基于水稻生产水足迹的盘锦市水资源利用效率评价及水土资源测算与评价

申 祺，李蔚然

（辽宁省盐碱地利用研究所，辽宁 盘锦 124010）

0 引 言

在农业生产过程中，水资源和土地资源是农业生产的关键物质基础[1]，同时农业又反过来造成水资源短缺和水质恶化、面源污染加剧[2,3]。在保障粮食有效供给、粮食安全的前提下兼顾水土资源合理配置是区域可持续发展的迫切需求。

水足迹理论于2002 年由Hoekstra 等[4]提出，是一种对地区资源水资源短缺和污染问题进行核算的理论[5]，包括绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹，分别代表作物生长过程中消耗的降水、地表灌溉水和地下灌溉水以及稀释污染物使其达标排放所需水[2]，现已应用于农业生产领域的水资源核算、农业水资源利用效率评价、农业水土资源匹配度测算及水资源稀缺性评价，范星等[2]对三江平原农作物生长过程的水足迹进行量化和分析；王艺璇等[6]以花生生产水足迹为角度，测算和评价黄淮海农作区作物生产耗水结构；刘灿辉等[7]结合水足迹评估太湖流域的水资源利用效率；张雯等[8]从水足迹视角出发探究山东省粮蔬生产中水土资源匹配状况。已有的研究区域主要为农作主产区、流域、省区，而对市级区域的相关研究较少。

盘锦市是我国重要的水稻产区，2021 年，其利用全国0.17%的农业用水、0.12%的耕地面积生产了全国0.49%的水稻，对确保国家粮食安全至关重要。随着社会经济的发展，用水量不断增加，耕地面积减少，造成水土资源短缺和生态环境恶化问题突出[9]，进而制约着农业可持续发展[8]。此外，目前还未有从水足迹视角出发评估水资源利用效率和水土资源匹配情况的研究。基于此，选择盘锦市开展研究。首先核算水稻作物生长过程的绿水、蓝水和灰水足迹，分析水足迹的时间变化规律。其次采用水资源压力指数、水资源负载指数和水足迹效益来评估水资源利用情况。最后构建测算农业水土资源的匹配，并分析水土资源短缺的时间差异及其与社会、经济及生产环境因素等的相关关系。

1 方法和数据来源

1.1 研究区概况

盘锦市，地处辽宁省西南部，水稻是其主要农作物，2021 年全市水稻播种面积10.83 万hm2，占全市播种总面积的89.31%，其中水稻种植主要分布在盘山县和大洼区。该地区属于暖温带大陆性半湿润季风气候，年平均气温为10.5 ℃，降水量为768.9 mm，平均风速为2.4 m/s，日照时数为2 231.3 h，年蒸发量高于降水量。2021 年全市水资源总量为8.04 亿m3，农业用水量为10.19 亿m3，占总用水量的76.50%。2020年盘锦市水稻种植分布影像见图1[10]。

图1 盘锦市水稻种植分布影像图Fig.1 Image Map of Rice Planting Distribution in Panjin city

1.2 水稻作物生产水足迹计算方法

水稻生产水足迹是绿水足迹、蓝水足迹以及灰水足迹的总和。

绿水足迹公式为：

蓝水足迹公式为：

式中：Y为作物单产量，kg/hm2；ETc为作物蒸发蒸腾量。Pe为有效降雨量，由经验公式计算得出；n为作物一年生长天数；L为灌溉水输配过程中的水面蒸发损失。

ETc计算公式：

式中：Kc为作物系数。ET0利用CROPWAT8.0软件计算得出。

Pe根据公式计算：

式中：P为月降雨量，mm/d。

L的公式为：

式中：η为灌溉水利用系数；α通常取5%。

灰水足迹公式为：

式中：β为淋失率；AR为作物氮肥折纯量；cmax代表水体中最大氮（0.002 kg/m3）容许浓度；cnat为污染物的自然本底浓度（假设其数值为0）。

辽宁省农作播种过程氨氮、总氮、总磷排放（流失）系数分别为0.141、0.736、0.062 kg/hm2。

1.3 水资源利用评价

（1）水资源压力指数（Water Stress Index）指的是水稻生产对水资源产生的压力，公式为：

式中：P为水稻总产量；Q为水资源总量。

基于水资源压力指数的评价分级如表1所示。

表1 基于水资源压力指数的评价分级Tab.1 Grading on the basis of water stress index

（2）水资源负载指数（C）是通过水资源总量与区域内的人口、经济发展情况结合来评估其水资源开发利用程度和开发前景的指数[11]。公式为：

式中：C为水资源负载指数；k为降水系数，当200＜R≤400时，k=1.0-0.1(R-200)/200，当400＜R≤800 时，k=0.9-0.2(R-400)/400，当800＜R≤1600 时，k=0.7-0.3(R-800)/800；R为降水量，mm；P为常住人口数量，万人；G为地区生产总值，亿元；Q为水资源总量，亿m3。

水资源负载指数分级如表2所示[7,12]。

表2 水资源负载指数分级Tab.2 Classification of water resource load indices

（3）水足迹效益是指农业发展所付出的水资源代价及衡量区域农业对水资源的利用效率。其与农业用水效率呈正相关关系，表达式为：

式中：WF为水稻生产总水足迹，m3；WE为水足迹效益，元/m3；GDP为农业总产值，元。

1.4 水土资源匹配系数

水土资源数量匹配系数和质量匹配系数的公式为：

式中：WL为水土资源匹配系数；BW为农业蓝水可用水量，其值等于蓝水资源总量与农业用水占比的乘积；GW表示农业绿水可用水量，可参考Cao 等[13]的方法将其表示为耕地面积与年降水量（mm）的乘积；Lt为耕地面积，hm2。

1.5 基于水足迹的水土资源短缺压力

由于盘锦市水资源短缺，农业生产用水占比较大，因此采用农业水资源短缺压力与土地资源短缺压力的比值表征水土资源相对短缺情况[8]，计算方法如下:

式中：RS为水土资源相对短缺指数；水足迹稀缺性（Water footprint scarcity，WFS）为农业用水与水资源总量的比值；耕地稀缺性（Cultivated land scarcity，CLS）为水稻总耕种面积与土地总面积的比值；AWA为农业可利用水资源量，m3；AWU和TWU分别为农业用水量和总用水量；Wt为水资源总量，m3；La为水稻总耕种面积，hm2。当RS＞1 时，表明区域的水资源短缺压力大于土地资源短缺压力，属于水资源相对短缺区；当RS≤1时，属于土地资源相对短缺区[8]。

1.6 数据来源

水稻生产数据、气象数据、水资源总量、耕地面积、常住人口数量、地区生产总值、农业总产值、人口密度、城镇人口数、总人口数和有效灌溉面积均出自盘锦市统计年鉴（2009-2021年），农业用水量来自于盘锦市水资源公报和辽宁省水资源公报，作物系数来源于文献[14]，农作物播种过程氨氮、总氮、总磷排放（流失）系数来源于《全国农田面源污染排放系数手册》。

2 研究结果

2.1 水稻生产水足迹（2009-2021年）

盘锦市的水稻单位质量水足迹年均值为1.26 m3/kg，其在不同年份间有所波动，但没有显著的增加或降低趋势，这可能与作物单位面积产量、灌溉技术、气候条件、化肥施用量及利用率等因素相关[2,8]。各来源水足迹中，绿水（平均50%）占比最大，其次是蓝水足迹（平均46%），灰水足迹占比最小（平均4%）。水稻生长过程的绿水和蓝水足迹变化不大，绿水足迹随降水量高而升高，蓝水足迹随水资源总量高而降低。2019-2021 年水稻生长过程的的灰水足迹比其他年份低（表3），可能是氮肥、磷肥施用量大幅减少导致的，氮肥、磷肥施用量分别由2009-2018 年的6.2、2.8 万t 大幅减少到2019-2021年的1.6、0.4万t。

表3 2009-2021年盘锦市单位质量水稻生产水足迹结构m3/kgTab.3 Water footprint structure of rice in Panjin City from 2009 to 2021

2.2 水资源利用评价

水资源利用评价3个指标均表明盘锦市水资源的利用程度较高。

2.2.1 水资源压力指数

2009-2021年盘锦市水稻产量变化规律不明显（见图2），2013 年产量最小，为94.63 万t，2020 年产量最大，为106.40万t。其中，2016-2020 年水稻产量整体呈上升趋势，2010、2012-2013、2015-2016和2021年水稻产量呈下降趋势。

图2 2009-2021年盘锦市的水稻产量变化图Fig.2 Changes of rice yields in Panjin City from 2009 to 2021

盘锦市水资源压力指数均值为2.78%（见图3），压力级别为基本不存在水资源压力。2014、2015、2018 年水资源压力指数均大于5%（见图3），压力级别为轻度压力，可能与这3年水资源总量较低有关。

图3 盘锦市的历年水资源压力指数与水资源总量Fig.3 Water stress index and total water resources in Panjin City from 2009 to 2021

2.2.2 水资源负载指数

通过水资源负载指数进一步分析盘锦地区水资源利用情况及水资源开发前景，结果表明2009-2021年盘锦市水资源负载指数变化规律不明显，最高值出现在2014 年，而最低值则在2010 年。研究期间，盘锦市水资源负载指数值均大于10（见图4），依据表1 划分的负载级别都属于Ⅰ级，因此盘锦市水资源开发利用程度较高，但水资源开发潜力较小，未来水资源开发前景并不乐观。

图4 盘锦市2009-2021年水资源负载指数变化Fig.4 The trends of water resource load index in Panjin City from 2009 to 2021

2.2.3 水足迹经济效益

2009-2021年盘锦地区水稻生产水足迹经济效益的时间变化特征如图5 所示。由图5 可知，水稻生产水足迹效益在研究期间总体呈现增加趋势，自1.33 元/m3以每年0.18 元/m3的速率提升至3.72 元/m3。对于水稻生产水足迹效率，2010 年最小，为1.28 元/m3，2021年最大，为3.72 元/m3。

图5 2009-2021年盘锦市水足迹效益（单位：元/m3）Fig.5 Water footprint benefit in Panjin City from 2009 to 2021

2.3 水稻作物水土资源匹配分析

水土资源数量匹配系数越高，表明农业生产基础条件优越；而水土资源质量匹配系数越高，表明该区域的农业面源污染压力越大。2009-2021 年，水土资源数量系数均值为0.375 万m3/hm2，水土资源质量匹配系数为0.273 万m3/hm2，除2010年、2012年、2019年和2021年外，其他年份水土资源数量匹配均比质量匹配差（表4），表明盘锦农业生产所产生的资源数量影响大于质量产生的影响。

表4 考虑资源数量及质量的农业水土资源匹配m3/hm2Tab.4 Matching of agricultural water and land resources considering the quantity and quality of resource

2.4 水土资源短缺压力分析

2009-2021年盘锦市水土资源禀赋与利用情况如图6所示，农业用水量和水资源总量均值分别为3.24 亿m3、3.88 亿m3，水稻总耕种面积和耕地面积均值分别为10.74 万hm2、15.55 万hm2。

图6 2009-2021年盘锦市水土资源禀赋与利用概况Fig.6 Water and land resources endowmen and utilization in Panjin City from 2009 to 2021

水足迹稀缺性指数平均值为2.13，耕地稀缺性指数平均值为0.69。盘锦市在2010 年、2012 年和2021 年农业水土资源相对短缺指数均小于1（见图7），表明土地资源短缺压力大于水资源短缺压力，属于土地资源相对短缺区。盘锦市在2009、2011 和2013-2020 年的农业水土资源相对短缺指数均大于1（见图7），属于水资源相对短缺区。

图7 2009-2021年盘锦市水土资源短缺压力指数Fig.7 Pressure of water and land resources scarcity in Panjin City from 2009 to 2021

3 讨 论

盘锦市水稻单位质量水足迹年均值为1.26 m3/kg，结果与盘锦市水稻单位质量水足迹（1.42 m3/kg）相似[9]。降水量、水资源总量、氮磷肥施用量是绿水足迹、蓝水足迹、灰水足迹变化的主要原因。农业生产水平越高，在满足粮食需求的情况下，水稻生产的蓝水、绿水和灰水足迹都应减少，具体为通过优化栽培技术和改良水稻品种，加强收集及利用绿水[8,15]的方式减少绿水足迹；采用推广节水技术、推进渠道防渗和田间灌溉工程标准化建设、平整土地（移栽水稻前）、合理配置地表水和地下水的措施减少蓝水足迹[2]；推行测土配方施肥技术和随水施肥降低灰水足迹[16]。

盘锦市水资源的利用程度较高，研究期间水资源压力级别为基本不存在水资源压力，这可能与种植结构的改变，生态种养模式的创新发展，农田水利设施的完善，当地水资源和降雨量的年际变化以及灌溉用水效率的不断提高有关[2]；水资源开发利用程度较高，再开发潜力很小，可以考虑通过外水调入来满足区域内生产生活需求[17]；盘锦市水足迹效益的增长，表明消耗等量水资源所带来的经济价值越来越多，体现了产业结构创新和绿色发展[18]。

盘锦农业生产所产生的资源数量影响大于质量产生的影响，为了促进水土资源的协调开发利用，在水稻生产过程中应严控农业用水强度和总量；发展水稻节水技术[19,20]，减少无效排水[21]，提高用水效率，进一步降低农业用水[19]；提升资源利用效率、缓解资源短缺压力以及改善面源污染；规划调整种植结构；加强现代化新型农业种植模式的推广[8]。

盘锦市在2010、2012 和2021 年属于土地资源相对短缺区，可通过规划调整种植结构和加强现代化新型农业种植模式的推广等方式，实现区域水土资源的充分利用。其他年份属于水资源相对短缺区，其可能与水资源总量较少有关，或可通过降低水稻用水强度来促进水土资源的相对配置[8]。为进一步分析影响盘锦农业水土资源相对短缺的原因，本研究分别从社会、经济、生产环境方面选取人口密度和城镇化率、劳动生产率、人均GDP 和农业产值占比以及农业用水结构和有效灌溉面积7个指标，研究不同年份与水土资源短缺的相关关系[8]。分析发现，在2010、2012 和2021 年，城镇化率、劳动生产率、人均GDP 与耕地稀缺性呈现显著负相关关系（见表5），表明经济因素对盘锦农业水土资源短缺压力影响较大；在2009、2011 和2013-2020 年，农业产值占比、农业用水结构与耕地稀缺性均呈现极显著正相关关系，其中城镇化率与耕地稀缺性呈现显著负相关关系，然而所有指标与水足迹稀缺性指数呈负相关关系，表明社会、经济、生产环境因素对区域的农业水资源短缺压力影响都较小。

表5 水资源短缺压力与各因素间的相关性分析Tab.5 Correlation analysis between water and land resource scarcity and factors

4 结 论

本研究通过分析盘锦水稻生产单位质量水足迹特征，评估水资源利用情况，测算农业水土资源数量、质量匹配格局及资源短缺压力，最后揭示了农业水土资源短缺压力的影响因素。主要研究结论如下：

（1）盘锦市的水稻单位质量水足迹在2009-2021年间没有显著的增加或降低趋势。从用水来源来看，绿水足迹和蓝水足迹占水足迹总量的比重较大。

（2）盘锦市水资源的利用程度较高，盘锦市水稻生产带来的水资源压力在研究期（2009-2021年）间随时间波动变化趋势不明显，而在2014、2015、2018 年呈现轻度压力；水资源负载指数的变化规律不明显，水资源开发利用程度较高，水资源开发潜力较小，未来水资源开发前景并不乐观；水足迹效益总体呈现增加趋势，说明消耗等量水资源所带来的经济价值越来越多。

（3）除2010、2012、2019 和2021 年外，其他年份水土资源数量匹配均比质量匹配差，表明盘锦农业生产所产生的资源数量影响大于质量产生的影响。

（4）2010、2012 和2021 年，盘锦市的土地资源短缺压力高于水资源短缺压力，属于土地资源相对短缺区；而其他年份属于水资源相对短缺区。土地资源短缺压力受经济环境因素制约显著，社会、经济、生产环境对农业水资源短缺压力的影响较小。