基于水足迹理论的县域农业用水评价及影响因素分析-以甘肃省景泰县为例

2022-09-16包雄鹏辛永君周冬梅金银丽

农业工程 2022年6期

包雄鹏，辛永君，周冬梅，金银丽，周凡，杨静，马静，张军,3

（1. 甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州 730070； 2. 甘肃农业大学管理学院，甘肃兰州 730070；

3. 甘肃省节水农业工程技术研究中心，甘肃兰州 730070）

0 引言

水资源是一个地区社会经济可持续发展的重要条件和战略性资源，是生物赖以生存的物质基础，对人类的生存发挥着重要作用[1-3]。在农业生产发展中，人们对水资源利用程度的不断加深及耗水量的增加导致水资源进一步短缺等问题[4-5]。农业用水量占比较大，对农业水资源消耗特征的研究，探索农业水资源消耗结果、利用效率等方面问题，可为区域水资源可持续利用战略提供科学依据[6-10]。水足迹作为水资源消费和利用方面的主要评价方法，对于农业用水分析有着重要的作用[11]。通过分析研究农业水足迹，可了解农业用水的结构和分布情况，为区域发展提供新思路[12]。目前水资源评价方法主要有主成分分析法、相关性分析法、灰色聚类评价法和综合评价法等[13-15]。由于水资源是一个受许多因素影响的复杂系统，因此在水资源的评价方面存在许多的困难，其受到经济、生态、人口和分布特征的制约，以及人类活动的影响[16]。水足迹理论是由Hoekstra 在2002 年提出的水资源评价的一种新方法，水足迹是指一定范围一定时间内消耗的所有产品和服务所需的水资源量[17]。水足迹理论较为系统和准确地反应区域用水的情况和用水需求[18-19]。农业水足迹的研究主要目的在于厘清农业耗水特征，为解决区域水资源短缺、水资源利用效率和生态环境压力等问题提供依据[20-22]。

随着甘肃省景泰县社会经济的发展、农业生产水平的不断提高和耕地面积的不断扩大，农业用水量也随之不断增大，区域农业水资源合理利用成为重要的问题。本文基于水足迹理论，从农业水足迹结构、农业水足迹空间变化和农业水足迹综合影响因素等方面进行研究分析[22]。选取不同影响因素的相关指标，从经济因素、气候因素、人口因素、农业生产因素进行综合分析评价，对主要农产品水足迹变化情况、相关特征及相关影响因素进行综合分析，为景泰县农产品结构调整及优化配置水资源提供重要参考[23-25]。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

景泰县位于东经103°33′～104°43′，北纬36°43′～37°38′。景泰县属于白银市，地理位置处于甘肃中部，东和靖远县与平川区相隔黄河，西部与古浪县和天祝藏族自治县接壤，南部与皋兰县、永登县相邻，位于河西走廊东端。景泰县总地形是西高东低，海拔1 274～3 321 m。属于温带大陆干旱气候，年均气温9.7 °C，年总日照时数2 515.7 h，年降水量281.9 mm。景泰县大部分属黄河流域，黄河干流从县境南部沿县界东缘流入宁夏，是全县唯一的常年地表径流，其余为间歇性洪流。黄河过境境内流程约110 km，年平均流量993～1 040 m3/s，年径流量315 亿～328 亿m3。2019 年，景泰县总人口23.89 万人，常住人口22.56 万人，城镇化率52.79%。2019 年人均GDP 为23 382.3 元。主要农产品有小麦、玉米、马铃薯等，农业用水占全县用水总量90%以上。因此，对景泰县农业用水进行科学分析，可为提高景泰县水资源利用效率、实现水资源可持续利用提供理论支撑。

1.2 数据来源

数据来自于景泰县统计年鉴（2010-2019）、2010-2019 年水资源公报、景泰县社会发展公报（2010-2019），以及2021 年4 月和5 月对景泰县各乡镇调研。

2 研究方法

2.1 农业水足迹计算

农业水足迹主要计算方法有投入产出法、产品生命周期法、自下而上法及自上而下法，本文从数据可获得性及可靠性方面选取自下而上法进行计算[26]。其数学表达式为

水足迹效益是以一个地区水资源的利用效率作为衡量标准，来反映区域水资源在农业发展中对水资源的利用情况。水足迹效益也可称之为水资源的集约利用程度，其数值大小，反映区域农业水资源利用程度高低。其计算公式为

2.2 灰色预测模型

灰色预测模型是对系统的特征值进行变化预测。在灰色预测中，有些现象是杂乱的、随机的，但其又是有序的、有界的，灰色预测是利用这种规律建立灰色模型[27]。使用最广泛的灰色预测模型阶微分GM（1,1），按时间累加后形成新序列，用一阶线性微分方程来逼近。

建立模型前先对数据进行处理，常用的处理方式有累加和累减。设原始时间序列为

进行后验差检验：计算原始序列的方差，残差序列的方差。

3 结果与分析

3.1 农业水足迹结构变化

景泰县地区农畜产品单位质量虚拟水含量结合孙才志等[28]与燕明达等[29]的研究成果计算结果如表1 所示。从图1 可知，2010-2019 年景泰县农业水足迹整体呈波动增长趋势。农业水足迹从2010 年的2.92 亿m3到2019 年的4.47 亿m3，增加了53%。人均水足迹与景泰县农业水足迹的变化趋势相一致，呈现同步增长趋势。人均水足迹最低的年份2011 年为820.4 m3/人，在2019 年达到1 870.04 m3/人，2010-2019 年人均水足迹增长53.6%。由于景泰县处于干旱地区，气候比较干燥，降水较少、蒸发量大，农业生产中对水资源的消耗比例大。农田灌溉用水量占农业用水量比例大，大多数水资源用于农业灌溉，造成了水资源的分配不均[30-31]。对于生态用水、生活用水和工业用水的结构造成影响，一定程度导致各行业的用水不均和结构不合理问题。

表1 景泰县农畜产品虚拟水含量Tab. 1 Virtual water content of agricultural and livestock products in Jingtai County单位：m3/kg

图1 景泰县农业水足迹总量与人均量Fig. 1 Total and per capita agricultural water footprint in Jingtai County

根据统计结果（表2）来看，粮食作物水足迹整体呈波动增长趋势。水足迹增长速度较快的为玉米，从2010 年的4.761×107m3，增长到2019 年的1.006×108m3，2010-2019 年平均增速为5.89×106m3/a。小麦水足迹呈现下降趋势，从2010 年的5.615×107m3，缓慢下降至2019 年的4.686×107m3，呈现负增长趋势，2010-2019年平均增速为-1.03×106m3/a。豆类作物2010-2017 年呈现平稳趋势，2010 年水足迹为7.267×106m3，2017 年水足迹为7.656×106m3，2010-2017 年平均增速为6×104m3/a；2017-2019 年增长最快，从2017 年的7.656×106m3到2019 年的7.771×107m3，2017-2019 年平均增速为3.50×107m3/a；2010-2019 年平均增速为7.83×106m3/a。

表2 景泰县农业水足迹结构Tab. 2 Structure of agricultural water footprint in Jingtai County单位：106m3

经济作物水足迹整体呈波动变化趋势，先下降后上升。蔬菜的水足迹总体呈缓慢下降的变化趋势，有不同的变化区间：2010-2011 年先下降，2011-2013 年上升，2013-2015 年下降，2015-2017 年上升。其中，2011-2013 年为波动变化较大的区间，从2011 年的2.622×107m3，到2013 年的1.457×108m3，增加了4.6 倍。2010-2019 年平均增速为-3.5×105m3。水足迹增长最为明显的为水果，从2010 年的3.945×107m3到2019 年的8.430×107m3，2010-2019 年平均增速4.98×106m3，处于稳定增长状态。油料作物的水足迹呈现先增长再下降趋势，从 2010 年的 2.201×107m3到 2014 年的4.079×107m3，呈现增长趋势；2016-2019 年呈现下降趋势；2010-2019 年整体平均增速为-1.2×105m3。经济作物的水足迹，在单位质量虚拟水含量一定的情况下，主要由其产量决定水足迹的高低。经济作物的产量受到多方面的影响，而在景泰县这样一个区域内，其主要影响因素以与农业技术进步和农业生产投入为主。

畜产品的水足迹增长整体呈上升趋势。羊肉的水足迹从2010 年的8.601×107m3，一直增长到2019 年的1.262×108m3，期间增加了4.02×107m3，多年平均增长幅度为4.47×106m3。畜产品中牛奶波动明显，而牛肉水足迹呈现平稳增长趋势。猪肉的水足迹呈一定程度的减少趋势，2010-2019 年平均增速为-5×104m3。而禽蛋呈现稳步增长趋势，由2010 年的1.048×107m3，到2019 年的1.889×107m3，增长了80.26%，2010-2019年平均增速为9.3×105m3。由于景泰县畜牧业发展受到政策扶持的影响，其处于稳定增长状态波动较小，水足迹稳步增加。

3.2 农业水足迹效率变化

用灰色预测模型GM（1,1），模拟农业水足迹效益。其通用性好，并且所需数据少、计算量适中，预测结果与当地实际情况比较吻合。时间序列响应公式为

灰色GM（1,1）模型检验及预测结果如表3 所示。

表3 GM（1,1）模型检验及预测结果Tab. 3 GM （1,1） model test and prediction results

景泰县水足迹效益呈现增长趋势，如图2 所示。水足迹效益从2010 年的2.68 元/m3，到2019 年的3.64 元/m3，增加了1.36 倍，2010-2019 年平均增速为0.11 元/m3。水足迹效益是农业经济产值与农业水足迹的比值，2010-2019 年景泰县的经济发展较快，要提高水足迹效益就要从农业水足迹方面来调控。从景泰县农业水足迹2010-2019 年变化趋势分析可知，其呈现增长趋势。由于粮食作物的特殊性，保障粮食安全十分重要，因此需要从经济产品和畜产品来调构。由于农产品类型和价格的差异，水足迹更高的农产品生产不一定对应着高的经济生产力，所以对于水足迹效益的提高，可以从两个角度来调节，粮食产量优先或者经济效益优先考虑。

图2 景泰县水足迹效益预测Fig. 2 Projected water footprint benefits for Jingtai County

在主要农产品的水足迹中，经济作物水足迹效益最高，而种植面积相对于粮食作物较小。而随着粮食作物水足迹不断增长，其对于水资源的消耗和占比较大，且粮食作物面积占比大，景泰县农业水资源利用结构和效率有待调整和提高。对农业种植结构进行进一步的调整，在保证粮食安全的前提条件下，可以增加经济作物的种植比例，以适应地区发展的需要和经济的增长。

3.3 农业水足迹空间变化

分析景泰县农业水足迹空间变化分析，对水资源的利用效率和差异程度进行分析，通过水足迹的分布情况进行乡镇空间尺度上的研究，利用ArcMap 软件绘制2010-2019 年的农业水足迹空间分布（图3），对不同乡镇尺度的农业水足迹进行空间分析。

图3 景泰县2010—2019 年水足迹空间变化Fig. 3 Spatial variation of water footprint in Jingtai County from 2010 to 2019

对景泰县乡镇尺度农业水足迹的分布情况分析，农业水足迹最高的是位于景泰县东北部的五佛乡，2010-2019 年农业水足迹总量达到7.468 亿m3，占全县总量的21.2%；而相对较高的是县城所在地一条山镇，占全县水足迹总量的13.8%；五佛乡、一条山镇相对于其他乡镇区域而言农业生产发展较快、人口相对稠密，特别是粮食、蔬菜、水果的产量相对突出。

由图3 可知，正路镇2010-2019 年农业水足迹占比最小，但也是农业水足迹增长最快的区域。由于其地处于山区平均海拔较高，农业水足迹仅占全县农业水足迹的1.73%。其2010-2019 年农业水足迹增加了95%，从各农产品产量变化分析可知，在研究期内畜牧业中牛的数量增加了14.9 倍，羊增加了0.76 倍，种植业中豆类产量增加了14.6 倍，为各农产品中增速最快的产品，这些农产品经济价值高但虚拟水含量也高，在带动农业经济增长的同时也导致了农业水足迹的快速增长。

根据景泰县2010-2019 年各乡镇水足迹的变化情况（图4），可以将各乡镇的水足迹变化趋势分为整体增长型、下降型及波动型。根据图4 分析可知，景泰县红水镇、漫水滩乡、寺滩镇、正路镇、喜泉镇及一条山镇，水足迹变化为增长型；景泰县五佛乡、中泉镇，属于水足迹下降型；景泰县上沙沃镇、庐阳镇及草窝滩镇，属于波动变化型。

图4 景泰县农业水足迹变化区域Fig. 4 Areas of change in agricultural water footprint in Jingtai County

（1）景泰县水足迹变化增长型区域。①寺滩乡地区，农业水足迹从2010 年的9.5×104m3到2019 年的3.89×105m3，增长了307%，增长幅度变化大。水足迹增长较快的3 个阶段为2010-2013 年、2015-2016 年、2018-2019 年。寺滩乡地区对全县2010-2019 年农业水足迹贡献率为5.3%。②漫水滩乡水足迹从2010 年的1.37×105m3到2019 年的4.92×105m3，整体增长了259%。2010-2015 年增长较缓，增长幅度为69%；2015-2016 年增长幅度最大为83%。漫水滩乡对全县2010-2019 年农业水足迹贡献率为7.4%。③正路镇水足迹整体呈增长趋势，从2010 年的8.5×104m3到2019年的5.91×105m3，增长了596%。2010-2017 年呈平缓的波动变化，2017-2019 年开始快速增长。正路镇对全县2010-2019 年农业水足迹贡献率为4.8%。④红水镇水足迹整体呈增长趋势，但水足迹波动变化较大。从2010 年的2.44×105m3到2019 年的8.36×105m3，整体增长了242%。2010-2015 年波动较为平缓，增长波动幅度为48%；2015-2016 年为增长幅度最大的阶段。红水镇对全县2010-2019 年农业水足迹贡献率为12%。⑤喜泉镇水足迹整体上呈增长趋势，从2010 年的1.47×105m3到2019 年的2.47×105m3，增加了68%。2010-2018 年为快速增长阶段，期间增长了169%。喜泉镇对全县2010-2019 年农业水足迹贡献率为6.2%。⑥一条山镇水足迹为稳步增长型，水足迹从2010 年的4.29×105m3到2019 年的4.86×105m3，增加了13%。除2010-2011 年与2015-2016 年水足迹有较低的下降外，均为平缓增长阶段。一条山镇对全县2010-2019 年农业水足迹贡献率为12.6%。

水足迹变化增长型区域，对全县2010-2019 年水足迹贡献率为48.3%，主要位于景泰县西部地区。由于景泰县西部区域主要以山区为主，农业生产结构受地形影响较大。农业生产结构中畜牧业占比较大，而且从水足迹不同农产品占比可知，牛羊产品水足迹高，农业生产水足迹比例大。水足迹增长区耕地面积占全县的72.5%，为主要农业植业区域，通过对粮食作物2010-2019 年水足迹分析可知，其水足迹呈不断的增长趋势，这也是造成景泰县西部区域水足迹增长的重要原因。

（2）景泰县水足迹变化下降型。①五佛乡水足迹变化为下降型，水足迹从2010 年的1.018×106m3到2019 年的3.33×105m3，下降了67%。2013-2014 年水足迹下降波动最大，2014-2019 年呈缓慢下降趋势。五佛乡对全县2010-2019 年农业水足迹贡献率为20.5%。②中泉镇水足迹变化为下降型，整体上从2012-2019 年下降较为平缓，在2010-2013 年处于增长趋势。中泉镇对全县2010-2019 年农业水足迹贡献率为7%。

在水足迹下降型区域中，五佛乡靠近景泰县城区域，2019 年粮食产量仅占全县的0.5%。通过景泰县年鉴数据得知，五佛乡农业水足迹产品组成中，占比较大的主要以蔬菜、养猪及水果种植为主。由农业水足迹结构变化分析可知，景泰县猪肉、蔬菜水足迹呈下降趋势，相对于景泰县其他区域以种植业为主的传统结构，以经济价值更高水足迹更小的产品进行生产发展，结构趋于合理。中泉镇由于黄河石林景区位于其中，区域对于生态的保护力度及景区的辐射带动作用更大，农业生产受到旅游业的影响大，农民追求更高的经济效益的产品，种植业产值较低，农民对于传统农业的投入降低，2019 年粮食作物产量仅高于五佛乡位于倒数第二，产量占全县6%。

（3）水足迹变化呈波动型地区，主要是上沙沃镇、草窝滩镇、庐阳镇，波动区主要位于景泰县东部和东北部区域，波动型区域对景泰县水足迹贡献率24%。其水足迹呈现波动变化状态，且有些年份波动变化较大，由于这3 个区域靠近景泰县城，受到经济因素的影响，而且与自身的农业种植结构有关，其粮食作物种植比例较大。而且由于农业人口受经济因素的波动变化，农业人口比例也不断降低，而粮食作物水足迹2010-2019 年呈上升发展趋势，还受到市场波动与农业技术进步的影响，多种因素综合作用下呈现波动变化。

分析景泰县农业水足迹重心的偏移情况，对农业水足迹进行研究，选取2010、2013、2016 和2019 年，对其水足迹空间重心的变化情况进行分析[32]。通过ArcMap 软件中的空间统计工具将不同年份的水足迹空间重心绘制，对4 个代表年份空间重心进行叠加，将水足迹空间重心用曲线依次连接做出重心转移曲线。从图5 可知，2010-2019 年，景泰县农业水足迹重心在空间上的分布由东向西移动。农业水足迹空间重心的移动，反映的是农业水资源的消耗情况，景泰县的农业水足迹重心从东向西移动，说明景泰县农业水资源消耗趋势由东向西转移。

图5 景泰县农业水足迹重心空间变化Fig. 5 Spatial variation of agricultural water footprint centre of gravity in Jingtai County

3.4 农业水足迹综合影响因素

3.4.1 水足迹与各影响因素相关性分析

农业水足迹受到多种因素的影响，结合相关研究成果和景泰县实际情况，从经济、气候、人口、农业生产4 个方面进行指标的选择分析，具体指标包括人均GDP（X1，元）、种植业总产值（X2，元）、农民人均纯收入（X3，元）、年平均气温（X4，°C）、农业人口数（X5）、人口密度（X6，人/hm2）、粮食作物单产量（X7，t）、化肥施用量折纯量（X8，t）、年末耕地面积（X9，hm2）、年水量（X10，mm）、年日照时数（X11，h）、农业水足迹（Y，m3），探究各指标与农业水足迹的相关性。

由表4 可知，经济因素和农业生产因素与景泰县农业水足迹正相关性为极显著相关。相关性较高的影响因素分别是种植业总产值（X2）、农民人均收入（X3）和年末耕地面积（X9），显著相关的影响因素有人均GDP（X1）、化肥施用量折纯量（X8）。由于经济的发展，农民收入增加，人们用于农业生产的投入也随之加大，对于农业的消费增加。由景泰县2010-2019 年的年末耕地变化量来看，耕地保有量不断增加，导致农业用水量增加和化肥施用量增加，对于农业水足迹影响变大。

表4 农业水足迹与影响因素的相关系数Tab. 4 Correlation coefficients between agricultural water footprint and influencing factors

人口因素中农业人口（X5）与农业水足迹呈负相关性，这是由于地区不断的发展过程中，城镇化不断扩大，农业人口数量相对下降，对于农业水足迹消耗相应的降低。影响因素中气候方面影响因子相关性较低，景泰县地处旱地区，从2010 年到2019 年景泰县的年平均气温（X4）、年降水量（X10）、年日照时数（X11）较为稳定，气温（X4）、年降水量（X10）、年日照时数（X11）与景泰县农业水足迹相关性较低。

3.4.2水足迹与各影响因素主成分分析

对农业水足迹进行影响因素主成分分析，根据农业水足迹指标的选取结果，挑选相关指标作为影响因子。相关系数矩阵KMO 检验值为0.706，大于0.6；巴特利特球形度检验sig 的值为0，小于0.001；两个检验都满足，说明选择的因素差异性明显且适合主成分分析。从SPSS 分析结果（表5）得出，选择前3 个特征值均超过0.8，前3 个特征值累积贡献率为86.833%，表明这3 个主成分可以反映影响因子的大部分信息。

表5 主成分特征值及贡献率Tab. 5 Eigenvalues and contribution of principal components

由表5 可知，第1 主成分的贡献率为64.997%，第2 主成分、第3 主成分贡献率分别为11.333%、10.504%，第1 主成分影响因素远高于其他主成分，是影响景泰县农业水足迹的主要因素。从表6 可知，第1主成分影响因素中种植业总产值（X2）、农民人均纯收入（X3）、年末耕地面积（X9）、化肥施用量折纯量（X8）均高于0.9，存在较高的正相关关系，第1 主成分以经济因素和农业生产因素为代表。第2 主成分中，年平均气温（X4）、粮食作物单产量（X7）与第2 主成分存在较强相关性，年平均气温（X4）与第2 主成分的相关性最高，年平均气温（X4）为气候因素，所以第2主成分为气候因素的代表。第3 主成分与农业人口（X5）、年平均气温（X4）存在明显的正相关关系，与人口密度（X6）存在负相关关系，农业人口（X5）、人口密度（X6）为人口因素，因此第3 主成分为人口因素的代表。

表6 主成分因子载荷矩阵Tab. 6 Principal component factor loading matrix

经济发展因素对于农业水足迹有较大的驱动作用，对于农业生产投入、农业种植面积及农业单位面积产量有较大的影响。2010-2019 年，景泰县的人均GDP增长了68%，种植业总产值增长了103%，农民人均收入增长了194%，这些经济因素表明，景泰县经济增长速度较快，人们对于农业生产投入成本相应的增大，对于农业水足迹影响变大。在生产因素方面，主要影响因素为化肥施用量和年末耕地面积，化肥施用量跟经济因素相关，由于经济的增长人们购买力的提升，农业化肥投入会相对增加。为了保障人民粮食安全，耕地面积在不断的增加，景泰县耕地面积从2010 的46 833 hm2到2019 年的60 867 hm2，增加了30%，使得农业灌溉用水量不断上升，农业水足迹增加，经济因素和农业生产因素对于农业水足迹的影响直接且影响非常大。第2 主成分为气候因素年平均气温（X4），景泰县处于干旱地区，农业植物作物多为耐旱作物，研究期内气候因素较为稳定，气温、年降水量年际变化小，相比于经济因素和农业生产因素影响较小。第3 主成分为人口因素，在人口因素中，农业人口从2010 年的187 460 人到2019 年的162 884 人，下降了13%，农业人口对于农业生产中的粮食作物产量影响较大，对农业水足迹的影响更为突出。