基于水足跡的貴州省平塘縣農業用水與經濟脫鉤分析

易武英, 蘇維詞, 李 威, 張建利, 邢 丹

(1.貴州大學 生命科學學院, 貴州 貴陽 550025; 2.貴州省山地資源研究所, 貴州 貴陽550001;3.重慶師范大學 地理與旅游學院, 四川 重慶400047; 4.貴州省農科院 蠶業研究所, 貴州 貴陽 550006)

水是喀斯特地區可持續發展關鍵限制因子，協調水資源—經濟發展—生態保護是實現喀斯特地區可持續發展癥結所在[1-2]。農業生產對生態系統干擾破壞極大，嚴重威脅生態系統健康[3]，在喀斯特地區尤為突出。傳統水資源研究方法，較多關注農業灌溉用水，農業用水估算也未涵蓋農業生產過程中其他環節耗水(如：綠水、灰水)，難以準確刻畫農業生產真實水占有量，為此，有學者提出水足跡概念，水足跡是目前水科學研究熱點之一，是多維綜合客觀測度用水量指標(涵養了用水量、用水類型、用水時間及用水地點等信息)[4-8]，從生產、消耗角度，核算人類生產生活活動對水資源占用量，建立了自然資源利用方式與社會生產方式聯系[9-10]，開拓了水資源—社會經濟發展研究新視角[11]。農產品是水資源密集型產品，農業水足跡指生產農產品所消耗水資源量，農業水足跡為農業用水研究提供了科學評判依據和新技術手段。但目前關于水足跡與社會經濟發展協調關系研究較少，因此，開展水足跡與社會經濟發展協調關系研究，在某種意義上，豐富了水足跡研究領域，能定量測度人類活動與水資源系統協調狀況(脫鉤指數是最佳測度指標)[12-13]。

水資源短缺問題是喀斯特峰叢洼地可持續發展亟待解決問題之一?？λ固胤鍏餐莸氐刭|地貌特征獨特，具有多相復雜體系，農業生產極易受環境變化影響(土薄、水少、土被不連續，以石旮旯地為主，土壤調蓄功能極低，作農物受土壤水分脅迫頻繁[14-16])，其水文循環與生態過程特殊且復雜，喀斯特峰叢洼地如何高效利用地表有限水資源，是實現該地區自然社會經濟可持續發展的基礎。平塘縣屬于典型喀斯特地區農業縣，農業耗水量占全縣水資源用水量80%以上，本文在運用水足跡模型對2002—2015年平塘縣水足跡進行測算的基礎上，利用脫鉤評價模型，定量分析平塘縣農業水資源利用與農業經濟增長的協調關系，以期為該地區水資源管理提供參與資料。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

平塘縣位于黔南，地處東經106°40′—107°27′，北緯25°30′—26°07′，總面積2 805 km2，地貌類型以山地為主，山地面積約占總面積86%，喀斯特峰叢洼地廣泛發育，水土資源匹配狀況不佳，土地生產力低，人畜飲水困難。屬于中亞熱帶季風濕潤氣候，年均降水量約1 259 mm，但降水時空分配不均，旱澇災害頻繁，加劇該地區水資源短缺。社會經濟欠發達，貧困人口龐大，國民經濟以傳統農業生產為主，農業人口約占總人口80%，農業生產條件差(土層薄、土被破碎，旱地比重大、望天田土多、機械化水平，水利工程建設相對滯后。)，農業生產效率低，經濟發展緩慢，喀斯特式貧窮問題突出。

1.2 數據來源

水足跡計算所需數據：氣象參數、土壤參數、作物參數和灌溉數據，結合實地調研，及模型模擬計算得到。計算所需的氣象數據來自聯合國糧農組織(FAO)ClimWat數據庫中黔南地區的6個氣象站點數據。

主要農作物總產量、單位面積產量、耕種面積及化肥施用量數據及農業社會經濟統計數據等來源于2001—2015年《平塘縣統計年鑒》《2001年黔南州水資源公報》《平塘縣國民經濟與社會發展統計公報》等，結合實地調研數據，部分指標缺失利用相近指標替代。為避免歷年GDP產值受價格因素的影響，以2002年為基期年，采用平減指數法換算成可比價格后核算GDP年增長率。土壤數據結合當地土壤類型，并在FAO全球數據庫中找到與此類型對應土壤信息。

2 研究方法

2.1 農業水足跡計算

本文從種植業、林業、禽畜養殖業三大產業核算農業水足跡，核算對象涵蓋了平塘縣主要農產品。利用聯合國糧農組織所推薦的氣候資料庫CLIMWAT和農作物需水量計算軟件CROPWAT，計算出平塘縣主要農作物虛擬水含量。畜產品虛擬水含量采用學界最威權的Chapagain和Hoekstra 2004年研究成果[17]。本文采用“自下而上法”(即農產品產量乘以虛擬水含量來計算)估算平塘縣農業用水。

2.2 脫鉤指數計算

脫鉤是物理學概念(指2個或以上物理量間不存在依存關系)，目前已被廣泛應用資源環境領域研究(主要集中于能源資源消耗與經濟增長研究[18，19])。脫鉤理論認為，資源環境壓力與經濟發展之間存在耦合(經濟增長與資源環境壓力呈正相關)與脫鉤(經濟增長與資源環境壓力呈負相關)。水資源環境脫鉤指數指水資源壓力與經濟增長相分離的程度，用水足跡變化率衡量水資源環境的變量，用GDP變化率來衡量經濟發展的變量，將Vehmast的脫鉤指標模型擴展到第t期末的脫鉤指數Dft[20]。

(1)

式中：GDPt, GDPt-1——第t期末和第t-1期末的當地經濟問題； WFt, WFt-1——第t期末和t-1期末的水足跡變量，當Dft>0時，說明此時為強脫鉤的優質協調狀態；當Dft<0時，說明當前該地區的經濟發展與水資源環境未出現脫鉤狀態，處于經濟發展的不協調狀態(表1)。

表1 Tapio脫鉤彈性值分類與評價標準

注：ΔW=WFt-WFt-1；e=Dft，為脫鉤指數。

3 結果與分析

3.1 平塘縣各鄉鎮農業水足跡分析

由表2可知，2002—2015年平塘縣農業生產用水量呈增加變化趨勢，主要由于種植結構調整、單位耕地面積農產品產出量增加，農業投入增加(農藥化肥施用量逐年遞增，導致灰水足跡增加)所致。從平均值來看，通州鎮農業生產用水量最大，1.21×108m3；其次是塘邊鎮，6.70×107m3；掌布鄉最小，1.80×107m3。19個鄉鎮均方差系數變化范圍為3.26%～102.22%，通州鎮均方差系數最大，為102.22%；其次是塘邊鎮，為20.37%；甘寨鄉最小，為3.26%。

表2 平塘縣2002-2015年農業生產用水量 108 m3

3.2 平塘縣各鄉鎮農業水足跡增長率分析

由表3可知，2002—2015年各鄉鎮農業水足跡增長率變化趨勢明顯，掌布鄉農業水足跡平均值最大，鼠場鄉其次，甘寨鄉最小，且為負值。除2010年各鄉鎮農業水足跡變化率均為正值外，其他各年份各鄉鎮均存在負值。

表3 平塘縣2002-2015年各鄉鎮農業水足跡變化率 %

3.3 平塘縣各鄉鎮農業GDP增長率分析

平塘縣是典型喀斯特峰叢洼地農業縣，由表4可知，2002—2015年各鄉鎮農業產值整體上呈增加變化趨勢，但農業GDP增長率變化趨勢不明顯，從農業GDP增長率平均值來看，掌布鄉最大，為14.4%，西涼鄉其次，平湖鎮最小。2011年90%以上鄉鎮農業GDP變化率呈負增長，其他各年份各鄉鎮農業GDP增長率總體上為正值。

表4 平塘縣2002-2015年各鄉鎮農業GDP變化率 %

3.4 平塘縣各鄉鎮農業水資源利用與農業經濟增長脫鉤指數

由表5可知，2002—2015年卡羅鄉農業水資源利用與農業經濟增長脫鉤指數平均值最大，為3.9；掌布鄉其次，為2.8；苗二河鄉最小，為-6.6。2002—2015年各鄉鎮弱脫鉤的年份占比為14.4%～71.4%，強脫鉤的年份占比為7.1%～57.1%，衰退脫鉤的年份占比為0%～7.1%。從脫鉤的年份占比來看，由大到小排序為：牙舟鎮(85.7%)>塘邊鎮、擺茹鎮、者密鎮、甘寨鄉、卡羅鄉(78.6%)>白龍鄉(71.4%)>平湖鎮、克度鎮、大塘鎮、谷硐鄉、新塘鄉(64.3%)>通州鎮、四寨鎮、卡蒲鄉、鼠場鄉、掌布鄉(57.1%)>西涼鄉(50.0%)>苗二河鄉(42.9%)。2002—2015年屬于弱脫鉤鄉鎮個數范圍為4～18個，屬于強脫鉤鄉鎮個數范圍為0～19個，屬于衰退脫鉤鄉鎮個數范圍為0～10個，2002—2015年脫鉤鄉鎮個數由大到小排序為：2007，2008(19個)年>2010年，2015年(18個)>2013年(16個)>2002年(15個)>2011年(13個)>2014年(12個)>2003年，2005年(11個)>2004年(10個)>2009年(7個)>2012年(6個)>2006年(1個)。2007年平塘縣農業水足跡與農村經濟增長協調關系最佳，其次是2008年，協調狀況最差是2006年，2002—2015年協調關系整體上，呈由倒U形的變化趨勢。

表5 平塘縣2002-2015年各鄉鎮農業水資源利用與農業經濟增長脫鉤指數

由表6可知，2002—2015年從面積來看，弱脫鉤面積比重范圍為0%～97.9%(2010年最大，2013年其次，2007年，2011年最小)，強脫鉤面積比重范圍為0%～100%(2007年最大，2008年其次，2010年最小)，衰退脫鉤面積比重范圍為0%～49.7%(2011年為49.7%，其他年份為0)，脫鉤總面積(弱脫鉤、強脫鉤、衰退脫鉤三者面積之和)由大小到排序為：2007=2008(100%)>2010(97.9%)>2015(94.2%)>2013(85.1%)>2002(84.7%)>2014(69.0%)>2011(67.8%)>2004(59.0%)>2003(53.6%)>2005(49.6%)>2009(41.1%)>2012年(26.9%)>2006年(7.8%)。利用ArcGIS繪制了2003，2007，2011年平塘縣農業水資源利用與經濟增長脫鉤指數空間分布圖(附圖6)。

4 討論與結論

4.1 討 論

喀斯特峰叢洼地地表起伏大，土被破碎，農業規?；洜I受限，導致該地區農業生產中人力物力投入高，作物單產水平低，農業水足跡較高，農業經濟效益低。如何高效利用有限水土資源已成為喀斯特峰叢洼地可持續發展需迫切解決的問題。利用水足跡方法對農業生產用水量量化受主觀因素影響小，能較客觀測度農業用水量，但本研究未涵養二、三產業，一則，由于研究區水資源基本用于本地區內部經濟發展，農產品基本用于本地區消費，對外貿易較少；再則，由于統計數據缺乏限制，本研究未考慮研究區與外部貿易虛擬水含量的計算。喀斯特峰叢洼地受水資源剛性約束(地表水資源調蓄功能極差)，在生產端提高水資源利用效率成為當地農業節水重要途徑，通過種植結構優化，使有限水資源發揮最大經濟效益、社會效益和生態效益。

表6 平塘縣2001-2005年各鄉鎮農業水資源利用與經濟增長脫鉤評價結果

4.2 結 論

喀斯特峰叢洼地是喀斯特地區一特殊地貌類型，具有多相復雜體系，農業生產極易受環境變化影響，自然地理環境差異造就其獨特人地地域關系。本文利用水足跡計算模型，核算了平塘縣2002—2015年農業用水量，運用Tapio脫鉤彈性指數模型，剖析平塘縣農業水資源利用狀況與農業經濟增長間關系。

(1) 2002—2015年平塘縣水足跡與生產總值整體上呈波動上升趨勢，但其增長率波動性較明顯，不同年份對水資源消耗量起主要貢獻作用的因素不同，從而導致農業水足跡波動較大。

(2) 從Tapio 脫鉤彈性指數來看，現階段經濟增長與水資源消耗關系尚不穩定，水資源不可持續性利用狀態仍然存在，脫鉤關系出現波動較大根本原因在于水資源消耗量和經濟增長的不規律性變化幅度較大。

(3) 2007年為脫鉤關系較為理想或樂觀的年份，其次是2008年，協調狀況最差是2006，2002—2015年脫鉤態勢系整體上，呈倒U形變化趨勢。

(4) 2002—2015年從面積來看，弱脫鉤面積比重范圍為0～97.9(2010年最大，2013年其次，2007年，2011年最小)，強脫鉤面積比重范圍為0～100(2007年最大，2008年其次，2010年最小)，衰退脫鉤面積比重范圍為0～49.7(2011年為49.7，其他年份為0)。