水足跡視角下華北平原典型縣域土地整治生態(tài)績效評(píng)價(jià)

劉航，胡永翔，尚國琲

水足跡視角下華北平原典型縣域土地整治生態(tài)績效評(píng)價(jià)

劉航，胡永翔*，尚國琲

（河北地質(zhì)大學(xué)，石家莊 050000）

【目的】在水足跡視角下對(duì)華北平原典型縣域（景縣）土地整治生態(tài)績效進(jìn)行評(píng)價(jià)?！痉椒ā炕贕ROPWAT計(jì)算土地整治前、后的藍(lán)、綠、灰水足跡，構(gòu)建以4個(gè)整治工程為準(zhǔn)則層、共11個(gè)指標(biāo)的土地整治生態(tài)績效評(píng)價(jià)體系。選用綜合賦權(quán)法對(duì)景縣16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行生態(tài)績效評(píng)價(jià)?！窘Y(jié)果】土地整治實(shí)施后，景縣藍(lán)、綠、灰水足跡均有所增加，其中藍(lán)水和灰水足跡增加顯著；景縣整體生態(tài)績效處于較好水平，良等及以上鄉(xiāng)鎮(zhèn)共8個(gè)，中等及以上鄉(xiāng)鎮(zhèn)共13個(gè)。阻礙景縣生態(tài)績效提升的主要障礙因素為：新增水澆地提高率、新增道路硬化率、排灌密度提高率、旱地水利化程度提高率和生物豐度指數(shù)提高率。主要障礙類型為水利障礙和土地平整障礙，次要障礙類型為道路障礙和生態(tài)障礙。【結(jié)論】隨著土地整治工程的實(shí)施，景縣整體生態(tài)效益得到有效提高，但對(duì)水資源存在負(fù)面影響。水足跡視角下華北平原區(qū)縣域土地整治生態(tài)績效評(píng)價(jià)模式可為相似地區(qū)的土地整治工程建設(shè)提供理論參考和可行性范式。

土地整治；水足跡；生態(tài)績效；綜合賦權(quán)法

0 引言

【研究意義】土地整治工程是人類利用與改造自然資源的重要手段。過度追求社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益造成了一系列生態(tài)環(huán)境負(fù)面效應(yīng)，如水環(huán)境污染、農(nóng)業(yè)面源污染加劇。水資源作為生態(tài)環(huán)境的最大剛性約束指標(biāo)，是建立以生態(tài)為核心的土地整治績效評(píng)價(jià)模式的前提。

【研究進(jìn)展】以往國內(nèi)外針對(duì)水足跡的研究尺度較大，多集中于全球、國家、流域及城市等熱點(diǎn)區(qū)域。Zhuo等[1]和宋欣爽[2]分別在2016年和2017年對(duì)黃河流域的作物水足跡進(jìn)行了演算；Gobin等[3]在2017年對(duì)歐洲作物水足跡變化進(jìn)行了研究；馮變變等[4]和龔嚴(yán)等[5]分別研究了山西省和江蘇省的作物水足跡變化。在計(jì)算作物水足跡時(shí)，研究者多應(yīng)用CROPWAT模型計(jì)算作物生長期內(nèi)的蒸散量與灌溉需水量。例如，張?jiān)陪尩萚6]利用該模型計(jì)算了黑龍江省西部玉米生育期內(nèi)的需水量；王忠波等[7]則利用該模型對(duì)黑龍江省慶安縣水稻生育期內(nèi)的需水量進(jìn)行了計(jì)算。操信春等[8]將水足跡與區(qū)域灌溉發(fā)展情況應(yīng)用于農(nóng)業(yè)用水效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中，分析了中國31個(gè)省區(qū)農(nóng)業(yè)用水效益的時(shí)空格局及其與灌溉用水效率指標(biāo)之間的關(guān)系；易武英等[9]將農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長與農(nóng)業(yè)水資源利用進(jìn)行了耦合，探究平塘縣農(nóng)業(yè)用水與經(jīng)濟(jì)脫鉤之間的關(guān)系。姜秋香等[10]對(duì)黑龍江省13個(gè)地級(jí)市進(jìn)行了農(nóng)業(yè)水足跡計(jì)算，結(jié)合水足跡強(qiáng)度分析其用水效率。張沛等[11]在作物水足跡分析中進(jìn)一步探討了作物水足跡與國家和地方政策及社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)之間的關(guān)系?？偟膩碚f，以往對(duì)于土地整治生態(tài)績效評(píng)價(jià)的大量研究成果主要體現(xiàn)在指標(biāo)選取與體系構(gòu)建、評(píng)價(jià)方法2個(gè)方面。在指標(biāo)選取與體系構(gòu)建方面，Pimentel等[12]在評(píng)價(jià)指標(biāo)中引入了生物豐度，歐陽真程等[13]選取了土地平整度等10項(xiàng)指標(biāo)。在評(píng)價(jià)方法方面，國外研究者一般結(jié)合自身區(qū)域的特點(diǎn)，多以定量評(píng)價(jià)指標(biāo)為主，而國內(nèi)多選取特爾斐法、多因素綜合評(píng)價(jià)法和模糊綜合評(píng)價(jià)法等主觀評(píng)價(jià)方法。

【切入點(diǎn)】截至目前，水足跡視角下的土地整治生態(tài)績效評(píng)價(jià)模式鮮有報(bào)道。此模式有望保證項(xiàng)目在取得預(yù)期效果的同時(shí)減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，以追求項(xiàng)目績效、水資源和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一發(fā)展?！緮M解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本研究以華北平原典型縣域（景縣）作為研究區(qū)域，將藍(lán)、綠、灰水足跡引入評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)行生態(tài)績效評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上探尋阻礙生態(tài)績效提高的障礙因素和類型，針對(duì)景縣的實(shí)際情況，提出未來土地整治的可持續(xù)發(fā)展策略。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

景縣位于水資源匱乏的華北平原北部。該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，光熱條件滿足冬小麥和夏玉米的生產(chǎn)需求。景縣作為農(nóng)業(yè)大縣，水資源的供需平衡是協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。景縣國土資源局根據(jù)《景縣土地利用總體規(guī)劃》，對(duì)該地區(qū)開展了高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)。項(xiàng)目區(qū)實(shí)施范圍主要涉及景縣下轄的16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文的數(shù)據(jù)主要分為以下4類：①氣象數(shù)據(jù)，來源于國家氣象局；②統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，來源于2017年和2020年《衡水市年鑒》、《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》、《景縣統(tǒng)計(jì)年鑒》和《項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)劃報(bào)告》；③調(diào)查數(shù)據(jù)，來源于實(shí)地調(diào)研；④地理空間數(shù)據(jù)，來源于遙感影像。

2 研究方法及模型構(gòu)建

2.1 作物水足跡

2.1.1 藍(lán)、綠水足跡

根據(jù)《水足跡評(píng)價(jià)手冊(cè)》[14]，綠水和藍(lán)水足跡計(jì)算式為：

在理想生長條件下，單一降水供應(yīng)下的蒸散發(fā)量就是綠水足跡的蒸散發(fā)量，為作物總蒸散量與有效降水量中的最小值；灌溉用水的蒸散發(fā)量就是藍(lán)水足跡的蒸散發(fā)量，為作物總蒸散發(fā)量與有效降水量之差[15]；當(dāng)有效降水量大于作物蒸散發(fā)量時(shí)，取0[16]。計(jì)算式為：

2.1.2 灰水足跡

灰水足跡是指將污染物稀釋到一定物質(zhì)的量濃度所需的淡水量，根據(jù)《水足跡評(píng)價(jià)手冊(cè)》[14]，計(jì)算式為：

2.1.3 區(qū)域水足跡

區(qū)域藍(lán)、綠、灰水足跡計(jì)算為：

2.2 水足跡視角下縣域土地整治生態(tài)績效評(píng)價(jià)

2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以土地整治生態(tài)績效為目標(biāo)層，土地平整、田間道路、農(nóng)田水利和生態(tài)防護(hù)工程為準(zhǔn)則層，結(jié)合藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡，并從每個(gè)具體工程中選取的指標(biāo)共同作為指標(biāo)層。根據(jù)科學(xué)性、系統(tǒng)性、可行性和代表性原則，按照土地整治工程項(xiàng)目分類，詢問相關(guān)專家并結(jié)合相關(guān)理論指導(dǎo)，從“田、水、路、林”4個(gè)方面選取了11個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表1所示。

2.2.2 權(quán)重計(jì)算方法

本文選用AHP層次分析法與熵權(quán)法組合而成的主客觀綜合賦權(quán)法來進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，計(jì)算式為：

式中：W為綜合權(quán)重；α和β分別為AHP層次分析法和熵權(quán)法計(jì)算的指標(biāo)權(quán)重。表2為綜合權(quán)重的計(jì)算結(jié)果。

表1 水足跡視角下土地整治生態(tài)績效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 綜合權(quán)重計(jì)算結(jié)果

2.2.3 等級(jí)劃分

根據(jù)土地整治生態(tài)績效評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)進(jìn)行等級(jí)劃分。該區(qū)域土地整治生態(tài)績效評(píng)價(jià)得分計(jì)算式為：

2.3 障礙度

為了進(jìn)一步研究土地整治生態(tài)績效評(píng)價(jià)中的阻礙因素，基于土地整治生態(tài)績效評(píng)價(jià)結(jié)果，引入障礙度模型，對(duì)影響土地整治生態(tài)績效評(píng)價(jià)的主要障礙因素進(jìn)行定量分析。根據(jù)障礙度判斷因素影響程度，并確定阻礙土地整治生態(tài)績效提高的限制性因素[21]，計(jì)算式為：

3 結(jié)果與分析

3.1 景縣整治后水足跡變化

3.1.1 作物水足跡變化

由圖1可知，在整治前的作物水足跡構(gòu)成比例中，夏玉米的藍(lán)水足跡最低，灰水足跡最高，而冬小麥的綠水足跡最低，灰水足跡最高。整治后，夏玉米的藍(lán)、灰水足跡增加。冬小麥的灰水足跡從983.38 m3/t降至934.33 m3/t，這是由于灌溉設(shè)施提高了灌溉效率，有效稀釋了農(nóng)田土壤中的污染物。

3.1.2 區(qū)域水足跡變化

圖2為土地整治前、后景縣16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的糧食產(chǎn)量及藍(lán)、綠、灰水足跡的變化情況。由圖2（a）可知，16個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)糧食產(chǎn)量均有所增加，其中杜橋鎮(zhèn)增加最多，為整治前的1.5倍。土地整治使景縣糧食產(chǎn)量得到明顯改善，增加了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)效益。由圖2（b）可知，75%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)綠水足跡有所增加，王謙寺鎮(zhèn)的增加率最高，為24%。由圖2（c）可知，藍(lán)水足跡有所增加，說明整治后滿足了作物對(duì)灌溉水的需求。圖2（d）中，灰水足跡變化同樣呈增加趨勢(shì)。

圖1 土地整治前、后夏玉米和冬小麥單位產(chǎn)量的水足跡

3.2 景縣整治后生態(tài)績效評(píng)價(jià)結(jié)果

如圖3所示，景縣生態(tài)績效整體較高，有13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)處于中等及以上水平，8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)處于良等以上水平。從等級(jí)的空間分布來看，整體呈以優(yōu)等為中心，向外圍輻射的特點(diǎn)。經(jīng)過整治，后留名府鄉(xiāng)、溫城鄉(xiāng)、王謙寺鎮(zhèn)、杜橋鎮(zhèn)和劉集鄉(xiāng)5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)為優(yōu)等，其中4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)聚集在景縣的中心偏西部。龍華鎮(zhèn)、北留智鎮(zhèn)和連鎮(zhèn)鄉(xiāng)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)為良等，與優(yōu)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)接壤。洚河流鎮(zhèn)和景州鎮(zhèn)，青蘭鄉(xiāng)、王瞳鎮(zhèn)和留智廟鎮(zhèn)5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)為中等，差等的鄉(xiāng)鎮(zhèn)則處于景縣的外圍，距離優(yōu)等的鄉(xiāng)鎮(zhèn)較遠(yuǎn)。

圖3 土地整治生態(tài)績效等級(jí)分布

3.3 景縣整治后生態(tài)績效障礙度分析

3.3.1 障礙度因素分析

如表3所示，新增水澆地提高率、新增道路硬化率、排灌密度提高率、旱地水利化程度提高率和生物豐度指數(shù)提高率為最主要的障礙因素。安陵鎮(zhèn)、北留智鎮(zhèn)和景州鎮(zhèn)最主要的障礙因素是新增水澆地提高率；留智廟鎮(zhèn)和青蘭鄉(xiāng)最主要的阻礙因素是綠水足跡變化率；后留名府鄉(xiāng)、連鎮(zhèn)鄉(xiāng)、劉集鄉(xiāng)和王謙寺鎮(zhèn)最主要的阻礙因素是田間路網(wǎng)密度提高率；杜橋鎮(zhèn)、王瞳鎮(zhèn)和溫城鄉(xiāng)最主要的障礙因素是排灌密度提高率。梁集鄉(xiāng)和龍華鎮(zhèn)最主要的阻礙因素是旱地水利化提高率，洚河流鎮(zhèn)最主要的障礙因素為藍(lán)水足跡變化率。廣川鎮(zhèn)最主要的障礙因素是灰水足跡變化率。

表3 影響土地整治生態(tài)績效的障礙度排序

3.3.2 障礙類型分析

如圖4所示，景縣整體以土地平整障礙型和水利障礙型為主，道路障礙型和生態(tài)障礙型為輔。景縣屬于平整障礙型的5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)呈倒“L”型分布在景縣的中南部，主要受到水澆地景觀破碎度、新增水澆地面積和綠水足跡的限制。7個(gè)水利障礙型鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布于平整障礙型鄉(xiāng)鎮(zhèn)兩側(cè)，主要受排灌密度、旱地水利化程度和藍(lán)水足跡的限制。道路障礙型和生態(tài)障礙型的鄉(xiāng)鎮(zhèn)位于景縣邊緣區(qū)域，主要受新增道路硬化率、田間道路密度和灰水足跡的限制，可以選用柔性材料對(duì)路面進(jìn)行硬化處理并加強(qiáng)土壤肥料監(jiān)測管理的同時(shí)改進(jìn)施肥方式，降低農(nóng)業(yè)化肥所帶來的污染，提高生態(tài)績效等級(jí)。

圖4 障礙類型

4 討論

本研究以水足跡為視角，對(duì)景縣土地整治生態(tài)績效進(jìn)行評(píng)價(jià)后分析其障礙度。在評(píng)價(jià)方法上利用主客觀相結(jié)合的方法，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單一評(píng)價(jià)方法的局限。將水足跡與生態(tài)相結(jié)合，拓展了水足跡理論研究范疇，并為其應(yīng)用于土地整治生態(tài)評(píng)價(jià)提供了新的思路。鑒于數(shù)據(jù)獲取方面的難度，本研究仍存在一定不足，后續(xù)應(yīng)在灰水足跡計(jì)算方面重點(diǎn)考慮地下水的影響。

本研究從整治、規(guī)劃和管理方面重點(diǎn)提出以下優(yōu)化策略：①政策方面，應(yīng)當(dāng)制定生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益并重的政策，使生態(tài)意識(shí)深入?yún)^(qū)域內(nèi)每位村民。②在規(guī)劃方面，不要僅限于單一因素的整治，應(yīng)使各工程間緊密結(jié)合，各相關(guān)部門共同推進(jìn)因地制宜土地整治項(xiàng)目，并針對(duì)障礙類型著重加強(qiáng)建設(shè)以達(dá)到生態(tài)績效最大化。③在管理方面，應(yīng)高度重視農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化發(fā)展。在現(xiàn)有土地整治生態(tài)績效成果的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)村民自發(fā)通過村組織進(jìn)行村內(nèi)交換并地等方式，實(shí)現(xiàn)家庭連片耕種，以便于利用農(nóng)業(yè)機(jī)械代替勞動(dòng)力而達(dá)到提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和效益的目的。

5 結(jié)論

1）通過將藍(lán)、綠、灰水足跡納入評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建水足跡視角下縣域土地整治生態(tài)績效評(píng)價(jià)方法，并運(yùn)用主客觀賦權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，得到生態(tài)績效等級(jí)結(jié)果。經(jīng)過土地整治后，景縣生態(tài)績效處于較高水平。

2）新增水澆地提高率、新增道路硬化率、排灌密度提高率、旱地水利化程度提高率和生物豐度指數(shù)提高率為主要阻礙因素。從障礙類型來看，景縣整體以水利障礙型和土地平整障礙型為主，道路障礙型和生態(tài)障礙型為輔。

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Evaluating Ecological Benefit of Land Consolidation at County Scale in North China Plain Using Water Footprint Concept

LIU Hang, HU Yongxiang*, SHANG Guofei

(Hebei University of Geosciences, Shijiazhuang 050000, China)

【Objective】Land consolidation is to improve the efficiency and productivity of segmented lands. The purpose of this paper is to evaluate its ecological gains at country scale in northern China Plain using the water footprint concept.【Method】The evaluation is based on the GROPWAT model. It calculates the blue, green and gray water footprint before and after land consolidation. The ecological performance of the land consolidation is evaluated using four specific remediation projects as the criteria layers, and 11 indicators. The method is applied to the 16 villages and towns in Jing County, Hebei province.【Result】Implementing the land consolidation increases the blue, green and gray water footprints in all villages and towns, especially the blue and gray water footprints which increase more significantly.The overall ecological performance of the 16 villages and towns in the county is good, with eight of them achieving good grade or above, and 13 reaching medium grade or above.The main obstacles hindering the improvement of ecological performance in the county are how to increas new irrigated land rate, hardening rate of new roads, drainage and irrigation intensity, turning rain-fed land to irrigated land, and biological diversity and abundance. The main obstacles are hydraulic land levelling, followed by road and ecological factors.【Conclusion】Overall, implementing the land consolidation can improve ecological benefits to Jing County, but it has a negative impact on water resources.The ecological performance evaluation model proposed in this paper is potential for evaluating land consolidation in other regions in northern China.

land consolidation; water footprint; ecological performance; comprehensive empowerment method

劉航, 胡永翔, 尚國琲. 水足跡視角下華北平原典型縣域土地整治生態(tài)績效評(píng)價(jià)[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(5): 115-121.

LIU Hang, HU Yongxiang, SHANG Guofei. Evaluating Ecological Benefit of Land Consolidation at County Scale in North China Plain Using Water Footprint Concept[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(5): 115-121.

1672 - 3317（2023）05 - 0115 - 07

X321

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022221

2022-04-21

河北省社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目（HB20YJ032）

劉航（1997-），女。碩士，主要從事土地資源管理研究。E-mail:2631757592@qq.com

胡永翔（1984-），男。副教授，博士，主要從事土地規(guī)劃與整治研究。E-mail:doctorhu110@163.com

責(zé)任編輯：韓 洋