基于水足跡的漯河市農業水資源空間特征分析

李志芳，沈新磊，王 銳

（1.河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000；2.漯河市土壤肥料站，河南 漯河 462300）

中國水資源利用面臨著嚴重的供需矛盾，水資源問題已成為中國經濟社會高質量發展的重要制約因素，面臨著嚴重的水資源短缺和供需矛盾。農業用水在水資源消耗中的占比高達70%［1］，雖然近年來有所下降，但農業耗水在水資源消耗中占比仍然較大。

Hoekstra［2，3］提出了“水足跡”的概念，之后這種在整個產品供應鏈中考慮用水的觀點引起了極大的關注。一種產品的水足跡是指用于生產該產品的整個生產供應鏈中的用水量之和，包括綠水足跡、藍水足跡、灰水足跡。綠水足跡是指對綠水（不會成為徑流的雨水）資源的消耗，與農業和林業產品（作物產品或林木產品）密切相關。農業消耗的綠水可以通過經驗公式或采用合適的模擬作物蒸散發模型進行測量或評價。這些模型往往以氣候、土壤或作物特征為基本輸入數據。藍水足跡是指產品在其供應鏈中對藍水（地表水和地下水）資源的消耗，消耗是指流域內可利用的地表水和地下水的損失，當水蒸發、回流到流域外、匯入大海或納入到產品中時，便產生了水的損失。可以獲得的有關農業藍水消耗的統計僅有灌溉取水量，而非藍水消耗量。測量實地水蒸散發的工作量很大，即使測量了總蒸散發，也需要計算屬于藍水的比例。因此一般采用以氣候、土壤、作物特征和實際灌溉量等為輸入數據的水平衡模型。灰水足跡是與污染有關的指標，定義為以自然本底濃度和現有的環境水質標準為基準，將一定的污染物負荷吸收同化所需淡水的體積。

水足跡是一種對水資源占用的綜合表征，有別于作用有限的傳統取水指標［4］。農業是國民經濟生產中最主要的耗水產業，水足跡作為用水評價指標為研究農業水資源可持續利用提供了新思路［5］。農業水足跡概念的提出，改變了過去僅采用農田灌溉用水量衡量農業對水資源消耗的傳統模式，拓寬了農業水資源管理范疇［6］。王圣云等［7］將水足跡和灰水足跡指標納入農業生態效率指標體系，分析了中國農業生態效率空間演化特征及驅動因素；徐依婷等［8］基于水足跡方法構建糧食生產水資源匹配指數，從用水總量、來源結構和糧水匹配關系3 個角度分析糧食生產用水的動態演變特征；樊慧麗等［9］從水足跡視角出發，運用水土資源匹配系數法深入分析長江經濟帶不同區域農業水土資源匹配情況，探討了區域水土資源匹配度對農業經濟增長的影響。

基于水足跡理論，從農業生產綠水足跡、藍水足跡、灰水足跡角度分別計算主要作物耗水量，分析漯河市水資源消耗空間分布特征，尋求水資源可持續利用路徑。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

漯河市位于河南省中南部，轄郾城、源匯、召陵3 區和臨潁、舞陽 2 縣。東經 113°27′—114°16′，北緯33°24′—33°59′，地處伏牛山東麓平原與淮北平原交錯地帶，地勢大致由西北向東南微傾，海拔高度為50～102 m，地勢低平，境內河流為淮河流域沙潁河水系。屬暖濕性季風氣候，四季分明，多年平均氣溫14.6 ℃，無霜期為216～225 d，日照時數2 187～2 359 h，年均降水量749.2～845.2 mm，主要集中在7—9 月。土壤質地以壤質為主，肥力水平相對較高，農業基礎條件好。土地利用類型以耕地為主，面積為18.92×104hm2，占全市土地總面積的70.25%。

1.2 數據來源

氣象數據來源于中國氣象數據網；作物參數來源于漯河市農業農村局；漯河市各鄉鎮面積、人口數量、作物播種面積、作物產量、氮肥及磷肥施用量來源于《漯河市統計年鑒（2017—2019 年）》；灌溉用水數據來源于《漯河市水資源公報（2017—2019 年）》。

2 研究方法

利用CROPWAT 模型中的灌溉制度法計算漯河市主要作物冬小麥、夏玉米的蒸散發量，得到作物生產綠水足跡、藍水足跡。作物生產總水足跡（WF）是其綠水、藍水和灰水足跡之和。

式中，作物生產綠水足跡（WFgreen，m3/t）等于作物耗水中的綠水量（CWUgreen，m3/hm2）除以作物產量（Y，t/hm2）；藍水足跡的計算也類似。

一種作物過程水足跡的灰水組分等于進入水系統污染物的量除以環境水質標準規定的該污染物濃度（即最高容許濃度cmax）與該污染物在排入水體中自然本底濃度（cnat）的差值。作物生產灰水足跡（WFgrey，m3/t）計算公式如下。

式中，α 為淋溶率（即進入水體的污染量占總化學物質施用量的比例），通常根據田間的試驗數據獲得，本研究借鑒他人的成果［10］，取化肥的淋溶率為10%；AR為每公頃土地的化肥施用量（kg/hm2）；cmax為污染物在水體中的最大容許濃度，取《河南省轄海河流域水污染物排放標準（DB41777—2013）》中的氮、磷含量作為最大容許濃度，分別為15、0.8 mg/L；cnat為污染物在水體中的自然本底濃度，由于不同時期地表水體氮、磷元素含量不同，假定灰水足跡最大，氮、磷元素含量為零；Y為作物產量（t/hm2）。

3 結果與分析

3.1 漯河市農業生產水足跡

在CROPWAT 模型中運用灌溉制度法，計算漯河市主要作物冬小麥、夏玉米的蒸散發量，得到作物生長耗水中的綠水量、藍水量，其中冬小麥CWUgreen值為 2 328.4 m3/hm2，CWUblue值為 1 883 m3/hm2，夏玉米CWUgreen值為 2 648.1 m3/hm2，CWUblue值為783.4 m3/hm2。根據漯河市氮肥、磷肥施用量，計算灰水足跡。漯河市農業生產水足跡計算結果如表1 所示。由表1 可知，作物生長綠水足跡和藍水足跡最大的區域均為源匯區，作物生長綠水足跡最小區域為郾城區，藍水足跡最小區域為臨潁縣，農業灰水足跡最大的區域為臨潁縣，最小的區域為舞陽縣。漯河市農業生產水足跡均較高，需采取對應措施提高水資源利用效率，促進水資源可持續利用。可通過提高農業技術來增加土地生產率，從而提高水分生產率以減少農業生產綠水足跡，也可通過地面覆蓋減少土壤表面蒸發以提高綠水利用率；可通過更新灌溉技術、調整作物種植結構和品種、優化灌溉制度等方法減少農業生產過程藍水足跡；農業生產灰水足跡的減少可通過少用或不用化學肥料、推廣有機農業、使用易于吸收的化肥或堆肥、減少淋溶量等措施實現。

表1 漯河市農業生產水足跡

3.2 漯河市農業水足跡空間特征分析

計算漯河市各縣（區）總的農業綠水足跡、藍水足跡、灰水足跡及其各自所占比重，分析不同農業水足跡空間分布特征。由表2、圖1 可知，漯河市各縣（區）均為綠水足跡占比最高，其次為藍水足跡，灰水足跡占比最小。

圖1 漯河市農業水足跡組成及分布

表2 漯河市總的農業綠水足跡、藍水足跡、灰水足跡占比

農業綠水足跡占總水足跡比重從大到小排序為舞陽縣、召陵區、源匯區、郾城區、臨潁縣，在空間上呈現出從南到北比重逐漸降低的特征；漯河市各縣（區）農業藍水足跡占總水足跡的比重約為30%，從高到低的排序為召陵區、舞陽縣、郾城區、源匯區、臨潁縣，體現了各縣（區）對灌溉用水的依賴程度，召陵區依賴性最大，臨潁縣最弱；農業灰水足跡占總水足跡的比重最小，各縣（區）比重從高到低的排序為臨潁縣、源匯區、郾城區、召陵區、舞陽縣，其中臨潁縣灰水足跡占比遠高于其他縣（區），需重點關注化肥施用量，有針對性、適度施肥，逐步降低農業灰水足跡。

3.3 漯河市農業水資源持續利用對策措施

3.3.1 將水足跡管理納入水資源消耗核算體系，完善水資源核算體系 建立水足跡賬戶，對農業部門用水情況做定期公布，促進高耗水部門技術革新和綠色轉型；對區域進行水足跡評價，打造水資源精細化管理，促進水資源可持續利用；在商業貿易中，明確各農產品包含的虛擬水量，逐步降低對高耗水農產品的出口，優先出口低耗水優勢農產品。

3.3.2 積極開展農業節水，降低農產品生產耗水量，提升水資源自給能力 通過技術改進，促進水資源利用效率的提高，緩解各部門用水壓力；同時加快推進海綿城市及鄉鎮建設，充分開發利用雨洪資源，夯實水資源供給基礎，具體措施包括雨水采集和儲存、水運輸過程中減少損耗、污水處理后排放、水回收和再利用技術等。

3.3.3 加強作物水肥管理，進一步嚴格實施“一控兩減”措施 在農業生產過程中，不能一味追求作物產量而忽視對土壤、水體的負面效應，適量施肥，提高化肥利用效率，控制農業用水總量和農業水環境污染，降低農業生產灰水足跡，減少因化肥、農藥的使用而對水體造成的污染，保護區域水環境。

4 結論

漯河市作物生長綠水足跡和藍水足跡最大的區域均為源匯區，作物生長綠水足跡最小區域為郾城區，藍水足跡最小區域為臨潁縣，農業灰水足跡最大的區域為臨潁縣，最小的區域為舞陽縣。漯河市農業生產水足跡均較高，需采取對應措施提高水資源利用效率。

分析漯河市農業水足跡的空間分布特征，農業綠水足跡占總水足跡比重在空間上呈現出從南到北比重逐漸降低的特征；各縣（區）農業藍水足跡占總水足跡的比重約為30%，體現了各縣（區）對灌溉用水的依賴程度；臨潁縣灰水足跡占比遠高于其他縣（區），需重點關注化肥的合理施用，有針對性、適度施肥，逐步降低農業灰水足跡。

漯河市農業水足跡較高，可通過完善水資源消耗核算體系、加快技術革新以降低農產品生產耗水、調整水資源消費結構、合理施用化肥農藥等措施降低農業耗水，提高農業水資源利用效率，促進區域水資源可持續利用。