水足迹与灌溉发展基础上农业用水效果分析

　　下面文章基于水足迹与灌溉发展的农业用水效果评价指标，计算、分析 2000-2014 年省级行政区作物水足迹、灌溉发展以及农业用水效果的时空分布，并针对农业用水状况评价方法和不同地区农业用水效果提升方向进行探讨，以期为宏观尺度农业水管理利用效率评价和管理提供参考。

　　关键词：灌溉作物,农业,蓝绿水,水足迹,反弹效应,农业高效用水

　　农业用水因对区域水资源消耗和影响巨大而受到广泛关注。农业生产水资源投入中往往包含蓝水和绿水，蓝水即从天然水体中取用的灌溉水，绿水为不产生径流而是被作物以蒸发蒸腾形式利用的降水[1-2]。虽然绿水资源在大部分区域的农作物耗水中占绝对的主导地位[3-4]，但是因科学理论、方法及技术的局限性，当前在绿水资源调控和高效利用方面的研究还极为鲜见[5]。因此，当前农业用水调控、管理及节约方面研究的对象一般均为灌溉用水[6-8]。农业用水效率评价方法由基于灌溉工程完善程度的灌溉效率指标和基于产出效益的水分生产率指标发展到以蓝-绿水、虚拟水为重要内涵的水足迹方法[9-11]。

　　灌溉效率和水分生产率均是灌溉发展程度的重要反映，而作物蓝水足迹为区域农作物生产所消耗的灌溉水资源量[12-13]。区域水足迹与灌溉发展紧密相连，从而形成全新的、更为复杂的农业用水评价系统[14]。基于该系统衍生出水资源利用和管理的新范式，其中包括广义水资源[15]、资源禀赋[16]、蓝水短缺[17-18]以及灌溉用水反弹效应[19]等。灌溉用水反弹效应表现为灌溉技术改进增加而不是减少了耗水[20-21]。

　　灌溉技术发展提高传统农业用水效率的同时也引诱农业生产部门进一步扩大灌溉规模以获取更多的产出，这就导致区域作物生产水足迹的增大。作物水足迹增大必然影响区域蓝水资源合理分配及其利用的可持续性[22]。所以基于作物水足迹和灌溉发展交互影响评价农业生产系统灌溉水资源利用效果对区域农业用水管理有重要意义。

　　进入 21 世纪以来，中国农田灌溉得到长足发展并在促进农产品产量增加中发挥了巨大的作用，但是也面临农业用水效率提升和用水总量控制的现实问题。学者分别在作物水分消耗规律[23]、灌溉用水效率[24]、作物生产水足迹[25-26]等方面进行大量的研究，为农业生产与水资源之间关系识别提供重要参考。然而，各研究角度相对孤立，结合农业生产耗水和灌溉发展水平分析农业用水状况的时空格局更能提供综合的信息。

　　1 方法与数据

　　1.1 农业用水效果评价指标

　　在核算灌溉用水在农作物水足迹中地位的基础上，以兼顾区域灌溉用水效率和总量控制为目的，构建农业用水效果评价指标(Agricultural water use effect，AWE)。AWE 为在一定的灌溉发展水平下灌溉水资源的有效利用程度，从农业用水规模及其调配技术灌溉取水的利用效率。

　　农作物水足迹总量和蓝水足迹， m3 ; IPA ( irrigation proportion of arable land)为区域耕地灌溉率，即有效灌溉面积占总耕地面积的比例;IE(irrigation efficiency)为灌溉效率，即区域作物实际以蒸发蒸腾形式消耗的灌溉水占灌溉引水量的比例。蓝水比例、耕地灌溉率和灌溉效率虽不全面但均可以表征区域农业用水状况：蓝水足迹占总水足迹比例越大，说明作物生产过多依赖灌溉用水而缺乏对绿水资源的调控和利用，农业用水效果相对较差;耕地灌溉率越大意味着农业用水规模较大，加剧水短缺而不利于水资源持续利用;灌溉效率越大说明无效的农业用水量越少，更加值得鼓励发展灌溉。所以 AWE可在时空上比较农业用水的相对效果，其值越大，区域农业用水效果越差。

　　1.2 数据来源

　　文本的研究时段为 2000-2014 年，历年各省级行政区的耕地面积、有效灌溉面积、所有农作物播种面积与产量等数据来自《中国统计年鉴 2001-2015》;835 个气象站[27]的月平均最高气温、月平均最低气温、相对湿度、风速、日照时数、降水量等参数来自中国气象数据网，各地区作物系数参考了《中国主要作物需水量与灌溉》[28]和《北方地区主要农作物灌溉用水定额》[29]，部分直接由水利部灌溉试验总站提供;各省区历年灌溉效率(灌溉水利用系数)由中国水资源公报、全国大型灌区典型年份实测值及数学推算等途径得到。

　　2 结果与分析

　　2.1 中国农作物水足迹

　　2000 - 2014 年，中国年均农作物水足迹值约为1 .0972× 1012 m³，其中蓝水、绿水足迹分别为 1.4.3×1011与 9.359×1011 m³，蓝水足迹约占 13.1%。该时段内年均耕地面积为 1.285×108 hm2，单位耕地面积上的作物水足迹为 853.9 mm。

　　全国农作物水足迹从初始的 1.03×1012 m³左右稳步增加，到 2014 年达到了 1.2×1012 m³左右。由于农作物产出和农业灌溉规模的扩大，作物蓝水足迹、绿水足迹均呈随时间增加的态势，分别由 1.3×1011 和9×1011 m3 增大到近 1.7×1011 与 1.04×1012 m3。虽然绿水足迹的净增加量大于蓝水足迹，但是其年均增幅为 6.6%，明显低于蓝水足迹的 8.2%。绿水足迹增大有利于区域水资源利用结构的优化，而蓝水足迹的增大对灌溉设施保障程度提出了更高的要求。

　　历年绿水足迹均明显大于蓝水足迹，而在农作物水足迹中占绝对的主导地位。蓝水足迹比例经历了一个下降-上升-平稳的变化的过程，但是均在 13.0%上下波动，未能改变作物水足迹的组成结构。粮食作物生长过程蓝水消耗比例在 35%左右[27]，明显高于所有农作物的 13.1%，这主要是由经济作物的蓝水足迹比例极低造成的。

　　由于农作物生产需水规模的扩大以及耕地面积的减少，单位耕地面积作物水足迹随时间呈增加趋势，由 2000 年的 770 mm 左右增加到 2014 年的约 950 mm，年均值为 853.9 mm。因农业生产规模差异，不同省区作物水足迹差异较大而无可比性，因此计算出各省区单位耕地面积作物水足迹在研究时段内的平均值及其蓝、绿水足迹比例，以观察农作物水足迹及其构成的空间格局。

　　单位面积作物水足迹不仅决定于区域降水、农作物种类及耗水特性等因素影响，还与复种指数、耕地灌溉条件及水资源保障程度等农业生产条件有关。单位面积作物水足迹总体上呈由东南向西北依次降低的空间格局，区域间差异很大，较高省份位于东部和南部沿海及黄淮海平原，较低省区沿北部和西部边境(除新疆外)连片分布。

　　福建、山东、北京及广东的单位面积作物水足迹较大，均超过了 1 600 mm，而内蒙古、宁夏、贵州西藏及青海不足 500 mm。新疆的单位面积水足迹为 801.4 mm，接近全国平均值而明显高于其他西北部省区，这除了与该地区作物需水量大有外，还受农作物播种和农产品产出规模的影响。农作物水足迹组成方面，绿水足迹比例的空间分布同单位面积水足迹基本一致，与蓝水足迹比例相反。蓝水足迹比例低于 10.0%的省区个数(16)超过总数的一半，其中广西、浙江、广东及福建四省区不足 5.0%;10 个省区蓝水足迹比例介于 10%~ 20%之间，主要位于黄淮海平原及其周边、东北以及西南地区;该比例在西北各省区基本都大于 20.0%，其中在新疆高达 55.9%，新疆也是唯一蓝水足迹比例超过绿水足迹的省区。降水稀少、种植业生产规模大以及作物灌溉需水量大等是该地区农作物蓝水足迹比例大的直接原因。

　　2.2 中国灌溉发展与农业用水效果

　　研究时段内历年中国农业用水效果评价指标 AWE。为观察中国灌溉发展状况以对比 AWE，亦给出了历年灌溉发展评价指标的全国值，包括灌溉效率 IE 和耕地面积灌溉率 IPA。中国耕地面积的灌溉比例IPA 呈逐年稳定增加的趋势，在 2000 年的 40.1%的基础上以年均 0.8%的速度递增，于 2011 年超过 50%，并在 2014 年达到了 53.0%。IPA 的扩大主要由耕地面积制约下的农产品特别是粮食的产出需求增大驱动。统计数据显示，研究时段内中国耕地面积一直维持在 1.28×108 hm2 作用，且有随时间微弱减少的趋势;与此同时，全国农产品产量持续增长，例如，粮食总产量由 4.62×108 t 增长到了 6.07×108 t;除农作物品种改良带来的单位面积产量增加外，很大一部分贡献来自于灌溉面积的扩大，因为灌溉可以明显提升作物单位面积产量[27]。

　　研究显示，未来中国仍需通过发展灌溉来提高农产品产出，因为灌溉面积的扩大将可能贡献 46%左右的粮食增量[30]。所以在灌溉面积扩展背景下蓝水资源利用效率的评价及提升值得关注，而这与灌溉效率 IE 密切相连。全国 IE 总体上也表现出随时间增大的趋势，但是增长过程异于 IPA 而可划分为 2000-2006 年和 2007-2014 年 2 个阶段;2007 年之前的 IE 均值为0.407，由 0.401 微弱增加到 0.416;2007 年突增到 0.457，之后以每年平均 0.009 的幅度平稳增加。2007 年之前的 IE 结果是仅由面积超过 2.0×108 m2 的大型灌区数据整理得到。

　　从 2007 年开始，国家及省区农业水利管理部门全面开展了灌溉水有效利用系数的测定工作，测量样本不仅涵盖大型灌区，也包含了中、小型灌区以及纯井灌区。在相同的技术条件下，其他类型灌区由于灌溉面积小、渠系结构简单、灌水持续时间短等特点，灌溉水有效利用程度一般高于大型灌区。因此加入其他类型灌区核算区域灌溉效率是 IE 值在 2006-2007 年发生突增的主要原因。

　　农业用水效果是农业生产蓝绿水足迹及灌溉发展程度的综合反映。结果显示，全国尺度上农业用水效果评价指标 AWE 的年均值为 0.125。由图 3 可知，AWE 表现出与 IPA 和 IE 不同的随时间变化趋势。AWE 值在 15a 内经历了降低-平稳-升高的变化过程，因此，基于水足迹与灌溉发展的中国农业用水效果呈现了先改善后恶化的总体趋势。AWE 在 2000 年为 0.124，随后下降到 2003年的 0.113，并于接下来的 4a 维持稳定，2007 年之后逐渐增大，到 2014 年增大到研究时段最大值的 0.137。AWE的值直接决定于蓝水比例、灌溉效率及耕地灌溉率，而这些因素与中国农业生产与农田灌溉的发展过程紧密相连。

　　农业政策是影响 2000-2003 年农业生产及其水足迹状况的主要原因。长期扭曲的粮价政策影响了高耗水的粮食作物稳定产出，扣除投入成本后，粮价不能保证农民劳动投入的报酬而降低其农民种粮积极性。这也直接导致农作物生产水足迹及其蓝水比例的下降，在灌溉效率和耕地灌溉率稳定变化的前提下，农业生产用水效果能够得到改善。

　　2005 年后国家出台的一系列惠农政策提高了农民积极性，也在扩大农业用水和产出规模保障国家粮食安全的同时增大了农作物水足迹特别是蓝水足迹，这是农业生产用水效果随即变差的现实原因。2012年国家提出最严的水资源管理制度并明确的水资源利用量和利用效率标准，有效地促进了农业用水状况的综合改善，这与 AWE 在 2011 年左右的平稳趋势相呼应。然而AWE 仍呈增加态势的现状对农业水管理的进一步有力措施提出了需求。

　　3 讨 论

　　在蓝绿水资源和水足迹视角下，本文的农业用水效果评价指标 AWE 是基于灌溉(蓝)水资源的稀缺性和可调配性建立的。农业用水管理的目的应该是在兼顾满足作物生长、农产品生产的前提下，从总量控制和效率提升两个角度实现区域蓝水资源的可持续利用。灌溉的发展虽然可以提高农业产出，但是也应该考虑灌溉水资源利用的反弹效应。

　　所以建立 AWE 的初衷及该指标的功能均有别于传统以效率、产出为目标的农业用水评价指标，如灌溉水分生产率和灌溉效率。灌溉水分生产率为单位灌溉水投入所获得的作物产量，其评估和提升目标旨在得到单位产量的农作物产出所投入的农业用水量最少。灌溉水分生产率的核算没有考虑绿水资源在作物产量形成中的巨大作用，也不能揭示区域农业灌溉用水规模和水资源稀缺程度;所以该指标在提供有限的宏观信息的同时更适合农户田间尺度灌溉用水效果评价和管理。

　　灌溉效率用以衡量灌溉水资源被作物有效吸收利用的比例，除与田间土壤、作物因素有关联外，更重要的决定因素在于灌溉工程的完好程度。该指标虽有大尺度意义，但具有明显的工程状况决定性，也难以反映区域农业灌溉用水规模和水资源稀缺程度。灌溉水分生产率和灌溉效率能够满足小尺度灌溉用水效率的评估，但是利用二者进行农业用水和灌溉发展宏观决策时均容易落入灌溉用水反弹效应的尴尬。

　　以往指标的不足在 AWE 构建过程中均得到充分考虑。因此，利用 AWE 可以综合判定特定区域及不同区域之间农业用水状况并为灌溉的发展方向提供依据。然而相比于传统指标，AWE 的计算过程更为复杂，在比较灌溉用水效率区域差异并为不同灌溉发展提供对策的必要性尚需讨论。

　　4 结 论

　　中国农作物水足迹超过了 1.0×1012 m3，绿水是保障农业生产顺利进行的基础。因社会对农产品需求的增加，农业生产规模的扩大导致农作物蓝水足迹和绿水足迹均随时间呈现增长的态势。蓝水足迹在农作物水足迹的比例在近 10a 随时间增大，这得益于灌溉的发展，包括耕地灌溉率和灌溉效率的提升。单位耕地面积上的作物水足迹为 853.9 mm，与蓝水比例同时呈由东南向西北逐渐减小的空间格局。新疆单位面积水足迹较大主要受蓝水足迹比例决定。由于灌溉用水管理水平进与技术进步速度落后于农业生产规模的扩大，中国的农业用水效果自 2003 年以后呈现恶化的趋势，其中近年逐渐成为最主要粮食主产区的黑龙江在此方面表现得尤为突出。农作物水足迹和灌溉发展水平的差异决定了区域间农业用水效果存在较大差异，且大部分农业主产区的农业用水效果较差且明显低于全国平均水平。

　　农业用水效果与水资源也出现空间错位，湿润的南方地区农业用水效果普遍较好，而面临较严峻水资源压力的黄淮海平原和西北干旱省区的农业用水效果相对较差。我们还发现，农业用水效果评价指标 AWE 与传统灌溉用水效率评价指标在空间分布上不表现任何的相关性，这说明了基于以用水效率和总量控制为目标的农业用水评价的复杂性。北方农业主产区应在水资源管理全新范式下进行农业用水效率评价和管理实践。

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