水足跡視角下黃河流域經(jīng)濟作物水土資源匹配格局

焦士興，李玉靖，王安周，劉清春，尹義星，趙榮欽，林璐霜

（1.安陽師范學(xué)院資源環(huán)境與旅游學(xué)院，河南安陽 455002； 2.河南大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，河南開封 475004；3.洛陽市第十九中學(xué)，河南洛陽 471000； 4.山東財經(jīng)大學(xué)經(jīng)濟學(xué)院，山東濟南 250014；5.南京信息工程大學(xué)水文氣象學(xué)院，江蘇南京 210044；6.華北水利水電大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，河南鄭州 450046）

水土資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的核心資源，關(guān)系到糧食安全［1］。 水土資源的有效配置是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的前提，其合理配置有利于將資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟優(yōu)勢，促進區(qū)域農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展［2］。 水足跡不僅可以定量反映經(jīng)濟作物生產(chǎn)中隱含的水資源量，而且可以表征經(jīng)濟作物貿(mào)易中的虛擬水資源量［3］，分析經(jīng)濟作物水足跡對于緩解農(nóng)業(yè)資源壓力、提高水土匹配度具有重要意義［4］。水土匹配度可以衡量某一區(qū)域內(nèi)水土資源的匹配狀況［5］，合理的水土匹配度可以為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有力支撐。 目前，主要采用基尼系數(shù)［6-7］、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析［8-9］等方法開展水土匹配度研究。 侯淑濤等［6］利用基尼系數(shù)，研究了黑龍江省農(nóng)業(yè)水土資源匹配協(xié)調(diào)水平及區(qū)域差異性；徐娜等［9］基于DEA 模型研究了甘肅省5個流域農(nóng)業(yè)水土資源配置效率變化趨勢及影響因素。已有研究［5-11］為水土資源匹配研究提供了理論支持和方法論基礎(chǔ)，但多以水資源總量、可利用水資源量或灌溉水量表示水資源量，而水足跡［12-13］是水資源占用的綜合表征，可以量化生產(chǎn)某種農(nóng)作物所消耗的真實用水量。

黃河流域是我國重要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)核心區(qū)之一，水資源總量少，但農(nóng)用地面積大，用水需求已超出流域水資源承載能力，水資源供需矛盾突出［14］。 基于此，考慮不同農(nóng)作物需水的區(qū)域差異，采用水土匹配度、重心遷移模型分析1998—2020 年黃河流域8 個省（區(qū)）（四川省主要受長江水系影響［15］，因此去除四川省）不同經(jīng)濟作物播種面積及其水足跡，進而探討水土資源時空匹配特征和重心軌跡演化情況。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

黃河流域谷物、甜菜、茶葉、蔬菜等12 種經(jīng)濟作物生產(chǎn)總量、單產(chǎn)量以及播種面積數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒》（1999—2021 年）。

1）經(jīng)濟作物水足跡。 水足跡是指人口在一定時間內(nèi)消費的所有產(chǎn)品和服務(wù)所需要的水資源量。 作物生產(chǎn)水足跡包括藍水足跡和綠水足跡，分別指作物生產(chǎn)實際消耗的灌溉水量和有效降水量［16-17］。 目前，常采用作物蒸散量來計算有效降水量［18］，利用Penman-Monteith 公式計算蒸發(fā)蒸騰水量，并通過CROPWAT模型模擬得到藍水足跡和綠水足跡［19］。 借鑒王毅鑫等［15］2013 年研究黃河流域棉花、油料、甜菜等經(jīng)濟作物的虛擬水含量，結(jié)合不同經(jīng)濟作物產(chǎn)量，計算其水足跡。 計算公式為

式中：Wi為?。▍^(qū)）i經(jīng)濟作物水足跡，Di，c為省（區(qū)）i經(jīng)濟作物c單位質(zhì)量虛擬水含量，Bi，c為?。▍^(qū)）i經(jīng)濟作物c產(chǎn)量。

2）經(jīng)濟作物水土匹配度。 水土匹配度可以反映特定區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可供水資源量與耕地資源在時空上適宜匹配的量化關(guān)系［7］，實質(zhì)上是單位面積耕地擁有的水足跡［19］。 水土匹配度越大，單位面積耕地消耗的水資源量越大，匹配性越低；水土匹配度越小，單位面積耕地消耗的水資源量越小，匹配性越高。 計算公式為

式中：Ri為省（區(qū)）i經(jīng)濟作物水土資源匹配度，Li為?。▍^(qū)）i經(jīng)濟作物種植面積。

3）重心遷移模型。 為了反映水土匹配度區(qū)域差異的動態(tài)變化，引入重心遷移模型來表示時間維度的動態(tài)演化特征［20］，重心變動反映了水土匹配度的變化軌跡。 計算公式為［21］

式中：Xt、Yt分別為第t年重心的經(jīng)度和緯度，Xt+1、Yt+1分別為第t+1 年重心的經(jīng)度和緯度，Ri，t為?。▍^(qū)）i第t年水土匹配度，xi、yi分別為?。▍^(qū)）i地理中心的經(jīng)度和緯度，n為?。▍^(qū)）的數(shù)量，d為重心遷移的距離。

2 結(jié)果與分析

2.1 經(jīng)濟作物播種面積與其時空變化特征

1）黃河流域8 個?。▍^(qū)）不同類型經(jīng)濟作物播種面積。 由表1 可以看出，谷物等5 類經(jīng)濟作物播種面積逐漸上升，豆類等6 類經(jīng)濟作物面積不斷下降，油料播種面積保持相對穩(wěn)定。 谷物、甜菜、茶葉、蔬菜、水果5 類經(jīng)濟作物播種面積波動上升，其中：谷物播種面積上升的原因主要是受到惠農(nóng)政策支持；甜菜播種面積上升歸因于“十三五”以來我國開始重視甜菜生產(chǎn)［22］；茶葉、蔬菜、水果播種面積增大的原因是，隨著人們生活質(zhì)量的提高，對健康生活的追求也提高［23］。豆類、薯類、棉花、麻類、甘蔗、煙葉6 類作物播種面積不斷下降，其中：豆類播種面積下降主要受其經(jīng)濟效益低的影響［24］；由于育種技術(shù)進步，薯類單產(chǎn)提高，因此薯類播種面積下降；棉花面積變化是種植效益和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的結(jié)果［25］；由于市場需求萎縮、效益不穩(wěn)定，因此麻類播種面積下降［26］；甘蔗生產(chǎn)主要集中于河南，受南方甘蔗市場沖擊甘蔗播種面積下降；受新型電子煙快速發(fā)展以及控?zé)熣哂绊?，煙葉播種面積下降［27］。 油料種植面積保持相對穩(wěn)定，歸因于我國油料以進口為主，且河南、山東為油料主產(chǎn)區(qū)［28］，政府給予優(yōu)惠政策支持。

表1 1998—2020 年黃河流域8 個?。▍^(qū)）經(jīng)濟作物播種面積演變趨勢

黃河流域不同類型經(jīng)濟作物播種面積變化趨勢上、中、下游存在差異。 黃河上游青海、甘肅、寧夏，薯類、茶葉、蔬菜、水果4 種經(jīng)濟作物播種面積呈波動上升趨勢，谷物、豆類2 種經(jīng)濟作物播種面積呈波動下降趨勢，棉花、油料、麻類、甘蔗、甜菜、煙葉6 種經(jīng)濟作物播種面積變化不大。 黃河中游內(nèi)蒙古、陜西、山西，谷物、茶葉、蔬菜、水果4 種經(jīng)濟作物播種面積呈波動上升趨勢；豆類、薯類、棉花、麻類、甘蔗、甜菜、煙葉7 種經(jīng)濟作物播種面積呈波動下降趨勢，油料播種面積變化不大。 黃河下游河南、山東，谷物、茶葉、蔬菜、水果4 種經(jīng)濟作物播種面積呈波動上升趨勢，豆類、薯類、棉花、油料、麻類、甘蔗、煙葉7 種經(jīng)濟作物播種面積呈波動下降趨勢，甜菜播種面積變化不大。

2）黃河流域8 個?。▍^(qū)）經(jīng)濟作物播種面積時空變化特征。 運用ArcGIS10.2 均值分類法，將黃河流域8 個?。▍^(qū)）經(jīng)濟作物播種面積分為4 個等級，分別為Ⅰ級［486.4，4 054.0］ hm2、Ⅱ級［4 054.1，7 621.7］hm2、Ⅲ級［7 621.8，11 189.4］ hm2、Ⅳ級［11 189.5，14 757.1］ hm2，其中1998 年和2020 年播種面積空間分布見圖1。

圖1 1998 年和2020 年黃河流域8 個?。▍^(qū)）不同經(jīng)濟作物播種面積空間分布

黃河流域8 個?。▍^(qū)）經(jīng)濟作物播種面積總體保持穩(wěn)定。 上游甘肅、寧夏、青海3 ?。▍^(qū)）經(jīng)濟作物播種面積保持在Ⅰ級；中游陜西播種面積保持在Ⅱ級，內(nèi)蒙古播種面積由Ⅱ級上升為Ⅲ級，山西播種面積則由Ⅱ級下降為Ⅰ級；下游河南、山東播種面積保持Ⅳ級。內(nèi)蒙古經(jīng)濟作物播種面積增加幅度最大，歸因于為追求經(jīng)濟利益而掠奪式開發(fā)資源以及惠農(nóng)政策的實施等［29］；山西經(jīng)濟作物播種面積減小幅度最大，一方面工業(yè)快速發(fā)展導(dǎo)致資源耗竭和環(huán)境破壞，另一方面區(qū)域沙化嚴重且生態(tài)環(huán)境脆弱，從而實施了退耕還林還草工程等［30］。

黃河流域經(jīng)濟作物播種面積呈現(xiàn)東高西低的分布格局。 從播種面積均值來看，河南（1 396.26 萬hm2）＞山東（1 116.03 萬hm2）＞內(nèi)蒙古（644.18 萬hm2）＞陜西（508.88 萬hm2）＞山西（393.10 萬hm2）＞甘肅（374.89萬hm2）＞寧夏（104.66 萬hm2）＞青海（48.47 萬hm2）。河南經(jīng)濟作物播種面積均值最大，歸因于平原面積廣闊且土壤肥沃［31］，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和耕作；青海均值最小，主要原因是地處世界屋脊青藏高原，自然環(huán)境惡劣，不利于作物生長且品種單一［32］。

2.2 經(jīng)濟作物水足跡演變趨勢及時空變化特征

1）經(jīng)濟作物水足跡演變趨勢。 利用式（1）計算黃河流域12 種經(jīng)濟作物水足跡，結(jié)果見表2。 黃河流域8 個省（區(qū)）谷物、油料、甜菜、茶葉、蔬菜、水果6 種經(jīng)濟作物水足跡波動上升，豆類、薯類、棉花、麻類、甘蔗、煙葉6 種經(jīng)濟作物水足跡波動下降。 經(jīng)濟作物水足跡與其播種面積變化趨勢基本一致（油料除外），原因是，經(jīng)濟作物水足跡受其播種面積變化影響明顯。

表2 1998—2020 年黃河流域8 ?。▍^(qū)）經(jīng)濟作物水足跡演變趨勢

黃河流域經(jīng)濟作物水足跡變化趨勢上、中、下游存在差異。 黃河上游青海、甘肅、寧夏，谷物、薯類、蔬菜、水果4 種經(jīng)濟作物水足跡波動上升，豆類、甜菜、棉花3 種經(jīng)濟作物水足跡波動下降，油料、麻類、甘蔗、煙葉、茶葉5 種經(jīng)濟作物水足跡變化不大。 中游內(nèi)蒙古、陜西、山西，谷物、油料、蔬菜、水果、茶葉5 種經(jīng)濟作物水足跡波動上升，棉花、煙葉2 種經(jīng)濟作物水足跡波動下降，豆類、薯類、麻類、甘蔗、甜菜5 種經(jīng)濟作物水足跡變化相對平緩。 下游河南、山東，谷物、茶葉、蔬菜、水果4 種經(jīng)濟作物水足跡波動上升，豆類、薯類、棉花、麻類、甘蔗、煙葉6 種經(jīng)濟作物水足跡波動下降，油料、甜菜2 種經(jīng)濟作物水足跡變化相對平緩。

2） 經(jīng)濟作物水足跡時空變化特征。 運用ArcGIS10.2 均值分類法，將黃河流域8 個?。▍^(qū)）經(jīng)濟作物水足跡分為4 個等級，分別為Ⅰ級［317.8，3 316.2］億m3、Ⅱ級［3 316.3，6 314.6］億m3、Ⅲ級［6 314.7，9 313.0］億m3、Ⅳ級［9 313.1，12 311.4］億m3，水足跡等級越高表明經(jīng)濟作物在生長過程中所消耗水資源量越多，不利于水資源持續(xù)利用。 1998 年、2020 年黃河流域8 個?。▍^(qū)）經(jīng)濟作物水足跡空間分布見圖2。

圖2 1998 年、2020 年黃河流域8 個?。▍^(qū)）經(jīng)濟作物水足跡空間分布

黃河流域8 個?。▍^(qū)）經(jīng)濟作物水足跡總體呈增大趨勢。 從1998 年到2020 年，黃河上游寧夏、青海經(jīng)濟作物水足跡保持在Ⅰ級，甘肅經(jīng)濟作物水足跡由Ⅰ級上升為Ⅱ級；中游山西經(jīng)濟作物水足跡保持在Ⅰ級，陜西、內(nèi)蒙古經(jīng)濟作物水足跡則由Ⅰ級分別上升為Ⅱ級、Ⅲ級；黃河下游山東經(jīng)濟作物水足跡保持在Ⅲ級，河南經(jīng)濟作物水足跡則由Ⅲ級上升為Ⅳ級。 從黃河流域來看，經(jīng)濟作物水足跡呈增大趨勢，表明經(jīng)濟作物用水增多，主要原因是水資源利用效率下降［33］；同時經(jīng)濟作物播種面積由1998 年的4 475.69 萬hm2增加到2020 年的4 817.50 萬hm2，增長率達到7.6%，水足跡隨之增大。 中游內(nèi)蒙古經(jīng)濟作物水足跡增幅最大，主要原因是受政策影響播種面積由1998 年的590.86 萬hm2增加到2020 年的816.59 萬hm2，增長率達到了38.2%，播種面積增大導(dǎo)致水足跡增大。

黃河流域8 個?。▍^(qū)）經(jīng)濟作物水足跡呈現(xiàn)東部和中部高、西部低的分布格局。 從經(jīng)濟作物水足跡均值來看，河南（10 049.7 億m3）＞山東（7 894.4 億m3）＞內(nèi)蒙古（4 029.0 億m3）＞陜西（3 373.4 億m3）＞甘肅（2 677.0億m3）＞山西（2 651.5 億m3）＞青海（308.1 億m3）＞寧夏（268.0 億m3）。 河南經(jīng)濟作物水足跡均值最大，歸因于經(jīng)濟作物播種面積最大，且種植結(jié)構(gòu)調(diào)整導(dǎo)致種植面積增大，從而造成經(jīng)濟作物水足跡增大，并導(dǎo)致了非常嚴重的水生態(tài)赤字［34］；寧夏經(jīng)濟作物水足跡均值最小，由于寧夏氣候干燥且年均降水量僅166～647 mm，自然生態(tài)環(huán)境脆弱，不利于耕作，因此經(jīng)濟作物水足跡最小［35］。 從水資源安全考慮，應(yīng)該發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)，因地制宜發(fā)展蔬菜、水果等低耗水經(jīng)濟作物，適量進口水密集型產(chǎn)品，實現(xiàn)水資源合理利用。

2.3 經(jīng)濟作物水土資源匹配度時空分析

利用式（2）計算黃河流域8 省（區(qū)）經(jīng)濟作物水土資源匹配度，運用ArcGIS10.2 均值分類法劃分為4 個等級，分別為Ⅰ級［0.48，0.60］萬m3／hm2、Ⅱ級［0.61，0.72］萬m3／hm2、Ⅲ級［0.73，0.84］萬m3／hm2、Ⅳ級［0.85，0.96］萬m3／hm2，進而分析其空間格局變化，見圖3。 水土匹配度是指區(qū)域內(nèi)單位面積耕地可擁有的經(jīng)濟作物水足跡，水土匹配度越小，表明單位面積耕地經(jīng)濟作物生產(chǎn)所消耗的水資源量越少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水土資源可持續(xù)利用越好；水土匹配度越大，匹配程度越差［36］。

圖3 1998 年、2020 年黃河流域8 個?。▍^(qū)）經(jīng)濟作物水土匹配度

黃河流域8 個?。▍^(qū)）經(jīng)濟作物水土匹配度呈增大趨勢。 黃河上游寧夏、甘肅經(jīng)濟作物水土匹配度分別由Ⅰ級、Ⅱ級增大至Ⅳ級，青海經(jīng)濟作物水土匹配度由Ⅰ級增大至Ⅱ級；中游內(nèi)蒙古、山西經(jīng)濟作物水土匹配度分別由Ⅰ級、Ⅱ級增大至Ⅲ級，陜西經(jīng)濟作物水土匹配度由Ⅰ級增大為Ⅳ級；下游河南、山東經(jīng)濟作物水土匹配度由Ⅰ級增大至Ⅲ級。 黃河流域水土匹配度均有不同程度增大，說明單位耕地面積經(jīng)濟作物生產(chǎn)消耗的水資源量增多，主要原因是農(nóng)業(yè)水資源生產(chǎn)效率不高，且受技術(shù)效率影響較大，而較低的技術(shù)效率限制了水資源生產(chǎn)效率的提高［37］。 其中寧夏和陜西經(jīng)濟作物水土匹配度變化最大，主要原因是，農(nóng)業(yè)是寧夏主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)種植以高耗水作物為主；陜西經(jīng)濟作物主要集中在南方山區(qū)，農(nóng)田水利建設(shè)難以實施，且農(nóng)業(yè)用水占60%以上，限制了用水效率的提高。

黃河流域8 個?。▍^(qū)）經(jīng)濟作物水土匹配度呈現(xiàn)中南部高、北部和西部低的分布格局。 從均值來看，寧夏（0.734 萬m3／hm2）＞河南（0.717 萬m3／hm2）＞甘肅（0.712 萬m3／hm2）＞山東（0.708 萬m3／hm2）＞山西（0.676萬m3／hm2）＞陜西（0.662 萬m3／hm2）＞青海（0.638萬m3／hm2）＞內(nèi)蒙古（0.613 萬m3／hm2）。 寧夏水土匹配度均值最大，主要原因是寧夏氣候干燥且年均降水量僅166～647 mm，區(qū)域水資源整體稀缺，水生態(tài)環(huán)境脆弱，而寧夏平原是重要灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，水資源生產(chǎn)率低，經(jīng)濟效益不高［34，38］；內(nèi)蒙古水土匹配度均值最小，主要原因是內(nèi)蒙古地區(qū)為以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)或牧草業(yè)為主的旱作區(qū)［35］。

2.4 黃河流域經(jīng)濟作物水土匹配度重心軌跡演化

利用式（3）、式（4）計算黃河流域8 個省（區(qū)）經(jīng)濟作物水土匹配度重心，以探討其空間演變特征，見圖4。 黃河流域8 個?。▍^(qū)）經(jīng)濟作物水土匹配度重心軌跡呈現(xiàn)由東北向西南移動的趨勢，1998—2020 年年均移動距離為0.54 km，累計移動307.12 km，表明西南部經(jīng)濟作物水土匹配度增大，這與高蕓等［5］研究結(jié)果一致。 不同年份經(jīng)濟作物水土匹配度空間變化具有不平衡性，其中2018 年經(jīng)濟作物水土匹配度重心向東偏南方向移動了約48.65 km，移動距離最大；2007 年經(jīng)濟作物水土匹配度重心移動距離最小，向南偏西方向移動了約1.53 km。

圖4 1998—2020 年黃河流域8 個?。▍^(qū)）經(jīng)濟作物匹配度重心軌跡

黃河流域8 個省（區(qū)）經(jīng)濟作物水土匹配度重心呈現(xiàn)4 個階段的變化特征，第一階段為1998—2009年，經(jīng)濟作物水土匹配度重心位于（109°2'38″E，37°20'38″N），穩(wěn)定在黃河中游范圍；第二階段為2009—2013 年，經(jīng)濟作物水土匹配度重心向西偏南方向遷移，偏移距離約為43.51 km，主要原因是，黃河上游經(jīng)濟作物水土匹配度增大；第三階段為2013—2018年，經(jīng)濟作物水土匹配度重心開始向東偏南移動，偏移距離約為96.38 km，主要原因是，黃河下游河南、山東經(jīng)濟作物水土匹配度增大；第四階段為2018—2020 年，經(jīng)濟作物水土匹配度重心向西偏北方向遷移，偏移距離約為63.63 km，歸因于黃河上游經(jīng)濟作物水土匹配度增大。

3 結(jié)論

基于水足跡視角，運用水土匹配度、重心遷移模型，結(jié)合ArcGIS10.2 軟件，分析了黃河流域8 個?。▍^(qū)）1998—2020 年不同類型經(jīng)濟作物播種面積及其水足跡，探討了經(jīng)濟作物水土資源時空匹配格局及重心演化特征。

1）黃河流域谷物等5 類經(jīng)濟作物播種面積逐漸上升，豆類等6 類經(jīng)濟作物播種面積不斷下降，油料播種面積則保持相對穩(wěn)定；不同類型經(jīng)濟作物播種面積上、中、下游存在差異。 黃河流域8 個省（區(qū)）經(jīng)濟作物播種面積總體保持穩(wěn)定，呈現(xiàn)東高西低分布格局。為了做到以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)，把水資源作為最大的剛性約束，要不斷優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，抑制大面積種植高耗水作物，不斷發(fā)展節(jié)水技術(shù)，實施全流域節(jié)水行動，推動用水方式由粗放向節(jié)約集約轉(zhuǎn)變。

2）谷物等6 類經(jīng)濟作物水足跡波動上升，豆類等6 類經(jīng)濟作物水足跡波動下降；不同經(jīng)濟作物水足跡上、中、下游存在差異。 黃河流域8 個省（區(qū)）經(jīng)濟作物水足跡總體呈現(xiàn)增大趨勢，呈現(xiàn)東部和中部高、西部低的分布格局。 為緩解黃河流域水足跡增大趨勢，要大力推廣資源節(jié)約型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，提高農(nóng)機和水資源利用效率；加強科技支撐，提高水資源生產(chǎn)效率，促進農(nóng)業(yè)高效發(fā)展；推廣節(jié)水灌溉新技術(shù)，改善灌溉條件，發(fā)展綠色、高效節(jié)水農(nóng)業(yè)。

3）黃河流域8 個?。▍^(qū)）經(jīng)濟作物水土匹配度有增大趨勢，呈現(xiàn)中南部高、北部和西部低的分布格局；水土匹配度重心由東北向西南方向移動，表現(xiàn)為1998—2009 年處于相對穩(wěn)定階段、2009—2013 年向西偏南方向移動、2013—2018 年向東偏南方向移動、2018—2020 年向西偏北方向移動。 黃河上、中、下游要發(fā)揮各自優(yōu)勢，推動流域協(xié)同合作，不斷優(yōu)化水土配置，逐步縮小區(qū)域差異；黃河流域上游地區(qū)要注重生態(tài)環(huán)境保護，提高用水效率；中游地區(qū)面對水土流失的困境，要加強水土保持工作，著力發(fā)展環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)；下游地區(qū)要推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)；同時建議實施水系聯(lián)通、跨流域調(diào)水等工程，以改善因水土不平衡造成的結(jié)構(gòu)性缺水［5］。