供應鏈視角小麥與初加工產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡分析

馮變變 卓 拉 楊 西 王 偉 徐增輝 吳普特

(1.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西楊凌 712100； 2.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所， 陜西楊凌 712100；3.中國科學院水利部水土保持研究所， 陜西楊凌 712100)

0 引言

隨著食物需求不斷增加，貿易活動日趨頻繁以及各行業(yè)間用水競爭持續(xù)加劇，區(qū)域水資源愈加有限，水資源高效可持續(xù)利用與管理面臨更大挑戰(zhàn)[1-3]。產(chǎn)品生產(chǎn)的上游和下游都具有生態(tài)影響，整個供應鏈各關鍵環(huán)節(jié)對水資源的占用和影響同等重要[4-5]。農(nóng)業(yè)是中國第一用水大戶，農(nóng)業(yè)用水占全國總用水量的61%[6]。準確量化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的水資源消耗，是落實最嚴格水資源管理制度和推進區(qū)域剛性水資源約束機制的關鍵基礎。農(nóng)作物單產(chǎn)水平和水分生產(chǎn)力的提高常依賴肥料、農(nóng)藥、能源等生產(chǎn)資料的大量投入。生產(chǎn)資料的生產(chǎn)與消費也消耗水資源，可視為作物生產(chǎn)間接的水消耗。但是，傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品耗水評價往往僅關注農(nóng)作物在田間生長過程中的直接水消耗，即作物騰發(fā)量。與此同時，作物生產(chǎn)資料間接耗水在現(xiàn)實水資源管理中屬于工業(yè)水管理范疇，其與農(nóng)業(yè)耗水之間的關系尚不明晰。

水足跡作為一種對人類活動產(chǎn)生的水資源消耗及其影響的綜合性評價指標，近年來被廣泛應用于追蹤供應鏈網(wǎng)絡下直接和間接的水分消耗和環(huán)境影響[7]。對作物來說，生產(chǎn)水足跡可分為直接水足跡和間接水足跡，直接水足跡為作物騰發(fā)量與稀釋污染物的水量，間接水足跡為生產(chǎn)供應鏈中生產(chǎn)資料的水分消耗。國內外研究一方面多專注于原糧產(chǎn)品直接水足跡及其結構在全球[8]、國家[9]、省級[10]、流域[11]和灌區(qū)[12]等不同尺度的量化，時間維度也從單個年份、多年均值到長時間序列不等[13-14]。僅少數(shù)研究涉及國家平均水平的作物間接水足跡量化。例如：徐長春等[15]基于中國生命周期數(shù)據(jù)庫量化了不同流域小麥生產(chǎn)直接水足跡和間接水足跡；ZHAI等[16-17]基于生命周期原理量化了包括生產(chǎn)資料投入在內的中國小麥、玉米和水稻作物生產(chǎn)水足跡及其影響。以上研究尚未考慮生產(chǎn)資料及其上游產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡的區(qū)域差異，以及生產(chǎn)資料及其上游產(chǎn)品區(qū)域貿易造成的消費水足跡差異。另一方面，作物生產(chǎn)直接水足跡常被視為加工食品間接水足跡的重要部分。RIDOUTT等[18]對瑪氏公司巧克力和甜面醬的生命周期水足跡進行研究，量化系統(tǒng)邊界包含了原料田間生產(chǎn)、工廠加工、產(chǎn)品包裝、銷售和運輸、食用整個產(chǎn)業(yè)鏈，研究結果表明原料田間生產(chǎn)階段水足跡占兩個產(chǎn)品總水足跡的比例均在95%以上。RUINI等[19]考慮原料的跨國貿易，計算了Barilla公司生產(chǎn)的意大利面的水足跡，研究結果表明由于生產(chǎn)地及其環(huán)境狀況、農(nóng)業(yè)技術等方面的差異，其水足跡也呈現(xiàn)差異。除了以上產(chǎn)品，考慮供應鏈的加工產(chǎn)品水足跡研究還集中于乳制產(chǎn)品[20]和棉質產(chǎn)品[21]，而針對中國農(nóng)作物加工產(chǎn)品生產(chǎn)供應鏈各環(huán)節(jié)耗水特征以及區(qū)域差異還需進一步研究。

本文基于水足跡國際標準量化框架[22]，結合生命周期法，嘗試構建考慮生產(chǎn)資料及其上游產(chǎn)品完整供應鏈、國際和國內貿易的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡量化框架。并以中國大陸30個省(不含海南省)為研究空間單元，對供應鏈視角小麥及其初加工產(chǎn)品面粉和麥麩生產(chǎn)水足跡進行量化，解析其耗水特征以及空間分布特點。以厘清區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水投入之間的聯(lián)系，為緩解區(qū)域水資源短缺和解決不同用水部門之間供需矛盾提供一定方法和數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)邊界

產(chǎn)品水足跡指生產(chǎn)某產(chǎn)品各個階段直接或間接消耗的所有淡水資源[22]。一個完整的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)耗水環(huán)節(jié)包括作物在田間種植的直接水消耗、生產(chǎn)供應鏈中生產(chǎn)資料投入的間接水消耗。所需要的生產(chǎn)資料投入包括種子、氮肥(N)、磷肥(P2O5)、鉀肥(K2O)、農(nóng)藥、柴油和電力。圖1為供應鏈視角小麥及其初加工產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡量化系統(tǒng)邊界。

1.2 小麥生產(chǎn)水足跡計算

作物生產(chǎn)水足跡由直接水足跡和間接水足跡組成。直接水足跡為作物田間生產(chǎn)水足跡，包括藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡，本研究中藍水足跡和綠水足跡的量化采用基于AquaCrop模型[23-24]的柵格尺度作物生產(chǎn)水足跡計算方法[25]，分別由單位產(chǎn)量作物生育期騰發(fā)量中藍水量和綠水量表示[22]?；宜阚E指為吸收農(nóng)田中因化肥和農(nóng)藥施用過程中因淋溶等作用而進入水體的水量。本研究中考慮了氮肥和磷肥施用過程中氮和磷的影響，計算方法采用水足跡網(wǎng)絡提出的方法進行量化[22]。

間接水足跡為作物生產(chǎn)供應鏈中各種生產(chǎn)資料投入產(chǎn)品(包括農(nóng)產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品)水足跡之和，各生產(chǎn)資料投入產(chǎn)品水足跡為各產(chǎn)品單位消費水足跡(采用消費水足跡進行計算，是考慮到生產(chǎn)資料產(chǎn)品由于區(qū)域貿易其產(chǎn)地和消費地多存在空間上的不匹配)和消耗量的乘積，計算式為

(1)

式中IWF——供應鏈視角下作物生產(chǎn)間接水足跡，m3/t

SWFcons,t——第t類生產(chǎn)資料消費水足跡，m3/t

t——生產(chǎn)資料，表示的7類生產(chǎn)資料分別為種子、氮肥、磷肥、鉀肥、農(nóng)藥、柴油和電力

At——單位作物生產(chǎn)過程中第t類生產(chǎn)資料的消耗量，t/t

本研究中投入的農(nóng)產(chǎn)品為種子，由于計算為初始計算，種子水足跡采用2015年作物田間生產(chǎn)水足跡進行計算，故只需對工業(yè)產(chǎn)品消費水足跡進行計算。

1.2.1產(chǎn)品消費水足跡計算

產(chǎn)品消費水足跡SWFcons(m3/t)按照水資源的來源地不同可劃分為本地生產(chǎn)水足跡SWFprod(m3/t)、省際進口水足跡SWFpe(m3/t)和國際進口水足跡SWFce(m3/t)，計算式為

SWFcons=SWFprod+SWFpe+SWFce

(2)

省份i的產(chǎn)品消費水足跡的計算需要結合本省產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡、出口地區(qū)產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡、運輸水足跡(運輸過程中燃料水足跡和直接藍水足跡)和區(qū)域貿易量進行計算，計算式為

(3)

式中SWFcons,i——省份i產(chǎn)品的消費水足跡，m3/t

SWF,i、SWF,j、SWF,ce——省份i、出口省份j、國外產(chǎn)品的生產(chǎn)水足跡，m3/t，SWF，ce取全球平均值

Pi——省份i產(chǎn)品的產(chǎn)量，t

Ipe,j——來自j省的凈進口量，t

Ice——來自國際凈進口量，t

lij、lce——省際運距、國際運距，km，lce取全球平均值

dw——省際運輸時單位產(chǎn)品運輸1 km消耗的水量，m3/km

SWFcons[E],j——省際運輸中出口省份j的燃料消費水足跡，m3/t

te——單位產(chǎn)品省際運輸1 km消耗的能源量，t/(t·km)

SWFcons[E]，ce——國際運輸?shù)娜剂舷M水足跡，采用柴油進行計算，m3/t，采用全球平均值計算

tE——國際運輸中單位產(chǎn)品運輸1 km消耗的燃料量，t/(t·km)

綜上所述，只需對各生產(chǎn)資料產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡及其區(qū)域貿易數(shù)據(jù)進行計算。此外，能源產(chǎn)品作為燃料水足跡的來源，應首先對能源產(chǎn)品生產(chǎn)和消費水足跡進行計算，能源產(chǎn)品消費水足跡計算同樣采用式(3)進行計算，其中SWFcons[E],j和SWFcons[E],ce均采用出口地的生產(chǎn)水足跡進行計算。

1.2.2產(chǎn)品區(qū)域貿易數(shù)據(jù)計算

能源產(chǎn)品即煤、石油、天然氣和電力。能源產(chǎn)品國際和省際貿易數(shù)據(jù)來源于《中國能源統(tǒng)計年鑒》[26]和文獻[27]。其他生產(chǎn)資料產(chǎn)品省際貿易數(shù)據(jù)則采用最短距離法[28-29]進行量化：基于各省每年各產(chǎn)品的供需平衡，同時考慮國際與國內各省之間產(chǎn)品流通，以運輸距離最短為約束條件，利用線性規(guī)劃方法得到相應的省際間產(chǎn)品流通量。約束條件為

(4)

式中Tij——i省運輸?shù)絡省的某一產(chǎn)品貿易量，t

lij——單位產(chǎn)品從i省運輸?shù)絡省的距離，km/t

L——運輸總距離，km

Si——i省產(chǎn)品可流出量，t

Dj——j省的產(chǎn)品需流入量，t

1.2.3作物生產(chǎn)供應鏈工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡計算

作物生產(chǎn)供應鏈工業(yè)產(chǎn)品水足跡包括直接水足跡和間接水足跡。直接水足跡指工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中新鮮水消耗和稀釋污染物所需的水量。間接水足跡指工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)供應鏈中投入產(chǎn)品的水足跡，采用消耗的物料量乘以其對應的單位質量產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡。當投入產(chǎn)品生產(chǎn)地和消費地存在嚴重不匹配時采用產(chǎn)品的消費水足跡(如能源產(chǎn)品、合成氨、磷礦、硫鐵礦、硫磺)進行計算。因此，工業(yè)產(chǎn)品的水足跡量化需要其生產(chǎn)過程中的物料消耗清單，并對其中每個投入產(chǎn)品水足跡進行量化，可能存在多個上游產(chǎn)品，依次進行溯源。

圖2為作物生產(chǎn)供應鏈上工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡量化系統(tǒng)邊界。工業(yè)產(chǎn)品供應鏈上游均為能源投入，故工業(yè)產(chǎn)品的水足跡量化以能源產(chǎn)品水足跡為基礎，自上而下進行計算。工業(yè)產(chǎn)品水足跡僅包括藍水足跡和灰水足跡。工業(yè)產(chǎn)品灰水足跡的核算采用國際標準量化框架的方法進行計算[22]。各省原煤和天然氣產(chǎn)品生產(chǎn)藍水足跡來自于文獻[27]，而灰水足跡則采用DING等[30]的全國平均值。原油產(chǎn)品水足跡數(shù)據(jù)結合文獻[27，30]的開采和加工數(shù)據(jù)，然后按照經(jīng)濟價值比例進行計算得到柴油水足跡。表1為作物生產(chǎn)工業(yè)投入產(chǎn)品及其上游產(chǎn)品的物料消耗清單及數(shù)據(jù)來源。

表1 作物生產(chǎn)工業(yè)投入產(chǎn)品及其上游產(chǎn)品物料消耗清單及數(shù)據(jù)來源Tab.1 Inventory and data sources of material consumption related to production of industrial products

1.3 小麥初加工產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡計算

對于小麥初加工產(chǎn)品而言，直接水足跡為生產(chǎn)加工用水，間接水足跡為原糧小麥和電力投入的水消耗。由于小麥加工過程為多投入多產(chǎn)出的生產(chǎn)系統(tǒng)，面粉和麥麩生產(chǎn)水足跡還需要根據(jù)各自的經(jīng)濟價值進行分配，計算式為

(5)

(6)

式中SWF[fl]、SWF[br]——供應鏈視角下面粉、麥麩生產(chǎn)水足跡，m3/t

SWF[w]——供應鏈視角下小麥生產(chǎn)水足跡，m3/t

fv[fl]、fp[fl]——供應鏈視角下面粉價值比率、產(chǎn)品比率，數(shù)據(jù)來源于文獻[8]

fv[br]、fp[br]——供應鏈視角下麥麩價值比率、產(chǎn)品比率，數(shù)據(jù)來源于文獻[8]

SWFcons[el]——供應鏈視角下電力消費水足跡，m3/t

Wproc——小麥加工過程中的用水量，m3/t

1.4 數(shù)據(jù)來源

本文所需氣象數(shù)據(jù)(日平均降雨量、日平均最高溫度和日平均最低溫度等)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)。全國各省作物播種面積和產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒2017》。土壤類型和含水率數(shù)據(jù)分別來自ISRIC土壤地形數(shù)據(jù)庫[37]。作物生產(chǎn)中種子、N、P2O5、K2O、農(nóng)藥和電力消耗量均來自《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編2017》，缺失省份數(shù)據(jù)由鄰近省份值代替。其中農(nóng)藥和電力消耗量根據(jù)《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編2017》中投入費用與價格換算得到，其中電力消耗主要考慮排灌費。所需產(chǎn)品價格數(shù)據(jù)來源于中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)(http:∥www.chyxx.com/data/)。作物生產(chǎn)柴油消耗數(shù)據(jù)來源于文獻[38]。國際貿易運輸距離數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)站(https:∥sea-distances.org)，國內運輸距離通過ArcGIS軟件識別最短距離。運輸水足跡相關數(shù)據(jù)來源于文獻[39]。與作物生產(chǎn)相關的工業(yè)產(chǎn)品省際貿易流動模擬所需的國際進出口數(shù)據(jù)以及省際間產(chǎn)量和消費量數(shù)據(jù)均來自《中國統(tǒng)計年鑒2017》、中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)(http:∥www.chyxx.com/data/)和《中國化學工業(yè)年鑒2016》。

2 結果與分析

2.1 小麥原糧生產(chǎn)水足跡

2016年供應鏈視角下小麥生產(chǎn)水足跡全國平均值為4 869 m3/t，灰水足跡占比77%，綠水足跡占比14%，與生產(chǎn)資料相關的間接水足跡占比為6%。區(qū)域間小麥生產(chǎn)水足跡及其構成存在較大差異(圖3)。其中水足跡低值區(qū)集中于華北、黃淮海和東北等北方地區(qū)，高值區(qū)分布在東南和華南等南方地區(qū)。就水足跡構成而言，省際間小麥間接藍水足跡在總藍水足跡中的貢獻率較大，在4%～25%之間，其中有9個省份間接藍水足跡占比超過10%，最高值出現(xiàn)在福建省。考慮到較大的直接水足跡和灰水足跡份額，作物生產(chǎn)水足跡在區(qū)域間的差異受區(qū)域單位面積的化肥施用強度影響較大。此外，全國不同的氣候條件、水資源稟賦、灌溉條件、農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)條件也將影響區(qū)域藍水足跡和綠水足跡的分布。

在小麥間接水足跡各組分中，農(nóng)產(chǎn)品(種子)水足跡占比最大，工業(yè)產(chǎn)品水足跡占比較低。全國平均藍水足跡和灰水足跡貢獻率分別為13%和5%。然而，當具體到省級尺度時則存在較大差異。安徽省工業(yè)產(chǎn)品藍水足跡對小麥間接藍水足跡的貢獻率可達42%(圖4)。此外，各工業(yè)產(chǎn)品水足跡所占比例在省際間也存在差異。具體而言，北方地區(qū)工業(yè)產(chǎn)品藍水足跡以氮肥、磷肥和電力為主，南方地區(qū)則以氮肥、磷肥和農(nóng)藥為主。工業(yè)產(chǎn)品灰水足跡則以氮肥和磷肥為主，多數(shù)區(qū)域二者貢獻率超90%。在多種工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)資料中，氮肥和磷肥擁有較大的水足跡份額主要是由于擁有較高的生產(chǎn)水足跡(全國平均水足跡分別為254 m3/t和141 m3/t)和較高的消耗量。

由于作物生產(chǎn)供應鏈端各生產(chǎn)資料投入產(chǎn)品及其上游產(chǎn)品來源于密集的區(qū)域間物流，故作物生產(chǎn)水足跡中有部分水消耗并非來源于本地水資源。2016年中國小麥生產(chǎn)藍水足跡中外部水足跡在0.2～11.0 m3/t之間，省際進口水足跡的高值區(qū)主要集中在工業(yè)化程度較低的西北地區(qū)和經(jīng)濟發(fā)達的東南沿海城市，這些地區(qū)工業(yè)產(chǎn)品消費主要依靠省際進口(表2)。國際進口水足跡主要集中于北京、天津港口城市及其附近城市(表2)。

2.2 小麥初加工產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡

2016年小麥面粉和麥麩生產(chǎn)水足跡全國平均值分別為3 781 m3/t和11 037 m3/t，灰水足跡占比均為77%，直接水足跡均小于4 m3/t，水分消耗主要以生產(chǎn)資料投入的間接水足跡為主，占比近100%。此外，面粉和麥麩生產(chǎn)水足跡及其組成在省際間也呈現(xiàn)較大差異，分別在2 131～10 763 m3/t和6 220～31 420 m3/t之間(圖5)。受間接水足跡貢獻較大影響，面粉和麥麩水足跡空間分布同小麥水足跡一致，高值區(qū)均分布于南方地區(qū)。就水資源來源地而言，面粉和麥麩生產(chǎn)耗水也主要以本地水資源為主，省級和國際進口水足跡較低，分別為0.2～8.5 m3/t和0.5～24.9 m3/t(表3)，高值區(qū)同小麥一樣分布于西北和沿海港口城市。

3 討論

本研究通過構建供應鏈視角下農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡量化方法，并以中國大陸30個省小麥為研究對象，分析了供應鏈視角下小麥及其加工產(chǎn)品耗水特征及其空間分布特點。研究發(fā)現(xiàn)2016年供應鏈視角下小麥生產(chǎn)總水足跡主要以直接水足跡為主，間接水足跡整體較低，但是在區(qū)域間卻存在較大差異，比如福建省小麥生產(chǎn)間接藍水足跡占比可達25%。此外，由于生產(chǎn)資料的區(qū)域貿易，作物生產(chǎn)除了消耗和污染本地的水資源外，也會消耗和污染其他省份和國外的水資源。因此本文認為生產(chǎn)資料的間接水足跡不應該被忽視，并且提高農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的用水效率不僅是農(nóng)民和農(nóng)業(yè)管理部門的責任。在耗水強度最大的農(nóng)田生產(chǎn)階段，今后應繼續(xù)推廣節(jié)水灌溉技術和提高雨水利用效率，提高農(nóng)業(yè)水分利用效率?？紤]到小麥水足跡中較大的灰水足跡占比，各地區(qū)均應采取措施控制施肥量，在保證糧食產(chǎn)量的前提下提高肥料利用效率。與此同時，負責化肥、農(nóng)藥產(chǎn)品以及能源產(chǎn)品原材料供應和加工制造的上游合作伙伴也應重視用水效率的提高。加強不同部門的合作，尤其是化工產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)的水資源管理合作是有必要的。例如，優(yōu)化供應鏈結構，依靠當?shù)毓湹漠a(chǎn)品需要改善生產(chǎn)工藝，提高資源能源利用效率；對于進口產(chǎn)品，可通過優(yōu)先從生產(chǎn)效率較高的地區(qū)進口生產(chǎn)資料，實現(xiàn)貿易結構優(yōu)化。

表3 供應鏈視角下小麥面粉和麥麩生產(chǎn)藍水足跡Tab.3 Blue water footprint of wheat flour and wheat bran production m3/t

本文中中國小麥生產(chǎn)藍、綠、灰水足跡分別為446、666、3 756 m3/t，與MEKONNEN等[8]所得中國1996—2005年小麥平均生產(chǎn)藍水足跡(471 m3/t)和綠水足跡(830 m3/t)相比，本研究中小麥藍、綠水足跡明顯較低，這主要是由于量化時間尺度的差異。多數(shù)研究表明中國不同區(qū)域水足跡估計值在長時間序列中均呈現(xiàn)下降趨勢[9]。在相近的研究時段里，本文研究的藍、綠水足跡均高于ZHANG等[40]計算的中國2011年小麥藍水足跡(239 m3/t)和綠水足跡(392 m3/t)，這和本研究擁有較廣的量化系統(tǒng)邊界有關。本研究考慮了包含種子、肥料、農(nóng)藥和能源投入在內的生產(chǎn)資料間接水足跡。此外，本研究灰水足跡遠高于MEKONNEN等[8]所得的估計值(315 m3/t)，這主要歸結于：①較高的供應鏈灰水足跡，本文考慮了生產(chǎn)資料在整個生命周期過程中造成的間接水污染，MEKONNEN等[8]只考慮氮肥施用過程中造成的污染。②本文的污染物的最大允許濃度和自然本底濃度之差采用了更嚴格的假設值(0.8 mg/L)，而MEKONNEN等[8]為10 mg/L。

4 結束語

構建了供應鏈視角下農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡計算方法，并應用于中國省級尺度原糧小麥及其初加工產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡量化。結果表明：供應鏈視角下全國平均小麥生產(chǎn)水足跡為4 869 m3/t，其中，生產(chǎn)資料的間接水足跡占比為6%；面粉和麥麩生產(chǎn)水足跡分別為3 781 m3/t和11 037 m3/t。小麥及其初級加工產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡的大小與構成存在顯著空間異質性，福建省小麥生產(chǎn)間接藍水足跡占比可達25%。研究結果可為全面解析區(qū)域間農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水投入內在聯(lián)系、制定合理的配水方案以及落實“以水定產(chǎn)”戰(zhàn)略提供一定科學依據(jù)。