農業水足跡生產和消費協調度評價及調控研究

黃會平， 王如廠， 李新生， 賈冬冬， 韓宇平

(1.華北水利水電大學,河南 鄭州 450046; 2.黃河水利委員會 天水水文水資源勘測局,甘肅 天水 741020)

水資源在人們的生產和生活中發揮著重要作用，水資源短缺逐步成為各個國家和區域都面臨的嚴重問題[1-2]。經濟發展和城鎮化水平的不斷提高，各部門用水競爭加劇，農業作為最大的用水部門備受關注。氣候變化和人口增長都給未來農業生產安全帶來了很大的挑戰。明晰農業生產用水特征，并進一步評價農業生產和農作物消費用水的匹配度對提高農業水資源管理水平具有一定的理論和現實意義[3]。

水足跡概念由荷蘭學者HOEKSTRA A Y[4]在2003年基于虛擬水研究基礎提出，它是指任何一個國家或一定量的人口在一定時期內消費的產品和服務所需要的淡水資源總量。1995年，FALKENMARK M[5]提出了藍、綠水的概念，二者共同組成了區域的廣義水資源，兩者相互影響和制約，更加全面地展示了水與人類和自然的關系。虛擬水、水足跡、藍水和綠水等理論的出現，使人們可以多角度地尋求解決水問題的途徑，成為國內外研究熱點，這對區域水資源管理具有重要的指導意義[6-9]。在水足跡量化、基于水足跡的水資源評價和管理、虛擬水流動等領域，有關學者做了大量的研究工作。SHU Rui等[10]提出了用藍、綠、灰水3種壓力指數描述的水資源短缺類型，核算并分析了中國2000—2014年水資源短缺狀況；鄧光耀[11]基于水足跡角度，采用SBM-DEA模型探討了2006—2015時段內中國各行業水資源利用效率，為指導行業節水及落實最嚴格水資源管理制度提供了政策建議；吳普特等[12]在虛擬水-實體水耦合流動的理論基礎上構建了以生產水足跡為參數的流動過程量化方法，并在西部六省加以利用；WROBEL-JEDRZEJEWSKA M等[13]通過對藍莓、櫻桃和草莓醬在實際生產條件下的用水量進行測量，登記生產數量和生產周期值，分析不同成分類型和生產工藝對最終產品水足跡的影響，提出從各個環節節約水資源的途徑。但目前對農業水足跡系統協調評價與農業生產中藍、綠水綜合調控模擬的相關研究還較少。

農業是我國第一大用水戶，面臨著農業水土資源空間不匹配的問題，不同地區用水強度與結構存在顯著的區位差異，為農業水資源管理帶來嚴重的挑戰[14]。農業水資源在生產、消費、貿易3個過程中分別表現出生產消耗、消費需求以及嵌合在產品中通過區域貿易產生流動的特征。我國水土資源整體表現為北方土地資源豐富而水資源匱乏[15]，在當前國內糧食供需結構下, “北糧南運”伴生的虛擬水由北向南輸送規模正在持續擴大，這進一步加大了北方糧食主產區的用水壓力。目前，我國水資源管理仍執行傳統農業實體藍水資源管理模式，對綠水資源重視程度不夠。因此，對區域農業水足跡系統進行合理評價并探究藍、綠水綜合調控以提高農業生產節水潛力，有助于實現農業水資源科學管理。

本文從水足跡視角核算京、津、冀作物生產水足跡及居民對農產品水足跡的消費能力，分析區域水足跡生產和消費適宜性指數，并在此基礎上構建二者協調發展度評價模型，評價京、津、冀2000—2015年農業水足跡生產和消費協調度；基于農村生產供、需水數據，構建水資源承載力系統動力學模型，分析水資源承載系統中的關鍵可控因子，對降水有效利用系數和灌溉水利用系數分別進行調控模擬，探討了藍、綠水綜合管理下京、津、冀農業生產的水資源承載力。

1 區域農業水足跡生產與調控評價方法

1.1 區域作物水足跡

作物水足跡(WFcrop)指區域作物生產發育過程中單位質量產品所消耗的水資源量。某一作物水足跡與當年產量乘積即為該作物年度水足跡，區域作物總水足跡為各作物年度水足跡之和。水足跡主要包括綠水足跡(WFgreen)和藍水足跡(WFblue)，文中作物藍水足跡為農作物灌溉用水，綠水足跡為有效降水，具體計算公式如下[16-18]：

(1)

CWUgreen=10min(ETc，Peff)，

(2)

CWUblue=IRC。

(3)

式中：WFcrop為作物生長發育期內需要的藍水足跡和綠水足跡之和，即總水足跡，m3/t；CWUgreen為單位面積農作物綠水資源需求量，m3/hm2；CWUblue為單位面積農作物藍水資源需求量，m3/hm2；Y為作物單位面積產量，t/hm2；ETc為作物需水量，具體計算公式為：

ETc=KcET0。

(4)

式中：Kc為作物生長發育期的作物系數，文中采用FAO推薦的數據；ET0為潛在蒸散量，采用Penman-Monteith公式[19-20]進行計算：

(5)

式中：Rn為作物表面輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；Δ為飽和水汽壓與溫度關系曲線的斜率，kPa/℃；γ為濕度計常數，kPa/℃；T為空氣平均溫度，℃；U2為地面以上2 m高處的風速，m/s；es和ea分別為飽和水汽壓和實際水汽壓，102Pa。

Peff為作物生長發育期內的有效降水量，采用USDA-SCS(美國農業部土壤保持局)推薦的方法進行計算[21]：

(6)

式中Pdec為旬降水量,mm。作物生育期內的綠水、藍水消耗為生育期內各旬消耗的累計值。

IRC為某行政單元(如省、市、縣)統計的單位面積作物灌溉耗水量(m3/hm2)，即作物生長發育內的藍水消耗量，IRCi為第i種作物單位面積藍水消耗量，計算公式為[11]：

(7)

式中：WI(WIrrigation)為研究區域農田灌溉用水總量，m3；αi為第i種作物藍水消耗量占總灌溉用水總量的比例；Ai為第i種作物種植面積，hm2。αi的計算公式為：

(8)

在區域作物灌溉模式一致時，通過公式(8)計算某種作物的藍水資源較為準確。但文中的計算單元為省市級，作物之間的灌溉條件及種植模式存在差異，尤其是作為經濟作物類的蔬菜，北京、天津兩市農作物種植結構中蔬菜占比較高，蔬菜種植經濟效益相對較高，相對于其他作物類型，蔬菜種植普遍灌溉條件較好，需水滿足比例高，若直接采用公式(8)計算每種作物藍水資源量將存在較大誤差。因此，文中對該計算方法進行了改進。當各種作物灌溉用水均低于作物需水時，因蔬菜大棚種植比例較高，生長期所需水分完全依賴灌溉，生長發育期間有效降水利用率為0，故假設蔬菜藍水需求量近似等于蔬菜灌溉用水量，即：

(9)

利用河北省2001—2010年間菜田灌溉用水統計數據對公式(9)的適用性進行驗證，驗證公式如下：

(10)

式(10)的計算結果表明，河北省2000—2010年p的年均值約為0.93，因此，文中提出的蔬菜灌溉用水核算方法在實際中具有可行性。其他作物藍水足跡計算方法為先用區域總灌溉用水數據減去蔬菜需水量，差值為其他作物藍水足跡總和，再依據公式(7)計算每種農作物的藍水足跡。

1.2 農業水足跡生產和消費協調度評價

水足跡生產和消費協調性涉及的因素非常多，考慮數據的代表性和可獲取性，從水足跡生產角度，主要從生產技術條件、社會經濟效益、水資源壓力等方面建立評價指標體系；從水足跡消費角度，主要從人口構成、消費水平、水資源自給率等方面建立評價指標體系，進而評價水足跡生產適宜性和水足跡消費適宜性發展狀態。

本文采用極差法對各評價指標原始數據進行標準化處理以消除各指標單位、量綱不同對評價結果的影響。同時，每個指標在農業水足跡生產和消費協調度評價過程中的權重不同。文中采用基于層次分析法和熵權法的組合賦權法確定權重，公式如下：

wi=ραi+(1-ρ)βi。

(11)

式中：wi為指標綜合權重值；αi為采用層次分析法賦權結果；βi為采用熵權法賦權結果；ρ為偏好系數，本文取0.5。

指標權重值確定后，對生產適宜性指標標準值與權重值的乘積累計求和即得生產適宜性值，對消費適宜性指標標準值與權重值的乘積累計求和即得消費適宜性值，具體計算公式如下：

(12)

(13)

式中：f(x)為生產適應性；g(y)為消費適應性；wi、wj分別為水足跡生產適宜性和消費適宜性權重；xi、yi分別為水足跡生產適宜性和消費適宜性指標。

水足跡生產和消費適宜性指標體系及權重見表1。

表1 農業水足跡協調性評價指標及權重

水足跡生產和消費系統間的協調度用離差系數表示，協調度越大，生產適應性f(x)與消費適宜性g(y)之間的離差越小，具體計算公式為：

(14)

式中：C為水足跡生產和消費協調度，取值范圍為[0,1]，值越大，表明水足跡生產和消費系統的協調性越強，值越小，表明該系統協調性越弱；Cfg為水足跡生產和消費適宜性的離差系數；假設k為調節系數，用來反映當生產適宜性與消費適宜性一定的條件下，為使協調度最大，生產與消費進行組合協調的數量等級，通常情況下，2≤k≤5，文中取k=2。

協調度C反映了水足跡生產和消費系統的不同指標運動的相似性，不足之處在于兩系統發展程度同時表現低或高時，協調度C可能相同，不能夠表現兩系統間的協調狀況。由此，文中引入協調發展度的概念，用以反映水足跡生產與消費適宜性的協調狀況和發展水平，具體計算公式為：

(15)

式中：D為水足跡生產與消費適應性的協調發展度；T為反映水足跡適宜狀態指數的綜合評價指標；α、β分別為待定的生產和消費適宜性的權重或者政策系數，文中α、β均取為0.5。D值越大，生產和消費系統趨于穩定和有序。

1.3 基于藍、綠水足跡管理的農業水資源承載力評價

通過構建系統動力學模型可以模擬研究區水資源供給、農作物種植面積、農作物種植結構、農業生產條件等變化的條件下，農業水資源承載力的發展變化狀況。通過系統動力學模型中變量之間的關系反映水資源系統中各變量間的互饋關系。文中基于農業灌溉用水、降水、農作物產量及種植面積等數據，選取小麥、玉米、大豆、棉花、油料作物、瓜果、雜糧等作物種植面積、灌溉水量、生長發育期有效降水、單位面積產量、總產量、灌溉用水系數、作物需水總量、水資源供需比等81個變量，構建農業水資源承載力系統動力學模型中的指標體系，具體變量名稱及變量之間的互饋關系如圖1所示。

1.4 數據來源

農作物生產發育期蒸散發計算所需要的溫度、濕度、風速、水氣壓等數據來源于國家氣象局數據中心(http://data.cma.cn)，京、津、冀研究時段內作物面積、作物產量、作物生產條件、社會經濟條件數據來源于2000—2015年的《河北農村統計年鑒》、《北京統計年鑒》、《天津統計年鑒》[22-24]，作物系數參照《北方地區主要農作物灌溉用水定額》[25]以及FAO推薦的84種作物標準系數的相關數據。

2 結果與分析

2.1 主要作物生產水足跡

2000—2015年間，北京、天津和河北農作物虛擬水含量及變化情況如圖2所示。

圖2 2000—2015年京、津、冀作物水足跡

由圖2可知：京、津、冀2000—2015年單位質量虛擬水含量均表現為，糧食和豆類的高于蔬菜和瓜果的，豆類單位質量虛擬水含量最高，其次為糧食作物的；河北省豆類單位質量虛擬水含量的年際變化下降趨勢最為顯著，每年減少約66.53 m3/t，北京和天津豆類單位質量虛擬水含量的年際變化不明顯，北京的豆類單位質量虛擬水含量年際波動較大；糧食作物單位質量虛擬水含量在2000—2015年間表現為北京市>天津市>河北省，三地區年均糧食作物單位質量虛擬水含量分別為1 079.9、854.9、711.9 m3/t，且年際變化均呈下降趨勢；河北省瓜類單位質量虛擬水年均約為315.2 m3/t，年際變化下降趨勢顯著，年均下降約5.3 m3/t；天津市瓜類單位質量虛擬水年均約261.0 m3/t，與其他作物不同的是，在研究時段內，瓜類單位質量虛擬水含量年均約上升1.9 m3/t；河北省瓜類年均單位質量虛擬水含量為310.4 m3/t，年均下降約10.7 m3/t；蔬菜單位質量虛擬水含量最低，京、津、冀三地的差別很小，因設施類蔬菜占比較大，灌溉用水多能滿足蔬菜作物用水需求，因此，蔬菜單位質量虛擬水含量年際變化很小。農作物單位質量虛擬水含量受氣候條件和農業經濟、技術條件的共同影響，氣候條件年際變化使作物生長發育期有效降水年際變化顯著，進而影響綠水含量，農業生產中的經濟技術投入使作物單位面積產量不斷提升，進而減少單位質量虛擬水含量。

京、津、冀2000—2015年農作物虛擬水年際變化如圖3所示。

圖3 2000—2015年京、津、冀農作物虛擬水年際變化

由圖3可知：京、津、冀3個區域作物總水足跡均呈下降趨勢，其中北京市2000—2015年間作物虛擬水含量年際變化下降趨勢明顯，年均下降約0.71億m3，由2000年的23.1億m3降為2015年的9.5億m3，下降原因主要為近年來隨著北京市產業結構調整，農作物整體種植面積不斷減少，種植結構上單位質量虛擬水含量較高的小麥和玉米的種植比例不斷下降、單位質量耗水低的蔬菜種植面積不斷增加；天津市作物虛擬水總量下降幅度最小，年均變化速率約-0.13億m3；河北省作物虛擬水含量遠高于北京市和天津市的，為313.4億～395.6億m3，年均約350.1億m3，年際變化整體呈下降趨勢，年均降低約0.65億m3。

京、津、冀地區不同作物水足跡比例如圖4所示。圖4表明:京、津、冀地區玉米在農作物總虛擬水中所占比例由2000年的30.69%增加到2015年的39.27%，呈逐步增加趨勢；小麥、谷類在農作物總虛擬水中所占比例逐步降低，小麥在農作物總虛擬水中所占比例由2000年的36.65%降至2015年的30.95%，谷類的由2000年的3.07%降至2015年的1.53%。韓宇平等[26-27]的研究成果表明，京、津、冀地區玉米生長發育期處于區域降水旺季，作物對降水吸收利用程度高，即綠水占比較大，因此，生育階段玉米對藍水需求量較低，該時段玉米對灌溉水需求較少；水稻種植過程對灌溉用水需求較大，小麥生長發育期為10月至次年6月，處于降水較少時段，因此也對灌溉用水需求較大。對灌溉用水需求小的玉米水足跡占比不斷升高,在一定程度上可以緩解該區域農業灌溉需水壓力。

圖4 京、津、冀地區不同作物水足跡比例

2.2 農業水足跡協調狀況評價

京、津、冀地區農業水足跡生產和消費適宜性評價指數及農業水足跡生產和消費協調度評價結果如圖5所示。

圖5 京、津、冀水足跡生產和消費適宜性及水足跡系統協調度

圖5中的水足跡生產適宜性指數在年際間有所波動，但整體呈上升趨勢。通過準則層指標可判斷水足跡生產適宜性指數主要受益于各區域政府部門對農業發展的重視，政府部門通過加大農業投入，畝均機械總動力明顯提升，保障農業經濟效益，加大農業水利建設力度，科學減少農業用水量，單方水糧食生產率和水足跡經濟效益提高，使農業水足跡生產適宜性不斷增強。圖5中，水足跡消費適宜性指數年際變化呈現先增加后減小的趨勢，在2000—2012年上升隨后略有下降，主要是因為在城鎮化過程中，農村和城鎮人口結構變化以及居民膳食消費多樣性的不斷變化。河北省農業水足跡協調性綜合評價指數T在2000—2015年這個研究時段內快速增加，北京和天津的農業水足跡協調性綜合評價指數在早期增加較為明顯，后期趨于穩定。

結合表1中農業水足跡生產和消費協調度評價中各指標層中的指標體系，北京市水足跡生產和消費協調度上升的主要原因為單位水足跡農業產值大幅提升、水資源壓力指數降低和水資源利用效率的提高。天津市水足跡生產和消費協調度上升的主要原因為單位水足跡農業產值大幅提升、水資源壓力指數降低、水資源利用效率提高和水資源匱乏度降低。河北省農業水足跡生產和消費協調度提高的主要原因為農業投入增加、農業經濟效應提升、居民生活水平提高。

京、津、冀各時段均表現為農業水足跡生產和消費協調度C較低，而水足跡的生產和消費協調發展度D較高，表明各區域的農業生產適宜性、消費適宜性和綜合評價指數共同影響水足跡系統的協調發展水平。因此，在區域農業水資源管理中應提高農業水足跡生產和消費適宜性水平。

2.3 基于藍、綠水管理的區域農業生產調控評價

2.3.1 水資源承載系統動力學模型模擬結果檢驗

若使水資源承載系統動力學模型可以較好地模擬農業水足跡系統的運行狀況，模型需具有一定的可靠性。一般情況下，相對誤差絕對值為0%～10%時，該模型的模擬效果較好；相對誤差絕對值為10%～20%時，可以通過參數的逐步率定，調整取值對該模型進行改進；相對誤差絕對值大于20%時，表明該模型構建過程中整體或部分子系統存在問題，需重新構建參數之間的互饋關系，重新構建系統方程。

水資源承載系統動力學模型構建完成后，需進行精度驗證，文中選取各作物年度產量數據作為參照對模型的模擬結果進行檢驗。模擬時段為2000—2015年，選用2000年、2008年、2015年的實際作物產量統計值和模型模擬結果進行誤差分析，結果見表2。

表2 模型誤差檢驗和模擬結果

由表2可知：2000年，棉花產量誤差值最大，為-5.9%，所有作物產量的相對誤差絕對值都在10%以下，滿足水資源承載力系統動力學模型模擬精度的要求。

2.3.2 藍、綠水綜合調控下農業水資源承載力變化分析

2.3.2.1 入滲系數的確定

農作物需水為藍水和綠水之和，如果綠水增加，則需要的灌溉藍水量就會減少，因此，農業節水的思路可以從提高作物生長發育期的綠水量入手。不同作物生長發育期降水不同，入滲系數也不完全相同，但在模型模擬中如果每種作物每個生長發育期設置的入滲系數不同則很難實現模擬。對于農業水足跡系統承載力系統動力學模型來講，主要目的是為了探討提高區域水資源承載力的措施，而不聚焦于某個具體參數的變化情況。該模型中對京、津、冀區域所有作物不同生長發育期內的降雨入滲系數沒有區分設計，對所有作物設計一個入滲系數，對不同區域而言，總體入滲系數初始值未知，系統動力學模型中其他參數為實際統計值，當該系統動力學模型中入滲系數設定為0.7時，該模型模擬的各種作物綠水輸出結果和利用每種作物各月入滲系數計算的結果最為接近。因此，模型中入滲系數初始值設定為0.7。生產過程中，通過地膜覆蓋、秸稈覆蓋等一系列工程及非工程措施，可以有效提高作物生育期的入滲系數，提高降水利用效率，進而節約藍水資源?？紤]技術進步及節水理念的增強，假定入滲系數可以提高10%，即在該系統動力學模型模擬中，調整為0.77。

2.3.2.2 灌溉水利用系數的確定

京、津、冀地區目前的灌溉水利用系數為0.60～0.75，綜合灌溉水利用系數為0.65左右，在全國范圍處于前列，但相對于發達國家的0.70～0.80仍有差距，存在較大的提升空間。京、津、冀3個地區中，北京市的灌溉水利用系數最高，為0.732，取該值為灌溉水利用系數的參考值進行水資源承載系統動力學模型模擬。

2.3.2.3 模擬結果

提高入滲系數和灌溉水利用系數的模擬結果見表3。

表3 藍、綠水綜合調控措施下水資源承載作物的模擬產量 萬t

結合表2中各種作物實際產量數據以及表3中的數據，以2015年為例，在同樣的農業耗水情況下，經藍、綠水綜合調控后可以使小麥、玉米、蔬菜產量分別增加43.3萬、50.1萬、237.2萬t，油料和瓜果的產量均有所提高。2000年、2008年、2015年的不同作物產量也都較提高入滲系數和灌溉水利用系數之前的有不同程度的提高。

3 結論

1)2000—2015年間，京、津、冀地區作物單位質量虛擬水含量為豆類>糧食>瓜類>蔬菜，北京市農作物所需總體水足跡年均約17.7億m3，年際下降趨勢明顯；天津和河北年均作物生產總水足跡分別為21.9億、364.0億m3，年際間呈波動狀態，無顯著變化趨勢。

2)農業水足跡生產和消費適宜性評價指數在2000—2015年間有所波動，但整體呈上升趨勢；農業水足跡生產和消費協調度整體呈上升趨勢，京、津、冀的農業水足跡生產和消費協調度上升原因均與單位水足跡農業產值大幅提升、水資源壓力指數降低和水資源利用效率提高有關。

3)2000—2015年間，京、津、冀地區各作物入滲系數為0.65～0.75，灌溉水利用系數為0.60～0.75，灌溉水利用系數在全國范圍處于前列。以2000年、2008年、2015年的主要作物產量數據基礎，在農業水資源承載系統動力學模型模擬中入滲系數設定為0.77，灌溉水利用系數設定為0.732。該模型的模擬結果顯示，2015年在灌溉水量保持不變的情況下，小麥、玉米、蔬菜產量相對于實際產量分別增加43.3萬、50.1萬、237.2萬。這表明在一定的工程及非工程措施下，京、津、冀農業水資源承載力仍有一定的提升空間。