广东-广西农业水足迹变化及其驱动力的对比分析

邱娅柳，郑久瑜，曾 雯，操信春*

(1.河海大学农业科学与工程学院，江苏 南京 210098；2.珠江水利科学研究院，广东 广州 510000；3.南京市高淳区水资源管理中心，江苏 南京 211300)

水资源短缺和水环境恶化使得中国的淡水资源正面临着巨大的压力。近年来，经济发展、城镇化、人口增长和水资源空间分布不均与管理不善，增加了中国水危机发生的频率和严重程度[1]。农业作为水资源需求最大的领域，农业用水长期占据全国供水总量的一半以上，正确评价及科学调控区域农业用水是保障粮食安全和生态可持续发展的重要环节。

水足迹的概念于2002年由霍克斯特拉[2]首次提出，被认为是评价和解决区域水资源短缺的新方法。水足迹是一个能体现水资源消耗的类型及数量、污染量及污染类型的多维度指标，是科学地评价农业生产与水资源关系及其利用效率的重要前提[3]。农业水足迹反映农产品生产或消费活动对水资源产生的消耗及影响的综合评价指标。通常，农业水足迹由3部分组成：蓝水、绿水和灰水足迹。蓝水足迹是指整个作物生长周期对地表水和地下水的消耗；绿水足迹是指以田间蒸散形式消耗的雨水；灰水足迹是指在给定自然背景浓度和现有环境水质标准的情况下，吸收污染物负荷所需的淡水量[1,4-5]。近20年来，国内外学者对作物水足迹量化及其影响因素展开了大量研究[6]。起初，学者们重点关注不同空间尺度(包括国家、流域、区域、灌溉区和田间)的主要作物的水足迹量化[7-10]。例如，郭相平等[11]计算并分析了中国31个省(自治区)的农作物水足迹；王宁等[12]利用ESDA方法对黄河流域水足迹分布及其区域特征进行分析；高洁等[13]以宝鸡峡灌区为例，定量评价不了同典型年灌区蓝绿水资源与作物生产水足迹多时间尺度演变规律；中国各省以及田间尺度的作物水足迹变化规律也是研究的重点[14-15]。随后，为了缓解水资源压力，一些学者将研究重心转移到农作物水足迹影响因素上来。由于水足迹主要来自于田间作物的蒸散，影响作物需水量的因素如作物类型、种植面积、气候条件、灌溉技术及水资源管理方式等被认为是作物水足迹的影响因子[16]。Zhang等[17]探究了黑河流域中游地区水足迹变化的驱动因素；杨洋等[18]、Xu等[19]和Zhao等[20]分别分析了广西壮族自治区、北京市及苏州市农作物水足迹变化的主要原因。这些研究均在一定程度上分析了农业水足迹的影响因素。然而，这些研究均针对特定区域，缺乏不同类型区域水足迹随时间变化影响因素的对比分析。

广东和广西是中国南部沿海地区相邻的两省(自治区)，均属于亚热带季风气候，地形都以丘陵山地为主。两省(自治区)虽自然条件相似，但是社会经济环境差异很大。广东省的经济发展以珠江三角洲为中心，珠江三角洲因其水运发达、航运价值高和辐射带动作用强而使得广东GDP位居全国第一，广西仅为其1/5。因此，从自然和社会经济2个方面选取因素来分析两省(自治区)水足迹及其影响因素的差异意义重大。本研究以广东和广西两省(自治区)为研究对象，目的是：量化1996—2018年两省(自治区)农业水足迹，分析农业生产与水资源的关系；探究主要作物的水足迹随时间变化的规律；由水足迹强度及水足迹组成规律分析两省(自治区)农业用水效率的变化；揭示农业水足迹变化的驱动因素服务于适宜水资源管理策略制定。

1 研究方法与数据来源

1.1 农业水足迹的计算

农业水足迹(AWF)是一种衡量农业生产及消费对水资源造成的消耗及影响的综合评价指标。对特定的作物来说，农业水足迹可表示为蓝水足迹(BWF)、绿水足迹(GWF)和灰水足迹(GRWF)3部分之和[21]：

AWF=BWF+GWF+GRWF

(1)

式中 BWF——作物以田间蒸散的形式消耗的灌溉水量，也被称为蓝水足迹，m3；GWF——作物以田间蒸散的形式消耗的雨水量，也被称为绿水足迹，m3；GRWF——由于农业排放引起的水资源非点源污染量，也被叫作农业灰水足迹，m3。

水足迹各组成的计算方法如下[22]：

BWF=AI×(ETc-Pe)

(2)

GWF=A×Min(ETc,Pe)

(3)

式中AI——灌溉面积，hm2；ETc——作物所需水量，mm；Pe——有效降水量，mm；A——作物种植面积，hm2。

ETc由作物系数(Kc)和参考作物蒸散量(ET0)共同决定：

ETc=Kc×ET0

(4)

式中Kc——作物系数，无量纲；ET0——参考作物蒸散量，mm，ET0可利用在CROPWAT模型中广泛使用的Penman-Monteith(P-M)公式进行计算。

Pe可按照美国农业部土壤保持局推荐的方法进行计算[23]：

(5)

式中P——每10天的降水量，mm。

灰水足迹采用的计算方式如下[24]：

(6)

式中α——淋滤径流分数，%；AR——每公顷农田的化学施用量，kg/hm2；Cmax——环境污染物最大可接受浓度，kg/m3；Cmin——天然水中的浓度，可假设为0。

1.2 偏最小二乘回归

1.3 数据来源

研究对象为主体位于珠江流域的广东、广西两省(自治区)，研究时段为1996—2018年。用于水足迹计算和驱动因子分析的气象数据来自两省(自治区)60个(广东36、广西24)气象站点，下载于中国气象数据网(http://data.cma.cn)；用水总量、农业用水量、灌溉水利用系数来自中国水资源公报和两省水资源公报；人口、经济、农业生产等相关数据均来自中国统计年鉴。

2 结果与分析

2.1 广东-广西农业水足迹变化

1996—2018年广东与广西的农业水足迹年均值及年均增长率分别为29.88、41.37 Gm3和2.64%、3.82%。广东-广西两省(自治区)历年的水足迹总量列于表1。

由表1可知，广东-广西两省(自治区)研究期间农业水足迹分别增长了17.70、33.42 Gm3，广西农业水足迹的增量约为广东的2倍。广东农业水足迹的变化经历了稳定和上升2个阶段。稳定阶段(1996—2009)：广东的农业水足迹始终保持在22～30 Gm3，且呈现在小范围波动中增长的态势。上升阶段(2010—2018)：广东的农业水足迹始终保持逐年上升的趋势，年均增长率为3.6%。广西在1996—2001年的农业水足迹较稳定，始终在28 Gm3左右浮动。自2001年开始，广西的农业水足迹增长迅速，年均增长率为4.1%，2001—2018年广西的农业水足迹增长了将近一倍。1996年广东和广西两省(自治区)的农业水足迹仅相差了3.21 Gm3，至2018年广西的农业水足迹却已约为广东的1.5倍。两省(自治区)作物种植结构的不同很大程度上决定了水足迹的变化趋势。8类作物的年均水足迹构成见图1。

表1 1996—2018年广东-广西农作物水足迹

a)广东

从总体上看，广东和广西两省(自治区)的作物水足迹构成相似但略有不同。相似之处在于谷物和水果均超过了10 Gm3，豆类、薯类、棉花和其他作物的水足迹均不超过3 Gm3。不同之处在于广西糖类的水足迹比广东大得多，两者相差了9.18 Gm3。从单省份来看，广东粮食作物与经济作物的水足迹分别为11.7、18.2 Gm3，分别占了农业水足迹的39.1%和60.9%。水果的水足迹最大为13.55 Gm3，其次是谷物为10.47 Gm3，二者占了农业水足迹的80.4%。糖类和其他作物的水足迹为1～3 Gm3，二者所占比例为15.5%。剩下的4.1%由豆类、薯类、油料和棉花构成，他们的水足迹几乎可以忽略不计。对广西来说，粮食作物和经济作物的水足迹分别为13.2、28.1 Gm3，分别占农业水足迹的32%和68%。与广东相比，广西经济作物的水足迹占比更高，且经济作物水足迹也高了约10 Gm3。谷物、糖类和水果的水足迹均在12 Gm3左右，三者所占比例之和高达89.5%。换言之，广西农业水足迹的变化是由谷物、糖类和水果决定的。剩余5种作物的水足迹均不超过2 Gm3，对广西农业水足迹的改变作用效果不明显。图2展示了各类作物历年水足迹占比的变化趋势。

a)广东

从图2中可以看出，广东水足迹占比变化明显的作物是谷物和水果。谷物的比例大体上呈现逐年下降的趋势，从1996年的57.1%降至2018年的23.2%，下降了33.9%。相反地，水果的水足迹从1996年的4.6 Gm3增长至2018年的26.3 Gm3，年均增长率高达8.2%，所占比例也从20.3%增至64.62%。此外，糖类的水足迹占比在研究期间下降了约10%，豆类、薯类、油料、棉花和其他作物种植面积很小，历年水足迹占比较稳定且均不超过10%。广西谷物和水果的占比变化趋势与广东相似，分别下降和上升了28.8%和41.8%，两类作物的变化幅度均略小于广东。另外，广西糖类的比例始终超过了20%，糖类占比的变化趋势可分为2个阶段，第一阶段：1996—2008年，糖类的比例在波动中增长至2008年的最大值39.46%；第二阶段：2009—2018年，这一阶段内糖类所占比例整体上呈现逐年递减的态势，至2018年已降至23.9%。糖类水足迹的减小与糖类种植面积大幅度减少、种植效益快速下滑息息相关。

与广东相同，广西的豆类、薯类、油料、棉花和其他作物所占比例均低于10%。结合图2可知，谷物和水果在两省(自治区)的种植结构中变化最显著，对水足迹变化量的作用效果最强；广西作为中国重要的蔗糖生产基地，甘蔗和甜菜种植面积大且产量高，尽管近年来糖类的种植面积和产量在减小，但由于糖料产业规模基数大，因此糖类在广西的农作物水足迹构成中占有重要位置。

2.2 农业水足迹强度及其组成

农业水足迹强度是用来衡量农业用水效率的有效指标，主要受水足迹和耕地面积变化的影响。1996—2018年广东和广西两省(自治区)的年均耕地面积分别为2 888、4 097 khm2。图3中给出了广东-广西两省(自治区)农业水足迹随时间的变化趋势。

图3 1996—2018广东-广西农业水足迹强度

由图3可知，两省(自治区)的水足迹强度变化趋势线大体相似，部分年份有一些差别。可将研究时间段分为3个阶段。第一阶段(1996—2002)：两省(自治区)的水足迹强度先上升然后在1998—1999年骤降，主要是该年两省(自治区)的耕地面积均明显扩大造成的。1999年后，广东省的水足迹强度逐年下降而广西与之相反，至2002年两省(自治区)的水足迹强度几乎相等。第二阶段(2003—2015)：两省(自治区)的水足迹强度非常接近，强度差值不超过50 mm。此外，水足迹强度增长迅速，年均增长率均超过了4%，广东-广西两省(自治区)水足迹强度分别增长了565、480 mm。该阶段内两省(自治区)的耕地面积均有较小程度的减少，但水足迹总量增长较大，因此水足迹强度明显变强。第三阶段(2016—2018)：广东和广西两省(自治区)的水足迹强度平稳增长且其趋势线几乎平行，差值在200 mm左右。2018年，水足迹强度达到研究期间的最大值，广东和广西分别为1 563、1 357 mm。水足迹强度的不断增大，源于耕地面积的变化，但更重要的原因是水足迹的快速增长。研究期间两省(自治区)水果的水足迹均增长了超过20 Gm3，种植结构的变化导致单位耕地面积耗水量的增加。2018年广东省单位面积蓝水、绿水和灰水足迹分别为45.7、1 164.3、352.5 mm，广西单位面积蓝水、绿水和灰水足迹分别为38.7、1 024.2、294.3 mm。绿水是水果的主要消耗对象，广东和广西两省(自治区)单位耕地面积的绿水足迹较1996年分别增加了466.9、314.6 mm，而单位面积的蓝水和灰水足迹变化不大。提高绿水资源在农业水足迹中的比例，对水资源的节约作用显著。历年蓝水、绿水和灰水足迹的组成情况见图4。

a)广东

由图4知，广东和广西的农业水足迹均随时间呈逐渐变大的趋势，且组成结构均表现出蓝水足迹<灰水足迹<绿水足迹的关系。广东省的农业水足迹从1996年的22.92 Gm3增长至2018年的40.62 Gm3。蓝水、绿水和灰水足迹年均占比分别为4.1%、73.9%和22.0%。绿水足迹的年均值约为蓝水足迹和灰水足迹的17.9倍和3.4倍。很明显，作物耗水量主要以绿水资源为主，绿水足迹的变化决定了水足迹总量的变化。研究期间蓝水足迹占比始终稳定在4%左右，未能改变农业水足迹的组成结构。灰水足迹有小幅度的增长，从1999年的5.24 Gm3增长到2018年的9.16 Gm3。对于广西来说，农业水足迹从1996年的26.1 Gm3增长至2018年的59.6 Gm3，增长了超过一倍。蓝水、绿水和灰水足迹年均占比分别为4.3%、74.8%和20.9%。同样地，绿水足迹也是总量中占比最大的，其年际变化情况与农业水足迹基本一致，在农作物水足迹中占绝对的主导地位。绿水足迹的增大对区域水资源利用结构的优化有着重要作用。此外，蓝水足迹稳定在1.8 Gm3附近，但所占比例随时间呈不断下降趋势，从1996年的7.1%降至2018年的2.8%。由于污染物排放量的增大，灰水足迹也有了较明显的增长，1996—2018年期间增长了7.2 Gm3，但所占比例一直稳定在20%左右。

2.3 农业水足迹驱动力分析

广东、广西农业水足迹强度的驱动力分析见表2和图5。

a)广东

表2 农业水足迹强度的PLSR模型概述

表2总体概述了利用偏最小二乘回归方法分别为广东和广西农业水足迹强度构建的最优模型。广东省农业水足迹强度偏最小二乘回归模型提取了与预测变量相关的3个偏最小二乘回归成分，其中第一成分对广东省农业水足迹强度变异的解释率为49.6%，而模型的另外2个成分对变异的解释率累计为67.7%；广西农业水足迹强度偏最小二乘回归模型中，Qcum2最大值对应了2个主成分，第一、二成分对农业水足迹强度的解释率分别为52.2%和13.7%。

图5对比了影响农业水足迹强度各因子的VIP值和RCs。结果显示，广东F1(降水量)的VIP值最高(VIP=1.33，RC=-0.375)，其次为F7(人均GDP)(VIP=1.291，RC=0.379)、F8(城镇化率)(VIP=1.14，RC=0.068)、F5(单位面积化肥使用量)(VIP=1.07，RC=0.237)、F6(粮食面积比重)(VIP=1.03，RC=0.003)，和F3(VIP=1.02，RC=-0.195)。F1越高，农业水足迹强度明显降低，同样，F3越高，农业水足迹强度越低；而较高的F5、F6、F7、F8和较高的农业水足迹强度相关。在一定程度上，所有的因子都与农业水足迹强度有关。然而，VIP<1的因子所造成的影响可忽略，因此这里只讨论VIP>1的因子。充足的降水量可满足作物一部分的需水要求，从而降低了蓝水足迹的消耗，进而农业水足迹强度减小。灌溉水利用系数的增大，有效减少水资源的浪费，农业水足迹强度也有减少的可能，但这种影响在广东省是有限的。过多的施肥量恶化了水环境，需要更多的灰水足迹来稀释水中的污染物，导致农业水足迹增大，农业水足迹强度也随之增大。众所周知，粮食生产需要消耗大量的水足迹，因此，粮食种植面积越大，农业水足迹消耗越多。城镇化进展促进了当地经济的飞速发展，农业发展得到良好的改善，如机械化的普及，扩大了农业生产规模，因此，农业水足迹逐步攀升。

由于地理位置、气候条件及经济发展等方面的差距，广西的情况与广东省有所不同。图5b显示，VIP>1的因子共有6个，F3最高(VIP=1.34，RC=-0.295)，其次分别为F5(VIP=1.17，RC=0.157)，F1(VIP=1.13，RC=-0.118)，F2(平均气温)(VIP=1.11，RC=0.316)，F8(VIP=1.04，RC=0.172)和F6(VIP=1.03，RC=0.013)。除了F3和F1对农业水足迹强度造成消极影响，其余因子越高，农业水足迹强度越高。广西作为农业大区，虽河流众多水资源丰富，但降水分布不均，因此提高灌溉水利用效率，有力地缓解水资源浪费，减少农业水足迹的消耗，有助于提高农业生产效率，从而成为影响最大的因子。与广东省不同的是，广西的人均GDP不再是VIP>1的影响因子，而平均气温成为正向影响因子。气候是决定农作物生长发育和耗水特征的直接因素，因此气候条件特别是降水能直接影响广东、广西两省(自治区)的农业水足迹。不同的是，广东农业水足迹强度还受到经济发展水平的较大影响，而广西的农业水足迹强度受农业生产和用水技术的影响更加明显。两省(自治区)的经济发展差距较大，广西以农业为主，而广东已转向新型产业；这应该是二者农业水足迹驱动因素存在差异的原因。

3 讨论

农业水足迹反映的是区域农产品生产对水资源的全面占有。作为人类生存的物质基础，农业水足迹的最原始驱动源为全社会对农产品数量和结构的需求[7]。在本文研究时段，包括广东、广西两省(自治区)在内的全中国经济增长、城镇化发展和人民生活水平提高等都在快速推进。这不仅增加了包括食物在内的农产品需求，也逐渐改变了其消费结构。这是两省(自治区)农业水足迹均随时间增长而粮食水足迹比例呈下降趋势的主要原因。此外，农业大省优势农产品生产和对外供应规模扩大也对农业水足迹的增长有一定的推动作用。如，作为中国甘蔗播种的优势产区，广西的种植面积始终远高于其他地区，且保持增长态势。2018年，广西贡献的甘蔗产量占全国比重高达67.5%，超过了2/3。为全国其他地区提供糖料的直接和间接消费也导致了广西农业水足迹的增长。

农业水足迹不仅与农业生产条件息息相关，也与经济社会活动密切关联，因而有必要从多个视角选取指标进行不同类型区域的驱动机制分析。并在此基础上根据区域的特征开展基于农业水足迹调控的农业水管理政策制定与实施。在农业生产规模较大而经济相对发达地区，应该加大农业生产投入、提高化肥利用效率、创新农业节水管理机制，让农业水足迹调控受益于经济发展成果。在农业为主、经济发展相对滞后型区域，需要通过改善农田水利设施来提高灌溉水利用系数，从而直接控制区域农业水足迹。同时，进一步提高农艺技术也值得关注，因为该地区也有可能面临由于化肥使用过量而造成的灰水足迹偏高问题。此外，该类地区也往往由于为经济相对发达的外部地区贡献大量的初级农产品和虚拟水而限制本区域经济发展水平和农业用水效率。因此，还应该在不同类型地区之间探索农业用水补偿机制，从而保证农产品输出区的经济社会健康运行和水资源的可持续利用。

4 结论

1996—2018年，广东、广西两省(自治区)农业生产水足迹分别高达29.88、41.37 Gm3，且均呈随时间增长的态势和两省(自治区)农业水足迹增长迅速，年均增长率均超过2.5%。1996年两省(自治区)的农业水足迹很接近，2018年广西的农业水足迹已约为广东的1.5倍，农业水足迹由向经济落后地区集中的态势。

粮食作物在初期占据最大部分的水资源耗用，随后水足迹比例不断下降，在广东和广西都被水果类作物超过。同时，广西的糖类在农作物水足迹构成中占据重要位置，其比例在近年超过了粮食作物。因此，消费需求和产业结构转变等社会发展背景下对区域农业水足迹构成产生了明显变化。

降水和气温等气候要素是农业水足迹的重要驱动因子。其他驱动因素方面体现了区域产业特征之间的差异。广东经济发展水平要素对农业水足迹也有显著的驱动效应，而广西的农业水足迹与农业生产技术的关系更加密切。因此，应基于驱动效应分析结果开展。