王月英， 劉科偉，孫貴先

（1．西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710027；2．陜西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院規(guī)劃設(shè)計(jì)所，陜西 西安 710021；3.河北省盧龍縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北 盧龍 066400）

水資源是維系社會生產(chǎn)的基礎(chǔ)資源，然而隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的不斷增加，水資源短缺問題在不斷加劇，同時水環(huán)境問題也逐漸凸顯［1-2］。農(nóng)業(yè)是世界上最大的水資源利用行業(yè)，占據(jù)了全球近70%的淡水開采量。對農(nóng)業(yè)水資源利用效率進(jìn)行有效評價對水資源的管理具有十分重要的意義［1］。針對農(nóng)業(yè)的高耗水特性，對農(nóng)業(yè)水資源使用類型、數(shù)量和效率合理評價，是提高用水效率和有效管理水資源的關(guān)鍵［2］。

水足跡概念（WF）首先由Hoekstra提出［3］，作物生產(chǎn)水足跡根據(jù)水資源消耗類型，分為藍(lán)、綠和灰水足跡，藍(lán)水足跡一般是指作物生產(chǎn)對地下水和地表水產(chǎn)生的消耗，綠水足跡是作物生長對降水的消耗，灰水足跡是指稀釋作物生長過程因化肥和農(nóng)藥使用所產(chǎn)生的污染物所需要的淡水資源理論消耗［4］。作物水足跡能夠?qū)r(nóng)業(yè)生產(chǎn)從用水量、用水類型及用水效率進(jìn)行科學(xué)合理地評價，為進(jìn)行農(nóng)業(yè)水資源評價和管理提供了1個良好的指標(biāo)［5］。水足跡概念的提出為水資源科學(xué)管理提供了新的路徑，拓寬了傳統(tǒng)水資源的評價體系，很多學(xué)者圍繞水足跡概念、量化方法、水資源評價和管理等進(jìn)行了大量研究，水足跡的研究對象涉及全球、區(qū)域以及流域等多個尺度［6-8］。Hoekstra等［4］提出了水足跡量化及評價框架，并闡述了水足跡評價的目標(biāo)和方法。Sun 等［7］提出了1種改進(jìn)的作物水足跡量化方法，并分析了河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)投入因素和氣候變化對糧食生產(chǎn)水足跡的影響，表明通過對農(nóng)業(yè)投入的管理和農(nóng)業(yè)用水效率的提高，可以使作物水足跡控制在1個合理水平上。Wichelns等［8］基于水足跡概念以墨西哥水資源管理的決策和實(shí)踐的歷史為例，探討了水資源管理的政策制定的問題。然而對于作物水足跡區(qū)域差異及其歸因分析的相關(guān)成果還較少。孫世坤等［9］分析了中國小麥生產(chǎn)水足跡區(qū)域差異，表明區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和氣候條件的差異是造成小麥水足跡空間差異的主要原因。韓宇平等［10］分析了海河流域冬小麥水足跡及其影響因素，表明農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力、化肥施用折純量對冬小麥水足跡直接影響最大。

小麥和玉米是河北省主要糧食作物，同時也是主要的耗水作物，對小麥—玉米水足跡的量化以及區(qū)域差異的分析，有助于評價小麥—玉米生產(chǎn)過程中水資源消耗類型和用水效率及其區(qū)域差異，進(jìn)而為作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和制定農(nóng)業(yè)水資源管理政策等提供有益參考。對于河北省農(nóng)業(yè)水足跡研究已有較多的成果，蓋立強(qiáng)等計(jì)算了華北地區(qū)小麥和玉米作物生產(chǎn)藍(lán)、綠、灰水足跡，表明綠水在當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物生產(chǎn)中占有重要的地位［11］。韓宇平等［12］分析了京津冀地區(qū)主要作物水足跡分布，表明河北省作物水足跡東部和南部較大, 西部和北部區(qū)域較小。然而對河北省小麥—玉米水足跡空間變化和影響因子歸因分析的相關(guān)研究還較為鮮見。本研究以小麥—玉米為研究對象，結(jié)合區(qū)域氣象和農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對河北省小麥—玉米的水足跡及其藍(lán)、綠、灰水足跡構(gòu)成進(jìn)行量化，在此基礎(chǔ)上采用通徑分析對造成小麥—玉米水足跡區(qū)域差異的影響因素進(jìn)行歸因分析。

1 材料與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

河北省地處華北平原，位于北緯36°03′至42°40′，東經(jīng) 113°27′至 119°50′之間，屬于溫帶大陸性氣候。河北省西有太行山，北為燕山，地勢西北高、東南低，由西北向東南傾斜，地貌包含了高原、丘陵、盆地、平原和草原等地貌特征。根據(jù)河北省農(nóng)業(yè)綜合區(qū)劃，基于河北省140余市縣區(qū)劃為7個區(qū)域，分別為壩上內(nèi)陸河區(qū)、冀西北山間盆地區(qū)、燕山山區(qū)、太行山山區(qū)、太行山山前平原區(qū)、燕山丘陵平原區(qū)和黑龍港低平原區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究2001—2015年逐日氣象數(shù)據(jù)包括：日最高氣溫、日最低氣溫、平均風(fēng)速、日照時數(shù)、相對濕度、逐日降水量以及各氣象站點(diǎn)的經(jīng)緯度、海拔高程等相關(guān)數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺（http:∥data.cma.cn)。各縣市作物面積和產(chǎn)量、有效灌溉面積、化肥施用量、農(nóng)業(yè)機(jī)械動力等資料由《河北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》（2002—2016）匯總得到。

2 研究方法

2.1 小麥—玉米作物水足跡

作物水足跡（WFcrop，m3/t）指單位質(zhì)量的作物生產(chǎn)過程中消耗的水資源量，包括綠水足跡(WFgreen）、藍(lán)水足跡（WFblue）和灰水足跡（WFgrey），《水足跡評價手冊》提供的量化方法是被廣泛采用的計(jì)算方法，計(jì)算方法如下［13］：

其中CWUgreen表示作物對綠水的利用量（m3/hm2），CWUblue表示作物對藍(lán)水的利用量（m3/hm2），Y表示某作物的單位面積產(chǎn)量（t/hm2），10為單位轉(zhuǎn)化系數(shù)，將單位由水深(mm)轉(zhuǎn)化為單位面積水量（m3/hm2），ETgreen為綠水蒸散發(fā)（mm/d）是作物蒸散發(fā)中來自有效降水的部分，ETblue為藍(lán)水蒸散發(fā)（mm/d）是作物蒸散發(fā)中來自灌溉水的部分，計(jì)算公式如下：

式中：Kc為小麥和玉米作物系數(shù)［14］；Peff為有效降水量，采用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局（USDASCS）的方法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時段細(xì)化至旬［15］，計(jì)算公示如下：

Pdec為旬降水量，Peff, dec為旬有效降水量，作物生育期內(nèi)的綠水消耗為生育期內(nèi)各旬有效降水的和。

ET0表示作物生育期潛在蒸散量，采用Penman-Monteith公式計(jì)算，各參數(shù)參照文獻(xiàn)［16］。

式中：ET0為潛在蒸散量；Rn為作物表面輻射量（MJ/(m2·d)）；G為土壤熱通量（MJ/(m2·d)）；Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線的斜率（kPa/℃）；γ為濕度計(jì)常數(shù)（kPa/℃）；T為空氣平均溫度（℃）；U2為在地面以上2 m高處的風(fēng)速（m/s）；es為空氣飽和水汽壓（hPa）；ea為空氣實(shí)際水汽壓（hPa）。

作物生長過程中氮肥在化肥施用中比例最高，對農(nóng)業(yè)面源污染貢獻(xiàn)最大，作物灰水足跡計(jì)算公式為：

AR為折純后每公頃氮肥施用量(kg/hm2)；α為氮肥淋失率取10%［17］；cmax為污染物的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度，根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)cmax定為0.01 kg/m3；cnat為受納水體的自然本底質(zhì)量濃度取值為0。

2.2 小麥—玉米水足跡區(qū)域差異影響因素分析

本研究采用通徑分析確定各因素對作物水足跡的影響。通徑分析是在多元回歸的基礎(chǔ)上加以分解，提供了1種分離直接和間接影響并測算影響因素的相對重要性的途徑，通過直接通徑、間接通徑和總通徑系數(shù)來表示影響因子對因變量的直接影響、間接影響和綜合影響［11,18］。為了分析引起河北省小麥—玉米水足跡差異性的主導(dǎo)因素，選取氣象要素和農(nóng)業(yè)投入等主要影響因子，包括日照時數(shù)X1、平均氣溫X2、平均風(fēng)速X3、平均相對濕度X4、降水量X5、有效灌溉面積占比X6、機(jī)械動力X7、化肥使用量X8、農(nóng)藥使用量X9，對小麥—玉米單位質(zhì)量水足跡空間變化影響因素進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 農(nóng)業(yè)投入和氣象條件分析

作物生產(chǎn)水足跡取決于作物總用水量和單產(chǎn)，氣象因子和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平的差異，決定了需水量和作物生長狀況，從而作物水足跡呈現(xiàn)顯著的時空變化。農(nóng)業(yè)投入分析如圖1所示。

圖1 2001—2015年河北省農(nóng)業(yè)投入變化Fig.1 Change of agricultural Input in Hebei Province from 2001—2015

河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力、化肥使用量變化最為顯著，R2均大于0.90，表現(xiàn)出持續(xù)上升趨勢。農(nóng)藥的使用量，R2為0.71，在2001—2015整體表現(xiàn)為上升趨勢，在2001—2009年表現(xiàn)出明顯的增加趨勢，在2010年有顯著的下降而后處于波動狀態(tài)，主要是在農(nóng)業(yè)管理水平的提高和人們對高品質(zhì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的需求下，農(nóng)業(yè)對農(nóng)藥的使用需求減少引起的。有效灌溉面積，R2為0.009，在2001—2015時間段較為穩(wěn)定，變化趨勢不明顯。農(nóng)業(yè)投入的不斷加大有利地保證了區(qū)域糧食增產(chǎn)增收，為糧食安全問題提供了保障。

表1顯示了各區(qū)域氣象條件和農(nóng)業(yè)投入狀況，由于地形地貌，生產(chǎn)規(guī)模和條件等因素的影響，各區(qū)域氣象條件和農(nóng)業(yè)投入狀況差異性顯著。氣象條件方面，日照時數(shù)壩上內(nèi)陸河區(qū)和冀西北山間盆地區(qū)最高（約2 700 h），太行山山區(qū)和太行山山前平原區(qū)較低（約2 100 h）。 平均氣溫壩上內(nèi)陸河區(qū)僅為4.8 ℃，太行山山區(qū)和太行山山前平原區(qū)平均氣溫達(dá)13.9 ℃，溫差為9.1℃。平均風(fēng)速壩上內(nèi)陸河區(qū)和冀西北山間盆地區(qū)較高。相對濕度和降水量差異性較為一致，壩上內(nèi)陸河區(qū)和冀西北山間盆地區(qū)降水少、相對濕度低，燕山山區(qū)、燕山丘陵平原區(qū)和黑龍港低平原區(qū)降水豐富，相對濕度較高。農(nóng)業(yè)投入方面，壩上內(nèi)陸河區(qū)有效灌溉面積最低和其他區(qū)域差距較大。壩上內(nèi)陸河和冀西北山間盆地區(qū)機(jī)械總動力、化肥和農(nóng)藥使用量明顯低于其他區(qū)域。平原區(qū)有效灌溉面積占比高于其他地區(qū)，壩上內(nèi)陸河區(qū)最低僅為19%。

表1 2001—2015河北省年均氣象因素和農(nóng)業(yè)投入水平Table 1 Annual average meteorological factors and agricultural input level in Hebei Province, 2001—2015

3.2 河北省小麥和玉米水足跡構(gòu)成和單位質(zhì)量水足跡變化

河北省2001—2015年小麥和玉米單位質(zhì)量水足跡平均值分別為1 210.4 m3/t(綠水16%、藍(lán)水56.1%、灰水27.9%)和1 012.1 m3/t（綠水40.3%、藍(lán)水26.5%、灰水33.3%），均呈現(xiàn)出較為明顯的下降趨勢，年均變幅分別為-23.2 m3/(t·a)和-21.82 m3/(t·a)，其中綠水、藍(lán)水和灰水足跡年均變幅小麥為 -4.5、-11.1和 -7.6 m3/(t·a)，玉米為 -2.9、-10.6和-8.3 m3/(t·a)，其中藍(lán)水足跡下降幅度最大。小麥和玉米單位質(zhì)量水足跡的降低反映出區(qū)域作物用水效率不斷的提高。小麥單位質(zhì)量水足跡略高于玉米，但作物生長用水類型差異明顯，小麥生長對藍(lán)水需求較高達(dá)56.1%，而玉米生長對綠水利用較多達(dá)40.3%，主要受河北省氣候特征和作物生育期影響(圖 2)。

圖2 2001—2015年河北省小麥—玉米單位質(zhì)量水足跡年際變化Fig.2 Unit water footprint and trend for wheat (a)and maize(b)in the Hebei province during 2001—2015

3.3 河北省小麥—玉米各區(qū)域水足跡空間差異性分析

依照作物水足跡量化方法，本研究計(jì)算了河北省140余市縣區(qū)小麥—玉米水足跡，并按照河北省農(nóng)業(yè)綜合區(qū)劃歸納總結(jié)，各區(qū)域小麥—玉米總水足跡和單位質(zhì)量水足跡如表2所示。

黑龍港低平原區(qū)和太行山山前平原區(qū)是河北省小麥—玉米的主要種植區(qū)，2001—2015年小麥—玉米水足跡分別126.1億m3和101.6億m3占各作物總水足跡80.3%和61.1%。小麥—玉米區(qū)域間用水構(gòu)成差異較大。燕山山區(qū)和燕山丘陵平原區(qū)小麥綠水水足跡占比較高分別為21.2%、17.6%，其中撫寧區(qū)、遷安縣綠水足跡占比高達(dá)24%，這與該區(qū)域降水豐富有關(guān)。黑龍港低平原區(qū)和燕山山區(qū)小麥藍(lán)水足跡占比整體較高為60.9%，56.7%，藍(lán)水占比最高地區(qū)為武強(qiáng)縣達(dá)70%。太行山山前平原區(qū)和燕山丘陵平原區(qū)小麥灰水足跡占比較高31.9%，31.2%。黑龍港低平原區(qū)和太行山山區(qū)玉米綠水足跡占比較高為43.1%，41.6%，綠水占比最高的玉田縣和遵化市超過50%。壩上內(nèi)陸河區(qū)和冀西北山間盆地區(qū)玉米藍(lán)水足跡占比遠(yuǎn)高于其他區(qū)域?yàn)?5.2%，41.9%，其他區(qū)域在20%～30%之間，燕山丘陵平原區(qū)、太行山山前平原區(qū)和燕山山區(qū)玉米灰水足跡較高為39.3%、37.6%和37.1%。

小麥—玉米單位質(zhì)量水足跡空間差異明顯，小麥單位質(zhì)量水足跡整體表現(xiàn)為燕山丘陵平原區(qū)＞太行山山區(qū)＞燕山山區(qū)＞黑龍港低平原區(qū)＞太行山山前平原區(qū)。燕山山區(qū)降水充沛，小麥單位質(zhì)量綠水足跡最高。太行山山前平原降水量最小，小麥單位質(zhì)量綠水足跡較低。燕山丘陵平原區(qū)施肥量大，單位質(zhì)量灰水足跡為415.8 m3/t。玉米單位質(zhì)量水足跡表現(xiàn)為壩上內(nèi)陸河＞冀西北山間盆地區(qū)＞燕山山區(qū)＞太行山山區(qū)＞燕山丘陵平原區(qū)＞黑龍港低平原區(qū)＞太行山山前平原區(qū)，其中壩上內(nèi)陸河區(qū)遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。

表2 2001—2015河北省各區(qū)域小麥-玉米水足跡多年平均值Table 2 Multi-year average of wheat-maize water footprint in Hebei Province from 2001 to 2015

3.4 影響因素歸因分析

為保證統(tǒng)計(jì)分析的準(zhǔn)確性，增加樣本容量，以河北省140余市縣區(qū)為樣本進(jìn)行小麥—玉米單位質(zhì)量水足跡空間變化歸因分析，較文獻(xiàn)［13-14］相關(guān)研究而言樣本數(shù)量更為豐富。表3和表4分別為小麥和玉米水足跡空間變化影響因素通徑分析。

表3 小麥水足跡空間變化影響因素通徑分析Table 3 Path analysis of influencing factors on spatial variation of wheat water footprint

總通徑系數(shù)反映了各影響因子對小麥—玉米水足跡空間變化的綜合影響程度。小麥水足跡空間變化各個影響因素的總影響依次為X3、X5、X1、X9、X7、X4、X6、X8和X2，各影響因子中平均風(fēng)速、降水量對小麥水足跡空間變化影響最大，其次為日照時數(shù)和平均氣溫，而有效灌溉面積占比和平均相對濕度的影響較低。玉米水足跡空間變化各個影響因素的影響程度依次為X1、X3、X9、X8、X7、X5、X4、X6和X2，各影響因子中平均氣溫和日照時數(shù)的直接影響因素最大，有效灌溉面積占比和平均相對濕度次之，農(nóng)藥使用量影響較低。平均風(fēng)速和平均相對濕度對小麥水足跡空間變化直接影響程度較大，日照時數(shù)和平均氣溫直接影響較低。平均相對濕度、日照時數(shù)和有效灌溉面積占比對玉米水足跡空間變化直接影響程度較大，化肥和農(nóng)藥使用量直接影響較低。間接通徑系數(shù)表明各因素通過其他因素對小麥—玉米水足跡空間變化影響程度，通過各因子間接通徑系數(shù)可知：對小麥水足跡空間變化影響中平均相對濕度和平均風(fēng)速的間接通徑系數(shù)較大；對玉米水足跡空間變化影響中平均氣溫和降水量的間接通徑系數(shù)較大。

表4 玉米水足跡空間變化影響因素通徑分析Table 4 Path analysis of influencing factors on spatial change of water footprint in maize

4 討論

農(nóng)業(yè)水資源能否高效利用，是解決水資源短缺和糧食安全問題重要因素。研究時段小麥—玉米單位質(zhì)量水足跡呈現(xiàn)遞減趨勢，表明區(qū)域隨著農(nóng)業(yè)投入和管理水平的提升，用水效率的提高，2001—2015年間河北省小麥—玉米總水足跡323.23億m3，遠(yuǎn)高于區(qū)域水資源總量，控制小麥—玉米生產(chǎn)水足跡對河北省水資源安全具有重要意義。降低單位質(zhì)量作物水足跡是降低區(qū)域水足跡量的重要途徑，尤其是對水資源短缺的河北省，降低小麥—玉米單位質(zhì)量水足跡是兼顧糧食安全和水資源安全的有效辦法。但是值得注意的是，2001—2015年間小麥—玉米總灰水足跡為98.97億m3，農(nóng)業(yè)面源污染給區(qū)域水環(huán)境帶來了極大的威脅，尤其是在河北省這樣水資源匱乏地區(qū)帶來的環(huán)境問題比富水地區(qū)更為嚴(yán)重。通過科學(xué)管理，在保障產(chǎn)量的情況下減少化肥施用，對河北省水資源管理具有極大的參考價值。區(qū)域氣象條件和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的差異性是河北省小麥—玉米空間變化的主要原因，其中氣象因子占主導(dǎo)地位，平均風(fēng)速和降水量對小麥水足跡影響最大，平均氣溫和日照時數(shù)對玉米水足跡影響最大。上述結(jié)果表明：因地制宜，充分考慮區(qū)域自然氣候特征和區(qū)域水資源狀況，對比區(qū)域間種植優(yōu)勢，調(diào)整農(nóng)業(yè)種植布局，減少高耗水作物種植面積，合理擴(kuò)大具有水足跡比較優(yōu)勢區(qū)域的作物種植面積具有重要意義?？刂谱魑锓N植規(guī)模，通過增強(qiáng)田間管理水平，優(yōu)化灌溉制度［19］，合理施肥，保證作物產(chǎn)量從而控制作物單位質(zhì)量水足跡在一定的水平，是保障區(qū)域糧食安全和合理降低區(qū)域水足跡總量的有效措施，能夠有效地保障水資源安全。

本研究基于水足跡理論對河北省主要糧食作物小麥和玉米水足跡進(jìn)行了量化和分析，得到了一些初步結(jié)論，但受限于數(shù)據(jù)和方法的局限性，研究存在一些不足：本研究僅針對小麥—玉米水足跡的空間變化影響因素進(jìn)行分析，但由于計(jì)算時間序列較短，對作物水足跡時間變化的影響因素探討仍存在不足。此外文中盡可能的選取了作物水足跡的主要影響因素，研究結(jié)果雖然能為進(jìn)一步探究作物生產(chǎn)水足跡區(qū)域變化提供參考，但仍有許多不確定性，如數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)誤差和一些影響因素如土壤性質(zhì)、節(jié)水措施實(shí)施情況、地形地貌等未能全部考慮，同時也不能忽視影響因子敏感性和不確定性對分析結(jié)果的影響。

5 結(jié)論

本研究從水足跡視角出發(fā)，分析了河北省小麥—玉米水足跡空間分布差異，并采用通徑分析對造成小麥—玉米水足跡區(qū)域差異的影響因素進(jìn)行了歸因分析，得到以下初步結(jié)論：

（1）河北省小麥—玉米單位質(zhì)量水足跡呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，而且空間差異性明顯。其中北部燕山丘陵區(qū)、燕山山區(qū)以及西部太行山山區(qū)小麥—玉米單位質(zhì)量水足跡較高，而太行山山前平原和黑龍港低平原區(qū)小麥—玉米單位質(zhì)量水足跡較低，西北部壩上內(nèi)陸河和晉西北山間盆地區(qū)玉米水足跡明顯高于其他區(qū)域。

（2）河北省小麥—玉米用水構(gòu)成差異明顯，小麥生長對藍(lán)水需求較高達(dá)56.1%，而玉米生長對綠水利用較多達(dá)40.3%。各區(qū)域小麥—玉米用水構(gòu)成呈現(xiàn)一定差異性。以綠水占比為例，燕山山區(qū)小麥綠水占比較高為21.2%，太行山山區(qū)綠水占比較低為15.2%。黑龍港低平原區(qū)玉米綠水足跡占比較高為43.1%，冀西北山間盆地綠水占比較低為34.5%。

（3）小麥—玉米水足跡空間變化影響因素通徑分析表明：平均風(fēng)速和降水量對小麥單位質(zhì)量水足跡空間差異性影響最大；平均氣溫和日照時數(shù)對玉米單位質(zhì)量水足跡空間差異性影響最大。