吉林省农作物虚拟水时间演化与空间重构研究

马晓蕾

(安阳师范学院 资源环境与旅游学院, 河南 安阳 455000)

水资源是人类生存和发展所需的不可替代的宝贵资源，对人类社会经济和人民生活有着重要影响，当前水资源短缺和水污染已成为全球共同面临的问题。吉林省为中度缺水省份，且水资源呈“南丰北欠，东多西少”的格局，时空分布不均[1]。吉林省耕地面积占全省总面积的32.5%，以玉米和水稻种植为主，农业灌溉用水量约占总用水量的66%[2]。吉林省东、中、西部在社会经济、自然环境、气候条件和农业布局等方面，有着鲜明的区域差异和特征。吉林东部地下水开发利用率约18%，而中、西部地下水开发利用率将近40%，东、中、西部尚未形成水源互补、调度灵活的供水体系，水资源供需矛盾突出[3]。东部长白山区年降雨量为800～1 240 mm，为全省最高值；西部平原区年降雨量仅约400 mm，处于全省低值区；吉林中部社会经济发展迅速，耕地面积大，工业和农业用水量多，水资源量与社会经济活动强度存在一定矛盾。

虚拟水概念提出以来，受到了国内外学者的广泛关注[4-6]，虚拟水理论为解决水资源短缺，合理优化利用水资源和水资源可持续发展提供了新的视角[7-8]。由于农业用水量大，农产品中隐含的虚拟水含量最高，因此，对农业虚拟水的研究具有重要现实意义[9]。虚拟水能够真实地反映区域中农作物或动物生产所消耗的水资源量，结合区域实际可利用的水资源量，有助于合理规划区域水资源的可持续利用。目前，学者们对虚拟水贸易、虚拟水流动等方面展开了较为深入的研究[10-14]，如虚拟水流动对区域水资源量和质的影响[15]、区域间粮食虚拟水流动对区域经济和水资源的影响[16]、农业虚拟水流动对区域水资源压力的影响[17]、实体水-虚拟水二维度的农业水资源管理体系的研究[18]，以及食品消费虚拟水与水资源可持续利用等方面的研究[19-23]。关于空间重构，目前国内外学者进行了较为深入研究[24]，已有关于空间重构的研究，主要采用定量和定性相结合的研究方法，定量分析往往根据研究对象特征和研究目标，建立特定的空间重构思路，并结合引力模型、空间自相关、ArcGIS缓冲区分析等方法，对要素进行空间重构分析[25-27]。综上所述，已有研究主要从虚拟水流动和虚拟水贸易的视角展开，而关于农作物虚拟水和土地资源优化配置的研究较少。同时，现有关于空间重构研究的思路和方法，需随着要素及研究目标的不同进行相应变化，缺少具有普适性的定量研究方法，亟待完善。

本文从水资源约束视角，运用虚拟水方法测算吉林省县域地区6种农作物虚拟水消耗情况，并采用ArcGIS空间分析方法，对农作物虚拟水空间格局特征进行研究；基于要素间空间耦合关系，建立“空间重构模型”，提出吉林省农作物虚拟水的空间重构模式。本文构建具有普适性的空间重构模型，有助于完善当前对于空间重构定量研究方法的不足，丰富空间重构的理论研究框架。研究结果不仅对吉林省农作物空间布局和结构优化及农作物水资源合理配置具有重要意义，对我国其他水资源短缺地区的农业水资源优化利用，也具有重要参考价值。

1 研究区概况

吉林省(东经121°38′—131°19′，北纬40°50′—46°19′)作为我国粮食主产区，区域内水资源时空分布不均。对吉林省农作物虚拟水空间格局进行研究，有助于了解区域差异对农作物虚拟水的影响。本文以吉林省县域为研究对象(市区作为整体)，根据《吉林省东部绿色转型发展区总体规划》、《吉林省中部创新转型核心区总体规划》和《吉林省西部生态经济区总体规划》，对吉林省东、中、西部进行划分[28]，见表1。吉林东部地区位于长白山脉核心区，生态优良、资源丰富，是我国重要的森林生态功能区，东部包括通化市、白山市、延边州等区域，区域总面积占全省的46.4%，总人口占全省的25.35%。此外，吉林东部地区的松花江、图门江、鸭绿江等水系河网密布，水资源总量约占全省的74%。吉林省中部包括长春、吉林、四平等市，区域内耕地面积广阔，农业生产条件优越，有榆树、公主岭、梨树等产粮大县，粮食年产量约占全省的85%，是全国重要的粮食主产区，为保障国家粮食安全做出了重要贡献。吉林西部自然资源比较丰富，农牧业优势突出，土地总面积占全省的29.5%[2]。西部地区总体干旱，生态环境较为脆弱，区域发展过程中应坚持绿色发展，生态优先的原则。

2 研究方法及数据来源

2.1 虚拟水

虚拟水计算方法采用联合国粮农组织推荐的彭曼公式，运用CROPWAT8.0软件[29-30]，根据地区每月最低气温、最高气温、湿度、风速、日照时数、降雨量等气象指标，计算参考作物蒸发蒸腾量ET0(mm/d)和作物蒸散发量ETc(mm)。CWRcn(Crop Water Requirement, mm/dec)为区域n作物c的需水量，近似等于ETc[31-32]，Ycn(hm2)为区域n作物c的播种面积，则区域n作物c生长过程中的虚拟水总量TVWcn(m3)计算公式如下[28]：

TVWcn=CWRcn×Ycn×10

(1)

县域地区气象数据由各地区气象站点统计，采用1981—2010累年平均值，气象站点数据来源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/)，市区采用同一气象站点数据，由于缺少东辽县气象站台，采用东丰县的气象数据。农作物播种面积数据来源于《吉林统计年鉴》。

表1 吉林省东、中、西部区域范围

2.2 标准差椭圆

运用ArcGIS中的标准差椭圆空间分析方法[33-35]，对吉林省农作物虚拟水空间分布方向和重心进行分析。本文采用一个标准差椭圆面，包含约占总数68%的输入要素，椭圆的长半轴表示空间分布方向，短半轴表示数据分布范围。长、短半轴之比为椭圆扁率，扁率越大，数据分布的方向性越强；扁率越小，即椭圆越接近圆形，数据空间分布方向性越弱，离散程度越大。

2.3 空间重构模型

为优化吉林省农作物水-土资源空间布局，本文构建空间重构模型，通过调整区域内农作物种植结构，达到水、土资源空间重心的重合，基本实现空间匹配的目标。假设T区包含n个子区域，已知n个子区域的两个具有紧密联系要素的值。若要使这两个要素在T区域的空间分布重心重合，则需调整区域内其中一个要素的值，既通过已知要素的空间重心，调整另一要素的空间布局。设ai为i(i=1，…，n)子区域中已知指标的值，称之为固定要素(本文指播种面积，hm2)，ai(xi，yi)为ai的空间坐标，T0(x0，y0)为a1，a2，a3，…，an的空间分布重心坐标；bi为已知且可被调整的要素(bi≠ai)，称之为可变要素(本文指虚拟水量，m3)。空间重构模型即求以T0(x0，y0)为重心的情况下，bi值及其空间格局。首先，从n个区域中选出一个区域固定其bi值；第二，根据ai/∑ai的值(记为mi，为已知值)，对其余n-1个bi值进行调整，则得出的T区域中bi指标的空间分布重心与ai空间重心一致。bi值及不同bi值所对应的空间重构方式的计算方法如下：

第一种调整方式，保持b1值固定不变。

(2)

第二种调整方式，保持b2值固定不变。

(3)

第n种调整方式，保持bn值固定不变：

(4)

上述计算模型称为“空间重构模型”，每种调整方式均对应一种空间布局模式。因此，包含n个子区域的T区在进行空间重构时，有n种空间重构模式。在实际应用过程中，需将结果与实际相结合，从中选出适合区域发展的重构模式。

3 结果与分析

3.1 农作物虚拟水随时间变化

3.1.1 全省6种农作物虚拟水及其总量随时间变化 吉林省6种农作物虚拟水总量呈明显增长趋势，由2000年的147.46亿m3，上升到2017年的247.95亿m3。2000—2017年，玉米虚拟水总量和比重均处于快速上升趋势，总量由81.6亿m3，上升到184.67亿m3，占农作物虚拟水总量比重由55.34%，上升到74.48%；水稻虚拟水总量处于稳定增长趋势，由31.75亿m3，增长到50.64亿m3，占农作物虚拟水总量比重变化幅度较小，由21.5%，下降至20.42%。2017年，大豆、葵花籽、烟叶和蔬菜的虚拟水总量，分别为6.68亿m3，2.58亿m3，0.23亿m3，3.16亿m3，所占比重依次为2.7%，1.04%，0.09%，1.28%，大豆、蔬菜虚拟水总量呈明显下降趋势，烟叶、葵花籽表现为波动下降趋势(图1)。吉林省玉米和水稻虚拟水量所占比重不断上升，玉米生产规模扩大趋势最为明显，水资源消耗量上升幅度大。

3.1.2 吉林省东、中、西部农作物虚拟水总量比例变化 2000—2005年吉林东、中、西部农作物虚拟水比例结构变化较小。2005—2010年，吉林西部农作物虚拟水所占比重明显上升，由36.72%增长到2010年的40.73%；吉林中部虚拟水比重下降，由2005年的48.26%，下降到2010年的43.77%；东部农作物虚拟水比重基本保持在15%左右，变化较小(图2)。吉林西部属于水资源相对缺乏地区，降雨量处于全省较低水平，但随着西部水利工程设施的不断完善，适当缓解了当地资源型缺水问题，对农业的发展也起到了一定促进作用，使得农业耗水量增长速度快。今后应进一步合理优化农业结构和空间布局，加快发展节水型农业，做好农业用水规划，促进西部地区水资源的可持续利用。

图1 吉林省6种农作物虚拟水及其总量变化

图2 吉林省东、中、西部农作物虚拟水比例变化

3.1.3 吉林省东、中、西部6种农作物虚拟水及其总量变化 吉林东部虚拟水总量呈上升趋势(图3)，由2000年的20.68亿m3，上升到2017年的36.72亿m3，17 a间增长了77.6%。其中，水稻虚拟水总量在2000年时高于其余农作物，2005年以后玉米虚拟水消耗量大幅度增加，总量高于水稻，成为吉林东部虚拟水消耗量最高的农作物，水稻表现为波动增加，大豆波动下降，蔬菜呈下降趋势，葵花籽和烟叶都呈大幅度下降趋势。2000—2017年，玉米虚拟水总量所占比重由34.67%，上升到63.26%，上升幅度最大；水稻虚拟水总量所占比重有所下降，由35.1%下降到23.47%；大豆虚拟水总量由4.23亿m3，下降到4.06亿m3；葵花籽由0.33亿m3下降到0.02亿m3；蔬菜也呈明显下降趋势。结果表明，吉林东部农作物多样性程度下降，玉米、水稻规模不断扩大，农业节水应重点从玉米和水稻两种作物着手。

图3 吉林东部主要农作物虚拟水量及其总量变化

吉林中部农作物虚拟水总量由2000年的71.8亿m3上升到2017年的108.34亿m3，增长了50.89%。吉林中部玉米虚拟水总量一直处于最高水平，其次为水稻，蔬菜和大豆较低，葵花籽和烟叶最少(图4)。2000—2017年，玉米虚拟水总量增长快，水稻增长相对较慢，其余4种农作物均呈下降趋势。其中，玉米虚拟水总量及所占比重分别由38.39亿m3，53.47%(2000年)，上升到82.1亿m3，75.77%(2017年)，上升幅度大；水稻虚拟水总量由17.50亿m3，增长到23.29亿m3，但其所占比重由24.37%下降到21.49%；2017年，大豆、蔬菜、烟叶和葵花籽所占比重较低，依次为1.5%，1.18%，0.02%，0.04%。与2000年相比，除玉米虚拟水总量所占比重上升外，其余作物均下降。

图4 吉林中部主要农作物虚拟水量及其总量变化

吉林西部农作物虚拟水总量由2000年的54.98亿m3，增长到2017年的102.89亿m3，增长了87.14%，增长率高于东部和中部。吉林西部玉米虚拟水总量最高，且呈大幅度上升趋势，其次为水稻，而葵花籽、蔬菜、大豆和烟叶虚拟水总量低，且下降幅度较大，2017年四者之和仅4.81亿m3，所占比重为4.68%。2000—2017年，玉米虚拟水总量及其比重分别由36.05亿m3，65.56%，上升到79.34亿m3，77.11%；水稻分别由6.99亿m3，12.72%，上升到18.74亿m3，18.21%。玉米和水稻虚拟水总量，分别增长了120.11%，168%(图5)。

图5 吉林西部主要农作物虚拟水量及其总量变化

3.1.4 农作物单位面积虚拟水变化 2000年以来，全省6种农作物平均单位面积虚拟水呈上升趋势，由4 566.49 m3/hm2，上升到2017年的4 702.36 m3/hm2；吉林东部变化幅度较小，在3 900 m3/hm2左右波动；吉林中部表现为先小幅度下降后上升的趋势，由4 604.33 m3/hm2上升到4 699.6 m3/hm2；吉林西部由4 811.46 m3/hm2，增长到5 064.44 m3/hm2，增长幅度较大。由此可见，农作物平均单位面积虚拟水消耗最少的地区为吉林东部，其次为吉林中部，吉林西部最高，意味着相同耕地面积下，吉林西部农作物对水资源的需求量更大。从6种农作物单位面积虚拟水变化看，2000—2017年，全省水稻、葵花籽单位面积虚拟水上升幅度大，每1 hm2虚拟水消耗量分别增加214.28，104.91 m3；而玉米、大豆分别下降了46.29，354.28 m3。结果表明单位面积玉米和大豆对水资源的需求量有所下降，有利于减少水资源消耗，尤其是大豆下降幅度大(表2)。

从东、中、西部对比看，6种农作物平均单位面积虚拟水消耗量，表现为西部>中部>东部。2017年东、中和西部，水稻单位面积虚拟水分别为5 817.37，6 690.67，7 455.89 m3/hm2，玉米分别为3 761.26，4 378.41，4 747.30 m3/hm2，西部高于全省平均值，东、中部低于全省平均值。西部单位面积水稻和玉米虚拟水消耗量分别比中部高出765.22，368.89 m3/hm2，比东部高出1 638.52，986.04 m3/hm2。从农作物单位面积虚拟水消耗量对比看，2017年吉林东部6种农作物单位面积虚拟水消耗量，由高到底的顺序依次为水稻>玉米>葵花籽>烟叶>蔬菜>大豆，吉林中部依次为水稻>葵花籽>玉米>蔬菜>烟叶>大豆，吉林西部依次为水稻>葵花籽>玉米>烟叶>蔬菜>大豆(表2)。由此可见，全省及东、中、西部农作物相比较，单位面积虚拟水消耗均以水稻最高，大豆虚拟水耗水量最低。因此，在农作物布局过程中，应结合区域水资源条件，合理安排农作物种植结构，优化农业用水。

3.2 农作物虚拟水空间布局特征

3.2.1 6种农作物虚拟水空间布局特征及其变化 水稻标准差椭圆面积由2000年的48 112.41 km2增长到2017年的61 048.6 km2；椭圆的长短轴之比由1.52增加到1.83，表明水稻虚拟水空间分布方向性增强。空间分布重心一直位于长春市区，但逐渐向西北移动，主要是由于近些年吉林西部增加了水稻的种植面积，使得西部水稻虚拟水总量增加。玉米标准差椭圆面积不断扩大，表明玉米虚拟水空间分布范围呈扩大趋势，椭圆中心一直位于长春市区，表明玉米虚拟水集聚区域位置较稳定，椭圆长短轴比例小幅度增加，空间分布方向性略有增强。2000—2017年，随着全省大豆播种面积的下降，吉林省大豆虚拟水量整体呈显著下降趋势，高值集聚区由中部向东部转移，分布重心位置变化幅度较大，由长春市区(125.81°E，43.96°N)，转移到东部的蛟河市(127.15°E，43.60°N)；标准差椭圆的长短轴之比由1.52增加到1.93，空间分布方向性显著增强(图6)。

表2 吉林省及东、中、西部农作物单位面积虚拟水变化 m3/hm2

葵花籽虚拟水总量空间分布的标准差椭圆面积显著下降，空间集聚程度明显增强，空间分布重心位于乾安市及其周边地区。此外，长短轴之比一直大于2，空间分布方向性强。烟叶虚拟水空间布局趋于分散，空间分布方向性减弱，2017年其空间分布重心位于吉林市的永吉县。蔬菜标准差椭圆面积呈扩大趋势，长短轴比例增加，分布范围趋于分散，但空间格局相对稳定，分布重心一直位于长春市区(表3)。

3.2.2 农作物虚拟水总量及播种面积空间布局特征 2000年以来吉林省县域地区农作物虚拟水总量呈增长趋势，高于9.17亿m3的地区数所占比重，由2000年的8.51%上升到2017年的17.02%。2017年农作物虚拟水总量处于最高等级的地区有，长春市区、德惠、扶余、公主岭、梨树县、农安、榆树和长岭，上述地区农业生产消耗的水资源量较大，应注重提高农业用水效率，加快农业节水技术发展。2000年、2017年农业虚拟水与耕地面积空间等级分布基本一致，但2000年白城市区耕地面积等级低于周边地区，而虚拟水总量等级与周边地区相同(图7)。这表明吉林省农业虚拟水消耗量虽然受耕地面积的影响较大，但还受其他因素，如农作物种类、区域气候条件等因素的影响。由表4可知，农业虚拟水及播种面积重心均位于吉林中部，二者位置接近，但2017年农业虚拟水重心(125.35°E，44.08°N)，位于播种面积重心(125.44°E，44.02°N)的西北部，此外，椭圆面积、旋转角度、长短轴比例均基本保持一致。研究结果表明吉林省农业水-土资源匹配度较高，但随着近年来吉林西部农业用水强度的不断提高，拉大了虚拟水和耕地面积空间重心的距离，今后应从全省整体出发，优化农作物空间结构。

3.3 农作物虚拟水空间重构模式

为实现吉林省农业水-土资源空间匹配，运用空间重构模型，分别以吉林省47个县域地区为参照区域，对2017年吉林省农业虚拟水进行了空间重构，共得出47种空间重构模式。下面主要以其中3种典型模式为例，进行重点介绍(图8)。第一种，以抚松县作为参照区域，对全省其他县域地区的农作物虚拟水进行空间重构，所得出的吉林省农作物虚拟水总量最低，为171.96亿m3，表明以抚松县为参照区，对农作物虚拟水进行调整，可以以最低的农业虚拟水消耗量，实现全省农业水-土资源空间重心的匹配，但需对现有农作物种植结构做出较大的调整(图8A)。第二种，以农安县作为参照，得出的全省虚拟水总量为247.9亿m3，与全省实际虚拟水消耗量(247.96亿m3)最接近，表明若以农安县为参照区域对其余县市农业虚拟水进行调整，可以在全省农作物种植结构变化幅度最小的情况下，实现全省农业水-土资源空间重心匹配(图8B)。第三种，以镇赉县为参照，得出的全省虚拟水总量最高，为327.17亿m3，可见镇赉县的农业单位耕地面积虚拟水消耗量最大，若从水资源节约利用角度，在实践中不适宜参照镇赉县农业种植结构(图8C)。

图6 水稻、玉米、大豆虚拟水总量空间格局及其变化

以农安县为参照区，可在尽量减小吉林省现有农作物种植结构情况下，实现农业水-土资源的空间匹配，调整结果见表5。吉林东部各县市农作物虚拟水消耗量应适当提高，敦化市、桦甸市和磐石市，农业虚拟水消耗量的提升空间较大，可分别比实际消耗量提高1.92亿m3，0.95亿3，0.61亿m3；而吉林西部除前郭、长岭县应分别提高0.15亿3，0.01亿m3，农安县不变外，其他地区均应适当降低农业虚拟水消耗量。其中，白城市区和洮南市农作物虚拟水需分别降低1.48亿m3，1.44亿m3；吉林中部应提高和降低农业虚拟水总量的地区数比例大致为1∶1，东丰、东辽县、公主岭、蛟河、梨树、辽源市区、伊通和永吉县应提高农业虚拟水总量，其余地区应降低农业虚拟水总量，榆树市需降低的幅度最大，为1.45亿m3。根据各地区调整后的农作物虚拟水总量，并结合农作物单位面积虚拟水消耗量的区域差异，以及农产品市场前景等，综合优化农作物种植结构，对实现农业的水土资源空间匹配具有重要意义。

表3 葵花籽、烟叶和蔬菜标准差椭圆主要参数变化

图7 吉林省农作物虚拟水总量及播种面积空间格局总体演变情况

表4 农作物虚拟水总量及播种面积标准差椭圆主要参数

图8 吉林省农作物虚拟水空间重构的3种主要模式

表5 农安县作为参照区吉林各县市农业虚拟水变化值 亿m3

4 讨论与结论

(1) 2000年以来吉林省农作物虚拟水总量呈明显上升趋势。由2000年的147.46亿m3，增长到2017年的247.96亿m3，17 a间增长了68.15%。全省单位面积农作物虚拟水呈逐渐上升趋势，由2000年的4 566.49 m3/hm2，上升到2017年的4 702.36 m3/hm2。吉林中部和西部农业虚拟水消耗量较高，占全省的85%，东部地区约占15%。因此，吉林省应重点在西部和中部地区加强农业节水发展力度，并优化农作物种植结构。

(2) 2017年吉林省虚拟水总量最高的农作物为玉米，全省玉米虚拟水总量由2000年的81.6亿m3，上升到2017年的184.67亿m3，增长率高达126.29%，且占6种农作物虚拟水总量的比重上升幅度较大，由2000年的55%，上升到2017年的74.48%。其次为水稻，虚拟水总量由2000年的31.8亿m3，上升到2017年的50.64亿m3，增长了59.49%，所占比重为20.42%。其余4种农作物随着播种面积的逐渐下降，虚拟水总量也不断减少。

(3) 吉林省农作物虚拟水总量和播种面积空间分布重心均位于长春市区，农业水-土资源空间匹配度较高。但2000年以来吉林西部水稻播种面积增加，且西部单位面积农作物虚拟水消耗量高于中部和东部，使得全省农业虚拟水空间重心向西移动，导致与播种面积空间重心呈分离趋势，水-土资源空间匹配度有待进一步优化。

(4) 整体上看，农作物单位面积虚拟水量表现出由东向西逐渐上升的趋势，虽然吉林东部农作物单位面积虚拟水量较低，但由于东部地区受地形影响，扩大农作物种植面积有一定困难，不能充分发挥农作物水资源消耗量低的优势条件。因此可适当调整东、中、西部之间农作物种植结构，通过转移区域间农作物虚拟水，优化全省农业用水布局。吉林中部地区农作物虚拟水消耗量处于中等水平，且农作物播种面积较高，因此吉林中部农业发展力度有进一步提升空间。吉林西部地区由于单位面积农作物虚拟水量最高，应优化农作物种植结构，大力发展节水农业。