基于水足跡理論的石嘴山市農(nóng)業(yè)用水評價

陳月娟

(石嘴山市農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)辦公室，寧夏 石嘴山 753000)

水資源作為一種重要的自然資源，既是自然環(huán)境的重要組成部分，又是人類賴以生存和發(fā)展不可缺少的一種寶貴資源，同時還是戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源。目前水資源短缺和污染己對我國糧食安全、生態(tài)環(huán)境安全、經(jīng)濟安全等產(chǎn)生顯著影響。農(nóng)業(yè)作為第一產(chǎn)業(yè)，是國民經(jīng)濟建設(shè)和發(fā)展的重要基礎(chǔ)和支撐，農(nóng)業(yè)水資源的可持續(xù)利用一直都是學(xué)界的關(guān)注點。包曉斌提出高效節(jié)水是保證我國農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用的根本出路；王浩等在對我國農(nóng)業(yè)水資源形勢進行分析后，提出建設(shè)節(jié)水高效的現(xiàn)代灌溉農(nóng)業(yè)和集雨增效的現(xiàn)代旱作農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略舉措；徐學(xué)良提出加強農(nóng)業(yè)水資源的管理是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化有序推進的重要保障；張華等以水貧困理論為基礎(chǔ)，提出“農(nóng)業(yè)水貧困”概念，發(fā)現(xiàn)我國雖面臨較嚴重的農(nóng)業(yè)水貧困問題，但情況已有所好轉(zhuǎn)。

水足跡計算方式簡單，并且連接了生產(chǎn)者與消費者的足跡，結(jié)果真實可靠，因此被廣泛地運用在水資源的可持續(xù)利用研究中。該理論由荷蘭屯特大學(xué)Hoekstra教授于2002年提出，并將其形象地解釋為“水在生產(chǎn)和消費過程中踏過的腳印”。自其概念及核算方法被提出以來，得到了眾多學(xué)者的支持和運用，目前主要圍繞產(chǎn)品(或區(qū)域)水足跡評價、基于水足跡的區(qū)域水資源安全研究和區(qū)域水足跡可持續(xù)性分析3個方面開展。2010年以來，水足跡在農(nóng)業(yè)用水上的應(yīng)用逐漸增多。如：黃晶率先基于水足跡對北京市農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)變化進行了分析；劉莉等對四川各市(州)農(nóng)業(yè)水足跡時空變化進行了分析；李澤紅等對武威農(nóng)業(yè)水足跡變化進行了相關(guān)分析；王旭等利用水足跡對寧夏中衛(wèi)市農(nóng)業(yè)水資源進利用行了評價。

石嘴山市處于干旱半干旱區(qū)，蒸發(fā)量是降水量的10～14倍，水資源更是起到了“以水定業(yè)”“以水定人”的重要作用，其農(nóng)業(yè)水資源的利用效果對于區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展意義重大。本文以水足跡理論為指導(dǎo)思想，對石嘴山市農(nóng)業(yè)利用效果進行評價，以期為石嘴山市農(nóng)業(yè)水資源的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)和建議。

1 研究區(qū)概況

石嘴山市居于寧夏回族自治區(qū)北部黃河中游上段，屬于典型溫帶大陸性氣候，降水量集中，蒸發(fā)強烈，全市年平均降水量在167.5～188.8mm，年蒸發(fā)量在1708.7～2512.6mm，是降水量的10～14倍，處于干旱半干旱地區(qū)。石嘴山市經(jīng)濟發(fā)展快速，人口規(guī)模不斷擴大，耕地面積不斷擴張，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值不斷提高。2007—2015年間，人均GDP由28240元/人增加到61845元/人，9年內(nèi)增長了近1.2倍；人口由454501人增加到780339人，9年內(nèi)增加了325838人；農(nóng)業(yè)播種面積由87396hm2增加到99397hm2，9年內(nèi)增12001hm2；農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占區(qū)域經(jīng)濟總產(chǎn)值的比重由2.57%增加到5.44%，9年內(nèi)增加了1倍多。農(nóng)業(yè)灌溉用水已占到全市總用水量的88%左右，因此客觀地評價農(nóng)業(yè)水資源的利用效果對于石嘴山市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展意義重大。

2 方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 農(nóng)業(yè)水足跡計算

水足跡是指一定區(qū)域內(nèi)人口生活、生產(chǎn)、生態(tài)消費產(chǎn)品和服務(wù)所消耗的水資源總量。該理論從生產(chǎn)和消費兩個方面來描述區(qū)域?qū)λY源的真實需求與占用，相比于傳統(tǒng)水資源消費測算方法更加全面真實，其計算方法主要有：①自上而下法，②自下而上法，③投入產(chǎn)出法，④產(chǎn)品生命周期法。本文考慮數(shù)據(jù)的可獲得性，采用自上而下的方法對石嘴山市的農(nóng)業(yè)水足跡進行計算，得出農(nóng)業(yè)開發(fā)對水資源的真實占用情況。具體計算過程如下。

(1)

式中，WF—農(nóng)業(yè)水足跡總量，Pi—第i種農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量，VWCi—第i種農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的單位質(zhì)量的虛擬水含量。

2.2 水足跡效益

水足跡效益也被稱為水資源集約利用度，可以用單位農(nóng)業(yè)水足跡所創(chuàng)造的經(jīng)濟價值來表征，主要用來衡量區(qū)域農(nóng)業(yè)對水資源的利用效率，能夠反映出區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展所付出的水資源代價。其數(shù)值越大，表明區(qū)域農(nóng)業(yè)對水資源的利用效率越高；反之，則表明區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源利用程度較低。計算公式如下：

(2)

式中，WE—農(nóng)業(yè)水足跡的效益，GDP—區(qū)域農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟產(chǎn)值，WF—農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的總水足跡。

2.3 數(shù)據(jù)來源

本文研究來源于2007～2015年《寧夏統(tǒng)計年鑒》《寧夏水資源公報》和《石嘴山市國民經(jīng)濟與社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，以及寧夏農(nóng)畜產(chǎn)品單位質(zhì)量虛擬水含量的相關(guān)成果，見表1。

3 結(jié)果與分析

3.1 農(nóng)業(yè)水足跡總量變化

2007～2015年間，石嘴山市農(nóng)業(yè)水足跡呈波動增長，如圖1所示，從2007年的8.10×108m3，增加到2015年的9.04×108m3，9年內(nèi)增加了0.94×108m3，年均增速為0.104×108m3/a。2012年農(nóng)業(yè)水足跡最高，達到9.79×108m3。人均農(nóng)業(yè)水足跡與水足跡總量呈同步變化趨勢，由2007年的1109.38m3/人，增加到2015年的1147.48m3/人，9年內(nèi)增加了38.1m3/人，年均增速為4.23m3/人；2011年人均農(nóng)業(yè)水足跡最高，達到1327.02m3/人。表明石嘴山市在農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中對水資源的占用不斷增加。由于地處干旱半干旱區(qū)，降水量少，蒸發(fā)量大，農(nóng)業(yè)發(fā)展對水資源的需求不斷增多，農(nóng)業(yè)灌溉用水占到總用水量的88%左右，嚴重擠占了工業(yè)、生活、生態(tài)用水，致使用水結(jié)構(gòu)失衡。

表1 石嘴山市單位農(nóng)—畜產(chǎn)品的虛擬水含量

圖1 石嘴山市農(nóng)業(yè)水足跡總量與人均量

3.2 農(nóng)業(yè)水足跡結(jié)構(gòu)變化

石嘴山市農(nóng)業(yè)水足跡分配不均勻如圖2.a所示，主要農(nóng)業(yè)產(chǎn)品水足跡總量中，糧食作物的水足跡最高，且相對穩(wěn)定，年平均值為4.28×108m3；畜產(chǎn)品的水足跡略有下降，由2007年的2.75×108m3下降到2015年的2.43×108m3，年平均值為2.59×108m3；經(jīng)濟作物的水足跡有所上升，由2007的1.28×108m3增加到2015年的2.27×108m3。且各農(nóng)業(yè)產(chǎn)品內(nèi)部的水足跡分配也不均勻如圖2.b、c、d所示，具體變化如下：

(1)就糧食作物而言，玉米的水足跡增長迅速，由2007年的160.09×106m3增加到2015年的236.29×106m3，增長速度達8.47×106m3/a；稻谷的水足跡緩慢增長，由2007年的119.07×106m3增加到2015年的141.30×106m3，增長速度達2.47×106m3/a；豆類的水足跡相對穩(wěn)定，由2007年的1.92×106m3增加到2015年的2.72×106m3，增長速度為0.09×106m3/a；小麥的水足跡不斷下降，由2007年的125.959×106m3下降到2015年的53.46×106m3，年均降速達8.05×106m3/a。

圖2 石嘴山市農(nóng)業(yè)水足跡結(jié)構(gòu)

(2)就經(jīng)濟作物而言，蔬菜的水足跡呈先上升后下降的趨勢，2007～2010年為上升階段，由98.77×106m3增加到137.04×106m3，2011～2015年為下降階段，由134.64×106m3減少到108.27×106m3，但總體還是增加了9.51×106m3；藥材的水足跡呈明顯的增長趨勢，由2007年的2.43×106m3增加到2015年的59.92×106m3，年均增速高達6.39×106m3/a；油料呈先增加后穩(wěn)定的變化特征；瓜果相對穩(wěn)定在均值5.71×106m3上下輕微波動。

(3)就畜產(chǎn)品而言，牛肉和牛奶的水足跡波動較大，進行線性趨勢擬合，發(fā)現(xiàn)系數(shù)為負值，表明二者呈波動下降趨勢；羊肉的水足跡呈穩(wěn)定增加趨勢，由2007年的3.57×107m3增加到2015年的4.84×107m3，增長了1.27×107m3，年均增速為0.14×107m3/a；豬肉和禽蛋的水足跡有所下降，前者由2.21×107m3，下降到1.04×107m3，下降了1.17×107m3，后者由2.42×107m3，下降到1.85×107m3，下降了0.58×107m3。

3.3 農(nóng)業(yè)水足跡效率變化

計算發(fā)現(xiàn)，石嘴山市水足跡效益呈明顯增加趨勢，如圖3所示，由2000年的0.41元/m3增加到2.90元/m3，9年內(nèi)增長了近6倍，年均增速達0.28元/m3。利用灰色預(yù)測模型中的均值差分GM(1，1)模型對農(nóng)業(yè)水足跡效益的數(shù)值進行模擬，發(fā)展系數(shù)a=-0.3109，灰色作用量b=0.2108，殘差=2.0686，平均相對誤差為28.1353%，可以發(fā)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)呈指數(shù)增加趨勢，表明石嘴山市農(nóng)業(yè)用水效率逐漸提高，單位水資源所能創(chuàng)造的農(nóng)業(yè)價值不斷上升。以農(nóng)業(yè)產(chǎn)品水足跡所占比例為橫坐標(biāo)，以水足跡效益為縱坐標(biāo)，做散點圖，發(fā)現(xiàn)糧食作物和畜產(chǎn)品呈“倒U”型，前者以48%為分水嶺(糧食作物的水足跡占比<48%時，其占比越高，水足跡效益越好；反之，糧食作物水足跡占比>48%時，其占比越高，水足跡效益越低)，后者以26%為分水嶺(畜產(chǎn)品的水足跡占比<26%時，其占比越高，水足跡效益越好；反之，畜產(chǎn)品水足跡占比>26%時，其占比越高，水足跡效益越低)，經(jīng)濟作物則呈指數(shù)式增長(y=0.0244e0.1538x)。結(jié)合宋智淵等人的研究成果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟作物對水資源的利用程度更高，單位水足跡所創(chuàng)造的經(jīng)濟價值較高。

由圖4可知，在主要農(nóng)業(yè)產(chǎn)品水足跡百分比中，糧食作物相對穩(wěn)定，所占比例最高，年平均值達47.74%；畜產(chǎn)品略有下降，由2007年的33.92%下降到2015年的26.87%，年平均值達28.70%；經(jīng)濟作物有所上升，由2007年的15.85%增加到2015年的25.16%，年平均值達23.56%。經(jīng)濟作物種植面積由2007年的8.53×104hm2增加到2015年的9.45×104hm2，9年內(nèi)增加了0.92×104hm2，年均增速為0.10×104hm2，糧食作物種植面積在均值6.72×104hm2附近波動，波動幅度在-0.09～0.26之間。經(jīng)濟作物的水足跡效益較高，其播種面積也高于糧食作物，表明石嘴山市農(nóng)業(yè)水資源的利用態(tài)勢良好。糧食作物的種植面積相對較小，但所需的水足跡卻是最高的，表明石嘴山市糧食作物的水資源利用效率有待提高。未來，應(yīng)在保證石嘴山市糧食安全的前提下，對農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)進一部調(diào)整，進一步適當(dāng)?shù)靥岣呓?jīng)濟作物的種植比例，尤其是經(jīng)濟價值高、耗水量小的產(chǎn)品。

圖3 石嘴山市水足跡效益

圖4 石嘴山市農(nóng)業(yè)水足跡比例與耕地面積變化

4 結(jié)語

本文以水足跡理論為指導(dǎo)思想，對石嘴山市的農(nóng)業(yè)用水效果進行客觀評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：研究時段內(nèi)，石嘴山市農(nóng)業(yè)水足跡總量和人均農(nóng)業(yè)水足跡呈同步增長趨勢，農(nóng)業(yè)灌溉用水已占到總用水量的88%，用水結(jié)構(gòu)失衡狀況日益突出。農(nóng)業(yè)水足跡在主要農(nóng)業(yè)產(chǎn)品間分配不均勻，糧食作物的水足跡最高，畜產(chǎn)品其次，經(jīng)濟作物的水足跡較低，且各主要農(nóng)業(yè)產(chǎn)品內(nèi)部的水足跡也分配不均衡，經(jīng)濟作物中蔬菜占比最高，畜產(chǎn)品中牛肉和牛奶占比最高；農(nóng)業(yè)水足跡效益逐步上升，經(jīng)濟作物水足跡效益高，播種面積大，表明石嘴山市農(nóng)業(yè)水資源利用態(tài)勢良好。