基于水足跡理論的縣域農業用水評價及影響因素分析-以甘肅省景泰縣為例

包雄鵬， 辛永君， 周冬梅， 金銀麗， 周 凡， 楊 靜， 馬 靜， 張 軍,3

（1. 甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070； 2. 甘肅農業大學管理學院，甘肅 蘭州 730070；

3. 甘肅省節水農業工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

水資源是一個地區社會經濟可持續發展的重要條件和戰略性資源，是生物賴以生存的物質基礎，對人類的生存發揮著重要作用[1-3]。在農業生產發展中，人們對水資源利用程度的不斷加深及耗水量的增加導致水資源進一步短缺等問題[4-5]。農業用水量占比較大，對農業水資源消耗特征的研究，探索農業水資源消耗結果、利用效率等方面問題，可為區域水資源可持續利用戰略提供科學依據[6-10]。水足跡作為水資源消費和利用方面的主要評價方法，對于農業用水分析有著重要的作用[11]。通過分析研究農業水足跡，可了解農業用水的結構和分布情況，為區域發展提供新思路[12]。目前水資源評價方法主要有主成分分析法、相關性分析法、灰色聚類評價法和綜合評價法等[13-15]。由于水資源是一個受許多因素影響的復雜系統，因此在水資源的評價方面存在許多的困難，其受到經濟、生態、人口和分布特征的制約，以及人類活動的影響[16]。水足跡理論是由Hoekstra 在2002 年提出的水資源評價的一種新方法，水足跡是指一定范圍一定時間內消耗的所有產品和服務所需的水資源量[17]。水足跡理論較為系統和準確地反應區域用水的情況和用水需求[18-19]。農業水足跡的研究主要目的在于厘清農業耗水特征，為解決區域水資源短缺、水資源利用效率和生態環境壓力等問題提供依據[20-22]。

隨著甘肅省景泰縣社會經濟的發展、農業生產水平的不斷提高和耕地面積的不斷擴大，農業用水量也隨之不斷增大，區域農業水資源合理利用成為重要的問題。本文基于水足跡理論，從農業水足跡結構、農業水足跡空間變化和農業水足跡綜合影響因素等方面進行研究分析[22]。選取不同影響因素的相關指標，從經濟因素、氣候因素、人口因素、農業生產因素進行綜合分析評價，對主要農產品水足跡變化情況、相關特征及相關影響因素進行綜合分析，為景泰縣農產品結構調整及優化配置水資源提供重要參考[23-25]。

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況

景泰縣位于東經103°33′～104°43′，北緯36°43′～37°38′。景泰縣屬于白銀市，地理位置處于甘肅中部，東和靖遠縣與平川區相隔黃河，西部與古浪縣和天祝藏族自治縣接壤，南部與皋蘭縣、永登縣相鄰，位于河西走廊東端。景泰縣總地形是西高東低，海拔1 274～3 321 m。屬于溫帶大陸干旱氣候，年均氣溫9.7 °C，年總日照時數2 515.7 h，年降水量281.9 mm。景泰縣大部分屬黃河流域，黃河干流從縣境南部沿縣界東緣流入寧夏，是全縣唯一的常年地表徑流，其余為間歇性洪流。黃河過境境內流程約110 km，年平均流量993～1 040 m3/s，年 徑 流 量315 億～328 億m3。2019 年，景泰縣總人口23.89 萬人，常住人口22.56 萬人，城鎮化率52.79%。2019 年人均GDP 為23 382.3 元。主要農產品有小麥、玉米、馬鈴薯等，農業用水占全縣用水總量90%以上。因此，對景泰縣農業用水進行科學分析，可為提高景泰縣水資源利用效率、實現水資源可持續利用提供理論支撐。

1.2 數據來源

數據來自于景泰縣統計年鑒（2010-2019）、2010-2019 年水資源公報、景泰縣社會發展公報（2010-2019），以及2021 年4 月和5 月對景泰縣各鄉鎮調研。

2 研究方法

2.1 農業水足跡計算

農業水足跡主要計算方法有投入產出法、產品生命周期法、自下而上法及自上而下法，本文從數據可獲得性及可靠性方面選取自下而上法進行計算[26]。其數學表達式為

水足跡效益是以一個地區水資源的利用效率作為衡量標準，來反映區域水資源在農業發展中對水資源的利用情況。水足跡效益也可稱之為水資源的集約利用程度，其數值大小，反映區域農業水資源利用程度高低。其計算公式為

2.2 灰色預測模型

灰色預測模型是對系統的特征值進行變化預測。在灰色預測中，有些現象是雜亂的、隨機的，但其又是有序的、有界的，灰色預測是利用這種規律建立灰色模型[27]。使用最廣泛的灰色預測模型階微分GM（1,1），按時間累加后形成新序列，用一階線性微分方程來逼近。

建立模型前先對數據進行處理，常用的處理方式有累加和累減。設原始時間序列為

進行后驗差檢驗：計算原始序列的方差，殘差序列的方差。

3 結果與分析

3.1 農業水足跡結構變化

景泰縣地區農畜產品單位質量虛擬水含量結合孫才志等[28]與燕明達等[29]的研究成果計算結果如表1 所示。從圖1 可知，2010-2019 年景泰縣農業水足跡整體呈波動增長趨勢。農業水足跡從2010 年的2.92 億m3到2019 年的4.47 億m3，增加了53%。人均水足跡與景泰縣農業水足跡的變化趨勢相一致，呈現同步增長趨勢。人均水足跡最低的年份2011 年為820.4 m3/人，在2019 年達到1 870.04 m3/人，2010-2019 年人均水足跡增長53.6%。由于景泰縣處于干旱地區，氣候比較干燥，降水較少、蒸發量大，農業生產中對水資源的消耗比例大。農田灌溉用水量占農業用水量比例大，大多數水資源用于農業灌溉，造成了水資源的分配不均[30-31]。對于生態用水、生活用水和工業用水的結構造成影響，一定程度導致各行業的用水不均和結構不合理問題。

表1 景泰縣農畜產品虛擬水含量Tab. 1 Virtual water content of agricultural and livestock products in Jingtai County單位：m3/kg

圖1 景泰縣農業水足跡總量與人均量Fig. 1 Total and per capita agricultural water footprint in Jingtai County

根據統計結果（表2）來看，糧食作物水足跡整體呈波動增長趨勢。水足跡增長速度較快的為玉米，從2010 年的4.761×107m3，增長到2019 年的1.006×108m3，2010-2019 年平均增速為5.89×106m3/a。小麥水足跡呈現下降趨勢，從2010 年的5.615×107m3，緩慢下降至2019 年的4.686×107m3，呈現負增長趨勢，2010-2019年平均增速為-1.03×106m3/a。豆類作物2010-2017 年呈現平穩趨勢，2010 年水足跡為7.267×106m3，2017 年水 足 跡為7.656×106m3，2010-2017 年 平 均 增 速 為6×104m3/a；2017-2019 年 增 長 最 快，從2017 年 的7.656×106m3到2019 年 的7.771×107m3，2017-2019 年平均增速為3.50×107m3/a；2010-2019 年平均增速為7.83×106m3/a。

表2 景泰縣農業水足跡結構Tab. 2 Structure of agricultural water footprint in Jingtai County單位：106m3

經濟作物水足跡整體呈波動變化趨勢，先下降后上升。蔬菜的水足跡總體呈緩慢下降的變化趨勢，有不同的變化區間：2010-2011 年先下降，2011-2013 年上升，2013-2015 年下降，2015-2017 年上升。其中，2011-2013 年為波動變化較大的區間，從2011 年的2.622×107m3，到2013 年的1.457×108m3，增加了4.6 倍。2010-2019 年平均增速為-3.5×105m3。水足跡增長最為明顯的為水果，從2010 年的3.945×107m3到2019 年的8.430×107m3，2010-2019 年平均增速4.98×106m3，處于穩定增長狀態。油料作物的水足跡呈現先增長再下降 趨 勢，從 2010 年 的 2.201×107m3到 2014 年 的4.079×107m3，呈現增長趨勢；2016-2019 年呈現下降趨勢；2010-2019 年整體平均增速為-1.2×105m3。經濟作物的水足跡，在單位質量虛擬水含量一定的情況下，主要由其產量決定水足跡的高低。經濟作物的產量受到多方面的影響，而在景泰縣這樣一個區域內，其主要影響因素以與農業技術進步和農業生產投入為主。

畜產品的水足跡增長整體呈上升趨勢。羊肉的水足跡從2010 年 的8.601×107m3，一 直 增 長 到2019 年 的1.262×108m3，期間增加了4.02×107m3，多年平均增長幅度為4.47×106m3。畜產品中牛奶波動明顯，而牛肉水足跡呈現平穩增長趨勢。豬肉的水足跡呈一定程度的減少趨勢，2010-2019 年平均增速為-5×104m3。而禽蛋呈現穩步增長趨勢，由2010 年的1.048×107m3，到2019 年 的1.889×107m3，增 長 了80.26%，2010-2019年平均增速為9.3×105m3。由于景泰縣畜牧業發展受到政策扶持的影響，其處于穩定增長狀態波動較小，水足跡穩步增加。

3.2 農業水足跡效率變化

用灰色預測模型GM（1,1），模擬農業水足跡效益。其通用性好，并且所需數據少、計算量適中，預測結果與當地實際情況比較吻合。時間序列響應公式為

灰色GM（1,1）模型檢驗及預測結果如表3 所示。

表3 GM（1,1）模型檢驗及預測結果Tab. 3 GM （1,1） model test and prediction results

景泰縣水足跡效益呈現增長趨勢，如圖2 所示。水足跡效益從2010 年的2.68 元/m3，到2019 年的3.64 元/m3，增加了1.36 倍，2010-2019 年平均增速為0.11 元/m3。水足跡效益是農業經濟產值與農業水足跡的比值，2010-2019 年景泰縣的經濟發展較快，要提高水足跡效益就要從農業水足跡方面來調控。從景泰縣農業水足跡2010-2019 年變化趨勢分析可知，其呈現增長趨勢。由于糧食作物的特殊性，保障糧食安全十分重要，因此需要從經濟產品和畜產品來調構。由于農產品類型和價格的差異，水足跡更高的農產品生產不一定對應著高的經濟生產力，所以對于水足跡效益的提高，可以從兩個角度來調節，糧食產量優先或者經濟效益優先考慮。

圖2 景泰縣水足跡效益預測Fig. 2 Projected water footprint benefits for Jingtai County

在主要農產品的水足跡中，經濟作物水足跡效益最高，而種植面積相對于糧食作物較小。而隨著糧食作物水足跡不斷增長，其對于水資源的消耗和占比較大，且糧食作物面積占比大，景泰縣農業水資源利用結構和效率有待調整和提高。對農業種植結構進行進一步的調整，在保證糧食安全的前提條件下，可以增加經濟作物的種植比例，以適應地區發展的需要和經濟的增長。

3.3 農業水足跡空間變化

分析景泰縣農業水足跡空間變化分析，對水資源的利用效率和差異程度進行分析，通過水足跡的分布情況進行鄉鎮空間尺度上的研究，利用ArcMap 軟件繪制2010-2019 年的農業水足跡空間分布（圖3），對不同鄉鎮尺度的農業水足跡進行空間分析。

圖3 景泰縣2010—2019 年水足跡空間變化Fig. 3 Spatial variation of water footprint in Jingtai County from 2010 to 2019

對景泰縣鄉鎮尺度農業水足跡的分布情況分析，農業水足跡最高的是位于景泰縣東北部的五佛鄉，2010-2019 年農業水足跡總量達到7.468 億m3，占全縣總量的21.2%；而相對較高的是縣城所在地一條山鎮，占全縣水足跡總量的13.8%；五佛鄉、一條山鎮相對于其他鄉鎮區域而言農業生產發展較快、人口相對稠密，特別是糧食、蔬菜、水果的產量相對突出。

由圖3 可知，正路鎮2010-2019 年農業水足跡占比最小，但也是農業水足跡增長最快的區域。由于其地處于山區平均海拔較高，農業水足跡僅占全縣農業水足跡的1.73%。其2010-2019 年農業水足跡增加了95%，從各農產品產量變化分析可知，在研究期內畜牧業中牛的數量增加了14.9 倍，羊增加了0.76 倍，種植業中豆類產量增加了14.6 倍，為各農產品中增速最快的產品，這些農產品經濟價值高但虛擬水含量也高，在帶動農業經濟增長的同時也導致了農業水足跡的快速增長。

根據景泰縣2010-2019 年各鄉鎮水足跡的變化情況（圖4），可以將各鄉鎮的水足跡變化趨勢分為整體增長型、下降型及波動型。根據圖4 分析可知，景泰縣紅水鎮、漫水灘鄉、寺灘鎮、正路鎮、喜泉鎮及一條山鎮，水足跡變化為增長型；景泰縣五佛鄉、中泉鎮，屬于水足跡下降型；景泰縣上沙沃鎮、廬陽鎮及草窩灘鎮，屬于波動變化型。

圖4 景泰縣農業水足跡變化區域Fig. 4 Areas of change in agricultural water footprint in Jingtai County

（1）景泰縣水足跡變化增長型區域。①寺灘鄉地區，農 業 水 足 跡從2010 年 的9.5×104m3到2019 年 的3.89×105m3，增長了307%，增長幅度變化大。水足跡增長較快的3 個階段為2010-2013 年、2015-2016 年、2018-2019 年。寺灘鄉地區對全縣2010-2019 年農業水足跡貢獻率為5.3%。②漫水灘鄉水足跡從2010 年的1.37×105m3到2019 年 的4.92×105m3，整 體 增 長 了259%。2010-2015 年增長較緩，增長幅度為69%；2015-2016 年增長幅度最大為83%。漫水灘鄉對全縣2010-2019 年農業水足跡貢獻率為7.4%。③正路鎮水足跡整體呈增長趨勢，從2010 年的8.5×104m3到2019年的5.91×105m3，增長了596%。2010-2017 年呈平緩的波動變化，2017-2019 年開始快速增長。正路鎮對全縣2010-2019 年農業水足跡貢獻率為4.8%。④紅水鎮水足跡整體呈增長趨勢，但水足跡波動變化較大。從2010 年的2.44×105m3到2019 年的8.36×105m3，整體增長了242%。2010-2015 年波動較為平緩，增長波動幅度為48%；2015-2016 年為增長幅度最大的階段。紅水鎮對全縣2010-2019 年農業水足跡貢獻率為12%。⑤喜泉鎮水足跡整體上呈增長趨勢，從2010 年的1.47×105m3到2019 年 的2.47×105m3，增 加 了68%。2010-2018 年為快速增長階段，期間增長了169%。喜泉鎮對全縣2010-2019 年農業水足跡貢獻率為6.2%。⑥一條山鎮水足跡為穩步增長型，水足跡從2010 年的4.29×105m3到2019 年的4.86×105m3，增加了13%。除2010-2011 年與2015-2016 年水足跡有較低的下降外，均為平緩增長階段。一條山鎮對全縣2010-2019 年農業水足跡貢獻率為12.6%。

水足跡變化增長型區域，對全縣2010-2019 年水足跡貢獻率為48.3%，主要位于景泰縣西部地區。由于景泰縣西部區域主要以山區為主，農業生產結構受地形影響較大。農業生產結構中畜牧業占比較大，而且從水足跡不同農產品占比可知，牛羊產品水足跡高，農業生產水足跡比例大。水足跡增長區耕地面積占全縣的72.5%，為主要農業植業區域，通過對糧食作物2010-2019 年水足跡分析可知，其水足跡呈不斷的增長趨勢，這也是造成景泰縣西部區域水足跡增長的重要原因。

（2）景泰縣水足跡變化下降型。①五佛鄉水足跡變 化 為 下 降 型，水 足 跡從2010 年 的1.018×106m3到2019 年的3.33×105m3，下降了67%。2013-2014 年水足跡下降波動最大，2014-2019 年呈緩慢下降趨勢。五佛鄉對全縣2010-2019 年農業水足跡貢獻率為20.5%。②中泉鎮水足跡變化為下降型，整體上從2012-2019 年下降較為平緩，在2010-2013 年處于增長趨勢。中泉鎮對全縣2010-2019 年農業水足跡貢獻率為7%。

在水足跡下降型區域中，五佛鄉靠近景泰縣城區域，2019 年糧食產量僅占全縣的0.5%。通過景泰縣年鑒數據得知，五佛鄉農業水足跡產品組成中，占比較大的主要以蔬菜、養豬及水果種植為主。由農業水足跡結構變化分析可知，景泰縣豬肉、蔬菜水足跡呈下降趨勢，相對于景泰縣其他區域以種植業為主的傳統結構，以經濟價值更高水足跡更小的產品進行生產發展，結構趨于合理。中泉鎮由于黃河石林景區位于其中，區域對于生態的保護力度及景區的輻射帶動作用更大，農業生產受到旅游業的影響大，農民追求更高的經濟效益的產品，種植業產值較低，農民對于傳統農業的投入降低，2019 年糧食作物產量僅高于五佛鄉位于倒數第二，產量占全縣6%。

（3）水足跡變化呈波動型地區，主要是上沙沃鎮、草窩灘鎮、廬陽鎮，波動區主要位于景泰縣東部和東北部區域，波動型區域對景泰縣水足跡貢獻率24%。其水足跡呈現波動變化狀態，且有些年份波動變化較大，由于這3 個區域靠近景泰縣城，受到經濟因素的影響，而且與自身的農業種植結構有關，其糧食作物種植比例較大。而且由于農業人口受經濟因素的波動變化，農業人口比例也不斷降低，而糧食作物水足跡2010-2019 年呈上升發展趨勢，還受到市場波動與農業技術進步的影響，多種因素綜合作用下呈現波動變化。

分析景泰縣農業水足跡重心的偏移情況，對農業水足跡進行研究，選取2010、2013、2016 和2019 年，對其水足跡空間重心的變化情況進行分析[32]。通過ArcMap 軟件中的空間統計工具將不同年份的水足跡空間重心繪制，對4 個代表年份空間重心進行疊加，將水足跡空間重心用曲線依次連接做出重心轉移曲線。從圖5 可知，2010-2019 年，景泰縣農業水足跡重心在空間上的分布由東向西移動。農業水足跡空間重心的移動，反映的是農業水資源的消耗情況，景泰縣的農業水足跡重心從東向西移動，說明景泰縣農業水資源消耗趨勢由東向西轉移。

圖5 景泰縣農業水足跡重心空間變化Fig. 5 Spatial variation of agricultural water footprint centre of gravity in Jingtai County

3.4 農業水足跡綜合影響因素

3.4.1 水足跡與各影響因素相關性分析

農業水足跡受到多種因素的影響，結合相關研究成果和景泰縣實際情況，從經濟、氣候、人口、農業生產4 個方面進行指標的選擇分析，具體指標包括人均GDP（X1，元）、種植業總產值（X2，元）、農民人均純收入（X3，元）、年平均氣溫（X4，°C）、農業人口數（X5）、人口密度（X6，人/hm2）、糧食作物單產量（X7，t）、化肥施用量折純量（X8，t）、年末耕地面積（X9，hm2）、年 水量（X10，mm）、年日照時數（X11，h）、農業水足跡（Y，m3），探究各指標與農業水足跡的相關性。

由表4 可知，經濟因素和農業生產因素與景泰縣農業水足跡正相關性為極顯著相關。相關性較高的影響因素分別是種植業總產值（X2）、農民人均收入（X3）和年末耕地面積（X9），顯著相關的影響因素有人均GDP（X1）、化肥施用量折純量（X8）。由于經濟的發展，農民收入增加，人們用于農業生產的投入也隨之加大，對于農業的消費增加。由景泰縣2010-2019 年的年末耕地變化量來看，耕地保有量不斷增加，導致農業用水量增加和化肥施用量增加，對于農業水足跡影響變大。

表4 農業水足跡與影響因素的相關系數Tab. 4 Correlation coefficients between agricultural water footprint and influencing factors

人口因素中農業人口（X5）與農業水足跡呈負相關性，這是由于地區不斷的發展過程中，城鎮化不斷擴大，農業人口數量相對下降，對于農業水足跡消耗相應的降低。影響因素中氣候方面影響因子相關性較低，景泰縣地處旱地區，從2010 年到2019 年景泰縣的年平均氣溫（X4）、年降水量（X10）、年日照時數（X11）較為穩定，氣溫（X4）、年降水量（X10）、年日照時數（X11）與景泰縣農業水足跡相關性較低。

3.4.2水足跡與各影響因素主成分分析

對農業水足跡進行影響因素主成分分析，根據農業水足跡指標的選取結果，挑選相關指標作為影響因子。相關系數矩陣KMO 檢驗值為0.706，大于0.6；巴特利特球形度檢驗sig 的值為0，小于0.001；兩個檢驗都滿足，說明選擇的因素差異性明顯且適合主成分分析。從SPSS 分析結果（表5）得出，選擇前3 個特征值均超過0.8，前3 個特征值累積貢獻率為86.833%，表明這3 個主成分可以反映影響因子的大部分信息。

表5 主成分特征值及貢獻率Tab. 5 Eigenvalues and contribution of principal components

由表5 可知，第1 主成分的貢獻率為64.997%，第2 主成分、第3 主成分貢獻率分別為11.333%、10.504%，第1 主成分影響因素遠高于其他主成分，是影響景泰縣農業水足跡的主要因素。從表6 可知，第1主成分影響因素中種植業總產值（X2）、農民人均純收入（X3）、年末耕地面積（X9）、化肥施用量折純量（X8）均高于0.9，存在較高的正相關關系，第1 主成分以經濟因素和農業生產因素為代表。第2 主成分中，年平均氣溫（X4）、糧食作物單產量（X7）與第2 主成分存在較強相關性，年平均氣溫（X4）與第2 主成分的相關性最高，年平均氣溫（X4）為氣候因素，所以第2主成分為氣候因素的代表。第3 主成分與農業人口（X5）、年平均氣溫（X4）存在明顯的正相關關系，與人口密度（X6）存在負相關關系，農業人口（X5）、人口密度（X6）為人口因素，因此第3 主成分為人口因素的代表。

表6 主成分因子載荷矩陣Tab. 6 Principal component factor loading matrix

經濟發展因素對于農業水足跡有較大的驅動作用，對于農業生產投入、農業種植面積及農業單位面積產量有較大的影響。2010-2019 年，景泰縣的人均GDP增長了68%，種植業總產值增長了103%，農民人均收入增長了194%，這些經濟因素表明，景泰縣經濟增長速度較快，人們對于農業生產投入成本相應的增大，對于農業水足跡影響變大。在生產因素方面，主要影響因素為化肥施用量和年末耕地面積，化肥施用量跟經濟因素相關，由于經濟的增長人們購買力的提升，農業化肥投入會相對增加。為了保障人民糧食安全，耕地面積在不斷的增加，景泰縣耕地面積從2010 的46 833 hm2到2019 年的60 867 hm2，增加了30%，使得農業灌溉用水量不斷上升，農業水足跡增加，經濟因素和農業生產因素對于農業水足跡的影響直接且影響非常大。第2 主成分為氣候因素年平均氣溫（X4），景泰縣處于干旱地區，農業植物作物多為耐旱作物，研究期內氣候因素較為穩定，氣溫、年降水量年際變化小，相比于經濟因素和農業生產因素影響較小。第3 主成分為人口因素，在人口因素中，農業人口從2010 年的187 460 人到2019 年的162 884 人，下降了13%，農業人口對于農業生產中的糧食作物產量影響較大，對農業水足跡的影響更為突出。

4 結論

（1）2010-2019 年景泰縣農業水足跡整體呈上升趨勢。農業水足跡中經濟作物水足跡最高；糧食作物水足跡最低，增長速度最快，播種面積最大；畜產品水足跡相對經濟作物較低，也呈現上升增長趨勢；景泰縣農業用水結構有待調整優化，在保障區域糧食安全的條件下，對農業用水結構優化調整尤為重要。

（2）景泰縣農業水足跡存在顯著空間分異，其中五佛鄉農業水足跡最高，而正路鎮最小。景泰縣農業水足跡重心從東向西的偏移，整體反映了農業水資源的消耗重心的轉移。

（3）綜合影響因素相關性分析中，經濟因素和農業生產因素與農業水足跡相關性顯著，其受到種植業產值、農民人均收入和年末耕地面積的影響較大。