山西省粮食生产水足迹时空特征及水资源利用评价

邓祥征，王文宣，李志慧

（1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101； 2.中国科学院大学，北京 100049）

水资源是农业生产中最重要的基础性资源之一，是保障粮食生产和维护国家粮食安全的基本支撑［1］。我国农业生产用水量超过我国总用水量的60%［2］，水资源的短缺、供需矛盾等问题长期以来限制了农业生产和发展［3］。 黄河流域是我国重要的粮食生产基地，水资源季节短缺、时空错配［4］等问题在一定程度上影响了粮食生产和区域生态环境改善，制约了区域农业高质量发展［5-6］。 相较于黄河流域其他省区，山西省粮食产量和种植面积较小［7］，但其少主粮、多优质杂粮的独特粮食生产结构，对实现稳粮保供、丰富我国粮食种植结构起到很好的调节作用［8-9］。 水资源短缺、用水效率低下等问题同样是当前山西省粮食产业发展亟待解决的关键问题［10-11］。

水足迹是一种描述世界淡水资源消费状况的指标，常表征人类对水资源直接和间接的需求与影响。基于虚拟水的理念，Hoekstra 等［12-13］将其定义扩展到生产产品和服务所需的水量。 水足迹的概念和测算方法已在国家和区域的水资源利用评估研究中被广泛应用［14-16］。 高甜等［17］通过计算黄河流域粮食生产蓝水足迹、绿水足迹和虚拟水足迹，指出山西省粮食水足迹偏低，粮食生产面临中等缺水压力。 通过使用自下而上的核算方法，王宁等［18］认为山西省农业水足迹相对低，但农业水足迹在水足迹总量中占比较高，达到75%。 马海良等［19］采用自上而下的核算方法对山西省水足迹进行核算，发现山西农业水足迹占总量的90%，种植业的占比高于畜牧业，而粮食作物的比重大于经济作物。 在具体作物方面，孙世坤等［5］使用CROPWAT 模型对小麦、玉米、水稻等作物的水足迹进行分析，提出降低作物生产水足迹能使农业水资源得以高效利用，是保障中国粮食安全的重要途径。 吴普特等［20］使用3 种作物生产水足迹量化方法，对小麦水足迹进行量化。 卓拉等［21］基于能值分析法，对黄河流域9 个省区的玉米和小麦生产的蓝绿水资源利用进行评估，发现粮食生产水资源利用效率有所提升。 综合上述研究，当前粮食生产水足迹研究集中在省级尺度和主粮作物上，针对城市尺度和有区域特色作物的水足迹研究相对较少。 针对更精细的时空尺度，纳入具有区域特色的粮食作物，量化不同粮食生产结构的水足迹时空变化特征，可为区域水资源利用政策和农业结构调整提供科学的理论支持和决策依据。

随着黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略的提出，黄河流域区域用水超载、产业高质量发展水平较低、行业用水效率低下等问题，成为被关注的重点议题［22-23］。 近年来，山西省以乡村振兴为抓手，加强农业现代化顶层设计，推动全省农业高质量发展。 在当前保障国家和区域粮食安全与黄河流域高质量发展背景下，针对性地关注区域粮食生产用水情况，优化水资源消费结构和提升水资源利用效率具有较强的现实意义。 本研究以黄河流域粮食生产极具旱作农业特色的山西省为案例，兼顾水量和水质双重影响计算2011—2021 年山西省各地级市水资源稀缺指数，评估区域水资源压力状况；核算2011—2021 年6 种主要粮食作物（小麦、玉米、谷子、高粱、豆类、薯类）生产的蓝水、绿水和综合水（蓝水+绿水）足迹，分析山西省粮食生产水足迹的时空分布特征；评测2011—2021 年山西省粮食生产水资源利用效率，揭示各级地市农业水资源生产率的差异；从水资源稀缺（压力）、水资源足迹（状态）、水资源效率（响应）3 个维度对山西省各地级市农业水资源利用状况进行评价，以期为推动山西省农业节水和可持续发展、促进旱作农业高质量发展提供科学参考。

1 研究区概况

山西省地处黄河流域中游，地跨黄河、海河两大水系，位于黄河“几”字弯东端，耕地面积386.95 万hm2。黄河干流流经忻州、吕梁、临汾、运城4 个市19 个县，在山西境内长度为965 km。 黄河流域在晋面积9.71 万km2，覆盖山西省全部11 个地级市，涉及73.5%的县级行政区，占黄河流域总面积的12.2%。 山西省地势东北高西南低，山地丘陵面积占全省面积80%以上，年降水量400～650 mm，属温带大陆性气候区。 山西省地势及2020 年土地利用情况见图1。

图1 山西省地势及2020 年土地利用情况

山西省粮食生产在黄河流域乃至全国极具特色，受地形高程和气候条件限制，小麦、稻谷等主粮的生产能力偏低，自给率不足50%［24］。 独特的自然条件适宜生产谷子、高粱、藜麦等小杂粮，区域年均调出量近1 000 万t，是我国传统旱作农业的典型代表，其少主粮、多杂粮的特殊作物结构对实现区域稳粮保供和推动农业特色产业高质量发展发挥了重要作用。 同时，山西省也是我国重要的能源资源富集区、水土保持功能区，还是黄土高原生态安全的重要屏障，在黄河流域高质量发展中占据重要地位。

2 研究方法与数据来源

2.1 水资源稀缺性测度

考虑水资源利用和生态系统保护之间的平衡，基于水量评价的水稀缺指数WSqua计算公式如下［25］：

式中：di为部门i的用水量；Q为水资源可利用量；EFR为生态环境所需水量，参考黄河流域的研究成果，在这里被定义为水资源可利用量的60%［26］。

进一步考虑水质对水稀缺性的影响，采用稀释法将水质不达标的用水量转化为所需的额外用水量，与水资源可利用量进行比较。 基于水质评价的水资源稀缺指数WSpol是指保障水质情况下所需用水与水资源可利用量的比例，计算方法如下［27］：

式中：dqi为部门i获得可接受质量用水而稀释所需的额外用水量，dqi，j为基于水质参数j的部门i的稀释水量，Cj为水质参数j的实际值，Cmaxi，j为部门i所需水质参数j的阈值。

综合考虑水量和水质的水稀缺指数WScom计算方法如下：

2.2 粮食生产水足迹计算

粮食生产水足迹是单位粮食作物生产过程中消耗的水资源量，包括绿水足迹（WFgreen）、蓝水足迹（WFblue）和灰水足迹（WFgrey），参考Hoekstra 等［28］提出的水足迹计算方法，以及水足迹评价手册中关于灰水足迹的计算方法［29］，粮食生产水足迹计算公式如下：

式中：ETgreen、ETblue分别为作物蒸发蒸腾中来自降水、灌溉的水量；Y为作物单位面积产量；10 为单位转换系数；ETc为作物蒸发蒸腾量，根据作物系数和Penman-Moteith公式基于气象数据计算得到［30］；Pe为有效降水量；L为灌溉水输配过程中的水面蒸发损失量。

式中：β为进入水体的污染物量占总化学物质施用量的比例，AR为化学物质施用率，cmax为水体的最大污染物容许浓度，cnat为污染物的自然本底浓度。

2.3 粮食生产水资源利用效率评价

数据包络分析（Data Envelopment Analysis， DEA）模型是一种非参数技术效率的分析方法，以投入产出数据为基础，可以实现对同类型可比较决策单元的有效评价，在产业经济、区域发展、资源利用等的效率评估方面应用广泛。 本研究采用Tone 改进的超效率SBM（Slack Based Measure）模型［31］，引入的非期望产出提高了模型的严谨性，非径向、非角度地对多个决策单元进行决策评价［32-33］。 每个决策单元有N种投入（x1，x2，…，xN）、M种期望产出（y1，y2，…，yM）和I种非期望产出（b1，b2，…，bI）。

式中：ρ*为粮食作物生产水资源利用效率，分别为投入冗余、期望与非期望冗余的松弛量，zk为求解参数。

当ρ*≥1 时，表明决策单元具有效率；当ρ*＜1时，表明决策单元存在效率损失现象。 在投入产出指标的选择中，考虑粮食生产过程对水资源的需求以及指标选择的代表性和可获得性，选取农业用水量、农业从业人员数量、有效灌溉面积、农业机械总动力、化肥施用量作为投入指标，粮食产量和粮食生产灰水足迹分别为期望产出和非期望产出。

2.4 数据来源

山西省各地级市与粮食生产相关的投入和产出数据（如粮食播种面积和产量、农业从业人口、灌溉面积、农业机械总动力等）来源于山西省及各地级市统计年鉴，水资源总量及各部门利用数据和水质数据来源于《山西省水资源公报》，气象数据（如气温、降水、风速和日照时数）来源于中国气象数据网（http：∥data.cma.cn），作物系数和生育期参考联合国粮农组织数据库。 灰水足迹计算使用最大容许浓度与自然本底浓度方法，采取《中华人民共和国地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中Ⅲ类水标准。

3 结果与分析

3.1 山西省各地级市水资源稀缺状况

在本研究中，根据水稀缺指数将缺水情况分为4 个级别：低（＜1.0）、中［1.0，1.5）、高［1.5，2.0］、严重（＞2.0）［34-36］。 2011—2021 年山西省各地级市水稀缺指数变化如图2 所示。 从全省来看，2011—2021 年山西省水资源稀缺状况总体上趋于改善，水稀缺指数由2011 年的1.36 下降至2021 年的0.87，但随年份波动情况较为显著，部分年份水资源稀缺状况依然严峻，2015 年和2017 年稀缺等级达到严重级。

图2 2011—2021 年山西省各地级市水稀缺指数

结合地形来看，吕梁山和太行山之间的黄河支流汾河谷地各市如北部的大同、朔州，中部的省会太原，南部的运城等，水资源稀缺较为严重。 2011—2021 年太原、朔州、大同的水资源稀缺状况均达到严重级，运城市在2013—2019 年间的水资源稀缺状况也达到严重级。 导致这一现象的原因各市不尽相同，晋北地区水稀缺指数较高的原因是可用水资源量偏低，晋西南地区处于黄河“几”字弯的末端，可用水资源丰沛，但水质条件相对较差，且区域用水量大，造成了结构性稀缺。 太行山沿线和吕梁山地区的阳泉、长治、晋城、长治、吕梁等市的水稀缺状况在中级以下。

3.2 粮食生产水足迹时空特征

山西省6 种粮食作物单位产量水足迹在2011—2021 年间波动变化［见图3（a）］显示，2021 年小麦、玉米、豆类和薯类单位产量水足迹相较于2011 年略有上升，谷子、高粱单位产量水足迹略有下降，说明在气候、灌溉的共同作用下，6 种主要粮食作物在研究期内的单位产量水足迹保持基本稳定。 不同粮食作物单位产量的水足迹具有较大差异，豆类单位产量水足迹最高（2.37 m3／kg），其次分别为小麦、谷子、薯类和高粱，单位产量水足迹最低的是玉米（0.66 m3／kg）。 单位产量豆类的水足迹是玉米的3.6 倍。

图3 2011—2021 年山西省粮食生产水足迹年际变化

山西省粮食生产水足迹总量在这一时期呈现波动下降的态势［见图3（b）］，仅在2013—2015 年出现了小幅上升，2011 年到2021 年下降了8.9%，这主要与粮食总产量和粮食生产结构变化有关。 从作物类型来看，玉米水足迹占粮食生产水足迹总量的比例最高，其次是小麦，二者之和占全部粮食生产水足迹的80%以上。 高粱、谷子、薯类等杂粮和新主粮作物的水足迹占比从2011 年的11%上升至2021 年的15%左右。 蓝水和绿水占全部水足迹的比例分别稳定在40%和60%［见图3（c）］。

山西省大部分地级市单位产量粮食作物综合水足迹在2011—2021 年都保持下降的趋势，但阳泉市和长治市分别从2011 年的1.52 m3／kg 和1.13 m3／kg 上升至2021 年的2.22 m3／kg 和1.45 m3／kg（见表1）。 运城、临汾、吕梁等沿黄河干流地级市单位产量粮食作物综合水足迹较高，2011—2021 年的平均值分别为2.05、1.93、1.87 m3／kg。 晋中市单位产量粮食作物综合水足迹均值为区域最低，仅为1.06 m3／kg。

表1 2011 年和2021 年山西省各地级市单位产量粮食作物生产水足迹m3／kg

山西省粮食生产水足迹总量呈现出“北低南高，东低西高”空间特征（见图4）。 晋西南地区的运城、临汾是区域粮食生产水足迹总量最高的地区，年平均水足迹总量在15 亿m3以上，这部分归因于该区域是山西省小麦种植集聚区，单位产量水足迹较高。 区域粮食生产水足迹总量次高区是晋西和晋北的吕梁、忻州、朔州和大同，年均水足迹总量为10 亿m3左右，非主粮作物形成的水足迹为全省最高。 晋东南地区的长治、晋城以及晋中市为玉米主导的产区，年均水足迹总量在8 亿m3以下。 太原和阳泉为水足迹总量最低的地区。

图4 山西省各地级市粮食生产水足迹总量时空差异

3.3 粮食生产水资源利用效率分析

研究选取2011—2021 年中6 个年份山西省各地级市作为决策单元，测算其粮食生产的水资源利用效率（见表2）。 结果显示，实现有效利用的决策单元共15 个，占总决策单元（66 个）的22.7%，约五分之一的决策单元在粮食生产过程中实现了水资源有效利用。整体来看，2011—2021 年山西省粮食生产的水资源利用效率有所提高。 晋北地区（包括大同市、朔州市、忻州市）2011 年以来粮食生产水资源利用效率显著提高，年均增幅分别达到15%、10.3%、11.3%，同时伴随灰水足迹这一非期望产出的减少。 尽管这些地区水资源稀缺水平较高，但是粮食生产处于高产及高效用水状态，其中朔州市在2017 年以后即实现粮食生产的水资源有效利用。

表2 2011—2021 年山西省各地级市粮食生产水资源利用效率

在山西省11 个地级市中，长治市和阳泉市粮食生产的水资源利用效率始终处于较高水平，水资源稀缺水平较低，粮食生产规模较大且实现了水资源有效利用。 此外，太原市、吕梁市粮食生产的水资源利用效率偏低，灰水足迹冗余率较高。 晋城市粮食生产的水资源利用效率呈下降趋势，灰水足迹冗余率显著提高。太原市作为山西省省会，社会经济发展水平较高，面临严峻的水资源稀缺尤其是水质性缺水问题，粮食生产规模较小且水资源利用效率低下。 晋城市和吕梁市的水资源稀缺程度较低，但灰水足迹偏高，水质性缺水问题突出，粮食生产的水资源利用效率亟待提高。

4 讨论

从水资源稀缺（压力）、水资源足迹（状态）、水资源效率（响应）3 个维度对2011 年和2021 年山西省各地级市农业水资源利用状况进行评价，结果如图5 所示。 整体来看，散点分布向内、向上聚集，说明山西省粮食生产的水资源利用情况好转，水稀缺情况得到改善，大部分城市水资源利用效率提升，但水足迹降低。从空间上来看，晋北地区的忻州、大同、朔州粮食生产水资源利用效果较差，特别是大同和朔州水资源稀缺压力较大，水足迹偏高，而水资源利用效率偏低；晋中地区的吕梁和晋中市水资源稀缺压力小，水足迹偏低，具备进一步扩大粮食产量的水资源潜力，应当在兼顾提高水资源利用效率的同时提高粮食生产的用水量，在保障区域粮食生产和供给方面发挥更重要的作用；晋南地区运城和晋城2011 年粮食生产水资源利用效率接近，但2021 年呈现对角分布，且粮食产量差距有进一步扩大的趋势，运城需要考虑进一步扩大谷子、高粱等单位产量水足迹较低的非主粮作物的种植面积，从而降低水足迹。

图5 山西省各地级市粮食生产水资源利用综合评价

5 结论

本研究以黄河流域粮食生产极具旱作农业特色的山西省为案例，在兼顾水量和水质双重影响下评估了区域水资源稀缺压力状况，核算了2011—2021 年小麦、玉米、谷子、高粱、豆类、薯类生产的蓝水、绿水和综合水足迹，评测了2011—2021 年山西省粮食生产水资源利用效率，结果显示：2011—2021 年山西省水资源稀缺情况总体上得到了改善，稀缺指数由2011 年的1.36下降至2021 年的0.87，但随年份波动情况较为显著，部分年份水资源稀缺状况依然严峻。 不同粮食作物单位产量的水足迹具有较大差异，生产单位产量豆类的水足迹是玉米的3.6 倍。 玉米生产水足迹占粮食生产水足迹总量的比例最高，其次是小麦，二者之和占全部粮食生产水足迹的80%以上。 高粱、谷子、薯类等杂粮和新主粮作物的水足迹占比从2011 年的11%上升至2021 年的15%左右。 大部分地级市粮食作物单位产量综合水足迹在2011—2021 年都保持了下降的趋势，运城、临汾、吕梁等沿黄河干流地级市粮食作物单位产量综合水足迹较高。 在空间上，粮食生产水足迹总量呈现出“北低南高，东低西高”空间特征。 粮食生产的水资源利用效率有所提高，长治市和阳泉市粮食生产的水资源利用效率始终处于较高水平，太原市、吕梁市粮食生产的水资源利用效率偏低，灰水足迹冗余率较高。