區(qū)縣尺度下農(nóng)牧業(yè)水足跡的時空特征及其密度研究
----以張家口市為例

曹 宸，李敘勇

(1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

水資源作為國家與地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的前置性與可持續(xù)性資源，對產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人口集聚、產(chǎn)品供給等諸多方面產(chǎn)生深刻影響[1-3]。然而，伴隨頻繁的人類活動與漸變的區(qū)域氣候，自然條件下的水循環(huán)過程逐步難以滿足高強(qiáng)度人類開發(fā)需求，區(qū)域性水資源超采與過量輸出等問題引起了深刻影響[4,5]。定量衡量水資源消費(fèi)水平，對區(qū)域水資源的生態(tài)涵養(yǎng)與保護(hù)發(fā)揮重要作用。英國Allan于1993年首次提出虛擬水概念[6]，提供量化生產(chǎn)產(chǎn)品與服務(wù)過程中所消耗水資源量的方法，為水資源區(qū)域流轉(zhuǎn)提供了定量研究的途徑；Hoekstra等人于2002年構(gòu)建了水足跡理論[7]，完善了虛擬水消耗與實體水消費(fèi)間的聯(lián)系；孫才志等人于2009年選取6種典型農(nóng)牧產(chǎn)品計算虛擬水量[8]，分析中國農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水在區(qū)域空間分布的特點與差異。鄒君等人于2013年分析中國省際農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水流動間的差異及其調(diào)控[9]；程先等人于2018年劃分京津冀地區(qū)的地市與區(qū)縣人均水足跡[10]。上述研究中空間維度上多數(shù)圍繞省市尺度的評價[11-13]，較少涉及區(qū)縣小尺度間橫向比較；時間尺度上，較多評估短時序的水足跡變化[14,15]，缺乏長時間序列的水足跡累積效應(yīng)分析。此外，多數(shù)學(xué)者的研究對象較多關(guān)注人均水足跡的演變過程[16,17]，而忽視輸出方的水資源承載能力的考量。同時，張家口市位于京津冀地區(qū)北部，承載著北京市兩河兩庫(永定河、潮白河與官廳水庫、密云水庫)水源涵養(yǎng)的重大使命，近期承載2022年綠色冬奧會使命，遠(yuǎn)期承擔(dān)京津冀生態(tài)涵養(yǎng)與綠色產(chǎn)品供給的功能，并且作為海河流域與華北近山區(qū)以農(nóng)牧業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)品輸出的典型區(qū)域，如何平衡其水資源的合理開發(fā)與保護(hù)間關(guān)系，尤為重要。因此，本研究嘗試基于長時間序列，以區(qū)縣空間尺度為例定量研究張家口市農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)品水資源輸出量與水資源承載能力。以期為京津冀區(qū)域水生態(tài)保護(hù)與首都水源涵養(yǎng)區(qū)生態(tài)補(bǔ)償與協(xié)調(diào)機(jī)制提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

張家口市地處中國河北省西北部，與京、蒙、晉三省市交界，位于東經(jīng)113°50′～116°30′，北緯39°30′～42°10′，總面積3.68 萬km2(見圖1)。張家口市位于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，夏季炎熱短促，冬季寒冷漫長，同時四季降水時空分布不均，山區(qū)丘陵在1-2月偶有大雪，在7-9月常遇暴雨或特大暴雨，其余月份難有有效降水。

圖1 張家口市區(qū)位圖Fig.1 Location of Zhangjiakou City

張家口市因陰山山脈橫貫，被分為壩上高原與壩下丘陵盆地，地勢西北高、東南低，山區(qū)以果林業(yè)與畜牧養(yǎng)殖為主，丘陵區(qū)及其河流灘地以農(nóng)業(yè)為主，盆地則工農(nóng)業(yè)均有分布。張家口市位于海河流域，壩上多為內(nèi)陸季節(jié)性河流，而壩下地表河流屬于永定河水系，主要有清水河、洋河、桑干河、白河等支流，最終匯水入北京市官廳水庫與密云水庫。

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于1995-2015年張家口市6處氣象站點數(shù)據(jù)，包括逐月降水量、月平均氣溫、日照時數(shù)、相對濕度等；張家口市農(nóng)牧漁業(yè)產(chǎn)品、水資源利用等相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要來源于歷年《張家口經(jīng)濟(jì)年鑒》 (1995-2016年)、《張家口水資源公報》、《河北農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》以及河北省張家口水文水資源勘測局、張家口市環(huán)境保護(hù)局等相關(guān)單位提供；作物系數(shù)等參數(shù)來源于聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)數(shù)據(jù)庫。

2 研究方法

水生態(tài)足跡法結(jié)合水足跡概念與生態(tài)足跡法的評價方式，選取區(qū)縣為基本評價單元，通過量化生產(chǎn)生活所消費(fèi)產(chǎn)品的隱性水資源，定量評估區(qū)域水資源開發(fā)強(qiáng)度及其差異；通過區(qū)域土地面積的轉(zhuǎn)換，衡量區(qū)縣尺度下水足跡密度值與區(qū)域降水間的關(guān)系，明確華北近山區(qū)區(qū)縣水資源盈虧狀態(tài)與水資源可持續(xù)開發(fā)區(qū)間范圍。當(dāng)水足跡密度值低于區(qū)域降水值時，表明區(qū)域水資源或河流生態(tài)基流處于可持續(xù)狀態(tài)；反之，該地區(qū)的水資源及其河流生態(tài)基流處于亞健康或持續(xù)缺乏狀態(tài)。

2.1 農(nóng)牧業(yè)水足跡及其密度計算方法

農(nóng)牧業(yè)水足跡是指年內(nèi)區(qū)域農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)品水資源消耗量，包括農(nóng)業(yè)產(chǎn)品與動物產(chǎn)品虛擬水量，其核算方法為：

WRX=CWRX+AWRX；WR=∑WRX

(1)

式中：WRX、CWRX、AWRX對應(yīng)為張家口市某區(qū)縣農(nóng)牧業(yè)水足跡值、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品虛擬水量值與動物產(chǎn)品虛擬水量值，萬t；WR為張家口市農(nóng)牧業(yè)水足跡值，萬t；該指標(biāo)的波動可衡量水資源在時間尺度下區(qū)域農(nóng)牧業(yè)發(fā)展進(jìn)程的快慢。

(2)

式中：ρ[WRx] 、ρ[WR]分別為張家口市某區(qū)縣、張家口市水足跡空間密度值，mm；Areax、Area分別為張家口市某區(qū)縣、張家口市面積值，km2；1 000為單位立方水資源質(zhì)量值，kg/m3； 該指標(biāo)的波動可衡量水資源在空間維度下區(qū)域農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展間的差異。

(3)

式中：kx、k分別為張家口市某區(qū)縣、張家口市水足跡空間密度與降水量比值；Px、P分別為張家口市某區(qū)縣、張家口市年降水量，mm；該指標(biāo)的波動可衡量水資源在特定時空尺度與限定農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)業(yè)前提下，發(fā)展規(guī)模對水資源的依賴程度與消耗強(qiáng)度的程度。

2.2 模型參數(shù)的確定

2.2.1 農(nóng)業(yè)產(chǎn)品虛擬水量

農(nóng)業(yè)產(chǎn)品虛擬需水量是指農(nóng)作物實際蒸散發(fā)量與農(nóng)作物播種面積的乘積，其中農(nóng)產(chǎn)品包括糧食、油料、蔬菜和水果。張家口市農(nóng)作物實際蒸散發(fā)量核算方法一般采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的標(biāo)準(zhǔn)彭曼公式，并結(jié)合CROPWAT軟件模型與收集的氣象資料。計算方式如下：

(4)

式中：ETo為參考農(nóng)作物蒸散發(fā)量，mm；Δ為飽和水汽壓與溫度相關(guān)曲線的斜率，kPa/℃；Rn為農(nóng)作物表面凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；γ為濕度計常數(shù)，kPa/℃；T為2 m高度處日平均溫度，℃；U2為2 m高度處風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實測水汽壓，kPa。

ETc=KcETo

(5)

CWR=ETcA

(6)

式中：ETc為農(nóng)作物實際蒸散發(fā)量，mm；Kc為作物系數(shù)；CWR為農(nóng)業(yè)產(chǎn)品虛擬水量，萬t；A為農(nóng)作物播種面積，km2。

2.2.2 動物產(chǎn)品虛擬水量

動物產(chǎn)品虛擬水量是指動物產(chǎn)品產(chǎn)量與動物產(chǎn)品單位虛擬水量的乘積，其中動物產(chǎn)品包括畜牧業(yè)產(chǎn)品與漁業(yè)產(chǎn)品(肉類、牛奶、禽蛋、水產(chǎn))，其核算方法為：

AWR=PVWa

(7)

式中：AWR為動物產(chǎn)品虛擬水量，萬t；P為動物產(chǎn)品的質(zhì)量，kg；VWa為動物產(chǎn)品單位虛擬水量，m3/kg。

結(jié)合實際情況以及歷史資料的可獲取性，張家口市各類畜禽與水產(chǎn)類養(yǎng)殖均呈現(xiàn)區(qū)域化與規(guī)模化發(fā)展的趨勢，因此本文在核算區(qū)縣畜牧及漁業(yè)產(chǎn)品虛擬水量時，結(jié)合已有研究，忽略產(chǎn)品單位虛擬水量值的時間變化特性[18]，采用張家口市平均值替代各區(qū)縣值[19-21](見表1)。

表1 張家口市動物產(chǎn)品單位虛擬水量 m3/kg

3 結(jié)果和分析

3.1 張家口市1995-2015年農(nóng)牧業(yè)水足跡評價

張家口市位于北京市北大門，受地形地勢等諸多因素影響，農(nóng)牧業(yè)基本作為其主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。因氣象條件與經(jīng)濟(jì)社會的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，在近20年，張家口市農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)所需的水資源量發(fā)生較大變化?；诠?4)～(7)，本文對張家口市1995-2015年間農(nóng)牧業(yè)水足跡進(jìn)行了核算(見表2)。

表2 張家口市1995-2015年農(nóng)牧業(yè)水足跡 萬t

續(xù)表2 張家口市1995-2015年農(nóng)牧業(yè)水足跡 萬t

1995-2015年間，張家口市降水量區(qū)間在280～540 mm，而結(jié)合1962-2015年氣象資料可知，其平均降雨量為380 mm，在1997、1999、2005-2007、2009與2011年張家口市降水處于枯水年，對農(nóng)牧業(yè)發(fā)展存在不同程度的負(fù)面效應(yīng)。

張家口市農(nóng)牧業(yè)水足跡在過去20年間由419.2 萬t升至1 140.2 萬t，增幅為172.0%(見圖2)；受制于對外開放程度，在1995-2003年間農(nóng)業(yè)機(jī)械化與產(chǎn)業(yè)化水平較低，抗災(zāi)能力較為薄弱，農(nóng)牧業(yè)水足跡提升較緩，整體處于較低水平；在2004-2009年間，受降水限制，農(nóng)牧業(yè)水足跡基本保持平穩(wěn)；在2010-2015年間，農(nóng)牧業(yè)水足跡與降水間聯(lián)動趨勢消失，保持小幅增長趨勢。但依據(jù)張家口市水資源總量現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃與退耕還林還草的政策引導(dǎo)，張家口市農(nóng)牧業(yè)發(fā)展?jié)摿臻g有限，其水足跡基本接近于近未來5～10年的上限值。

圖2 張家口市歷年降水量與水足跡Fig.2 The water footprint and precipitation from 1995 to 2015 in Zhangjiakou City

張家口市農(nóng)業(yè)產(chǎn)品虛擬水量在1995-2015年間由224.9 萬t升至384.4 萬t，增幅為71.0%；由圖2可知，在1995-2010年間水足跡變化趨勢與降水量波動趨勢基本一致，呈正相關(guān)，極值在300 萬t；而在2011-2015年，得益于區(qū)間高降水量、較高機(jī)械化水平與提升的抗災(zāi)能力，其值保持年均3.5%的增長幅度，達(dá)到了近20年間峰值，接近400 萬t。

張家口市畜牧業(yè)產(chǎn)品虛擬水量在1995-2015年間由196.9 萬t猛升至767.2 萬t，增幅為289.6%，年平均增長率為9.4%；由圖2可知，畜牧業(yè)產(chǎn)品虛擬水量不受降水條件限制，已由1995年占比的34.3%，累增至2015年占比的67.3%，其中日益增長的牛奶與禽蛋產(chǎn)品的跨區(qū)域消費(fèi)需求對張家口畜牧業(yè)發(fā)展起到巨大貢獻(xiàn)。

張家口市漁業(yè)產(chǎn)品虛擬水量在1995-2015年間1.8 萬t緩步增至6.5 萬t，總量占比在0.1%～0.6%，針對半干旱半濕潤區(qū)的張家口，其地表水資源量緊缺且淡水資源主體集中于區(qū)域上游數(shù)個大中型水庫，因確保飲用水源地水質(zhì)要求，小規(guī)模坑塘養(yǎng)殖的漁業(yè)發(fā)展受到數(shù)重因素約束，已難以形成規(guī)模化養(yǎng)殖。因此，張家口漁業(yè)發(fā)展規(guī)模與潛力基本可以忽略不計。

3.2 區(qū)縣農(nóng)牧業(yè)水足跡時空變化分析

3.2.1 空間分布關(guān)系

張家口市第一與第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為集中，分布呈現(xiàn)一定規(guī)律：第一產(chǎn)業(yè)集中以區(qū)域地勢為界限劃分為農(nóng)業(yè)區(qū)、農(nóng)牧業(yè)交混區(qū)、牧業(yè)區(qū)、林牧業(yè)交混區(qū)與林果業(yè)交混區(qū)，張家口市下轄的13縣依托不同小氣候、土壤與地形等優(yōu)勢，集中發(fā)展適宜的農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)業(yè)；第二產(chǎn)業(yè)則集中于城鎮(zhèn)區(qū)域，即分布于張家口四城區(qū)(橋東區(qū)、橋西區(qū)、宣化區(qū)與下花園區(qū))，農(nóng)牧業(yè)逐步讓位于現(xiàn)代化城鎮(zhèn)發(fā)展需求，僅保留較小與零星分布?；谵r(nóng)牧業(yè)發(fā)展的歷史因素與現(xiàn)狀情景，張家口市17縣區(qū)大致劃為三類六級(見表3)。

表3 張家口市區(qū)域劃分Tab.3 Regional division of Zhangjiakou City

注：X為某區(qū)縣當(dāng)年水足跡值，與公式(1)中WRx等同。

由圖3可知，除城鎮(zhèn)區(qū)域外，各縣水足跡與區(qū)域自然環(huán)境的選擇存在較大關(guān)聯(lián)，以區(qū)縣20年平均農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)用水量為標(biāo)準(zhǔn)，其水資源消耗量由：X林牧/林果業(yè)

3.2.2 時間序列分析

張家口市各區(qū)縣農(nóng)牧業(yè)發(fā)展在過去20年間依靠產(chǎn)業(yè)調(diào)整、土壤條件以及機(jī)械化普及等條件開展區(qū)域定向發(fā)展，由于各區(qū)縣農(nóng)牧業(yè)水足跡水平參差不齊，為便于時序間的統(tǒng)一評估，參照表3中水足跡分布區(qū)間與對應(yīng)開發(fā)等級關(guān)系，量化各區(qū)縣在1995-2015年間水足跡時間序列間的變化。在20年間，張家口市各區(qū)縣水足跡變化大致劃為4個階段：1995-2000年：張家口市實行改革開放初期，由于機(jī)械化水平較低，農(nóng)牧業(yè)開發(fā)強(qiáng)度主體保持不變，期間萬全縣、康?？h與張北縣開發(fā)強(qiáng)度出現(xiàn)下降，而懷安縣與陽原縣開發(fā)強(qiáng)度有所提升(圖4)；各區(qū)縣本底值差異逐漸拉大，其中X1995介于4.3～55.5 萬t/a，而X2000介于3.3～73.4 萬t/a，基本處于中低影響開發(fā)區(qū)域范圍。2000-2005年：伴隨畜牧業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模的迅速擴(kuò)張與農(nóng)業(yè)化肥施用量的增加，除張家口市低影響開發(fā)區(qū)內(nèi)的6區(qū)縣與懷安縣、宣化縣，其余9縣農(nóng)牧業(yè)發(fā)展取得極大提升，其中以萬全縣與張北縣尤為明顯，基于農(nóng)業(yè)的萬全縣開發(fā)強(qiáng)度由Ⅰ級提升為Ⅲ級，依賴牧業(yè)發(fā)展的張北縣由Ⅱ級飆升至Ⅴ級(圖5)。2005-2010年：張家口市各區(qū)縣農(nóng)牧業(yè)核心產(chǎn)業(yè)基本確定，產(chǎn)業(yè)規(guī)模趨于穩(wěn)步擴(kuò)張，除張北縣水足跡略有下滑(由2005年的86.8 萬t微減至2010年的78.9 萬t)，位于高影響開發(fā)區(qū)域的涿鹿縣、懷來縣與宣化縣的園果業(yè)與糧農(nóng)業(yè)得到極大發(fā)展，水足跡提升比例分別達(dá)到34%、59%與90%；處于中影響開發(fā)區(qū)域中以牧業(yè)為主導(dǎo)的康保縣、蔚縣與陽原縣水足跡逐步逼近Ⅴ級開發(fā)強(qiáng)度下限值。2010-2015年：張家口市除城區(qū)外其余各縣基本處于中高影響開發(fā)區(qū)域，然而除涿鹿縣水足跡仍有較為明顯的提升外，其余各縣受區(qū)域水資源條件的約束，雖在開發(fā)強(qiáng)度上有所提升，但水足跡總量上年均增幅已不到4%；至2015年，Xmax2015=190.8 萬t/a，達(dá)到X張家口2015的2.9倍，部分高強(qiáng)度農(nóng)牧業(yè)開發(fā)縣域極大推升張家口市整體農(nóng)牧業(yè)發(fā)展水平，掩蓋了真實發(fā)展的現(xiàn)狀。

圖3 各區(qū)縣歷年水足跡Fig.3 The water footprint from 1995 to 2015 in each district or county

圖5 典型年各區(qū)縣水足跡(單位：萬t)Fig.5 The water footprint of each district and county in 1995,2000,2005,2010 and 2015

3.3 區(qū)縣水足跡空間密度分析

張家口市各區(qū)縣水足跡受服務(wù)用地面積與水資源量制衡，考慮其相對密度ρ，更能反映出區(qū)域的承載能力與未來發(fā)展空間余量。區(qū)縣水足跡空間密度ρ{同公式(2)中ρ[WRx]}由其水足跡值與對應(yīng)農(nóng)牧業(yè)用地面積的商值確定，計算1995-2015年張家口市各區(qū)縣對應(yīng)值，呈現(xiàn)以下3個特征。

(1)張家口市各區(qū)縣農(nóng)牧業(yè)水足跡開發(fā)空間密度均值在1995-2000年間基本保持于120 mm，在2000-2015年間其值以年均6.2%的增幅攀升，2015年時已達(dá)到314.1 mm，逼近張家口市多年平均降水量的82.7%。以水足跡影響開發(fā)區(qū)劃分，其水足跡空間密度關(guān)系由1995-2000年的ρ高影響開發(fā)區(qū)>ρ低影響開發(fā)區(qū)>ρ中影響開發(fā)區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)?010-2015年的ρ高影響開發(fā)區(qū)>ρ中影響開發(fā)區(qū)>ρ低影響開發(fā)區(qū)(表4)，同時20年間中低影響開發(fā)區(qū)內(nèi)農(nóng)牧業(yè)節(jié)水保障措施有了較大的加強(qiáng)，水資源利用率得到提升，相對開發(fā)強(qiáng)度總體處于可控范圍內(nèi)；而高影響開發(fā)區(qū)較多追求產(chǎn)業(yè)規(guī)模、新增高耗水農(nóng)業(yè)種植品種以及農(nóng)戶保水意識的淡薄極大地消耗地表與地下水資源，已由1995年的208.8 mm增長至2015年的694.1 mm，遠(yuǎn)超當(dāng)年區(qū)域降水量。

(2)分析典型年的區(qū)縣水足跡空間密度與降水量比值k(圖6)可知，張家口東北部的沽源縣與赤城縣在1995-2010年間，k沽源-赤城<30%，結(jié)余水量形成地表徑流，使區(qū)域內(nèi)潮白河上游能保持較好水生態(tài)完整性，并能有效補(bǔ)給下游與北京市密云水庫，在2015年之后，k沽源>50%，白河自然徑流水量出現(xiàn)下降趨勢；張家口北部壩上地區(qū)(康?？h與張北縣)在1995-2000年間區(qū)內(nèi)內(nèi)陸河流維持較好連通性，而伴隨k康保-張北值逐步由40%升至70%,內(nèi)陸河流僅在雨季能維持較低流量；同時，在洋河水系上游，k尚義-崇禮<35%，地表徑流在年際間保持穩(wěn)定，洋河水系中游的4城區(qū)由1995年的k均值為50%急升至2005年k均值為90%,而后伴隨城鎮(zhèn)化進(jìn)程降至2015年的65%，這已導(dǎo)致崇禮縣來水的地表徑流出現(xiàn)較大季節(jié)性波動；而其余7縣基本隨年際推移，k值逐步累增，半數(shù)區(qū)域在2005年后超過100%，地表徑流年際波動極大，部分河段出現(xiàn)年際間長期斷流；作為永定河洋河流域自然徑流的發(fā)源區(qū)或上游區(qū)域，上游徑流的銳減已對中下游的水系連通性與生態(tài)完整性產(chǎn)生極大壓力，并影響至下游官廳水庫入庫水量與水質(zhì)。

表4 典型年下張家口市水足跡空間密度Tab.4 The spatial density of the water footprint of Zhangjiakou City in 1995,2000,2005,2010 and 2015

圖6 典型年水足跡空間密度與降水量比值(單位：%)Fig.6 The ratio of the spatial density of the water footprint to precipitation in 1995,2000,2005,2010 and 2015

(3)張家口市部分區(qū)縣的水足跡空間密度與區(qū)縣平均降水間明顯存在水虧值(圖7)，其中對低影響開發(fā)區(qū)的區(qū)縣影響不大，僅下花園區(qū)在2005年前后出現(xiàn)過水虧現(xiàn)象，中影響開發(fā)區(qū)集中在萬全縣與陽原縣，且在2015年出現(xiàn)100 mm左右水虧值；而處于高影響開發(fā)區(qū)的懷來縣、宣化縣與涿鹿縣在2005-2015年均有明顯水虧現(xiàn)象，尤其以 2015年水虧最為顯著，均值達(dá)到200 mm，占當(dāng)年區(qū)域降水比值的48%，區(qū)縣內(nèi)農(nóng)果業(yè)發(fā)展過度依賴地下水補(bǔ)給，若無較大規(guī)模節(jié)水措施的更新與跨區(qū)域調(diào)水補(bǔ)給，其水生態(tài)環(huán)境在未來面臨極大風(fēng)險，對應(yīng)的農(nóng)牧業(yè)發(fā)展?jié)摿窘咏?或瀕臨衰退。

圖7 典型年下各區(qū)縣水虧值分布Fig.7 The distribution of water deficit to each district or county in 1995,2000,2005,2010 and 2015

4 結(jié) 語

本文運(yùn)用虛擬水理論，推算張家口市1995-2015年間區(qū)縣農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)品虛擬水量，并分析了張家口市整體與區(qū)縣的水足跡時空分布、空間密度以及與降水量間關(guān)系，以此為張家口市農(nóng)牧業(yè)發(fā)展和水資源量開發(fā)與保護(hù)提供參考依據(jù)。結(jié)果表明：

(1)張家口市農(nóng)牧業(yè)水足跡由1995年419.2 萬t升至2015年1 140.2 萬t，增幅達(dá)到了172.0%，其中農(nóng)業(yè)產(chǎn)品虛擬水量在2010年前與降水量存在正相關(guān)關(guān)系，而畜牧業(yè)產(chǎn)品虛擬水量在跨區(qū)域牛奶與禽蛋產(chǎn)品的消費(fèi)需求的刺激下，不受降水條件限制，2015年占比達(dá)67.3%。依據(jù)退耕還林還草與水資源限制性開發(fā)的政策導(dǎo)向，張家口市農(nóng)牧業(yè)水足跡基本接近于未來5～10年的上限值。

(2)張家口市區(qū)縣農(nóng)牧業(yè)水足跡在空間布局上劃為低、中、高影響開發(fā)區(qū)，對應(yīng)水足跡分界值為11、48與86 萬t/a，在不考慮空間地形差異前提下，張家口市整體平均值為42 萬t/a，處于中影響開發(fā)區(qū)； 在時間序列下，區(qū)縣農(nóng)牧業(yè)水足跡以2000、2005與2010年為時間節(jié)點，分為四發(fā)展階段，其中2000-2005年為各區(qū)縣農(nóng)牧業(yè)開發(fā)強(qiáng)度提升最明顯階段，而2010-2015年各區(qū)縣農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)業(yè)分工明確，且基本接近歷史最大值。

(3)張家口市區(qū)縣農(nóng)牧業(yè)水足跡空間密度均值在2015年達(dá)到314.1 mm，逼近張家口市多年平均降水量的82.7%；對應(yīng)空間水足跡分布，低影響開發(fā)區(qū)中的城區(qū)水足跡空間密度值遠(yuǎn)大于中影響開發(fā)區(qū)；當(dāng)農(nóng)牧業(yè)水足跡空間密度與降水量比值在40%及以下時，對區(qū)域內(nèi)河流生態(tài)完整性保護(hù)起到較好作用。

(4)市級均值農(nóng)牧業(yè)水足跡及水足跡空間密度與區(qū)縣級實際情況存在較大差異，針對以農(nóng)牧業(yè)為主導(dǎo)的區(qū)域水足跡分析，可以考慮控制張家口市萬全縣、宣化縣、懷來縣與涿鹿縣區(qū)域的農(nóng)牧業(yè)發(fā)展規(guī)模，為永定河洋河水系、下游官廳水庫水量恢復(fù)與生態(tài)修復(fù)提供保障。

同時，基于張家口市實地調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)，部分遠(yuǎn)離地表河流的農(nóng)牧業(yè)區(qū)域所受納水源來自地下水，其對地表徑流的影響可以忽略。然而受限于研究尺度與數(shù)據(jù)來源，在本文計算過程中濱水與非濱水農(nóng)牧業(yè)水足跡對研究整體的分析仍存在不足。因此，在下一步的研究中，可以考慮基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度劃分研究單元，基于水足跡評價方法，定量分析濱水農(nóng)牧業(yè)發(fā)展對水資源利用與河流水系生態(tài)保護(hù)間的關(guān)系。