云南省城鄉(xiāng)居民膳食消費的水足跡計算及評價

通信作者: 張代青,博士,講師。E-mail: dqzhang10@126.com

云南省城鄉(xiāng)居民膳食消費的水足跡計算及評價

何開為,張代青,侯瑨,李志勇

(昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院,云南 昆明650500)

摘要：基于水足跡理論方法,計算分析云南省2005—2010年城鄉(xiāng)居民膳食消費水足跡。利用Shannon-Wiener指數(shù)評價此6年間城鄉(xiāng)居民膳食結(jié)構(gòu)水足跡的多樣性特征,運用灰色關(guān)聯(lián)法對各類膳食食品消耗與膳食水足跡消耗總量進行關(guān)聯(lián)度分析。結(jié)果表明:每年城鎮(zhèn)居民膳食消費水足跡均高于農(nóng)村居民;各類食物水足跡所占比例中,糧食和豬肉所占比例較大;城鎮(zhèn)居民膳食結(jié)構(gòu)水足跡多樣性明顯高于農(nóng)村居民,但農(nóng)村居民膳食結(jié)構(gòu)水足跡多樣性總體呈上升趨勢;糧食、豬肉、水果的消費與水足跡消耗總量關(guān)聯(lián)程度較高。

關(guān)鍵詞：虛擬水；水足跡;膳食消費;多樣性;關(guān)聯(lián)分析;云南省

作者簡介:何開為(1993—),男,本科生,水文與水資源工程專業(yè)。E-mail: 634869360@qq.com

中圖分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2015)05-0114-05

Abstract：Based on the theories and methods of water footprint,water footprint of dietary consumption of urban and rural residents from 2005 to 2010 in Yunnan Province was calculated and analyzed. The diversity feature of dietary consumption in the six years is evaluated with Shannon-Wiener index. The correlation between total amounts of the consumption of all kinds of diet food and the consumption of water footprint is analyzed,using grey correlation method. The results show that urban residents’ water footprint of dietary consumption was higher than rural residents’; Grain and pork account for a larger proportion than other food water footprint; Urban residents’ water footprint of dietary structure was more diverse than rural residents’,while there has been a general uptrend in the diversity of rural residents’ water footprint of dietary structure; Grain,pork and fruit consumption has strong correlation with water footprint consumption,can reflect the variation tendency of the total water footprint consumption.

收稿日期：(2014-12-16編輯：徐娟)

Calculation and evaluation of water footprint about dietary consumption of

urban and rural residents in Yunnan Province

HE Kaiwei,ZHANG Daiqing,HOU Jin,LI Zhiyong

(SchoolofElectricalEngineering,KunmingUniversityofScienceand

Technology,Kunming650500,China)

Key words： virtual water; water footprint; dietary consumption; diversity; correlation analysis; Yunnan Province

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人口規(guī)模的增加,人類消耗糧食越來越多,伴隨著虛擬水消耗也日益劇增。所謂“虛擬水”是指產(chǎn)品和服務(wù)所需要的水資源數(shù)量[1-4],它由倫敦大學(xué)的Allan教授首次提出。虛擬水不是真正意義的水,它以看不見的形式蘊涵在各種產(chǎn)品當中,例如:生產(chǎn)一個100g的蘋果需要70L水,生產(chǎn)1kg雞肉需要4 t水,生產(chǎn)1kg牛肉需要16t水等。因此,社會中的產(chǎn)品消費實質(zhì)上是間接地消費水資源。為了追蹤產(chǎn)品中的虛擬水,Hoekstra等[5]于2002年首次提出了水足跡的概念,并定義水足跡為任何已知人口(國家、地區(qū)或者個人)在一定時間內(nèi)消耗的所有產(chǎn)品和服務(wù)所需要的水資源數(shù)量。由于虛擬水主要集中在人類產(chǎn)品或食物中,且動物性產(chǎn)品的虛擬水含量要高于植物性產(chǎn)品,因此膳食食物作為人類必需品攜帶著大量的虛擬水,膳食結(jié)構(gòu)的差異顯著影響水足跡的量值,也使得人類水資源的消耗與人類膳食消費關(guān)系密切。筆者以云南省為例,基于人類膳食消費模式系統(tǒng)規(guī)劃與管理水資源,應(yīng)用虛擬水和水足跡理論方法,分析計算2005—2010年云南省城鄉(xiāng)居民膳食消費的水足跡及其變化特征,探討各類膳食食品消耗量與膳食水足跡消耗總量之間的關(guān)聯(lián)度。

1膳食水足跡的虛擬水計算

1.1主要農(nóng)產(chǎn)品虛擬水計算方法

目前計算農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量的方法主要有兩種,一種是Chapagain等[4]提出的研究不同產(chǎn)品生產(chǎn)樹(production tree)的方法,另一種是Zimmer等[5]基于對不同產(chǎn)品類型的區(qū)分提出的計算方法。農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量的具體計算視產(chǎn)品分類的不同而異。本文采用文獻[5-6]所提計算方法,根據(jù)其計算原理,農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的需水量主要取決于農(nóng)作物的類型、生長區(qū)域的自然條件、氣候條件、地理條件、使用的灌溉系統(tǒng)和管理方式等綜合因素。單一農(nóng)作物產(chǎn)品虛擬水含量計算式為

(1)

(2)

(3)

式中:Dc為某區(qū)域作物c的虛擬水含量,m3/t;Yc為某區(qū)域作物c的產(chǎn)量，t/hm2;Rc為某區(qū)域作物c的需水量,m3/hm2；l為整個生長期天數(shù);Tc,d表示作物在c的整個種植過程中每天累計蒸發(fā)蒸騰量,mm/d；T0,d為參考作物的蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Kc為作物系數(shù)。

T0,d一般根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的標準彭曼公式[8]計算:

式中:Rn為作物表面的凈輻射,MJ/(m2·d);Δ為飽和水汽壓與溫度相關(guān)曲線的斜率,kPa/℃;G為土壤熱通量,MJ/(m2·d);T為平均空氣溫度,℃;U2為2m高的風(fēng)速，m/s;ea、ed分別為飽和水氣壓與實際水氣壓,kPa;γ為濕度計常數(shù),kPa/℃。

1.2膳食消費品虛擬水含量

1.2.1主要作物產(chǎn)品虛擬水含量

由于2007年相關(guān)數(shù)據(jù)較全面、完整,氣候和土壤等數(shù)據(jù)接近2005—2010年間平均值。所以筆者選用2007年為代表年,利用該年數(shù)據(jù)來計算作物產(chǎn)品虛擬水含量。根據(jù)來源于FAO的CLIMATE數(shù)據(jù)庫和CROP數(shù)據(jù)庫有關(guān)中國部分的2007年云南省各地區(qū)氣象和土壤等數(shù)據(jù),采用FAO推薦的Cropwat8.0軟件,將上述數(shù)據(jù)輸入式(4),得到作物的蒸發(fā)蒸騰水量T0,d。再與該軟件所提供的各種農(nóng)作物系數(shù)Kc相乘,得到作物累計蒸發(fā)蒸騰量Tc,d。最后按照式(2)計算得到全省16個州市8種不同類型作物需水量Rc,采用該類型作物需水量乘以各地區(qū)作物種植面積占全省比例進行加權(quán)計算,獲得全省不同初級作物產(chǎn)品的平均需水量。考慮不同作物產(chǎn)量和最終作物產(chǎn)品加工轉(zhuǎn)化率,得到不同作物產(chǎn)品虛擬水含量(表1)。

表1　主要作物產(chǎn)品虛擬水含量

注:①云南省各地區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量、種植面積來源于2008年《云南統(tǒng)計年鑒》。②糧食包括稻谷、小麥、玉米、豆類和薯類等5大類,其虛擬水含量根據(jù)這5種產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)加權(quán)平均計算所得。③V為初級產(chǎn)品最終產(chǎn)品率,Lc為最終產(chǎn)品虛擬水含量,Dc為初級產(chǎn)品虛擬水含量,Lc為 最終產(chǎn)品虛擬水含量。V=Dc/Lc,依據(jù)我國統(tǒng)計部門的折算方法將不同作物初級產(chǎn)品換算成最終產(chǎn)品。

1.2.2主要動物產(chǎn)品虛擬水含量

動物產(chǎn)品虛擬水含量的計算除需要飼料作物需水量參數(shù)外,還需考慮動物飲水、服務(wù)用水、動物產(chǎn)品加工用水參數(shù),計算過程復(fù)雜、數(shù)據(jù)較多且難以獲得。筆者參考國際虛擬水研究，得到有關(guān)中國部分的動物產(chǎn)品單位質(zhì)量虛擬水含量計算成果,具體見表2。

表2　主要動物產(chǎn)品虛擬水含量 　m 3/kg

2城鄉(xiāng)居民膳食結(jié)構(gòu)水足跡消耗計算

2.1城鎮(zhèn)居民膳食結(jié)構(gòu)水足跡計算

根據(jù)云南省城鎮(zhèn)居民各類膳食食品人均年消費量數(shù)據(jù)和各類膳食消費品單位質(zhì)量虛擬水的含量,計算2005—2010年城鎮(zhèn)居民人均膳食水足跡及各類食物水足跡消耗所占比例,結(jié)果見表3。

表3　2005—2010年云南省城鎮(zhèn)居民人均膳食消費水足跡　m 3/人

注:城鎮(zhèn)居民年人均食品消費數(shù)量來源于2006—2011年《云南統(tǒng)計年鑒》、2006—2011年《中國農(nóng)業(yè)年鑒》、2006—2011年《中國人民生活統(tǒng)計年鑒》。

表4　2005—2007年云南省農(nóng)村居民人均膳食消費水足跡　m 3/人

注:農(nóng)村居民年人均食品消費數(shù)量來源于2006—2011年《云南統(tǒng)計年鑒》、2006—2011年《中國農(nóng)業(yè)年鑒》、2006—2011年《中國人民生活統(tǒng)計年鑒》。

表3顯示:云南省城鎮(zhèn)居民人均膳食消費水足跡在2005—2007年間呈下降趨勢,2007—2010年波動變化,但總體保持在510m3/人以上。2007年受全國肉類價格大幅上漲影響,年人均肉類產(chǎn)品消費量下降,導(dǎo)致全年人均膳食消費水足跡降低,達到2005—2010年間歷史最小值(510.24m3/人)。2008年4月起全國肉類價格出現(xiàn)急劇下跌現(xiàn)象,年人均肉類產(chǎn)品消費量比2007年大幅增加,使得豬肉、牛肉、羊肉等肉類水足跡消耗達近年最高值,因此人均膳食水足跡也達到2005—2010年間歷史最大值(548.77m3/人)。6年間,糧食水足跡和油料水足跡總體呈下滑趨勢,家禽、蔬菜、水產(chǎn)品、水果等水足跡保持平穩(wěn),蛋類和奶類波動較大,其余肉類總體呈上升趨勢。各類食物水足跡所占比例中,糧食和豬肉所占比例較大,蔬菜、羊肉、家禽所占比例較小。2005—2010年中,糧食和豬肉平均水足跡所占比例分別為20.82%、14.93%。

2.2農(nóng)村居民膳食結(jié)構(gòu)水足跡計算

根據(jù)云南省農(nóng)村居民各類膳食食品人均年消費量的數(shù)據(jù)和各類膳食消費品單位質(zhì)量虛擬水的含量,計算2005—2010年農(nóng)村居民人均膳食水足跡及各類食物水足跡消耗所占比例,結(jié)果見表4。

表4顯示:云南省農(nóng)村居民人均膳食消費水足跡在2008—2010年間呈下降趨勢,2005—2008年間有波動變化。2010年,云南省遭遇百年一遇的全省性特大旱災(zāi),導(dǎo)致全省數(shù)百萬農(nóng)村人口缺水,作物產(chǎn)量受嚴重影響,人均膳食消費量自然有所下降,因此人均膳食水足跡達到2005—2010年間歷史最小值(455.21m3/人)。2006年作為“十一五”規(guī)劃的開局之年,省政府加大農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟建設(shè),全年農(nóng)民收入增幅高于全國平均水平。人均膳食消費量也有較大增幅,使得人均膳食水足跡達到2005—2010年間歷史最大值(500.88m3/人)。在此6年間,同城鎮(zhèn)居民水足跡消耗一樣,糧食和油料水足跡總體也呈下滑趨勢。肉類水足跡呈上升趨勢,蔬菜和奶類保持較平穩(wěn)。相對于城鎮(zhèn)居民,農(nóng)村居民羊肉、奶類、水產(chǎn)類所占人均水足跡比例很小。糧食、油料、豬肉所占比例較大。2005—2010年中,糧食、油料、豬肉平均水足跡所占比例分別為57.71%、4.14%、21.21%。

3膳食食品消耗與膳食結(jié)構(gòu)水足跡消耗的分析與評價

3.1城鄉(xiāng)居民膳食結(jié)構(gòu)水足跡的多樣性評價

Shannon-Wiener指數(shù)H[9]來源于信息理論,廣泛運用于生物種群生態(tài)多樣性的評價計算。它的計算公式表明,群落中生物種類增多代表了群落的復(fù)雜程度增高,即H值愈大,群落所含的信息量愈大。利用Shannon-Wiener指數(shù)來評價城鄉(xiāng)居民膳食結(jié)構(gòu)水足跡的多樣性,可以科學(xué)、數(shù)據(jù)化地反映居民膳食結(jié)構(gòu)水足跡消費水平的高低,膳食結(jié)構(gòu)水足跡多樣性,各種膳食結(jié)構(gòu)水足跡分配平等性,膳食結(jié)構(gòu)搭配均勻性。其計算公式如下:

(5)

式中:i為各種膳食消費品;Pi為第i種膳食消費品水足跡所占總水足跡比例;n為膳食消費品種類數(shù)。

根據(jù)表3和表4所計算的2005—2010年間云南省城鄉(xiāng)居民人均膳食消費水足跡,利用Shannon-Wiener指數(shù)計算多樣性,得到城鄉(xiāng)居民膳食結(jié)構(gòu)水足跡多樣性指數(shù)(圖1)。

圖1　城鄉(xiāng)居民膳食結(jié)構(gòu)水足跡多樣性指數(shù)

從圖1中可見,2005—2010年間,城鎮(zhèn)居民膳食結(jié)構(gòu)水足跡多樣性保持平穩(wěn),均在2.22左右。農(nóng)村居民膳食結(jié)構(gòu)水足跡多樣性總體有所增長,正逐步拉近與城鎮(zhèn)居民膳食結(jié)構(gòu)水足跡多樣性的差異,2008年,差值最小，為0.78。由于城鎮(zhèn)居民收入高于農(nóng)村居民收入以及部分食品銷售具有市場區(qū)域性等因素,城鎮(zhèn)居民在市場價格較高的肉類、奶類、水果等食品的消費量明顯高于農(nóng)村居民。因此,導(dǎo)致城鎮(zhèn)居民膳食結(jié)構(gòu)搭配較均勻,膳食結(jié)構(gòu)水足跡多樣性明顯高于農(nóng)村居民。不過,隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進,農(nóng)村居民的收入不斷提高,農(nóng)村食品市場建設(shè)不斷完善,農(nóng)村居民膳食結(jié)構(gòu)水足跡的多樣性將不斷提高,逐漸縮小與城鎮(zhèn)居民的差距。

3.2灰色關(guān)聯(lián)度分析法簡介

灰色關(guān)聯(lián)系統(tǒng)[10-11]是一個發(fā)展變化的系統(tǒng),關(guān)聯(lián)度分析事實上是動態(tài)過程發(fā)展態(tài)勢的量化分析。確切地說,是發(fā)展態(tài)勢的量化比較分析。做關(guān)聯(lián)分析,首先要選準反映系統(tǒng)行為特征的數(shù)據(jù)序列,即映射量,從而用映射量來間接表征系統(tǒng)行為,然后構(gòu)造參考數(shù)據(jù)列X0:

假設(shè)Xj(j=0,1,2,…,n)為系統(tǒng)的多個因素,個數(shù)需經(jīng)過深入分析才能確定。選取其中一個因素X0作為比較基準,X0可以表示為數(shù)列,稱為基準數(shù)列:

(6)

式中:k為時刻；X0(k)為因素X0在k時刻的觀察值。

假設(shè)另外有m個需要與基準因素比較的因素數(shù)列,稱為比較數(shù)列:

(7)

則比較數(shù)列對基準數(shù)列在時刻k的關(guān)聯(lián)系數(shù)定義為

(8)

(9)

由式(9)可知,關(guān)聯(lián)度是把各個時刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)集中為一個均值,它可以將過于分散的信息集中起來處理。

3.3關(guān)聯(lián)度計算分析

根據(jù)表3、表4所計算的2005—2010年間云南省城鄉(xiāng)居民人均膳食消費水足跡,構(gòu)造初始化數(shù)列。運用灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析方法,對膳食食品消耗與膳食結(jié)構(gòu)水足跡消耗進行關(guān)聯(lián)分析,得到關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度數(shù)值(表5)。

表5　關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度數(shù)值

表5結(jié)果顯示:豬肉和糧食的水足跡消耗與膳食水足跡消耗關(guān)聯(lián)度較大,分別為0.949、0.887。牛肉水足跡消耗與膳食水足跡消耗關(guān)聯(lián)度最小,為0.498。說明了豬肉和糧食的水足跡消耗對膳食水足跡消耗影響較大,牛肉水足跡消耗對膳食水足跡消耗關(guān)聯(lián)度影響最小。從初始化數(shù)據(jù)序列圖(圖2)可看出,豬肉、糧食的水足跡消耗初始化數(shù)據(jù)序列與人均膳食水足跡消耗初始化數(shù)據(jù)序列基本擬合。由此得出,豬肉、糧食的水足跡消耗可以作為膳食水足跡消耗趨勢的衡量依據(jù)。豬肉、糧食膳食水足跡消耗的多少可以反映出居民膳食結(jié)構(gòu)水足跡的消耗水平。

圖2　初始數(shù)據(jù)序列

4結(jié)語

基于水足跡理論方法及2005—2010年云南省有關(guān)資料,應(yīng)用Shannon-Wiener指數(shù)和灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析等方法,探討了云南省城鄉(xiāng)居民人均膳食結(jié)構(gòu)及膳食消費水足跡問題。結(jié)論如下:

a. 對于人均膳食消費水足跡,城鎮(zhèn)居民高于農(nóng)村居民,且糧食、豬肉、油料等所占水足跡比重較大;對于人均糧食消費水足跡,農(nóng)村居民明顯高于城鎮(zhèn)居民;對于高價格肉類食品人均消費水足跡,農(nóng)村居民遠低于城鎮(zhèn)居民。總的變化趨勢為:隨著生活質(zhì)量的提升,城鄉(xiāng)居民糧食水足跡消耗逐步減少,肉類水足跡消耗穩(wěn)步上升。

b. 城鎮(zhèn)居民膳食結(jié)構(gòu)水足跡保持平穩(wěn),約為2.22;農(nóng)村居民膳食結(jié)構(gòu)水足跡有所增長,且城鄉(xiāng)居民膳食結(jié)構(gòu)水足跡之間的差距有逐漸縮小的趨勢。

c. 城鄉(xiāng)居民豬肉、糧食、水果的水足跡消耗與膳食水足跡消耗關(guān)聯(lián)度較大,其初始化數(shù)據(jù)序列與膳食水足跡消耗初始化數(shù)據(jù)序列基本擬合。豬肉、糧食、水果的水足跡消耗可作為膳食水足跡消耗趨勢的衡量依據(jù)。

人類膳食消費模式直接影響水資源消耗量,面對當前水資源短缺現(xiàn)狀,探求膳食消費模式與水資源消耗量的關(guān)系,構(gòu)建節(jié)約型生態(tài)膳食消費模式顯得尤為重要。但由于膳食消費結(jié)構(gòu)的多樣性和營養(yǎng)搭配的復(fù)雜性使人類膳食消費模式也千差萬別。因此,本文的研究尚剛剛起步,在后續(xù)研究工作尤其在兼顧營養(yǎng)搭配的膳食消費結(jié)構(gòu)的多樣性方面,還有待于進一步開展更多更深入的研究。

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