1988—2015年新疆農(nóng)業(yè)用水時(shí)空變化與政策驅(qū)動(dòng)研究
——基于農(nóng)作物水足跡的統(tǒng)計(jì)分析

張 沛，龍愛(ài)華，海 洋，鄧曉雅，王 浩，劉 靜，李 揚(yáng)

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100038）

0 引言

全球農(nóng)業(yè)用水占總用水量的70%～75%［1-3］，農(nóng)業(yè)用水是人類開(kāi)發(fā)利用水資源系統(tǒng)以及影響生態(tài)系統(tǒng)的主要擾動(dòng)因素，科學(xué)地定量農(nóng)業(yè)用水是合理配置與調(diào)控區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用的基礎(chǔ)工作［4］。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)依賴傳統(tǒng)逐級(jí)統(tǒng)計(jì)的用水量計(jì)算方法，實(shí)踐證明其準(zhǔn)確性有待改進(jìn)。以新疆農(nóng)業(yè)用水統(tǒng)計(jì)為例，據(jù)2001—2010年新疆水資源公報(bào)，新疆農(nóng)業(yè)用水量從2001年的463.85×108m3緩慢增加至2010年的495.95×108m3，而新疆維吾爾自治區(qū)第一次水利普查結(jié)果顯示，2011年新疆農(nóng)業(yè)用水達(dá)到了591.75×108m3，這一突變凸顯出傳統(tǒng)的區(qū)域農(nóng)業(yè)用水量統(tǒng)計(jì)存在一定的問(wèn)題。源于虛擬水理論方法的水足跡概念理論與方法為真實(shí)測(cè)量農(nóng)業(yè)用水量提供了一種新思路和新方法，水足跡理論可以真實(shí)地反映一個(gè)地區(qū)或一個(gè)國(guó)家對(duì)水資源的真實(shí)需求和占用情況，用以表達(dá)人類對(duì)水資源系統(tǒng)水資源量的壓力大小［5-6］。目前，國(guó)際上對(duì)農(nóng)作物水足跡的研究大致集中在3個(gè)方面：一是對(duì)大宗和典型農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡的時(shí)空演變進(jìn)行探討［7-10］，或者橫向比較不同區(qū)域間農(nóng)作物水足跡的差異及影響因素［11-12］，為解決水資源短缺和創(chuàng)新水資源管理體制提供新思路［6］；二是基于農(nóng)作物水足跡對(duì)水資源壓力和用水結(jié)構(gòu)、效率進(jìn)行評(píng)價(jià)［13-15］，對(duì)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化［16］；三是對(duì)影響農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡的氣象和農(nóng)業(yè)投入因素進(jìn)行初步探索［17-19］。通過(guò)以上分析可知，水足跡理論從系統(tǒng)的角度出發(fā)，將經(jīng)濟(jì)、政策、資源與環(huán)境結(jié)合起來(lái)，從外部入手尋求解決途徑，從宏觀政策方面而不僅是從技術(shù)方面探究水資源消耗問(wèn)題。農(nóng)作物水足跡核算是研究其他行業(yè)、產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)和消費(fèi)水足跡的基礎(chǔ)，可以為解決水資源緊缺地區(qū)水安全與農(nóng)業(yè)用水科學(xué)調(diào)控提供參考［20-21］。

作為我國(guó)重要的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地，新疆生產(chǎn)了全國(guó)棉花的63%、甜菜的56%、葡萄的20%、梨的6%和糧食的2%［22］，干旱缺水的新疆成為大量輸出高耗水農(nóng)產(chǎn)品的典型，新疆農(nóng)業(yè)用水量不僅長(zhǎng)期以來(lái)占到其經(jīng)濟(jì)社會(huì)總用水量的95%以上。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，農(nóng)業(yè)灌溉規(guī)模更是不斷膨脹，農(nóng)業(yè)用水日益擠占生態(tài)環(huán)境用水，嚴(yán)重危害本底十分脆弱的生態(tài)環(huán)境［23］，農(nóng)業(yè)用水在未來(lái)也將會(huì)面臨巨大的挑戰(zhàn)［24］，但現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)難以客觀描述新疆農(nóng)業(yè)耗用的水資源量。因此，借助水足跡理論，探究在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大的背景下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)消耗的水資源，及其在時(shí)空上的分布和演變是本研究的核心問(wèn)題，也是當(dāng)?shù)卣椭T多學(xué)者最關(guān)注的焦點(diǎn)之一。此外，工業(yè)基礎(chǔ)薄弱等導(dǎo)致新疆區(qū)域經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，國(guó)家和新疆當(dāng)?shù)卣畬?shí)施的一系列經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略和政策對(duì)農(nóng)業(yè)用水的影響是本文研探的另一問(wèn)題。

本文以水足跡理論為指導(dǎo)，研究新疆28年間（1988—2015年）農(nóng)作物水足跡的時(shí)空分布及演變過(guò)程，探究新疆農(nóng)作物水足跡增長(zhǎng)的變化及驅(qū)動(dòng)機(jī)制，揭示農(nóng)作物水足跡與國(guó)家、地方政策和社會(huì)活動(dòng)之間的關(guān)系，以期為深入解析新疆農(nóng)業(yè)增長(zhǎng)與水資源開(kāi)發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境之間的時(shí)空演化關(guān)系，以及相關(guān)決策與政策制定提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆深居亞歐大陸內(nèi)陸腹地，位于73°25′～96°24′E、34°09′～49°08′N之間，總面積1.66×106km2，區(qū)內(nèi)地形地貌從北至南呈現(xiàn)鮮明的“三山夾兩盆”格局，分別為阿爾泰山脈、天山山脈和昆侖山山脈，以及阿爾泰山脈與天山山脈之間的準(zhǔn)噶爾盆地、天山山脈與昆侖山山脈之間的塔里木盆地，其中天山山脈將新疆地域分為北疆、南疆和東疆三大區(qū)域。區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域氣候干燥、降雨稀少，新疆多年平均年降水量為146.4 mm，其中北疆、南疆和東疆年均降水分別為215.0 mm、70.7 mm和21.7 mm；年均蒸發(fā)能力為1 600～2 300 mm，年均日照時(shí)數(shù)2 808.6 h。由于年溫差、日溫差均較大，冬寒夏熱，發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的光、熱和土地資源條件十分優(yōu)越。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年新疆農(nóng)作物總種植面積為6.13×106hm2，其中棉花的種植面積2.27×106hm2，小麥、玉米種植面積分別為1.24×106hm2和0.96×106hm2；同期新疆總供水量577.18×108m3，其中國(guó)民經(jīng)濟(jì)用水561.37×108m3；國(guó)民經(jīng)濟(jì)用水中農(nóng)業(yè)灌溉540.61×108m3①數(shù)據(jù)來(lái)源于新疆維吾爾自治區(qū)水利廳《新疆維吾爾自治區(qū)水資源公報(bào)2015》。，分別占第一產(chǎn)業(yè)用水、國(guó)民經(jīng)濟(jì)用水、新疆總用水的98.94%、96.30%和93.84%，是新疆用水的絕對(duì)主體。

1.2 研究方法

（1）農(nóng)作物水足跡計(jì)算

本次研究采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的Cropwat模型［25-26］區(qū)分計(jì)算了農(nóng)作物水足跡中的藍(lán)水足跡與綠水足跡，由于農(nóng)作物灰水足跡的計(jì)算方法及指標(biāo)尚未統(tǒng)一認(rèn)識(shí)［27］，且新疆的農(nóng)業(yè)灰水足跡量相對(duì)較小［28］，本次研究暫不考慮灰水足跡。農(nóng)作物綠水足跡的計(jì)算公式為

式中：WFPgreen為農(nóng)作物綠水足跡（m3·t-1）；CWUgreen為農(nóng)作物綠水用量（m3·hm-2）；Y（yield）為農(nóng)作物單位面積產(chǎn)量（t·hm-2）；ETgreen為農(nóng)作物綠水需水量（mm）；10是常量因子，是將水的深度（mm）轉(zhuǎn)化為單位陸地面積水量（m3·hm-2）的轉(zhuǎn)換系數(shù)；總和∑計(jì)算的是從種植日期（第一天）到收獲日期的積累量（lgp為length of growth process，表示生長(zhǎng)期的長(zhǎng)度，以日計(jì)量）；ETc為農(nóng)作物蒸發(fā)蒸騰量（mm），采用FAO推薦的Cropwat 8.0軟件計(jì)算；Peff為有效降雨量（mm）。

農(nóng)作物水足跡藍(lán)水足跡的計(jì)算公式為式中：WFPblue為農(nóng)作物藍(lán)水足跡（m3·t-1）；CWUblue為農(nóng)作物藍(lán)水用量（m3·hm-2）；ETblue為農(nóng)作物藍(lán)水需水量（mm）。其他量與上式相同。

計(jì)算得到新疆各個(gè)生產(chǎn)單元農(nóng)作物生產(chǎn)的藍(lán)水、綠水足跡后，藍(lán)水足跡與綠水足跡之和即為農(nóng)作物水足跡。

式中：CWF（crop water footprint）為農(nóng)作物水足跡總量；i為農(nóng)作物的種類。

（2）農(nóng)作物水足跡的空間計(jì)算

農(nóng)作物蒸散發(fā)計(jì)算所用的氣象數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象中心的66個(gè)位于新疆境內(nèi)的氣象站，基本覆蓋了新疆14個(gè)地州市。本次研究以各氣象站覆蓋區(qū)域內(nèi)的各種典型農(nóng)作物進(jìn)行計(jì)算，因此以地州市為分析單位的過(guò)程中，存在同一農(nóng)作物多個(gè)藍(lán)水、綠水用量的不同結(jié)果，為此需要將分析單元內(nèi)的各個(gè)氣象站計(jì)算結(jié)果進(jìn)行加權(quán)，才能夠得到該地區(qū)該農(nóng)作物藍(lán)水與綠水用量。本研究選用反距離加權(quán)法對(duì)該農(nóng)作物ET0數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算［29-30］。

式中：z0為待插值點(diǎn)的估計(jì)值；zi為控制點(diǎn)i的z值；di為控制點(diǎn)i與待插值點(diǎn)0之間的距離；n為在估算中用到的控制點(diǎn)的數(shù)目；k為指定的冪級(jí)，本研究中取值為2。

式中：（x0，y0）為待插值點(diǎn)0的坐標(biāo)；（xi，yi）為控制點(diǎn)i的坐標(biāo)；控制點(diǎn)i為氣象站點(diǎn)，待插值點(diǎn)0為每個(gè)地州市的中心點(diǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究計(jì)算了新疆近20種主要農(nóng)作物的藍(lán)、綠水足跡，所需的降水量、日照、濕度、氣溫、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象中心（http：//www.nmic.cn/），社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于統(tǒng)計(jì)年鑒（包括自治區(qū)年鑒和兵團(tuán)年鑒）［31-32］，部分缺失年份數(shù)據(jù)采用時(shí)間序列數(shù)據(jù)插值方法處理補(bǔ)充。本文所涉及的研究區(qū)及氣象站點(diǎn)分布如圖1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 新疆農(nóng)作物水足跡時(shí)空變化

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Map showing the topography and distribution of meteorological stations in Xinjiang

對(duì)新疆1988—2015年近20種主要農(nóng)作物的水足跡計(jì)算結(jié)果（圖2）表明，28年間新疆全境農(nóng)作物水足跡總量由1988年的130.24×108m3增加到2015年的464.80×108m3，增加了257%，年均增長(zhǎng)量為11.95×108m3。新疆1988—2015年農(nóng)作物水足跡序列的增長(zhǎng)趨勢(shì)表明（y=0.53x2-2.13×103x+2.11×106，R2=0.94），28年間新疆農(nóng)作物水足跡不僅處于快速增長(zhǎng)的階段，而且增長(zhǎng)速率越來(lái)越快（Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為6.50，P＜0.001）［33］。

圖2 新疆范圍內(nèi)1988—2015年農(nóng)作物水足跡總量及增長(zhǎng)趨勢(shì)Fig.2 Total amount and increase tendency of the crop water footprint in Xinjiang from 1988 to 2015

從新疆三大區(qū)域空間水足跡增長(zhǎng)看，28年間南疆、北疆和東疆三大區(qū)域農(nóng)作物水足跡的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)差異顯著，南疆農(nóng)作物水足跡增長(zhǎng)量的絕對(duì)值最大，趨勢(shì)也作為明顯，北疆次之，東疆相比較弱（見(jiàn)圖2）。南疆5個(gè)地州市地處干旱少雨的內(nèi)陸腹地，同時(shí)非農(nóng)經(jīng)濟(jì)極其落后，因此擴(kuò)張農(nóng)業(yè)種植規(guī)模便是區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的主要著力點(diǎn)，農(nóng)作物水足跡從1988年的73.91×108m3增加到2015年的270.50×108m3，總量增長(zhǎng)了266%，年均增加7.02×108m3；北疆地區(qū)雖然工業(yè)經(jīng)濟(jì)相對(duì)較為發(fā)達(dá)，但由于農(nóng)業(yè)發(fā)展條件較優(yōu)、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較快、規(guī)模化經(jīng)營(yíng)基礎(chǔ)較好，因此其農(nóng)業(yè)種植規(guī)模在近30年中獲得了不亞于南疆地區(qū)的擴(kuò)張速度，其水足跡從1988年的43.51×108m3增加到2015年的170.07×108m3，增長(zhǎng)了291%，年均增長(zhǎng)4.52×108m3；東疆地區(qū)水資源總量和農(nóng)業(yè)灌溉規(guī)?；鶖?shù)小，其水足跡從1988年的12.83×108m3增加到2015年的24.22×108m3，總量增加了88.8%，年均增長(zhǎng)量約0.41×108m3。

從14個(gè)地州市看，2015年農(nóng)作物水足跡超過(guò)40×108m3的地州市從高到低分別是喀什、阿克蘇、昌吉、巴州和塔城。阿克蘇和喀什是新疆灌溉規(guī)模最大的2個(gè)地州市，據(jù)2011年新疆水利普查結(jié)果，2011年底阿克蘇地區(qū)和喀什地區(qū)灌溉面積分別達(dá)0.93×106hm2和0.90×106hm2，占新疆灌溉面積的15.11%和14.64%?？死斠朗兄еa(chǎn)業(yè)是石油化工業(yè)，農(nóng)業(yè)規(guī)模很小，因此農(nóng)作物水足跡最小。從14個(gè)地州市的年均增長(zhǎng)量（圖3）可以看出，增長(zhǎng)量最高的是阿克蘇地區(qū)，高達(dá)2.73×108m3·a-1，其次是喀什地區(qū)，為2.42×108m3·a-1；吐魯番市農(nóng)作物水足跡雖然高于阿勒泰地區(qū)、克州和烏魯木齊市，但是年均增長(zhǎng)量卻很低，為0.04×108m3·a-1，僅僅高于克拉瑪依市，這一方面是吐魯番市水土資源開(kāi)發(fā)歷史悠久，但其水資源極其有限，農(nóng)作物種植規(guī)模早已到達(dá)其承載力極限，因此近30年年際間變化不顯著。

圖3 新疆各地州市農(nóng)作物水足跡年均增長(zhǎng)量Fig.3 The annual growth amount of crop water footprint in all prefectures and cities of Xinjiang

與我國(guó)“五年計(jì)劃”的部署相協(xié)調(diào)，本研究將整個(gè)研究時(shí)段劃分為1991—2000年（“八五”、“九五”期間）、2001—2010年（“十五”、“十一五”期間）和2011—2015年（“十二五”期間）三個(gè)時(shí)段進(jìn)行分析的結(jié)果（圖4）表明，1990年新疆范圍內(nèi)農(nóng)作物水足跡超過(guò)20.00×108m3的地州市分別是昌吉（37.50×108m3）、喀什（33.70×108m3）、阿克蘇（30.00×108m3）和伊犁（20.70×108m3）。1991—2000年期間，阿勒泰、博州、哈密、塔城、吐魯番和伊犁的農(nóng)作物水足跡量有所下降，其他地州市有不同幅度的上升。2000—2010年期間，各地州市的農(nóng)作物水足跡量均呈現(xiàn)大幅度上升的趨勢(shì)，博州、塔城、伊犁等地州市農(nóng)作物水足跡增長(zhǎng)的幅度超過(guò)了50%，然而“十二五”期間，僅僅5年內(nèi)新疆范圍內(nèi)農(nóng)作物水足跡的增長(zhǎng)量為128.00×108m3，比過(guò)去20年（1991—2010年）內(nèi)的增加量（127.00×108m3）還要多，表明自2010年以來(lái)開(kāi)始全面發(fā)力的全國(guó)對(duì)口援疆在一定程度上有力促進(jìn)了新疆農(nóng)業(yè)規(guī)模的迅速膨脹。其中喀什和阿克蘇的農(nóng)作物水足跡分別已經(jīng)達(dá)到99.90×108m3和95.10×108m3，這是塔里木河的兩條源流阿克蘇河與葉爾羌河流經(jīng)這兩個(gè)地州市，區(qū)域農(nóng)業(yè)引水便捷。

2.2 新疆農(nóng)作物藍(lán)水足跡與綠水足跡構(gòu)成及變化

由于農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和氣候條件存在差異，南、北和東疆之間藍(lán)水足跡與綠水足跡的構(gòu)成差異也較大，見(jiàn)圖5。從新疆范圍的藍(lán)水足跡與綠水足跡構(gòu)成［圖5（a）］看，新疆農(nóng)作物綠水足跡總量從1988年的25.68×108m3增加到2015年的89.37×108m3，在農(nóng)作物水足跡總量中的占比平均為17.05%?？梢钥闯觯m然農(nóng)作物綠水足跡數(shù)量上呈現(xiàn)增加趨勢(shì)［圖5（a）］，但在總水足跡中的占比呈現(xiàn)不顯著地下降趨勢(shì)。農(nóng)作物綠水足跡總量增加原因主要有兩個(gè)方面，一個(gè)是種植面積的擴(kuò)大，另一個(gè)是降水的增多［34-35］。種植面積的擴(kuò)張一方面使得農(nóng)作物承受降水的面積增大，降水量增加，有效降水的利用量也相應(yīng)增加，另一方面不少擴(kuò)張的種植面積源于對(duì)天然綠洲的開(kāi)發(fā)，農(nóng)業(yè)種植替代天然綠洲的結(jié)果從用水層面實(shí)際也是將生態(tài)環(huán)境用水轉(zhuǎn)換為人工消耗；近50年來(lái)整個(gè)新疆地區(qū)的降水量呈顯著的增加趨勢(shì)［36］，廣大干旱區(qū)由于降水量少、深層滲漏量小，地表和土壤截留占絕大部分，因此有效降水量相對(duì)較高，有些地方可以達(dá)到降水量的90%～95%；同時(shí)，品種改良也會(huì)提高農(nóng)作物對(duì)降水的利用，使綠水足跡增加。

圖4 新疆各地州市農(nóng)作物水足跡空間分布Fig.4 Spatial distribution of crop water footprint in all prefectures and cities of Xinjiang

從空間分布看，南疆地區(qū)多年平均年降水量?jī)H為70.7 mm（1988—2015年），使得其綠水足跡多年平均占比僅占農(nóng)作物水足跡的6.76%［圖5（b）］；平均降水量比南疆還少的東疆地區(qū)農(nóng)作物綠水足跡占農(nóng)作物水足跡的比例多年平均僅為3.55%［圖5（c）］；北疆地區(qū)的降水量相對(duì)較高，有效降水利用量較南疆和東疆地區(qū)高出許多，綠水足跡占比的平均值為31.45%［圖5（d）］。

3 新疆農(nóng)作物水足跡演變的驅(qū)動(dòng)機(jī)制

3.1 農(nóng)作物水足跡增長(zhǎng)的原因

氣候條件、農(nóng)業(yè)投入和種植結(jié)構(gòu)等是農(nóng)作物水足跡的變化的主要內(nèi)在因素［17-19］，而從水足跡以及參考農(nóng)作物蒸發(fā)量（ETc）［37］的計(jì)算方法來(lái)看，農(nóng)作物種植面積和產(chǎn)量是決定農(nóng)作物水足跡變化的直接因素。從農(nóng)作物水足跡與種植面積和農(nóng)作物產(chǎn)量增長(zhǎng)的趨勢(shì)來(lái)看，三者具有較好的一致性（如圖6所示），水足跡與種植面積、農(nóng)作物產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)分別為0.909和0.925，呈極顯著正相關(guān)（P＜0.001），這主要是因?yàn)檗r(nóng)作物種植面積與產(chǎn)量之間存在著強(qiáng)烈的共線性。為除去此共線性效應(yīng)并探究與農(nóng)作物水足跡的變化最為相關(guān)的因素，本研究采用年際間增長(zhǎng)率變化來(lái)探究二者與水足跡增長(zhǎng)之間的同步效應(yīng)與相關(guān)性。

表1 呈現(xiàn)了農(nóng)作物水足跡與農(nóng)作物種植面積、總產(chǎn)量年際增長(zhǎng)率之間的相關(guān)關(guān)系的配對(duì)t檢驗(yàn)結(jié)果。農(nóng)作物水足跡的年際增長(zhǎng)率與種植面積年際增長(zhǎng)率之間的相關(guān)性較總產(chǎn)量年際增長(zhǎng)率顯著且相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.88，并且配對(duì)t檢驗(yàn)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差均小于種植面積的年際增長(zhǎng)率，說(shuō)明農(nóng)作物水足跡與種植面積之間的相關(guān)性與同步效果更強(qiáng)。這是因?yàn)樾陆盁o(wú)灌溉則無(wú)農(nóng)業(yè)”的模式下種植面積的擴(kuò)張必然導(dǎo)致灌溉用水量的上升，從而引起了農(nóng)作物水足跡的升高。由此可見(jiàn)，農(nóng)作物種植面積的擴(kuò)張是新疆農(nóng)作物水足跡增長(zhǎng)的核心驅(qū)動(dòng)因素。

3.2 農(nóng)作物水足跡增長(zhǎng)突變及其與相關(guān)建設(shè)的適應(yīng)性

圖6 新疆農(nóng)作物水足跡與農(nóng)作物種植面積、總產(chǎn)量之間的關(guān)系Fig.6 Annual variations of crop planting area，crop water footprint and total crop output

28年間，雖然新疆農(nóng)業(yè)增加值在GDP中所占的比重呈現(xiàn)逐年降低的趨勢(shì)，但農(nóng)業(yè)依然是新疆的支柱型產(chǎn)業(yè)，尤其對(duì)南疆而言農(nóng)業(yè)仍是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)［38］。由前述分析可知，農(nóng)作物水足跡快速增長(zhǎng)源于農(nóng)業(yè)種植規(guī)模的急劇擴(kuò)張，為進(jìn)一步探求進(jìn)入快速增長(zhǎng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，對(duì)新疆農(nóng)作物水足跡進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)［33］，結(jié)果如圖7所示。檢驗(yàn)曲線［圖7（a）］顯示UF統(tǒng)計(jì)量曲線始終大于0且自1997年開(kāi)始超過(guò)了1.96（0.05顯著性水平），說(shuō)明這一時(shí)期水足跡總量呈現(xiàn)顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)且增長(zhǎng)勢(shì)頭越來(lái)越快。UF統(tǒng)計(jì)量曲線和UB統(tǒng)計(jì)量曲線相較于2005年處，說(shuō)明序列在2005年發(fā)生突變（F=9.63，P=0.005），即2005年之前水足跡總量增長(zhǎng)相對(duì)較為緩慢，而2005年之后的增長(zhǎng)趨勢(shì)日益加快。

表1 農(nóng)作物水足跡年增長(zhǎng)率與產(chǎn)量、種植面積年增長(zhǎng)率之間的相關(guān)關(guān)系Table 1 The relationships between annual growth rate of crop water footprint and growth rate of yield，planting area

以2005年作為分界點(diǎn)，分別對(duì)1998—2005年和2005—2015年兩個(gè)階段進(jìn)行線性趨勢(shì)擬合［圖7（b）］可知，1988—2005年間水足跡總量雖然有增加趨勢(shì)，但總體上來(lái)說(shuō)增長(zhǎng)速率不高，這一階段的線性擬合斜率（即整體變化率）為4.41（Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為4.17，P＜0.001）；而2005年之后，增長(zhǎng)的趨勢(shì)更加明顯，斜率達(dá)到了22.97（檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z為3.89，P＜0.001），即2005年之后水足跡的年均增長(zhǎng)量高達(dá)22.97×108m3，是前一階段增長(zhǎng)量的5.2倍。

圖8 （a）表明南疆水足跡總量的序列增長(zhǎng)存在突變點(diǎn)，發(fā)生突變的時(shí)間為2003年（UB統(tǒng)計(jì)量與UF統(tǒng)計(jì)量的交點(diǎn)，F(xiàn)=12.42，P=0.002）。2003年之后南疆水足跡的年均增長(zhǎng)量（12.87×108m3）是前一階段（2.87×108m3）的4.48倍［圖8（b）］。造成這一突變的主要原因是2003年前后塔里木河近期綜合治理部分工程已經(jīng)建成且尚未形成統(tǒng)一的管理格局，造成了農(nóng)業(yè)灌溉引水的任意與便捷，從而促進(jìn)了實(shí)際灌溉面積的增加。

新疆北部地區(qū)（包括東疆的哈密、吐魯番和北疆的7個(gè)地州市）農(nóng)作物水足跡的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)的結(jié)果［圖9（a）］顯示，UF統(tǒng)計(jì)量曲線與UB統(tǒng)計(jì)量曲線相交于2007年，說(shuō)明新疆北部地區(qū)農(nóng)作物水足跡序列在2007年前后的增長(zhǎng)速度存在著顯著的差異（F=5.89，P=0.02），即2007年之前增長(zhǎng)的趨勢(shì)較為緩慢，年均增長(zhǎng)量（即斜率）為1.77×108m3，而2007年之后年均增長(zhǎng)量為9.12×108m3，是前一階段的5.15倍［圖9（b）］。這可能與2006年北疆地區(qū)“引額濟(jì)烏”、“引額濟(jì)克”工程全面建成運(yùn)行有關(guān)，同時(shí)伊犁河上恰普其海、吉林臺(tái)等一級(jí)水利樞紐也建設(shè)完畢，北疆地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉便利程度與保證率大大提升，使新疆北部地區(qū)耕地面積和農(nóng)業(yè)灌溉面積得以大幅度擴(kuò)張。

上述分析表明，新疆范圍內(nèi)均在2005年前后（南疆為2003年，北部為2007年）出現(xiàn)了農(nóng)作物水足跡增長(zhǎng)發(fā)生突變現(xiàn)象，而其本質(zhì)是南疆地區(qū)和新疆北部地區(qū)分別于2003和2007年之后農(nóng)作物種植面積出現(xiàn)了大幅度的增加。

圖9 北疆農(nóng)作物水足跡Mann-Kendall突變檢驗(yàn)與分階段線性擬合Fig.9 The Mann-Kendall abrupt test（a）and staged linear fitting（b）of crop water footprint in northern Xinjiang

3.3 農(nóng)業(yè)種植面積變化的政策驅(qū)動(dòng)

人類對(duì)糧食與經(jīng)濟(jì)利益的需求是農(nóng)業(yè)種植面積不斷擴(kuò)張的源動(dòng)力。新疆在2000年前后已實(shí)現(xiàn)糧食的自給自足與糧食安全［39］，但在產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)移、扶貧攻堅(jiān)與全國(guó)性援疆等政策的驅(qū)動(dòng)下新疆農(nóng)業(yè)種植面積的擴(kuò)張趨勢(shì)愈演愈烈。

自1995年以來(lái)，新疆政府實(shí)施了大企業(yè)大集團(tuán)和“一黑一白”戰(zhàn)略，將優(yōu)勢(shì)資源轉(zhuǎn)換為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)?！耙缓谝话住睉?zhàn)略中的“白”指的是棉花種植以及棉紡織業(yè)，相關(guān)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值占新疆工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的18%，而棉花種植業(yè)的產(chǎn)值更是占到了新疆農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的40%左右，由此可知棉花種植以及棉花初級(jí)加工是新疆尤其是南疆地區(qū)的占據(jù)比較優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)業(yè)部門(mén)。大企業(yè)大集團(tuán)和“一黑一白”戰(zhàn)略在農(nóng)業(yè)上的體現(xiàn)就是將農(nóng)業(yè)資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的“灰色開(kāi)發(fā)”，在當(dāng)?shù)卣哪S下，一些個(gè)體戶、企業(yè)老板、建筑承包商、當(dāng)?shù)睾屯獾鼐用駸o(wú)規(guī)劃地開(kāi)墾土地。例如，喀什地區(qū)的伽師縣僅2004—2008年農(nóng)作物種植面積增加了20%［40］。雖然新疆政府已經(jīng)出臺(tái)了一些嚴(yán)禁打井開(kāi)荒的文件，但開(kāi)地墾荒的勢(shì)頭未得到有效遏制，這在耕地面積近10年保持高速增長(zhǎng)的現(xiàn)狀可見(jiàn)一斑［41-42］。

2001—2010年西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施以及中央扶貧等政策對(duì)新疆的傾斜，黨中央國(guó)務(wù)院提出了“穩(wěn)疆興疆，富民固邊”的戰(zhàn)略。在農(nóng)田水利、鄉(xiāng)村道路、引水安全等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面陸續(xù)制定了一系列援助措施。尤其是在農(nóng)業(yè)種植以及農(nóng)田水利兩個(gè)方面的資金投入占到50%～60%，而2001—2004年間僅農(nóng)田水利建設(shè)一項(xiàng)的資金投入占比更是超過(guò)了35%［43］，這一系列措施則是直接驅(qū)動(dòng)了新疆農(nóng)業(yè)種植面積的擴(kuò)張。同時(shí)，以土地整治、農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)等名目的各部門(mén)規(guī)劃將著眼點(diǎn)放在了農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)，在新疆被“只做加法不做減法”方式的執(zhí)行下，導(dǎo)致了灌溉面積持續(xù)增加。

2011年以來(lái)全國(guó)對(duì)口援疆工作在農(nóng)業(yè)上及關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)上的投入促進(jìn)了新疆農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。2011—2015年對(duì)口援疆資金41%用于具有資源比較優(yōu)勢(shì)的能源和礦業(yè)，32%用于房地產(chǎn)行業(yè)，但援疆投資對(duì)新疆經(jīng)濟(jì)的拉動(dòng)情況并不理想。這是由于新疆工業(yè)基礎(chǔ)薄弱、技術(shù)水平較低并且遠(yuǎn)離內(nèi)地市場(chǎng)，工業(yè)發(fā)展存在諸多不利條件。另外硬件建設(shè)超前于實(shí)際發(fā)展需求，甚至出現(xiàn)了“只見(jiàn)廠房，不見(jiàn)開(kāi)工”的現(xiàn)象［44］。鑒于此一部分對(duì)口省份或部門(mén)最終不得不將援助傾向投資少、見(jiàn)效快的農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)或改造，典型的手段為建設(shè)生態(tài)農(nóng)業(yè)科技示范園與高效節(jié)水示范區(qū)等措施。2011—2015年援疆資金在農(nóng)業(yè)及紡織等輕工業(yè)上的投資約640億元（占援疆投資總額的7%）［44］，直接促進(jìn)了新疆農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。例如2011年，北京市援建1 500萬(wàn)元在策勒縣的農(nóng)十四師的一個(gè)牧場(chǎng)開(kāi)荒180 hm2；2012年和田地區(qū)洛浦縣的農(nóng)業(yè)生態(tài)科技示范園區(qū)已經(jīng)達(dá)到了2.07×103hm2。可見(jiàn)，難以在工業(yè)發(fā)展上取得實(shí)效的對(duì)口援疆落實(shí)到新墾灌溉面積上，政策對(duì)新疆農(nóng)作物種植面積擴(kuò)張的驅(qū)動(dòng)作用不可小覷。

圖10 新疆農(nóng)作物水足跡增長(zhǎng)與政策推行之間的關(guān)系（耕地面積數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心與文獻(xiàn)［42］）Fig.10 The relationship between increase of crop water footprint and implementation of policies

按照上述時(shí)間節(jié)點(diǎn)，將新疆的農(nóng)作物水足跡與耕地面積變化情況劃分為4個(gè)階段來(lái)看（圖10），在“一黑一白”戰(zhàn)略推行前后農(nóng)作物水足跡與灌溉面積的變化趨勢(shì)發(fā)生了逆轉(zhuǎn)；西部大開(kāi)發(fā)實(shí)施與黨中央對(duì)新疆扶貧工作傾斜之后的10年內(nèi)，新疆耕地面積的增長(zhǎng)量是前10年增長(zhǎng)量的2倍，農(nóng)作物水足跡的增長(zhǎng)量更是前10年增長(zhǎng)量的9倍；而對(duì)口援疆工作全面開(kāi)展的5年來(lái)（2011—2015年），新疆耕地面積增加了1.0×106hm2，而水足跡增長(zhǎng)量則是前10年增長(zhǎng)量的1.11倍。由此可見(jiàn)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策的出臺(tái)和推行與耕地面積和農(nóng)作物水足跡的變化關(guān)系密切，是驅(qū)動(dòng)新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)種植面積擴(kuò)張和農(nóng)作物水足跡增長(zhǎng)的重要因素。

4 結(jié)論

本文從水足跡理論出發(fā)，采用FAO推薦的Cropwat軟件計(jì)算了新疆1988—2015年近20種農(nóng)作物用水消耗，并利用Mann-Kendall趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)的方法，分析了28年來(lái)新疆農(nóng)作物水足跡的時(shí)空變化，對(duì)農(nóng)作物水足跡驅(qū)動(dòng)因素及驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了探索討論。研究表明，新疆范圍內(nèi)農(nóng)作物水足跡28年間總量增加了257%；水足跡序列在2005年前后增長(zhǎng)出現(xiàn)了突變（南疆為2003年，北部為2007年），后一階段增長(zhǎng)率是前一階段的3倍以上；從農(nóng)作物水足跡中藍(lán)水足跡與綠水足跡的構(gòu)成看，農(nóng)作物綠水足跡呈持續(xù)增加趨勢(shì)，但其在農(nóng)作物水足跡總量中的比例略有下降，表明近30年人類活動(dòng)影響下的藍(lán)水消耗增長(zhǎng)超過(guò)同期農(nóng)作物自身對(duì)天然降水利用的增長(zhǎng)。進(jìn)一步分析表明，農(nóng)業(yè)種植規(guī)模的快速擴(kuò)張是新疆農(nóng)作物水足跡大幅度增加的根本原因，而脫貧致富、扶貧攻堅(jiān)等經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求下的政策（戰(zhàn)略）是促進(jìn)農(nóng)業(yè)種植規(guī)模（灌溉面積）持續(xù)快速增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)因素之一。以解決當(dāng)?shù)孛裆鷨?wèn)題為目標(biāo)而制定政策的初衷固然好，但由于新疆可用水資源量少的限制，一味地發(fā)展見(jiàn)效快但耗水高、產(chǎn)值低的農(nóng)業(yè)是“竭澤而漁、焚林而獵”，不可持續(xù)，由此造成的生態(tài)環(huán)境退化及次生問(wèn)題的經(jīng)濟(jì)損失更是不可估量。因此在制定相關(guān)經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略與決策時(shí)應(yīng)該注重產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型而并非單一追求經(jīng)濟(jì)總量的增長(zhǎng)，應(yīng)當(dāng)以長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光來(lái)科學(xué)審視經(jīng)濟(jì)發(fā)展而非僅僅局限于眼前的收益。

新疆水資源極其匱乏，但卻承擔(dān)著國(guó)家商品棉基地等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要任務(wù)，稀缺的水資源隨著農(nóng)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)移而向區(qū)域外輸送，從而形成了以“虛擬水”為實(shí)質(zhì)的“西水東送”格局。在水利工程日趨完善的情況下，如何加強(qiáng)水資源在產(chǎn)業(yè)間的合理配置和調(diào)控，如何落實(shí)最嚴(yán)格的水資源管理制度，支撐新疆的生態(tài)文明建設(shè)將是未來(lái)新疆各級(jí)部門(mén)的重要課題。同時(shí)，從生態(tài)補(bǔ)償?shù)慕嵌?，新疆通過(guò)農(nóng)產(chǎn)品向外輸送多少虛擬水，這些水又主要輸送到哪些省市、哪些部門(mén)，將在下一步的研究中進(jìn)行深入探討研究。