水足跡及其在畜禽業(yè)的應(yīng)用前景

歐陽佚亭，陳天寶，2*，付 敏，賴靖雯，陳 敏，曾洪良

(1.四川省畜牧科學(xué)研究院，四川 成都 610066；2.動物遺傳育種四川省重點實驗室，四川 成都 610066)

我國擁有豐富的淡水資源，可利用的淡水資源在世界各國中位列第六，但作為世界第一人口大國，我國人均可利用淡水資源量卻僅占到世界平均水平的1/4。此外，在城市化和全球氣候變化背景下，隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展及居民生活消費水平的不斷提高，我國水資源消耗總量也在不斷增加。根據(jù)《2019年中國水資源公報》，我國2019年用水總量為6021.2億m3，其中農(nóng)業(yè)用水量最大，占用水總量的61.16%，并且我國已有8個省的人均水資源量低于國際公認的極度缺水標準人均水資源500m3[1]。

水資源是人類生存和社會發(fā)展的重要資源，水資源短缺也已成為我國乃至全球許多國家實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標進程中亟待解決的重要問題。為了研究產(chǎn)品生產(chǎn)過程的水資源消耗及產(chǎn)品貿(mào)易中水資源轉(zhuǎn)移問題，Allen于1993年提出的虛擬水理論。虛擬水是通過商品貿(mào)易實現(xiàn)的，一般情況下認為缺水國家可以通過商品中的虛擬水貿(mào)易來緩解水資源壓力。在以減輕水資源短缺和水體污染等問題的研究中，Arjen Y. Hoekstra以虛擬水概念為基礎(chǔ)，進一步提出了水足跡理論。水足跡囊括了產(chǎn)品的整個供應(yīng)鏈，從產(chǎn)品生產(chǎn)者和產(chǎn)品消費者兩個角度，量化了生產(chǎn)消費等人類活動的水資源消耗。近年來關(guān)于水足跡的研究較多，學(xué)者們以個人、家庭、行業(yè)、部門和國家等為單位，量化農(nóng)業(yè)、畜牧、工業(yè)等部門或產(chǎn)品生產(chǎn)、貿(mào)易等方面的水足跡，為緩解水資源壓力、平衡空間水資源分配和提高用水效率提供依據(jù)和指導(dǎo)。

本文介紹了水足跡理論的基本概況，綜述了關(guān)于國內(nèi)外學(xué)者在農(nóng)產(chǎn)品和畜禽產(chǎn)品等方面水足跡研究的相關(guān)進展，并展望了畜禽產(chǎn)品和畜禽養(yǎng)殖水足跡評價的應(yīng)用前景。

1 水足跡概述

Arjen Y. Hoekstra基于Allen的虛擬水理論，在2002年12月荷蘭的虛擬水貿(mào)易國際專家會議上提出了水足跡這一概念。Hoekstra及Chapagain將其定義為用于量化任何人口單位(國家、地區(qū)或個人)內(nèi)提供產(chǎn)品生產(chǎn)、服務(wù)、運輸過程中所消耗的水資源總量[2]。與傳統(tǒng)的水資源管理相比，水足跡從產(chǎn)品生產(chǎn)和消費服務(wù)的角度，更加全面綜合地量化了某一區(qū)域內(nèi)水資源的消耗、可持續(xù)利用及短缺情況，更利于制定合理良好的水資源管理政策。此外，為了合理指導(dǎo)和管理水資源，緩解日益嚴重的水資源短缺和水體污染問題，水足跡評價在虛擬水貿(mào)易、農(nóng)作物水足跡評價和基于灰水足跡的流域污染程度評價等領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。

水足跡按照水資源類型分為綠水足跡、藍水足跡和灰水足跡三種量化結(jié)果。其中，綠水足跡代表在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被作物蒸發(fā)或吸收和從土壤中蒸發(fā)的雨水，可根據(jù)蒸發(fā)量、有效降雨量進行計算；藍水足跡代表生產(chǎn)中地下水、地表水的消耗量，可采用投入-產(chǎn)出方法進行計算；灰水足跡代表以現(xiàn)行水環(huán)境質(zhì)量標準為基準，稀釋污染物至水環(huán)境標準以下所消耗的淡水量[2]。水足跡評價主要有自上而下法、自下而上法、生命周期評價和投入-產(chǎn)出模型四種計算方法，以上方法分別基于生產(chǎn)者、消費者、產(chǎn)品的全生命周期和投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)進行水足跡評價，從不同角度量化了人類活動消耗的水資源量。

水足跡評價的目標旨在緩解水資源壓力問題，從個人、區(qū)域、國家層面水足跡評價揭示了人類生產(chǎn)消費活動的水資源消耗與水資源緊缺間的關(guān)系，為科學(xué)制定水資源管理政策，保證水資源可持續(xù)利用提供依據(jù)。

2 水足跡研究現(xiàn)狀

2.1 農(nóng)產(chǎn)品水足跡研究現(xiàn)狀

農(nóng)產(chǎn)品的剛性需求隨著人口數(shù)量不斷增加而增加，并且農(nóng)業(yè)耗水量約占全球的70%[3]，而作為水資源消費指標的水足跡可以程序化方式量化農(nóng)產(chǎn)品淡水資源消耗情況，因此，許多研究也集中于農(nóng)產(chǎn)品水足跡評價。

首先，Chapagain等人[4]通過估算棉花種植及加工過程中的綠水足跡、藍水足跡和灰水足跡，對全球棉花消費水足跡進行了評價，結(jié)果表明1997～2001年全球棉花產(chǎn)品每年需消耗水資源量為2.56×109m3，占全球用水量的2.6%，并且約五分之一棉花消費的水足跡與污染有關(guān)。隨后，Chapagain等人[5]擴大了研究范圍至農(nóng)作物大棚和田間種植，量化了西紅柿種植水足跡。Mekonnen等人[6]基于Hoekstra和Chapagain的計算框架，估算了全球小麥生產(chǎn)及消費過程中的藍、綠、灰水足跡和與小麥貿(mào)易相關(guān)的虛擬水，其中約18%的水足跡與小麥產(chǎn)品出口相關(guān)，全球小麥產(chǎn)量前26的國家占全球小麥虛擬水出口的94%左右。Aldaya[7]通過量化國際貿(mào)易中小麥、玉米和大豆的綠水，評價了國際商品貿(mào)易中綠水的戰(zhàn)略重要性。Gerbens[8]則估算了生物乙醇水足跡。Liu[9]認為，隨著人口增長和經(jīng)濟發(fā)展，農(nóng)業(yè)面臨著實現(xiàn)糧食低耗水高產(chǎn)量的挑戰(zhàn)，因此基于水足跡的生產(chǎn)效率對揭示水資源與糧食生產(chǎn)間的關(guān)系至關(guān)重要。此外，Hoekstra和Chapagain量化了全球農(nóng)產(chǎn)品水足跡，并建立數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)水足跡評價工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 畜禽產(chǎn)品水足跡研究現(xiàn)狀

國際食品貿(mào)易意味著國際間的虛擬水貿(mào)易，在2003年，Chapagain和 Hoekstra[10]量化了全球各類畜禽及畜禽產(chǎn)品的虛擬水，并評估了與畜禽及畜產(chǎn)品的國際貿(mào)易相關(guān)的虛擬水流，但研究仍存在一些不足，由于缺乏數(shù)據(jù)，缺失的數(shù)據(jù)只能通過假設(shè)和最佳估計來替代。同時，此研究還指出畜牧部門普遍存在缺少定量數(shù)據(jù)的問題。Mekonnen等人[11]估算了放牧、混合和規(guī)?；?種養(yǎng)殖模式下八類畜禽的水足跡。研究表明，世界農(nóng)業(yè)部門29%的水資源與畜禽產(chǎn)品有關(guān)，而畜禽飼料轉(zhuǎn)化率不高是畜禽產(chǎn)品水足跡相對于營養(yǎng)價值相當?shù)淖魑锂a(chǎn)品水足跡偏大的主要原因。此外，此研究也為進一步探究畜禽產(chǎn)品造成水資源壓力的因素提供了大量數(shù)據(jù)。Gerbens-Leenes等人[12]基于Mekonnen和Hoekstra之前的研究數(shù)據(jù)，進一步分析了中國、巴西、美國和新西蘭不同畜禽養(yǎng)殖模式中禽肉、豬肉和牛肉的水足跡。結(jié)果顯示，禽肉、豬肉和牛肉水足跡主要由動物飼料決定，其中飼料轉(zhuǎn)化率、飼料成分和飼料來源是禽肉、豬肉和牛肉水足跡的主要驅(qū)動因素。之后，Mekonnen等人[13]還估算了1960～2016年間美國畜禽產(chǎn)品水足跡的變化和畜禽產(chǎn)品的水生產(chǎn)力。Zonderland[14]則采用生命周期方法估算了新西蘭牛、羊養(yǎng)殖水足跡和牛飼料綠水足跡。此外，各國學(xué)者也從國家尺度對畜禽產(chǎn)品進行水足跡評價。

我國學(xué)者主要從空間尺度對水足跡進行研究。龍愛華等人[15]核算了甘肅省虛擬水消費，也針對豬肉、牛肉和羊肉等畜禽產(chǎn)品的虛擬水進行了量化，但畜禽產(chǎn)品虛擬水數(shù)據(jù)使用的是國際研究中對中國動物產(chǎn)品的估算值。北京市水足跡研究中，王艷陽等人[16]運用行業(yè)部門投入-產(chǎn)出方法核算了北京市36個行業(yè)消費品虛擬水量，其中農(nóng)業(yè)位列各行業(yè)的第二位，并且研究顯示農(nóng)業(yè)產(chǎn)品虛擬水消費和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)耗水對虛擬水消耗影響較大，可通過優(yōu)化膳食結(jié)構(gòu)和改進生產(chǎn)技術(shù)來節(jié)約用水。此外，我國學(xué)者對居民食物消費及浪費的水足跡進行了大量研究，其中包含了對畜禽產(chǎn)品的水足跡核算。吳燕等人[17]按照糧食、蔬菜、動物油、豬牛羊肉和蛋類等食物消費分類分析了北京市居民食物消費水足跡，畜禽產(chǎn)品中肉類油脂類和奶及奶制品占食物消費總水足跡的56.74%，可見畜禽產(chǎn)品消費對水足跡貢獻較大。郜肖冰[18]量化了我國8～80歲居民食物消費的水足跡，并依據(jù)《中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量》對我國居民膳食結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。研究結(jié)果顯示，雖然我國居民豬肉、牛肉和羊肉的消費量占食物消費總量比重小，但其對食物消費水足跡貢獻率為38%～44%，優(yōu)化后的膳食結(jié)構(gòu)減少了畜禽產(chǎn)品的食物源消費，這減少環(huán)境資源消耗的同時也保證了飲食結(jié)構(gòu)的合理性。

3 水足跡在畜禽業(yè)的應(yīng)用前景

隨著我國畜牧業(yè)實現(xiàn)快速發(fā)展，畜禽產(chǎn)品總產(chǎn)量大幅增長，畜牧產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在我國農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值中的比重也大幅提高。畜牧業(yè)養(yǎng)殖模式也由經(jīng)營分散、飼養(yǎng)量小的農(nóng)戶散養(yǎng)逐漸向集約化、飼養(yǎng)量大的規(guī)模養(yǎng)殖場轉(zhuǎn)變，雖然規(guī)模化養(yǎng)殖模式推動了我國畜牧業(yè)現(xiàn)代化進程，但是也導(dǎo)致了我國畜禽糞便、養(yǎng)殖污水排放量增加。在水資源短缺背景下，不斷增長的畜禽產(chǎn)品需求和畜禽養(yǎng)殖規(guī)模擴大帶來的水資源消耗大和污水排放量大等環(huán)境問題也日益突出。尤其是我國一些省份畜禽養(yǎng)殖排泄量占比大，單位耕地面積畜禽承載負荷大，因此，畜禽養(yǎng)殖需考慮環(huán)境承載力進行合理配置與布局[19-20]。

目前，雖然我國有一些學(xué)者開展了畜禽產(chǎn)品及畜禽養(yǎng)殖水足跡研究，但是國內(nèi)相關(guān)研究仍然較少，缺少針對畜禽業(yè)系統(tǒng)的直接和間接水足跡評價研究。而且我國幅員遼闊，不同區(qū)域養(yǎng)殖模式、飼料成分、氣候和地形地貌等因素的差異都會影響畜禽產(chǎn)品和畜禽養(yǎng)殖水足跡評價結(jié)果，我國多數(shù)學(xué)者的研究是基于國際研究的水足跡估算值進行水足跡評價，缺少針對我國各地區(qū)不同養(yǎng)殖情況的畜禽產(chǎn)品水足跡核算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，許多研究也顯示，在我國食物浪費和食物消費過程中，畜禽產(chǎn)品水足跡占食物浪費和食物消費比重較大[18]。因此，從區(qū)域小空間尺度核算我國畜禽產(chǎn)品和畜禽養(yǎng)殖水足跡，進一步提高水足跡核算結(jié)果的針對性和準確性，為降低畜禽業(yè)潛在水資源消耗、優(yōu)化養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)和制定合理的政策提供數(shù)據(jù)依據(jù)。