基于水稻生產(chǎn)水足跡的盤錦市水資源利用效率評價及水土資源測算與評價

申 祺，李蔚然

（遼寧省鹽堿地利用研究所，遼寧 盤錦 124010）

0 引 言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，水資源和土地資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，同時農(nóng)業(yè)又反過來造成水資源短缺和水質(zhì)惡化、面源污染加劇[2,3]。在保障糧食有效供給、糧食安全的前提下兼顧水土資源合理配置是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。

水足跡理論于2002 年由Hoekstra 等[4]提出，是一種對地區(qū)資源水資源短缺和污染問題進行核算的理論[5]，包括綠水足跡、藍水足跡和灰水足跡，分別代表作物生長過程中消耗的降水、地表灌溉水和地下灌溉水以及稀釋污染物使其達標排放所需水[2]，現(xiàn)已應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的水資源核算、農(nóng)業(yè)水資源利用效率評價、農(nóng)業(yè)水土資源匹配度測算及水資源稀缺性評價，范星等[2]對三江平原農(nóng)作物生長過程的水足跡進行量化和分析；王藝璇等[6]以花生生產(chǎn)水足跡為角度，測算和評價黃淮海農(nóng)作區(qū)作物生產(chǎn)耗水結(jié)構(gòu)；劉燦輝等[7]結(jié)合水足跡評估太湖流域的水資源利用效率；張雯等[8]從水足跡視角出發(fā)探究山東省糧蔬生產(chǎn)中水土資源匹配狀況。已有的研究區(qū)域主要為農(nóng)作主產(chǎn)區(qū)、流域、省區(qū)，而對市級區(qū)域的相關(guān)研究較少。

盤錦市是我國重要的水稻產(chǎn)區(qū)，2021 年，其利用全國0.17%的農(nóng)業(yè)用水、0.12%的耕地面積生產(chǎn)了全國0.49%的水稻，對確保國家糧食安全至關(guān)重要。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，用水量不斷增加，耕地面積減少，造成水土資源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化問題突出[9]，進而制約著農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[8]。此外，目前還未有從水足跡視角出發(fā)評估水資源利用效率和水土資源匹配情況的研究?；诖?，選擇盤錦市開展研究。首先核算水稻作物生長過程的綠水、藍水和灰水足跡，分析水足跡的時間變化規(guī)律。其次采用水資源壓力指數(shù)、水資源負載指數(shù)和水足跡效益來評估水資源利用情況。最后構(gòu)建測算農(nóng)業(yè)水土資源的匹配，并分析水土資源短缺的時間差異及其與社會、經(jīng)濟及生產(chǎn)環(huán)境因素等的相關(guān)關(guān)系。

1 方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

盤錦市，地處遼寧省西南部，水稻是其主要農(nóng)作物，2021 年全市水稻播種面積10.83 萬hm2，占全市播種總面積的89.31%，其中水稻種植主要分布在盤山縣和大洼區(qū)。該地區(qū)屬于暖溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫為10.5 ℃，降水量為768.9 mm，平均風(fēng)速為2.4 m/s，日照時數(shù)為2 231.3 h，年蒸發(fā)量高于降水量。2021 年全市水資源總量為8.04 億m3，農(nóng)業(yè)用水量為10.19 億m3，占總用水量的76.50%。2020年盤錦市水稻種植分布影像見圖1[10]。

圖1 盤錦市水稻種植分布影像圖Fig.1 Image Map of Rice Planting Distribution in Panjin city

1.2 水稻作物生產(chǎn)水足跡計算方法

水稻生產(chǎn)水足跡是綠水足跡、藍水足跡以及灰水足跡的總和。

綠水足跡公式為：

藍水足跡公式為：

式中：Y為作物單產(chǎn)量，kg/hm2；ETc為作物蒸發(fā)蒸騰量。Pe為有效降雨量，由經(jīng)驗公式計算得出；n為作物一年生長天數(shù)；L為灌溉水輸配過程中的水面蒸發(fā)損失。

ETc計算公式：

式中：Kc為作物系數(shù)。ET0利用CROPWAT8.0軟件計算得出。

Pe根據(jù)公式計算：

式中：P為月降雨量，mm/d。

L的公式為：

式中：η為灌溉水利用系數(shù)；α通常取5%。

灰水足跡公式為：

式中：β為淋失率；AR為作物氮肥折純量；cmax代表水體中最大氮（0.002 kg/m3）容許濃度；cnat為污染物的自然本底濃度（假設(shè)其數(shù)值為0）。

遼寧省農(nóng)作播種過程氨氮、總氮、總磷排放（流失）系數(shù)分別為0.141、0.736、0.062 kg/hm2。

1.3 水資源利用評價

（1）水資源壓力指數(shù)（Water Stress Index）指的是水稻生產(chǎn)對水資源產(chǎn)生的壓力，公式為：

式中：P為水稻總產(chǎn)量；Q為水資源總量。

基于水資源壓力指數(shù)的評價分級如表1所示。

表1 基于水資源壓力指數(shù)的評價分級Tab.1 Grading on the basis of water stress index

（2）水資源負載指數(shù)（C）是通過水資源總量與區(qū)域內(nèi)的人口、經(jīng)濟發(fā)展情況結(jié)合來評估其水資源開發(fā)利用程度和開發(fā)前景的指數(shù)[11]。公式為：

式中：C為水資源負載指數(shù)；k為降水系數(shù)，當200＜R≤400時，k=1.0-0.1(R-200)/200，當400＜R≤800 時，k=0.9-0.2(R-400)/400，當800＜R≤1600 時，k=0.7-0.3(R-800)/800；R為降水量，mm；P為常住人口數(shù)量，萬人；G為地區(qū)生產(chǎn)總值，億元；Q為水資源總量，億m3。

水資源負載指數(shù)分級如表2所示[7,12]。

表2 水資源負載指數(shù)分級Tab.2 Classification of water resource load indices

（3）水足跡效益是指農(nóng)業(yè)發(fā)展所付出的水資源代價及衡量區(qū)域農(nóng)業(yè)對水資源的利用效率。其與農(nóng)業(yè)用水效率呈正相關(guān)關(guān)系，表達式為：

式中：WF為水稻生產(chǎn)總水足跡，m3；WE為水足跡效益，元/m3；GDP為農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值，元。

1.4 水土資源匹配系數(shù)

水土資源數(shù)量匹配系數(shù)和質(zhì)量匹配系數(shù)的公式為：

式中：WL為水土資源匹配系數(shù)；BW為農(nóng)業(yè)藍水可用水量，其值等于藍水資源總量與農(nóng)業(yè)用水占比的乘積；GW表示農(nóng)業(yè)綠水可用水量，可參考Cao 等[13]的方法將其表示為耕地面積與年降水量（mm）的乘積；Lt為耕地面積，hm2。

1.5 基于水足跡的水土資源短缺壓力

由于盤錦市水資源短缺，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水占比較大，因此采用農(nóng)業(yè)水資源短缺壓力與土地資源短缺壓力的比值表征水土資源相對短缺情況[8]，計算方法如下:

式中：RS為水土資源相對短缺指數(shù)；水足跡稀缺性（Water footprint scarcity，WFS）為農(nóng)業(yè)用水與水資源總量的比值；耕地稀缺性（Cultivated land scarcity，CLS）為水稻總耕種面積與土地總面積的比值；AWA為農(nóng)業(yè)可利用水資源量，m3；AWU和TWU分別為農(nóng)業(yè)用水量和總用水量；Wt為水資源總量，m3；La為水稻總耕種面積，hm2。當RS＞1 時，表明區(qū)域的水資源短缺壓力大于土地資源短缺壓力，屬于水資源相對短缺區(qū)；當RS≤1時，屬于土地資源相對短缺區(qū)[8]。

1.6 數(shù)據(jù)來源

水稻生產(chǎn)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、水資源總量、耕地面積、常住人口數(shù)量、地區(qū)生產(chǎn)總值、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、人口密度、城鎮(zhèn)人口數(shù)、總?cè)丝跀?shù)和有效灌溉面積均出自盤錦市統(tǒng)計年鑒（2009-2021年），農(nóng)業(yè)用水量來自于盤錦市水資源公報和遼寧省水資源公報，作物系數(shù)來源于文獻[14]，農(nóng)作物播種過程氨氮、總氮、總磷排放（流失）系數(shù)來源于《全國農(nóng)田面源污染排放系數(shù)手冊》。

2 研究結(jié)果

2.1 水稻生產(chǎn)水足跡（2009-2021年）

盤錦市的水稻單位質(zhì)量水足跡年均值為1.26 m3/kg，其在不同年份間有所波動，但沒有顯著的增加或降低趨勢，這可能與作物單位面積產(chǎn)量、灌溉技術(shù)、氣候條件、化肥施用量及利用率等因素相關(guān)[2,8]。各來源水足跡中，綠水（平均50%）占比最大，其次是藍水足跡（平均46%），灰水足跡占比最?。ㄆ骄?%）。水稻生長過程的綠水和藍水足跡變化不大，綠水足跡隨降水量高而升高，藍水足跡隨水資源總量高而降低。2019-2021 年水稻生長過程的的灰水足跡比其他年份低（表3），可能是氮肥、磷肥施用量大幅減少導(dǎo)致的，氮肥、磷肥施用量分別由2009-2018 年的6.2、2.8 萬t 大幅減少到2019-2021年的1.6、0.4萬t。

表3 2009-2021年盤錦市單位質(zhì)量水稻生產(chǎn)水足跡結(jié)構(gòu)m3/kgTab.3 Water footprint structure of rice in Panjin City from 2009 to 2021

2.2 水資源利用評價

水資源利用評價3個指標均表明盤錦市水資源的利用程度較高。

2.2.1 水資源壓力指數(shù)

2009-2021年盤錦市水稻產(chǎn)量變化規(guī)律不明顯（見圖2），2013 年產(chǎn)量最小，為94.63 萬t，2020 年產(chǎn)量最大，為106.40萬t。其中，2016-2020 年水稻產(chǎn)量整體呈上升趨勢，2010、2012-2013、2015-2016和2021年水稻產(chǎn)量呈下降趨勢。

圖2 2009-2021年盤錦市的水稻產(chǎn)量變化圖Fig.2 Changes of rice yields in Panjin City from 2009 to 2021

盤錦市水資源壓力指數(shù)均值為2.78%（見圖3），壓力級別為基本不存在水資源壓力。2014、2015、2018 年水資源壓力指數(shù)均大于5%（見圖3），壓力級別為輕度壓力，可能與這3年水資源總量較低有關(guān)。

圖3 盤錦市的歷年水資源壓力指數(shù)與水資源總量Fig.3 Water stress index and total water resources in Panjin City from 2009 to 2021

2.2.2 水資源負載指數(shù)

通過水資源負載指數(shù)進一步分析盤錦地區(qū)水資源利用情況及水資源開發(fā)前景，結(jié)果表明2009-2021年盤錦市水資源負載指數(shù)變化規(guī)律不明顯，最高值出現(xiàn)在2014 年，而最低值則在2010 年。研究期間，盤錦市水資源負載指數(shù)值均大于10（見圖4），依據(jù)表1 劃分的負載級別都屬于Ⅰ級，因此盤錦市水資源開發(fā)利用程度較高，但水資源開發(fā)潛力較小，未來水資源開發(fā)前景并不樂觀。

圖4 盤錦市2009-2021年水資源負載指數(shù)變化Fig.4 The trends of water resource load index in Panjin City from 2009 to 2021

2.2.3 水足跡經(jīng)濟效益

2009-2021年盤錦地區(qū)水稻生產(chǎn)水足跡經(jīng)濟效益的時間變化特征如圖5 所示。由圖5 可知，水稻生產(chǎn)水足跡效益在研究期間總體呈現(xiàn)增加趨勢，自1.33 元/m3以每年0.18 元/m3的速率提升至3.72 元/m3。對于水稻生產(chǎn)水足跡效率，2010 年最小，為1.28 元/m3，2021年最大，為3.72 元/m3。

圖5 2009-2021年盤錦市水足跡效益（單位：元/m3）Fig.5 Water footprint benefit in Panjin City from 2009 to 2021

2.3 水稻作物水土資源匹配分析

水土資源數(shù)量匹配系數(shù)越高，表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)條件優(yōu)越；而水土資源質(zhì)量匹配系數(shù)越高，表明該區(qū)域的農(nóng)業(yè)面源污染壓力越大。2009-2021 年，水土資源數(shù)量系數(shù)均值為0.375 萬m3/hm2，水土資源質(zhì)量匹配系數(shù)為0.273 萬m3/hm2，除2010年、2012年、2019年和2021年外，其他年份水土資源數(shù)量匹配均比質(zhì)量匹配差（表4），表明盤錦農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的資源數(shù)量影響大于質(zhì)量產(chǎn)生的影響。

表4 考慮資源數(shù)量及質(zhì)量的農(nóng)業(yè)水土資源匹配m3/hm2Tab.4 Matching of agricultural water and land resources considering the quantity and quality of resource

2.4 水土資源短缺壓力分析

2009-2021年盤錦市水土資源稟賦與利用情況如圖6所示，農(nóng)業(yè)用水量和水資源總量均值分別為3.24 億m3、3.88 億m3，水稻總耕種面積和耕地面積均值分別為10.74 萬hm2、15.55 萬hm2。

圖6 2009-2021年盤錦市水土資源稟賦與利用概況Fig.6 Water and land resources endowmen and utilization in Panjin City from 2009 to 2021

水足跡稀缺性指數(shù)平均值為2.13，耕地稀缺性指數(shù)平均值為0.69。盤錦市在2010 年、2012 年和2021 年農(nóng)業(yè)水土資源相對短缺指數(shù)均小于1（見圖7），表明土地資源短缺壓力大于水資源短缺壓力，屬于土地資源相對短缺區(qū)。盤錦市在2009、2011 和2013-2020 年的農(nóng)業(yè)水土資源相對短缺指數(shù)均大于1（見圖7），屬于水資源相對短缺區(qū)。

圖7 2009-2021年盤錦市水土資源短缺壓力指數(shù)Fig.7 Pressure of water and land resources scarcity in Panjin City from 2009 to 2021

3 討 論

盤錦市水稻單位質(zhì)量水足跡年均值為1.26 m3/kg，結(jié)果與盤錦市水稻單位質(zhì)量水足跡（1.42 m3/kg）相似[9]。降水量、水資源總量、氮磷肥施用量是綠水足跡、藍水足跡、灰水足跡變化的主要原因。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平越高，在滿足糧食需求的情況下，水稻生產(chǎn)的藍水、綠水和灰水足跡都應(yīng)減少，具體為通過優(yōu)化栽培技術(shù)和改良水稻品種，加強收集及利用綠水[8,15]的方式減少綠水足跡；采用推廣節(jié)水技術(shù)、推進渠道防滲和田間灌溉工程標準化建設(shè)、平整土地（移栽水稻前）、合理配置地表水和地下水的措施減少藍水足跡[2]；推行測土配方施肥技術(shù)和隨水施肥降低灰水足跡[16]。

盤錦市水資源的利用程度較高，研究期間水資源壓力級別為基本不存在水資源壓力，這可能與種植結(jié)構(gòu)的改變，生態(tài)種養(yǎng)模式的創(chuàng)新發(fā)展，農(nóng)田水利設(shè)施的完善，當?shù)厮Y源和降雨量的年際變化以及灌溉用水效率的不斷提高有關(guān)[2]；水資源開發(fā)利用程度較高，再開發(fā)潛力很小，可以考慮通過外水調(diào)入來滿足區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)生活需求[17]；盤錦市水足跡效益的增長，表明消耗等量水資源所帶來的經(jīng)濟價值越來越多，體現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和綠色發(fā)展[18]。

盤錦農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的資源數(shù)量影響大于質(zhì)量產(chǎn)生的影響，為了促進水土資源的協(xié)調(diào)開發(fā)利用，在水稻生產(chǎn)過程中應(yīng)嚴控農(nóng)業(yè)用水強度和總量；發(fā)展水稻節(jié)水技術(shù)[19,20]，減少無效排水[21]，提高用水效率，進一步降低農(nóng)業(yè)用水[19]；提升資源利用效率、緩解資源短缺壓力以及改善面源污染；規(guī)劃調(diào)整種植結(jié)構(gòu)；加強現(xiàn)代化新型農(nóng)業(yè)種植模式的推廣[8]。

盤錦市在2010、2012 和2021 年屬于土地資源相對短缺區(qū)，可通過規(guī)劃調(diào)整種植結(jié)構(gòu)和加強現(xiàn)代化新型農(nóng)業(yè)種植模式的推廣等方式，實現(xiàn)區(qū)域水土資源的充分利用。其他年份屬于水資源相對短缺區(qū)，其可能與水資源總量較少有關(guān)，或可通過降低水稻用水強度來促進水土資源的相對配置[8]。為進一步分析影響盤錦農(nóng)業(yè)水土資源相對短缺的原因，本研究分別從社會、經(jīng)濟、生產(chǎn)環(huán)境方面選取人口密度和城鎮(zhèn)化率、勞動生產(chǎn)率、人均GDP 和農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占比以及農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)和有效灌溉面積7個指標，研究不同年份與水土資源短缺的相關(guān)關(guān)系[8]。分析發(fā)現(xiàn)，在2010、2012 和2021 年，城鎮(zhèn)化率、勞動生產(chǎn)率、人均GDP 與耕地稀缺性呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系（見表5），表明經(jīng)濟因素對盤錦農(nóng)業(yè)水土資源短缺壓力影響較大；在2009、2011 和2013-2020 年，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占比、農(nóng)業(yè)用水結(jié)構(gòu)與耕地稀缺性均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，其中城鎮(zhèn)化率與耕地稀缺性呈現(xiàn)顯著負相關(guān)關(guān)系，然而所有指標與水足跡稀缺性指數(shù)呈負相關(guān)關(guān)系，表明社會、經(jīng)濟、生產(chǎn)環(huán)境因素對區(qū)域的農(nóng)業(yè)水資源短缺壓力影響都較小。

表5 水資源短缺壓力與各因素間的相關(guān)性分析Tab.5 Correlation analysis between water and land resource scarcity and factors

4 結(jié) 論

本研究通過分析盤錦水稻生產(chǎn)單位質(zhì)量水足跡特征，評估水資源利用情況，測算農(nóng)業(yè)水土資源數(shù)量、質(zhì)量匹配格局及資源短缺壓力，最后揭示了農(nóng)業(yè)水土資源短缺壓力的影響因素。主要研究結(jié)論如下：

（1）盤錦市的水稻單位質(zhì)量水足跡在2009-2021年間沒有顯著的增加或降低趨勢。從用水來源來看，綠水足跡和藍水足跡占水足跡總量的比重較大。

（2）盤錦市水資源的利用程度較高，盤錦市水稻生產(chǎn)帶來的水資源壓力在研究期（2009-2021年）間隨時間波動變化趨勢不明顯，而在2014、2015、2018 年呈現(xiàn)輕度壓力；水資源負載指數(shù)的變化規(guī)律不明顯，水資源開發(fā)利用程度較高，水資源開發(fā)潛力較小，未來水資源開發(fā)前景并不樂觀；水足跡效益總體呈現(xiàn)增加趨勢，說明消耗等量水資源所帶來的經(jīng)濟價值越來越多。

（3）除2010、2012、2019 和2021 年外，其他年份水土資源數(shù)量匹配均比質(zhì)量匹配差，表明盤錦農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的資源數(shù)量影響大于質(zhì)量產(chǎn)生的影響。

（4）2010、2012 和2021 年，盤錦市的土地資源短缺壓力高于水資源短缺壓力，屬于土地資源相對短缺區(qū)；而其他年份屬于水資源相對短缺區(qū)。土地資源短缺壓力受經(jīng)濟環(huán)境因素制約顯著，社會、經(jīng)濟、生產(chǎn)環(huán)境對農(nóng)業(yè)水資源短缺壓力的影響較小。