浙江省主要农作物水足迹时空特征研究

王芳芳， 赵春芳， 余凤荣， 童亿勤,2,3

(1.宁波大学 地理科学与旅游文化学院, 浙江 宁波 315211; 2.宁波市高等学校协同创新中心“宁波陆海国土空间利用与治理协同创新中心”, 浙江 宁波 315211; 3.浙江省新型重点专业智库宁波大学东海研究院, 浙江 宁波 315211)

1 研究背景

随着城镇化的快速发展，水资源逐步上升为国家长远发展的战略性资源。水资源的安全供给是保障国家粮食安全的重要基础[1]，水资源是工农业发展的重要组成部分，但水资源时空分布不均导致许多地区水资源缺乏,严重影响了经济与社会的发展，特别是水资源直接影响着农业的生产发展和粮食安全保障[2]。近些年来，随着经济与社会的快速发展，实体用水量已达到自然资源的峰值，如何缓解水资源面临的困境、高效利用水资源，已成为当前学术研究的焦点[3]。1993年，Allan[4]认为虚拟水在农业中指农产品在生产过程中消耗或生产所需要的水资源量。“水足迹”的概念是基于“虚拟水”的定义提出，2002年，Hoekstra等[5]提出“水足迹”的概念，水足迹指一个国家(一个地区或一个人)在一定时间内消费的所有产品和服务所需要的水资源总量[6]，可以真实地反映国家或地区对水资源的需求和占用情况，从而反映水资源量的压力大小。农作物水足迹指农产品从刚开始播种到后来收割整个流程中消耗的所有水资源量[7]，可以反映农作物耗水类型，对评估合理利用区域农业水资源具有重大意义[8]，同时为分析和研究农业水资源问题提出了新的研究思路。

水足迹的概念提出后国内外学者们从不同尺度上对水足迹进行了研究。国外学者从大尺度出发，如Hoekstra等[9]对全球人类生产生活用水的水足迹进行了核算和分析；Mekonnen等[10]对全球小麦水足迹进行了评估；Marston等[11]利用农作物模型，量化了严重干旱对地区农业生产、水足迹等方面的影响，便于人们了解干旱对水-粮食-贸易耦合系统的影响。而国内学者主要从国家尺度、省级尺度和流域尺度3个方面开展研究，如孙世坤等[12]以小麦为研究对象，揭示了中国小麦生产水足迹的区域差异；李红颖等[13]、韩宇平等[14]、程雨菲等[15]、高海燕等[16]分析了吉林省、河北省、山东省、宁夏地区区域农作物水足迹，提出根据作物耗水规律，调整结构，调整灌溉模式，以缓解水资源短缺现状；卓拉等[17]、黄会平等[18]针对黄河流域和海河流域的小麦水足迹，进行了研究。

浙江省地处长江三角洲地区，经济发达，人口密度大，陆域面积小，城市化在推进的过程中依旧面临着人多地少、资源紧张等一系列问题。浙江省常住人口6 456.76万人，占全国总人口的4.57%，人口密度大。全省陆域面积狭小，约占全国的1.1%，仅为10.55×104km2。全省属于亚热带季风气候，降水丰富，水资源总量大，年均937×108m3，但因人口数量众多，人均水资源占有量(2 008 m3)低于全国人均水资源占有量(2 051 m3)。除此之外，浙江省还面临水资源污染严重，农业用水粗放型管理的问题，用水浪费严重，农业水资源短缺问题并没有得到足够的重视[19]，农业是安身立命之本，农作物的生长发展与农业水资源利用息息相关。因此，本文运用水足迹的理论和方法，计算和分析浙江省主要农作物水足迹的时空特征, 这不仅可以为有效利用农业水资源，调整作物种植模式，缓解农业面临的困境提供科学依据，而且还可以为其他地区水资源评价提供参考。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

研究区为浙江省11个地级市及县域，见图1。

图1 浙江研究区域图

研究时段为2002-2018年，除此之外农作物产量来源于《浙江省统计年鉴》、《宁波市统计年鉴》等各个地区的统计年鉴。KC作物系数借助于联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization of the United States, FAO)提供的CROPWAT8.0软件和CLIMWAT2.0软件支持。软件操作流程以及功能如下：

首先，从CLIMWAT 2.0软件获取当地的气候、降水量、土壤(注：除水稻需水量需要土壤数据外，其他指标可以不需要)等信息，然后利用CROPWAT 8.0软件模拟作物蒸散发量，为便于计算，蒸散发量 需乘以单位换算系数10，换算成m3/hm2，最后根据数据结果计算虚拟水含量，然后再乘以农作物产量，即得到农作物水足迹。其中茶叶虚拟水含量(16.04 m3/kg)和水果虚拟水含量(0.46 m3/kg)系借用孙才志等[20]研究成果。CLIMWAT 2.0软件除了可以导出数据外，还提供全球5 000多个观测站的数据，这些观测站中，有3个观测站位于浙江省，分别是杭州站、温州站和定海站[21]。浙江省11个地级市分别采用的观测站数据如表1所示，根据软件操作流程，所得各个观测站的农作物需水量如表2所示。

表1 各地级市数据来源所对应的观测站名称

表2 各观测站主要农作物需水量[21] m3/hm2

2.2 研究方法

本文利用Zimmer创建的计算方法并结合张蕾[22]的研究，将农作物虚拟水计算公式表达为:

Vc=Wc/Yc

(1)

式中：Vc为作物c虚拟水含量，m3/t;Wc为作物c需水量，m3/hm2;Yc为作物c的单产量，t/hm2。

Wc=ETc=ET0·Kc

(2)

式中：ETc为Kc对ET0进行修正后获得某种农作物蒸散发量；ET0为参考作物蒸散发量；Kc为作物系数。

按照FAO推荐计算ET0的标准彭曼(Penman-Monteith)公式计算：

(3)

式中：Rn为农作物表面的净辐射量，MJ/(m2d);ed为实测水气压，kPa；ea为饱和气压，kPa；G为土壤热通量，MJ/(m2d);T为平均气温，℃;γ为干湿度常量，kPa/℃;U2为距离地面2 m高处的风速，m/s；Δ为ea与T的比值，kPa/℃。

公式(3)仅考虑气象参数对农作物需水量的影响，忽略其他因素。

3 浙江省主要农作物水足迹演变分析

3.1 2002-2018年农作物总水足迹特征

根据上述方法，计算得到2002-2018年浙江省农作物总水足迹，见图2。由图2可见，2002-2018年浙江省农作物总水足迹总体呈下降趋势，但波动起伏较大。2016年农作物总水足迹值最低，为124.23×108m3；2002年农作物水足迹值最高，为148.21×108m3；最大值比最小值高16.18%。2002-2006年农作物总水足迹呈现先下降再上升的趋势，变化最明显的是2002-2003年，农作物总水足迹相差约10×108m3。2007-2014年变化不大，基本在140×108m3上下浮动。2015-2018年，呈下降趋势，其中2015-2016年下降趋势最为明显，相差14.27×108m3，约11.49%。

图2 2002-2018年浙江省农作物总水足迹

3.2 农作物水足迹内部结构变化特征

3.2.1 2002-2018年农作物水足迹内部结构特征 根据上述方法，计算得到2002-2018年浙江省各类农作物水足迹值，其结果见图3。由图3可知，粮食作物的水足迹呈减小趋势，但其值一直稳居各类农作物的首位。粮食作物水足迹总体减小的原因，首先是2003年浙江省出台政策，鼓励旱粮作物的生产[23]，对粮食作物耕作类型进行了调整，水田作物减少，导致水足迹减少；其次，随着人们消费水平的提高，经济作物需求不断上升，粮食作物种植面积有所减少，粮食作物水足迹有减小趋势。粮食作物需水量虽然不是最多，但粮食作物产量最大，尤其是晚稻，故使得粮食作物水足迹稳居各类农作物的首位。茶叶水足迹和水果水足迹呈缓慢增大趋势。这与气候条件的改变、品种的改良、产量的增加等有关，同时也表现了居民饮食结构的多样性。蔬菜单位质量虚拟水含量最小，为0.095 m3/kg，但拥有巨大的需求量，种植面积广，产量高，所以蔬菜水足迹不是最小，蔬菜水足迹的大、小除了受到自身需水量(平均2 137 m3/hm2)的影响，产量对其也有很大影响。浙江省的油料作物主要是油菜，油菜一般生长在气候湿润的地区，由于油料播种面积的有限性，某种程度上减少了对水资源的消耗[24]，因而油料作物水足迹最低。

图3 2002-2018年浙江省各类农作物水足迹

通过计算得到2002-2018年浙江省各类粮食作物水足迹值，其结果见图4。粮食作物是食物主要来源，分析粮食作物水足迹内部结构，有利于反映农作物内部结构特征。由图4可看出，在粮食作物中，水稻水足迹比重最大，这与气候条件和居民饮食习惯有关。其中晚稻水足迹占主导地位，播种面积大，需水量大，再加上种植历史悠久，所以晚稻水足迹大于早稻水足迹。粮食作物水足迹中位于第二的是小麦和大麦水足迹，因大麦水足迹在统计数据中过小，不容易显示，所以将大麦与小麦水足迹合并为一类。小麦水足迹远远大于大麦水足迹，这主要是因为浙江省地处亚热带，热量条件好，主要种植冬小麦，其生长周期长，需水量大，而大麦生长育期短，需水量较小；其次2013年以来浙江省以旱地、冬(春)闲地为重点，扩大小麦生产种植面积。番薯历年来水足迹比较稳定，这与固定的种植面积和种植条件有关。玉米水足迹最小，这与浙江省的玉米多种植在丘陵地带且种植面积小有关。

图4 2002-2018年浙江省各类粮食作物水足迹

综上，浙江省主要农作物水足迹内部结构中，粮食作物和油料作物水足迹呈减小趋势，茶叶和水果水足迹有波动增大趋势，变化最小且趋于稳定的是蔬菜水足迹。粮食作物水足迹内部结构中，晚稻水足迹占比最大，玉米水足迹占比最小，其他类型的粮食作物水足迹都占有一定的比例。

3.2.2 2006年和2016年地级市水足迹内部结构 通过计算得到2006年和2016年地级市农作物水足迹内部结构(表3、4)。浙江省的11个地级市水足迹结构差异大，主要表现在晚稻水足迹、小麦水足迹、玉米水足迹、油料水足迹等在各市农作物水足迹中所占的比例差别大。尤其是小麦水足迹、油料作物水足迹差异最为突出，就2016年而言，最大值是嘉兴，达14 442×104m3，最小值是舟山，为0；而2006年，油料作物水足迹差异最大，最大值是湖州市，达3 0851×104m3，最小值是舟山，为0。丽水、温州棉花水足迹，甘蔗水足迹的值为0，这与气候条件和土壤条件有关。除此之外丽水小麦水足迹、大麦水足迹、玉米水足迹和宁波玉米水足迹的值也为0。金华棉花水足迹和甘蔗水足迹相对占比较大,这与流域地形，农作物灌溉水源充足有关[25]。

表3 2006年浙江省各地级市农作物内部水足迹 104 m3

浙江省拥有良好的的气候条件，适合大面积水稻种植，因此11个地级市粮食作物水足迹中，水稻一直占有突出地位。因晚稻产量大、生长周期长、单位质量农作物虚拟水含量大，所以晚稻水足迹值最高。茶叶和油料属于经济作物[26]，自身需水量较大，各市(除舟山市外)具有一定的种植区域，由于其产量大，所以农作物水足迹也较大。各市农作物水足迹内部结构较为稳定的是蔬菜水足迹和水果水足迹，蔬菜和水果的消费需求大，产量大，这反映出居民饮食结构的丰富性和需求的多样性。

4 主要农作物水足迹地域差异分析

4.1 农作物总水足迹的地理分布特征

采用ArcGIS软件对浙江省各地区2006和2016年主要农作物总水足迹进行空间特征可视化，其结果见图5。由图5可见，农作物总水足迹的地理空间分布格局略有差别。差别主要表现在杭州市区农作物总水足迹数值在不断变小，绍兴市上虞区农作物总水足迹从2006年的4.00×108m3以上变为2016年的4.00×108m3以下,湖州市的长兴县农作物总水足迹从3.00×108～3.99×108m3变为2.00×108～2.99×108m3，衢州市的龙游县、江山县以及金华市的武义县农作物总水足迹从2.00×108～2.99×108m3变为3.00×108～3.99×108m3。纵观2006-2016年浙江省主要农作物总水足迹变化差异较小。

图5 2006和2016年浙江省农作物总水足迹空间分布

浙江省气候湿润，雨热同期，地形类型分布广泛，复杂多样。农作物总水足迹较高的地区主要集中在平原、丘陵地带，农作物总水足迹较低的地区主要集中在山区、海岛地带，处在不同的地形区会影响农作物播种类型，从而影响该地区的农作物总水足迹。除自然条件外，农作物总水足迹大小还与农作物需水量大小有关，比如棉花、甘蔗、晚稻等高耗水农作物直接影响当地农作物水足迹总量[27]。

表4 2016年浙江省各地级市农作物水足迹内部结构 104 m3

舟山市下辖2区2县，陆地面积狭小，属于海岛城市，土地资源、水资源等较为匮乏，农作物种植类型有限、结构单一，主要种植水稻、薯类、玉米、水果、蔬菜、茶叶等满足基本生活需求的农作物，是全省农作物总水足迹最低的区域，其中嵊泗县水足迹总量低于0.01×108m3，岱山县、定海区、普陀区不到0.4×108m3。温州市的洞头区属于海岛县，种植条件有限，农作物总水足迹不到0.2×108m3，椒江区、路桥区位于台州市经济活动的中心，临近沿海，农作物生产活动少，农作物种植面积少，是造成农作物总水足迹低的主要原因。丽水市云和县多丘陵山地，农作物总水足迹较低。宁波市的慈溪市、余姚市，绍兴市的嵊州市、诸暨市，衢州市的江山县、龙游县以及湖州市的长兴县等地区的水源丰富，土壤肥沃，水足迹基本在3×108m3以上，水足迹较高。除此之外的其他地区农业水足迹大多为1×108m3～3×108m3。

4.2 人均农作物水足迹的地理分布特征

采用ArcGIS软件对浙江省各地区2006年和2016年人均农作物水足迹进行空间特征可视化，其结果见图6。分析图6可知，人均农作物水足迹的地理空间分布格局不同，主要体现在：2006年嘉兴市的平湖市以及丽水市的市龙泉、庆元县、莲都区人均农作物水足迹从400 m3以上变为2016年400 m3以下，而衢州市的开化县、丽水市云和县年人均农作物水足迹从2006年的400 m3以下变为2016年的400 m3以上。除此之外，金华市的婺城区、金东区人均农作物水足迹从200～299 m3变为2016年的100 m3以下，丽水市青田县从199～200 m3变为2006年的100 m3以下，景宁畲族自治县从人均100 m3以下变为300～399 m3。

图6 2006和2016年浙江省人均农作物水足迹的空间分布

总体来看，在地形地势条件优越、土壤肥沃、水源充足、农作物总水足迹比较丰富、人口较少的地区，人均农作物水足迹会较高，如嘉兴市的嘉善县、海盐县，宁波市的余姚市，湖州市的长兴县以及绍兴市的嵊州市、诸暨市等地区。地处河谷平原、丘陵、盆地中的地区，水网密布，光热充足，人口密度小，人均农作物水足迹也较高，如杭州市的建德市、淳安县，金华市的武义县，衢州市的大部分地区，2006和2016年的人均农作物水足迹基本上都在400 m3以上，属于水足迹最大的地区。丽水市陆域总面积17 298 km2，位居11个地级的首位，但因地形地势条件较差，人口少，所以人均农作物水足迹值较高，如遂昌县、松阳县。舟山市的嵊泗县2006和2016年人均农作物水足迹均小于10 m3；普陀区、岱山县、洞头县小于100 m3，这与所处的地理位置不利造成耕地面积狭小、水资源紧张等因素有关。除自然条件之外，人口数量也对人均水足迹有较大的影响[28]，如杭州市总体上农作物总水足迹较高，但因城区拥有巨大的人口数量，造成人均农作物水足迹较小；与之相反是丽水市云和县，人口数量较少，农作物总水足迹值小于1.0×108m3，但人均农作物水足迹却在300 m3以上。

浙江省东部人口密集，西部人口相对较少，东西部人均农作物水足迹差异较大，西部人均水足迹高于东部，海岛地区人均农作物水足迹最低；除此之外，在河流众多，水源丰富，地形平坦，光热条件较好，人口较少的地区，人均水足迹值也会较高。

4.3 农作物水足迹的空间聚类分析

以2006和2016年浙江省各地区农作物总水足迹和人均农作物水足迹值为样本，应用SPSS软件[29]，进行空间系统聚类分析，最后借助ArcGIS软件得到农作物水足迹聚类分布图，如图7所示。图7表明，2006与2016年的农作物水足迹聚类空间格局基本一致。

图7 2006和2016年浙江省农作物水足迹聚类空间分布

Ⅰ类表示农作物总水足迹值和人均农作物水足迹值均低。洞头县、玉环县以及舟山市全部属于Ⅰ类地区，它们均属于海岛地区，海岛地区自身条件的限制是影响农作物水足迹的主要因素。宁波市的海曙区、奉化区、鄞州区，温州市的永嘉县、乐清县和台州市的城区、温岭市等地区也属于Ⅰ类地区，这些地区储水条件不足、地理位置不利是主要的影响因素。杭州市的城区大部分地区也属于Ⅰ类，主要由于城区人口密度大，农业活动少，造成农作物总水足迹与人均农作物水足迹偏低[30]。

Ⅱ类表示农作物总水足迹值较低而人均农作物水足迹值较高。如金华市的浦江县、永康市和丽水市的遂昌县、松阳县等地区地处山区，农作物耕种面积有限，人口分布少，人均农作物水足迹相对较高；杭州市的临安市地处山区，海拔较高，农业发展受到限制，也属于Ⅱ类地区。

Ⅲ类代表农作物总水足迹值较高而人均农作物水足迹值较低。如温州市的苍南县、瑞安县农业区位条件较为优越，水源充足，农作物总水足迹相对较高，但沿海地区经济效益高，人口密度大，使得人均农作物水足迹偏低。

Ⅳ类代表农作物总水足迹值和人均农作物水足迹值都高。如宁波市的余姚市、慈溪市，嘉兴市的大部分地区等临近海洋，水源丰富，地势平坦，拥有较高的农作物总水足迹和人均农作物水足迹。衢州市的龙游县、衢江区、江山县，绍兴市的诸暨市、嵊州市也属于Ⅳ类地区，这些地区地形相似，四周高，中间低，土地肥沃且河流汇入为其提供了充足的水源，因而具有良好的农作物种植条件。金华市的东阳市、武义县也为Ⅳ类地区，主要是因为河流经过、水库广泛分布而拥有良好的水利条件，使其具有独特的优势。杭州市的淳安县、建德县热量充足，降水丰沛，人口相对较少，所以也为Ⅳ类地区。通过聚类分析发现，衢州市(除常山县、柯城区)的农作物水足迹在2006和2016年均为Ⅳ类，说明衢州市农业水资源丰富，整个市域内水足迹内部结构稳定。绍兴市、金华市、嘉兴市整体农作物水足迹相对较高，水资源较为丰富，水足迹内部结构差异小。杭州市、宁波市、湖州市农作物水足迹内部结构差异大。台州市、温州市、丽水市农作物水足迹相对比较低，内部差异较小。舟山市2006和2016年都为Ⅰ类地区，因其为海岛城市，农业资源有限，造成农作物水资源严重匮乏，内部差异最小。

综上所述，浙江省农作物水足迹空间差异明显，各地蕴含的水资源状况不同。地处平原、河谷、盆地的地区，农作物种植具有良好的区位条件，农作物水资源状况明显优于海岛、山地地区。人口分布较为稀疏的县域人均水足迹明显优于人口密集的城区。从聚类分析结果看，对于2006年较低等级到2016年较高等级的地区，根据调研可知当地政府有改善水资源的措施，比如庆元县、云和县、平阳县；而青田县、永嘉县等地区由于水资源大量使用，人口密集，水资源问题有恶化趋势。因此，各市面对水资源现状应该要有对应措施，比如种植节水农作物、调整农作物类型以及改进技术、一水多用等措施。

5 结 论

基于水足迹理论，借助CROPWAT8.0、CLIMWAT2.0和ArcGIS等软件，从农作物水足迹的时间演变到农作物水足迹的空间差异，分析了浙江省2002-2018年的主要农作物水足迹时空特征，结论如下：

(1)2002-2018年浙江省农作物总水足迹总体呈下降趋势，波动幅度较大。2016年农作物总水足迹值最低，为124.23×108m3，2002年农作物水足迹值最高，为148.21×108m3，减幅达16.18%。

(2)在水足迹内部结构中，粮食作物的水足迹稳居首位，其他作物水足迹依次是水果水足迹、茶叶水足迹、蔬菜水足迹和油料作物水足迹。从水足迹内部结构的时间演变上来说，粮食作物水足迹和油料作物水足迹有下降趋势，粮食作物水足迹年际变化较大，茶叶水足迹和水果水足迹有上升趋势，蔬菜水足迹保持稳定年际变化小。

(3)农作物水足迹空间差异显著，平原、盆地地区农作物总水足迹较高，山地、丘陵地区农作物总水足迹次之。人均农作物水足迹除了与农作物总水足迹有关，还与人口数量密切相关，人口分布较为稀疏的县域人均水足迹明显优于人口密集的城区，东南沿海地区整体较低，海岛地区最低。聚类分析表明位于平原、盆地、河谷的地区由于水网密布、水源充足，其农作物水资源状况明显高于海岛、山地地区。