云南省城鄉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

(昆明理工大學電力工程學院,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年城鄉居民膳食消費水足跡。利用Shannon-Wiener指數評價此6年間城鄉居民膳食結構水足跡的多樣性特征,運用灰色關聯法對各類膳食食品消耗與膳食水足跡消耗總量進行關聯度分析。結果表明:每年城鎮居民膳食消費水足跡均高于農村居民;各類食物水足跡所占比例中,糧食和豬肉所占比例較大;城鎮居民膳食結構水足跡多樣性明顯高于農村居民,但農村居民膳食結構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聯程度較高。

關鍵詞：虛擬水；水足跡;膳食消費;多樣性;關聯分析;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。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

隨著社會經濟的發展和人口規模的增加,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”是指產品和服務所需要的水資源數量[1-4],它由倫敦大學的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品當中,例如:生產一個100g的蘋果需要70L水,生產1kg雞肉需要4 t水,生產1kg牛肉需要16t水等。因此,社會中的產品消費實質上是間接地消費水資源。為了追蹤產品中的虛擬水,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、地區或者個人)在一定時間內消耗的所有產品和服務所需要的水資源數量。由于虛擬水主要集中在人類產品或食物中,且動物性產品的虛擬水含量要高于植物性產品,因此膳食食物作為人類必需品攜帶著大量的虛擬水,膳食結構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系密切。筆者以云南省為例,基于人類膳食消費模式系統規劃與管理水資源,應用虛擬水和水足跡理論方法,分析計算2005—2010年云南省城鄉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聯度。

1膳食水足跡的虛擬水計算

1.1主要農產品虛擬水計算方法

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

(1)

(2)

(3)

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

T0,d一般根據聯合國糧農組織(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,kPa/℃。

1.2膳食消費品虛擬水含量

1.2.1主要作物產品虛擬水含量

由于2007年相關數據較全面、完整,氣候和土壤等數據接近2005—2010年間平均值。所以筆者選用2007年為代表年,利用該年數據來計算作物產品虛擬水含量。根據來源于FAO的CLIMATE數據庫和CROP數據庫有關中國部分的2007年云南省各地區氣象和土壤等數據,采用FAO推薦的Cropwat8.0軟件,將上述數據輸入式(4),得到作物的蒸發蒸騰水量T0,d。再與該軟件所提供的各種農作物系數Kc相乘,得到作物累計蒸發蒸騰量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作物種植面積占全省比例進行加權計算,獲得全省不同初級作物產品的平均需水量。考慮不同作物產量和最終作物產品加工轉化率,得到不同作物產品虛擬水含量(表1)。

表1　主要作物產品虛擬水含量

注:①云南省各地區農作物產量、種植面積來源于2008年《云南統計年鑒》。②糧食包括稻谷、小麥、玉米、豆類和薯類等5大類,其虛擬水含量根據這5種產品相關數據加權平均計算所得。③V為初級產品最終產品率,Lc為最終產品虛擬水含量,Dc為初級產品虛擬水含量,Lc為 最終產品虛擬水含量。V=Dc/Lc,依據我國統計部門的折算方法將不同作物初級產品換算成最終產品。

1.2.2主要動物產品虛擬水含量

動物產品虛擬水含量的計算除需要飼料作物需水量參數外,還需考慮動物飲水、服務用水、動物產品加工用水參數,計算過程復雜、數據較多且難以獲得。筆者參考國際虛擬水研究，得到有關中國部分的動物產品單位質量虛擬水含量計算成果,具體見表2。

表2　主要動物產品虛擬水含量 　m 3/kg

2城鄉居民膳食結構水足跡消耗計算

2.1城鎮居民膳食結構水足跡計算

根據云南省城鎮居民各類膳食食品人均年消費量數據和各類膳食消費品單位質量虛擬水的含量,計算2005—2010年城鎮居民人均膳食水足跡及各類食物水足跡消耗所占比例,結果見表3。

表3　2005—2010年云南省城鎮居民人均膳食消費水足跡　m 3/人

注:城鎮居民年人均食品消費數量來源于2006—2011年《云南統計年鑒》、2006—2011年《中國農業年鑒》、2006—2011年《中國人民生活統計年鑒》。

表4　2005—2007年云南省農村居民人均膳食消費水足跡　m 3/人

注:農村居民年人均食品消費數量來源于2006—2011年《云南統計年鑒》、2006—2011年《中國農業年鑒》、2006—2011年《中國人民生活統計年鑒》。

表3顯示:云南省城鎮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,年人均肉類產品消費量下降,導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急劇下跌現象,年人均肉類產品消費量比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、水產品、水果等水足跡保持平穩,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農村居民膳食結構水足跡計算

根據云南省農村居民各類膳食食品人均年消費量的數據和各類膳食消費品單位質量虛擬水的含量,計算2005—2010年農村居民人均膳食水足跡及各類食物水足跡消耗所占比例,結果見表4。

表4顯示:云南省農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,導致全省數百萬農村人口缺水,作物產量受嚴重影響,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”規劃的開局之年,省政府加大農業和農村經濟建設,全年農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。相對于城鎮居民,農村居民羊肉、奶類、水產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構水足跡消耗的分析與評價

3.1城鄉居民膳食結構水足跡的多樣性評價

Shannon-Wiener指數H[9]來源于信息理論,廣泛運用于生物種群生態多樣性的評價計算。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指數來評價城鄉居民膳食結構水足跡的多樣性,可以科學、數據化地反映居民膳食結構水足跡消費水平的高低,膳食結構水足跡多樣性,各種膳食結構水足跡分配平等性,膳食結構搭配均勻性。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。

根據表3和表4所計算的2005—2010年間云南省城鄉居民人均膳食消費水足跡,利用Shannon-Wiener指數計算多樣性,得到城鄉居民膳食結構水足跡多樣性指數(圖1)。

圖1　城鄉居民膳食結構水足跡多樣性指數

從圖1中可見,2005—2010年間,城鎮居民膳食結構水足跡多樣性保持平穩,均在2.22左右。農村居民膳食結構水足跡多樣性總體有所增長,正逐步拉近與城鎮居民膳食結構水足跡多樣性的差異,2008年,差值最小，為0.78。由于城鎮居民收入高于農村居民收入以及部分食品銷售具有市場區域性等因素,城鎮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村居民。因此,導致城鎮居民膳食結構搭配較均勻,膳食結構水足跡多樣性明顯高于農村居民。不過,隨著城鎮化建設的推進,農村居民的收入不斷提高,農村食品市場建設不斷完善,農村居民膳食結構水足跡的多樣性將不斷提高,逐漸縮小與城鎮居民的差距。

3.2灰色關聯度分析法簡介

灰色關聯系統[10-11]是一個發展變化的系統,關聯度分析事實上是動態過程發展態勢的量化分析。確切地說,是發展態勢的量化比較分析。做關聯分析,首先要選準反映系統行為特征的數據序列,即映射量,從而用映射量來間接表征系統行為,然后構造參考數據列X0:

假設Xj(j=0,1,2,…,n)為系統的多個因素,個數需經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可以表示為數列,稱為基準數列:

(6)

式中:k為時刻；X0(k)為因素X0在k時刻的觀察值。

假設另外有m個需要與基準因素比較的因素數列,稱為比較數列:

(7)

則比較數列對基準數列在時刻k的關聯系數定義為

(8)

(9)

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

3.3關聯度計算分析

根據表3、表4所計算的2005—2010年間云南省城鄉居民人均膳食消費水足跡,構造初始化數列。運用灰色系統關聯分析方法,對膳食食品消耗與膳食結構水足跡消耗進行關聯分析,得到關聯系數、關聯度數值(表5)。

表5　關聯系數、關聯度數值

表5結果顯示:豬肉和糧食的水足跡消耗與膳食水足跡消耗關聯度較大,分別為0.949、0.887。牛肉水足跡消耗與膳食水足跡消耗關聯度最小,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聯度影響最小。從初始化數據序列圖(圖2)可看出,豬肉、糧食的水足跡消耗初始化數據序列與人均膳食水足跡消耗初始化數據序列基本擬合。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。豬肉、糧食膳食水足跡消耗的多少可以反映出居民膳食結構水足跡的消耗水平。

圖2　初始數據序列

4結語

基于水足跡理論方法及2005—2010年云南省有關資料,應用Shannon-Wiener指數和灰色系統關聯分析等方法,探討了云南省城鄉居民人均膳食結構及膳食消費水足跡問題。結論如下:

a. 對于人均膳食消費水足跡,城鎮居民高于農村居民,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,農村居民明顯高于城鎮居民;對于高價格肉類食品人均消費水足跡,農村居民遠低于城鎮居民。總的變化趨勢為:隨著生活質量的提升,城鄉居民糧食水足跡消耗逐步減少,肉類水足跡消耗穩步上升。

b. 城鎮居民膳食結構水足跡保持平穩,約為2.22;農村居民膳食結構水足跡有所增長,且城鄉居民膳食結構水足跡之間的差距有逐漸縮小的趨勢。

c. 城鄉居民豬肉、糧食、水果的水足跡消耗與膳食水足跡消耗關聯度較大,其初始化數據序列與膳食水足跡消耗初始化數據序列基本擬合。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。

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狀,探求膳食消費模式與水資源消耗量的關系,構建節約型生態膳食消費模式顯得尤為重要。但由于膳食消費結構的多樣性和營養搭配的復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,在后續研究工作尤其在兼顧營養搭配的膳食消費結構的多樣性方面,還有待于進一步開展更多更深入的研究。

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