基于水足跡的漯河市農(nóng)業(yè)水資源空間特征分析

李志芳，沈新磊，王 銳

（1.河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.漯河市土壤肥料站，河南 漯河 462300）

中國(guó)水資源利用面臨著嚴(yán)重的供需矛盾，水資源問(wèn)題已成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展的重要制約因素，面臨著嚴(yán)重的水資源短缺和供需矛盾。農(nóng)業(yè)用水在水資源消耗中的占比高達(dá)70%［1］，雖然近年來(lái)有所下降，但農(nóng)業(yè)耗水在水資源消耗中占比仍然較大。

Hoekstra［2，3］提出了“水足跡”的概念，之后這種在整個(gè)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中考慮用水的觀點(diǎn)引起了極大的關(guān)注。一種產(chǎn)品的水足跡是指用于生產(chǎn)該產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)供應(yīng)鏈中的用水量之和，包括綠水足跡、藍(lán)水足跡、灰水足跡。綠水足跡是指對(duì)綠水（不會(huì)成為徑流的雨水）資源的消耗，與農(nóng)業(yè)和林業(yè)產(chǎn)品（作物產(chǎn)品或林木產(chǎn)品）密切相關(guān)。農(nóng)業(yè)消耗的綠水可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式或采用合適的模擬作物蒸散發(fā)模型進(jìn)行測(cè)量或評(píng)價(jià)。這些模型往往以氣候、土壤或作物特征為基本輸入數(shù)據(jù)。藍(lán)水足跡是指產(chǎn)品在其供應(yīng)鏈中對(duì)藍(lán)水（地表水和地下水）資源的消耗，消耗是指流域內(nèi)可利用的地表水和地下水的損失，當(dāng)水蒸發(fā)、回流到流域外、匯入大海或納入到產(chǎn)品中時(shí)，便產(chǎn)生了水的損失?？梢垣@得的有關(guān)農(nóng)業(yè)藍(lán)水消耗的統(tǒng)計(jì)僅有灌溉取水量，而非藍(lán)水消耗量。測(cè)量實(shí)地水蒸散發(fā)的工作量很大，即使測(cè)量了總蒸散發(fā)，也需要計(jì)算屬于藍(lán)水的比例。因此一般采用以氣候、土壤、作物特征和實(shí)際灌溉量等為輸入數(shù)據(jù)的水平衡模型?；宜阚E是與污染有關(guān)的指標(biāo)，定義為以自然本底濃度和現(xiàn)有的環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，將一定的污染物負(fù)荷吸收同化所需淡水的體積。

水足跡是一種對(duì)水資源占用的綜合表征，有別于作用有限的傳統(tǒng)取水指標(biāo)［4］。農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中最主要的耗水產(chǎn)業(yè)，水足跡作為用水評(píng)價(jià)指標(biāo)為研究農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用提供了新思路［5］。農(nóng)業(yè)水足跡概念的提出，改變了過(guò)去僅采用農(nóng)田灌溉用水量衡量農(nóng)業(yè)對(duì)水資源消耗的傳統(tǒng)模式，拓寬了農(nóng)業(yè)水資源管理范疇［6］。王圣云等［7］將水足跡和灰水足跡指標(biāo)納入農(nóng)業(yè)生態(tài)效率指標(biāo)體系，分析了中國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)效率空間演化特征及驅(qū)動(dòng)因素；徐依婷等［8］基于水足跡方法構(gòu)建糧食生產(chǎn)水資源匹配指數(shù)，從用水總量、來(lái)源結(jié)構(gòu)和糧水匹配關(guān)系3 個(gè)角度分析糧食生產(chǎn)用水的動(dòng)態(tài)演變特征；樊慧麗等［9］從水足跡視角出發(fā)，運(yùn)用水土資源匹配系數(shù)法深入分析長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶不同區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源匹配情況，探討了區(qū)域水土資源匹配度對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的影響。

基于水足跡理論，從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綠水足跡、藍(lán)水足跡、灰水足跡角度分別計(jì)算主要作物耗水量，分析漯河市水資源消耗空間分布特征，尋求水資源可持續(xù)利用路徑。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

漯河市位于河南省中南部，轄郾城、源匯、召陵3 區(qū)和臨潁、舞陽(yáng) 2 縣。東經(jīng) 113°27′—114°16′，北緯33°24′—33°59′，地處伏牛山東麓平原與淮北平原交錯(cuò)地帶，地勢(shì)大致由西北向東南微傾，海拔高度為50～102 m，地勢(shì)低平，境內(nèi)河流為淮河流域沙潁河水系。屬暖濕性季風(fēng)氣候，四季分明，多年平均氣溫14.6 ℃，無(wú)霜期為216～225 d，日照時(shí)數(shù)2 187～2 359 h，年均降水量749.2～845.2 mm，主要集中在7—9 月。土壤質(zhì)地以壤質(zhì)為主，肥力水平相對(duì)較高，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)條件好。土地利用類(lèi)型以耕地為主，面積為18.92×104hm2，占全市土地總面積的70.25%。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)；作物參數(shù)來(lái)源于漯河市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局；漯河市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積、人口數(shù)量、作物播種面積、作物產(chǎn)量、氮肥及磷肥施用量來(lái)源于《漯河市統(tǒng)計(jì)年鑒（2017—2019 年）》；灌溉用水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于《漯河市水資源公報(bào)（2017—2019 年）》。

2 研究方法

利用CROPWAT 模型中的灌溉制度法計(jì)算漯河市主要作物冬小麥、夏玉米的蒸散發(fā)量，得到作物生產(chǎn)綠水足跡、藍(lán)水足跡。作物生產(chǎn)總水足跡（WF）是其綠水、藍(lán)水和灰水足跡之和。

式中，作物生產(chǎn)綠水足跡（WFgreen，m3/t）等于作物耗水中的綠水量（CWUgreen，m3/hm2）除以作物產(chǎn)量（Y，t/hm2）；藍(lán)水足跡的計(jì)算也類(lèi)似。

一種作物過(guò)程水足跡的灰水組分等于進(jìn)入水系統(tǒng)污染物的量除以環(huán)境水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的該污染物濃度（即最高容許濃度cmax）與該污染物在排入水體中自然本底濃度（cnat）的差值。作物生產(chǎn)灰水足跡（WFgrey，m3/t）計(jì)算公式如下。

式中，α 為淋溶率（即進(jìn)入水體的污染量占總化學(xué)物質(zhì)施用量的比例），通常根據(jù)田間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得，本研究借鑒他人的成果［10］，取化肥的淋溶率為10%；AR為每公頃土地的化肥施用量（kg/hm2）；cmax為污染物在水體中的最大容許濃度，取《河南省轄海河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（DB41777—2013）》中的氮、磷含量作為最大容許濃度，分別為15、0.8 mg/L；cnat為污染物在水體中的自然本底濃度，由于不同時(shí)期地表水體氮、磷元素含量不同，假定灰水足跡最大，氮、磷元素含量為零；Y為作物產(chǎn)量（t/hm2）。

3 結(jié)果與分析

3.1 漯河市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡

在CROPWAT 模型中運(yùn)用灌溉制度法，計(jì)算漯河市主要作物冬小麥、夏玉米的蒸散發(fā)量，得到作物生長(zhǎng)耗水中的綠水量、藍(lán)水量，其中冬小麥CWUgreen值為 2 328.4 m3/hm2，CWUblue值為 1 883 m3/hm2，夏玉米CWUgreen值為 2 648.1 m3/hm2，CWUblue值為783.4 m3/hm2。根據(jù)漯河市氮肥、磷肥施用量，計(jì)算灰水足跡。漯河市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡計(jì)算結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，作物生長(zhǎng)綠水足跡和藍(lán)水足跡最大的區(qū)域均為源匯區(qū)，作物生長(zhǎng)綠水足跡最小區(qū)域?yàn)檑背菂^(qū)，藍(lán)水足跡最小區(qū)域?yàn)榕R潁縣，農(nóng)業(yè)灰水足跡最大的區(qū)域?yàn)榕R潁縣，最小的區(qū)域?yàn)槲桕?yáng)縣。漯河市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡均較高，需采取對(duì)應(yīng)措施提高水資源利用效率，促進(jìn)水資源可持續(xù)利用?？赏ㄟ^(guò)提高農(nóng)業(yè)技術(shù)來(lái)增加土地生產(chǎn)率，從而提高水分生產(chǎn)率以減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綠水足跡，也可通過(guò)地面覆蓋減少土壤表面蒸發(fā)以提高綠水利用率；可通過(guò)更新灌溉技術(shù)、調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)和品種、優(yōu)化灌溉制度等方法減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程藍(lán)水足跡；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灰水足跡的減少可通過(guò)少用或不用化學(xué)肥料、推廣有機(jī)農(nóng)業(yè)、使用易于吸收的化肥或堆肥、減少淋溶量等措施實(shí)現(xiàn)。

表1 漯河市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡

3.2 漯河市農(nóng)業(yè)水足跡空間特征分析

計(jì)算漯河市各縣（區(qū)）總的農(nóng)業(yè)綠水足跡、藍(lán)水足跡、灰水足跡及其各自所占比重，分析不同農(nóng)業(yè)水足跡空間分布特征。由表2、圖1 可知，漯河市各縣（區(qū)）均為綠水足跡占比最高，其次為藍(lán)水足跡，灰水足跡占比最小。

圖1 漯河市農(nóng)業(yè)水足跡組成及分布

表2 漯河市總的農(nóng)業(yè)綠水足跡、藍(lán)水足跡、灰水足跡占比

農(nóng)業(yè)綠水足跡占總水足跡比重從大到小排序?yàn)槲桕?yáng)縣、召陵區(qū)、源匯區(qū)、郾城區(qū)、臨潁縣，在空間上呈現(xiàn)出從南到北比重逐漸降低的特征；漯河市各縣（區(qū)）農(nóng)業(yè)藍(lán)水足跡占總水足跡的比重約為30%，從高到低的排序?yàn)檎倭陞^(qū)、舞陽(yáng)縣、郾城區(qū)、源匯區(qū)、臨潁縣，體現(xiàn)了各縣（區(qū)）對(duì)灌溉用水的依賴(lài)程度，召陵區(qū)依賴(lài)性最大，臨潁縣最弱；農(nóng)業(yè)灰水足跡占總水足跡的比重最小，各縣（區(qū)）比重從高到低的排序?yàn)榕R潁縣、源匯區(qū)、郾城區(qū)、召陵區(qū)、舞陽(yáng)縣，其中臨潁縣灰水足跡占比遠(yuǎn)高于其他縣（區(qū)），需重點(diǎn)關(guān)注化肥施用量，有針對(duì)性、適度施肥，逐步降低農(nóng)業(yè)灰水足跡。

3.3 漯河市農(nóng)業(yè)水資源持續(xù)利用對(duì)策措施

3.3.1 將水足跡管理納入水資源消耗核算體系，完善水資源核算體系 建立水足跡賬戶，對(duì)農(nóng)業(yè)部門(mén)用水情況做定期公布，促進(jìn)高耗水部門(mén)技術(shù)革新和綠色轉(zhuǎn)型；對(duì)區(qū)域進(jìn)行水足跡評(píng)價(jià)，打造水資源精細(xì)化管理，促進(jìn)水資源可持續(xù)利用；在商業(yè)貿(mào)易中，明確各農(nóng)產(chǎn)品包含的虛擬水量，逐步降低對(duì)高耗水農(nóng)產(chǎn)品的出口，優(yōu)先出口低耗水優(yōu)勢(shì)農(nóng)產(chǎn)品。

3.3.2 積極開(kāi)展農(nóng)業(yè)節(jié)水，降低農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)耗水量，提升水資源自給能力 通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，促進(jìn)水資源利用效率的提高，緩解各部門(mén)用水壓力；同時(shí)加快推進(jìn)海綿城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)，充分開(kāi)發(fā)利用雨洪資源，夯實(shí)水資源供給基礎(chǔ)，具體措施包括雨水采集和儲(chǔ)存、水運(yùn)輸過(guò)程中減少損耗、污水處理后排放、水回收和再利用技術(shù)等。

3.3.3 加強(qiáng)作物水肥管理，進(jìn)一步嚴(yán)格實(shí)施“一控兩減”措施 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，不能一味追求作物產(chǎn)量而忽視對(duì)土壤、水體的負(fù)面效應(yīng)，適量施肥，提高化肥利用效率，控制農(nóng)業(yè)用水總量和農(nóng)業(yè)水環(huán)境污染，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灰水足跡，減少因化肥、農(nóng)藥的使用而對(duì)水體造成的污染，保護(hù)區(qū)域水環(huán)境。

4 結(jié)論

漯河市作物生長(zhǎng)綠水足跡和藍(lán)水足跡最大的區(qū)域均為源匯區(qū)，作物生長(zhǎng)綠水足跡最小區(qū)域?yàn)檑背菂^(qū)，藍(lán)水足跡最小區(qū)域?yàn)榕R潁縣，農(nóng)業(yè)灰水足跡最大的區(qū)域?yàn)榕R潁縣，最小的區(qū)域?yàn)槲桕?yáng)縣。漯河市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡均較高，需采取對(duì)應(yīng)措施提高水資源利用效率。

分析漯河市農(nóng)業(yè)水足跡的空間分布特征，農(nóng)業(yè)綠水足跡占總水足跡比重在空間上呈現(xiàn)出從南到北比重逐漸降低的特征；各縣（區(qū)）農(nóng)業(yè)藍(lán)水足跡占總水足跡的比重約為30%，體現(xiàn)了各縣（區(qū)）對(duì)灌溉用水的依賴(lài)程度；臨潁縣灰水足跡占比遠(yuǎn)高于其他縣（區(qū)），需重點(diǎn)關(guān)注化肥的合理施用，有針對(duì)性、適度施肥，逐步降低農(nóng)業(yè)灰水足跡。

漯河市農(nóng)業(yè)水足跡較高，可通過(guò)完善水資源消耗核算體系、加快技術(shù)革新以降低農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)耗水、調(diào)整水資源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、合理施用化肥農(nóng)藥等措施降低農(nóng)業(yè)耗水，提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率，促進(jìn)區(qū)域水資源可持續(xù)利用。