水足迹视角下华北平原典型县域土地整治生态绩效评价

刘航，胡永翔，尚国琲

水足迹视角下华北平原典型县域土地整治生态绩效评价

刘航，胡永翔*，尚国琲

（河北地质大学，石家庄 050000）

【目的】在水足迹视角下对华北平原典型县域（景县）土地整治生态绩效进行评价。【方法】基于GROPWAT计算土地整治前、后的蓝、绿、灰水足迹，构建以4个整治工程为准则层、共11个指标的土地整治生态绩效评价体系。选用综合赋权法对景县16个乡镇进行生态绩效评价。【结果】土地整治实施后，景县蓝、绿、灰水足迹均有所增加，其中蓝水和灰水足迹增加显著；景县整体生态绩效处于较好水平，良等及以上乡镇共8个，中等及以上乡镇共13个。阻碍景县生态绩效提升的主要障碍因素为：新增水浇地提高率、新增道路硬化率、排灌密度提高率、旱地水利化程度提高率和生物丰度指数提高率。主要障碍类型为水利障碍和土地平整障碍，次要障碍类型为道路障碍和生态障碍。【结论】随着土地整治工程的实施，景县整体生态效益得到有效提高，但对水资源存在负面影响。水足迹视角下华北平原区县域土地整治生态绩效评价模式可为相似地区的土地整治工程建设提供理论参考和可行性范式。

土地整治；水足迹；生态绩效；综合赋权法

0 引言

【研究意义】土地整治工程是人类利用与改造自然资源的重要手段。过度追求社会经济效益造成了一系列生态环境负面效应，如水环境污染、农业面源污染加剧。水资源作为生态环境的最大刚性约束指标，是建立以生态为核心的土地整治绩效评价模式的前提。

【研究进展】以往国内外针对水足迹的研究尺度较大，多集中于全球、国家、流域及城市等热点区域。Zhuo等[1]和宋欣爽[2]分别在2016年和2017年对黄河流域的作物水足迹进行了演算；Gobin等[3]在2017年对欧洲作物水足迹变化进行了研究；冯变变等[4]和龚严等[5]分别研究了山西省和江苏省的作物水足迹变化。在计算作物水足迹时，研究者多应用CROPWAT模型计算作物生长期内的蒸散量与灌溉需水量。例如，张耘铨等[6]利用该模型计算了黑龙江省西部玉米生育期内的需水量；王忠波等[7]则利用该模型对黑龙江省庆安县水稻生育期内的需水量进行了计算。操信春等[8]将水足迹与区域灌溉发展情况应用于农业用水效益评价指标体系中，分析了中国31个省区农业用水效益的时空格局及其与灌溉用水效率指标之间的关系；易武英等[9]将农业经济增长与农业水资源利用进行了耦合，探究平塘县农业用水与经济脱钩之间的关系。姜秋香等[10]对黑龙江省13个地级市进行了农业水足迹计算，结合水足迹强度分析其用水效率。张沛等[11]在作物水足迹分析中进一步探讨了作物水足迹与国家和地方政策及社会经济活动之间的关系。总的来说，以往对于土地整治生态绩效评价的大量研究成果主要体现在指标选取与体系构建、评价方法2个方面。在指标选取与体系构建方面，Pimentel等[12]在评价指标中引入了生物丰度，欧阳真程等[13]选取了土地平整度等10项指标。在评价方法方面，国外研究者一般结合自身区域的特点，多以定量评价指标为主，而国内多选取特尔斐法、多因素综合评价法和模糊综合评价法等主观评价方法。

【切入点】截至目前，水足迹视角下的土地整治生态绩效评价模式鲜有报道。此模式有望保证项目在取得预期效果的同时减少对生态环境的破坏，以追求项目绩效、水资源和生态环境的协调统一发展。【拟解决的关键问题】鉴于此，本研究以华北平原典型县域（景县）作为研究区域，将蓝、绿、灰水足迹引入评价指标体系，进行生态绩效评价，在此基础上探寻阻碍生态绩效提高的障碍因素和类型，针对景县的实际情况，提出未来土地整治的可持续发展策略。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

景县位于水资源匮乏的华北平原北部。该地区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，光热条件满足冬小麦和夏玉米的生产需求。景县作为农业大县，水资源的供需平衡是协调当地农业发展和生态稳定的关键因素。景县国土资源局根据《景县土地利用总体规划》，对该地区开展了高标准农田建设。项目区实施范围主要涉及景县下辖的16个乡镇。

1.2 数据来源

本文的数据主要分为以下4类：①气象数据，来源于国家气象局；②统计数据，来源于2017年和2020年《衡水市年鉴》、《河北农村统计年鉴》、《景县统计年鉴》和《项目设计规划报告》；③调查数据，来源于实地调研；④地理空间数据，来源于遥感影像。

2 研究方法及模型构建

2.1 作物水足迹

2.1.1 蓝、绿水足迹

根据《水足迹评价手册》[14]，绿水和蓝水足迹计算式为：

在理想生长条件下，单一降水供应下的蒸散发量就是绿水足迹的蒸散发量，为作物总蒸散量与有效降水量中的最小值；灌溉用水的蒸散发量就是蓝水足迹的蒸散发量，为作物总蒸散发量与有效降水量之差[15]；当有效降水量大于作物蒸散发量时，取0[16]。计算式为：

2.1.2 灰水足迹

灰水足迹是指将污染物稀释到一定物质的量浓度所需的淡水量，根据《水足迹评价手册》[14]，计算式为：

2.1.3 区域水足迹

区域蓝、绿、灰水足迹计算为：

2.2 水足迹视角下县域土地整治生态绩效评价

2.2.1 评价指标体系

评价指标体系以土地整治生态绩效为目标层，土地平整、田间道路、农田水利和生态防护工程为准则层，结合蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹，并从每个具体工程中选取的指标共同作为指标层。根据科学性、系统性、可行性和代表性原则，按照土地整治工程项目分类，询问相关专家并结合相关理论指导，从“田、水、路、林”4个方面选取了11个评价指标，如表1所示。

2.2.2 权重计算方法

本文选用AHP层次分析法与熵权法组合而成的主客观综合赋权法来进行权重计算，计算式为：

式中：W为综合权重；α和β分别为AHP层次分析法和熵权法计算的指标权重。表2为综合权重的计算结果。

表1 水足迹视角下土地整治生态绩效评价指标体系

表2 综合权重计算结果

2.2.3 等级划分

根据土地整治生态绩效评价分数进行等级划分。该区域土地整治生态绩效评价得分计算式为：

2.3 障碍度

为了进一步研究土地整治生态绩效评价中的阻碍因素，基于土地整治生态绩效评价结果，引入障碍度模型，对影响土地整治生态绩效评价的主要障碍因素进行定量分析。根据障碍度判断因素影响程度，并确定阻碍土地整治生态绩效提高的限制性因素[21]，计算式为：

3 结果与分析

3.1 景县整治后水足迹变化

3.1.1 作物水足迹变化

由图1可知，在整治前的作物水足迹构成比例中，夏玉米的蓝水足迹最低，灰水足迹最高，而冬小麦的绿水足迹最低，灰水足迹最高。整治后，夏玉米的蓝、灰水足迹增加。冬小麦的灰水足迹从983.38 m3/t降至934.33 m3/t，这是由于灌溉设施提高了灌溉效率，有效稀释了农田土壤中的污染物。

3.1.2 区域水足迹变化

图2为土地整治前、后景县16个乡镇的粮食产量及蓝、绿、灰水足迹的变化情况。由图2（a）可知，16个乡镇粮食产量均有所增加，其中杜桥镇增加最多，为整治前的1.5倍。土地整治使景县粮食产量得到明显改善，增加了当地经济效益。由图2（b）可知，75%的乡镇绿水足迹有所增加，王谦寺镇的增加率最高，为24%。由图2（c）可知，蓝水足迹有所增加，说明整治后满足了作物对灌溉水的需求。图2（d）中，灰水足迹变化同样呈增加趋势。

图1 土地整治前、后夏玉米和冬小麦单位产量的水足迹

3.2 景县整治后生态绩效评价结果

如图3所示，景县生态绩效整体较高，有13个乡镇处于中等及以上水平，8个乡镇处于良等以上水平。从等级的空间分布来看，整体呈以优等为中心，向外围辐射的特点。经过整治，后留名府乡、温城乡、王谦寺镇、杜桥镇和刘集乡5个乡镇为优等，其中4个乡镇聚集在景县的中心偏西部。龙华镇、北留智镇和连镇乡3个乡镇为良等，与优等乡镇接壤。洚河流镇和景州镇，青兰乡、王瞳镇和留智庙镇5个乡镇为中等，差等的乡镇则处于景县的外围，距离优等的乡镇较远。

图3 土地整治生态绩效等级分布

3.3 景县整治后生态绩效障碍度分析

3.3.1 障碍度因素分析

如表3所示，新增水浇地提高率、新增道路硬化率、排灌密度提高率、旱地水利化程度提高率和生物丰度指数提高率为最主要的障碍因素。安陵镇、北留智镇和景州镇最主要的障碍因素是新增水浇地提高率；留智庙镇和青兰乡最主要的阻碍因素是绿水足迹变化率；后留名府乡、连镇乡、刘集乡和王谦寺镇最主要的阻碍因素是田间路网密度提高率；杜桥镇、王瞳镇和温城乡最主要的障碍因素是排灌密度提高率。梁集乡和龙华镇最主要的阻碍因素是旱地水利化提高率，洚河流镇最主要的障碍因素为蓝水足迹变化率。广川镇最主要的障碍因素是灰水足迹变化率。

表3 影响土地整治生态绩效的障碍度排序

3.3.2 障碍类型分析

如图4所示，景县整体以土地平整障碍型和水利障碍型为主，道路障碍型和生态障碍型为辅。景县属于平整障碍型的5个乡镇呈倒“L”型分布在景县的中南部，主要受到水浇地景观破碎度、新增水浇地面积和绿水足迹的限制。7个水利障碍型乡镇分布于平整障碍型乡镇两侧，主要受排灌密度、旱地水利化程度和蓝水足迹的限制。道路障碍型和生态障碍型的乡镇位于景县边缘区域，主要受新增道路硬化率、田间道路密度和灰水足迹的限制，可以选用柔性材料对路面进行硬化处理并加强土壤肥料监测管理的同时改进施肥方式，降低农业化肥所带来的污染，提高生态绩效等级。

图4 障碍类型

4 讨论

本研究以水足迹为视角，对景县土地整治生态绩效进行评价后分析其障碍度。在评价方法上利用主客观相结合的方法，弥补了传统单一评价方法的局限。将水足迹与生态相结合，拓展了水足迹理论研究范畴，并为其应用于土地整治生态评价提供了新的思路。鉴于数据获取方面的难度，本研究仍存在一定不足，后续应在灰水足迹计算方面重点考虑地下水的影响。

本研究从整治、规划和管理方面重点提出以下优化策略：①政策方面，应当制定生态效益与经济、社会效益并重的政策，使生态意识深入区域内每位村民。②在规划方面，不要仅限于单一因素的整治，应使各工程间紧密结合，各相关部门共同推进因地制宜土地整治项目，并针对障碍类型着重加强建设以达到生态绩效最大化。③在管理方面，应高度重视农业技术的应用以实现机械化发展。在现有土地整治生态绩效成果的基础上，鼓励村民自发通过村组织进行村内交换并地等方式，实现家庭连片耕种，以便于利用农业机械代替劳动力而达到提高农业生产水平和效益的目的。

5 结论

1）通过将蓝、绿、灰水足迹纳入评价指标，构建水足迹视角下县域土地整治生态绩效评价方法，并运用主客观赋权法计算指标权重，得到生态绩效等级结果。经过土地整治后，景县生态绩效处于较高水平。

2）新增水浇地提高率、新增道路硬化率、排灌密度提高率、旱地水利化程度提高率和生物丰度指数提高率为主要阻碍因素。从障碍类型来看，景县整体以水利障碍型和土地平整障碍型为主，道路障碍型和生态障碍型为辅。

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Evaluating Ecological Benefit of Land Consolidation at County Scale in North China Plain Using Water Footprint Concept

LIU Hang, HU Yongxiang*, SHANG Guofei

(Hebei University of Geosciences, Shijiazhuang 050000, China)

【Objective】Land consolidation is to improve the efficiency and productivity of segmented lands. The purpose of this paper is to evaluate its ecological gains at country scale in northern China Plain using the water footprint concept.【Method】The evaluation is based on the GROPWAT model. It calculates the blue, green and gray water footprint before and after land consolidation. The ecological performance of the land consolidation is evaluated using four specific remediation projects as the criteria layers, and 11 indicators. The method is applied to the 16 villages and towns in Jing County, Hebei province.【Result】Implementing the land consolidation increases the blue, green and gray water footprints in all villages and towns, especially the blue and gray water footprints which increase more significantly.The overall ecological performance of the 16 villages and towns in the county is good, with eight of them achieving good grade or above, and 13 reaching medium grade or above.The main obstacles hindering the improvement of ecological performance in the county are how to increas new irrigated land rate, hardening rate of new roads, drainage and irrigation intensity, turning rain-fed land to irrigated land, and biological diversity and abundance. The main obstacles are hydraulic land levelling, followed by road and ecological factors.【Conclusion】Overall, implementing the land consolidation can improve ecological benefits to Jing County, but it has a negative impact on water resources.The ecological performance evaluation model proposed in this paper is potential for evaluating land consolidation in other regions in northern China.

land consolidation; water footprint; ecological performance; comprehensive empowerment method

刘航, 胡永翔, 尚国琲. 水足迹视角下华北平原典型县域土地整治生态绩效评价[J]. 灌溉排水学报, 2023, 42(5): 115-121.

LIU Hang, HU Yongxiang, SHANG Guofei. Evaluating Ecological Benefit of Land Consolidation at County Scale in North China Plain Using Water Footprint Concept[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(5): 115-121.

1672 - 3317（2023）05 - 0115 - 07

X321

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022221

2022-04-21

河北省社会科学基金项目（HB20YJ032）

刘航（1997-），女。硕士，主要从事土地资源管理研究。E-mail:2631757592@qq.com

胡永翔（1984-），男。副教授，博士，主要从事土地规划与整治研究。E-mail:doctorhu110@163.com

责任编辑：韩 洋