祝 穩(wěn)，趙銳鋒，謝作輪

（西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州730070）

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，水資源日益緊缺，水資源安全及其引發(fā)的糧食安全問題開始備受關(guān)注。河南省是我國(guó)的糧食主產(chǎn)區(qū)之一，1978—2009年，其糧食總產(chǎn)量從2 097.4萬t增加到5 389.0萬t，年均增長(zhǎng)3.18%，占全國(guó)糧食產(chǎn)量的10%［1］，同時(shí)河南也是我國(guó)嚴(yán)重缺水的地區(qū)之一，人均水資源量約為352m3，僅為全國(guó)人均水資源占有量的16%［1］，因此如何有效配置和利用水資源已成為河南省可持續(xù)發(fā)展十分迫切的問題。水資源問題大多數(shù)都是人類通過消費(fèi)水資源及其提供的產(chǎn)品和服務(wù)對(duì)水資源系統(tǒng)產(chǎn)生影響，而水足跡從消費(fèi)角度衡量人類對(duì)水資源的需求和占有狀況，建立水資源利用與人類消費(fèi)模式的聯(lián)系，為測(cè)定人類活動(dòng)對(duì)水資源系統(tǒng)影響和解決水資源安全以及由其引起的糧食安全問題提供了新思路［2－3］。

1993年，在SOAS的一次討論會(huì)上Allan［4］首次提出了虛擬水概念，在虛擬水研究基礎(chǔ)上，Hoekstra等［5］于2002年提出了水足跡的概念。我國(guó)學(xué)者龍愛華等［6］首次引進(jìn)水足跡概念，估算了我國(guó)西北4省區(qū)的水足跡。二十年來，國(guó)內(nèi)外虛擬水研究主要集中在地區(qū)水資源利用狀況評(píng)價(jià)［7－10］，國(guó)家或地區(qū)尺度的水足跡計(jì)算［11－12］、水足跡的驅(qū)動(dòng)力、基于水足跡的流域生態(tài)補(bǔ)償［13－14］、水足跡的變化與人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、消費(fèi)模式的關(guān)系［15］、水污染足跡問題［16］等方面?？v觀我國(guó)虛擬水研究，主要在兩個(gè)方面存在不足，一是研究尺度上，國(guó)家尺度研究成果多，區(qū)域尺度成果少，且局限于經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)和水資源稀缺省份；二是研究?jī)?nèi)容上，主要限于部分農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水量化及低層次戰(zhàn)略運(yùn)用方面，研究深度不夠，迫切需要拓寬研究領(lǐng)域和深化研究?jī)?nèi)容。這兩方面不足在河南省均有體現(xiàn)，目前關(guān)于河南省水足跡的研究成果相對(duì)較少，且主要限于部分農(nóng)產(chǎn)品的虛擬水量化研究，致使相關(guān)決策者從水足跡角度對(duì)河南省水資源利用狀況認(rèn)識(shí)不夠。因此本文針對(duì)河南省嚴(yán)重缺水的客觀事實(shí)，對(duì)河南省各行政區(qū)水足跡的時(shí)空分布特征進(jìn)行評(píng)價(jià)，有利于虛擬水戰(zhàn)略背景下河南省水資源的合理配置、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整、經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向的正確定位等。

1 試驗(yàn)材料與方法

基于虛擬水和水足跡基本理論及計(jì)算方法，首先在單位虛擬水含量計(jì)算基礎(chǔ)上對(duì)河南省主要農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)用水量進(jìn)行計(jì)算與分析；接下來計(jì)算與分析河南省總體與農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水貿(mào)易量；在此基礎(chǔ)上計(jì)算2000—2009年河南省水足跡及其相關(guān)指數(shù)，借此對(duì)河南省水資源利用時(shí)空差異進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

1.1 水足跡及其相關(guān)指數(shù)計(jì)算方法

1.1.1 水足跡計(jì)算方法 根據(jù)水足跡的定義，一個(gè)區(qū)域的水足跡等于該區(qū)域內(nèi)用水量和虛擬水凈進(jìn)口量（虛擬水進(jìn)口量扣除虛擬水出口量）之和，即水足跡由內(nèi)部水足跡與外部水足跡兩部分組成。

式中：WFP——一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的水足跡；IWFP——內(nèi)部水足跡，定義為生產(chǎn)該國(guó)家或地區(qū)本地居民所消費(fèi)的所有產(chǎn)品和服務(wù)的水資源需求總量，即該國(guó)家或地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水量AWU（不包括農(nóng)業(yè)灌溉中損失的水量）、該國(guó)家或地區(qū)的工業(yè)生產(chǎn)需水量IWW、本地居民生活用水量DWW和本地生態(tài)環(huán)境用水量EWW之和減去本地出口虛擬水量VWEdom；EWFP——外部水足跡，定義為本地消費(fèi)的進(jìn)口虛擬水總量，即該國(guó)家或地區(qū)從其它國(guó)家或地區(qū)進(jìn)口的虛擬水總量VWI減去向其他國(guó)家或區(qū)域輸出的進(jìn)口產(chǎn)品再出口的虛擬水總量VWEreexport［7］。 根 據(jù) 數(shù) 據(jù) 獲得的難易程度，單位產(chǎn)品的虛擬水含量是水足跡計(jì)算的核心。

1.1.2 水足跡相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算 參考戚瑞等［8］的研究成果，本文選擇水資源進(jìn)口依賴度、水資源自給率、萬噸水足跡人口密度、水足跡經(jīng)濟(jì)效益、水足跡土地密度、水足跡凈貿(mào)易量、水資源貢獻(xiàn)率、水資源匱乏指數(shù)、水資源壓力指數(shù)9個(gè)指標(biāo)，表征河南省水足跡結(jié)構(gòu)、效益、生態(tài)安全狀況。

1.2 數(shù)據(jù)來源

農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)用水量等于單位產(chǎn)品虛擬水含量乘以產(chǎn)品總產(chǎn)量。限于實(shí)際情況，本文單位農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水含量采用2004年Chapagain和Hoekstra等［17］有關(guān)中國(guó)部分研究成果及雷玉桃等［18］對(duì)河南省虛擬水研究成果。農(nóng)畜產(chǎn)品產(chǎn)量數(shù)據(jù)來源于河南省統(tǒng)計(jì)年鑒（2001—2010）［19］。

限于實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)缺乏，本文采用間接方法估算河南省總體和農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水貿(mào)易量，不區(qū)分工業(yè)產(chǎn)品和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品［7］，即虛擬水貿(mào)易量為進(jìn)出口貿(mào)易值與生產(chǎn)總值的比值乘以總生產(chǎn)耗水量。進(jìn)出口貿(mào)易額和生產(chǎn)總值的數(shù)據(jù)均來源于河南省統(tǒng)計(jì)年鑒（2001—2010）［19］。用水?dāng)?shù)據(jù)來自2001—2010年的河南省水資源公報(bào)［20］。農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水進(jìn)出口量采用以下方法進(jìn)行估算：首先根據(jù)城鄉(xiāng)居民年均消費(fèi)食物量，計(jì)算消費(fèi)的虛擬水量，再根據(jù)具體年份生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品計(jì)算生產(chǎn)的虛擬水量，二者之差就是虛擬水貿(mào)易量［2］。該部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒（2009）》。

1.3 研究方法

運(yùn)用M－K突變檢驗(yàn)法對(duì)水足跡及其相關(guān)指數(shù)2000—2009年的序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以找到這些序列數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)及具體突變年份。借助SPSS軟件，對(duì)2009年河南省18個(gè)地市具有代表性的4個(gè)水足跡指數(shù)（IWD，WFEB，WFNTV，WS）的72個(gè)樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，數(shù)據(jù)處理方法為標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化，采用歐氏距離平方測(cè)度樣本間距離，最遠(yuǎn)鄰元素法計(jì)算類間的距離對(duì)樣本進(jìn)行歸類。得到聚類結(jié)果，進(jìn)而運(yùn)用GIS軟件得到水足跡空間聚類圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)用水量

從圖1可以看出，2000—2009年河南省主要農(nóng)畜產(chǎn)品的生產(chǎn)用水結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。牛奶、水產(chǎn)品、水果生產(chǎn)用水比例呈增加趨勢(shì)；糧食、油料、蔬菜、禽肉、禽蛋生產(chǎn)用水比例無顯著變化；棉花、豬肉、牛肉、羊肉生產(chǎn)用水比例呈減少趨勢(shì)。以上突出顯示，隨著生活水平的提高，飲食結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化，居民對(duì)營(yíng)養(yǎng)飲食格外重視，對(duì)牛奶、水產(chǎn)品、水果等營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的產(chǎn)品需求明顯上升；對(duì)糧食、油料、蔬菜、禽肉、禽蛋等生活必需產(chǎn)品的需求無顯著變化；對(duì)單位產(chǎn)品生產(chǎn)用水量大的豬、牛、羊肉等的需求明顯下降。河南省一些地市在某種產(chǎn)品生產(chǎn)方面已經(jīng)形成特色產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)用水有一定的集中性（見表1）。例如，駐馬店、周口、許昌、漯河豬肉生產(chǎn)用水量占其主要農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)用水量的比例分別為47.56%，42.17%，53.58%，61.51%，豬肉生產(chǎn)已成為其特色產(chǎn)業(yè)和耗水大戶。此外，牛肉、油料生產(chǎn)成為南陽(yáng)的特色產(chǎn)業(yè)和耗水大戶，水產(chǎn)品生產(chǎn)成為信陽(yáng)的特色產(chǎn)業(yè)。

圖1 農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)用水量2000－2009年變化情況

表1 2009年河南省主要農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)用水量 億m3

由圖2a可見，居民購(gòu)買商品所消耗的水資源遠(yuǎn)大于日常生活和改善生態(tài)環(huán)境所消耗的實(shí)體水量，河南各地市農(nóng)畜產(chǎn)品生產(chǎn)用水量占用水總量的比例為81.65%～98.46%，因此區(qū)域間虛擬水總量是除生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水之和之外評(píng)價(jià)地區(qū)水資源消費(fèi)的重要指標(biāo)［16］。河南各地市主要作物小麥、玉米、棉花生產(chǎn)用水量之和占用水總量的比例為11.58%～40.24%，18個(gè)地市小麥、玉米、棉花生產(chǎn)用水量之和占用水總量的比例平均值為26.25%，表明傳統(tǒng)作物小麥、玉米、棉花生產(chǎn)占作物種植比例較高（圖2b）。根據(jù)單位產(chǎn)品虛擬水含量，將上述作物劃分為低度、中度和高度耗水作物［18］，由圖2c可知，開封、南陽(yáng)、三門峽、商丘、周口等行政區(qū)中，高耗水作物種植比例較高，這些地區(qū)應(yīng)該調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，增加低耗水作物種植比例。

圖2 河南省2009年各用水類型占總用水量比例

2.2 虛擬水貿(mào)易量

2000—2009年，河南省虛擬水貿(mào)易量呈顯著增加趨勢(shì)（見圖3）。由表2列出的2009年代表地區(qū)（年度人均生產(chǎn)總值最高的鄭州和年度人均生產(chǎn)總值最低的周口）主要農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水貿(mào)易量計(jì)算結(jié)果可知，農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水貿(mào)易量多呈負(fù)值，虛擬水進(jìn)口大于出口，作為農(nóng)業(yè)大省的河南省卻是農(nóng)產(chǎn)品出口小省，這種強(qiáng)烈反差值得反思。兩市虛擬水貿(mào)易量絕對(duì)值占生產(chǎn)用水量的比例在產(chǎn)品種類上差異很大，兩市之間同種產(chǎn)品的比例也有差異。虛擬水消費(fèi)與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、飲食結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，對(duì)于水密集型產(chǎn)品（如禽肉、豬牛羊肉、牛奶、水產(chǎn)品）的消費(fèi)，鄭州在牛奶和水產(chǎn)品等營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高的新興產(chǎn)品的消費(fèi)上遠(yuǎn)高于周口；而在禽肉、豬牛羊肉等傳統(tǒng)產(chǎn)品的消費(fèi)上鄭州卻遠(yuǎn)低于周口。由此可知，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的鄭州在飲食結(jié)構(gòu)上有別于經(jīng)濟(jì)落后的周口，居民更注重營(yíng)養(yǎng)飲食。

圖3 2000－2009年河南省虛擬水貿(mào)易量變化

2.3 水足跡及其相關(guān)指數(shù)時(shí)空差異分析

2.3.1 水足跡及其相關(guān)指數(shù)時(shí)間序列分析 由表3可得出2000—2009年水足跡指數(shù)平均值：水自給率為97.99%，進(jìn)口依賴度僅為2.02%；水資源匱乏指數(shù)為305.00%，水資源壓力指數(shù)為309.00%；萬噸水足跡人口密度為8.41人／萬t，水足跡經(jīng)濟(jì)效益為8.80元／m3，水足跡土地密度為70.08萬 m3／km2；水資源凈貿(mào)易量輸出量為17.70億 m3，貢獻(xiàn)率為4.44%。計(jì)算結(jié)果表明：河南省對(duì)本地水資源依賴度較高，水資源超采現(xiàn)象嚴(yán)重，水足跡內(nèi)部效益較大，呈現(xiàn)較高的外向型。由表3也可得出2000—2009年及其水足跡指數(shù)變化趨勢(shì)：WFP呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，人口數(shù)量增加、城市化和經(jīng)濟(jì)水平的提高為主要驅(qū)動(dòng)因素；水資源匱乏指數(shù)和壓力指數(shù)變化劇烈，表明河南省作為農(nóng)業(yè)大省，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與對(duì)外貿(mào)易多受氣候因素年際變化制約；單位土地消耗的水資源量穩(wěn)步增長(zhǎng)和單位水足跡能支撐的人口數(shù)量呈微幅減少的同時(shí)，單位水足跡經(jīng)濟(jì)價(jià)值呈穩(wěn)步增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明水資源消耗總量增加的同時(shí)水資源利用效率也在提高；水自給率一直處于高水平，水足跡凈貿(mào)易輸出量和貢獻(xiàn)率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增長(zhǎng)過程不明顯且多有起伏，表明河南省水資源外部化變化不明顯且不穩(wěn)定。

由圖4可知，2000—2009年河南省水足跡（圖4a）和內(nèi)部水足跡（圖4b）均呈增加趨勢(shì)，且均在2006年左右發(fā)生突變，可見水足跡的變化大部分取決于內(nèi)部水足跡的變化。與此相對(duì)應(yīng)的是單位水足跡可支撐人口數(shù)的減少（圖4f）和單位土地水足跡消耗量的增加（圖4h）。外部水足跡也呈增加趨勢(shì)（圖4c），且在2004年左右發(fā)生突變，突變點(diǎn)早于內(nèi)部水足跡。與外部水足跡變化相對(duì)應(yīng)的是水資源匱乏指數(shù)（圖4k）及壓力指數(shù)（圖4l）在2003年左右開始逐漸增加；水資源自給率（圖4e）在2003年左右發(fā)生突變，開始逐漸減小，水資源進(jìn)口依賴度（圖4d）及水資源凈貿(mào)易量（圖4i）也在2003年發(fā)生突變，開始急劇增大。

2.3.2 水足跡系統(tǒng)聚類及空間差異分析 從圖5和圖6可以看出，駐馬店和周口水足跡最高，都超過200億m3，源于其糧食和肉類生產(chǎn)較發(fā)達(dá)，同時(shí)，其WFEB聚類結(jié)果屬于第4類，表明這兩地水資源利用效率很低。全省IWD都小于4%，說明河南省的產(chǎn)品虛擬水消費(fèi)高度依賴本地水資源，對(duì)外貿(mào)易不發(fā)達(dá)，安陽(yáng)IWD聚類結(jié)果屬于第1類與其WFNTV聚類結(jié)果屬于第4類結(jié)論相吻合。

WS很大，例如，漯河、許昌的WS超過了1 000%，屬于聚類結(jié)果第1類，IWD卻很低，屬于聚類結(jié)果第3類，表明省內(nèi)存在嚴(yán)重的水資源超采現(xiàn)象。

表2 河南省2009年主要農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水貿(mào)易量

表3 河南省2000－2009年水足跡及其相關(guān)指數(shù)計(jì)算結(jié)果

內(nèi)部效益方面，鄭州、三門峽和洛陽(yáng)的WFEB為聚類結(jié)果第1類和第2類，單位水足跡產(chǎn)值較大，而這3地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平在河南省也名列前茅，表明WFEB與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平一定程度上呈正相關(guān)；鄭州的WFEB是駐馬店的14.6倍，表明省內(nèi)水資源的利用效率地區(qū)差別很大；河南省18個(gè)地市中有10個(gè)WFEB聚類結(jié)果屬于第4類，表明河南省大部分地區(qū)水資源利用效率處于低水平。

外部效益方面，WFNTV若為正，則地區(qū)在虛擬水貿(mào)易中為水資源輸出地；反之，為輸入地。河南省18個(gè)地市，有6個(gè)是水資源輸入地，水資源輸入量濟(jì)源最大，表明濟(jì)源經(jīng)濟(jì)發(fā)展有很強(qiáng)的外部依賴性；其余是輸出地，許昌水資源輸出量最大，WFEB聚類結(jié)果屬于第4類，這一定程度上造成其WS聚類結(jié)果為第1類。

圖4 2000－2009年河南省虛擬水貿(mào)易量突變檢驗(yàn)

圖5 河南省2009年水足跡

3 結(jié) 論

水足跡從人類產(chǎn)品消費(fèi)量和消費(fèi)模式角度衡量區(qū)域水資源利用效率，本文選取水足跡結(jié)構(gòu)、效益和生態(tài)安全三方面指標(biāo)，采用定性定量相結(jié)合的方式對(duì)河南省水資源利用做了系統(tǒng)評(píng)價(jià)。通過對(duì)河南省水足跡及其相關(guān)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算與分析，得到以下結(jié)論：

（1）2000—2009年，河南省水足跡、內(nèi)部水足跡及外部水足跡均呈增加趨勢(shì)，其中水足跡及內(nèi)部水足跡在2006年左右開始突變，外部水足跡在2004年左右開始突變。河南省水資源消耗總量增加了35.64%，單位土地水資源消耗量增加了36.64%，萬噸水足跡能支撐的人口數(shù)量減少了23.13%，水資源利用效率提高了213.33%，反映出河南省水資源消耗總量、單位土地水資源消耗量增加和單位水足跡支撐的人口數(shù)量減少的同時(shí)，水資源的利用效率也在逐步提高。水資源自給率平均值為97.99%，水資源匱乏指數(shù)305.00%，表明水足跡土地密度和水足跡的增長(zhǎng)超出了省內(nèi)的水資源負(fù)荷，超采水資源現(xiàn)象突出。

（2）河南省各地市水資源利用的空間差異明顯，其中，駐馬店和周口水資源消耗總量最大，水資源利用效率卻很低；駐馬店、商丘的水資源依賴度最小，產(chǎn)品虛擬水消費(fèi)高度依賴本地水資源；鄭州、三門峽和洛陽(yáng)的水足跡經(jīng)濟(jì)效益最大，水資源利用效率較高；許昌水足跡凈貿(mào)易輸出量最大，水足跡外部化較高；漯河、許昌水資源匱乏指數(shù)最大同時(shí)水資源依賴度卻較低，水資源超采嚴(yán)重。

圖6 河南省2009年水足跡代表指數(shù)空間聚類

限于氣象數(shù)據(jù)的不足，本文單位農(nóng)畜產(chǎn)品虛擬水含量采用2004年Chapagain和Hoekstra等［17］有關(guān)中國(guó)部分研究成果及雷玉桃［18］等對(duì)河南省虛擬水研究成果，并非自己利用彭曼公式計(jì)算所得，所以研究結(jié)果會(huì)在時(shí)間和空間上存在一定的誤差。這是本文存在的局限性，本人將在今后的研究中解決這些問題。

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