沛等[11]在作物水足跡分析中進一步探討了作物水足跡與國家和地方政策及社會經濟活動之間的關系。總的來說，以往對于土地整治生態績效評價的大量研究成果主要體現在指標選取與體系構建、評價方法2個方面。在指標選取與體系構建方面，Pimentel等[12]在評價指標中引入了生物豐度，歐陽真程等[13]選取了土地平整度等10項指標。在評價方法方面，國外研究者一般結合自身區域的特點，多以定量評價指標為主，而國內多選取特爾斐法、多因素綜合評價法和模糊綜合評價法等主觀評價方法。

【切入點】截至目前，水足跡視角下的土地整治生態績效評價模式鮮有報道。此模式有望保證項目在取得預期效果的同時減少對生態環境的破壞，以追求項目績效、水資源和生態環境的協調統一發展。【擬解決的關鍵問題】鑒于此，本研究以華北平原典型縣域（景縣）作為研究區域，將藍、綠、灰水足跡引入評價指標體系，進行生態績效評價，在此基礎上探尋阻礙生態績效提高的障礙因素和類型，針對景縣的實際情況，提出未來土地整治的可持續發展策略。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

景縣位于水資源匱乏的華北平原北部。該地區屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，光熱條件滿足冬小麥和夏玉米的生產需求。景縣作為農業大縣，水資源的供需平衡是協調當地農業發展和生態穩定的關鍵因素。景縣國土資源局根據《景縣土地利用總體規劃》，對該地區開展了高標準農田建設。項目區實施范圍主要涉及景縣下轄的16個鄉鎮。

1.2 數據來源

本文的數據主要分為以下4類：①氣象數據，來源于國家氣象局；②統計數據，來源于2017年和2020年《衡水市年鑒》、《河北農村統計年鑒》、《景縣統計年鑒》和《項目設計規劃報告》；③調查數據，來源于實地調研；④地理空間數據，來源于遙感影像。

2 研究方法及模型構建

2.1 作物水足跡

2.1.1 藍、綠水足跡

根據《水足跡評價手冊》[14]，綠水和藍水足跡計算式為：

在理想生長條件下，單一降水供應下的蒸散發量就是綠水足跡的蒸散發量，為作物總蒸散量與有效降水量中的最小值；灌溉用水的蒸散發量就是藍水足跡的蒸散發量，為作物總蒸散發量與有效降水量之差[15]；當有效降水量大于作物蒸散發量時，取0[16]。計算式為：

2.1.2 灰水足跡

灰水足跡是指將污染物稀釋到一定物質的量濃度所需的淡水量，根據《水足跡評價手冊》[14]，計算式為：

2.1.3 區域水足跡

區域藍、綠、灰水足跡計算為：

2.2 水足跡視角下縣域土地整治生態績效評價

2.2.1 評價指標體系

評價指標體系以土地整治生態績效為目標層，土地平整、田間道路、農田水利和生態防護工程為準則層，結合藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡，并從每個具體工程中選取的指標共同作為指標層。根據科學性、系統性、可行性和代表性原則，按照土地整治工程項目分類，詢問相關專家并結合相關理論指導，從“田、水、路、林”4個方面選取了11個評價指標，如表1所示。

2.2.2 權重計算方法

本文選用AHP層次分析法與熵權法組合而成的主客觀綜合賦權法來進行權重計算，計算式為：

式中：W為綜合權重；α和β分別為AHP層次分析法和熵權法計算的指標權重。表2為綜合權重的計算結果。

表1 水足跡視角下土地整治生態績效評價指標體系

表2 綜合權重計算結果

2.2.3 等級劃分

根據土地整治生態績效評價分數進行等級劃分。該區域土地整治生態績效評價得分計算式為：

2.3 障礙度

為了進一步研究土地整治生態績效評價中的阻礙因素，基于土地整治生態績效評價結果，引入障礙度模型，對影響土地整治生態績效評價的主要障礙因素進行定量分析。根據障礙度判斷因素影響程度，并確定阻礙土地整治生態績效提高的限制性因素[21]，計算式為：

3 結果與分析

3.1 景縣整治后水足跡變化

3.1.1 作物水足跡變化

由圖1可知，在整治前的作物水足跡構成比例中，夏玉米的藍水足跡最低，灰水足跡最高，而冬小麥的綠水足跡最低，灰水足跡最高。整治后，夏玉米的藍、灰水足跡增加。冬小麥的灰水足跡從983.38 m3/t降至934.33 m3/t，這是由于灌溉設施提高了灌溉效率，有效稀釋了農田土壤中的污染物。

3.1.2 區域水足跡變化

圖2為土地整治前、后景縣16個鄉鎮的糧食產量及藍、綠、灰水足跡的變化情況。由圖2（a）可知，16個鄉鎮糧食產量均有所增加，其中杜橋鎮增加最多，為整治前的1.5倍。土地整治使景縣糧食產量得到明顯改善，增加了當地經濟效益。由圖2（b）可知，75%的鄉鎮綠水足跡有所增加，王謙寺鎮的增加率最高，為24%。由圖2（c）可知，藍水足跡有所增加，說明整治后滿足了作物對灌溉水的需求。圖2（d）中，灰水足跡變化同樣呈增加趨勢。

圖1 土地整治前、后夏玉米和冬小麥單位產量的水足跡

3.2 景縣整治后生態績效評價結果

如圖3所示，景縣生態績效整體較高，有13個鄉鎮處于中等及以上水平，8個鄉鎮處于良等以上水平。從等級的空間分布來看，整體呈以優等為中心，向外圍輻射的特點。經過整治，后留名府鄉、溫城鄉、王謙寺鎮、杜橋鎮和劉集鄉5個鄉鎮為優等，其中4個鄉鎮聚集在景縣的中心偏西部。龍華鎮、北留智鎮和連鎮鄉3個鄉鎮為良等，與優等鄉鎮接壤。洚河流鎮和景州鎮，青蘭鄉、王瞳鎮和留智廟鎮5個鄉鎮為中等，差等的鄉鎮則處于景縣的外圍，距離優等的鄉鎮較遠。

圖3 土地整治生態績效等級分布

3.3 景縣整治后生態績效障礙度分析

3.3.1 障礙度因素分析

如表3所示，新增水澆地提高率、新增道路硬化率、排灌密度提高率、旱地水利化程度提高率和生物豐度指數提高率為最主要的障礙因素。安陵鎮、北留智鎮和景州鎮最主要的障礙因素是新增水澆地提高率；留智廟鎮和青蘭鄉最主要的阻礙因素是綠水足跡變化率；后留名府鄉、連鎮鄉、劉集鄉和王謙寺鎮最主要的阻礙因素是田間路網密度提高率；杜橋鎮、王瞳鎮和溫城鄉最主要的障礙因素是排灌密度提高率。梁集鄉和龍華鎮最主要的阻礙因素是旱地水利化提高率，洚河流鎮最主要的障礙因素為藍水足跡變化率。廣川鎮最主要的障礙因素是灰水足跡變化率。

表3 影響土地整治生態績效的障礙度排序

3.3.2 障礙類型分析

如圖4所示，景縣整體以土地平整障礙型和水利障礙型為主，道路障礙型和生態障礙型為輔。景縣屬于平整障礙型的5個鄉鎮呈倒“L”型分布在景縣的中南部，主要受到水澆地景觀破碎度、新增水澆地面積和綠水足跡的限制。7個水利障礙型鄉鎮分布于平整障礙型鄉鎮兩側，主要受排灌密度、旱地水利化程度和藍水足跡的限制。道路障礙型和生態障礙型的鄉鎮位于景縣邊緣區域，主要受新增道路硬化率、田間道路密度和灰水足跡的限制，可以選用柔性材料對路面進行硬化處理并加強土壤肥料監測管理的同時改進施肥方式，降低農業化肥所帶來的污染，提高生態績效等級。

圖4 障礙類型

4 討論

本研究以水足跡為視角，對景縣土地整治生態績效進行評價后分析其障礙度。在評價方法上利用主客觀相結合的方法，彌補了傳統單一評價方法的局限。將水足跡與生態相結合，拓展了水足跡理論研究范疇，并為其應用于土地整治生態評價提供了新的思路。鑒于數據獲取方面的難度，本研究仍存在一定不足，后續應在灰水足跡計算方面重點考慮地下水的影響。

本研究從整治、規劃和管理方面重點提出以下優化策略：①政策方面，應當制定生態效益與經濟、社會效益并重的政策，使生態意識深入區域內每位村民。②在規劃方面，不要僅限于單一因素的整治，應使各工程間緊密結合，各相關部門共同推進因地制宜土地整治項目，并針對障礙類型著重加強建設以達到生態績效最大化。③在管理方面，應高度重視農業技術的應用以實現機械化發展。在現有土地整治生態績效成果的基礎上，鼓勵村民自發通過村組織進行村內交換并地等方式，實現家庭連片耕種，以便于利用農業機械代替勞動力而達到提高農業生產水平和效益的目的。

5 結論

1）通過將藍、綠、灰水足跡納入評價指標，構建水足跡視角下縣域土地整治生態績效評價方法，并運用主客觀賦權法計算指標權重，得到生態績效等級結果。經過土地整治后，景縣生態績效處于較高水平。

2）新增水澆地提高率、新增道路硬化率、排灌密度提高率、旱地水利化程度提高率和生物豐度指數提高率為主要阻礙因素。從障礙類型來看，景縣整體以水利障礙型和土地平整障礙型為主，道路障礙型和生態障礙型為輔。

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Evaluating Ecological Benefit of Land Consolidation at County Scale in North China Plain Using Water Footprint Concept

LIU Hang, HU Yongxiang*, SHANG Guofei

(Hebei University of Geosciences, Shijiazhuang 050000, China)

【Objective】Land consolidation is to improve the efficiency and productivity of segmented lands. The purpose of this paper is to evaluate its ecological gains at country scale in northern China Plain using the water footprint concept.【Method】The evaluation is based on the GROPWAT model. It calculates the blue, green and gray water footprint before and after land consolidation. The ecological performance of the land consolidation is evaluated using four specific remediation projects as the criteria layers, and 11 indicators. The method is applied to the 16 villages and towns in Jing County, Hebei province.【Result】Implementing the land consolidation increases the blue, green and gray water footprints in all villages and towns, especially the blue and gray water footprints which increase more significantly.The overall ecological performance of the 16 villages and towns in the county is good, with eight of them achieving good grade or above, and 13 reaching medium grade or above.The main obstacles hindering the improvement of ecological performance in the county are how to increas new irrigated land rate, hardening rate of new roads, drainage and irrigation intensity, turning rain-fed land to irrigated land, and biological diversity and abundance. The main obstacles are hydraulic land levelling, followed by road and ecological factors.【Conclusion】Overall, implementing the land consolidation can improve ecological benefits to Jing County, but it has a negative impact on water resources.The ecological performance evaluation model proposed in this paper is potential for evaluating land consolidation in other regions in northern China.

land consolidation; water footprint; ecological performance; comprehensive empowerment method

劉航, 胡永翔, 尚國琲. 水足跡視角下華北平原典型縣域土地整治生態績效評價[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(5): 115-121.

LIU Hang, HU Yongxiang, SHANG Guofei. Evaluating Ecological Benefit of Land Consolidation at County Scale in North China Plain Using Water Footprint Concept[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(5): 115-121.

1672 - 3317（2023）05 - 0115 - 07

X321

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022221

2022-04-21

河北省社會科學基金項目（HB20YJ032）

劉航（1997-），女。碩士，主要從事土地資源管理研究。E-mail:2631757592@qq.com

胡永翔（1984-），男。副教授，博士，主要從事土地規劃與整治研究。E-mail:doctorhu110@163.com

責任編輯：韓 洋