基于水足跡和LMDI的江蘇省農業用水變化驅動力研究

曾 雯，邱婭柳，操信春*

(1.河海大學 農業科學與工程學院，江蘇 南京 210098；2.南京市高淳區水資源管理中心，江蘇 南京 211300)

由于水資源短缺、水環境惡化和和社會發展引起的水資源需求增長，水資源可持續利用將成為進步的重要前提條件。作為我國的經濟發達的糧食主產區，江蘇省面臨著嚴峻的水資源短缺問題。雖然非農產業發達，但是江蘇省水資源利用結構仍然以農業用水為主，農業生產不僅利用了大量水資源，也會造成難以防控的面源污染。因此，科學評估全省歷年農業用水并識別其在社會發展背景下的驅動力，對未來基于資源可持續利用和社會健康發展的水管理政策制定具重要的意義[1]。水足跡概念被認為是衡量農業用水最為全面的指標，并應用于解決嚴重缺水地區的水危機的研究[2-4]。水足跡能體現水資源消耗的類型及數量、污染量及污染類型的多維度用水，是科學地評價農業生產與水資源關系及其利用效率的重要工具。農業水足跡是在農業生產過程對水資源數量和質量的真實影響，可劃分為分為藍水、綠水和灰水足跡3個部分[5-6]。藍水足跡為灌溉水消耗量，綠水足跡為降水資源消耗量，而灰水足跡為農業面源污染源造成的水資源污染量[7]。利用水足跡來評價區域農業用水已被受到越來越多的關注，其研究內容主要包括農作物水足跡量化、用水效率評價以及水足跡的驅動力或影響因素分析[8-11]。其中，基于水足跡的農業用水驅動力分析被認為可以為農業節水管理提供直接的依據，并在中國不同尺度上得到了實證研究。郭相平等[12]、龔嚴等[13]理利用通徑分析方法分別對我國及江蘇省主要農作物水足跡的影響因素進行了量化；湖南[14]、河北[15]、遼寧[16]、以及黑龍江[17]等省區主要作物水足跡的影響因素也受到關注。然而，以往的方法主要從自然條件和農業生產要素角度分析影響水足跡變化的驅動因素，很少從經濟社會發展的角度展開研究。對數均分指數分解法(LMDI)是一種公認的較為精確的指數分解方法[18]。該方法具有深厚的理論基礎和高適應性，且能和社會經濟緊密結合[19]。當前該方法已被廣泛應用于糧食生產[20]、CO2排放[21]、能源利用效率評價[22]等領域，對社會發展進程中的資源效率驅動分析具有明顯的優勢。為此，本文結合農業水足跡和灌溉特征，基于水足跡方法評價1999—2018年江蘇省農業用水量，利用LMDI模型識別影響江蘇省農業水足跡變化的驅動力及影響機制，旨在為提高水資源利用效率和實現區域水資源可持續利用策略的制定提供參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 農業水足跡的計算

農業水足跡是一種衡量農業生產及消費對水資源造成的消耗及影響的綜合評價指標。對特定的作物來說，農業水足跡可表示為灌溉水消耗量(CIW)、雨水消耗量(CRW)和灰水足跡(FGW)三部分之和。

FCW=CIW+CRW+FGW

(1)

式中：CIW是作物以田間蒸散的形式消耗的灌溉水量，也被稱為藍水足跡，m3；CRW是作物以田間蒸散的形式消耗的雨水量，也被稱為綠水足跡，m3；FGW是由于農業排放引起的水資源非點源污染量，也被叫作農業灰水足跡，m3。

CIW=AI×(ETc-Pe)

(2)

CRW=A×Min(ETc,Pe)

(3)

式中：AI為灌溉面積，ha；ETc為作物所需水量，mm；Pe為有效降水量，mm；A為作物種植面積，ha。ETc由作物系數(Kc)和參考作物蒸散量(ET0)共同決定：

ETc=Kc×ET0

(4)

式中：Kc是作物系數，無量綱；ET0是參考作物蒸散量，mm，ET0可利用在CROPWAT模型中廣泛使用的Penman-Monteith(P-M)公式進行計算。Pe可按照美國農業部土壤保持局推薦的方法進行計算[18]：

(5)

式中，P為每10 d的降水量，mm。

灰水足跡采用的計算方式如下：

FGW=(α×RA)/(cmax-cmin)

(6)

式中：α為淋濾徑流分數，%；RA是單位面積農田的化學施用量，kg/hm2；Cmax是環境污染物最大可接受濃度，kg/m3；Cmin是天然水中的濃度，可假設為0 mg/L。

2.2 LMDI分解法

本文將常見的農作物分為水稻、小麥、玉米、油菜、水果和其他作物共6類，利用LMDI模型來分析影響江蘇省農作物水足跡變化的關鍵指標，分解結果如下：

(7)

式中：FCW為農業水足跡，Gm3；AGDP為農業產值，億元；P人為鄉村人口數量，萬人。

為了方便表示，將公式7簡化為公式：

FCW=i×e×P人

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中:ΔWi、ΔWe和ΔWP分別為水足跡強度、經濟發展水平和人口因素對農業水足跡變化作出的貢獻值，Gm3；若貢獻值為正，則表示水足跡強度、經濟發展水平和人口因素的變化促進了農業水足跡數量的增加，起到了貢獻作用，表現為增量效應，反之，可稱為抑制作用。

2.3 數據來源

本文以江蘇省為研究對象，選取1999—2018年的相關指標數據對江蘇省農業水足跡及其驅動力進行分解分析。江蘇省的灌溉效率來自于《江蘇省水資源公報1999—2018》。作物種植面積、有效灌溉面積、施氮量、農業產值和鄉村人口等數據均來源于《江蘇統計年鑒》。生育期數據和Kc由中國農業科學院農田灌溉研究所提供。

3 結果與分析

3.1 江蘇省農業水足跡變化分析

1999—2018年江蘇省農業水足跡年均值為55.2 Gm3，20年間水足跡總量共降低了10.43 Gm3，說明水資源利用效率得到了提高。歷年的水足跡總量及各作物水足跡列于表1。

由表1可知，水稻的水足跡是所有作物中最高的，約占農業總水足跡的40%。其次是小麥，歷年水足跡平均值為14.81 Gm3。玉米、油菜和水果的水足跡較低，均不超過5 Gm3。為分析水足跡的變化特點及組成特征，圖1給出了不同作物水足跡占總水足跡的百分比情況。

表1 1999—2018年作物水足跡與總水足跡

江蘇省農業水足跡總量在研究期間呈現波動狀態，變化過程可以分為3個階段。第一階段為1999—2005年，這一階段總水足跡呈現明顯的下降趨勢，由1999年的最高值63.65 Gm3降至20年間的最低值48.96 Gm3，下降比列高達23%。這是由于“十五”期間，江蘇省積極響應國家全面推進節水型社會建設的政策，變革水資源管理制度，加強農業節水技術的改造，推進節水型城市建設，有效地促進了江蘇省農業用水量的減少。第二階段為2005—2015年，農業用水總量雖呈現逐年上升的趨勢，但年均增長率僅為1.02%，增長幅度較小。這期間總水足跡的變化主要是由小麥水足跡的變化引起的。由于中央持續重視糧食安全與糧食生產問題，小麥的種植面積從“十五”期間的歷史低谷167萬hm2逐步恢復到“十二五”期間的233萬hm2，小麥種植規模的大幅度擴大是導致農業用水變化的主要因素。第三階段為2015—2018年：農業總水足跡又呈現逐年降低的趨勢，由于這期間小麥受天氣及病蟲草害等影響，其質量及產量的下降使得部分地區農戶為追求經濟效益調整種植結構，小麥的種植面積略有減少，小麥水足跡也隨之下降。從圖1中可以看出，水稻、玉米和油菜的種植規模較穩定，水足跡變化幅度微弱，對總水足跡分影響甚微。隨著生活水平的提高和居民消費模式的改變，水果的需求量及高效益提高了農民的種植興趣，因此水果的水足跡在20年間增長了近4倍。

圖1 1999—2018年江蘇省作物用水量占比變化趨勢

3.2 江蘇省農業水足跡驅動力的分解

3.2.1 驅動力因素變化趨勢

本文將水足跡強度、經濟發展和人口數量確定為影響農業水足跡變化的驅動力因素，江蘇省歷年農業產值情況如圖2所示。

由圖2知，研究期間江蘇省農業生產總值呈現局部小幅度波動、整體上升的趨勢。農業產值由1999年的1 003.5億元增長至2018年的4 141.7億元，年均增長率高達7.78%，增長顯著。江蘇省始終堅持“三農”政策，在增強農業綜合生產能力、調整農業種植結構、推進農村改革創新等方面均取得了顯著的成效。農民持續增收，農村發展活力顯著增強，為實現現代化農業奠定了堅實的基礎。人口變動也是影響農業水足跡變化的一個主要因素，見圖3。

圖2 江蘇省農業產值變化趨勢

從圖3中可以明顯看出，江蘇省鄉村人口變化可分為兩個階段，第一階段是1999—2004年:這一階段內江蘇省總人口約為7 400萬，而鄉村人口數量較穩定，均保持在5 200萬人左右，占全省總人口的70%。此時的江蘇省城鎮化率僅為30%，處于較低的水平。第二階段為2005—2018年：這一階段內鄉村人口從2005年的3 726萬人降至2018年的2 447萬人，始終保持穩定下降的趨勢。2005年鄉村人口占全省總人口的49.9%，首次低于50%，2018年江蘇省城鎮化率已達到69.6%，說明江蘇省城鎮化進程發展迅速，工業化進程的加快和“民工潮”的涌現促使鄉村人口逐步向城鎮轉移，鄉村人口比重持續下降，城鎮化率穩步上升。

圖3 江蘇省鄉村人口變化趨勢

灌溉效率的提高是保證農田灌溉質量，促進農業增產增效的前提。灌溉效率可以直觀地反映水資源利用的情況，1999—2018年江蘇省灌溉效率的變化趨勢如圖4所示。

圖4展示了20年間江蘇省灌溉效率呈逐年上升的趨勢且均保持在0.45以上，灌溉效率從1999年的0.48上升至2018年的0.61，年均增長率為1.27%。1999—2005年期間，灌溉效率增長速度較為緩慢，始終保持在0.5以下；自2005年開始，江蘇大力推進節水型社會建設，在徐州、張家港、無錫和南通等多地建立節水試點城市，積極推廣節水灌溉技術，加大科學投入，農田灌溉效率得到了大幅度的提高。

圖4 江蘇省灌溉效率變化趨勢

3.2.2 基于LMDI的驅動力結果分析

1999—2018年期間江蘇省農業水足跡變化量(ΔFCW)均小于0，年均值為-29.67 Gm3，意味著農業水足跡是逐年降低的，總體來看，江蘇省的水資源利用效率在不斷提高。基于LMDI模型分解的各驅動因素變化情況如圖5所示。

圖5 1999—2018年江蘇省農業水足跡變化驅動因子貢獻值

如圖5所示，ΔFCW呈現逐年下降的趨勢，ΔWi、ΔWe和ΔWp對農業用水的作用效果均呈現逐漸增強的趨勢。經濟發展效應是貢獻因素，而水足跡強度與人口規模是影響農業用水量的抑制因素。其中，經濟發展效應和水足跡強度分別為作用效果最強的貢獻因素和抑制因素。在研究期間，水足跡強度的貢獻值共增加了-87.89 Gm3，增幅顯著，年均增長率達26.56%，是所有因素中增長最快的因子，影響方式為負向驅動。經濟發展效應的影響作用較水足跡強度稍小，年均增長率為26.27%，影響方式為正向驅動。經濟發展與水足跡強度對農業用水造成的影響一般呈現出對立的狀態。

以1999年為研究基準年，可將研究期間分為兩個階段，第一階段為2000—2004年：從人口角度來看，這期間各驅動因素的貢獻值均較小，尤其是人口因素的貢獻值幾乎可以忽略不計，農業水足跡的總貢獻值僅表現為輕微的抑制作用。第二階段為2005—2018年：2005年期間ΔFCW變化顯著，由2004年的-10.18 Gm3變化為2005年的-30.56 Gm3。人口規模的變化是導致ΔFCW變化顯著的主要原因。由圖3可知，在計劃生育政策和工業化進程加快的影響下，江蘇省鄉村人口驟減且城鄉之間人口流動較大，這必然導致人口對農業水足跡的貢獻值發生較大改變。自2005年開始，人口因素均表現為反向驅動效應，其抑制作用約為水足跡強度效應的一半。

從經濟發展效應角度出發，研究期間，經濟發展效應的貢獻值從2000年的2.29增長至2018年的86.39，增長幅度高達3 672.5%，自2003年開始，經濟發展效應的貢獻值便穩定在80 Gm3以上。經濟的快速發展必然帶來農業生產技術的變革，從而大大提高了水資源利用效率。盡管工業化是促進經濟發展的主導因素，但許多農民仍然高度依賴農業謀生，他們脫貧致富的愿望促進了農業的快速發展，極大地推動了農業用水量的增加。農業生產技術的提高帶來了較高的經濟效益，這促使了農民的生產積極性不斷提高，農民們采取擴大農作物種植面積、調整農作物種植結構和提高灌溉效率等方式來增加收益，這勢必會導致江蘇農業水足跡的增加，也證實了經濟發展效應的正驅動作用顯著。

從水足跡強度來看，作為貢獻值最大的反向驅動效應，水足跡強度越大，意味著創造單位GDP所需耗水量就越多。從圖5可以看到，水足跡強度從1999年的-5.15 Gm3下降至2018年的-93.04 Gm3，呈不斷下降的趨勢，這表明1999—2018年期間水資源利用效率在不斷提高，創造單位GDP所需水量越來越少。水資源利用效率的提高離不開相關政策的引導，江蘇積極響應國家頒布的《全國節水規劃綱要》、《城市節約用水管理辦法》和《關于加強城市供水節水和水污染防治工作的通知》等條例，在推廣節水灌溉系統、改善農業生產條件、增強農民節水意識、加大資金投入以及科學管理灌溉設施等方面有了長足的進步。

4 結論與建議

了解農業用水的驅動力對于政策制定至關重要，而分解分析是定量確定影響農業用水的預定因素變化的有效方法。本研究分析了1999—2018年江蘇省農業水足跡的總體趨勢，結合LMDI模型定量分析了影響農業用水的主要驅動因素及其內在關系，所得結論如下：

(1)1999—2018年期間，江蘇省農業總水足跡呈現先下降后上升再下降的波動趨勢，水稻的水足跡是所有作物中最大的，占比為40%；小麥水足跡的變化趨勢與總水足跡具有相似性，小麥是影響總水足跡變化的最主要因素。

(2)江蘇省GDP在全國一直位居前列，其研究期間的農業生產總值呈現局部小幅度波動、整體上升的趨勢，年均增長率高達7.78%，增長十分迅速；江蘇省城鎮化進程發展迅速，城鎮化率穩步上升；江蘇省灌溉效率呈逐年上升的趨勢且2018年已超過0.6，年均增長率為1.27%。

(3)基于 LMDI模型分析驅動力因素對江蘇省農業用水的影響程度為：水足跡強度>經濟發展>人口規模，水足跡強度和人口規模均為反向驅動力，經濟發展是正向驅動力。水足跡強度與經濟發展對農業水足跡變化的貢獻值相差不大，呈現明顯對立的狀態，人口規模對水足跡變化的影響最小。1999—2018年，江蘇省農業水足跡總變化值始終為負值且一直在減小，表明其水資源利用效率在不斷提高，農業用水環境正在逐步好轉。

江蘇是中國第二經濟大省，城鎮化、人口、糧食需求的快速增長帶來了極大的水資源壓力。基于對1999—2018年江蘇農業水足跡的計算及其變化驅動力的深入分析，政府決策者應遵循“最優原則”，因地制宜制定政策并實施合理的戰略規劃。從經濟和技術角度出發，江蘇省應將發展重心放在推廣農業節水高新技術上來，農業節水高新技術包括精準農業技術、自動化管理技術及低水耗高產量的綜合技術等，可有效減少農田蒸散發，增加作物產量，代表了21世紀節水農業發展方向，是實現節水農業和提高經濟效益的基本保障。調整和優化種植結構，適當擴大耗水量小但經濟效益較高的作物種植面積也是減緩農業水足跡增長，減小耗水量的有效途徑。從水足跡強度出發，盡管江蘇省水資源利用效率得到顯著的提高，但部分地區仍存在渠道滲漏損失量大、大水漫灌浪費嚴重和地下水開采超量等問題。決策者們應完善節水灌溉基礎設施建設，制定農業節水條例，加強農業用水管理，對浪費或污染水資源的行為進行相應的處罰，對農業節水帶頭者和貢獻較大者給予一定獎勵，做到獎懲結合。從人口角度出發，控制江蘇省的人口增長速度，改善人口組成結構，提高農民節水意識，鼓勵農民采用節水技術，建立農民參與和管理決策的民主管理機制，合理分配水資源并制定符合市場導向的水權制度，推進農業水價改革的實施，使得節水灌溉成為農民的自覺行動，這些措施均可以在一定程度上減緩水足跡的增長。由于相關數據的有限性，本文選取的農業水足跡的影響因素并不全面，在今后的研究中，驅動因素的多樣性與空間差異分解值得進一步探究。