基于水稻生產(chǎn)水足跡的盤錦市水資源利用效率評(píng)價(jià)及水土資源測(cè)算與評(píng)價(jià)

申 祺，李蔚然

（遼寧省鹽堿地利用研究所，遼寧 盤錦 124010）

0 引 言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，水資源和土地資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，同時(shí)農(nóng)業(yè)又反過(guò)來(lái)造成水資源短缺和水質(zhì)惡化、面源污染加劇[2,3]。在保障糧食有效供給、糧食安全的前提下兼顧水土資源合理配置是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。

水足跡理論于2002 年由Hoekstra 等[4]提出，是一種對(duì)地區(qū)資源水資源短缺和污染問(wèn)題進(jìn)行核算的理論[5]，包括綠水足跡、藍(lán)水足跡和灰水足跡，分別代表作物生長(zhǎng)過(guò)程中消耗的降水、地表灌溉水和地下灌溉水以及稀釋污染物使其達(dá)標(biāo)排放所需水[2]，現(xiàn)已應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的水資源核算、農(nóng)業(yè)水資源利用效率評(píng)價(jià)、農(nóng)業(yè)水土資源匹配度測(cè)算及水資源稀缺性評(píng)價(jià)，范星等[2]對(duì)三江平原農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程的水足跡進(jìn)行量化和分析；王藝璇等[6]以花生生產(chǎn)水足跡為角度，測(cè)算和評(píng)價(jià)黃淮海農(nóng)作區(qū)作物生產(chǎn)耗水結(jié)構(gòu)；劉燦輝等[7]結(jié)合水足跡評(píng)估太湖流域的水資源利用效率；張?chǎng)┑萚8]從水足跡視角出發(fā)探究山東省糧蔬生產(chǎn)中水土資源匹配狀況。已有的研究區(qū)域主要為農(nóng)作主產(chǎn)區(qū)、流域、省區(qū)，而對(duì)市級(jí)區(qū)域的相關(guān)研究較少。

盤錦市是我國(guó)重要的水稻產(chǎn)區(qū)，2021 年，其利用全國(guó)0.17%的農(nóng)業(yè)用水、0.12%的耕地面積生產(chǎn)了全國(guó)0.49%的水稻，對(duì)確保國(guó)家糧食安全至關(guān)重要。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用水量不斷增加，耕地面積減少，造成水土資源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題突出[9]，進(jìn)而制約著農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[8]。此外，目前還未有從水足跡視角出發(fā)評(píng)估水資源利用效率和水土資源匹配情況的研究?；诖?，選擇盤錦市開(kāi)展研究。首先核算水稻作物生長(zhǎng)過(guò)程的綠水、藍(lán)水和灰水足跡，分析水足跡的時(shí)間變化規(guī)律。其次采用水資源壓力指數(shù)、水資源負(fù)載指數(shù)和水足跡效益來(lái)評(píng)估水資源利用情況。最后構(gòu)建測(cè)算農(nóng)業(yè)水土資源的匹配，并分析水土資源短缺的時(shí)間差異及其與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及生產(chǎn)環(huán)境因素等的相關(guān)關(guān)系。

1 方法和數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

盤錦市，地處遼寧省西南部，水稻是其主要農(nóng)作物，2021 年全市水稻播種面積10.83 萬(wàn)hm2，占全市播種總面積的89.31%，其中水稻種植主要分布在盤山縣和大洼區(qū)。該地區(qū)屬于暖溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫為10.5 ℃，降水量為768.9 mm，平均風(fēng)速為2.4 m/s，日照時(shí)數(shù)為2 231.3 h，年蒸發(fā)量高于降水量。2021 年全市水資源總量為8.04 億m3，農(nóng)業(yè)用水量為10.19 億m3，占總用水量的76.50%。2020年盤錦市水稻種植分布影像見(jiàn)圖1[10]。

圖1 盤錦市水稻種植分布影像圖Fig.1 Image Map of Rice Planting Distribution in Panjin city

1.2 水稻作物生產(chǎn)水足跡計(jì)算方法

水稻生產(chǎn)水足跡是綠水足跡、藍(lán)水足跡以及灰水足跡的總和。

綠水足跡公式為：

藍(lán)水足跡公式為：

式中：Y為作物單產(chǎn)量，kg/hm2；ETc為作物蒸發(fā)蒸騰量。Pe為有效降雨量，由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出；n為作物一年生長(zhǎng)天數(shù)；L為灌溉水輸配過(guò)程中的水面蒸發(fā)損失。

ETc計(jì)算公式：

式中：Kc為作物系數(shù)。ET0利用CROPWAT8.0軟件計(jì)算得出。

Pe根據(jù)公式計(jì)算：

式中：P為月降雨量，mm/d。

L的公式為：

式中：η為灌溉水利用系數(shù)；α通常取5%。

灰水足跡公式為：

式中：β為淋失率；AR為作物氮肥折純量；cmax代表水體中最大氮（0.002 kg/m3）容許濃度；cnat為污染物的自然本底濃度（假設(shè)其數(shù)值為0）。

遼寧省農(nóng)作播種過(guò)程氨氮、總氮、總磷排放（流失）系數(shù)分別為0.141、0.736、0.062 kg/hm2。

1.3 水資源利用評(píng)價(jià)

（1）水資源壓力指數(shù)（Water Stress Index）指的是水稻生產(chǎn)對(duì)水資源產(chǎn)生的壓力，公式為：

式中：P為水稻總產(chǎn)量；Q為水資源總量。

基于水資源壓力指數(shù)的評(píng)價(jià)分級(jí)如表1所示。

表1 基于水資源壓力指數(shù)的評(píng)價(jià)分級(jí)Tab.1 Grading on the basis of water stress index

（2）水資源負(fù)載指數(shù)（C）是通過(guò)水資源總量與區(qū)域內(nèi)的人口、經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況結(jié)合來(lái)評(píng)估其水資源開(kāi)發(fā)利用程度和開(kāi)發(fā)前景的指數(shù)[11]。公式為：

式中：C為水資源負(fù)載指數(shù)；k為降水系數(shù)，當(dāng)200＜R≤400時(shí)，k=1.0-0.1(R-200)/200，當(dāng)400＜R≤800 時(shí)，k=0.9-0.2(R-400)/400，當(dāng)800＜R≤1600 時(shí)，k=0.7-0.3(R-800)/800；R為降水量，mm；P為常住人口數(shù)量，萬(wàn)人；G為地區(qū)生產(chǎn)總值，億元；Q為水資源總量，億m3。

水資源負(fù)載指數(shù)分級(jí)如表2所示[7,12]。

表2 水資源負(fù)載指數(shù)分級(jí)Tab.2 Classification of water resource load indices

（3）水足跡效益是指農(nóng)業(yè)發(fā)展所付出的水資源代價(jià)及衡量區(qū)域農(nóng)業(yè)對(duì)水資源的利用效率。其與農(nóng)業(yè)用水效率呈正相關(guān)關(guān)系，表達(dá)式為：

式中：WF為水稻生產(chǎn)總水足跡，m3；WE為水足跡效益，元/m3；GDP為農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值，元。

1.4 水土資源匹配系數(shù)

水土資源數(shù)量匹配系數(shù)和質(zhì)量匹配系數(shù)的公式為：

式中：WL為水土資源匹配系數(shù)；BW為農(nóng)業(yè)藍(lán)水可用水量，其值等于藍(lán)水資源總量與農(nóng)業(yè)用水占比的乘積；GW表示農(nóng)業(yè)綠水可用水量，可參考Cao 等[13]的方法將其表示為耕地面積與年降水量（mm）的乘積；Lt為耕地面積，hm2。

1.5 基于水足跡的水土資源短缺壓力

由于盤錦市水資源短缺，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水占比較大，因此采用農(nóng)業(yè)水資源短缺壓力與土地資源短缺壓力的比值表征水土資源相對(duì)短缺情況[8]，計(jì)算方法如下:

式中：RS為水土資源相對(duì)短缺指數(shù)；水足跡稀缺性（Water footprint scarcity，WFS）為農(nóng)業(yè)用水與水資源總量的比值；耕地稀缺性（Cultivated land scarcity，CLS）為水稻總耕種面積與土地總面積的比值；AWA為農(nóng)業(yè)可利用水資源量，m3；AWU和TWU分別為農(nóng)業(yè)用水量和總用水量；Wt為水資源總量，m3；La為水稻總耕種面積，hm2。當(dāng)RS＞1 時(shí)，表明區(qū)域的水資源短缺壓力大于土地資源短缺壓力，屬于水資源相對(duì)短缺區(qū)；當(dāng)RS≤1時(shí)，屬于土地資源相對(duì)短缺區(qū)[8]。

1.6 數(shù)據(jù)來(lái)源

水稻生產(chǎn)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、水資源總量、耕地面積、常住人口數(shù)量、地區(qū)生產(chǎn)總值、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、人口密度、城鎮(zhèn)人口數(shù)、總?cè)丝跀?shù)和有效灌溉面積均出自盤錦市統(tǒng)計(jì)年鑒（2009-2021年），農(nóng)業(yè)用水量來(lái)自于盤錦市水資源公報(bào)和遼寧省水資源公報(bào)，作物系數(shù)來(lái)源于文獻(xiàn)[14]，農(nóng)作物播種過(guò)程氨氮、總氮、總磷排放（流失）系數(shù)來(lái)源于《全國(guó)農(nóng)田面源污染排放系數(shù)手冊(cè)》。

2 研究結(jié)果

2.1 水稻生產(chǎn)水足跡（2009-2021年）

盤錦市的水稻單位質(zhì)量水足跡年均值為1.26 m3/kg，其在不同年份間有所波動(dòng)，但沒(méi)有顯著的增加或降低趨勢(shì)，這可能與作物單位面積產(chǎn)量、灌溉技術(shù)、氣候條件、化肥施用量及利用率等因素相關(guān)[2,8]。各來(lái)源水足跡中，綠水（平均50%）占比最大，其次是藍(lán)水足跡（平均46%），灰水足跡占比最?。ㄆ骄?%）。水稻生長(zhǎng)過(guò)程的綠水和藍(lán)水足跡變化不大，綠水足跡隨降水量高而升高，藍(lán)水足跡隨水資源總量高而降低。2019-2021 年水稻生長(zhǎng)過(guò)程的的灰水足跡比其他年份低（表3），可能是氮肥、磷肥施用量大幅減少導(dǎo)致的，氮肥、磷肥施用量分別由2009-2018 年的6.2、2.8 萬(wàn)t 大幅減少到2019-2021年的1.6、0.4萬(wàn)t。

表3 2009-2021年盤錦市單位質(zhì)量水稻生產(chǎn)水足跡結(jié)構(gòu)m3/kgTab.3 Water footprint structure of rice in Panjin City from 2009 to 2021

2.2 水資源利用評(píng)價(jià)

水資源利用評(píng)價(jià)3個(gè)指標(biāo)均表明盤錦市水資源的利用程度較高。

2.2.1 水資源壓力指數(shù)

2009-2021年盤錦市水稻產(chǎn)量變化規(guī)律不明顯（見(jiàn)圖2），2013 年產(chǎn)量最小，為94.63 萬(wàn)t，2020 年產(chǎn)量最大，為106.40萬(wàn)t。其中，2016-2020 年水稻產(chǎn)量整體呈上升趨勢(shì)，2010、2012-2013、2015-2016和2021年水稻產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)。

圖2 2009-2021年盤錦市的水稻產(chǎn)量變化圖Fig.2 Changes of rice yields in Panjin City from 2009 to 2021

盤錦市水資源壓力指數(shù)均值為2.78%（見(jiàn)圖3），壓力級(jí)別為基本不存在水資源壓力。2014、2015、2018 年水資源壓力指數(shù)均大于5%（見(jiàn)圖3），壓力級(jí)別為輕度壓力，可能與這3年水資源總量較低有關(guān)。

圖3 盤錦市的歷年水資源壓力指數(shù)與水資源總量Fig.3 Water stress index and total water resources in Panjin City from 2009 to 2021

2.2.2 水資源負(fù)載指數(shù)

通過(guò)水資源負(fù)載指數(shù)進(jìn)一步分析盤錦地區(qū)水資源利用情況及水資源開(kāi)發(fā)前景，結(jié)果表明2009-2021年盤錦市水資源負(fù)載指數(shù)變化規(guī)律不明顯，最高值出現(xiàn)在2014 年，而最低值則在2010 年。研究期間，盤錦市水資源負(fù)載指數(shù)值均大于10（見(jiàn)圖4），依據(jù)表1 劃分的負(fù)載級(jí)別都屬于Ⅰ級(jí)，因此盤錦市水資源開(kāi)發(fā)利用程度較高，但水資源開(kāi)發(fā)潛力較小，未來(lái)水資源開(kāi)發(fā)前景并不樂(lè)觀。

圖4 盤錦市2009-2021年水資源負(fù)載指數(shù)變化Fig.4 The trends of water resource load index in Panjin City from 2009 to 2021

2.2.3 水足跡經(jīng)濟(jì)效益

2009-2021年盤錦地區(qū)水稻生產(chǎn)水足跡經(jīng)濟(jì)效益的時(shí)間變化特征如圖5 所示。由圖5 可知，水稻生產(chǎn)水足跡效益在研究期間總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，自1.33 元/m3以每年0.18 元/m3的速率提升至3.72 元/m3。對(duì)于水稻生產(chǎn)水足跡效率，2010 年最小，為1.28 元/m3，2021年最大，為3.72 元/m3。

圖5 2009-2021年盤錦市水足跡效益（單位：元/m3）Fig.5 Water footprint benefit in Panjin City from 2009 to 2021

2.3 水稻作物水土資源匹配分析

水土資源數(shù)量匹配系數(shù)越高，表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)條件優(yōu)越；而水土資源質(zhì)量匹配系數(shù)越高，表明該區(qū)域的農(nóng)業(yè)面源污染壓力越大。2009-2021 年，水土資源數(shù)量系數(shù)均值為0.375 萬(wàn)m3/hm2，水土資源質(zhì)量匹配系數(shù)為0.273 萬(wàn)m3/hm2，除2010年、2012年、2019年和2021年外，其他年份水土資源數(shù)量匹配均比質(zhì)量匹配差（表4），表明盤錦農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的資源數(shù)量影響大于質(zhì)量產(chǎn)生的影響。

表4 考慮資源數(shù)量及質(zhì)量的農(nóng)業(yè)水土資源匹配m3/hm2Tab.4 Matching of agricultural water and land resources considering the quantity and quality of resource

2.4 水土資源短缺壓力分析

2009-2021年盤錦市水土資源稟賦與利用情況如圖6所示，農(nóng)業(yè)用水量和水資源總量均值分別為3.24 億m3、3.88 億m3，水稻總耕種面積和耕地面積均值分別為10.74 萬(wàn)hm2、15.55 萬(wàn)hm2。

圖6 2009-2021年盤錦市水土資源稟賦與利用概況Fig.6 Water and land resources endowmen and utilization in Panjin City from 2009 to 2021

水足跡稀缺性指數(shù)平均值為2.13，耕地稀缺性指數(shù)平均值為0.69。盤錦市在2010 年、2012 年和2021 年農(nóng)業(yè)水土資源相對(duì)短缺指數(shù)均小于1（見(jiàn)圖7），表明土地資源短缺壓力大于水資源短缺壓力，屬于土地資源相對(duì)短缺區(qū)。盤錦市在2009、2011 和2013-2020 年的農(nóng)業(yè)水土資源相對(duì)短缺指數(shù)均大于1（見(jiàn)圖7），屬于水資源相對(duì)短缺區(qū)。

圖7 2009-2021年盤錦市水土資源短缺壓力指數(shù)Fig.7 Pressure of water and land resources scarcity in Panjin City from 2009 to 2021

3 討 論

盤錦市水稻單位質(zhì)量水足跡年均值為1.26 m3/kg，結(jié)果與盤錦市水稻單位質(zhì)量水足跡（1.42 m3/kg）相似[9]。降水量、水資源總量、氮磷肥施用量是綠水足跡、藍(lán)水足跡、灰水足跡變化的主要原因。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平越高，在滿足糧食需求的情況下，水稻生產(chǎn)的藍(lán)水、綠水和灰水足跡都應(yīng)減少，具體為通過(guò)優(yōu)化栽培技術(shù)和改良水稻品種，加強(qiáng)收集及利用綠水[8,15]的方式減少綠水足跡；采用推廣節(jié)水技術(shù)、推進(jìn)渠道防滲和田間灌溉工程標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、平整土地（移栽水稻前）、合理配置地表水和地下水的措施減少藍(lán)水足跡[2]；推行測(cè)土配方施肥技術(shù)和隨水施肥降低灰水足跡[16]。

盤錦市水資源的利用程度較高，研究期間水資源壓力級(jí)別為基本不存在水資源壓力，這可能與種植結(jié)構(gòu)的改變，生態(tài)種養(yǎng)模式的創(chuàng)新發(fā)展，農(nóng)田水利設(shè)施的完善，當(dāng)?shù)厮Y源和降雨量的年際變化以及灌溉用水效率的不斷提高有關(guān)[2]；水資源開(kāi)發(fā)利用程度較高，再開(kāi)發(fā)潛力很小，可以考慮通過(guò)外水調(diào)入來(lái)滿足區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)生活需求[17]；盤錦市水足跡效益的增長(zhǎng)，表明消耗等量水資源所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值越來(lái)越多，體現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和綠色發(fā)展[18]。

盤錦農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的資源數(shù)量影響大于質(zhì)量產(chǎn)生的影響，為了促進(jìn)水土資源的協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)利用，在水稻生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)控農(nóng)業(yè)用水強(qiáng)度和總量；發(fā)展水稻節(jié)水技術(shù)[19,20]，減少無(wú)效排水[21]，提高用水效率，進(jìn)一步降低農(nóng)業(yè)用水[19]；提升資源利用效率、緩解資源短缺壓力以及改善面源污染；規(guī)劃調(diào)整種植結(jié)構(gòu)；加強(qiáng)現(xiàn)代化新型農(nóng)業(yè)種植模式的推廣[8]。

盤錦市在2010、2012 和2021 年屬于土地資源相對(duì)短缺區(qū)，可通過(guò)規(guī)劃調(diào)整種植結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)現(xiàn)代化新型農(nóng)業(yè)種植模式的推廣等方式，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水土資源的充分利用。其他年份屬于水資源相對(duì)短缺區(qū)，其可能與水資源總量較少有關(guān)，或可通過(guò)降低水稻用水強(qiáng)度來(lái)促進(jìn)水土資源的相對(duì)配置[8]。為進(jìn)一步分析影響盤錦農(nóng)業(yè)水土資源相對(duì)短缺的原因，本研究分別從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)環(huán)境方面選取人口密度和城鎮(zhèn)化率、勞動(dòng)生產(chǎn)率、人均GDP 和農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占比以及農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)和有效灌溉面積7個(gè)指標(biāo)，研究不同年份與水土資源短缺的相關(guān)關(guān)系[8]。分析發(fā)現(xiàn)，在2010、2012 和2021 年，城鎮(zhèn)化率、勞動(dòng)生產(chǎn)率、人均GDP 與耕地稀缺性呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)表5），表明經(jīng)濟(jì)因素對(duì)盤錦農(nóng)業(yè)水土資源短缺壓力影響較大；在2009、2011 和2013-2020 年，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占比、農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)與耕地稀缺性均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，其中城鎮(zhèn)化率與耕地稀缺性呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，然而所有指標(biāo)與水足跡稀缺性指數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)環(huán)境因素對(duì)區(qū)域的農(nóng)業(yè)水資源短缺壓力影響都較小。

表5 水資源短缺壓力與各因素間的相關(guān)性分析Tab.5 Correlation analysis between water and land resource scarcity and factors

4 結(jié) 論

本研究通過(guò)分析盤錦水稻生產(chǎn)單位質(zhì)量水足跡特征，評(píng)估水資源利用情況，測(cè)算農(nóng)業(yè)水土資源數(shù)量、質(zhì)量匹配格局及資源短缺壓力，最后揭示了農(nóng)業(yè)水土資源短缺壓力的影響因素。主要研究結(jié)論如下：

（1）盤錦市的水稻單位質(zhì)量水足跡在2009-2021年間沒(méi)有顯著的增加或降低趨勢(shì)。從用水來(lái)源來(lái)看，綠水足跡和藍(lán)水足跡占水足跡總量的比重較大。

（2）盤錦市水資源的利用程度較高，盤錦市水稻生產(chǎn)帶來(lái)的水資源壓力在研究期（2009-2021年）間隨時(shí)間波動(dòng)變化趨勢(shì)不明顯，而在2014、2015、2018 年呈現(xiàn)輕度壓力；水資源負(fù)載指數(shù)的變化規(guī)律不明顯，水資源開(kāi)發(fā)利用程度較高，水資源開(kāi)發(fā)潛力較小，未來(lái)水資源開(kāi)發(fā)前景并不樂(lè)觀；水足跡效益總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，說(shuō)明消耗等量水資源所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值越來(lái)越多。

（3）除2010、2012、2019 和2021 年外，其他年份水土資源數(shù)量匹配均比質(zhì)量匹配差，表明盤錦農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的資源數(shù)量影響大于質(zhì)量產(chǎn)生的影響。

（4）2010、2012 和2021 年，盤錦市的土地資源短缺壓力高于水資源短缺壓力，屬于土地資源相對(duì)短缺區(qū)；而其他年份屬于水資源相對(duì)短缺區(qū)。土地資源短缺壓力受經(jīng)濟(jì)環(huán)境因素制約顯著，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)環(huán)境對(duì)農(nóng)業(yè)水資源短缺壓力的影響較小。