河南省農(nóng)作物虛擬水與隱含碳排放的時(shí)空格局及關(guān)聯(lián)機(jī)制研究

王帥, 趙榮欽, 韓楓, 黃會(huì)平, 張師赫,2, 熊濤,3, 張笑榮,4, 石金鑫

(1.華北水利水電大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院,河南 鄭州 450046; 2.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350007; 3.華東師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,上海 200062; 4.山東大學(xué) 環(huán)境研究院,山東 濟(jì)南 250100)

農(nóng)作物虛擬水含量是指在以農(nóng)產(chǎn)品為初級(jí)產(chǎn)品的生產(chǎn)活動(dòng)中所投入的水資源量[1];農(nóng)作物隱含碳排放量是指農(nóng)業(yè)資料在生產(chǎn)、運(yùn)輸或使用過程中間接產(chǎn)生的碳排放[2]。農(nóng)作物虛擬水與隱含碳排放是衡量人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)資源消耗和環(huán)境影響的主要指標(biāo)。近年來,隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)所導(dǎo)致的隱含碳排放量不斷增大,農(nóng)業(yè)水資源短缺等問題日益凸顯,學(xué)者們對(duì)農(nóng)作物虛擬水與隱含碳排放的研究也越來越豐富。例如,農(nóng)業(yè)虛擬水的計(jì)算方法已日趨成熟,目前大多基于不同農(nóng)產(chǎn)品類型進(jìn)行區(qū)分計(jì)算[3-4],不同學(xué)者從虛擬水時(shí)空差異[5-7]、虛擬水格局與貿(mào)易[8-10]、虛擬水貿(mào)易、虛擬水與糧食生產(chǎn)用水安全[11-12]等視角開展了一系列的研究;而農(nóng)業(yè)隱含碳則主要采用IPCC法、生命周期法[13]和投入產(chǎn)出表法[14]進(jìn)行核算,并在此基礎(chǔ)上探討區(qū)域隱含碳的時(shí)空變化規(guī)律[15]、分析其驅(qū)動(dòng)因素[16-19]。在當(dāng)前全球氣候變化、自然資源短缺的背景下,單一指標(biāo)評(píng)價(jià)方案難以有效應(yīng)對(duì)當(dāng)前資源過度消耗、環(huán)境問題日益凸顯所帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),多要素綜合分析顯得越來越迫切。陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳水循環(huán)之間存在一定的耦合關(guān)系[20]。就農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程而言,碳排放主要來源于能源和物資的消耗。因此,國內(nèi)外部分學(xué)者分析了農(nóng)業(yè)“水-能”[21]、“碳-水”效率[22]、“食物-能源-水”的關(guān)聯(lián)性[23]以及“水-土-能-碳”耦合關(guān)系[24]的理論框架。以上研究豐富了虛擬水與隱含碳的理論框架,也為本文提供了重要思路和方法借鑒。

總體而言,以往的研究側(cè)重于對(duì)農(nóng)作物虛擬水和隱含碳排放及其時(shí)空差異的分別核算和研究,而對(duì)二者的結(jié)合研究還相對(duì)較少[25]。實(shí)際上,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水、能和物資消耗是密切相關(guān)的。比如,水資源消耗的增加，一方面會(huì)引起農(nóng)作物虛擬水含量的增加,另一方面也會(huì)間接導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中能源消耗的增長,從而增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的隱含碳排放量。因此,從區(qū)域尺度上開展虛擬水和隱含碳的時(shí)空格局及關(guān)聯(lián)特征研究有助于進(jìn)一步揭示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的“碳-水”匹配格局。鑒于此,本文以河南省為例,對(duì)主要農(nóng)作物的虛擬水含量與隱含碳排放量進(jìn)行核算,并采用門檻面板模型分析虛擬水與隱含碳排放的相關(guān)關(guān)系,以期為未來發(fā)展節(jié)水、低碳型農(nóng)業(yè)提供理論參考和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所需的逐日氣象數(shù)據(jù)來自于中國氣象網(wǎng)；河南省小麥、玉米、花生、大豆和蔬菜5種農(nóng)作物的產(chǎn)量和種植面積、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、農(nóng)村用電量、作物單位面積產(chǎn)量及總產(chǎn)量、農(nóng)村勞動(dòng)力數(shù)量、農(nóng)村居民收入、農(nóng)作物播種面積、農(nóng)田有效灌溉面積來源于《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》(2006—2015)。

1.2 研究方法

1.2.1 農(nóng)作物虛擬水含量的計(jì)算方法

本文選取小麥、玉米、花生、大豆、蔬菜5種農(nóng)作物進(jìn)行虛擬水含量(作物在生長發(fā)育期間的累積蒸發(fā)蒸騰水量)的計(jì)算。由于不同地區(qū)農(nóng)作物的生理特性、耕種模式和氣候條件均存在差異,為了更準(zhǔn)確地計(jì)算當(dāng)?shù)刈魑锏奶摂M水含量,根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織的建議,選擇符合當(dāng)?shù)貙?shí)際自然環(huán)境的相應(yīng)參數(shù),采用修正的標(biāo)準(zhǔn)彭曼公式計(jì)算虛擬水含量。這也是國內(nèi)計(jì)算農(nóng)產(chǎn)品虛擬水含量的主要方法之一,符合國內(nèi)的實(shí)際情況[1,3-4]。其計(jì)算公式如下:

(1)

式中:E0為潛在蒸散量,mm/d;Δ為飽和水汽壓與溫度相關(guān)曲線的斜率,kPa/℃;Rn是作物表面的凈輻射量,MJ/m2;n為實(shí)際日照時(shí)數(shù),h；G是土壤熱通量,MJ·m-2·d-1,在日時(shí)間尺度上G≈0 MJ·m-2·d-1;γ為溫度計(jì)常數(shù),kPa/℃;t為平均溫度,℃;U2為距離地面2 m高處的風(fēng)速,m/s;ea為飽和水汽壓,kPa;ed為實(shí)測水汽壓,kPa。

式(1)中凈輻射量Rn取決于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的選取,而經(jīng)驗(yàn)系數(shù)只在特定地區(qū)有效,具有區(qū)域性。因此,特定地區(qū)的輻射項(xiàng)都需要校正。輻射校正的模型公式如下:

(2)

式中:N為可照時(shí)數(shù),h;Rsa為晴天輻射量,MJ/m2;δ為Stenfan-Boltzmann常數(shù)(4.903×10-9MJ·K-4·m-2·d-1);Tx,k為絕對(duì)溫標(biāo)的最高氣溫,K；Tn,k為絕對(duì)溫標(biāo)的最低氣溫，K。

Ec=kE0。

(3)

式中:Ec為作物蒸散量,mm/d;k為作物系數(shù)。作物系數(shù)基于當(dāng)前研究人員對(duì)河南省作物系數(shù)的研究成果取值,對(duì)于沒有研究的作物參考FAO-56的數(shù)據(jù),各種作物的相對(duì)參數(shù)、播種時(shí)間、收獲時(shí)間和整個(gè)生長天數(shù)采用多年觀察的平均值。

1.2.2 農(nóng)作物隱含碳排放量的計(jì)算方法

本文基于農(nóng)作物生長周期中部分物資投入所間接產(chǎn)生的碳排放來計(jì)算作物的隱含碳排放量,主要包括農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、化肥投入、農(nóng)藥投入和灌溉投入4個(gè)方面。其公式如下[26]:

E=∑ei=∑Tiδi。

(4)

式中:E為某種農(nóng)作物生產(chǎn)過程中的碳排放總量;ei為第i種碳源的碳排放量;Ti為第i種碳源的使用量;δi為第i種碳源的碳排放系數(shù)[27-30]。

1.2.3 基于門檻面板模型的虛擬水和隱含碳排放的關(guān)聯(lián)機(jī)制研究方法

改革開放之初，云南只有滬昆鐵路和成昆鐵路兩條干線鐵路，出滇入省的物資運(yùn)輸往往是“一車難求”。袁劍記憶最深刻、最艱難的一次裝車，他在貨場守5天5夜才等到空車。

傳統(tǒng)的線性模型可以在一定程度上描述農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的各項(xiàng)變量對(duì)農(nóng)業(yè)用水的影響,但可能忽略了由于“水-碳”耦合所導(dǎo)致的不同時(shí)間段的動(dòng)態(tài)變化。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的用水量受到較多因素的影響,且伴隨著農(nóng)業(yè)物資和能源投入的不斷加大,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不同階段的農(nóng)業(yè)用水量與碳排放可能呈現(xiàn)不同的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì),即虛擬水與隱含碳之間可能存在某種門檻效應(yīng),單一的線性模型不能很好地表明二者之間的關(guān)系。為了進(jìn)一步說明隱含碳與虛擬水之間的相關(guān)關(guān)系,參考Hansen[31]的門檻面板模型,通過選取隱含碳作為門檻變量,在面板模型中加入門檻值,依據(jù)門檻值建立不同的分段函數(shù),最后借助門檻值與相關(guān)系數(shù)分析虛擬水與隱含碳的關(guān)聯(lián)機(jī)制。門檻模型如下:

VWit=μit+θωit+β1ECitIit(ECit≤γ1)+
β2ECitIit(ECit>γ1)+εit。

(5)

式中:VWit為虛擬水用量;μit為個(gè)體效應(yīng);θ為相應(yīng)控制變量的系數(shù);ω為影響虛擬用水的控制變量集,包括農(nóng)村勞動(dòng)力數(shù)量Nl、農(nóng)村居民收入Ir、農(nóng)作物播種面積Ca、農(nóng)田有效灌溉面積If,調(diào)整后各項(xiàng)指標(biāo)的描述性統(tǒng)計(jì)分析情況見表1;β為示性函數(shù);ECit為隱含碳排放量,是門檻變量;Iit(·)為指標(biāo)函數(shù);γ為待估門檻值;εit為隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)。

表1 各變量的描述性統(tǒng)計(jì)(2005—2014年)

2 結(jié)果分析

2.1 河南省農(nóng)作物單位產(chǎn)量虛擬水含量的空間差異分析

結(jié)合前文的研究方法,對(duì)2005—2014年河南省5種主要農(nóng)作物的單位產(chǎn)量虛擬水含量進(jìn)行計(jì)算結(jié)果如圖1所示。由圖1可知:①除大豆外，其他4種農(nóng)作物的單位產(chǎn)量虛擬水含量均呈波動(dòng)性下降趨勢(shì)。其中,蔬菜的下降趨勢(shì)最為平穩(wěn);小麥的波動(dòng)幅度最大;大豆在10 a間的波動(dòng)性雖較大但整體圍繞1 385.37 m3/t的年際平均值上下波動(dòng),較為規(guī)律;花生和玉米的整體變化趨勢(shì)為先下降后上升。②在5種農(nóng)作物中,單位產(chǎn)量虛擬水含量由高到低的順序依次為大豆、花生、小麥、玉米、蔬菜。由虛擬水計(jì)算公式可知,不同作物虛擬水含量的大小主要取決于潛在蒸騰量和糧食產(chǎn)量,實(shí)際計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)潛在蒸騰量的年際變化差異較小。因此,提升作物糧食產(chǎn)量是有效降低單位產(chǎn)量作物虛擬水含量的重要途徑。

由于各地區(qū)的地理環(huán)境、種植方式和作物類型不同,作物虛擬水含量在空間上也具有較強(qiáng)的分異規(guī)律。以2014年為例,河南省各地市的5種農(nóng)作物虛擬水含量見表2,其空間分布情況如圖2所示。

圖1 2005—2014年農(nóng)作物單位產(chǎn)量虛擬水含量

表2 2014年河南省5種農(nóng)作物單位產(chǎn)量虛擬水含量 m3/t

由表2可知:①2014年河南省小麥虛擬水總量為227.6 億m3,單位產(chǎn)量虛擬水含量為739.70 m3/t。其中,三門峽單位產(chǎn)量虛擬水含量最高,為1 154.80 m3/t,其次為鄭州1 038.60 m3/t,周口的最低,為514.10 m3/t;三門峽單位產(chǎn)量虛擬水含量是周口的2.2倍。②全省玉米虛擬水含量為113.21 億m3,單位產(chǎn)量虛擬水含量為639.28 m3/t。其中,平頂山單位產(chǎn)量虛擬水含量最高,為1 018.79 m3/t,其次為三門峽923.24 m3/t,最低為鶴壁499.74 m3/t;平頂山單位產(chǎn)量虛擬水含量是鶴壁的2.04倍。③全省花生單位產(chǎn)量虛擬水含量為1 398.26 m3/t,最高的為濟(jì)源2 838.19 m3/t,其次為三門峽1 925.31 m3/t,最低的為駐馬店962.58 m3/t;濟(jì)源單位產(chǎn)量虛擬水含量是駐馬店的2.95倍。④全省大豆虛擬水含量為11.22億m3,單位產(chǎn)量虛擬水含量為1 537.11 m3/t。其中,最高的為洛陽3 560.82 m3/t,其次為信陽2 467.98 m3/t,最低的為新鄉(xiāng)976.95 m3/t;洛陽單位產(chǎn)量虛擬水含量是新鄉(xiāng)的3.64倍。⑤全省蔬菜單位產(chǎn)量虛擬水含量為207.03 m3/t,最高的為濮陽257.32 m3/t,最低的為焦作162.37 m3/t。

由圖2可知:①小麥和玉米單位產(chǎn)量虛擬水含量的空間分異規(guī)律相近。豫西山區(qū)和豫南地區(qū)的單位產(chǎn)量虛擬水含量明顯高于豫北、豫東平原地區(qū)的;單位產(chǎn)量虛擬水含量較高的區(qū)域主要集中在鄭州、洛陽、平頂山、三門峽。這是因?yàn)?豫西山區(qū)地形復(fù)雜,生產(chǎn)條件較差,種植和管理作物困難,作物產(chǎn)量較低,較低的產(chǎn)能導(dǎo)致單位產(chǎn)量虛擬水含量升高。河南省南部較北部的多年平均氣溫稍高,降雨量較大,且豫南地區(qū)水資源豐富,引流灌溉等水利設(shè)施齊全,農(nóng)業(yè)水利灌溉比豫北地區(qū)的便利,但主要以大水漫灌為主,耗水量較高,因此，豫南地區(qū)的單位產(chǎn)量虛擬水含量高于豫北地區(qū)的。②花生單位產(chǎn)量虛擬水含量的高值區(qū)域主要聚集在河南省北部的濟(jì)源、三門峽、平頂山和鶴壁等市;黃河沿岸地區(qū)花生的單位產(chǎn)量虛擬水含量明顯高于其他地區(qū)的,且單位產(chǎn)量虛擬水含量由西向東呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)。這是因?yàn)?黃河沿岸地區(qū)以砂質(zhì)壤土為主,保水性較差,適宜種植花生、芝麻、西瓜等農(nóng)作物;豫東、豫北地處平原地區(qū),生產(chǎn)條件優(yōu)越,因此,農(nóng)作物產(chǎn)量要高于西部地區(qū)的,這使得豫東沿黃地區(qū)單位產(chǎn)量虛擬水含量較低。③大豆是需水量較大但不耐澇的作物,在5種作物中,大豆單位產(chǎn)量虛擬水含量最高,是蔬菜的6.7倍;全省范圍內(nèi)洛陽、信陽的單位產(chǎn)量虛擬水含量最大,鄭州、濟(jì)源的次之,周口和新鄉(xiāng)的最小。④蔬菜的單位產(chǎn)量虛擬水含量最低且變化較小,呈現(xiàn)出逐年減少的趨勢(shì);從整體看,蔬菜的單位產(chǎn)量虛擬水含量的高值區(qū)域主要集中在河南省的外圍,如信陽、三門峽、濮陽,中部地區(qū)的高值區(qū)域則主要集中在鄭州附近。

圖2 2014年河南省5種農(nóng)作物虛擬水含量的空間分布

2.2 河南省農(nóng)作物單位產(chǎn)量隱含碳排放量的空間差異分析

2005—2014年,5種作物單位產(chǎn)量隱含碳排放量的波動(dòng)較小,整體呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)(圖3)。由圖3可知:①大豆和小麥的單位產(chǎn)量隱含碳排放量分別在2006、2010年發(fā)生較大的波動(dòng)。其中,2006年大豆單位產(chǎn)量隱含碳排放量大幅降低,這主要是因?yàn)椴シN面積下降導(dǎo)致的,小麥2010年的單位產(chǎn)量隱含碳排放量突增,主要由于小麥在種植期間遭受多次天氣災(zāi)害,導(dǎo)致小麥的種植成本增加。②與作物單位產(chǎn)量虛擬水含量的排名相似,單位產(chǎn)量隱含碳排放量由大到小的順序?yàn)榇蠖?、花生、小麥、玉米、蔬菜?/p>

圖3 2005—2014年河南省主要農(nóng)作物單位產(chǎn)量隱含碳排放量

2014年河南省各地市的5種農(nóng)作物隱含碳排放量見表3,其空間分布情況如圖4所示。

表3 2014年河南省5種農(nóng)作物單位產(chǎn)量隱含碳排放量 t/t

由表3可知:①2014年河南省小麥隱含碳排放總量為402.05萬t,單位產(chǎn)量隱含碳排放量為0.14 t/t;小麥單位產(chǎn)量隱含碳排放量最高的為平頂山0.21 t/t,其次為鄭州,最低的為駐馬店和鶴壁均為0.09 t/t;平頂山單位產(chǎn)量隱含碳排放量分別是駐馬店和鶴壁的2.33倍。②玉米的隱含碳排放總量為249.58 萬t,單位產(chǎn)量隱含碳排放量為0.14 t/t;玉米單位產(chǎn)量隱含碳排放量最高的是平頂山0.31 t/t,其次為鄭州和濟(jì)源,最低的為鶴壁0.09 t/t;平頂山單位產(chǎn)量隱含碳排放量是鶴壁的3.44倍。③花生的隱含碳排放總量為75.95 萬t,單位產(chǎn)量隱含碳排放量為0.20 t/t;花生單位產(chǎn)量隱含碳排放量最高的為濟(jì)源0.60 t/t,其次為平頂山,最低的為開封0.13 t/t;濟(jì)源單位產(chǎn)量隱含碳排放量是開封的4.62倍。④大豆隱含碳排放總量為29.84 萬t,單位產(chǎn)量隱含碳排放量為0.36 t/t;大豆單位產(chǎn)量隱含碳排放量最高的為洛陽0.69 t/t,其次為濟(jì)源,最低的為開封0.22 t/t;平頂山單位產(chǎn)量隱含碳排放量是開封的3.14倍。⑤蔬菜隱含碳排放總量為213.59 萬t,單位產(chǎn)量隱含碳排放量為0.03 t/t;蔬菜單位產(chǎn)量隱含碳排放量最高的為鄭州、安陽、三門峽、信陽、濮陽5市,均為0.04 t/t,最低的為開封、洛陽、鶴壁、焦作、許昌、商丘6市,均為0.02 t/t;單位產(chǎn)量隱含碳排放量最高的地區(qū)是最低地區(qū)的2倍。

圖4 2014年河南省5種農(nóng)作物隱含碳排放量的空間分布

由圖4可知:①整體來看,小麥、玉米和花生的單位產(chǎn)量隱含碳排放量的空間分異規(guī)律相近。鄭州、平頂山、三門峽的單位產(chǎn)量隱含碳排放量最高,明顯大于其他地區(qū)的,其次為信陽、新鄉(xiāng),鶴壁和駐馬店的最小。這是因?yàn)?豫中地區(qū)(主要包括駐馬店、周口、開封、漯河)是作物單位產(chǎn)量隱含碳排放量較低的地區(qū);豫西地區(qū)多為山區(qū),生產(chǎn)條件較差,作物產(chǎn)量較低,但是在作物管理過程中投入了更多的物資和能源,因此，單位產(chǎn)量隱含碳排放量要高于豫中地區(qū)的。②花生的單位產(chǎn)量隱含碳排放量高值區(qū)域主要集中在豫北和豫西部分地區(qū),主要分布在濟(jì)源、三門峽等市。這是因?yàn)?花生主要種植在黃河沿岸和豫北地區(qū),其他地區(qū)的花生種植規(guī)模較小,物資和能源投入相對(duì)較少。③根據(jù)大豆單位產(chǎn)量隱含碳排放量的大小,可將18個(gè)地市進(jìn)行分區(qū):一級(jí)區(qū)為濟(jì)源、信陽;二級(jí)區(qū)為新鄉(xiāng)、鄭州、平頂山、南陽、漯河;三級(jí)區(qū)為濮陽、洛陽、三門峽;四級(jí)區(qū)為許昌、焦作、安陽、商丘;五級(jí)區(qū)為鶴壁、開封、周口、駐馬店。整體來說,豫西地區(qū)單位產(chǎn)量隱含碳排放量大于豫東地區(qū)的。由于5種作物中大豆的產(chǎn)量最低且碳排放量差異較小,因此大豆單位產(chǎn)量隱含碳排放量大于其他作物的。④蔬菜單位產(chǎn)量隱含碳排放量的空間分布類似于大豆的,信陽和安陽蔬菜的單位產(chǎn)量隱含碳排放量最高,鶴壁、焦作、洛陽、周口的最低。

2.3 河南省農(nóng)作物虛擬水與隱含碳排放的關(guān)聯(lián)機(jī)制分析

本文借鑒Hansen的研究方法在虛擬水與隱含碳之間建立門檻面板模型,檢驗(yàn)二者之間是否存在門檻值及門檻數(shù)。即：應(yīng)用門檻模型分別進(jìn)行無門檻、單一門檻、雙重門檻的原假設(shè)檢驗(yàn),并在此基礎(chǔ)上估算相應(yīng)的P值和估計(jì)門檻值，具體結(jié)果見表4。

表4 河南省不同顯著水平下的門檻估計(jì)值及置信區(qū)間

由表4可知：單一門檻在1%水平下顯著存在；雙重門檻的第1個(gè)門檻值在1%水平下顯著存在,但是第2個(gè)門檻值在1%和5%水平下不顯著,因此虛擬水與隱含碳之間存在單一門檻效應(yīng)。利用最小二乘法似然比統(tǒng)計(jì)量計(jì)算門檻值,并繪制門檻值的LR圖如圖5所示。圖5中,門檻值95%的置信區(qū)間為LR值在虛線以下部分,門檻值117.22的95%置信區(qū)間為[111.22,118.08]。

河南省18個(gè)地市2005—2014年門檻面板模型的回歸結(jié)果見表5。

圖5 門檻值與置信區(qū)間

表5 河南省18個(gè)地市2005—2014年門檻面板模型回歸結(jié)果

由表5可知,隱含碳排放量對(duì)虛擬水含量的影響不是簡單的線性關(guān)系,而是存在單一的門檻效應(yīng)。當(dāng)隱含碳排放量小于117.22時(shí),隱含碳排放量對(duì)虛擬水含量的影響系數(shù)為0.144,說明隨著隱含碳排放量的增加,虛擬水含量也逐漸上升,隱含碳排放量能促進(jìn)虛擬水含量增加;當(dāng)隱含碳排放量大于117.22時(shí),隱含碳排放量對(duì)虛擬水含量的影響系數(shù)為0.188,說明隱含碳排放量對(duì)虛擬水含量增加的促進(jìn)效應(yīng)更加明顯。由于在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中，農(nóng)業(yè)物資的投入往往伴隨著水資源的消耗,這導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水隨著物資投入的增加而不斷上升。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步、收入水平的提高和農(nóng)業(yè)水利設(shè)施的不斷完善,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率在得到提升的同時(shí),增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)水資源的依賴程度,所以農(nóng)業(yè)耗水量進(jìn)一步增加。

由影響虛擬水含量的變量集來看：增加農(nóng)村勞動(dòng)力數(shù)量、農(nóng)田有效灌溉面積、農(nóng)作物播種面積對(duì)農(nóng)作物虛擬水含量有一定的促進(jìn)作用,并且增加農(nóng)作物播種面積的促進(jìn)效果最明顯；而農(nóng)村居民收入的提高對(duì)農(nóng)作物虛擬水用量有一定的抑制作用,原因可能是隨著技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,農(nóng)戶收益在越來越擴(kuò)大化的同時(shí),水資源也得到了充分利用,水資源的利用效率得到提高,減少了農(nóng)業(yè)用水量。

3 結(jié)論與政策建議

基于河南省2005—2014年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),核算了河南省18個(gè)地市的虛擬水含量與隱含碳排放量,分析了河南省農(nóng)作物虛擬水與隱含碳排放的整體變化趨勢(shì),并以2014年為例分析了河南省虛擬水與隱含碳排放的空間差異,最后采用門檻面板模型分析了虛擬水與隱含碳排放的相關(guān)關(guān)系。主要結(jié)論如下:①2005—2014年,河南省農(nóng)作物單位產(chǎn)量虛擬水含量除大豆外均呈現(xiàn)波動(dòng)性降低的趨勢(shì),其中,蔬菜的下降趨勢(shì)最為平穩(wěn),小麥的波動(dòng)幅度最大,花生和玉米的整體變化趨勢(shì)為先下降后上升;在5種農(nóng)作物中,單位產(chǎn)量虛擬水含量由高到低的順序依次為大豆、花生、小麥、玉米、蔬菜。②2005—2014年,農(nóng)作物單位產(chǎn)量隱含碳排放量波動(dòng)較小,整體呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì);單位產(chǎn)量隱含碳排放量由大到小的順序分別為大豆、花生、小麥、玉米、蔬菜。③小麥、玉米、花生的單位產(chǎn)量虛擬水含量的高值區(qū)域主要集中在三門峽、洛陽、鄭州和平頂山,大豆和蔬菜的則主要集中在信陽地區(qū);單位產(chǎn)量隱含碳排放量的高值區(qū)域主要聚集在平頂山、鄭州、濟(jì)源和洛陽地區(qū)。④虛擬水含量與隱含碳排放量之間存在著單一門檻效應(yīng),隱含碳排放量對(duì)虛擬水含量的增加有著明顯的促進(jìn)效應(yīng)。

結(jié)合本文的研究,為進(jìn)一步優(yōu)化河南省農(nóng)作物虛擬水含量與隱含碳排放量間的關(guān)系,推動(dòng)低碳高效農(nóng)業(yè)發(fā)展,建議未來采取以下措施:

1)在保障糧食安全的前提下，根據(jù)地區(qū)自然環(huán)境特點(diǎn)和水資源總量適當(dāng)調(diào)整農(nóng)作物的種植結(jié)構(gòu),從源頭上減少農(nóng)業(yè)投入和虛擬水用量。根據(jù)不同農(nóng)作物虛擬水需求量和水資源的空間分布情況,調(diào)整農(nóng)作物的空間結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)水資源的節(jié)約利用。

2)嚴(yán)守耕地紅線,鼓勵(lì)開展規(guī)?；?jīng)營,探索一條既能實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)、農(nóng)民收入增加，又能減少環(huán)境污染的生態(tài)化農(nóng)業(yè)發(fā)展道路。如：豫西地區(qū)地形復(fù)雜、勞動(dòng)力分散、水利設(shè)施較少,適宜種植玉米等耐旱、易管理的作物;黃河沿岸土壤肥沃、水資源豐富,適宜種植花生等作物。

3)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率,減少農(nóng)業(yè)能源與物資投入,抑制農(nóng)業(yè)水資源的消耗。農(nóng)業(yè)隱含碳對(duì)虛擬水增加有促進(jìn)作用,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率,減少農(nóng)業(yè)物資和能源的投入,可以減少農(nóng)業(yè)隱含碳排放,從而降低農(nóng)業(yè)虛擬水含量。

4)開展農(nóng)業(yè)“碳-水”耦合關(guān)系的影響機(jī)理研究,為實(shí)現(xiàn)水能的高效利用提供理論支撐。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)“碳-水”之間存在門檻效應(yīng),應(yīng)構(gòu)建理論框架，積極探索其內(nèi)部的相關(guān)機(jī)制,為提高農(nóng)業(yè)水能的高效利用提供理論指導(dǎo)。