水足跡視角下中部5省主要糧食作物用水分析

李楊 張容 顧強

摘 要：基于水足跡理論，采用氣象和農業相關數據，對安徽、河南、湖北、湖南、江西5省2006—2015年小麥、大豆、玉米3種主要糧食作物的水足跡進行測算與分析，并結合各省水資源占有情況，提出對中部5省主要糧食作物種植結構進行調整的建議，以提高各省水資源利用效率。結果表明：①從時間序列來看，大豆、小麥、玉米的水足跡沒有呈現顯著性變化趨勢;②從用水類型來看，大豆水足跡中的藍水足跡占比最高，為21.60%，小麥和玉米的藍水足跡占比分別為8.76%、16.33%;③從綜合水足跡計算結果來看，各省的糧食作物水資源利用效率排序為安徽>河南>湖北>湖南>江西;④從空間分布特征來看，大豆水足跡在5省的空間分布差異最大，河南省大豆水足跡最高，為4.09 m3/kg，湖南省的大豆水足跡最低，只有2.11 m3/kg。

關鍵詞：糧食作物;水足跡;種植結構;中部5省

中圖分類號：TV213.4 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.011

Abstract：Based on water footprint theory， this paper calculated the water footprint of three food crops （wheat， soybean and corn） in Anhui， Henan， Hubei， Hunan and Jiangxi provinces of China from 2006 to 2015 by using relevant meteorological and agricultural data. According to the situation of water resources and the water footprint in each province， the planting structure of main grain crops in the central five provinces was adjusted in order to improve the utilization efficiency of water resources. The results show that a）in terms of time series， the water footprints of soybean， wheat and corn show no significant change trend; b） from the perspective of water type， proportion of blue water footprint of soybean is the largest（21.60%）， while wheat and corn account for 8.76% and 16.33% respectively; c） according to the results of comprehensive water footprint， the water resources efficiency of grain crops is in order of Anhui， Henan， Hubei， Hunan and Jiangxi provinces from high to low; d） as the aspect of spatial distribution characteristics， the spatial distribution difference of water footprint of soybean is the largest in the five provinces; Henan Province has the largest water footprint of soybean（4.09 m3/kg）， while Hunan province is only 2.11 m3/kg.

Key words： food crops; water footprint; planting structure; five provinces in central China

目前，我國提出要著力加強農業供給側結構性改革，提高資源利用效率，提升生態經濟效益。安徽、河南、湖北、湖南、江西5省既是我國中部崛起的主體區域，又是我國傳統的糧食主產區，具有相似的自然氣候、地形條件和耕作方式。這5省農業資源條件優越，糧食作物都以水稻、玉米、小麥、大豆為主，農作物播種面積約占全國農作物播種面積的30%，糧食產量也占全國糧食總產量的30%左右。然而大規模的農業生產也帶來了水資源的巨大消耗，據國家統計局統計，農業生產用水量占中部地區用水總量的56.1%。在水資源總量的剛性約束下，淡水資源的日益匱乏對中部5省的糧食生產提出了嚴峻的挑戰，使得水資源成為制約農業發展的主要因素之一。

水足跡概念的提出為反映作物的耗水類型以及用水效率、科學合理利用水資源提供了依據[1]。通過分析我國近年來水足跡文獻可知，農作物水足跡的研究內容主要集中在水足跡的時空分布差異、影響因素分析、生產結構調整等方面，如孫世坤等[2]、馮變變等[3]分別研究了全國各區域與山西省各地區糧食生產水足跡的時空分布差異，韓宇平等[4]、李紅穎等[5]分別探討了京津冀地區與長春市農作物水足跡的影響因素，侯慶豐[6]、趙恩等[7]、欒福超等[8]分別分析了甘肅省、黑龍江省、三江平原地區的農業種植結構。由于中部5省的水稻種植在全國占有極其重要的位置，為保障我國糧食安全，需要穩定中部地區水稻種植大省的種植面積，因此本文不考慮中部地區水稻種植結構的調整。由此，本文測算了中部5省2006—2015年大豆、玉米、小麥3種主要糧食作物的水足跡值，并分析其時空分布情況，結合各省水資源占有情況，調整研究區主要糧食作物種植結構，以期為保護水資源、提高水資源利用率和發揮中部地區農業優勢提供參考。

1 研究方法和數據來源

1.1 研究區概況

中部5省屬于亞熱帶和暖溫帶季風氣候區，雨熱同季，溫和濕潤，有利于農作物生長，優越的自然條件造就了中部5省成為我國糧食主要生產基地。2017年中部5省農作物的播種面積為4 537.58萬hm2，占全國農作物播種面積的27.28%。為協調我國水資源節約和糧食安全的內在矛盾，中部5省是推進農業供給側結構性改革的重點地區。

1.2 水足跡計算方法

1.2.1 糧食作物水足跡計算方法

糧食作物水足跡計算采用HOEKSTRA等[9]提出的方法，該方法基于作物蒸發蒸騰量和單位面積產量進行計算，公式為式中：WF為總水足跡，為藍、綠水足跡之和，m3/kg;WFgreen為作物綠水足跡，指作物生長過程中所消耗的儲藏在土壤中的有效降水，m3/kg;WFblue為作物藍水足跡，指作物生長過程所消耗的地下水或地表水，主要指灌溉用水量，m3/kg。

2 結果與分析

2.1 糧食作物水足跡時序分析

選取大豆、小麥和玉米作為中部5省主要糧食作物水足跡研究對象。由表1可知，不同作物的水足跡值差異較大，2006—2015年中部5省大豆、小麥、玉米的生產水足跡均值分別為3.03、0.84、1.15 m3/kg，最大值是最小值的3.61倍。從時間序列來看，3種作物的水足跡沒有呈現顯著的變化趨勢，原因是氣候條件和生產技術條件未發生顯著改變，作物需水量與單產值的波動較小。從用水類型來看，大豆、小麥、玉米的藍水足跡占各自總水足跡的比例分別為21.60%、 8.76%、16.33%，由此可知大豆灌溉用水量最大，玉米次之，小麥最小。

2.2 中部5省糧食作物總水足跡與綜合水足跡

2006—2015年中部5省糧食作物總水足跡年均值差異較大，排序為河南省（5.72 m3/kg）>安徽省（5.61 m3/kg）>江西省（5.42 m3/kg）>湖北省（4.54 m3/kg）>湖南省（4.04 m3/kg）。其間，河南省的總水足跡年均值經歷了2006—2007年驟減、2013—2014年劇增的變化，安徽省總水足跡年均值則在2013—2014年發生了一次驟減，其余3省的糧食作物總水足跡年均值變化都較為平緩。總水足跡體現了中部5省糧食作物用水量的多少，而綜合水足跡則是在此基礎上對水資源的利用效率進行評估。依據公式（9），計算得出2006—2015年江西省糧食作物綜合水足跡均值最高（2.18 m3/kg），安徽省最低（0.86 m3/kg），其余3省排序為湖南省（1.11 m3/kg）>湖北省（1.06 m3/kg）>河南省（0.89 m3/kg）（見表2）。由綜合水足跡的概念可知，其數值越小，水資源利用效率越高，由此可見，5省的糧食作物水資源利用效率排序為安徽>河南>湖北>湖南>江西。從綜合水足跡的時序變化來看，2006—2015年，只有河南省的糧食作物綜合水足跡值呈現上升趨勢，但不顯著;其他4省的綜合水足跡M-K檢驗值都是負數，呈下降趨勢，尤其是安徽省和江西省的下降趨勢非常顯著，其M-K檢驗值分別為-2.91、-3.40。各省變異系數都小于0.1，說明5省的作物綜合水足跡波動幅度很小，沒有出現異常值。

2.3 不同省份糧食作物水足跡分布

通過計算中部5省糧食作物的年平均水足跡（見圖1）可知，3種作物水足跡在各省的分布存在較大差異。河南省和安徽省大豆年平均水足跡都很高，其中最高的河南省（4.09 m3/kg）是最低的湖南省的（2.11 m3/kg）近2倍。小麥年均值水足跡最高的江西省（1.49 m3/kg）是最低的安徽省的（0.47 m3/kg）3倍多。玉米水足跡年平均值的差異不明顯，排序為江西省（1.33 m3/kg）>湖北省（1.19 m3/kg）>安徽省（1.17 m3/kg）>河南省（1.11 m3/kg）>湖南省（0.97 m3/kg）。將3種作物水足跡進行方差分析可知，大豆、小麥、玉米水足跡的方差分別為0.82、0.17、0.02 m6/kg2，說明大豆水足跡在中部5省的分布差異最大，小麥次之，玉米最小。

從中部5省3種糧食作物水足跡占本省總水足跡的比例（見表3）來看，大豆均為最大。河南省的大豆水足跡占比（71.47%）最高，其次為安徽省（70.68%），其他3省都在50%左右。小麥水足跡所占比例最高的為江西省（27.40%），最低的為安徽省（8.45%）。除江西省外，其他4省的玉米水足跡所占總水足跡比例位居第二，其中湖北省的最高（26.47%），而各省差異不大。

3 討 論

通過上述分析可以發現，各省糧食作物水資源利用水平存在差距，受氣溫、濕度、風速與光照等氣候因素的影響，各省的作物需水量也存在顯著差異，需要通過調整糧食作物種植結構，提高水資源利用效率。

結合中部5省的氣候條件和糧食作物的年平均單產（見圖2）可知，中部5省自然環境與生產水平的差異影響了糧食作物的需水量和單產，從而導致同種作物的水足跡值呈現較大差異。安徽省大豆單產最低，導致該省大豆水足跡很高，雖然該省的小麥單產位居第二，比最高的河南省小12.60%，但其水足跡最低，因此建議減小生產效率較低的大豆種植面積，增加小麥種植面積。近些年來安徽省糧食作物種植結構已逐漸進行了調整，調整方向與建議相符（見圖3）。河南省蒸發量較其他省份大，需要更多的灌溉水來維持作物的正常生長[3]，導致其糧食作物的灌溉需水量較其他省份大，表現為藍水足跡較高，因此應該縮減藍水足跡值較高的大豆和玉米種植面積，擴大小麥等藍水足跡較低的糧食作物種植面積，以減少水資源的消耗。據河南省統計資料顯示，河南省的多年平均水資源總量只有414億 m3，位列全國第19位，僅占全國水資源總量的1.51%左右，提高水資源利用率對促進河南省節水農業發展具有重大意義。江西省小麥和玉米單產在中部5省中都最低，導致其小麥和玉米水足跡最高，同時也使綜合水足跡居高不下，因此應注重農業技術進步，一方面提高糧食產量，另一方面提高農業水資源利用效率。湖南省和湖北省的玉米水足跡在3種作物中都是最低的，因此應適當擴大玉米種植面積。

基于上文分析，河南省和安徽省應減小大豆的種植面積。但河南省大豆種植面積約占該省糧食作物總面積的4.62%，可下調的幅度不大;而安徽省大豆種植面積比例為13.80%，具有可調性，因此該省應該減小大豆種植面積。湖北、湖南、江西3省的大豆單產都較高，水足跡值相對其他省份較低，且大豆生長發育所需藍水比例較高，而這3省的水資源總量排名都位居全國前列，因而可以增加大豆種植面積，以彌補河南省和安徽省大豆種植面積減小帶來的產量損失。就小麥的種植情況而言，河南省和安徽省小麥單產較高，其水足跡值較低，種植面積也較大;湖北省的小麥單產次之，種植比例也較低（24.69%）;湖南省和江西省小麥單產低，水足跡值高，從資源有效配置視角來看，這兩省的小麥種植面積比例小于1%是合理的。玉米在河南省種植面積占比較大（30%左右），其他省份玉米種植面積占比較小，雖然河南省玉米單產最高，但是湖南省玉米水足跡最低，且其平均單產只比河南省小2.70%左右，因此可以增加湖南省玉米種植面積，以確保中部地區的糧食產量，保障國家糧食安全。

4 結 論

（1）從大豆、小麥、玉米水足跡角度來看，2006—2015年3種主要糧食作物水足跡沒有顯著變化，其中大豆藍水足跡最高、灌溉用水量最大。

（2）從省際差異角度來看，3種糧食作物總水足跡排序為河南>安徽>江西>湖北>湖南，綜合水足跡排序為江西>湖南>湖北>河南>安徽，用水效率排序為安徽>河南>湖北>湖南>江西。

（3）為實現農業水資源的高效利用，安徽省應縮減生產效率較低的大豆種植面積，擴大小麥種植面積;河南省應該減小藍水足跡較高的大豆和玉米種植面積，擴大小麥等藍水足跡較低的糧食作物種植面積;湖南、江西、湖北3省應增加大豆種植面積，以彌補河南省和安徽省大豆種植面積減小帶來的產量損失;同時，湖南省應擴大玉米種植面積。

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【責任編輯 張華興】