基于三维水足迹模型的农业用水可持续性评估

王玉宝 吴 楠 张富尧 李 鑫 刘 荣 殷杰玲

(1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室， 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)

0 引言

自然资本是为人们带来利益流量的可再生和不可再生的资源存量(如植物、动物、空气、水、土壤和矿物)[1]，通常被划分为自然资本流量和自然资本存量，前者为一定地理空间和特定时间内的可再生资源和生态服务流量，后者可以再生前者，并在其供不应求时进行补充[2]。强可持续背景下，维持资本存量的不减少是可持续发展的最低限度。淡水资源作为一种关键自然资本，对人类福祉至关重要。农业是需水最大的部门，在我国占全行业用水的62.1%[3]，农业水资源短缺和供需不平衡的问题日益突出，已经成为威胁我国粮食安全的关键因素之一。

水足迹是衡量全生育周期作物水资源需求量的有效指标，应用范围涵盖全球[4]、国家[5-6]、流域[7]、地区[8]、灌区[9]和田块[10]等尺度。但传统水足迹方法无法区分可持续和不可持续的用水部分[11]，这限制了其在可持续评价方面的应用。三维足迹利用足迹深度、足迹广度分别表达对资本存量、资本流量的耗用，可以衡量自然资本占用的代际公平和代内公平[12-13]，丰富了可持续性表达功能。FANG等[14]应用三维水足迹衡量了贵阳市自然资本利用状况，熊鸿斌等[15]利用三维水足迹模型评估了安徽省水资源利用可持续性状况。以上研究在区域水资源流量和存量的界限划分上较模糊，并且三维水足迹模型仍缺乏更广泛的实践与应用。

在可持续发展的大背景下，应将水资源的占用维持在水弹性范围之内[16]。ROCKSTROM等[17]提出了行星边界的概念，划定了包括全球淡水资源在内的9个行星边界值，当边界门槛被突破时，弹性将被削弱。行星边界的提出和量化有助于防止人类活动造成不可逆转的环境变化[18]。水行星边界提供了人类水资源占用是否可持续的基准，此基准在地球系统不同尺度上运行，包含更高空间分辨率的国家一级[19]和省域一级[20-21]。关于边界值的降尺度方法，LUCAS等[22]采用3种不同的分配方法，即基于环境压力份额的祖父化(Grandfathering)方法、基于人均GDP的支付能力分配法和基于人口份额的人均平等分配法，将全球边界分配至大型经济体并结合不同环境足迹进行比较。

行星边界和足迹指标的结合以直接的方式表达了环境可持续性[23]。农业灌溉是我国最主要的水资源消耗方式，通过降尺度行星边界方法界定区域农业用水的安全空间，结合三维水足迹模型评估区域农业用水可持续状况，能帮助提供农业用水可持续发展政策，并提高居民对水资源这一重要自然资本的节约和保护意识。本文将三维水足迹模型与降尺度行星边界相结合，探究1998—2020年中国大陆31个省级行政区的农业用水可持续状况；分析区域农业水足迹深度、农业水足迹广度、农业水资源赤字率和盈余率时空变化；讨论区域农业三维水足迹和区域农业生产总值间的变化关系，以期为中国农业用水可持续发展提供参考。

1 方法与数据

本研究的基本思路如图1所示。即先采用自下而上的方法核算年际可再生的区域淡水资源流量，然后采用祖父化方法划定农业部门的环境份额，得到农业可利用水资源量；核算区域农业水足迹，计算获得水足迹广度、水足迹深度和农业水资源盈余(赤字)率，分析时空变化关系；最后利用脱钩分析理论，得到水足迹深度和水足迹广度与经济发展间变化关系，划分区域农业水-经济类型。

图1 研究思路示意图Fig.1 Schematic of research ideas

1.1 区域农业可利用水资源量

作为重要的自然资本之一，淡水资源的全球占用量虽未超过行星边界值，但在国家等更高空间分辨率层级存在区域淡水边界值已经被超越或受威胁程度加剧的情况[20-21]。流域控制变量的划定基于“环境流量”的概念，该概念为维持环境和生态健康的保留量。本研究取40%当地淡水资源量为可利用部分[24]，区域内可更新的淡水资源流量采用自下而上的方法核算。区域可利用蓝水资源量计算式为

WA，region=0.4WL+WT+WNPI

(1)

式中WA,region——区域可利用蓝水资源量，m3

WL——当地水资源量，m3

WT——过境水量，也称为客水量，考虑数据可用性，数值取自黄河等各主要河流分水量计划(已考虑维护河流生态环境健康的水量)，m3

WNPI——净物理进口水量，主要考虑南水北调工程应急调水量、南水北调工程东线、中线开通后调水量和引滦调水量等，m3

只关注提高农业用水效率并不能保证农业用水的可持续性，选择祖父化法[22]划分区域农业部门可利用水资源量，即采用农业部门在水资源压力中的份额分配各省级行政区农业可用水量。

1.2 三维水足迹

1.2.1作物生产蓝水足迹

作物生产消耗性的广义水资源量由蓝水足迹和绿水足迹共同组成，前者定义为作物生长过程中所消耗的地表水和地下水量，后者为消耗的有效降水量[25]。绿水足迹多作为背景水足迹考虑，用于维持生态系统运行[26]。本研究目的为评价区域农业生产中水资源利用的可持续状况，因此仅考虑蓝水足迹。中国的灌溉水量占农业用水量的近90%，由于耗水数据难以完整获取，本文中将农业用水量定义为农业蓝水足迹。

1.2.2水足迹广度

水足迹广度表征为人类对年际可再生淡水资源流量的占用，具有空间特性。农业水足迹广度用以核算区域内农业水资源可利用量的实际占用量，计算式为

WF,size=min(WF,agr,WA,agr)

(2)

式中WF,size——农业水足迹广度，m3

WF,agr——农业水足迹，m3

WA,agr——农业可利用水量，m3

1.2.3水足迹深度

水足迹深度反映区域内再生年际所使用淡水资源流量的年数，或维持区域内淡水资源占用水平下所需占用的区域淡水资源流量的倍数，具有时间特性。水足迹深度由“自然深度”(为1)和“附加深度”构成：自然深度下，人类活动对淡水资源占用不超过可恢复能力；当产生“附加深度”时，即水足迹深度大于1时，认为人类活动开始侵占淡水资源存量，对淡水资源的使用处于不可持续状态。农业水足迹深度反映农业水资源利用可持续状况，计算式为

(3)

式中WF,depth——农业水足迹深度

1.2.4附加指标

当区域农业可利用水资源量未被充分利用时，农业水足迹深度保持在自然深度，无法体现区域间农业水资源利用差异情况，因此引入农业水资源盈余率反映年际和区域间农业可利用水资源实际占用情况，计算式为

(4)

式中RWS,agr——农业水资源盈余率，%

产生农业水足迹附加深度时，引入农业水资源赤字率反映农业生产活动对环境干扰程度，计算式为

(5)

式中RWD,agr——农业水资源赤字率，%

1.3 农业水-经济关系划分

脱钩理论最初源于物理领域，后逐渐被用于评估区域资源环境与经济发展间的变化关系，经济增长与资源环境变化间不相互依赖称为脱钩[27]。分别比较区域农业水足迹深度、区域农业水足迹广度和区域农业生产总值(GFP)的变化关系，能够分别得到4种类型的水存量-经济关系和4种类型的水流量-经济关系(表1)。水存量-经济关系和水流量-经济关系的进一步组合，得到8种类别的农业水-经济关系(图2)，帮助衡量农业经济发展与农业用水可持续状况间的变化关系。

表1 三维水足迹与经济发展间变化关系Tab.1 Relationship between 3D water footprint and economic development

图2 农业水-经济关系及其分类Fig.2 Agricultural water-economy relationship and its classification

根据水足迹深度和水足迹广度的概念，当水足迹深度维持在自然深度内是可持续的；水足迹广度越小，则资本流量占用越少。水存量、水流量与经济发展间的关系呈强脱钩时最好，强耦合时最差。但是，水足迹深度和广度存在一定的内在关系，相互组合后的状态则呈现不同的结果。在自然深度内，水足迹广度的增加不影响水资源利用可持续状况；超出自然深度，水足迹广度越大则代表水资源承载能力越大。因此，图2中8种农业水-经济类型从优到劣(优先考虑农业用水可持续，再考虑农业经济变化情况)依次为类型1、类型2、类型5、类型7、类型4、类型3、类型8、类型6。

1.4 数据来源

本文研究时段为1998—2020年，历年各省级行政区农业用水量、水资源量数据来源于《中国水资源公报》(1998—2020)。农业生产总值数据来源于《中国统计年鉴》(1999—2021)。过境水量采用主要河流分水量数据，相关政策文件取自国务院网站(http://www.gov.cn/guowuyuan/)。跨区域工程性调水数据从物理水调运相关省级行政区水资源公报和《南水北调工程建设年鉴》获得。江苏和上海的供用水量依靠丰富的长江和太湖的过境水量，情况较为复杂，水资源核算时需要考虑引用的过境水量。上海引用的过境水量主要考虑长江和太湖，长江引水量参考《上海市水资源公报》，另考虑38%的用水量来源于太湖来水量[28]；江苏对长江引水量数据参考《江苏省水资源公报》。

2 结果与分析

2.1 中国农业三维水足迹时空格局

水足迹深度维持在自然深度内，水足迹广度越大，表明区域水资源承载能力越高，可持续性越强。1998—2020年中国农业用水整体状况较好，农业水足迹深度一直处于自然深度状态，年均农业水足迹广度为2.96×1011m3。图3为区域农业三维水足迹年均状况，反映了空间差异状况。

图3 1998—2020年中国年均三维水足迹Fig.3 Annual average 3D water footprint of China from 1998 to 2020

1998—2020年有12个省级行政区处于农业用水不可持续的状态。其中，北京和宁夏的水足迹深度最大，农业用水不可持续状态最为严重，至少需要3.5以上现有区域水资源流量才能满足当地农业水资源需求量。其次为河北(3.07)、上海(2.41)和江苏(2.13)。天津(1.86)、山东(1.55)、新疆(1.30)、辽宁(1.26)、河南(1.08)、甘肃(1.08)和山西(1.01)也处于不同程度的农业用水不可持续性状态。作为中国棉花的最大生产区域，新疆年均农业水足迹广度高达3.42×1010m3，其资源承载能力仍不足以满足其需求。北京为年均水足迹广度最小的省级行政区，仅为2.95×108m3，资源承载能力不足为其农业生产带来了更大的压力。

不同省级行政区在水资源禀赋、人口和社会经济发展等方面存在巨大差异，区域淡水资源占用呈现不同的特点。选取1998、2000、2005、2010、2015、2020年进行时间序列分析(图4，图中98、00、05、10、15、20分别代表1998、2000、2005、2010、2015、2020年)。人口密集、经济发达的华北和华东地区，以及气候干旱的西北地区水资源供需矛盾较为突出，降水丰腴的西南和华南地区水资源可持续性状况较好。各地区农业用水可持续性状况与降水年型有较大关联，随时间无明显变化规律。

图4 各省级行政区水足迹深度与广度关系Fig.4 Relationship between depth and size of water footprint in each province

华北地区内，北京、河北和山西的农业水资源流量和存量耗用关系大致呈倒“U”形，水足迹深度和足迹广度同向增减，在居民节水意识加深和政策约束的情况下，经历了可持续程度降低到增强的变化阶段；由于农业可利用水量和农业生产水足迹的不同步波动变化，天津的水足迹深度和广度变化呈突变型；内蒙古农业水资源承载能力随时间变化，但均处于自然深度内。东北地区内，吉林和黑龙江的水足迹深度均处于自然深度内，资源承载能力随时间先减小后增大；辽宁的降水年际差异较大，水足迹深度和广度变化呈突变型。华东地区内，上海大致呈倒“U”形，水足迹深度处于减小趋势，可持续状态变好；受降水年型年际差异较大的影响，江苏和山东也呈突变型；浙江、安徽、江西和福建的水足迹深度均处于自然深度内，浙江和福建的水资源承载力逐年缩小，水资源流量可持续状态逐步变差。华中地区内，虽然农业用水占比逐年减小，但年际间降水年型差异较大，河南呈突变型；湖北和湖南的水足迹深度均处于自然深度内。华南地区内，广东、广西和海南的水足迹深度均处于自然深度内，但水足迹广度随时间均呈减小趋势，水资源承载能力逐步减弱。西南地区5个省级行政区的水足迹深度均处于自然深度内，重庆和四川的水足迹广度大致呈增大趋势。西北地区内，青海和陕西处于农业用水可持续状态，青海的水足迹广度呈减小趋势；甘肃年际间降水量差异大，农业水足迹随降水量变化较大，因此呈突变型；宁夏水足迹深度逐年减少，农业水资源利用可持续状态变好；新疆水足迹深度逐年增加，水足迹广度大致呈减小趋势，可持续状态逐年变差。

2.2 区域农业水资源盈余和赤字状况

水资源盈余率和赤字率可以进一步反映水资源流量和存量的占用情况，与特定时间内特定区域可利用水资源流量和水资源占用量有关。中国农业水资源利用状况较好，水资源盈余率在50%～60%之间，年均变化率0.39%。区域农业水资源盈余率和赤字率时空变化如图5所示。

图5 区域农业水资源盈余率和赤字率时空变化Fig.5 Regional agricultural water surplus rates and deficit rates in time and space

空间分布中，北京、天津、河北、上海、江苏、山东、甘肃、宁夏和新疆9个省级行政区处于水资源赤字状态，其中位于华北地区的3个省级行政区赤字状况较为严重。华东和西南地区农业水资源盈余率较高，其中浙江、福建、江西、重庆、四川和云南的年均盈余率达60%以上。中国湖泊最多的西藏和享有“中国水塔”之称的青海拥有年均90%以上的农业水资源盈余率。上海和江苏虽然拥有较为丰富的过境水资源，但由于河流下游水质较差以及过境水受季节影响较大，农业水资源仍处于赤字状态。山东人口和产业较为密集，并且作为蔬菜和农业生产大省，农业水资源赤字情况也较为严重。

时间分布上，华北、华东和西北地区有明显变化。华北地区内，京津冀城市群的农业水资源赤字率在1999年陡降，后波动变化并趋于增加趋势，即不可持续程度逐渐降低。华东地区内，上海、江苏和福建年际间变化差异较大，无明显规律；安徽以2011年为界，水资源盈余率变化趋势为先减少再增加。西北地区内，宁夏是农业水资源赤字率最严重的区域，但随着时间变化，赤字率波动变化且缓慢减小，但在2020年农业水资源赤字率仍为209.7%，农业用水供需矛盾仍十分严重。新疆面积广阔，降水少，植被蒸散发量大，2020年新疆棉花产量占全国的87.3%，农业水资源赤字率不断增加，由1998年的0.89%增长至2020年的60.22%，农业用水供需矛盾逐步恶化。

2.3 农业用水与经济发展变化关系

农业水-经济类型划分结果如图6所示。中国农业水-经济关系的整体状况较好，2013—2020年连续7年为农业水-经济类型中最好的类型1，即农业生产总值增加，农业水-经济关系脱钩且处于环境可持续状态。农业水-经济类型划分结果如图6所示。

图6 区域农业水-经济关系变化热点图Fig.6 Hotspot map of regional agricultural water-economic nexus changes

省级行政区尺度上，浙江农业水-经济关系最好，研究时间内共17次达到类型1，与其农业用水占比相对较低，经济发展较快，灌溉效率较高有关；其次为福建、广东、广西和海南的14次，这些地区虽然农业用水占比均在50%以上，但灌溉水有效利用程度很高[5]。北京、天津、河北、山西、辽宁、黑龙江、上海、江苏、山东和宁夏均出现类型6，即农业水-经济关系耦合且环境不可持续，为最差的农业水-经济类型。其中北京最为严重，虽然农业用水占比较低，但是较低的水资源承载能力和其他部门激烈的用水竞争关系，进一步压缩了农业可利用水资源量。按区域整合为华北地区整体农业水-经济关系较差，西北、华中、华东和东北地区部分农业水-经济关系较差。在时间变化上，2002—2003年、2006—2007年和2015—2016年这3个时间段内类型1出现的次数最多；1998—1999年、2014—2015年和2016—2017年3个时间段出现类型6的次数最多。北京和上海从2014年开始连续出现较差的农业水-经济关系状况，即农业用水可持续性降低，农业水资源承载力降低，农业生产总值也降低。

3 讨论

农业可持续用水对维持区域粮食安全和地区健康发展有着关键作用。区域农业用水可持续评价对进一步探讨作物种植结构调整与适宜灌溉规模确定等具有重要参考意义。本文研究结果表明，华北、华东和西北地区的农业用水可持续状况较差，西南和华南地区状况较好，但这与中国的农业生产和相应的水资源配置有所矛盾。北方旱区是我国的粮食主产区，但由于气候条件，北方水资源压力大于南方。华北平原是中国重要的粮棉油生产基地，而北京、天津和河北的人均水资源量都远低于国际公认的水资源短缺阈值[29]。西北地区以约占全国10%的水资源量生产了全国12%的粮食，棉花和瓜果的出口输出了大量的虚拟水[30-31]。农业水-经济类型划分结果显示，华北地区整体脱钩状况较差，西北、华中、华东和东北地区局部脱钩状况较差。结合上述结果，提出以下可持续发展措施建议：①平衡区域水资源配置，调整作物种植结构，优化区域间农作物流通所带来的虚拟水贸易格局，减轻水资源分布不均所带来的局部农业生产用水不可持续状况。②发展农业节水技术和提高灌溉管理水平，提升灌溉水利用率和利用效率，以实现区域农业水资源利用与经济发展间的脱钩关系，形成环境与经济发展间的良性循环。

4 结论

(1)中国农业用水整体上呈可持续状态，农业年均水足迹广度为2.96×1011m3。农业水资源利用不可持续省级行政区主要分布于华北、华东和西北地区，区域水资源承载能力较小，农业灌溉需水量较大。农业水足迹广度较大省级行政区主要分布于华南和西南地区，虽然农业灌溉需水量较大，但是水资源承载力较大，农业水资源利用可持续程度较好。

(2)中国农业水资源盈余率保持在50%～60%间，但由于中国水资源分布时空不均的特点，区域农业水资源盈亏差异和随时间的变化程度较大。空间分布上，西藏、青海、浙江、福建、江西、重庆、四川和云南8个省级行政区的农业水资源流量的盈余率较高，宁夏、北京、天津和上海农业水资源存量占用率较高，可持续性状况较差；时间分布上，华北、华东和西北地区的农业水资源盈亏状况有明显变化。

(3)农业水-经济类型分析表明，华北地区整体农业水-经济关系较差，西北、华中、华东和东北地区部分农业水-经济关系较差。北京和上海在2014年后农业水-经济类型变差，农业生产与生态环境间关系恶化。