黄河流域粮食生产水足迹及虚拟水流动影响评价

赵 勇，黄可静，高学睿，安婷莉，何国华，姜 珊

(1.中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京 100038； 2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；3.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

20世纪90年代以来，随着国民经济快速发展和区域产业结构的优化，我国南北方粮食生产的空间格局发生了重大变化[1-2]。吴普特等[3]研究发现，1990年以来我国北方粮食向南方输运而形成的“农业北水南调虚拟工程”的虚拟水年调运量已超过200亿m3，远大于南水北调实体水现状调水规模，水资源丰沛的南方地区粮食产量逐年减少，而水资源短缺的北方地区成为我国粮食安全保障的主力军。我国黄河流域后备耕地资源、光照资源充足[4-6]，拥有大量地形平坦且集中的土地，农业生产潜力巨大[7]。因此，在新时期，黄河流域以及北方地区在保障国家粮食安全中的作用将逐渐凸显[8-9]。黄河流域是中华文明的发祥地，同时又是干旱缺水、水土流失和生态脆弱等问题复杂交织的重点区域[10]。2019年，国家对加强黄河流域的治理保护、推动黄河流域高质量发展做出了重大部署[11]。当前，农业生产和粮食安全是黄河流域高质量发展的重要组成部分，而水资源供需安全是实现黄河流域生态保护与高质量发展的基础前提[12]。解决黄河流域的水问题，直接关系着国家粮食安全，关系着西部大开发和“一带一路”倡议的顺利实施。因此，需要更加重视水利基础设施建设，保障区域水资源有效供给，提升黄河流域的水-粮协同安全水平[13-14]。

长期以来，人们对水资源问题的认识往往局限于“实体水”的角度，这为干旱、半干旱地区的经济社会可持续发展带来了较大阻碍[15]。虚拟水和水足迹概念的提出突破了“实体水”的局限，给水资源管理者提供了新视角和新路径[16]。事实上，随着社会经济发展和区域间贸易持续增长，商品生产造成的实体水耗用和商品流通伴生的虚拟水流动均呈急速扩张态势。由此可见，在现代环境下，社会经济活动伴生的实体水利用和虚拟水流动均对区域水资源系统产生重要影响，统筹实体水和虚拟水管理是新时期水资源管理的重要命题，已成为相关领域研究热点[17]。区域实体水-虚拟水统筹管理的基本前提是精确量化商品生产过程中的水资源投入(即商品中的虚拟水含量)，并揭示伴随区域贸易过程的虚拟水流动格局[18]。2002年Hoekstra[19]提出了水足迹的概念，为商品虚拟水含量的计算提供了一个新指标。众多学者利用这一概念进行了多方面研究，包括对农业、畜牧业、工业等各行业的水足迹进行测算和评估，分析其水足迹变化的主要影响因素，为区域水资源的配置提供了支撑和帮助。这些研究的侧重点是探索利用不同手段对商品中虚拟水含量进行量化，是区域虚拟水流动格局分析的重要基础。由于虚拟水流动与区域贸易过程紧密耦合，因此，解析区域商品贸易流通格局，结合单位商品的虚拟水含量即可揭示商品贸易伴生的区域虚拟水流通格局。学者们从全球或国家层面、省际层面、流域层面等各个层面对虚拟水流动进行解析[20-22]，分析虚拟水流动对不同因素的响应及其对水资源系统的影响，为水资源管理提供有效的建议和帮助。

经过多年的研究积累，在商品的水足迹量化与区域贸易伴生的虚拟水流动解析方面均建立了众多可行的方法。在小尺度上，可以采用机理性耗用水模型实现商品生产用水过程的精细量化，但需要大量的基础数据支撑；在大尺度上，可以通过区域耗用水统计数据通过“自上而下”的方式量化商品水足迹，对基础数据的要求可以适当降低。本文通过权衡不同水足迹量化方法的利弊，确定利用可行性和适用性较高的“自上而下”方式对黄河流域作物生产水足迹进行计算，同时结合贸易均衡法解析农作物贸易及其伴生的虚拟水流动通量，进而利用水资源压力指数量化粮食作物贸易伴生的虚拟水流动效应及影响，最后对不同气候情景下的未来粮食生产水足迹进行预测，以期研判气候变化情景下黄河流域未来用水规模和可能趋势。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

黄河流域地处我国北方，位于 32°N ～42°N、95°E～ 120°E，流域总面积为79.3万km2，属于典型的干旱、半干旱气候区。受特定气候条件和地理位置的影响，黄河流域长期干旱缺水，多年平均降水量为450 mm，全流域水资源总量为560亿m3，仅占全国水资源总量的2.2%[23]。2016年黄河流域耕地面积为1 628万hm2，占全国总耕地面积的13.2%[24]。流域内农业耕作区主要集中在平原及河谷盆地，上游宁蒙河套平原是干旱地区建设“绿洲农业”的成功典型，中游汾河、渭河盆地是我国主要的农业生产基地之一。然而，作为我国资源性缺水最为严重的流域之一，黄河流域耕地对河川径流的利用量仅为300 m3/hm2，是全国水平的15%[25]，水资源短缺已成为当地农业生产的最大障碍因素。

1.2 研究方法

黄河流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南和山东9个省级行政区(以下简称省区)。由于统计数据大多以市级行政区为单元，为了便于数据的收集，本研究以市级行政区为单元，收集整理了黄河流域人口、耕地面积、粮食播种面积和粮食产量等长系列数据，为黄河流域粮食生产和伴生的虚拟水流动格局分析提供数据支撑。由于四川省在黄河流域范围较小，且属牧区，粮食产量较低，本研究未将其纳入研究范围；河南新乡、山西晋中和忻州、内蒙古包头和巴彦淖尔、陕西商洛5个地区仅有部分区域在黄河流域内，为简单起见，计算分析时按照面积加权对相应的统计数据进行剖分。

本研究中，粮食的种类与国家统计年鉴的数据口径保持一致，主要包括谷物、豆类和薯类，其中谷物有稻谷、小麦、玉米、谷子、高粱以及其他谷物(大麦、燕麦、荞麦等)；豆类包括大豆、绿豆、小红豆等；薯类包括马铃薯、甘薯等。

1.2.1粮食生产水足迹计算方法

作物生产水足迹是表征生产单位重量作物所需要的水资源数量的一个重要指标，它包括蓝水足迹(作物生长过程所消耗的灌溉水)和绿水足迹(作物生长过程所消耗的天然降水)。研究区粮食生产水足迹参考吴普特等[26]的计算方法：

(1)

其中

式中：WFGi为黄河流域第i省区粮食生产单位水足迹，m3/kg；Wgi、Wbi分别为第i省区粮食生产过程中绿水足迹和蓝水足迹，m3；Gi为第i省区统计时段内(通常为一年)粮食总产量，kg；Pei为第i省区有效降水量，mm；SGi为第i省区粮食播种面积，hm2；λGi为第i省区粮食复种指数；RGi为第i省区单位面积灌溉定额，m3/hm2；SRGi第i省区粮食灌溉面积，hm2；

λGi和SGi可以通过收集当地统计资料获取，Pei的计算依据气象站点旬降水量数据和美国农业部土壤保持局推荐的有效降水量估算方法[27]。本研究中，首先利用泰森多边形法将某一省区各站点的旬降水量进行加权平均，然后利用下式计算有效降水量：

(2)

式中Pi为第i省区旬降水量平均值，mm。

RGi、SRGi计算公式分别为

(3)

(4)

其中

式中：Ri为第i省区平均灌溉水深，mm；Si为第i省区总的作物播种面积(包括非粮作物)，hm2；SEi为第i省区非粮作物的播种面积，hm2；αi为第i省区的非粮作物与粮食作物的综合灌溉定额之比；SRi为第i省区总有效灌溉面积，hm2；REi、RCi分别为第i省区非粮作物、粮食作物的单位面积灌溉定额， m3/hm2， 可以根据统计公报中的数据资料推求。

1.2.2粮食贸易伴生的虚拟水流动量计算方法

对粮食贸易伴生的虚拟水流动过程分析基于两个假设：①将黄河流域各省区视为一个整体，假设黄河流域与外部地区之间粮食贸易及伴生的虚拟水流动过程不受国际粮食贸易(即粮食进出口)因素的影响；②假设黄河流域内各省区粮食年际间的库存变化为0，即表示各地生产粮食优先满足本地消费后将对外进行贸易销售。

由于粮食虚拟水流动与粮食贸易紧密伴生，因此，粮食虚拟水流动量在数值上等于区域间粮食贸易量与粮食生产单位水足迹的乘积。对粮食贸易伴生的虚拟水流动量计算公式为

(5)

其中

式中：WVi为黄河流域第i省区粮食贸易伴生的虚拟水流动量，亿m3；WFGo为黄河流域以外区域粮食生产单位水足迹的均值，m3/kg；G′i为黄河流域第i省区的粮食调运量，万t；N为全国人口，万人；Ni为黄河流域第i省区的人口数量，万人；G为全国粮食总产量，万t。WVi>0时，虚拟水为输出方向；WVi<0时，虚拟水为输入方向。G′i>0时，粮食贸易方向为输出；G′i<0时，粮食贸易方向为输入；G′i=0时表示无区域间粮食贸易。

1.2.3虚拟水流动影响评价方法

采用实际水胁迫指数Iws和假设水胁迫指数I′ws[19]量化虚拟水流动对区域水资源系统的影响。Iws指区域内实际用于粮食生产的水量与区域可利用水资源量的比值，该指标可以作为一个区域可利用水资源量的上限。I′ws指假设区域内没有发生粮食输入或者输出贸易和虚拟水流动时的粮食生产用水量与区域内可利用水资源量的比值。Iws和I′ws计算公式分别为

(6)

(7)

式中：WGi为第i省区粮食生产用水量，m3；Wi为第i省区用水总量控制红线，m3。

一般来说，Iws和I′ws在评价水压力程度时可以分为5个等级：无压力(Iws≤0.2或I′ws≤ 0.2)、轻度压力(0.2

1.2.4未来粮食生产用水需求预测方法

以2016年为现状年，依据联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第五次评估报告中给出的3种气候情景模式(RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5)预测黄河流域未来气候变化特点。根据CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)提供的气候情景预估模式，结合区域降尺度计算结果，得到黄河流域RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5气候情景模式下平均温度变化率分别为0.028 ℃/a、0.040 ℃/a和0.053 ℃/a，降水量变化率分别为-0.89 mm/a、0.52 mm/a和1.44 mm/a。为预测不同气候情景模式下黄河流域作物用水需求，采用Blaney-Criddle法[28]分析作物参考蒸散发量的变化规律，进而利用作物系数推求2035年水平年黄河流域粮食生产需水规律。

Blaney-Criddle 法计算公式为

ET=p(0.46Ta+8.13)

(8)

式中：ET为计算时段内的日参考作物蒸散发量，mm/d；Ta为计算时段内的平均气温，℃；p为计算时段内的平均白昼长度占全年总白昼长度的百分比，%。p与纬度相关，对于黄河流域作物主要生育期(3—9月)，p可取值为0.3左右[28]。

基于式(8)，作物蒸腾需水量(日尺度)的计算公式为

WD=0.3KC(0.46Ta+8.13)

(9)

式中KC为作物系数，可视为定值。根据汪志农[29]的研究成果，以陕西省中北部小麦、玉米和薯类的作物系数代表黄河流域平均水平：小麦的KC为1.2，玉米的KC为1.0，薯类的KC为0.9。未来研究区作物蒸腾需水量的日平均变化量与其温度的变化量呈线性关系，即：

(10)

1.3 数据来源

本文涉及的主要数据有：①黄河流域各省区2011—2016年的粮食产量、粮食播种面积、非粮作物播种面积、有效灌溉面积、人口数量等统计数据，数据来源于国家和各省统计年鉴；②黄河流域主要气象站点(研究区内共分布了86个站点)的降水量数据来自中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/index.jsp)；③粮食生产用水量数据来源于各省的水资源公报，粮食和非粮作物的灌溉定额数据参考《中国水利统计年鉴》等相关资料，研究区粮食复种指数参考《中国农业年鉴》等相关资料；④CMIP5未来气候数据集中的气温、降雨、太阳辐射等数据来源于世界气候研究计划(World Climate Research Programme)(https://esgf-node.llnl.gov/projects/cmip5/)。

2 结果与分析

2.1 黄河流域粮食生产水足迹变化趋势

利用上文所述的研究方法，分析了2011—2016年黄河流域粮食生产总水足迹、蓝水足迹和绿水足迹的变化特征，如图1所示。从图1可见，2011—2016年黄河流域粮食生产总水足迹呈现下降趋势，其中，蓝水足迹和绿水足迹均呈下降趋势，蓝水足迹的下降趋势较绿水足迹更为显著。2011年，黄河流域粮食生产总水足迹为460.1亿m3，其中，蓝水足迹为196.3亿m3，绿水足迹为263.8亿m3；2016年，黄河流域粮食生产总水足迹为402.3亿m3，其中，蓝水足迹为151.7亿m3，降幅为22.7%，绿水足迹为250.6亿m3，降幅为5.0%。一般来说，绿水足迹的变动主要是由降水总量及其时空分布特征决定的，难以人为调控，而蓝水足迹的降低主要是灌溉基础设施的提升、灌溉技术的进步以及管理方式的变革等因素导致的[30]。由此可见，近些年黄河流域粮食生产水足迹下降的主要人为驱动力是技术的进步和水资源调控方式与灌区管理水平的提升[31-32]。

图1 粮食生产水足迹演变趋势

为更加深入了解黄河流域粮食生产水足迹的时空演变规律，进一步分析了黄河流域各省区2011—2016年粮食生产总水足迹与单位水足迹的变化特征，结果如图2所示。与总水足迹相比，粮食生产单位水足迹的降幅更为显著。全流域平均粮食生产单位水足迹从2011年的1.2 m3/kg降为2016年的0.93 m3/kg，降幅为22.5%。2011—2016年，黄河流域所有省区粮食生产单位水足迹呈下降趋势，其中，山西、内蒙古、河南、山东4省区粮食生产单位水足迹均在1.0 m3/kg以下，低于全国平均水平的1.12 m3/kg[33]，说明这些省区的粮食生产用水效率居全国前列；青海、宁夏2省区粮食生产单位水足迹偏高，未来粮食生产节水空间较大。粮食生产单位水足迹不仅和粮食生产过程中的用水效率有关，还与单位面积的粮食产量密切相关。因此，区域粮食生产水足迹的降低可以通过种质资源创新、地力提升和栽培技术进步等手段来实现[34]。2011—2016年，所有省区粮食生产蓝水足迹亦呈下降趋势；除内蒙古、河南、陕西等省区的绿水足迹略有增长之外，其他省区的绿水足迹均呈下降趋势。由此说明，近年来黄河流域农业节水管理和灌溉技术发展效果显著，对控制区域用水总量，保障农业水安全具有重要作用。

图2 各省区水足迹变化趋势

2.2 黄河流域粮食虚拟水流动格局分析

将黄河流域视为一个整体，国内其他省区看作一个整体，分析2011—2016年黄河流域粮食贸易伴生的虚拟水流动格局。鉴于黄河流域稻谷的消费量逐年上升，且该区域稻谷生产量较小，为稻谷的净输入区，本文在粮食虚拟水流动分析过程中将稻谷贸易量及其虚拟水流动单列出来。图3给出了2011—2016年黄河流域粮食贸易的输入和输出格局，正值表示向外区域输出，负值表示从外区域输入。

图3 粮食贸易输入和输出格局变化趋势

从图3可以看出，粮食(不含稻谷)的贸易呈向外输送态势，贸易量逐年增长，从2011年的450.1万t增长到2016年的1 064.6万t，年均增幅为23%；稻谷的贸易呈向内买入态势，买入量总体呈增长趋势，从2011年的1 595.2万t增长到2016年的1 610.9万t，增幅极小(仅为0.98%)。从全口径粮食贸易来看，黄河流域是净贸易输入地区，粮食输入量从2011年的1 212.9万t下降到2016年的546.3万t。依此趋势，黄河流域未来可能会演变为粮食产销平衡区域，也有可能成为粮食输出区域，该地区在全国粮食安全保障中的作用愈发重要。

根据黄河流域粮食贸易情况，进而分析了粮食贸易伴生的虚拟水流动特点，如图4所示。从全口径粮食来看，黄河流域粮食贸易伴生的虚拟水呈向内输入态势，且输入量呈减小态势，从2011年的110.7亿m3减小到2016年的50.3亿m3，客观来说，黄河流域粮食虚拟水输入态势主要是由于稻谷的输入引起的。由于黄河流域水稻种植面积较少，随着城市化和人民群众膳食结构的改变，稻谷的本地生产难以满足当地需求，需要从流域外水稻主产区购买。研究结果显示，2011年由于购买稻谷引发的虚拟水流动量为196.9亿m3，2016年降低到161.2亿m3，降幅为17.6%，主要原因是稻谷生产单位水足迹逐年降低。从其他粮食贸易伴生的虚拟水流动来看，2011年黄河流域虚拟水流出量为86.2亿m3，2016年增长到139.4亿m3，增幅达38.1%。由此可见，除稻谷以外，其他粮食贸易输出量增大将带走黄河流域越来越多的虚拟水资源，对当地水资源系统产生一定的影响。

图4 粮食贸易伴生的虚拟水流动格局变化趋势

黄河流域各省区粮食贸易伴生的虚拟水流动空间格局如图5。图5(a)(b)分别表示2011年和2016年黄河流域全口径粮食贸易伴生的虚拟水流动态势。从全口径粮食虚拟水流动来看，黄河流域整体为粮食虚拟水输入区；空间分布上，内蒙古、宁夏和河南3省区是净输出区，其他省区为净输入区，上述结论与黄河流域各省区粮食产销功能定位是一致的。图5(c)(d)分别表示黄河流域2011年和

图5 各省区粮食虚拟水流动空间格局

2016年除稻谷外粮食贸易伴生的虚拟水流动态势。结果显示，黄河流域是除稻谷外粮食贸易伴生的虚拟水输出区；空间分布上，甘肃、宁夏、内蒙古、河南和山东5省区均为粮食贸易输出区，其中以宁夏的输出量最大，达到全流域虚拟水输出量的72%，青海、陕西和山西3省区是粮食贸易输入区，其中陕西粮食贸易伴生的虚拟水输入量最大。总体来看，黄河流域除稻谷以外，其余粮食需求基本可以通过本地生产满足，剩余部分可以通过贸易向域外区域销售。近年来，黄河流域粮食生产区功能进一步强化，小麦、玉米、土豆等产量持续增加，导致全流域除稻谷外粮食的虚拟水流出量显著增加。黄河流域是传统的小麦、玉米和薯类作物的优势种植区，对保障国家粮食安全具有极为重要的战略地位。

2.3 黄河流域粮食虚拟水流动影响评价

为量化黄河流域粮食贸易伴生的虚拟水流动对区域水资源系统的影响，引入Iws和I′ws，通过对比分析揭示虚拟水流动的潜在影响。图6反映了黄河流域和不同省区2011—2016年由于粮食生产和贸易引起的Iws和I′ws变化情况。如图6所示，青海、陕西和山西3省区的I′ws远高于Iws，说明这3个省区的虚拟水流动呈净流入态势，且虚拟水流入对缓解区域水资源供需矛盾具有重要作用。宁夏、内蒙古、河南3省区的Iws高于I′ws，说明上述地区的虚拟水流动呈净流出态势，这3个省区是黄河流域重要的商品粮生产基地，承担着重要的粮食生产和外供任务，加剧了当地的水资源供需矛盾。2011—2016年，3个省区的Iws基本处于0.6以下，且呈下降趋势，属于中度水压力水平。甘肃和山东的Iws和I′ws相差不大，说明上述区域属于粮食的产销平衡区。

图6 Iws和I′ws变化趋势

2.4 未来黄河流域粮食生产水足迹变化预估

以2016年为基准年、2035年为水平年，表1列出了水平年3种气候情景模式(RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5)下，黄河流域平均气温、降水量及有效降水量的预测结果。结合陈伟等[35-36]的研究成果，估算了3种气候情景模式下黄河流域主要作物的生育期需水量和灌溉需水量(净灌溉定额)的变化结果，如表1所示。

表1 不同气候情景下黄河流域温度、降水量和粮食作物需水量预测结果

据已有研究统计[37]，2016年黄河流域农田有效灌溉面积为520.9万hm2(不包括流域外引黄地区灌溉面积)。根据《全国大型灌区续建配套与节水改造规划》《黄河流域水资源综合规划》《全国现代灌溉发展规划》等成果资料，预计到2035年，全流域将新增农田有效灌溉面积55.7万hm2，其中通过节水改造和续建配套新增灌溉面积15.7万hm2，新建大中型灌区40万hm2。假定未来黄河流域各主要粮食作物的播种面积和种植结构变化不大，推求未来水平年黄河流域粮食生产的蓝水足迹、绿水足迹和总水足迹，结果如表2所示。

表2 不同气候情景下黄河流域粮食生产水足迹

由表2可见，到2035年，不同气候情景下黄河流域粮食生产总水足迹为481.9亿～518.7亿m3，与2011—2016年全流域粮食生产平均水足迹434亿m3相比，呈显著增长态势。绿水足迹的增幅最大，以RCP4.5情景为例，2035年全流域绿水足迹为310.7亿m3，较2011—2016年的平均水平增长20%，其主要原因是随着气候变化，未来黄河流域的有效降水将增加。和绿水足迹相比，未来水平年蓝水足迹与2011—2016年全流域平均蓝水足迹相比变幅不大，甚至有下降趋势。据此推断，未来气候变化情景下，黄河流域粮食生产灌溉用水需求不会急剧增长。

整体而言，本文研究结果与韩昕雪琦等[9,38]的研究结果基本一致，部分省区略有出入，但整体趋势一致，可以认为本文的计算框架适用于黄河流域虚拟水足迹的计算与预测。

3 结 论

a.2011—2016年，全流域粮食生产总水足迹由460.1亿m3降为402.3亿m3，呈下降趋势，其中，总蓝水足迹降幅较总绿水足迹大。相比总水足迹，全流域粮食生产单位水足迹的降幅更为显著，由1.20 m3/kg降为0.93 m3/kg，其主要原因是单位面积的粮食产量显著提升。

b.从粮食贸易伴生的虚拟水流动特点来看，流域全口径粮食虚拟水呈输入态势，且输入量呈减小态势，从2011年的110.7亿m3减小到2016年的50.3亿m3。黄河流域粮食虚拟水输入主要由稻谷输入引起，除稻谷外的粮食虚拟水呈输出态势，由82.6亿m3增加到193.4亿m3，有可能进一步加剧当地水资源矛盾；流域内宁夏、内蒙古、河南3省区粮食贸易伴生的虚拟水输出将进一步加剧当地的缺水问题，其他省区属于粮食贸易输入区或产销平衡区，粮食贸易在一定程度上缓解了当地用水紧张局面。

c.预估到2035年(水平年)，全流域不同气候情景下粮食生产总水足迹为481.9亿～518.7亿m3，高于2011—2016年全流域粮食生产平均水足迹434亿m3，其中绿水足迹增幅达20%，而蓝水足迹增长不显著，据此推断，未来气候变化情景下黄河流域粮食灌溉用水的增速可能放缓。