江苏省农产品水足迹与虚拟水流动及其环境影响

刘 静，余钟波

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098； 2. 河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098)

2002年荷兰学者Hoekstra等[1]首次提出水足迹概念，扩宽了传统水资源评价体系，为水资源科学管理提供了重要理论依据。水足迹包括生产水足迹与消费水足迹，生产水足迹是某一区域生产行为所消耗的水资源数量，既包括生产当地消费产品或服务所消耗的水资源，也包括生产输出产品或服务所消耗的水资源；消费水足迹是用于生产某一区域居民所消费产品或服务所消耗的水资源数量，该生产行为可能发生在当地，也可能发生在该区域外[2]。伴随产品贸易，区域间产生虚拟水形态水资源贸易，称为虚拟水流动或虚拟水贸易，虚拟水贸易将外部区域考虑在内，为缓解区域水资源压力提供了一条新思路。大量学者针对生产水足迹、消费水足迹及虚拟水流动开展了相关研究，主要集中在量化分析[3-6]，影响因素分析[7-9]及区域水资源评价[10-11]等方面，同时包括全球、国家、地区等多个研究尺度[12-14]。环境影响分析是资源消耗分析的重要研究方向，目前的研究主要集中于土地资源、能源和物质消耗等[15-16]。国外学者针对水资源消耗相关环境影响开展了研究[17-18]，国内学者也分析了农产品、纺织品等生产过程中水资源消耗对应的环境影响[19-20]，但综合考虑水足迹的生产角度、消费角度以及虚拟水流动的水资源消耗环境影响研究相对较少。

本文在分析其农业生产水足迹、消费水足迹及虚拟水流动基础上，从3个方面分析了水资源消耗行为相关的环境影响：对人类健康的影响，对生态质量的影响及对资源的影响，以期为区域水资源管理提供参考。

1 研 究 方 法

1.1 农产品蓝水生产水足迹、消费水足迹及虚拟水流动计算

不同种类农产品蓝水生产水足迹为蓝水虚拟水含量与产品产量乘积，消费水足迹为产品虚拟水含量与消费量乘积，虚拟水流动量则为产品虚拟水含量与贸易量乘积。本文中农产品包含作物与动物产品两类。其中作物蓝水虚拟水含量为[1]

(1)

式中：Vc——作物蓝虚拟水含量，m3/kg；Wc——作物生育期蓝水资源利用量，m3/hm2；Y——作物单位面积产量，kg/hm2；10——单位转化系数，将单位由水深mm转化为单位面积水m3/hm2；Ec——作物生育期蒸腾量，mm，根据彭曼公式计算；Pe——作物生育期利用的有效降雨量，mm。

动物产品蓝水虚拟水含量Va(m3/kg)可根据下式计算[1]：

Va=Vf+Vd+Vs

(2)

式中：Vf——动物产品饲料相关的蓝水虚拟水含量，m3/kg；Vd——动物产品饮水相关的蓝水虚拟水含量，m3/kg；Vs——动物产品服务相关的蓝水虚拟水含量，m3/kg。

1.2 环境影响分析

环境影响分析主要根据Eco-indicator-99评价方法，包含对人类健康、生态质量及资源影响分析[21]。

对人类健康的影响H(disability adjusted life years， DALY)可根据下式计算：

(3)

式中：Ws——水资源压力指数；Wa——农业用水比重；Hd——人类发展因子，根据人类发展指标计算[17]；Wr——最小人均水资源需求，m3/(a·人)；D——影响因子，DALY/(a·人)，衡量营养不良产生的影响，本文假定其为0.018 4 DALY/(a·人)；W——水足迹或虚拟水流动，m3。

对生态质量的影响E可根据下式计算

E=IW

(4)

式中：I——生态质量影响因子，m2·a/m3，通过受可用水量限制的净初级生产量比例来反映生态系统脆弱性，以降雨量为权重系数将各地区数值加权获得。各地区生态质量影响因子参考已有研究成果。

对区域水资源资源的影响R，根据未来实现资源可用性所消耗的能源量值来表示，假定海水淡化技术作为主要途径。

R=EdFW

(5)

式中：Ed——海水淡化能源需求，J/m3，根据现有技术假定为11 MJ/m3；F——水资源消耗特征因子，反映地下水过度开采或其他水体不合理使用等原因，进而产生水资源存量枯竭的可能性，通过用水量与可用水量计算[18]。

1.3 数据来源

气象数据(气温、降水、相对湿度、风速以及日照时数等)来自中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn)，农产品产量、消费及人口来自中国统计年鉴和中国农业统计资料，水资源用量及可用量来自中国水资源公报，人类发展指标来自中国人类发展报告。所有数据均采用2015年数值。

2 结果与讨论

2.1 水足迹与虚拟水流动

结合作物、动物产品虚拟水含量及各产品生产、消费及贸易模式，可得到江苏省不同农产品对应水足迹及虚拟水流动情况(图1)。由图1(a)可看出，江苏省水稻和小麦生产水足迹显著大于其他农产品，玉米、薯类、糖料作物、牛肉、羊肉和奶类对应生产水足迹较小，不足1亿m3，糖料作物最小。这主要由区域农业生产布局及农产品生产效率差异造成。水稻为高耗水作物，节水灌溉技术应用及节水品种培育均有助于提高水稻农业用水效率，减小其生产水足迹。根据江苏省居民现有消费模式，可得到农产品对应消费水足迹(图1(b))。水稻的消费量仅次于蔬菜，但后者生育期较短，因而水稻成为拥有最大消费水足迹的农产品。相对作物，动物产品的生产通常需要消耗较多水资源，因而具有较大虚拟水含量，动物产品对应消费水足迹约占农业水足迹1/3。消费模式的转变有助于减小区域消费水足迹，进一步节约区域水资源。除当地消费外，江苏省生产的水稻和小麦大量输出，对应虚拟水流出量为49.13亿m3和16.92亿m3，占区域虚拟水流出量近90%。而油料、糖料、牛肉和奶类消费需求不能仅通过当地生产得到满足，对应2.00亿m3虚拟水流入(图1(c)和(d))。虚拟水流入增加了江苏省可用水资源，而虚拟水流出则意味着“水资源损失”[22]。区域贸易结构调整以及贸易地区选择，有利于改变现有虚拟水流动模式。

图1 江苏省不同农产品对应水足迹与虚拟水流动Fig.1 Water footprints and virtual water flows for different kinds of agricultural products in Jiangsu Province

2.2 水足迹及虚拟水流动相关的人类健康影响

图2给出了不同农产品生产水足迹、消费水足迹、虚拟水流出及虚拟水流入对应的对人类健康的影响。由图2可看出，水足迹及虚拟水流动对应的对人类健康的影响分布趋势与水足迹及虚拟水流动分布趋势主体一致，说明水足迹及虚拟水流动量是影响江苏省水资源消费相关人类健康影响的重要因素。水稻生产水足迹、消费水足迹及虚拟水流出相关的人类健康影响均明显大于其他农产品水资源消费对应环境影响，其数值分别为15.45万DALY、3.93万DALY和11.52万DALY。奶类进口相关的虚拟水流入相关的人类健康影响则明显大于其他农产品，其数值为0.58万DALY。除水足迹及虚拟水流动相关调控措施外，区域水资源压力及农业用水比重等均是影响产品对应水足迹或虚拟水流动相关的人类健康影响的重要因素。因此，通过采用节水技术等措施减少水资源消耗，尤其是高耗水的农业部门，降低农业用水比重等均有助于减小水足迹及虚拟水流动对应环境影响。

图2 江苏省不同农产品水足迹与虚拟水流动相关的人类健康影响Fig.2 Impacts on human health due to water footprints and virtual water flows for different kinds of agricultural products in Jiangsu province

2.3 水足迹及虚拟水流动相关的生态质量影响

江苏省生产水足迹、消费水足迹及虚拟水流出相关的生态质量影响主要受水稻和小麦影响，二者对应的环境影响分别为15.18亿m2·a、3.86亿m2·a和11.32亿m2·a，分别占农产品相关环境影响的79.83%、57.70% 和88.09%(图3)。这与水足迹及虚拟水流出量值密切相关。虚拟水流入相关的生态质量影响为0.53亿m2·a，其中奶类、牛肉、油料和糖料对应比例分别为59.96%、20.02%、19.18%和0.84%。除虚拟水流入量值影响外，根据生态质量因子，适当改变产品调入区域，有助于减小虚拟水流入相关的生态质量影响。

图3 江苏省不同农产品水足迹与虚拟水流动相关的生态质量影响Fig.3 Impacts on ecosystem equality due to water footprints and virtual water flows for different kinds of agricultural products in Jiangsu province

2.4 水足迹及虚拟水流动相关的资源影响

本文中资源影响主要针对水资源耗尽情况。江苏现有用水量小于可用水量，水资源可通过降雨等形式补给，不存在资源耗竭情况，因此水资源消耗特征因子为0，仅农产品消费水足迹中来自其他地区的水资源调入存在资源影响。由图4可看出，农产品虚拟水流入相关的资源影响为1.47亿MJ，其中奶类、牛肉、油料和糖料对应比例分别为74.27%、16.13%、9.59%和0.02%。除虚拟水流动量调整措施外，将进口区从水资源压力较大区域转为水资源压力较小区域，有助于减小江苏省现有的资源影响。

图4 江苏省不同农产品对应消费水足迹及虚拟水流入相关的资源影响Fig.4 Impacts on resources due to water footprint of consumption and virtual water import for agricultural products

环境影响是资源消耗分析的重要方面，我国出口导向的生产及贸易战略未将水资源消耗的环境影响纳入考虑，从长远角度来说，是不可持续的。该研究有助于建立区域资源消耗环境影响分析体系，为构建更为合理的生产、消费及贸易战略服务。目前没有单一指标能衡量环境影响各方面，本文所选择的指标仅涉及对人类健康、生态质量及水资源的影响，未来还需结合其他指标。同时，本文环境影响对象为产品生产地区，因此生产和输出行为仅考虑当地影响，而消费和进口行为需同时考虑产品进口地。此外，基于数据可获取性等原因，本文主要考虑蓝水资源，并未涉及绿水资源。国外学者已通过不同方法对绿水资源产生的环境影响进行了量化[23-24]，未来将蓝水和绿水统筹考虑，有助于实现更合理的区域管理。

3 结 语

江苏省农业生产水足迹、消费水足迹、虚拟水流出及流入分别为110.97亿m3、37.98亿m3、74.99亿m3和2.00亿m3，前三者主要受水稻和小麦影响，后者主要受奶类、油料和牛肉影响。节水灌溉技术应用及节水品种培育有助于提高农业用水效率，减小生产水足迹，消费模式转变有助于减小区域消费水足迹，节约区域水资源。贸易结构调整以及贸易地区选择，有利于改变现有虚拟水流动模式，改善现有水资源利用现状。

农业生产水足迹、消费水足迹、虚拟水流出及流入相关的人类健康影响分别为26.02万DALY、9.30万DALY、17.58万DALY和0.87万DALY，生态质量影响分别为19.02亿m2·a、6.69亿m2·a、12.85亿m2·a和0.53亿m2·a，资源影响分别为0、1.47亿MJ、0和1.47亿MJ 。水足迹及虚拟水流动量值是影响江苏省水资源消费相关人类健康影响及生态质量影响的重要因素。除水足迹及虚拟水流动调控措施外，采用节水技术等措施减少水资源消耗，尤其是高耗水的农业部门，降低农业用水比重，适当改变产品调入区域等有助于减小水足迹及虚拟水流动对应环境影响。