农业水足迹生产和消费协调度评价及调控研究

黄会平， 王如厂， 李新生， 贾冬冬， 韩宇平

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450046; 2.黄河水利委员会 天水水文水资源勘测局,甘肃 天水 741020)

水资源在人们的生产和生活中发挥着重要作用，水资源短缺逐步成为各个国家和区域都面临的严重问题[1-2]。经济发展和城镇化水平的不断提高，各部门用水竞争加剧，农业作为最大的用水部门备受关注。气候变化和人口增长都给未来农业生产安全带来了很大的挑战。明晰农业生产用水特征，并进一步评价农业生产和农作物消费用水的匹配度对提高农业水资源管理水平具有一定的理论和现实意义[3]。

水足迹概念由荷兰学者HOEKSTRA A Y[4]在2003年基于虚拟水研究基础提出，它是指任何一个国家或一定量的人口在一定时期内消费的产品和服务所需要的淡水资源总量。1995年，FALKENMARK M[5]提出了蓝、绿水的概念，二者共同组成了区域的广义水资源，两者相互影响和制约，更加全面地展示了水与人类和自然的关系。虚拟水、水足迹、蓝水和绿水等理论的出现，使人们可以多角度地寻求解决水问题的途径，成为国内外研究热点，这对区域水资源管理具有重要的指导意义[6-9]。在水足迹量化、基于水足迹的水资源评价和管理、虚拟水流动等领域，有关学者做了大量的研究工作。SHU Rui等[10]提出了用蓝、绿、灰水3种压力指数描述的水资源短缺类型，核算并分析了中国2000—2014年水资源短缺状况；邓光耀[11]基于水足迹角度，采用SBM-DEA模型探讨了2006—2015时段内中国各行业水资源利用效率，为指导行业节水及落实最严格水资源管理制度提供了政策建议；吴普特等[12]在虚拟水-实体水耦合流动的理论基础上构建了以生产水足迹为参数的流动过程量化方法，并在西部六省加以利用；WROBEL-JEDRZEJEWSKA M等[13]通过对蓝莓、樱桃和草莓酱在实际生产条件下的用水量进行测量，登记生产数量和生产周期值，分析不同成分类型和生产工艺对最终产品水足迹的影响，提出从各个环节节约水资源的途径。但目前对农业水足迹系统协调评价与农业生产中蓝、绿水综合调控模拟的相关研究还较少。

农业是我国第一大用水户，面临着农业水土资源空间不匹配的问题，不同地区用水强度与结构存在显著的区位差异，为农业水资源管理带来严重的挑战[14]。农业水资源在生产、消费、贸易3个过程中分别表现出生产消耗、消费需求以及嵌合在产品中通过区域贸易产生流动的特征。我国水土资源整体表现为北方土地资源丰富而水资源匮乏[15]，在当前国内粮食供需结构下, “北粮南运”伴生的虚拟水由北向南输送规模正在持续扩大，这进一步加大了北方粮食主产区的用水压力。目前，我国水资源管理仍执行传统农业实体蓝水资源管理模式，对绿水资源重视程度不够。因此，对区域农业水足迹系统进行合理评价并探究蓝、绿水综合调控以提高农业生产节水潜力，有助于实现农业水资源科学管理。

本文从水足迹视角核算京、津、冀作物生产水足迹及居民对农产品水足迹的消费能力，分析区域水足迹生产和消费适宜性指数，并在此基础上构建二者协调发展度评价模型，评价京、津、冀2000—2015年农业水足迹生产和消费协调度；基于农村生产供、需水数据，构建水资源承载力系统动力学模型，分析水资源承载系统中的关键可控因子，对降水有效利用系数和灌溉水利用系数分别进行调控模拟，探讨了蓝、绿水综合管理下京、津、冀农业生产的水资源承载力。

1 区域农业水足迹生产与调控评价方法

1.1 区域作物水足迹

作物水足迹(WFcrop)指区域作物生产发育过程中单位质量产品所消耗的水资源量。某一作物水足迹与当年产量乘积即为该作物年度水足迹，区域作物总水足迹为各作物年度水足迹之和。水足迹主要包括绿水足迹(WFgreen)和蓝水足迹(WFblue)，文中作物蓝水足迹为农作物灌溉用水，绿水足迹为有效降水，具体计算公式如下[16-18]：

(1)

CWUgreen=10min(ETc，Peff)，

(2)

CWUblue=IRC。

(3)

式中：WFcrop为作物生长发育期内需要的蓝水足迹和绿水足迹之和，即总水足迹，m3/t；CWUgreen为单位面积农作物绿水资源需求量，m3/hm2；CWUblue为单位面积农作物蓝水资源需求量，m3/hm2；Y为作物单位面积产量，t/hm2；ETc为作物需水量，具体计算公式为：

ETc=KcET0。

(4)

式中：Kc为作物生长发育期的作物系数，文中采用FAO推荐的数据；ET0为潜在蒸散量，采用Penman-Monteith公式[19-20]进行计算：

(5)

式中：Rn为作物表面辐射量，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；Δ为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率，kPa/℃；γ为湿度计常数，kPa/℃；T为空气平均温度，℃；U2为地面以上2 m高处的风速，m/s；es和ea分别为饱和水汽压和实际水汽压，102Pa。

Peff为作物生长发育期内的有效降水量，采用USDA-SCS(美国农业部土壤保持局)推荐的方法进行计算[21]：

(6)

式中Pdec为旬降水量,mm。作物生育期内的绿水、蓝水消耗为生育期内各旬消耗的累计值。

IRC为某行政单元(如省、市、县)统计的单位面积作物灌溉耗水量(m3/hm2)，即作物生长发育内的蓝水消耗量，IRCi为第i种作物单位面积蓝水消耗量，计算公式为[11]：

(7)

式中：WI(WIrrigation)为研究区域农田灌溉用水总量，m3；αi为第i种作物蓝水消耗量占总灌溉用水总量的比例；Ai为第i种作物种植面积，hm2。αi的计算公式为：

(8)

在区域作物灌溉模式一致时，通过公式(8)计算某种作物的蓝水资源较为准确。但文中的计算单元为省市级，作物之间的灌溉条件及种植模式存在差异，尤其是作为经济作物类的蔬菜，北京、天津两市农作物种植结构中蔬菜占比较高，蔬菜种植经济效益相对较高，相对于其他作物类型，蔬菜种植普遍灌溉条件较好，需水满足比例高，若直接采用公式(8)计算每种作物蓝水资源量将存在较大误差。因此，文中对该计算方法进行了改进。当各种作物灌溉用水均低于作物需水时，因蔬菜大棚种植比例较高，生长期所需水分完全依赖灌溉，生长发育期间有效降水利用率为0，故假设蔬菜蓝水需求量近似等于蔬菜灌溉用水量，即：

(9)

利用河北省2001—2010年间菜田灌溉用水统计数据对公式(9)的适用性进行验证，验证公式如下：

(10)

式(10)的计算结果表明，河北省2000—2010年p的年均值约为0.93，因此，文中提出的蔬菜灌溉用水核算方法在实际中具有可行性。其他作物蓝水足迹计算方法为先用区域总灌溉用水数据减去蔬菜需水量，差值为其他作物蓝水足迹总和，再依据公式(7)计算每种农作物的蓝水足迹。

1.2 农业水足迹生产和消费协调度评价

水足迹生产和消费协调性涉及的因素非常多，考虑数据的代表性和可获取性，从水足迹生产角度，主要从生产技术条件、社会经济效益、水资源压力等方面建立评价指标体系；从水足迹消费角度，主要从人口构成、消费水平、水资源自给率等方面建立评价指标体系，进而评价水足迹生产适宜性和水足迹消费适宜性发展状态。

本文采用极差法对各评价指标原始数据进行标准化处理以消除各指标单位、量纲不同对评价结果的影响。同时，每个指标在农业水足迹生产和消费协调度评价过程中的权重不同。文中采用基于层次分析法和熵权法的组合赋权法确定权重，公式如下：

wi=ραi+(1-ρ)βi。

(11)

式中：wi为指标综合权重值；αi为采用层次分析法赋权结果；βi为采用熵权法赋权结果；ρ为偏好系数，本文取0.5。

指标权重值确定后，对生产适宜性指标标准值与权重值的乘积累计求和即得生产适宜性值，对消费适宜性指标标准值与权重值的乘积累计求和即得消费适宜性值，具体计算公式如下：

(12)

(13)

式中：f(x)为生产适应性；g(y)为消费适应性；wi、wj分别为水足迹生产适宜性和消费适宜性权重；xi、yi分别为水足迹生产适宜性和消费适宜性指标。

水足迹生产和消费适宜性指标体系及权重见表1。

表1 农业水足迹协调性评价指标及权重

水足迹生产和消费系统间的协调度用离差系数表示，协调度越大，生产适应性f(x)与消费适宜性g(y)之间的离差越小，具体计算公式为：

(14)

式中：C为水足迹生产和消费协调度，取值范围为[0,1]，值越大，表明水足迹生产和消费系统的协调性越强，值越小，表明该系统协调性越弱；Cfg为水足迹生产和消费适宜性的离差系数；假设k为调节系数，用来反映当生产适宜性与消费适宜性一定的条件下，为使协调度最大，生产与消费进行组合协调的数量等级，通常情况下，2≤k≤5，文中取k=2。

协调度C反映了水足迹生产和消费系统的不同指标运动的相似性，不足之处在于两系统发展程度同时表现低或高时，协调度C可能相同，不能够表现两系统间的协调状况。由此，文中引入协调发展度的概念，用以反映水足迹生产与消费适宜性的协调状况和发展水平，具体计算公式为：

(15)

式中：D为水足迹生产与消费适应性的协调发展度；T为反映水足迹适宜状态指数的综合评价指标；α、β分别为待定的生产和消费适宜性的权重或者政策系数，文中α、β均取为0.5。D值越大，生产和消费系统趋于稳定和有序。

1.3 基于蓝、绿水足迹管理的农业水资源承载力评价

通过构建系统动力学模型可以模拟研究区水资源供给、农作物种植面积、农作物种植结构、农业生产条件等变化的条件下，农业水资源承载力的发展变化状况。通过系统动力学模型中变量之间的关系反映水资源系统中各变量间的互馈关系。文中基于农业灌溉用水、降水、农作物产量及种植面积等数据，选取小麦、玉米、大豆、棉花、油料作物、瓜果、杂粮等作物种植面积、灌溉水量、生长发育期有效降水、单位面积产量、总产量、灌溉用水系数、作物需水总量、水资源供需比等81个变量，构建农业水资源承载力系统动力学模型中的指标体系，具体变量名称及变量之间的互馈关系如图1所示。

1.4 数据来源

农作物生产发育期蒸散发计算所需要的温度、湿度、风速、水气压等数据来源于国家气象局数据中心(http://data.cma.cn)，京、津、冀研究时段内作物面积、作物产量、作物生产条件、社会经济条件数据来源于2000—2015年的《河北农村统计年鉴》、《北京统计年鉴》、《天津统计年鉴》[22-24]，作物系数参照《北方地区主要农作物灌溉用水定额》[25]以及FAO推荐的84种作物标准系数的相关数据。

2 结果与分析

2.1 主要作物生产水足迹

2000—2015年间，北京、天津和河北农作物虚拟水含量及变化情况如图2所示。

图2 2000—2015年京、津、冀作物水足迹

由图2可知：京、津、冀2000—2015年单位质量虚拟水含量均表现为，粮食和豆类的高于蔬菜和瓜果的，豆类单位质量虚拟水含量最高，其次为粮食作物的；河北省豆类单位质量虚拟水含量的年际变化下降趋势最为显著，每年减少约66.53 m3/t，北京和天津豆类单位质量虚拟水含量的年际变化不明显，北京的豆类单位质量虚拟水含量年际波动较大；粮食作物单位质量虚拟水含量在2000—2015年间表现为北京市>天津市>河北省，三地区年均粮食作物单位质量虚拟水含量分别为1 079.9、854.9、711.9 m3/t，且年际变化均呈下降趋势；河北省瓜类单位质量虚拟水年均约为315.2 m3/t，年际变化下降趋势显著，年均下降约5.3 m3/t；天津市瓜类单位质量虚拟水年均约261.0 m3/t，与其他作物不同的是，在研究时段内，瓜类单位质量虚拟水含量年均约上升1.9 m3/t；河北省瓜类年均单位质量虚拟水含量为310.4 m3/t，年均下降约10.7 m3/t；蔬菜单位质量虚拟水含量最低，京、津、冀三地的差别很小，因设施类蔬菜占比较大，灌溉用水多能满足蔬菜作物用水需求，因此，蔬菜单位质量虚拟水含量年际变化很小。农作物单位质量虚拟水含量受气候条件和农业经济、技术条件的共同影响，气候条件年际变化使作物生长发育期有效降水年际变化显著，进而影响绿水含量，农业生产中的经济技术投入使作物单位面积产量不断提升，进而减少单位质量虚拟水含量。

京、津、冀2000—2015年农作物虚拟水年际变化如图3所示。

图3 2000—2015年京、津、冀农作物虚拟水年际变化

由图3可知：京、津、冀3个区域作物总水足迹均呈下降趋势，其中北京市2000—2015年间作物虚拟水含量年际变化下降趋势明显，年均下降约0.71亿m3，由2000年的23.1亿m3降为2015年的9.5亿m3，下降原因主要为近年来随着北京市产业结构调整，农作物整体种植面积不断减少，种植结构上单位质量虚拟水含量较高的小麦和玉米的种植比例不断下降、单位质量耗水低的蔬菜种植面积不断增加；天津市作物虚拟水总量下降幅度最小，年均变化速率约-0.13亿m3；河北省作物虚拟水含量远高于北京市和天津市的，为313.4亿～395.6亿m3，年均约350.1亿m3，年际变化整体呈下降趋势，年均降低约0.65亿m3。

京、津、冀地区不同作物水足迹比例如图4所示。图4表明:京、津、冀地区玉米在农作物总虚拟水中所占比例由2000年的30.69%增加到2015年的39.27%，呈逐步增加趋势；小麦、谷类在农作物总虚拟水中所占比例逐步降低，小麦在农作物总虚拟水中所占比例由2000年的36.65%降至2015年的30.95%，谷类的由2000年的3.07%降至2015年的1.53%。韩宇平等[26-27]的研究成果表明，京、津、冀地区玉米生长发育期处于区域降水旺季，作物对降水吸收利用程度高，即绿水占比较大，因此，生育阶段玉米对蓝水需求量较低，该时段玉米对灌溉水需求较少；水稻种植过程对灌溉用水需求较大，小麦生长发育期为10月至次年6月，处于降水较少时段，因此也对灌溉用水需求较大。对灌溉用水需求小的玉米水足迹占比不断升高,在一定程度上可以缓解该区域农业灌溉需水压力。

图4 京、津、冀地区不同作物水足迹比例

2.2 农业水足迹协调状况评价

京、津、冀地区农业水足迹生产和消费适宜性评价指数及农业水足迹生产和消费协调度评价结果如图5所示。

图5 京、津、冀水足迹生产和消费适宜性及水足迹系统协调度

图5中的水足迹生产适宜性指数在年际间有所波动，但整体呈上升趋势。通过准则层指标可判断水足迹生产适宜性指数主要受益于各区域政府部门对农业发展的重视，政府部门通过加大农业投入，亩均机械总动力明显提升，保障农业经济效益，加大农业水利建设力度，科学减少农业用水量，单方水粮食生产率和水足迹经济效益提高，使农业水足迹生产适宜性不断增强。图5中，水足迹消费适宜性指数年际变化呈现先增加后减小的趋势，在2000—2012年上升随后略有下降，主要是因为在城镇化过程中，农村和城镇人口结构变化以及居民膳食消费多样性的不断变化。河北省农业水足迹协调性综合评价指数T在2000—2015年这个研究时段内快速增加，北京和天津的农业水足迹协调性综合评价指数在早期增加较为明显，后期趋于稳定。

结合表1中农业水足迹生产和消费协调度评价中各指标层中的指标体系，北京市水足迹生产和消费协调度上升的主要原因为单位水足迹农业产值大幅提升、水资源压力指数降低和水资源利用效率的提高。天津市水足迹生产和消费协调度上升的主要原因为单位水足迹农业产值大幅提升、水资源压力指数降低、水资源利用效率提高和水资源匮乏度降低。河北省农业水足迹生产和消费协调度提高的主要原因为农业投入增加、农业经济效应提升、居民生活水平提高。

京、津、冀各时段均表现为农业水足迹生产和消费协调度C较低，而水足迹的生产和消费协调发展度D较高，表明各区域的农业生产适宜性、消费适宜性和综合评价指数共同影响水足迹系统的协调发展水平。因此，在区域农业水资源管理中应提高农业水足迹生产和消费适宜性水平。

2.3 基于蓝、绿水管理的区域农业生产调控评价

2.3.1 水资源承载系统动力学模型模拟结果检验

若使水资源承载系统动力学模型可以较好地模拟农业水足迹系统的运行状况，模型需具有一定的可靠性。一般情况下，相对误差绝对值为0%～10%时，该模型的模拟效果较好；相对误差绝对值为10%～20%时，可以通过参数的逐步率定，调整取值对该模型进行改进；相对误差绝对值大于20%时，表明该模型构建过程中整体或部分子系统存在问题，需重新构建参数之间的互馈关系，重新构建系统方程。

水资源承载系统动力学模型构建完成后，需进行精度验证，文中选取各作物年度产量数据作为参照对模型的模拟结果进行检验。模拟时段为2000—2015年，选用2000年、2008年、2015年的实际作物产量统计值和模型模拟结果进行误差分析，结果见表2。

表2 模型误差检验和模拟结果

由表2可知：2000年，棉花产量误差值最大，为-5.9%，所有作物产量的相对误差绝对值都在10%以下，满足水资源承载力系统动力学模型模拟精度的要求。

2.3.2 蓝、绿水综合调控下农业水资源承载力变化分析

2.3.2.1 入渗系数的确定

农作物需水为蓝水和绿水之和，如果绿水增加，则需要的灌溉蓝水量就会减少，因此，农业节水的思路可以从提高作物生长发育期的绿水量入手。不同作物生长发育期降水不同，入渗系数也不完全相同，但在模型模拟中如果每种作物每个生长发育期设置的入渗系数不同则很难实现模拟。对于农业水足迹系统承载力系统动力学模型来讲，主要目的是为了探讨提高区域水资源承载力的措施，而不聚焦于某个具体参数的变化情况。该模型中对京、津、冀区域所有作物不同生长发育期内的降雨入渗系数没有区分设计，对所有作物设计一个入渗系数，对不同区域而言，总体入渗系数初始值未知，系统动力学模型中其他参数为实际统计值，当该系统动力学模型中入渗系数设定为0.7时，该模型模拟的各种作物绿水输出结果和利用每种作物各月入渗系数计算的结果最为接近。因此，模型中入渗系数初始值设定为0.7。生产过程中，通过地膜覆盖、秸秆覆盖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渗系数，提高降水利用效率，进而节约蓝水资源。考虑技术进步及节水理念的增强，假定入渗系数可以提高10%，即在该系统动力学模型模拟中，调整为0.77。

2.3.2.2 灌溉水利用系数的确定

京、津、冀地区目前的灌溉水利用系数为0.60～0.75，综合灌溉水利用系数为0.65左右，在全国范围处于前列，但相对于发达国家的0.70～0.80仍有差距，存在较大的提升空间。京、津、冀3个地区中，北京市的灌溉水利用系数最高，为0.732，取该值为灌溉水利用系数的参考值进行水资源承载系统动力学模型模拟。

2.3.2.3 模拟结果

提高入渗系数和灌溉水利用系数的模拟结果见表3。

表3 蓝、绿水综合调控措施下水资源承载作物的模拟产量 万t

结合表2中各种作物实际产量数据以及表3中的数据，以2015年为例，在同样的农业耗水情况下，经蓝、绿水综合调控后可以使小麦、玉米、蔬菜产量分别增加43.3万、50.1万、237.2万t，油料和瓜果的产量均有所提高。2000年、2008年、2015年的不同作物产量也都较提高入渗系数和灌溉水利用系数之前的有不同程度的提高。

3 结论

1)2000—2015年间，京、津、冀地区作物单位质量虚拟水含量为豆类>粮食>瓜类>蔬菜，北京市农作物所需总体水足迹年均约17.7亿m3，年际下降趋势明显；天津和河北年均作物生产总水足迹分别为21.9亿、364.0亿m3，年际间呈波动状态，无显著变化趋势。

2)农业水足迹生产和消费适宜性评价指数在2000—2015年间有所波动，但整体呈上升趋势；农业水足迹生产和消费协调度整体呈上升趋势，京、津、冀的农业水足迹生产和消费协调度上升原因均与单位水足迹农业产值大幅提升、水资源压力指数降低和水资源利用效率提高有关。

3)2000—2015年间，京、津、冀地区各作物入渗系数为0.65～0.75，灌溉水利用系数为0.60～0.75，灌溉水利用系数在全国范围处于前列。以2000年、2008年、2015年的主要作物产量数据基础，在农业水资源承载系统动力学模型模拟中入渗系数设定为0.77，灌溉水利用系数设定为0.732。该模型的模拟结果显示，2015年在灌溉水量保持不变的情况下，小麦、玉米、蔬菜产量相对于实际产量分别增加43.3万、50.1万、237.2万。这表明在一定的工程及非工程措施下，京、津、冀农业水资源承载力仍有一定的提升空间。