劉 巍 李雨晴 付 強 孟 軍 李天霄 戴 爽

(1.東北農業(yè)大學水利與土木工程學院， 哈爾濱 150030； 2.東北農業(yè)大學經濟管理學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

水足跡概念最先于2002年由HOEKSTRA提出，將其定義為：在一定時期內(一般是1年)生產某一產品或提供某種服務所消耗的淡水資源量[1-2]。糧食作為一種耗水密集型產品，其水足跡能夠反映某一區(qū)域糧食生產過程中水資源的利用情況[3-4]。黑龍江省是我國重要的商品糧基地[5]，自2010年起，全省糧食產量連續(xù)9年位列全國第一[6]，然而，黑龍江省單位面積灌溉水量比全國平均值高5～6倍[7-8]，且水資源時空分布不均，農業(yè)水資源利用效率低[9-10]。因此，有必要研究糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡的時空變化規(guī)律及影響因素，使黑龍江省在穩(wěn)產的同時提高農業(yè)水資源利用率。

隨著水足跡理論的發(fā)展，關于糧食水足跡的研究日漸增多。孫世坤等[11]利用水足跡理論分析了中國大陸小麥水足跡空間分布特征，并對造成水足跡區(qū)域差異的因素進行歸因分析。CHAPAGAIN等[12]對世界主要生產國的水稻藍水足跡、綠水足跡、灰水足跡構成進行了量化和分析。徐猛等[13]利用CROPWAT模型評估了哈爾濱地區(qū)大豆的水足跡，為黑龍江省大豆主產區(qū)水肥統(tǒng)籌管理提供了依據(jù)。劉聰[14]計算了中國31個省的小麥、玉米和水稻3種主要糧食作物的水足跡，并對其空間分布特征進行評價。張凡凡等[15]對全國31個省糧食水足跡的影響因素進行了分析。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)的糧食水足跡差異顯著。

針對黑龍江省區(qū)域特點及存在的農業(yè)用水問題，根據(jù)水足跡理論，本文分別對2008—2018年黑龍江省11個市級地區(qū)的主要糧食作物(水稻、大豆、小麥)的平均藍水足跡、綠水足跡及總水足跡[16]進行評價，明晰糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡的時空分布規(guī)律，分析其影響因素，并對未來5年糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡進行預測，以期為黑龍江省農業(yè)水資源利用效率的提高及保障糧食安全提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省位于中國東北部，全省年平均氣溫-5～5℃，年降水量400～650 mm[17-18]，多年灌溉水利用系數(shù)平均值為0.53，低于全國平均水平[19]。糧食生產用水是黑龍江省主要的農業(yè)水資源消耗，占農業(yè)用水總量的89.63%[20]。黑龍江省水資源總量并不豐富，且時空差異顯著[21-22]。黑龍江省共13個下轄地區(qū)，包括12個地級市和1個地區(qū)[23-24]，本文選取2008—2018年黑龍江省11個市區(qū)(大興安嶺、黑河地區(qū)由于氣候等因素不適合作物生長，暫不予以研究)的主要糧食作物(水稻、大豆和小麥)為研究對象。計算糧食水足跡所需的地區(qū)年降水量，作物播種面積以及產量數(shù)據(jù)來自《黑龍江省統(tǒng)計年鑒》、黑龍江省水資源公報，作物灌溉定額來自黑龍江省灌溉信息網(http:∥www.hljggxx.gov.cn)。研究區(qū)域概況見圖1。

圖1 黑龍江省概況Fig.1 Location of Heilongjiang Province

1.2 研究方法

1.2.1斯皮爾曼相關系數(shù)法

斯皮爾曼相關系數(shù)法是根據(jù)2個集合中的元素在各自集合的等級來計算二者之間的相關性[25-26]。斯皮爾曼相關系數(shù)法對數(shù)據(jù)的要求較低，只需2個變量的觀測值是成對的等級，或是通過連續(xù)變量觀測資料轉換得到的等級數(shù)據(jù)，不論2個變量的總體分布形態(tài)、樣本容量，都可以用斯皮爾曼相關系數(shù)法進行相關性研究。計算公式為

(1)

式中rs——斯皮爾曼系數(shù)

di——不同集合對應變量之間的等級差

n——樣本容量

1.2.2時間序列模型

時間序列分析法[27-28]于1927年由英國統(tǒng)計學家YULE提出。時間序列分析法是通過曲線擬合和參數(shù)估計對觀測得到的時間序列數(shù)據(jù)建立數(shù)學模型的理論和方法[29]。時間序列模型包含Arima模型、Simple模型等7種模型。因本研究中不涉及趨勢和季節(jié)成分，故采用時間序列Simple模型，具體公式為

t+1=αxt+α(1-α)xt-1+α(1-α)2xt-2+…+α(1-α)t-1x1+(1-α)tl0

(2)

xt——t時刻的觀測值

α——平滑參數(shù)l0——初始值

1.2.3糧食水足跡

糧食水足跡在水足跡[30-31]概念上得來，其定義為某個區(qū)域生產糧食作物單位產量所消耗的水資源量。糧食水足跡主要包括糧食綠水足跡、糧食藍水足跡和糧食總水足跡[32-35]，為三者的統(tǒng)稱。糧食藍水足跡是指農田中可被作物利用的灌溉地表水和地下水的消耗量，反映了糧食生產過程中消耗的灌溉水資源；糧食綠水足跡是指雨水落入農田中可被作物利用的水資源量，反映了糧食生產過程中降水資源的利用情況。糧食總水足跡為糧食藍水足跡和綠水足跡的總和。本文中涉及的糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡均為3種作物藍水足跡、綠水足跡及總水足跡平均值。糧食水足跡的具體公式為

wf=wfb+wfg

(3)

其中

(4)

式中wf——糧食總水足跡，m3/t

wfb——糧食藍水足跡，m3/t

wfg——糧食綠水足跡，m3/t

Ig——糧食作物生育期內的毛灌溉水量，mm

Pe——糧食作物生育期內的有效降水量，mm

y——單位面積糧食產量，t/hm2

其中10是常量因子，是將水深轉換為單位面積水量的轉換系數(shù)。

圖3 糧食綠水足跡、藍水足跡及總水足跡空間分布圖Fig.3 Spatial distribution maps of crop green, blue and total water footprints

2 結果與分析

2.1 黑龍江省糧食水足跡時空分布規(guī)律

由圖2可知，2008—2018年間黑龍江省糧食總水足跡整體呈波動下降趨勢：2008—2010年間糧食總水足跡呈緩慢上升趨勢，而2011年驟降至1 750 m3/t后，一直處在2 000 m3/t上下，比2008—2010年的糧食總水足跡平均值下降20%，直至2018年恢復上升趨向。由趨勢線可以看出，糧食總水足跡的趨勢線斜率為-27.487，其下降趨勢最為顯著。造成黑龍江省糧食總水足跡下降的原因包括兩方面：①自然環(huán)境因素。由于全球氣候變暖對糧食種植產生了較大影響，降水減少而蒸發(fā)加快，降低了可用于糧食生產的有效降水量，使得糧食總水足跡下降[36]。②社會發(fā)展因素。隨著工業(yè)制造業(yè)用水增多，農業(yè)用水逐漸被擠占，促使農業(yè)現(xiàn)代化程度提高，水資源利用效率得到提升，使得糧食總水足跡呈下降趨勢。

圖2 2008—2018年黑龍江省糧食綠水足跡、藍水 足跡及總水足跡時間分布規(guī)律Fig.2 Temporal distribution of crop green, blue and total water footprints in Heilongjiang Province in 2008—2018

由圖3可知，黑龍江省糧食總水足跡整體呈現(xiàn)南北高，東西低的變化趨勢，其中，糧食綠水足跡及藍水足跡的空間分布趨勢具有一致性，糧食藍水足跡、綠水足跡高值區(qū)在黑龍江省的牡丹江、伊春和齊齊哈爾，而哈爾濱、大慶等中東部地區(qū)屬糧食藍水足跡、綠水足跡低值區(qū)。糧食總水足跡空間分布規(guī)律與降水量有密切聯(lián)系，黑龍江省南、北部和西部降水量較多，屬于濕潤地區(qū)，糧食總水足跡高；而中部和東部地區(qū)降水量偏少，屬于半濕潤半干旱地區(qū)，糧食總水足跡較低[37]。

2.1.1時間分布

由圖2可知，黑龍江省糧食藍水足跡、綠水足跡的變化趨勢與糧食總水足跡一致：2008—2010年糧食藍水足跡、綠水足跡呈上升趨勢，自2011年驟降后，期間雖有波動但未能恢復，直至2018年才有所上升。從糧食藍水足跡、綠水足跡的對比情況來看，糧食綠水足跡趨勢線斜率為-14.422，糧食藍水足跡趨勢線斜率為-13.065，糧食綠水足跡下降趨勢比藍水足跡顯著；糧食藍水足跡與綠水足跡比例始終趨于1∶3，表明黑龍江省糧食用水結構10年間基本保持不變。

2008—2018黑龍江省糧食綠水足跡波動在1 750 m3/t，整體有下降趨勢。由于2011年黑龍江省糧食作物生產經歷了春早、伏旱等氣象災害，使得當年黑龍江省糧食綠水足跡呈現(xiàn)顯著下降，之后的幾年持續(xù)波動始終未超過1 750 m3/t，因此將2008—2018年黑龍江省糧食綠水足跡分成兩個時期：2008—2010年(糧食綠水足跡平均值1 838 m3/t)和2011—2018年(糧食綠水足跡平均值1 562 m3/t)。黑龍江省糧食藍水足跡也有著類似的情況，自然災害同樣影響到2011年黑龍江省糧食藍水足跡，由于旱災使得降水量減少，導致可灌溉供水量的驟降，進而引起糧食藍水足跡下降。

2.1.2空間分布

利用ArcGIS軟件繪制2008—2018年黑龍江省11個地區(qū)糧食綠水足跡、藍水足跡及總水足跡的空間分布圖，如圖4～6所示。黑龍江省綠水足跡的低值區(qū)主要集中在黑龍江省的中部和東部地區(qū)，包括大慶、哈爾濱、雞西、雙鴨山、佳木斯、綏化，其中大慶最低，占總綠水足跡的5.3%。綠水足跡的高值區(qū)主要分布在南部、北部和西部地區(qū)，包括伊春、牡丹江、七臺河、鶴崗市、齊齊哈爾，其中伊春市最高，占糧食總綠水足跡比例為15.2%。黑龍江省藍水足跡的低值區(qū)主要集中在黑龍江省的中部和東部地區(qū)，特別是大慶、哈爾濱、綏化和佳木斯。而高值區(qū)則分布在南部、北部和西部地區(qū)，包括齊齊哈爾、伊春、牡丹江，北部地區(qū)齊齊哈爾的糧食藍水足跡最高。黑龍江省糧食總水足跡整體呈現(xiàn)南北高、東西低的變化趨勢。為了更清晰地表征黑龍江省各個地區(qū)的糧食總水足跡等級分布情況，將糧食總水足跡分為4個等級：伊春、牡丹江糧食總水足跡為Ⅰ級，糧食總水足跡過剩；齊齊哈爾、七臺河和鶴崗為Ⅱ級，糧食總水足跡較為適宜；雙鴨山、佳木斯、雞西、綏化為Ⅲ級，糧食總水足跡相對正常；而大慶地區(qū)、哈爾濱地區(qū)為Ⅳ級，糧食總水足跡十分稀缺。由此可以看出，各個地區(qū)水足跡分布不均，差異較大，存在著糧食水足跡過剩與稀缺并存的情況。可采取工程措施實現(xiàn)省內的“南北水，東西調”，將糧食水足跡過剩地區(qū)如伊春、牡丹江的水資源，調入水足跡稀缺地區(qū)如哈爾濱、大慶，以改善糧食水足跡的空間分布結構。

2.2 黑龍江省糧食水足跡影響因素分析

利用斯皮爾曼相關系數(shù)法對黑龍江省糧食水足跡的影響因素進行分析，得到各影響因素相關系數(shù)(表1)。對于糧食藍水足跡，人口密度對其影響最大，其次是GDP、播種面積、降水量、糧食產量、單位面積產量，其中，GDP、單位面積產量、糧食產量、播種面積的相關系數(shù)為負值。GDP的相關系數(shù)為-0.573 2，負相關程度最顯著。糧食藍水足跡反映了糧食生產過程中消耗的灌溉水資源，在灌溉用水比例一定的情況下，糧食藍水足跡越低，灌溉水資源的利用效率越高。GDP是指一定時期內生產活動的最終成果，代表著經濟發(fā)展水平，一個地區(qū)的經濟發(fā)展水平越高，工業(yè)及第三產業(yè)越發(fā)達，相應的用水量越大，導致農業(yè)可供水被工業(yè)及第三產業(yè)用水擠占，因而GDP與糧食藍水足跡呈現(xiàn)負相關；人口密度對糧食藍水足跡影響最大，相關系數(shù)為0.718 2，表明人口越多，糧食產品的需求量越高，生產過程中消耗的農業(yè)灌溉水資源總量就越多；此外，降水量可間接影響灌溉可供水量，降水量越大，灌溉可供水量越大，因而降水量與糧食藍水足跡呈正相關。

圖4 糧食綠水足跡逐年空間分布圖Fig.4 Spatial distribution maps of crop green water footprint

圖5 糧食藍水足跡逐年空間分布圖Fig.5 Spatial distribution maps of crop blue water footprint

圖6 糧食總水足跡逐年空間分布圖Fig.6 Spatial distribution maps of crop total water footprint

對于糧食綠水足跡，降水量對其影響最大，其次是播種面積、GDP、糧食產量、單位面積產量、人口密度，其中，GDP、單位面積產量、糧食產量、播種面積與糧食綠水足跡呈負相關。糧食綠水足跡反映了糧食生產過程中降水資源的可利用情況，由于降水量直接影響作物生長蒸騰作用中可利用雨水資源量，其對糧食綠水足跡影響最大，相關系數(shù)為0.672 7。播種面積與糧食綠水足跡的負相關性最顯著，相關系數(shù)為-0.263 6，在作物生育期有效降水量穩(wěn)定的狀態(tài)下，隨著播種面積的增大，單位播種面積上的可利用降水量減少，進而導致糧食綠水足跡下降。

對于糧食總水足跡，GDP、播種面積、糧食產量、降水量與其呈負相關，單位面積產量、人口密度與糧食總水足跡呈正相關。根據(jù)糧食水足跡的計算公式可知，單位面積產量是計算糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡量的重要變量之一，因而單位面積產量的影響最大，相關系數(shù)為0.663 6；而GDP越高，農業(yè)工業(yè)化程度越大，水資源利用效率越高，使得糧食總水足跡呈下降趨勢。因而GDP與糧食總水足跡的負相關性顯著。

2.3 黑龍江省糧食水足跡預測結果分析

結合當?shù)匾?guī)劃目標，根據(jù)式(3)、(4)及2.2節(jié)的結果選取對糧食水足跡影響較大的3個因素進行預測，即播種面積、降水量、糧食產量(1998—2018年)，得出2021—2025年糧食水足跡3個因素的預測趨勢圖(圖7)。由圖可以看出，糧食產量和播種面積在未來5年整體都有上升趨勢，而降水量波動幅度較大。根據(jù)以上預測結果對糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡進行計算，由表2可知，2021—2025年黑龍江省糧食綠水足跡遠大于糧食藍水足跡，糧食藍水足跡平均值為563 m3/t，糧食綠水足跡平均值為1 487 m3/t，糧食總水足跡平均值為2 050 m3/t，糧食藍水足跡、綠水足跡、總水足跡均有下降趨勢。

結合上述結果分析造成糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡下降趨勢的原因：①氣候環(huán)境的變化使降水量減少，同時氣候變暖使蒸發(fā)加快，因而糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡下降。②根據(jù)當前的政策形勢來看，農業(yè)逐漸工業(yè)化，形成規(guī)模效應。雖然播種面積和產量在未來幾年略有上升，預計2021—2025年播種面積從8.15×106hm2增長到8.74×106hm2，漲幅為7.24%；產量由3.319×107t增長到3.474×107t，漲幅為4.67%，然而工業(yè)等其他行業(yè)用水擠占農業(yè)用水的現(xiàn)象凸顯[38]，農業(yè)工業(yè)化程度越大，水資源利用效率越高，進而糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡呈現(xiàn)降低趨勢。可采取科學方法合理制定農業(yè)發(fā)展規(guī)劃，持續(xù)提高農業(yè)水資源利用率，合理促進農業(yè)發(fā)展。

3 結論

(1)黑龍江省不同地區(qū)糧食水足跡差異顯著，>存在糧食水足跡過剩與稀缺并存的現(xiàn)象。糧食水足跡在空間上呈現(xiàn)南北高、東西低的趨勢，伊春、牡丹江地區(qū)的糧食水足跡較豐富，而哈爾濱、大慶地區(qū)的糧食水足跡相對匱乏；在時間分布上，2011、2016年糧食總水足跡最低。

(2)人口密度對糧食藍水足跡影響最大，降水量對糧食綠水足跡影響最大，GDP、播種面積、糧食產量、降水量與糧食總水足跡呈負相關，單位面積產量、人口密度與糧食總水足跡呈正相關。

(3)未來5年(2021—2025年)，黑龍江省糧食藍水足跡平均值為563 m3/t，糧食綠水足跡平均值為1 487 m3/t，糧食總水足跡平均值為2 050 m3/t，糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡呈下降趨勢。

(4)黑龍江省糧食生產供水量不足的問題不容樂觀，一方面應科學制定農業(yè)發(fā)展規(guī)劃，提高農業(yè)水資源利用率，合理促進農業(yè)發(fā)展；另一方面應采取工程措施，實現(xiàn)省內的“南北水，東西調”，將糧食水足跡過剩地區(qū)的水資源調入水足跡稀缺地區(qū)，以改善糧食水足跡的空間分布結構。