中國(guó)農(nóng)作物水足跡時(shí)空分布與影響因素分析

郭相平 高 爽 吳夢(mèng)洋 余 濤 操信春

(1.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210098；2.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院， 南京 210098)

0 引言

量化區(qū)域農(nóng)作物對(duì)水資源的需求可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水資源高效利用提供基礎(chǔ)[1]，而水足跡為此提供了有效的工具。作物水足跡為特定區(qū)域某種農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)水資源的真實(shí)利用量，可分為藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡[2]。藍(lán)水和綠水足跡分別用于作物生長(zhǎng)對(duì)灌溉水和有效降水的消耗，而灰水足跡為稀釋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的污染物使其達(dá)到環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所消耗掉的淡水量[2]?；趯?duì)水量的核算，兼顧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗水與對(duì)水環(huán)境的影響，水足跡為不同種類作物與水資源關(guān)系提供了統(tǒng)一而全面的衡量指標(biāo)。

學(xué)者在不同區(qū)域尺度對(duì)作物水足跡進(jìn)行了量化與分析，包括農(nóng)田[3]、灌區(qū)[4]、行政區(qū)[5]、流域[6]、國(guó)家[7]及全球[8]等。由于人口、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源等條件的典型性，中國(guó)范圍內(nèi)的農(nóng)作物(特別是糧食作物)水足跡被廣泛報(bào)道。吳普特等[9-10]對(duì)中國(guó)糧食生產(chǎn)水足跡進(jìn)行了全面的計(jì)算與分析，并以此為基礎(chǔ)評(píng)價(jià)了區(qū)域間虛擬水流動(dòng)及其對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源利用的影響；CAO等[11-13]利用水足跡工具、從藍(lán)綠水資源利用角度對(duì)中國(guó)灌區(qū)的糧食生產(chǎn)用水進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，闡明了省區(qū)灌溉農(nóng)田糧食生產(chǎn)用水效率的空間分布格局；孫世坤等[14]、CAO等[15]分別對(duì)全國(guó)尺度單一糧食作物藍(lán)綠水足跡空間分布格局及其影響因素進(jìn)行了研究。蓋力強(qiáng)等[16]對(duì)華北平原小麥和玉米作物生產(chǎn)藍(lán)、綠、灰水足跡進(jìn)行分析，提出減少小麥、玉米生產(chǎn)水足跡對(duì)華北平原具有重要的意義。流域尺度上，黃河、黑河等北方水資源- 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)系矛盾突出的流域是農(nóng)作物水足跡評(píng)價(jià)與分析的重點(diǎn)[17-18]。省區(qū)農(nóng)作物水足跡分析上，付強(qiáng)等[19]計(jì)算了黑龍江省各地區(qū)糧食水足跡，并比較了糧食水足跡與單產(chǎn)需水量的差異；文獻(xiàn)[20-21]分別在計(jì)算陜西和江蘇作物水足跡的基礎(chǔ)上，對(duì)區(qū)域藍(lán)水和廣義水資源壓力進(jìn)行了評(píng)價(jià)。此外，典型灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡也受到關(guān)注，文獻(xiàn)[22-23]研究了河套灌區(qū)小麥等作物水足跡，而CAO等[3]對(duì)江蘇省漣西灌區(qū)的水稻水足跡進(jìn)行了觀測(cè)。

當(dāng)前研究在量化不同區(qū)域尺度下作物生長(zhǎng)與水資源利用之間關(guān)系上取得了重要進(jìn)展。然而，由于研究對(duì)象單一，能評(píng)判所觀察作物的水資源利用效率及其組成，而不能全面識(shí)別區(qū)域農(nóng)作物播種對(duì)水資源的真實(shí)需求。本文基于水足跡理論與方法，核算中國(guó)31個(gè)省區(qū)農(nóng)作物水足跡，分析農(nóng)作物水足跡及作物生產(chǎn)水足跡的時(shí)空變化并探索其影響因素。以期在提供中國(guó)農(nóng)作物- 水資源之間關(guān)系全局信息的基礎(chǔ)上，為農(nóng)業(yè)水資源高效利用相關(guān)策略的制定提供參考。

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 區(qū)域農(nóng)作物水足跡

區(qū)域農(nóng)作物水足跡(AWF)即為該區(qū)域所播種的所有作物水足跡之和，為

AWF=∑CWFi

(1)

其中

CWF=CWFblue+CWFgreen+CWFgrey

(2)

CWFblue=ETblueA

(3)

CWFgreen=ETgreenA

(4)

式中CWF——作物水足跡，Gm3

CWFblue——作物藍(lán)水足跡，Gm3

CWFgreen——作物綠水足跡，Gm3

CWFgrey——作物灰水足跡，Gm3

ETblue、ETgreen——作物生育期灌溉水消耗量和有效降水消耗量，mm

A——作物播種面積，khm2

ETblue與ETgreen可基于氣象數(shù)據(jù)、利用彭曼公式計(jì)算得到[14,24]。其中，有效降水消耗量以旬為步長(zhǎng)，計(jì)算公式為[25]

(5)

式中P、Pe——旬降水量和旬有效降水量，mm

作物灰水足跡的計(jì)算公式為[24]

CWFgrey=αR/(cmax-cnat)

(6)

式中R——每公頃土地的化肥施用量，kg

α——淋溶率(即進(jìn)入水體的污染量占總化學(xué)物質(zhì)施用量的比例)，%

cmax——最大容許濃度，kg/m3

cnat——污染物的自然本底濃度，kg/m3

由于同一稀釋水能同時(shí)稀釋多種污染物，因此在計(jì)算稀釋污染物的需水量時(shí)由所需稀釋水量最大的污染物決定，前人考慮到數(shù)據(jù)的可獲得性和代表性，以稀釋淋失氮的需水量為代表，取氮肥施用量的5%～15%作為淋失氮[26]，本文選取氮肥施用量的10%作為淋失氮，稀釋標(biāo)準(zhǔn)為每升飲用水中不能超過(guò)10 mg的氮，即α=10%，cmax=0.01 kg/m3，受納水體的自然本底濃度在無(wú)人為影響的自然條件下設(shè)為零。

農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡，即單位耕地面積水足跡的計(jì)算公式為

MWF=AWF/S

(7)

式中S——區(qū)域耕地面積，m2

1.2 通徑分析

通徑分析通過(guò)對(duì)自變量與因變量之間表面直接相關(guān)性的分解，來(lái)研究自變量對(duì)因變量的直接重要性和間接重要性，即將相關(guān)系數(shù)分解為直接通徑系數(shù)(某一自變量對(duì)因變量的直接作用)和間接通徑系數(shù)(該自變量通過(guò)其他變量對(duì)因變量的間接作用)[27-28]。本文從時(shí)間和空間角度分別進(jìn)行通徑分析，探究影響中國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡時(shí)間變化與空間分布的主控因素。從氣候條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)要素3個(gè)方面篩選的潛在影響因子包括降水量(X1)、人口密度(X2)、人均GDP(X3)、人均純收入(X4)、化肥施用量(X5)、糧食單產(chǎn)(X6)、灌溉水利用系數(shù)(X7)、高耗水作物面積比(X8)、農(nóng)業(yè)用水比重(X9)及灌溉面積比重(X10)。其中，高耗水作物面積比為糧食作物播種面積與農(nóng)作物總播種面積的比值；灌溉面積比重為有效灌溉面積與耕地面積的比值。

1.3 數(shù)據(jù)收集與處理

本文的研究時(shí)段為1996—2015年。根據(jù)《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》分類，農(nóng)作物包括糧食(稻谷、小麥、玉米、其他谷物、豆類和薯類)、棉麻(棉花、麻類)、油料(花生、油菜籽和其他油料)、糖料(甘蔗、甜菜)、水果(蘋果、柑桔、梨、葡萄、香蕉和其他水果)和其他(桑蠶、煙葉和茶葉)六大類。用于作物水足跡計(jì)算的氣象數(shù)據(jù)來(lái)自位于31個(gè)省區(qū)內(nèi)的835個(gè)氣象站[29]，參數(shù)包括降水量、月平均氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度以及日照時(shí)數(shù)等，下載于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)；各省區(qū)總用水量、農(nóng)業(yè)用水量和灌溉水利用系數(shù)來(lái)自1997—2015年中國(guó)水資源公報(bào)及各省區(qū)水資源公報(bào)及大型灌區(qū)測(cè)算數(shù)據(jù)；各省區(qū)歷年作物播種面積、耕地面積、有效灌溉面積、作物產(chǎn)量、化肥施用量、農(nóng)村人均純收入、年末人口數(shù)以及人均GDP來(lái)自《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》(1997—2016)。

2 結(jié)果與分析

2.1 中國(guó)農(nóng)作物水足跡

中國(guó)農(nóng)作物水足跡在1996—2015年間的平均值為1 421.07 Gm3，其中藍(lán)水、綠水和灰水足跡分別為142.80、949.18、329.19 Gm3，分別占總量的10.05%、66.79%及23.16%，綠水在中國(guó)農(nóng)作物水資源需求中占主導(dǎo)地位。歷年農(nóng)作物藍(lán)水、綠水及灰水足跡如圖1所示。

圖1 1996—2015年中國(guó)農(nóng)作物水足跡及其組成的變化趨勢(shì)Fig.1 Changing trend of crop water footprint and its composition in China in 1996—2015

由圖1可知，中國(guó)農(nóng)作物水足跡的年際變化趨勢(shì)大致分為2個(gè)階段。第1階段從1996—2002年呈現(xiàn)遞減態(tài)勢(shì)，由1 368.88 Gm3減少到1 316.36 Gm3，年均減少0.65%；第2階段從2002—2014年呈現(xiàn)遞增態(tài)勢(shì)，由1 316.36 Gm3增加到1 576.79 Gm3，年均增加1.52%。綠水足跡比例基本維持在65%～68%之間，近10 a呈微弱下降趨勢(shì)。綠水足跡年際變化情況與水足跡基本一致，第1階段由917.12 Gm3減少到886.70 Gm3，第2階段由886.70 Gm3增加到1 037.41 Gm3；灰水和藍(lán)水占比小，分別在22.62%～23.54%和9.45%～10.67%之間，兩階段年均變化率分別為0.75%和2.18%。第1階段綠水足跡比例呈上升趨勢(shì)，藍(lán)水和灰水足跡比例下降；在第2階段則相反。作物耗水類型以綠水資源為主，隨著農(nóng)作物需水量的不斷增加，藍(lán)水和灰水資源的需求量不斷增長(zhǎng)。為觀察不同種類水足跡在中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗水中的作用，給出各類作物水足跡占總量比例的年均值，如圖2所示。糧食和水果水足跡均值分別為5 907.80 Gm3和6 178.16 Gm3，分別占總量的41.57%與43.48%，糧食作物中稻谷、玉米和小麥分別占總量的12.75%、11.66%和11.30%。水果和糧食作物水足跡之和占水足跡總量的85.05%，二者主導(dǎo)著中國(guó)農(nóng)作物水足跡的走向。

圖2 中國(guó)農(nóng)作物水足跡的作物種類結(jié)構(gòu)Fig.2 Crop species structure of crop water footprint in China

結(jié)合圖1和圖2可知，中國(guó)農(nóng)作物水足跡的變化趨勢(shì)主要受水果和糧食類作物的影響。1996—2002年稻谷、小麥和玉米的產(chǎn)量呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，分別由19 510.4、11 057.1、12 747.0萬(wàn)t減少到17 454.0、9 029.0、12 131.0萬(wàn)t，這導(dǎo)致水資源消耗比例較大的綠水資源量減少；2002—2014年農(nóng)作物水足跡呈現(xiàn)年際遞增態(tài)勢(shì)，這是因?yàn)樵摃r(shí)段水果類作物產(chǎn)量和糧食作物產(chǎn)量逐年增長(zhǎng)，其中稻谷、小麥和玉米產(chǎn)量分別由17 454.0、9 029.0、12 131.0萬(wàn)t增加到20 650.7、12 620.8、21 564.6萬(wàn)t，水果類作物產(chǎn)量由6 951.8萬(wàn)t增加到26 142.2萬(wàn)t。雖然水果和糧食作物單位產(chǎn)量水足跡逐年減少，但是單位產(chǎn)量水足跡的減少幅度遠(yuǎn)不如作物產(chǎn)量增加的幅度，使得該階段的作物水足跡逐年增加。

2.2 農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡的時(shí)空格局

1996—2015年中國(guó)年均耕地面積1.24億hm2，農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡均值為1 156.90 mm，其中藍(lán)水、綠水和灰水足跡分別為116.3、772.6、268.0 mm，歷年農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡如圖3所示。

圖3 1996—2015年中國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡Fig.3 Water footprint of crop production in China in 1996—2015

由圖3可知，除1998—1999年間出現(xiàn)較大跌落外，其余年份均呈現(xiàn)平穩(wěn)增加態(tài)勢(shì)。作物生產(chǎn)水足跡的變化現(xiàn)象主要與中國(guó)耕地面積的變化密切相關(guān)，1999年全國(guó)耕地面積從0.99億hm2增加到1.34億hm2，農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡從1 376.8 mm下降到1 007.4 mm；2007年全國(guó)耕地面積從1.34億hm2減少到1.24億hm2，作物生產(chǎn)水足跡由1 037.57 mm增加到1 151.12 mm。當(dāng)耕地面積變化不大時(shí)，作物生產(chǎn)水足跡變化趨勢(shì)主要受水足跡的影響，2007—2014年我國(guó)耕地面積保持在1.24億hm2左右，農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡由1 151.2 mm增加到1 275.3 mm。圖4給出了各省區(qū)作物生產(chǎn)水足跡及其組成的年均值，同時(shí)計(jì)算出各省區(qū)作物生產(chǎn)水足跡在20年間的變異系數(shù)和年均變化率，以觀察不同地區(qū)農(nóng)作物水足跡變化情況，如表1所示。

圖4 1996—2015年中國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡及其組成空間分布圖Fig.4 Water footprint and its spatial distribution of crop production in China in 1996—2015

區(qū)域變異系數(shù)年均變化率/%區(qū)域變異系數(shù)年均變化率/%北京0.1431.2湖北0.174-0.4天津0.043-0.7湖南0.0980.3河北0.0390.1廣東0.1240.3山西0.1260.3廣西0.1510.5內(nèi)蒙古0.2043.3海南0.138-0.1遼寧0.144-1.2重慶0.0991.6吉林0.1320四川0.2480.5黑龍江0.1270.5貴州0.389-0.5上海0.1610.1云南0.299-0.7江蘇0.066-0.7西藏0.254-2.3浙江0.134-0.9陜西0.2361.6安徽0.118-0.7甘肅0.134-0.3福建0.098-0.5青海0.2120.3江西0.150-0.4寧夏0.2001.0山東0.126-1.4新疆0.3905.0河南0.071-0.8中國(guó)0.118-0.3

由圖4可知，中國(guó)農(nóng)作物水足跡呈現(xiàn)由東南向西北遞減的空間格局。除新疆外，綠水均為水足跡的最主要部分；藍(lán)水足跡比例由東南向西北遞增；各省區(qū)灰水足跡比例均保持在20%上下浮動(dòng)，區(qū)域差異小于藍(lán)水和綠水比例。年降水量大于1 100 mm的廣東、海南、江西、福建、浙江、湖南、廣西、湖北、上海、重慶10個(gè)省區(qū)，除福建和廣東大于2 000 mm外，作物生產(chǎn)水足跡均在1 000～2 000 mm之間，綠水足跡比例均在68%～76%之間；年降水量介于550～1 100 mm的江蘇、貴州、安徽、云南、四川、山東、遼寧、河南、吉林、陜西10個(gè)省區(qū)中，云南、貴州、吉林作物生產(chǎn)水足跡均小于1 000 mm，山東作物生產(chǎn)水足跡在2 000 mm以上，其余省份作物生產(chǎn)水足跡則在1 000～2 000 mm之間，綠水足跡比例均在65%～75%之間，比年降水量大于1 100 mm的省區(qū)整體下浮了3%；年降水量小于550 mm的河北、黑龍江、天津、西藏、北京、青海、山西、內(nèi)蒙古、甘肅、新疆及寧夏11個(gè)省區(qū)，除了北京、新疆、天津和河北外，作物生產(chǎn)水足跡均小于1 000 mm，綠水足跡比例在30%～75%之間，變化較大。東南地區(qū)降水充足，作物生產(chǎn)水足跡和綠水資源可利用量均較大，這直接導(dǎo)致灌溉需水和藍(lán)水比例較??；華北地區(qū)降水資源短缺，多年平均降水量不足500 mm，卻是中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和糧食產(chǎn)出較高的地區(qū)之一，雖然能極大程度地利用降水資源，但仍需補(bǔ)充大量灌溉用水，因此作物生產(chǎn)水足跡較高而綠水足跡比例明顯低于南方濕潤(rùn)地區(qū)；西部大部分省區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)出規(guī)模較小是作物生產(chǎn)水足跡較低的直接原因，新疆在降水資源缺乏的條件下成為中國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大區(qū)，和灌溉水的利用密不可分，從而使得藍(lán)水足跡比例全國(guó)最大。東北地區(qū)耕地資源豐富，但較低的復(fù)種指數(shù)導(dǎo)致了農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡明顯低于華北平原和東南地區(qū)。

由表1可知，西北和西南省區(qū)變異系數(shù)較大，大部分在0.200以上，其中新疆0.390為全國(guó)最大；華北、華東和華中地區(qū)的變異系數(shù)均較小，大多數(shù)省份低于0.100，其中最小值的河北為0.039。變異系數(shù)與作物生產(chǎn)水足跡空間分布格局基本相反，即作物生產(chǎn)水足跡較大的省區(qū)變異系數(shù)較小，年際離散程度小。新疆、內(nèi)蒙古、西藏、陜西、寧夏、山東、北京、遼寧和重慶的作物生產(chǎn)水足跡年均變化率不小于1.0%，其中新疆年均變化率最大為5.0%；而青海、甘肅、山西、湖南、廣東、河北、海南、上海和吉林的年均變化率均不大于0.3%。

結(jié)合表1和圖4可知，作物生產(chǎn)水足跡空間格局由東南沿海向西北內(nèi)陸逐漸遞減。東南地區(qū)多年平均降水量充足，作物生產(chǎn)水足跡較大且年均變化不大，年際間分散性小，綠水資源可滿足作物70%左右的需水。由于山東、江蘇是農(nóng)業(yè)大省，作物種植面積和產(chǎn)量大，農(nóng)業(yè)用水量和藍(lán)水比例較大；西北地區(qū)降水資源稀少且時(shí)空分布不均，農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡較小且年際變化大，藍(lán)水比例明顯高于東部；西南地區(qū)降水高于全國(guó)平均水平，大部分省區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件不足，使得農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡較小，綠水是區(qū)域農(nóng)業(yè)耗水的主要來(lái)源；華北地區(qū)降水不足且年際變化較大，北京、天津、河北的作物生產(chǎn)水足跡較大，山西和內(nèi)蒙古作物生產(chǎn)水足跡較小，且北京和內(nèi)蒙古作物生產(chǎn)水足跡年均變化和藍(lán)水比例較大；東北地區(qū)耕地面積大，農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡小且穩(wěn)定，藍(lán)水比例比西北和華北地區(qū)小，但高于西南、東南地區(qū)，降水量不足給作物生產(chǎn)帶來(lái)了很大壓力，直接或間接增加了農(nóng)業(yè)用水和作物產(chǎn)量的不確定性，導(dǎo)致作物生產(chǎn)水足跡時(shí)空差異較大。

2.3 影響因素分析

20年間全國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡時(shí)間變化影響因素分析結(jié)果如表2所示。由于農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡的空間分布格局在不同年份總體上穩(wěn)定，故計(jì)算出1996—2015年作物生產(chǎn)水足跡及自變量均值進(jìn)行水足跡空間分布的影響因素分析，結(jié)果如表3所示。

由表2可知，各影響因素的直接通徑系數(shù)絕對(duì)值由大到小依次為X5、X2、X4、X7、X3、X9、X8、X1、X6、X10，表明化肥施用量、人口密度、人均純收入對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡的直接影響較大，直接通徑系數(shù)分別為1.409、-1.173、0.566；而有效灌溉面積比重、糧食單產(chǎn)、平均降水量的直接影響較小，直接通徑系數(shù)分別為-0.013、0.022、-0.026。通過(guò)對(duì)各因子之間的間接通徑系數(shù)分析可知：就社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素組內(nèi)而言，各變量通過(guò)人口密度和人均純收入對(duì)作物生產(chǎn)水足跡的影響較大，其中人均GDP、人均純收入通過(guò)人口密度對(duì)因變量的間接通徑系數(shù)分別為-1.087、-1.046；各因素主要通過(guò)化肥施用量與灌溉水利用系數(shù)對(duì)作物生產(chǎn)水足跡產(chǎn)生影響，其中糧食單產(chǎn)、灌溉水利用系數(shù)、農(nóng)業(yè)用水比重、有效灌溉面積比重通過(guò)化肥施用量對(duì)因變量的間接通徑系數(shù)分別為1.260、1.072、-0.798、1.244；社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素主要通過(guò)化肥施用量對(duì)作物生產(chǎn)水足跡產(chǎn)生較大正影響，并通過(guò)灌溉水利用系數(shù)對(duì)作物生產(chǎn)水足跡產(chǎn)生較小負(fù)影響；而生產(chǎn)要素主要通過(guò)人口密度和人均純收入對(duì)作物生產(chǎn)水足跡產(chǎn)生影響，化肥施用量、糧食單產(chǎn)、灌溉水利用系數(shù)和有效灌溉面積比重主要通過(guò)人口密度對(duì)作物生產(chǎn)水足跡產(chǎn)生負(fù)影響，通過(guò)人均純收入對(duì)作物生產(chǎn)水足跡產(chǎn)生較小正影響；高耗水作物面積比和農(nóng)業(yè)用水比重則主要通過(guò)人口密度對(duì)作物生產(chǎn)水足跡產(chǎn)生較大正相關(guān)影響，并通過(guò)人均純收入對(duì)作物生產(chǎn)水足跡產(chǎn)生較小負(fù)相關(guān)影響，對(duì)作物生產(chǎn)水足跡的總影響系數(shù)主要取決于各變量通過(guò)人口密度對(duì)因變量產(chǎn)生的影響；此外，降水量主要通過(guò)化肥施用量對(duì)作物生產(chǎn)水足跡產(chǎn)生影響。有效灌溉面積比重、化肥施用量、高耗水作物面積比、糧食單產(chǎn)的總影響系數(shù)分別為0.949、0.722、0.609、0.403，對(duì)作物生產(chǎn)水足跡時(shí)間變化影響最大的變量為化肥施用量、人口密度和人均純收入。

表2 中國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡時(shí)間變化影響因素分析結(jié)果Tab.2 Analysis results of influence factors on water footprint of crop production in China with time change

表3 中國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡空間分布影響因素分析結(jié)果Tab.3 Analysis results of influence factors on water footprint of crop production in China with spatial change

由表3可知，各影響因素直接通徑系數(shù)絕對(duì)值由大到小依次為X5、X4、X1、X2、X3、X8、X9、X6、X10、X7。與時(shí)間變化不同的是，除了化肥施用量、人均純收入和人口密度之外，平均降水量對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡的直接影響也較為明顯，X5、X4、X1、X2的直接通徑系數(shù)分別為0.863、0.552、-0.250、-0.241；而灌溉水利用系數(shù)、有效灌溉面積比重、糧食單產(chǎn)對(duì)作物生產(chǎn)水足跡空間分布的直接影響較小，直接通徑系數(shù)分別為0.041、-0.055、0.069。對(duì)間接通徑系數(shù)分析可得：各個(gè)自變量對(duì)因變量的間接作用均主要通過(guò)人均純收入和化肥施用量對(duì)作物生產(chǎn)水足跡產(chǎn)生影響，其中氣候條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素以及生產(chǎn)要素中的X5、X6、X7、X10對(duì)作物生產(chǎn)水足跡產(chǎn)生正相關(guān)間接作用，而生產(chǎn)要素的X8、X9對(duì)作物生產(chǎn)水足跡產(chǎn)生負(fù)相關(guān)的間接作用。數(shù)據(jù)顯示，化肥施用量、有效灌溉面積比重、人均純收入、糧食單產(chǎn)對(duì)作物生產(chǎn)水足跡空間變化的總影響居于前4位，總影響系數(shù)分別為0.887、0.677、0.637、0.564，化肥施用量和人均純收入對(duì)作物生產(chǎn)水足跡空間分布影響較大。

3 討論

本文從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水資源需求出發(fā)，分析了中國(guó)農(nóng)作物水足跡及作物生產(chǎn)水足跡時(shí)空差異的影響因素。發(fā)現(xiàn)，農(nóng)作物水足跡中，綠水占據(jù)絕對(duì)的主導(dǎo)部分，來(lái)自灌溉的藍(lán)水足跡僅為水足跡總量1/10。當(dāng)前以糧食為主的作物水足跡組成狀況核算，藍(lán)水足跡約占1/3[9-12]，明顯高于本文的計(jì)算結(jié)果。這是因?yàn)榧Z食作物需水量大且生育期長(zhǎng)、為灌溉水消耗的重要主體，其他作物以綠水資源作為耗水的主要來(lái)源。不同種類農(nóng)作物均為社會(huì)提供功能不可替代的初級(jí)農(nóng)產(chǎn)品，此外，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、居民生活水平提高和消費(fèi)模式的轉(zhuǎn)變，經(jīng)濟(jì)作物種植將越來(lái)越受到重視。所以僅以糧食為對(duì)象進(jìn)行水足跡評(píng)估能夠揭示灌溉在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要性，但不能全面衡量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)水源的真實(shí)占用，也有可能低估綠水資源在保障人類農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)中的重要作用。需要指出的是，作物灰水足跡在不同區(qū)域均占有較大比例，大部分區(qū)域內(nèi)大于藍(lán)水足跡。降低農(nóng)作物灰水足跡應(yīng)該成為區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)- 水資源之間關(guān)系調(diào)控的重要內(nèi)容。同時(shí)，本文以單位面積農(nóng)作物水足跡來(lái)衡量區(qū)域的作物生產(chǎn)水足跡，不僅使不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型地區(qū)作物生產(chǎn)水足跡具有可比較性，也是進(jìn)行作物生產(chǎn)水足跡影響因素識(shí)別的重要基礎(chǔ)。人口密度、人均純收入和化肥施用量是農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡隨時(shí)間變化的主要驅(qū)動(dòng)因子，而降水量、人均GDP和人均純收入是其空間分布格局的主要關(guān)聯(lián)要素。除降水量外，人口、收入、GDP等社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件是影響中國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡時(shí)空分布格局的主要因子，而耕地灌溉率、灌溉效率等與藍(lán)水資源利用息息相關(guān)的灌溉管理要素，直接影響非作物生產(chǎn)水足跡條件。這同時(shí)也間接印證了綠水資源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主導(dǎo)地位?？紤]不同作物種類、不同需水類型是對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)水足跡進(jìn)行調(diào)控從而保障農(nóng)產(chǎn)品可靠供應(yīng)和水資源持續(xù)利用的重要前提。通過(guò)本文分析可知，發(fā)展經(jīng)濟(jì)是進(jìn)行農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡調(diào)控的原動(dòng)力，可以促進(jìn)化肥施用量降低、灌溉用水效率提高從而降低農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡。同時(shí)均衡區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展也能促進(jìn)不同區(qū)域間農(nóng)業(yè)水資源利用效率的全面提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)需要占用超過(guò)1 400 Gm3的水資源，其中綠水占2/3，是農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)的主要支撐；糧食和水果水足跡占總量的85%以上，主導(dǎo)著農(nóng)作物水足跡的走向。作物生產(chǎn)水足跡20 a的變化趨勢(shì)呈先下降后上升態(tài)勢(shì)。中國(guó)農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡整體呈現(xiàn)從東南向西北逐漸遞減的趨勢(shì)，降水量大省區(qū)，作物生產(chǎn)水足跡也較大，綠水足跡比例較大，藍(lán)水足跡比例較小，作物生產(chǎn)水足跡年際間穩(wěn)定。作物生產(chǎn)水足跡時(shí)空差異歸因分析表明，發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物水足跡調(diào)控的重要前提，在此基礎(chǔ)上可以通過(guò)以下措施對(duì)農(nóng)作物水足跡進(jìn)行調(diào)控：減少化肥農(nóng)藥的使用，改善土壤理化性狀和質(zhì)地，降低由水環(huán)境污染引起的水資源消耗；提高灌溉水利用效率以節(jié)約農(nóng)業(yè)水資源；在地下水嚴(yán)重開采的地區(qū)減少高耗水作物的種植面積，保護(hù)地下水資源；提高有效灌溉面積比重，實(shí)現(xiàn)水資源利用的最佳狀態(tài)。

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