水足跡視角下陜西省種植業(yè)水資源利用評(píng)價(jià)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤分析*

張 煒, 覃 求

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水足跡視角下陜西省種植業(yè)水資源利用評(píng)價(jià)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤分析*

張 煒, 覃 求

(西安建筑科技大學(xué)管理學(xué)院 西安 710055)

陜西省位于“一帶一路”關(guān)鍵地帶, 經(jīng)濟(jì)發(fā)展將處于加速轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期, 期間農(nóng)業(yè)水資源可利用量勢(shì)必被進(jìn)一步壓縮, 因此對(duì)陜西省各地市種植業(yè)水足跡進(jìn)行量化并研究與其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系, 有利于明確各區(qū)域種植業(yè)生產(chǎn)的用水情況并為陜西省水資源管理提供參考。本研究運(yùn)用水足跡理論, 將灌溉水在輸配水及田間灌溉過(guò)程中的損失納入作物區(qū)域生產(chǎn)水足跡核算之中, 通過(guò)核算2005—2016年陜西省種植業(yè)的水足跡值, 定量分析了陜西省各作物耗水量的時(shí)空差異性, 以及綠水足跡利用效率和各市水環(huán)境壓力狀況, 并結(jié)合脫鉤模型研究了種植業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與水資源利用和水環(huán)境變化的脫鉤關(guān)系。結(jié)果顯示: 1)各作物耗水量在研究期內(nèi)差異較大, 蔬菜和水果水足跡較低, 分別為0.42 m3?kg-1和0.51 m3?kg-1, 茶葉則高達(dá)30.29 m3?kg-1, 但總體呈下降趨勢(shì); 2)各地市種植業(yè)耗水量構(gòu)成呈現(xiàn)較大差異性, 關(guān)中地區(qū)糧食類作物占比為69.59%, 陜北地區(qū)玉米和水果占75.16%, 陜南地區(qū)則相對(duì)均衡, 耗水量組成基本與水資源稟賦和作物水足跡大小相一致; 3)全省綠水足跡利用效率相對(duì)較低, 水環(huán)境壓力指數(shù)呈現(xiàn)南部低, 中部、北部高的特點(diǎn), 其中咸陽(yáng)市水環(huán)境壓力指數(shù)12年間平均高達(dá)4.75, 是水環(huán)境壓力最為嚴(yán)重地區(qū); 4)陜西省種植業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與水資源利用和水環(huán)境壓力強(qiáng)脫鉤狀態(tài)分別占比45.45%和27.27%。研究結(jié)果說(shuō)明, 陜西省各市種植結(jié)構(gòu)相對(duì)合理, 但綠水足跡利用效率和水環(huán)境壓力上仍需改良, 種植業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與水資源利用的關(guān)系逐漸完成了由弱脫鉤的初級(jí)協(xié)調(diào)到強(qiáng)脫鉤的優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)變, 但仍面臨著種植業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與水環(huán)境壓力增大的挑戰(zhàn)。

陜西省; 水足跡; Tapio脫鉤模型; 種植業(yè); 經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng); 水環(huán)境壓力; 作物耗水量; 水足跡利用效率

水是人類生命之源, 也是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要影響因素之一。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó), 農(nóng)業(yè)用水總量占比高達(dá)60%以上(數(shù)據(jù)來(lái)源于2005—2016年中國(guó)水資源公報(bào)), 在如今我國(guó)3次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí), 以及生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展要求日益提高的新時(shí)期, 更加科學(xué)地分析地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用狀況及其與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展之間的關(guān)系變得尤為重要。傳統(tǒng)視角下的農(nóng)業(yè)水資源評(píng)價(jià)主要關(guān)注灌溉用水用量, 卻缺少對(duì)雨水以及從水量角度評(píng)價(jià)農(nóng)作物種植過(guò)程中所產(chǎn)生的污染量[1-2]的關(guān)注。而Hoekstra于2002年提出的“水足跡”及其相關(guān)理論, 由于其除了關(guān)注藍(lán)水(地下和地表水與傳統(tǒng)計(jì)量的灌溉用水相對(duì)應(yīng))外, 還包含了綠水(可利用的雨水)和灰水(污水)[3-4], 這一理論為水資源評(píng)價(jià)提供了更為廣闊的視野, 而受到廣泛關(guān)注。目前, 國(guó)內(nèi)不少學(xué)者運(yùn)用水足跡理論對(duì)地區(qū)的水資源狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。王艷陽(yáng)等[5]、蘇芮等[6]分別核算了北京和新疆水足跡并在此基礎(chǔ)上對(duì)區(qū)域水足跡結(jié)構(gòu)以及水資源利用效率狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。針對(duì)地區(qū)農(nóng)業(yè)水足跡, 大多數(shù)學(xué)者的研究主要集中在對(duì)于糧食作物的生產(chǎn)水足跡核算以及地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源結(jié)構(gòu)變化、水資源承載力方面的研究[7-10]。隨著水足跡研究的進(jìn)一步深入, 也有學(xué)者從水足跡視角研究了地區(qū)水足跡與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展之間的關(guān)系。王旭等[11]核算了寧夏中衛(wèi)市的農(nóng)業(yè)水足跡, 并運(yùn)用OECD模型研究了中衛(wèi)市水資源量與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的可持續(xù)性; 李寧等[12]通過(guò)計(jì)算長(zhǎng)江中游城市群2000—2015年的水足跡構(gòu)成, 定量分析了該區(qū)域近16年間水資源的利用狀況, 并結(jié)合協(xié)調(diào)發(fā)展脫鉤評(píng)價(jià)模型對(duì)水資源利用與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

綜合目前水足跡評(píng)價(jià)以及與經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)性的研究來(lái)看, 首先, 地區(qū)內(nèi)水足跡的評(píng)價(jià)主要集中于對(duì)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活生態(tài)等其中一方面或幾方面的整體性研究, 整體雖然能較為宏觀地把握問(wèn)題, 但也存在無(wú)法針對(duì)性提出解決問(wèn)題措施的可能[13-14]。其次, 就農(nóng)業(yè)水足跡核算本身而言, 研究尺度一般以田間尺度為主, 且大多忽略了作物水足跡由于地區(qū)氣象以及灌溉水平等的不同所產(chǎn)生的差異性; 而相關(guān)研究表明, 地區(qū)之間水足跡值存在的較大差異性往往可能影響評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性[15]。同時(shí), 較少將地區(qū)的作物水足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)性相結(jié)合。陜西省地處“一帶一路”建設(shè)的關(guān)鍵區(qū)域, 經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加速轉(zhuǎn)型升級(jí), 期間農(nóng)業(yè)水資源可利用量勢(shì)必被進(jìn)一步壓縮?；诖? 本文從水足跡視角出發(fā), 將灌溉水在輸配水及田間灌溉過(guò)程中的損失納入作物區(qū)域生產(chǎn)水足跡的核算之中, 通過(guò)計(jì)算2005—2016年陜西省10個(gè)地級(jí)行政區(qū)的種植業(yè)水足跡, 定量分析了陜西省各作物耗水量的時(shí)空差異性和各市水環(huán)境壓力狀況, 并結(jié)合脫鉤模型對(duì)陜西省種植業(yè)水資源利用和水環(huán)境變化與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的關(guān)系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià), 以期為陜西省水資源管理提供參考。

1 模型設(shè)定與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 基于區(qū)域用水量的作物生產(chǎn)水足跡計(jì)算模型

本文根據(jù)《陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒》以及陜西省農(nóng)產(chǎn)品特點(diǎn), 將核算對(duì)象分為五大類: 糧食作物(小麥、玉米、大豆、稻谷)、油料作物(油菜、花生)、經(jīng)濟(jì)作物(棉花、煙草、茶葉、麻類)、蔬菜、水果。其中, 由于煙草、茶葉、麻類、水果、蔬菜種類繁多, 相關(guān)數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確界定, 因此在水足跡核算過(guò)程中的作物蒸發(fā)蒸騰量參考《陜西省農(nóng)業(yè)用水定額修訂說(shuō)明》。

1.1.1 作物區(qū)域綠水足跡、藍(lán)水足跡

作物區(qū)域綠水足跡(WFgreen, m3?kg-1)和藍(lán)水足跡(WFblue, m3?kg-1)的計(jì)算方法[16]:

式中: CWUgreen、CWUblue為作物所消耗的綠、藍(lán)水資源量, m3?hm-2; ETgreen、ETblue為作物綠水、藍(lán)水蒸散發(fā)量, mm;f為灌溉水在田間灌水過(guò)程中的損失量, mm;c為灌溉水在輸、配水過(guò)程中的損失量, mm;為作物產(chǎn)量, kg?hm-2; 10為將水深轉(zhuǎn)換為單位陸地水量的單位轉(zhuǎn)換系數(shù)。ETgreen、ETblue按下式進(jìn)行計(jì)算:

ETgreen= min(ETc, Peff) (3)

ETblue= max(0, ETc– Peff) (4)

ETc= ET0×c(5)

fc[17]可按照下式計(jì)算:

f= ETblue/f– ETblue(6)

c= ETblue/– ETblue/f(7)

f+c= ETblue/– ETblue(8)

式中: ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量, mm, 本文采取FAO推薦的Pen-man-Monteith公式進(jìn)行計(jì)算; ETc為假定作物在最優(yōu)條件下, 作物生長(zhǎng)所需要蒸散發(fā)量, 因此數(shù)值等于作物需水量, 但作物在實(shí)際生長(zhǎng)過(guò)程中可能會(huì)受到土壤水脅迫的影響, 從而蒸散發(fā)量可能小于ETc, 由于在市級(jí)尺度下的作物水足跡研究在準(zhǔn)確界定各作物的土壤有效水含量上有一定困難, 因此本文選取理想狀況下ETc計(jì)算綠水、藍(lán)水足跡;eff為作物生育期有效降水量, mm, 本文采取美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持局(USDA SCS)提出的方法進(jìn)行計(jì)算;f為田間水利用系數(shù);為灌溉水利用系數(shù), 根據(jù)陜西省“十五”、“十一五”、“十二五”相關(guān)政府工作報(bào)告以及2016年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析成果表, 核算期內(nèi)歷年陜西省灌溉水利用系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 陜西省2005—2016年間灌溉水利用系數(shù)

1.1.2 作物區(qū)域灰水足跡

作物在種植過(guò)程中人工所施用的化肥、農(nóng)藥等無(wú)法被作物完全吸收, 部分化肥農(nóng)藥在降水和徑流的作用下, 以一定流失率進(jìn)入受納水體引起的水體污染屬于面源污染, 由最大污染物決定, 在數(shù)量上等于該污染物的稀釋水量。因此灰水足跡(WFgrey, m3?kg-1)可由下式計(jì)算:

式中: WFgrey,表示第種污染物的灰水足跡;為淋溶率; AR為某種污染物單位面積施用量, kg?hm-2;max表示水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度;nat為自然本地濃度。一般認(rèn)為, 農(nóng)藥對(duì)灰水足跡影響較小[18], 根據(jù)陜西省實(shí)際情況, 為了避免重復(fù)計(jì)算, 本文選取排放量最大的氮肥作為灰水足跡計(jì)算的主要來(lái)源。

由于國(guó)內(nèi)少有學(xué)者對(duì)陜西省氮肥淋失率的具體研究, 因此本文參照高凡等[19]對(duì)灰水足跡研究綜述中的論述以及Chapagain等[20]在2010年對(duì)淋失率研究, 考慮氮肥的淋失率為10%。max根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中給定的第Ⅲ類集中式生活飲用水地表水水源地的硝酸鹽(以N記)的限值標(biāo)注, 取值為0.01 kg?m-3;nat為本地濃度取值, 一般假定為0 kg?m-3。作物的單位面積氮肥施用量是能否準(zhǔn)確核算灰水足跡的關(guān)鍵, 本文中的陜西省各作物的化肥施用量參照已有的研究[21-23]確定, 對(duì)于數(shù)據(jù)缺失的作物(棉花、煙草、麻類、煙草), 本文參照楊帆等[24]和馬立鋒等[25]對(duì)我國(guó)種植業(yè)化肥施用量的研究, 取全國(guó)平均值。

1.1.3 作物區(qū)域水足跡總量計(jì)算

本文定義作物區(qū)域水足跡總量為綠水足跡、藍(lán)水足跡、灰水足跡之和, 結(jié)前所述, 設(shè)定作物區(qū)域水足跡總量計(jì)算公式如下:

WF = WFgreen+ WFblue+ WFgrey(11)

1.2 脫鉤理論模型

“脫鉤理論”是研究經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源消耗是否同步變化的一種方法, 常被用于能源消耗和碳排放領(lǐng)域[26]。根據(jù)這一理論, 資源利用與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)主要存在“耦合”和“脫鉤”兩種關(guān)系, 前者指的是資源利用伴隨經(jīng)濟(jì)增加而增加, 后者指的是資源利用伴隨經(jīng)濟(jì)的增加而減少。脫鉤又分為“相對(duì)脫鉤”、“絕對(duì)脫鉤”。相對(duì)脫鉤指的是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)時(shí), 資源消耗以較低的比率增長(zhǎng); 絕對(duì)脫鉤指的是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí), 資源消耗反而呈現(xiàn)下降狀態(tài), 由此可見(jiàn)絕對(duì)脫鉤也是水資源利用的最佳狀態(tài)。常見(jiàn)的脫鉤模型有Vehmas脫鉤指數(shù)、OCED脫鉤因子、Tapio彈性指數(shù)、TGT脫鉤方程等。由于Tapio模型相對(duì)于其他模型能更加精細(xì)地劃分脫鉤程度且能側(cè)重特定年份的分析, 對(duì)于判定脫鉤狀態(tài)的演替過(guò)程具有一定的優(yōu)勢(shì)[27-28]。因此本文在分析中采用Tapio彈性指數(shù)模型, 從陜西省種植業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)水資源真實(shí)占用量, 以及對(duì)陜西省水資源環(huán)境壓力兩個(gè)方面來(lái)研究陜西省種植業(yè)和水資源利用的脫鉤關(guān)系, 模型如下:

式中: DE為脫鉤指數(shù);、+1為計(jì)算起始年份; WF為水足跡; TPO(total planting output value)為種植業(yè)總產(chǎn)值; DE(WF,TPO)表示種植業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與水資源真實(shí)占用量之間的脫鉤關(guān)系, DE(WFgrey,TPO)表示種植業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與之所造成的水資源環(huán)境壓力的脫鉤關(guān)系, 其脫鉤程度判斷如表2所示。

表2 Tapio指數(shù)脫鉤程度判斷表[29]

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文研究區(qū)域2005—2016年間的月平均最高溫度、月平均最低溫度、濕度、風(fēng)速、日照、輻射強(qiáng)度、月降水量均來(lái)自于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)中陜西省32個(gè)氣象站數(shù)據(jù)。

作物系數(shù)和作物生育期參考《中國(guó)主要作物需水量與灌溉》、《北方地區(qū)農(nóng)作物灌溉用水定額》、中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/), 陜西省各地級(jí)市作物產(chǎn)量、單位面積產(chǎn)量、水資源總量等數(shù)據(jù)均來(lái)自《陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2006—2017年); 各地級(jí)水資源總量來(lái)自《陜西省水資源公報(bào)》(2005—2016年)。

參考作物蒸發(fā)蒸騰量(ET0)通過(guò)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)開(kāi)發(fā)的cropwat 8.0計(jì)算得到。

2 結(jié)果與分析

2.1 陜西省種植業(yè)耗水量(綠水足跡與藍(lán)水足跡)

2.1.1 種植業(yè)耗水量的時(shí)空差異性

根據(jù)水足跡理論相關(guān)定義, 綠水和藍(lán)水分別表征著作物生長(zhǎng)期間田間總雨水蒸散量和作物田間灌溉的蒸散量, 屬于實(shí)質(zhì)性消耗水量, 本文將兩者之和定義為作物耗水量。圖1顯示, 陜西省各地級(jí)市種植業(yè)在耗水量的構(gòu)成上由于種植結(jié)構(gòu)的不同呈現(xiàn)較大差異性。關(guān)中5市(西安、銅川、寶雞、咸陽(yáng)、渭南)耗水量構(gòu)成以糧食類作物為主, 占比平均高達(dá)69.59%, 其中關(guān)中作為小麥的主產(chǎn)區(qū), 占比為42.59%。不同于關(guān)中地區(qū), 陜北2市(榆林、延安)的糧食類作物生產(chǎn)耗水集中在玉米作物, 占比為37.18%, 水果占比同樣高達(dá)37.98%。而陜南3市(漢中、安康、商洛)5類作物耗水量占比組成相對(duì)較為均衡, 其中茶樹(shù)、煙草作為陜南地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)類作物, 其耗水量占比分別為8.40%、1.45%。這說(shuō)明在區(qū)域水足跡核算過(guò)程中忽略地區(qū)種植結(jié)構(gòu)差異性會(huì)產(chǎn)生較大結(jié)果偏差, 從而影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 2005—2016年陜西省各地級(jí)市種植業(yè)各種作物耗水量平均組成

其次, 從不同種作物在不同年份耗水量的變化情況(圖2)可以看出, 2005—2016年間, 同種作物耗水量在不同年份呈現(xiàn)一定幅度的波動(dòng), 總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 這與研究期內(nèi)種植技術(shù)提升, 作物單位面積產(chǎn)量提高趨勢(shì)保持一致。其中, 經(jīng)濟(jì)類作物茶葉下降尤為明顯,12年間茶葉耗水量從46.28 m3?kg-1下降到18.52 m3?kg-1, 這主要是由于作為陜西省茶葉主產(chǎn)區(qū)的漢中、安康兩市其單位面積產(chǎn)量分別從199 kg?hm-2、212 kg?hm-2提升至585 kg?hm-2、448 kg?hm-2。但在此期間, 不同作物的耗水量呈現(xiàn)較大差異性, 2005—2016年間, 小麥、水稻、玉米、大豆、棉花、油菜、花生、麻類、煙草、蔬菜、茶和水果的作物均值耗水量分別為2.73 m3?kg-1、1.76 m3?kg-1、1.66 m3?kg-1、5.35 m3?kg-1、8.98 m3?kg-1、4.47 m3?kg-1、1.79 m3?kg-1、4.04 m3?kg-1、2.27 m3?kg-1、0.42 m3?kg-1、30.30 m3?kg-1和0.51 m3?kg-1, 最大值茶與最小值蔬菜差距較大。由此, 結(jié)合圖1的各地級(jí)市種植業(yè)耗水量組成, 陜南區(qū)域水資源相對(duì)較為豐富, 降雨量多, 適宜種植耗水量較高的經(jīng)濟(jì)類作物茶、煙草; 陜北地區(qū)水資源相對(duì)較為匱乏, 適宜種植耗水量較低的玉米和水果類作物; 而關(guān)中地區(qū)地處平原, 水資源和降水量以及種植技術(shù)均優(yōu)于陜北地區(qū), 可大量種植耗水量中等且生活必須的糧食類作物。這與圖3中經(jīng)濟(jì)作物耗水量最大, 油料作物次之, 糧食類、水果、蔬菜作物最低的理論測(cè)算結(jié)果相一致。說(shuō)明從水足跡視角來(lái)看, 陜西省各地級(jí)市當(dāng)前的作物種植結(jié)構(gòu)相對(duì)合理。

圖2 2005—2016年陜西省作物耗水量變化趨勢(shì)

2.1.2 種植業(yè)綠水足跡利用效率分析

作物耗水量中的綠水足跡來(lái)源于降水, 相比于灌溉用水的藍(lán)水足跡, 擁有較低的機(jī)會(huì)成本。本文利用綠水足跡占作物耗水量的相對(duì)百分比, 衡量作物綠水足跡的利用效率。從表3可以看出, 同種作物的綠水足跡利用效率具有明顯的空間差異性。以作物小麥為例, 安康市小麥綠水足跡利用效率為35.78%, 而榆林僅為10.80%, 總體上陜南的綠水足跡利用效率高于陜北和關(guān)中。產(chǎn)生這種差異的原因主要是陜南水資源稟賦先天較高, 降水量相對(duì)充裕, 研究期內(nèi)陜南年平均降水量825.91 mm, 而陜北年平均降水量?jī)H為485.35 mm。另一方面, 不同作物生育期的不同也是造成綠水足跡利用效率差異的重要原因。以花生為例, 陜西省花生的生育期在6—9月, 這與陜西省降雨量集中時(shí)期相吻合, 這也是花生的綠水足跡利用效率高于小麥、油菜的原因所在。但根據(jù)劉聰[30]的研究, 陜西省主要糧食類作物小麥、玉米的綠水足跡利用效率在全國(guó)僅處于中等水平, 發(fā)展?jié)摿Υ?。因? 更好地利用雨水以提高綠水足跡的利用效率, 科學(xué)規(guī)劃區(qū)域種植作物類型, 才能更有效促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)和節(jié)水型社會(huì)建設(shè)目標(biāo)的達(dá)成。

表3 2005—2016年陜西省各地級(jí)市作物綠水足跡平均相對(duì)占比

“—” 表示研究期內(nèi)作物種植較少, 統(tǒng)計(jì)時(shí)不做考慮?！啊?means that the crop area is too little not to be calculated.

2.2 陜西省種植業(yè)水環(huán)境壓力(灰水足跡)評(píng)價(jià)

灰水足跡在作物種植過(guò)程中雖然不會(huì)真實(shí)的消耗, 但卻從水量的角度反映了種植業(yè)對(duì)水資源環(huán)境的破壞量。由表4可知, 各地級(jí)市的灰水足跡也由于種植結(jié)構(gòu)的不同存在較大差異, 總體上而言, 糧食類作物、蔬菜、水果灰水足跡占比較大。然而, 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因卻有不同, 糧食類作物是由于播種面積較大, 研究期內(nèi)年平均播種面積占總面積的70%以上; 而水果。蔬菜是由于單位面積氮肥用量相對(duì)較高, 分別為442 kg?hm-2、367 kg?hm-2, 是小麥183 kg?hm-2的2倍以上。

表4 2005—2016年陜西省各地級(jí)市各種作物年平均灰水足跡總量

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)種植業(yè)對(duì)當(dāng)?shù)厮h(huán)境的影響程度, 本文引入水資源環(huán)境壓力指數(shù)反映種植業(yè)對(duì)當(dāng)?shù)厮h(huán)境的影響程度, 種植業(yè)水環(huán)境壓力指數(shù)為灰水足跡與當(dāng)?shù)厮Y源總量的比值, 若值大于1則表明當(dāng)?shù)氐乃Y源量已經(jīng)滿足不了修復(fù)種植業(yè)所產(chǎn)生的污染, 水環(huán)境面臨著較大壓力。選取2008年、2012年、2016年為代表年份對(duì)水環(huán)境壓力指數(shù)的變化情況進(jìn)行分析, 使用GIS 10.0將其可視化, 并將其水環(huán)境壓力指數(shù)分為5個(gè)等級(jí): 水環(huán)境壓力緩解區(qū)、水環(huán)境壓力輕度增強(qiáng)區(qū)、水環(huán)境壓力中度增強(qiáng)區(qū)、水環(huán)境壓力重度增強(qiáng)區(qū)、水環(huán)境壓力極度增強(qiáng)區(qū)。從圖3可以看出, 關(guān)中是陜西省糧食作物主產(chǎn)區(qū), 化肥施用量較大, 因此水資源環(huán)境壓力強(qiáng)于陜北, 其中咸陽(yáng)市水環(huán)境壓力指數(shù)12年間平均為4.75, 屬于水環(huán)境壓力極度增強(qiáng)區(qū)。從時(shí)間維度來(lái)看, 渭南市、銅川市隨著時(shí)間增長(zhǎng), 水環(huán)境壓力趨于惡化較為明顯, 這主要因?yàn)樵黾恿藛挝幻娣e化肥施用量較大的水果種植面積所造成的。

圖3 2008年、2012年和2016年陜西省水資源環(huán)境壓力空間變化

2.3 陜西省種植業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與水資源利用脫鉤評(píng)價(jià)

由表5可以看出, 陜西省種植業(yè)總產(chǎn)值呈現(xiàn)較快增長(zhǎng)狀態(tài), 研究期內(nèi)平均增速為14.5%。因此脫鉤狀態(tài)只可能存在增長(zhǎng)性負(fù)脫鉤、強(qiáng)脫鉤、弱脫鉤、擴(kuò)張性耦合4種。而水足跡總量受到整體種植技術(shù)、單位面積產(chǎn)量提升的影響增幅為0.80%, 因此陜西省種植業(yè)與水資源真實(shí)占用量之間的脫鉤關(guān)系也呈現(xiàn)弱脫鉤、強(qiáng)脫鉤的互相交替狀態(tài), 且弱脫鉤主要集中在2012年以前。這是因?yàn)殛兾魇∽?013年9月開(kāi)始實(shí)施《陜西省實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度考核辦法》以來(lái), 2013—2016年種植業(yè)水足跡呈現(xiàn)持續(xù)下降狀態(tài), 且與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤狀態(tài)呈現(xiàn)以強(qiáng)脫鉤為主的優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)。但從經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與對(duì)水資源環(huán)境造成的壓力方面來(lái)看, 初級(jí)協(xié)調(diào)占總評(píng)價(jià)年份的64%且在2008年出現(xiàn)了擴(kuò)張性耦合的嚴(yán)重失調(diào)狀態(tài), 一方面說(shuō)明化肥農(nóng)藥等化學(xué)物質(zhì)的施用雖然對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量以及種植業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)有一定正面影響, 但是如何合理施用適量化肥, 減少對(duì)水質(zhì)的影響是當(dāng)前陜西省種植業(yè)迫切解決的問(wèn)題; 另一方面, 說(shuō)明在水資源利用考核中, 即使在經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源利用的整體協(xié)調(diào)的優(yōu)質(zhì)狀況下, 對(duì)種植過(guò)程中所造成的水資源壓力個(gè)體不協(xié)調(diào)的狀態(tài)應(yīng)該加以重視和解決。

表5 2005—2016年陜西省水資源利用與種植業(yè)生產(chǎn)總值脫鉤狀態(tài)

TPO: total planting output value; WF: water footprint; WFgrey: grey water footprint; ΔTPO: change rate of TPO; ΔWF: change rate of WF; DE(WF,TPO): decoupling index of WF; ΔWFgrey: change rate of WFgrey; DE(WFgrey,TPO): decoupling index of water environment.

3 討論與結(jié)論

本文將灌溉水在輸配水及田間灌溉中的損失量納入作物生產(chǎn)水足跡的構(gòu)成要素之一, 通過(guò)計(jì)算2005—2016年陜西省10個(gè)地級(jí)行政區(qū)的種植業(yè)水足跡, 定量分析了陜西省各作物耗水量的時(shí)空差異性和各市水環(huán)境壓力狀況, 并結(jié)合脫鉤模型對(duì)陜西省種植業(yè)水資源利用與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明, 陜西省各作物之間水足跡差異較大, 蔬菜、水果水足跡較低, 分別為0.42 m3?kg-1、0.51 m3?kg-1, 而經(jīng)濟(jì)類作物茶葉則高達(dá)30.29 m3?kg-1, 各作物耗水量在時(shí)間序列上總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 經(jīng)濟(jì)類作物茶葉尤為明顯, 從46.28 m3?kg-1下降到18.52 m3?kg-1; 同時(shí), 研究期內(nèi)陜西省各地級(jí)市種植業(yè)耗水量組成呈現(xiàn)較大差異性, 關(guān)中地區(qū)耗水量組成以糧食類作物為主, 陜北則以玉米和水果為主, 而陜南地區(qū)各類作物耗水量則較為平均, 各地區(qū)耗水量組成基本與其水資源稟賦、種植技術(shù)高低相一致。綠水足跡利用效率方面, 同一區(qū)域不同作物的綠水足跡利用效率差異較大, 以作物小麥為例, 安康市小麥綠水足跡利用效率為35.78%, 而榆林僅為10.80%, 總體上陜南的綠水足跡利用效率高于陜北和關(guān)中, 但與農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)地區(qū)相比, 綠水足跡利用效率相對(duì)較低。就水環(huán)境壓力而言, 陜北、關(guān)中地區(qū)面臨著不同程度的水環(huán)境壓力, 其中咸陽(yáng)市水環(huán)境壓力指數(shù)12年間平均為4.75, 屬于水環(huán)境壓力極度增強(qiáng)區(qū)。從脫鉤關(guān)系評(píng)價(jià)來(lái)看,陜西省種植業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與水資源利用和水環(huán)境壓力強(qiáng)脫鉤狀態(tài)分別占比45.45%和27.27%, 陜西省近12年來(lái)水資源與種植業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)之間的關(guān)系逐漸完成了由弱脫鉤的初級(jí)協(xié)調(diào)到強(qiáng)脫鉤的優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)的轉(zhuǎn)變, 但仍面臨著種植業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與水環(huán)境壓力增加的挑戰(zhàn)。

由于對(duì)陜西省作物水足跡做詳細(xì)核算的研究較少, 而小麥作為重要糧食類作物, 在水足跡研究中較為普遍, 因此本文在表6中給出了本研究與其他研究對(duì)于小麥水足跡研究差異的對(duì)比。與馮東溥等[31]以及劉帝等[32]的研究相比, 本文以地級(jí)市為研究尺度, 為區(qū)域尺度的水資源管理提供了相應(yīng)理論支持; 與史利潔等[9]的研究相比, 首先本研究根據(jù)陜西省作物種植實(shí)際情況, 共核算了12類作物(本文水果實(shí)際包含作物為:蘋(píng)果、柑桔、梨、葡萄、獼猴桃)的藍(lán)水、綠水、灰水足跡, 更能真實(shí)反映陜西省各地級(jí)市種植業(yè)水足跡實(shí)際情況以及種植結(jié)構(gòu)的差異性; 其次, 本研究在種植業(yè)水足跡合算的基礎(chǔ)上結(jié)合脫鉤模型對(duì)陜西省種植業(yè)水資源利用和水環(huán)境變化與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià); 本研究將灌溉水在輸配水及田間灌溉過(guò)程中的損失納入作物區(qū)域水足跡的核算之中, 因此小麥水足跡結(jié)果相應(yīng)其他研究偏大, 但與吳普特等[16]在考慮輸配水及田間灌溉過(guò)程中的損失下核算的陜西省小麥水足跡(未考慮灰水足跡)核算結(jié)果1.91~2.97區(qū)間相吻合。本研究的不足在于, 農(nóng)田在實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn)充分灌溉, 作物蒸散發(fā)有可能是在一定的水分脅迫下進(jìn)行的, 因此真實(shí)的蒸騰散發(fā)量會(huì)偏小, 下一步的研究將考慮水脅迫下的作物水足跡核算, 進(jìn)一步增加種植業(yè)水足跡核算的精確性。

表6 不同學(xué)者對(duì)陜西區(qū)域小麥水足跡研究比較

括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為包含灰水足跡下的作物水足跡。Values in brackets are water footprint containing grey water footprint.

根據(jù)以上研究結(jié)果, 提出以下改善陜西省種植業(yè)水資源利用以及與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的建議: 1)根據(jù)水資源稟賦, 進(jìn)一步優(yōu)化當(dāng)前陜西省各地級(jí)市種植結(jié)構(gòu), 提高作物單位面積產(chǎn)量, 對(duì)于缺水的陜北、關(guān)中地區(qū), 通過(guò)引進(jìn)先進(jìn)的灌溉技術(shù)增加綠水足跡占比; 2)通過(guò)調(diào)整化肥施用結(jié)構(gòu)、增施有機(jī)肥施用的宣傳和指導(dǎo)、改良土壤等方式, 提升作物對(duì)肥料吸收利用, 減少化肥的過(guò)量施用和流失, 從而達(dá)到從源頭減少灰水足跡, 降低陜西省各地級(jí)市水環(huán)境壓力; 3)陜西省種植業(yè)水資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展不僅要做到占用量上的協(xié)調(diào)發(fā)展,同時(shí)也要注意水環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。因此, 當(dāng)前我們應(yīng)該把目光更多聚集到如何改善經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與水環(huán)境壓力上, 從而實(shí)現(xiàn)種植業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與水環(huán)境變化之間的長(zhǎng)期強(qiáng)脫鉤狀態(tài)。

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Decoupling analysis on water resources utilization of planting industry and economic development in Shaanxi Province from the perspective of water footprint*

ZHANG Wei, QIN Qiu

(School of Management, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

Shaanxi Province is located in a key area of the “One Belt One Road” promoted by China. The availability of agricultural water resources is bound to be further scarce due to accelerated economic transformation as a result of the “One Belt One Road” project. To therefore quantify water footprint of the crop industry and to determine the co-ordination between planting and economic development are critical for further clarification of the water use in planting and setting up relevant reference basis for water resources management in Shaanxi Province. Thus this paper incorporated the loss of water during distribution and irrigation of crop water footprint. By accounting for the value of water footprint of the crop industry in Shaanxi Province for the period 2005–2016, we analyzed the spatial and temporal differences in water consumption by various crops in Shaanxi Province, the utilization efficiency of green water and the pressure of water environment. Combined with the Tapio model, the change in relationship between economic growth of crop farming, water resource utilization and water environment was determined. The results showed that: 1) water consumption by various crops was significantly different during the study period. The water footprint of vegetables and fruits were respectively 0.42 m3?kg-1and 0.51 m3?kg-1, while that of tea was as high as 30.29 m3?kg-1. However, there was an overall downward trend in water use. 2) The water consumption composition of planting industry in different areas was quite different, crop water consumption proportion in Guanzhong was 69.59%, grain and corn water consumption proportion in northern Shaanxi was 75.16% and that in southern Shaanxi was relative equilibrium among various corps. The water consumption composition was basically the same as water endowment and crop water footprint. 3) The use efficiency of green water footprint was relatively low. Also the pressure index of water environment was low in the south, high in the central and north. The average water environment pressure index for Xianyang was as high as 4.75 in 12 years, indicating serious water environment pressure. 4) The decoupling of economic growth of crop industry with water resource use and water environment pressure accounted respectively for 45.45% and 27.27% of total water use in the province. The research results showed that planting structure in Shaanxi Province was relatively reasonable and that green water footprint was hugely utilized. The efficiency and pressure of water environment still needed improvement. The relationship between economic growth of crop industry and water resources use was being gradually transformed from primary co-ordination of weak decoupling to quality co-ordination of strong decoupling. However, it still faced the change of industrial diversity, economic growth and environmental pressures.

Shaanxi Province; Water footprint; Tapio decoupling model; Crop industry; Economic growth; Water environment pressure; Crop water consumption; Water footprint use efficiency

ZHANG Wei, E-mail: 352753390@qq.com

May 8, 2018;

Sep. 20, 2018

S271

A

2096-6237(2019)01-0153-10

10.13930/j.cnki.cjea.180447

2018-05-08

2018-09-20

* This study was supported by Shaanxi Provincial Social Science Fund (12Q023) and Shaanxi Provincial Department of Education Special Research Project (13JK0223).

* 陜西省社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目(12Q023)和陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(13JK0223)資助

張煒, 主要研究方向?yàn)橘Y源環(huán)境管理和項(xiàng)目投資優(yōu)化與決策。E-mail: 352753390@qq.com

張煒, 覃求. 水足跡視角下陜西省種植業(yè)水資源利用評(píng)價(jià)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展脫鉤分析[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(1): 153-162

ZHANG W, QIN Q. Decoupling analysis on water resources utilization of planting industry and economic development in Shaanxi Province from the perspective of water footprint[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(1): 153-162