山西省糧食生產水足跡時空特征及水資源利用評價

鄧祥征，王文宣，李志慧

（1.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101； 2.中國科學院大學，北京 100049）

水資源是農業生產中最重要的基礎性資源之一，是保障糧食生產和維護國家糧食安全的基本支撐［1］。我國農業生產用水量超過我國總用水量的60%［2］，水資源的短缺、供需矛盾等問題長期以來限制了農業生產和發展［3］。 黃河流域是我國重要的糧食生產基地，水資源季節短缺、時空錯配［4］等問題在一定程度上影響了糧食生產和區域生態環境改善，制約了區域農業高質量發展［5-6］。 相較于黃河流域其他省區，山西省糧食產量和種植面積較小［7］，但其少主糧、多優質雜糧的獨特糧食生產結構，對實現穩糧保供、豐富我國糧食種植結構起到很好的調節作用［8-9］。 水資源短缺、用水效率低下等問題同樣是當前山西省糧食產業發展亟待解決的關鍵問題［10-11］。

水足跡是一種描述世界淡水資源消費狀況的指標，常表征人類對水資源直接和間接的需求與影響。基于虛擬水的理念，Hoekstra 等［12-13］將其定義擴展到生產產品和服務所需的水量。 水足跡的概念和測算方法已在國家和區域的水資源利用評估研究中被廣泛應用［14-16］。 高甜等［17］通過計算黃河流域糧食生產藍水足跡、綠水足跡和虛擬水足跡，指出山西省糧食水足跡偏低，糧食生產面臨中等缺水壓力。 通過使用自下而上的核算方法，王寧等［18］認為山西省農業水足跡相對低，但農業水足跡在水足跡總量中占比較高，達到75%。 馬海良等［19］采用自上而下的核算方法對山西省水足跡進行核算，發現山西農業水足跡占總量的90%，種植業的占比高于畜牧業，而糧食作物的比重大于經濟作物。 在具體作物方面，孫世坤等［5］使用CROPWAT 模型對小麥、玉米、水稻等作物的水足跡進行分析，提出降低作物生產水足跡能使農業水資源得以高效利用，是保障中國糧食安全的重要途徑。 吳普特等［20］使用3 種作物生產水足跡量化方法，對小麥水足跡進行量化。 卓拉等［21］基于能值分析法，對黃河流域9 個省區的玉米和小麥生產的藍綠水資源利用進行評估，發現糧食生產水資源利用效率有所提升。 綜合上述研究，當前糧食生產水足跡研究集中在省級尺度和主糧作物上，針對城市尺度和有區域特色作物的水足跡研究相對較少。 針對更精細的時空尺度，納入具有區域特色的糧食作物，量化不同糧食生產結構的水足跡時空變化特征，可為區域水資源利用政策和農業結構調整提供科學的理論支持和決策依據。

隨著黃河流域生態保護和高質量發展重大國家戰略的提出，黃河流域區域用水超載、產業高質量發展水平較低、行業用水效率低下等問題，成為被關注的重點議題［22-23］。 近年來，山西省以鄉村振興為抓手，加強農業現代化頂層設計，推動全省農業高質量發展。 在當前保障國家和區域糧食安全與黃河流域高質量發展背景下，針對性地關注區域糧食生產用水情況，優化水資源消費結構和提升水資源利用效率具有較強的現實意義。 本研究以黃河流域糧食生產極具旱作農業特色的山西省為案例，兼顧水量和水質雙重影響計算2011—2021 年山西省各地級市水資源稀缺指數，評估區域水資源壓力狀況；核算2011—2021 年6 種主要糧食作物（小麥、玉米、谷子、高粱、豆類、薯類）生產的藍水、綠水和綜合水（藍水+綠水）足跡，分析山西省糧食生產水足跡的時空分布特征；評測2011—2021 年山西省糧食生產水資源利用效率，揭示各級地市農業水資源生產率的差異；從水資源稀缺（壓力）、水資源足跡（狀態）、水資源效率（響應）3 個維度對山西省各地級市農業水資源利用狀況進行評價，以期為推動山西省農業節水和可持續發展、促進旱作農業高質量發展提供科學參考。

1 研究區概況

山西省地處黃河流域中游，地跨黃河、海河兩大水系，位于黃河“幾”字彎東端，耕地面積386.95 萬hm2。黃河干流流經忻州、呂梁、臨汾、運城4 個市19 個縣，在山西境內長度為965 km。 黃河流域在晉面積9.71 萬km2，覆蓋山西省全部11 個地級市，涉及73.5%的縣級行政區，占黃河流域總面積的12.2%。 山西省地勢東北高西南低，山地丘陵面積占全省面積80%以上，年降水量400～650 mm，屬溫帶大陸性氣候區。 山西省地勢及2020 年土地利用情況見圖1。

圖1 山西省地勢及2020 年土地利用情況

山西省糧食生產在黃河流域乃至全國極具特色，受地形高程和氣候條件限制，小麥、稻谷等主糧的生產能力偏低，自給率不足50%［24］。 獨特的自然條件適宜生產谷子、高粱、藜麥等小雜糧，區域年均調出量近1 000 萬t，是我國傳統旱作農業的典型代表，其少主糧、多雜糧的特殊作物結構對實現區域穩糧保供和推動農業特色產業高質量發展發揮了重要作用。 同時，山西省也是我國重要的能源資源富集區、水土保持功能區，還是黃土高原生態安全的重要屏障，在黃河流域高質量發展中占據重要地位。

2 研究方法與數據來源

2.1 水資源稀缺性測度

考慮水資源利用和生態系統保護之間的平衡，基于水量評價的水稀缺指數WSqua計算公式如下［25］：

式中：di為部門i的用水量；Q為水資源可利用量；EFR為生態環境所需水量，參考黃河流域的研究成果，在這里被定義為水資源可利用量的60%［26］。

進一步考慮水質對水稀缺性的影響，采用稀釋法將水質不達標的用水量轉化為所需的額外用水量，與水資源可利用量進行比較。 基于水質評價的水資源稀缺指數WSpol是指保障水質情況下所需用水與水資源可利用量的比例，計算方法如下［27］：

式中：dqi為部門i獲得可接受質量用水而稀釋所需的額外用水量，dqi，j為基于水質參數j的部門i的稀釋水量，Cj為水質參數j的實際值，Cmaxi，j為部門i所需水質參數j的閾值。

綜合考慮水量和水質的水稀缺指數WScom計算方法如下：

2.2 糧食生產水足跡計算

糧食生產水足跡是單位糧食作物生產過程中消耗的水資源量，包括綠水足跡（WFgreen）、藍水足跡（WFblue）和灰水足跡（WFgrey），參考Hoekstra 等［28］提出的水足跡計算方法，以及水足跡評價手冊中關于灰水足跡的計算方法［29］，糧食生產水足跡計算公式如下：

式中：ETgreen、ETblue分別為作物蒸發蒸騰中來自降水、灌溉的水量；Y為作物單位面積產量；10 為單位轉換系數；ETc為作物蒸發蒸騰量，根據作物系數和Penman-Moteith公式基于氣象數據計算得到［30］；Pe為有效降水量；L為灌溉水輸配過程中的水面蒸發損失量。

式中：β為進入水體的污染物量占總化學物質施用量的比例，AR為化學物質施用率，cmax為水體的最大污染物容許濃度，cnat為污染物的自然本底濃度。

2.3 糧食生產水資源利用效率評價

數據包絡分析（Data Envelopment Analysis， DEA）模型是一種非參數技術效率的分析方法，以投入產出數據為基礎，可以實現對同類型可比較決策單元的有效評價，在產業經濟、區域發展、資源利用等的效率評估方面應用廣泛。 本研究采用Tone 改進的超效率SBM（Slack Based Measure）模型［31］，引入的非期望產出提高了模型的嚴謹性，非徑向、非角度地對多個決策單元進行決策評價［32-33］。 每個決策單元有N種投入（x1，x2，…，xN）、M種期望產出（y1，y2，…，yM）和I種非期望產出（b1，b2，…，bI）。

式中：ρ*為糧食作物生產水資源利用效率，分別為投入冗余、期望與非期望冗余的松弛量，zk為求解參數。

當ρ*≥1 時，表明決策單元具有效率；當ρ*＜1時，表明決策單元存在效率損失現象。 在投入產出指標的選擇中，考慮糧食生產過程對水資源的需求以及指標選擇的代表性和可獲得性，選取農業用水量、農業從業人員數量、有效灌溉面積、農業機械總動力、化肥施用量作為投入指標，糧食產量和糧食生產灰水足跡分別為期望產出和非期望產出。

2.4 數據來源

山西省各地級市與糧食生產相關的投入和產出數據（如糧食播種面積和產量、農業從業人口、灌溉面積、農業機械總動力等）來源于山西省及各地級市統計年鑒，水資源總量及各部門利用數據和水質數據來源于《山西省水資源公報》，氣象數據（如氣溫、降水、風速和日照時數）來源于中國氣象數據網（http：∥data.cma.cn），作物系數和生育期參考聯合國糧農組織數據庫。 灰水足跡計算使用最大容許濃度與自然本底濃度方法，采取《中華人民共和國地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中Ⅲ類水標準。

3 結果與分析

3.1 山西省各地級市水資源稀缺狀況

在本研究中，根據水稀缺指數將缺水情況分為4 個級別：低（＜1.0）、中［1.0，1.5）、高［1.5，2.0］、嚴重（＞2.0）［34-36］。 2011—2021 年山西省各地級市水稀缺指數變化如圖2 所示。 從全省來看，2011—2021 年山西省水資源稀缺狀況總體上趨于改善，水稀缺指數由2011 年的1.36 下降至2021 年的0.87，但隨年份波動情況較為顯著，部分年份水資源稀缺狀況依然嚴峻，2015 年和2017 年稀缺等級達到嚴重級。

圖2 2011—2021 年山西省各地級市水稀缺指數

結合地形來看，呂梁山和太行山之間的黃河支流汾河谷地各市如北部的大同、朔州，中部的省會太原，南部的運城等，水資源稀缺較為嚴重。 2011—2021 年太原、朔州、大同的水資源稀缺狀況均達到嚴重級，運城市在2013—2019 年間的水資源稀缺狀況也達到嚴重級。 導致這一現象的原因各市不盡相同，晉北地區水稀缺指數較高的原因是可用水資源量偏低，晉西南地區處于黃河“幾”字彎的末端，可用水資源豐沛，但水質條件相對較差，且區域用水量大，造成了結構性稀缺。 太行山沿線和呂梁山地區的陽泉、長治、晉城、長治、呂梁等市的水稀缺狀況在中級以下。

3.2 糧食生產水足跡時空特征

山西省6 種糧食作物單位產量水足跡在2011—2021 年間波動變化［見圖3（a）］顯示，2021 年小麥、玉米、豆類和薯類單位產量水足跡相較于2011 年略有上升，谷子、高粱單位產量水足跡略有下降，說明在氣候、灌溉的共同作用下，6 種主要糧食作物在研究期內的單位產量水足跡保持基本穩定。 不同糧食作物單位產量的水足跡具有較大差異，豆類單位產量水足跡最高（2.37 m3／kg），其次分別為小麥、谷子、薯類和高粱，單位產量水足跡最低的是玉米（0.66 m3／kg）。 單位產量豆類的水足跡是玉米的3.6 倍。

圖3 2011—2021 年山西省糧食生產水足跡年際變化

山西省糧食生產水足跡總量在這一時期呈現波動下降的態勢［見圖3（b）］，僅在2013—2015 年出現了小幅上升，2011 年到2021 年下降了8.9%，這主要與糧食總產量和糧食生產結構變化有關。 從作物類型來看，玉米水足跡占糧食生產水足跡總量的比例最高，其次是小麥，二者之和占全部糧食生產水足跡的80%以上。 高粱、谷子、薯類等雜糧和新主糧作物的水足跡占比從2011 年的11%上升至2021 年的15%左右。 藍水和綠水占全部水足跡的比例分別穩定在40%和60%［見圖3（c）］。

山西省大部分地級市單位產量糧食作物綜合水足跡在2011—2021 年都保持下降的趨勢，但陽泉市和長治市分別從2011 年的1.52 m3／kg 和1.13 m3／kg 上升至2021 年的2.22 m3／kg 和1.45 m3／kg（見表1）。 運城、臨汾、呂梁等沿黃河干流地級市單位產量糧食作物綜合水足跡較高，2011—2021 年的平均值分別為2.05、1.93、1.87 m3／kg。 晉中市單位產量糧食作物綜合水足跡均值為區域最低，僅為1.06 m3／kg。

表1 2011 年和2021 年山西省各地級市單位產量糧食作物生產水足跡m3／kg

山西省糧食生產水足跡總量呈現出“北低南高，東低西高”空間特征（見圖4）。 晉西南地區的運城、臨汾是區域糧食生產水足跡總量最高的地區，年平均水足跡總量在15 億m3以上，這部分歸因于該區域是山西省小麥種植集聚區，單位產量水足跡較高。 區域糧食生產水足跡總量次高區是晉西和晉北的呂梁、忻州、朔州和大同，年均水足跡總量為10 億m3左右，非主糧作物形成的水足跡為全省最高。 晉東南地區的長治、晉城以及晉中市為玉米主導的產區，年均水足跡總量在8 億m3以下。 太原和陽泉為水足跡總量最低的地區。

圖4 山西省各地級市糧食生產水足跡總量時空差異

3.3 糧食生產水資源利用效率分析

研究選取2011—2021 年中6 個年份山西省各地級市作為決策單元，測算其糧食生產的水資源利用效率（見表2）。 結果顯示，實現有效利用的決策單元共15 個，占總決策單元（66 個）的22.7%，約五分之一的決策單元在糧食生產過程中實現了水資源有效利用。整體來看，2011—2021 年山西省糧食生產的水資源利用效率有所提高。 晉北地區（包括大同市、朔州市、忻州市）2011 年以來糧食生產水資源利用效率顯著提高，年均增幅分別達到15%、10.3%、11.3%，同時伴隨灰水足跡這一非期望產出的減少。 盡管這些地區水資源稀缺水平較高，但是糧食生產處于高產及高效用水狀態，其中朔州市在2017 年以后即實現糧食生產的水資源有效利用。

表2 2011—2021 年山西省各地級市糧食生產水資源利用效率

在山西省11 個地級市中，長治市和陽泉市糧食生產的水資源利用效率始終處于較高水平，水資源稀缺水平較低，糧食生產規模較大且實現了水資源有效利用。 此外，太原市、呂梁市糧食生產的水資源利用效率偏低，灰水足跡冗余率較高。 晉城市糧食生產的水資源利用效率呈下降趨勢，灰水足跡冗余率顯著提高。太原市作為山西省省會，社會經濟發展水平較高，面臨嚴峻的水資源稀缺尤其是水質性缺水問題，糧食生產規模較小且水資源利用效率低下。 晉城市和呂梁市的水資源稀缺程度較低，但灰水足跡偏高，水質性缺水問題突出，糧食生產的水資源利用效率亟待提高。

4 討論

從水資源稀缺（壓力）、水資源足跡（狀態）、水資源效率（響應）3 個維度對2011 年和2021 年山西省各地級市農業水資源利用狀況進行評價，結果如圖5 所示。 整體來看，散點分布向內、向上聚集，說明山西省糧食生產的水資源利用情況好轉，水稀缺情況得到改善，大部分城市水資源利用效率提升，但水足跡降低。從空間上來看，晉北地區的忻州、大同、朔州糧食生產水資源利用效果較差，特別是大同和朔州水資源稀缺壓力較大，水足跡偏高，而水資源利用效率偏低；晉中地區的呂梁和晉中市水資源稀缺壓力小，水足跡偏低，具備進一步擴大糧食產量的水資源潛力，應當在兼顧提高水資源利用效率的同時提高糧食生產的用水量，在保障區域糧食生產和供給方面發揮更重要的作用；晉南地區運城和晉城2011 年糧食生產水資源利用效率接近，但2021 年呈現對角分布，且糧食產量差距有進一步擴大的趨勢，運城需要考慮進一步擴大谷子、高粱等單位產量水足跡較低的非主糧作物的種植面積，從而降低水足跡。

圖5 山西省各地級市糧食生產水資源利用綜合評價

5 結論

本研究以黃河流域糧食生產極具旱作農業特色的山西省為案例，在兼顧水量和水質雙重影響下評估了區域水資源稀缺壓力狀況，核算了2011—2021 年小麥、玉米、谷子、高粱、豆類、薯類生產的藍水、綠水和綜合水足跡，評測了2011—2021 年山西省糧食生產水資源利用效率，結果顯示：2011—2021 年山西省水資源稀缺情況總體上得到了改善，稀缺指數由2011 年的1.36下降至2021 年的0.87，但隨年份波動情況較為顯著，部分年份水資源稀缺狀況依然嚴峻。 不同糧食作物單位產量的水足跡具有較大差異，生產單位產量豆類的水足跡是玉米的3.6 倍。 玉米生產水足跡占糧食生產水足跡總量的比例最高，其次是小麥，二者之和占全部糧食生產水足跡的80%以上。 高粱、谷子、薯類等雜糧和新主糧作物的水足跡占比從2011 年的11%上升至2021 年的15%左右。 大部分地級市糧食作物單位產量綜合水足跡在2011—2021 年都保持了下降的趨勢，運城、臨汾、呂梁等沿黃河干流地級市糧食作物單位產量綜合水足跡較高。 在空間上，糧食生產水足跡總量呈現出“北低南高，東低西高”空間特征。 糧食生產的水資源利用效率有所提高，長治市和陽泉市糧食生產的水資源利用效率始終處于較高水平，太原市、呂梁市糧食生產的水資源利用效率偏低，灰水足跡冗余率較高。