基于水足迹理论的石嘴山市农业用水评价

陈月娟

(石嘴山市农业综合开发办公室，宁夏 石嘴山 753000)

水资源作为一种重要的自然资源，既是自然环境的重要组成部分，又是人类赖以生存和发展不可缺少的一种宝贵资源，同时还是战略性经济资源。目前水资源短缺和污染己对我国粮食安全、生态环境安全、经济安全等产生显著影响。农业作为第一产业，是国民经济建设和发展的重要基础和支撑，农业水资源的可持续利用一直都是学界的关注点。包晓斌提出高效节水是保证我国农业水资源可持续利用的根本出路；王浩等在对我国农业水资源形势进行分析后，提出建设节水高效的现代灌溉农业和集雨增效的现代旱作农业战略举措；徐学良提出加强农业水资源的管理是农业现代化有序推进的重要保障；张华等以水贫困理论为基础，提出“农业水贫困”概念，发现我国虽面临较严重的农业水贫困问题，但情况已有所好转。

水足迹计算方式简单，并且连接了生产者与消费者的足迹，结果真实可靠，因此被广泛地运用在水资源的可持续利用研究中。该理论由荷兰屯特大学Hoekstra教授于2002年提出，并将其形象地解释为“水在生产和消费过程中踏过的脚印”。自其概念及核算方法被提出以来，得到了众多学者的支持和运用，目前主要围绕产品(或区域)水足迹评价、基于水足迹的区域水资源安全研究和区域水足迹可持续性分析3个方面开展。2010年以来，水足迹在农业用水上的应用逐渐增多。如：黄晶率先基于水足迹对北京市农业用水结构变化进行了分析；刘莉等对四川各市(州)农业水足迹时空变化进行了分析；李泽红等对武威农业水足迹变化进行了相关分析；王旭等利用水足迹对宁夏中卫市农业水资源进利用行了评价。

石嘴山市处于干旱半干旱区，蒸发量是降水量的10～14倍，水资源更是起到了“以水定业”“以水定人”的重要作用，其农业水资源的利用效果对于区域经济社会发展意义重大。本文以水足迹理论为指导思想，对石嘴山市农业利用效果进行评价，以期为石嘴山市农业水资源的可持续利用提供理论依据和建议。

1 研究区概况

石嘴山市居于宁夏回族自治区北部黄河中游上段，属于典型温带大陆性气候，降水量集中，蒸发强烈，全市年平均降水量在167.5～188.8mm，年蒸发量在1708.7～2512.6mm，是降水量的10～14倍，处于干旱半干旱地区。石嘴山市经济发展快速，人口规模不断扩大，耕地面积不断扩张，农业产值不断提高。2007—2015年间，人均GDP由28240元/人增加到61845元/人，9年内增长了近1.2倍；人口由454501人增加到780339人，9年内增加了325838人；农业播种面积由87396hm2增加到99397hm2，9年内增12001hm2；农业产值占区域经济总产值的比重由2.57%增加到5.44%，9年内增加了1倍多。农业灌溉用水已占到全市总用水量的88%左右，因此客观地评价农业水资源的利用效果对于石嘴山市现代农业发展意义重大。

2 方法与数据来源

2.1 农业水足迹计算

水足迹是指一定区域内人口生活、生产、生态消费产品和服务所消耗的水资源总量。该理论从生产和消费两个方面来描述区域对水资源的真实需求与占用，相比于传统水资源消费测算方法更加全面真实，其计算方法主要有：①自上而下法，②自下而上法，③投入产出法，④产品生命周期法。本文考虑数据的可获得性，采用自上而下的方法对石嘴山市的农业水足迹进行计算，得出农业开发对水资源的真实占用情况。具体计算过程如下。

(1)

式中，WF—农业水足迹总量，Pi—第i种农业产品的产量，VWCi—第i种农业产品的单位质量的虚拟水含量。

2.2 水足迹效益

水足迹效益也被称为水资源集约利用度，可以用单位农业水足迹所创造的经济价值来表征，主要用来衡量区域农业对水资源的利用效率，能够反映出区域农业发展所付出的水资源代价。其数值越大，表明区域农业对水资源的利用效率越高；反之，则表明区域农业水资源利用程度较低。计算公式如下：

(2)

式中，WE—农业水足迹的效益，GDP—区域农业的经济产值，WF—农业产品的总水足迹。

2.3 数据来源

本文研究来源于2007～2015年《宁夏统计年鉴》《宁夏水资源公报》和《石嘴山市国民经济与社会发展统计公报》，以及宁夏农畜产品单位质量虚拟水含量的相关成果，见表1。

3 结果与分析

3.1 农业水足迹总量变化

2007～2015年间，石嘴山市农业水足迹呈波动增长，如图1所示，从2007年的8.10×108m3，增加到2015年的9.04×108m3，9年内增加了0.94×108m3，年均增速为0.104×108m3/a。2012年农业水足迹最高，达到9.79×108m3。人均农业水足迹与水足迹总量呈同步变化趋势，由2007年的1109.38m3/人，增加到2015年的1147.48m3/人，9年内增加了38.1m3/人，年均增速为4.23m3/人；2011年人均农业水足迹最高，达到1327.02m3/人。表明石嘴山市在农业发展过程中对水资源的占用不断增加。由于地处干旱半干旱区，降水量少，蒸发量大，农业发展对水资源的需求不断增多，农业灌溉用水占到总用水量的88%左右，严重挤占了工业、生活、生态用水，致使用水结构失衡。

表1 石嘴山市单位农—畜产品的虚拟水含量

图1 石嘴山市农业水足迹总量与人均量

3.2 农业水足迹结构变化

石嘴山市农业水足迹分配不均匀如图2.a所示，主要农业产品水足迹总量中，粮食作物的水足迹最高，且相对稳定，年平均值为4.28×108m3；畜产品的水足迹略有下降，由2007年的2.75×108m3下降到2015年的2.43×108m3，年平均值为2.59×108m3；经济作物的水足迹有所上升，由2007的1.28×108m3增加到2015年的2.27×108m3。且各农业产品内部的水足迹分配也不均匀如图2.b、c、d所示，具体变化如下：

(1)就粮食作物而言，玉米的水足迹增长迅速，由2007年的160.09×106m3增加到2015年的236.29×106m3，增长速度达8.47×106m3/a；稻谷的水足迹缓慢增长，由2007年的119.07×106m3增加到2015年的141.30×106m3，增长速度达2.47×106m3/a；豆类的水足迹相对稳定，由2007年的1.92×106m3增加到2015年的2.72×106m3，增长速度为0.09×106m3/a；小麦的水足迹不断下降，由2007年的125.959×106m3下降到2015年的53.46×106m3，年均降速达8.05×106m3/a。

图2 石嘴山市农业水足迹结构

(2)就经济作物而言，蔬菜的水足迹呈先上升后下降的趋势，2007～2010年为上升阶段，由98.77×106m3增加到137.04×106m3，2011～2015年为下降阶段，由134.64×106m3减少到108.27×106m3，但总体还是增加了9.51×106m3；药材的水足迹呈明显的增长趋势，由2007年的2.43×106m3增加到2015年的59.92×106m3，年均增速高达6.39×106m3/a；油料呈先增加后稳定的变化特征；瓜果相对稳定在均值5.71×106m3上下轻微波动。

(3)就畜产品而言，牛肉和牛奶的水足迹波动较大，进行线性趋势拟合，发现系数为负值，表明二者呈波动下降趋势；羊肉的水足迹呈稳定增加趋势，由2007年的3.57×107m3增加到2015年的4.84×107m3，增长了1.27×107m3，年均增速为0.14×107m3/a；猪肉和禽蛋的水足迹有所下降，前者由2.21×107m3，下降到1.04×107m3，下降了1.17×107m3，后者由2.42×107m3，下降到1.85×107m3，下降了0.58×107m3。

3.3 农业水足迹效率变化

计算发现，石嘴山市水足迹效益呈明显增加趋势，如图3所示，由2000年的0.41元/m3增加到2.90元/m3，9年内增长了近6倍，年均增速达0.28元/m3。利用灰色预测模型中的均值差分GM(1，1)模型对农业水足迹效益的数值进行模拟，发展系数a=-0.3109，灰色作用量b=0.2108，残差=2.0686，平均相对误差为28.1353%，可以发现模拟数据呈指数增加趋势，表明石嘴山市农业用水效率逐渐提高，单位水资源所能创造的农业价值不断上升。以农业产品水足迹所占比例为横坐标，以水足迹效益为纵坐标，做散点图，发现粮食作物和畜产品呈“倒U”型，前者以48%为分水岭(粮食作物的水足迹占比<48%时，其占比越高，水足迹效益越好；反之，粮食作物水足迹占比>48%时，其占比越高，水足迹效益越低)，后者以26%为分水岭(畜产品的水足迹占比<26%时，其占比越高，水足迹效益越好；反之，畜产品水足迹占比>26%时，其占比越高，水足迹效益越低)，经济作物则呈指数式增长(y=0.0244e0.1538x)。结合宋智渊等人的研究成果发现，经济作物对水资源的利用程度更高，单位水足迹所创造的经济价值较高。

由图4可知，在主要农业产品水足迹百分比中，粮食作物相对稳定，所占比例最高，年平均值达47.74%；畜产品略有下降，由2007年的33.92%下降到2015年的26.87%，年平均值达28.70%；经济作物有所上升，由2007年的15.85%增加到2015年的25.16%，年平均值达23.56%。经济作物种植面积由2007年的8.53×104hm2增加到2015年的9.45×104hm2，9年内增加了0.92×104hm2，年均增速为0.10×104hm2，粮食作物种植面积在均值6.72×104hm2附近波动，波动幅度在-0.09～0.26之间。经济作物的水足迹效益较高，其播种面积也高于粮食作物，表明石嘴山市农业水资源的利用态势良好。粮食作物的种植面积相对较小，但所需的水足迹却是最高的，表明石嘴山市粮食作物的水资源利用效率有待提高。未来，应在保证石嘴山市粮食安全的前提下，对农业种植结构进一部调整，进一步适当地提高经济作物的种植比例，尤其是经济价值高、耗水量小的产品。

图3 石嘴山市水足迹效益

图4 石嘴山市农业水足迹比例与耕地面积变化

4 结语

本文以水足迹理论为指导思想，对石嘴山市的农业用水效果进行客观评价，结果发现：研究时段内，石嘴山市农业水足迹总量和人均农业水足迹呈同步增长趋势，农业灌溉用水已占到总用水量的88%，用水结构失衡状况日益突出。农业水足迹在主要农业产品间分配不均匀，粮食作物的水足迹最高，畜产品其次，经济作物的水足迹较低，且各主要农业产品内部的水足迹也分配不均衡，经济作物中蔬菜占比最高，畜产品中牛肉和牛奶占比最高；农业水足迹效益逐步上升，经济作物水足迹效益高，播种面积大，表明石嘴山市农业水资源利用态势良好。