中国生猪生产水足迹空间变异与评价*

卓 拉，谢 栋，吴普特※，刘艺琳，姬祥祥，冯变变

（1.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西杨凌 712100；3.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；4.国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心，陕西杨凌 712100；5.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100）

0 引言

农业是最大用水户，占全球人类耗水的92%，约1/3的农业部门耗水量都与畜产品生产相关[1]。随着人口增长和经济快速发展，畜牧业生产规模扩大和饲料作物消费需求不断增加，势必会加剧我国农业用水压力，给区域应对水资源短缺、实现水资源可持续管理带来严峻挑战。作为世界上最大的生猪饲养国，2017年中国生猪饲养量占全球的47%[2]。并且，生猪饲养也是我国畜牧业的重要部分，猪肉产量占全国畜产品的64%[3]。2008—2017年我国生猪出栏量增长15%[3]，与此同时，饲料作物消耗量剧增97%[2]。显然，核算我国区域生猪生产和饲料消费耗水，并定量评价其对水资源的影响，是在保障畜牧产业发展需求同时落实最严格水资源管理制度的重要前提。

水足迹是人类活动对水资源占用的综合评价指标[4]。具体于生猪生产水足迹，是指生猪饲养生产链直接和间接消耗及污染的水资源量。其中直接水足迹包括生猪饮用和清扫其饲养环境所需要水资源量以及将其排泄物中污染物负荷吸收同化所需的淡水体积，间接水足迹为其生命周期内所消耗的所有饲料的水足迹[5]。水足迹又可分为消耗型水足迹和稀释型水足迹。消耗型水足迹包括绿水足迹和蓝水足迹，分别表示有效降水（绿水）及地表水和地下水（蓝水）消耗。稀释型水足迹是指灰水足迹，即稀释水污染所需淡水量（灰水）。由于我国生猪饲养与饲料作物种植空间不一致性，饲料作物种植过程中的水资源消耗嵌入饲料作物流通，形成区域间虚拟水流动[6-8]。

国际上，Mekonnen和Hoekstra[1]量化了全球200个国家8种动物饲养水足迹，得到和饲料相关的间接水足迹占动物水足迹98%。Gerbens-Leenes等[9]发现中国猪肉生产水足迹明显高于全球平均水平。针对全国范围，王红瑞和王军红[10]分析了中国畜产品生产水足迹时空演变，指出我国畜产品总水足迹呈快速增长趋势，且空间差异性大。刘晓磊等[11]进一步区分生产方式，并在国家尺度分析了生猪生产水足迹影响因素，发现猪肉消费量和人口增长对生猪生产耗水增加贡献最大。Xie等[12]分析了中国省级尺度各生产方式的生猪及猪肉水足迹，并考虑了生猪排泄物对水体的污染，得到散养方式生猪单头水足迹最高，大规模最低，同时生猪单头灰水足迹降低。对一些特定区域，我国学者赵锐等[13]、程婧茹等[14]分别对乐山、吉林的生猪生产水足迹进行了核算。与此同时，中国内陆省际间与作物相关虚拟水流动主要由缺水地区流向水资源相对丰富地区[15,16]，其中，玉米这一饲料作物是主要贡献者之一。与玉米相关的中国虚拟水“北水南调”达到全国玉米生产耗水量的40%[17]。在一定区域内，总蓝水消耗（WCblue）超过当地可利用蓝水资源量（WAblue）时，超出的部分侵占了部分环境需求用水量，导致该区域自然水循环过程无法持续发生，此时该区域的蓝水足迹即被视为不可持续[18-21]。Gao等[18]发现随着作物虚拟水省际间流动，2004—2013年不可持续的作物虚拟蓝水流动增加了8%。然而，基于生猪饲养用水的生猪水足迹及其相关的饲料作物虚拟水流动可持续性评价鲜有报道。文章基于2008年和2017年省级生猪生产水足迹核算，区分散养、小规模、中规模和大规模4种生产方式（表1），剖析其水足迹组成及时空演变规律；聚焦蓝水，考虑各地区蓝水资源压力，定量评价生猪生产蓝水足迹的可持续性；进一步解析与生猪养殖相关的省际间主要饲料作物虚拟水流动及其可持续性，厘清饲料作物及其贸易对生猪养殖耗水的影响。

1 数据与方法

1.1 生猪生产水足迹计算

该研究采用生猪生产水足迹计算框架[12]对生猪生产水足迹量化。具体而言，生猪生产水足迹（WF[p，s]，m3/头）是由间接水足迹（WFindirect[p，s]，m³/头）和直接水足迹（WFdirect[p，s]，m³/头）构成（图1）为：

图1 生猪生产水足迹构成

式（1）中，间接水足迹（WFindirect[p，s]，m³/头）是指生猪生命周期内饲料水足迹（WFfeed[p，s]，m3/头），直接水足迹（WFdirect[p，s]，m3/头）是指饮用水水足迹、服务用水水足迹（WFserv[p，s]，m3/头）以及污染物水足迹（WFexcreta[p，s]，m3/头）。

饲料水足迹（WFfeed[p，s]，m3/头）由精饲料和粗饲料所包含的间接水足迹和搅拌饲料用水量两部分构成，公式表达为：

式（4）中，WFr[p]、WFc[p]分别为p省生猪粗饲料、精饲料的单位水足迹（m3/kg）；Feedr[p，s]、Feedc[p，s]分别p省s规模下生猪在整个生命周期内所食用的粗饲料和精饲料量（kg/头）。其中，粗饲料水足迹（WFr[p]）和精饲料水足迹（WFc[p]）是根据精、粗饲料成分、组成和各饲料作物水足迹计算得到[12]。该研究参考Steinfeld等[22]和《中国饲料行业年鉴》[23]等统计年鉴确定精饲料构成。具体成分包括小麦、麦麸、玉米、DDGS（酒糟蛋白饲料）、米糠、豆粕、棉粕和菜粕；WFmixing[p，s]为p省s规模下搅拌饲料用水量，单位m3/头。

饮用水水足迹（WFdrink[p，s]，m3/头）和服务用水水足迹（WFserv[p，s]，m3/头）即为生猪整个生命周期内饮用水量及清洁场院，清洗动物和其他设施所需要的总的水量。

式（5）（6）中，Qdrink、Qserv分别为日饮用水量和日服务用水量，服务用水即用于清扫猪舍、清洁场院，清洗动物和进行维护环境所需的其他服务的用水量（m3/d）；t[p，s]为p省s规模的生猪生命周期为天。

污染物水足迹即为灰水足迹，指降低生猪排泄物内的COD、BOD、NH4、总磷和总氮浓度到环境水质标准所需要的耗水量最大值为：

式（7）中，WFexcreta[p，s]为p省s规模下的生猪污染物水足迹（m3/头）；Cmax,n为n物质排放标准（kg/m3），Cnat,n为受纳水体的自然本底浓度，这里假设为0（kg/m3）；Ln[p，s]为p省s规模下生猪生命周期内n物质的排放量（kg/头）。

1.2 生猪生产蓝水足迹可持续性评价

生猪生产蓝水足迹（WFblue[p，s]，m3/头）包括生命周期内饲料水足迹中的蓝水部分（WFblue，Feed[p，s]，m3/头）以及饮用水和服务用水水足迹。生猪生产蓝水足迹的可持续性取决于其饲料用水、饮用水和服务用水的发生地的农业用水是否可持续。在我国，除四川、重庆、湖北、贵州、湖南、江西、广西以外的地区都有不同程度的农业用水压力（即不可持续）[24]。

Boulay等[24]通过区域各行业蓝水消耗和蓝水资源量之比标准化水压力指标（CF）。当一个地区的农业水压力指标CFagro＞1时，表示当地存在水压力[20]，进一步通过CFagro（1～100）分为轻水压力地区（1＜CFagro＜10）和重水压力地区（10＜CFagro＜100）。根据上述指标，该文定量评价不可持续的生猪生产蓝水足迹计算方法为：

式（8）中，UWF[p，s]为p省s规模下不可持续的生猪生产蓝水足迹（m3/头）；UWFfeed[p，s]为p省s规模的不可持续的饲料消费蓝水足迹（m3/头）；UWFdrink[p，s]和UWFserv[p，s]分别为p省s规模下不可持续的饮用水和服务用水水足迹（m3/头）。饮用水和服务用水的可持续性是由生猪养殖地的农业水压力指标CFagro决定，即缺水地区的饮用水和服务用水是不可持续的。

不可持续的饲料消费蓝水足迹的计算方法为：

式（9）中，BWFcrop[p]指p省的饲料作物副产品消费蓝水足迹（m3/kg）；Rcrop-unsustain[p]指p省的副产品水足迹中不可持续水足迹的占比；Ri指猪饲料中i产品占比；Volume[p，s]为p省s规模下生猪饲料消耗量（m3/头）。

1.3 主要饲料作物的虚拟水流动及其可持续性评价

该文以小麦、玉米、水稻、大豆、籽棉等主要饲料作物为研究对象，量化其由饲料消费的省际间虚拟水流动，并评价其可持续性。由于数据来源有限，我国省际间农产品的流动格局往往基于区域贸易净平衡进行模拟量化，受到普遍认可的方法有投入产出法[25,26]、就近原则法[27]及最低运输成本法[28]。其中，投入产出法仅能模拟不同区域各行业之间的贸易流动格局，无法区别特定农产品；就近原则法仅考虑地理距离对流通结构的影响，缺乏对贸易市场性质的表达。因此该研究采用即可区分特定产品，又考虑了距离和运输成本对贸易格局综合影响的最低运输成本法[28]进行虚拟水格局量化：基于各地每年各作物产品的供需平衡[2]，同时考虑国际与国内各地之间作物流通，以运输成本最低为约束条件，利用线性规划方法得到相应的省际间作物流通量（t/年）为：

式（10）中，Tpe，p是pe省运输到p省的某一产品贸易量（t/年），cpe，p是单位作物产品从pe省运输到p省所需的成本（元/t），f代表运输总成本（元），Spe是pe省作物产品可流出量（t/年），Dp是p省的作物产品需流入量（t/年）。相应年份pe省到p省作物i的虚拟水流通量VWpe，p[i]（m3/年）可由各省作物通过当年pe省i作物产品贸易流动量Tpe，p[i]（t/年）与pe省i作物单位生产水足迹WFpe[i]（m3/t）相乘得到。

式（11）中，VW[p]为p省的虚拟水输出（m3）；WFi[p]为省中作物的水足迹（m3/t）；Ei[p]为省作物的输出量（t/年）。当p省存在水压力，该地区的虚拟水输出即为不可持续，同理当p省为富水地区，该地区的虚拟水流动即为可持续的。

省际间作物虚拟水流动中由饲料作物引起的部分，由虚拟水输入省份饲料作物占作物消耗比例决定。各省饲料作物消耗量由国际粮食及农业组织数据库[2]中食物平衡数据库中的饲料作物消耗量结合各省主要动物饲养规模降尺度，方法同Zhuo等[17]。

1.4 数据来源

该文数据来源如表2所示。

表2 项目数据来源

2 结果分析

2.1 生猪生产水足迹时空分布

在该研究中，采用式（1）至（7）测算了各生产方式生猪单头水足迹和生猪单头灰水足迹（即指一头生猪在其生命周期内所消耗的水资源及其对水环境的影响，m³/头），结果如图2、3所示。2017年全国平均生猪单头水足迹和灰水足迹分别为312 m3/头和200 m3/头，较2008年分别降低6%和3%。区分不同生产方式，大规模生产方式生猪单头水足迹和灰水足迹中最小，分别为301 m3/头和185 m3/头。各生产方式生猪单头水足迹都有不同程度的降低，小规模生猪单头水足迹和灰水足迹降低最多（6%；2%）。由于各地生产规模，养殖技术的发展程度不同，生猪单头水足迹和灰水足迹区域分布存在明显差异，且2017年大部分地区生猪单头水足迹和灰水足迹较2008年都有不同程度的降低。2017年西藏的生猪单头水足迹最高（403 m3/头），其灰水足迹为240 m3/头；新疆次之，其单头水足迹为391 m3/头，但是新疆的生猪单头灰水足迹最高（180 m3/头）。特别强调，由于重庆生猪饲料需求量剧增（52%），重庆的生猪单头水足迹增长43%。

图2 2008年（a）和2017年（b）生猪单头水足迹省际分布（审图号：GS（2019）5493）

图3 2008年（a）和2017年（b）生猪单头灰水足迹省际分布（审图号：GS（2019）5493）

尽管养殖技术提高，生猪单头水足迹和灰水足迹有所降低，但人民对猪肉的需求日益增长，2008—2017年生猪出栏量增长15%，导致生猪养殖耗水随之增长。2017年中国生猪生产年度水足迹（绿水足迹+蓝水足迹）为2 194.3亿m3/年，较2008年仅增长8%。其中绿水足迹和蓝水足迹分别为1 838.5亿m3/年（84%）和355.8亿m3/年（16%），较2008年分别增长8%和9%。2017年生猪生产年度灰水足迹为1 401亿m3/年，较2008年增长11%。散养是生猪生产年度水足迹及灰水足迹占比最大的生产方式，2017年达到808.5亿m3/年和554.9亿m3/年，但其分别降低14%和10%。另外3种规模生猪生产年度水足迹和灰水足迹都有不同程度的增长，大规模生猪生产水足迹和灰水足迹涨幅最大（47%；50%），2017年达到325.7亿m3/年和200.2亿m3/年。散养生猪生产水足迹及灰水足迹的减少，规模生猪生产水足迹及灰水足迹增多，是因为规模化生猪养殖的出栏量明显增长（34%），而散养出栏量降低8%，生猪饲养业逐渐趋向于产业化、规模化。

图4为2008年和2017年中国各生产方式生猪生产年度水足迹的省际分布。生猪生产年度水足迹和灰水足迹较高的地区集中在山东、河南、湖北、湖南、四川和云南，其生猪生产年度水足迹和灰水足迹分别在100亿m3/年和80亿m3/年以上，分别占我国总生猪生产水足迹和灰水足迹的45%和46%。这是由于以上地区是我国猪肉主要产地，生猪出栏量占全国总出栏量的56%。生猪生产灰水足迹空间分布和生猪生产水足迹表现一致。2008年四川生猪生产水足迹和灰水足迹最高，分别达到191.6亿m3/年和128.8亿m3/年。2017年湖南成为生猪生产水足迹和灰水足迹最高的省份（213.2亿m3/年；135.3亿m3/年）。相反，北京、天津、上海等直辖市以及青海、宁夏、西藏等西部内陆地区由于生猪养殖业低沉，生猪出栏量仅为全国总出栏量的1.3%～1.7%，生猪生产水足迹和灰水足迹也较低，皆在10亿m3/年以下。

图4 2008年（左柱）和2017年（右柱）中国省际间不同生产方式的生猪生产水足迹（a）及灰水足迹（b）空间分布

由于各地地形差异，经济差异以及政策影响，各生产方式生猪生产水足迹地区分布差异明显。散养生猪生产水足迹较高的地区集中在南方，2008年是四川（128.2亿m3/年），2017年是湖南（93.5亿m3/年）。小规模生猪生产水足迹最大的地区为山东，且增长15%，到2017年为30亿m3/年。河南的中规模和大规模生猪生产水足迹都较高，且分别增长57%和47%，到2017年分别为98.9亿m3/年和48.5亿m3/年。各生产方式的生猪生产灰水足迹基本遵循上述的生猪生产水足迹的表现规律。

2.2 生猪生产蓝水足迹的可持续性评价

2017年中国生猪生产蓝水足迹不可持续占比为86%，即355.8亿m3，较2008年增长9%。其中饲料消费不可持续蓝水足迹占生猪生产不可持续蓝水足迹的91%。不同生产方式中，除散养不可持续蓝水足迹呈下降趋势外，其余3种生产方式下生猪生产不可持续蓝水足迹均呈上升趋势。其中大规模不可持续蓝水足迹涨幅最大（43%）；中规模不可持续蓝水足迹绝对增长量最高（24.6亿m3），一跃成为2017年生猪生产不可持续蓝水足迹最大贡献者。而散养、小规模、大规模不可持续蓝水足迹分别占2017年总不可持续蓝水足迹的34%、14%、14%。

生猪生产不可持续蓝水足迹高值区聚集在北方地区，如山东、河北、河南、辽宁，以上地区的生猪生产不可持续蓝水足迹占中国总生猪生产不可持续蓝水足迹的36%（图5）。其中，山东涨幅最高（30%），辽宁省因生猪出栏量降低10%导致辽宁省生猪生产不可持续的蓝水足迹降低5%。此外，富水地区生猪生产不可持续蓝水足迹占比为20%，这是由嵌入到饲料作物中的不可持续虚拟蓝水输入产生的。富水地区中，2017年湖南生猪生产不可持续蓝色足迹最大（19.5亿m3/年）且涨幅最大（34%），占总生猪生产不可持续蓝水足迹的6%。

图5 2008年和2017年中国生猪生产不可持续蓝水足迹及各生产方式不可持续蓝水足迹占比空间分布（审图号：GS（2019）5493）

各地区不同生产方式生猪生产不可持续蓝水足迹差异明显，云南是散养生猪生产不可持续蓝水足迹最高的地区，2017年为13.2亿m3/年，但较2008年降低13%；山东是小规模和中规模生猪生产不可持续蓝水足迹最高的地区，至2017年达到6.4亿m3/年和16.1亿m3/年，较2008年分别增长16%和42%。河南是大规模生猪生产不可持续蓝水足迹最高的地区，2017年为6.5亿m3/年，较2008年增长31%。

2.3 饲料作物虚拟水流动及其可持续性

该研究量化了2008年和2017年中国省际间小麦、玉米、水稻、大豆、籽棉等农作物用于“饲料消费部分”的虚拟蓝水流通量。由于省际间作物贸易活动愈发增强(56%)，且饲用粮在粮食作物消费中占比逐渐增高，2017年中国省际间饲料作物虚拟蓝水流通量达到126.58亿m3/年，较2008年增长139%。2017年中国省际间不可持续虚拟蓝水流通量为122.1亿m3/年，较2008年增长145%。由图6看出，除大豆以外，各个饲料作物的虚拟蓝水都有不同程度的增长。其中，小麦的虚拟蓝水流通量剧增4倍，在2017年占饲料作物总虚拟蓝水的52%，成为虚拟蓝水最大且涨幅最大的作物。大豆对饲料作物总虚拟蓝水的贡献微乎其微，且降低32%。并且，除了水稻，其余饲料作物的虚拟蓝水流动都是不可持续的，且水稻的可持续虚拟蓝水和不可持续虚拟蓝水分别增长41%和122%。综上，不可持续虚拟蓝水的输出呈增长态势，这对中国缺水地区的水资源高效利用有消极影响。

图6 2008年（左）和2017年（右）中国各饲料作物虚拟蓝水输出量

图7 为2008年和2017年省际间虚拟蓝水流动量分布图，图7中空白区均没有虚拟蓝水输出。可以看出，北方地区是虚拟蓝水输出高值区，新疆、山东、河北、河南、内蒙古、黑龙江的虚拟蓝水流通量最高，2008年和2017年分别占总虚拟蓝水输出的80%和86%，分别占不可持续虚拟蓝水输出的85%和89%。我国大部地区的饲料作物虚拟蓝水流动量均有增长，山东不可持续虚拟蓝水流动量涨幅最大（372%），至2017年达到18.03亿m3/年，湖北的可持续虚拟蓝水流动量涨幅最大（87%），至2017年达到0.99亿m3/年。然而，仅有陕西和宁夏的不可持续虚拟蓝水有所降低(3%和29%)，属于富水地区的重庆和四川可持续虚拟蓝水流动量分别降低92%和16%，至2017年分别为0.03亿m3/年和0.57亿m3/年。

图7 2008年和2017年中国各饲料作物虚拟蓝水输出及可持续性虚拟蓝水空间分布（审图号：GS（2019）5493）

小麦的主要输出地有河北、河南、山东、新疆，占不可持续虚拟蓝水输出的93%，其中河北的小麦主要输出到北京、山西、内蒙古以及东北三省。而山东以及河南有82%的虚拟蓝水流向了南方沿海和中部地区。玉米的主要输出地为内蒙古、河北、山西、黑龙江和山东，占不可持续虚拟蓝水输出的77%，其中、河北和山西的玉米主要输出到了西部地区，而黑龙江和山东的玉米几乎全部输出到南方沿海和中部地区。水稻不可持续虚拟蓝水输出地是黑龙江、吉林、江苏和安徽，这些不可持续虚拟蓝水全部流向华北平原以及山西和内蒙古。而输出地在湖南、湖北、四川、江西、广西的可持续虚拟蓝水主要流向了陕西、青海、宁夏、甘肃、新疆和西藏等西部地区。2008年籽棉输出地为新疆、河北和山东。但河北山东仅占9%，在2017年仅有新疆，新疆成为中国各地籽棉的供应地，在2017年承担了和棉花相关的全部不可持续虚拟蓝水。由于多方面原因，中国大豆生产十分脆弱，大豆主要依赖进口，进口量占全球进口量的60%[36]。中国唯一的大豆输出省份是黑龙江，在2017年输出的虚拟蓝水仅为0.18亿m3/年。

3 结论和思考

3.1 结论

该文通过测算2008年和2017年中国大陆31个省（市、区）生猪生产水足迹，综合地区农业水压力系数，评价生猪生产蓝水足迹可持续性；为明晰和生猪养殖相关饲料作物虚拟蓝水流动对各地区生猪产业耗水的影响，定量评价饲料作物虚拟蓝水流动可持续性。研究期间，我国生猪生产和猪肉价格出现了剧烈波动[37]，生猪单头水足迹也相应波动，Xie等[12]研究表明，2004年以来，生猪单头水足迹在波动中持续走高，而后在2012年出现转折而后开始降低。显然，生猪生产用水效率逐步提升，但随着消费水平的提高，需求增长，生猪生产总水足迹和总灰水足迹呈增长趋势。目前我国生猪生产标准化规模养殖持续推进，规模化生猪水足迹都有不同程度的增长，大规模生猪生产水足迹涨幅最大。然而，我国生猪养殖当前面临资源约束趋紧的状况，生猪生产不可持续蓝水足迹占生猪生产蓝水足迹的高达86%，其中饲料消费蓝水足迹的不可持续是主要原因。生猪生产水足迹和不可持续水足迹空间变异性较大，其高值区分别居中国的南方和北方地区。同时我国饲料作物流动多由缺水地区流向富水地区，小麦、玉米和籽棉等主要由山东、河北、河南和新疆等严重缺水地区供应到富水地区。可见生猪养殖和饲料作物种植加剧了高水压力地区的水资源不可持续性，为保障缺水地区的用水安全带来严峻挑战。此外，若将2017年猪饲料中的全部大豆需用量拟采用当地生产，则结果显示生猪年度水足迹和灰水足迹较“部分大豆进口”方式分别增长11%和3%，显然，当地作物种植用水较高时，可尝试采用作物进口的手段缓解我国水资源压力。

3.2 思考

基于以上结果，初步对水资源约束下我国生猪的可持续饲养有两点思考。

（1）鼓励规模化养殖，促进生猪饲养集约型、环保型用水。现阶段我国大规模养殖模式下水足迹最低且不可持续蓝水足迹占比也相对较低。伴随着生猪单头水足迹的降低，规模化养殖方式体现出更明显的优势。产量激增的同时，采用生猪生产用水效率高的生产方式是对环境可持续有力的保障。同时，规模化养殖有效集成先进技术，能够针对环境可持续，消费可持续的需求建立最合适的饲养方案和环保体系，在提高生产效率的同时，降低生产成本。

（2）优化饲料作物消费结构，升级“南猪北养”布局。生猪生产水资源利用不可持续的主要原因是饲料水足迹不可持续，包括不可持续虚拟蓝水输入。因此，建议一方面在当前猪肉主产区又是大麦产区的湖南、四川、湖北、云南、广西、广东、江苏等地采用大麦及副产品代替玉米等来自缺水地区的作物，减少对高水资源压力地区种植饲料作物的需求；另一方面，实施“南猪北养”布局规划[38]可有效减缓现阶段饲料“北粮南运”的资源与能源消耗成本，但在实施过程中需强化水资源效应评价，在不加剧养殖区当地水资源压力的前提下，优化生产结构，规模化与近饲料产地化是有效途径之一。