陳洪星，李江月，楊德剛，李嘯虎，蔡天毅，夏富強

(1 中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室， 烏魯木齊 830011；2 中國科學院大學， 北京 100049； 3 新疆財經(jīng)大學旅游學院， 烏魯木齊 830012)

水是干旱區(qū)發(fā)展的生命線[1]。對于西北干旱區(qū)而言，水資源的重要性不言而喻，時空分布不均以及人類不合理利用等因素導致了諸如地下水位下降、湖泊干涸、河道斷流等問題[2]，使土地面臨退化，自然災害增加，同時也影響著干旱區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展，水資源的合理調(diào)配和高效開發(fā)利用無疑是干旱區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展中亟待解決的問題。20世紀末Allan首次提出虛擬水的概念[3]，將虛擬水與貿(mào)易和消費聯(lián)系起來，賦予其生態(tài)經(jīng)濟的內(nèi)涵。在全球水資源短缺的嚴峻形勢下，人們重新審視虛擬水視角下的糧食安全[4-6]、農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易[5,7]、農(nóng)業(yè)水資源開發(fā)[8]等.

21世紀初程國棟院士將虛擬水這一概念引入國內(nèi)[9]，與此同時Hoekstra提出“水足跡”的概念[10]，二者之間存在聯(lián)系，但也有區(qū)別，單位產(chǎn)品耗水量(包括稀釋水需求量)稱為“農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡”，而只有在農(nóng)產(chǎn)品發(fā)生貿(mào)易或者交換的時候才稱為“虛擬水”，也就是說虛擬水往往和貿(mào)易聯(lián)系在一起。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，目前學界大都認為虛擬水與貿(mào)易、經(jīng)濟流動、產(chǎn)品進出口等掛鉤，而水足跡描述人類的生產(chǎn)和消費對于水資源系統(tǒng)的影響。關(guān)于水足跡的研究尺度，可以分為國家水足跡、個人水足跡；種類上可以分為綠水足跡、藍水足跡、灰水足跡等。另外關(guān)于水足跡理論[11-14]、水足跡量化計算[15-18]以及水足跡與各產(chǎn)業(yè)間的內(nèi)在機理研究[19-26]等也有一系列的學術(shù)熱潮。

縱覽已有研究，水足跡仍然是當下研究熱點，回顧以往研究，主要存在以下不足：研究尺度主要集中在國家、地區(qū)、省級等尺度，而縣域小尺度研究較少；另外水足跡理論為干旱區(qū)節(jié)水灌溉、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、空間布局等方面提供了很好的研究視角，水足跡視角下干旱區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)時空分布格局如何，以及水足跡與資源環(huán)境經(jīng)濟等要素的匹配情況如何，這都是以往研究中尚未涉及的。本文在征詢專家意見基礎(chǔ)上建立農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度的評價指標，用以表征地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力；測算水足跡指數(shù)，用以表征農(nóng)業(yè)布局現(xiàn)狀；在此基礎(chǔ)上構(gòu)建差異指數(shù)模型衡量兩者之間的關(guān)系，代表了農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿εc現(xiàn)實農(nóng)業(yè)情況之間的差別，即可得知某個地區(qū)的潛力是否完全發(fā)揮，或者某個地區(qū)的水土資源是否已經(jīng)過度利用。這樣一來，水足跡與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度便產(chǎn)生了聯(lián)系。然后采用不平衡指數(shù)探究水足跡與資源、環(huán)境、經(jīng)濟、技術(shù)等各要素的匹配特征，找出引起不平衡的原因，旨在尋求各縣市最佳的農(nóng)業(yè)發(fā)展策略，同時期望為類似區(qū)域在農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)資源優(yōu)化配置問題提供參考。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處天山北麓及準噶爾盆地南緣(圖1)，山地、綠洲、荒漠鑲嵌其中，東起木壘縣，西至溫泉縣，屬于中溫帶干旱大陸性氣候區(qū)，總面積約15.12萬 km2，占全疆總面積的9.08%，分為東(木壘縣、奇臺縣、吉木薩爾縣、阜康市、烏魯木齊市)，中(昌吉市、呼圖壁縣、瑪納斯縣、沙灣縣、克拉瑪依市、奎屯市、烏蘇市)，西(溫泉縣、博樂市、精河縣)3個片區(qū)，區(qū)內(nèi)年均溫6.7～8.9 ℃，多年平均降水量224.28 mm，水資源總量109.02×108m3，多年平均日照時數(shù)2 671.5 h，獨特的氣候條件造就了特色鮮明的農(nóng)業(yè)資源，各具特色的農(nóng)、林、牧等產(chǎn)品優(yōu)勢決定了天山北麓農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)具有農(nóng)業(yè)發(fā)展上的巨大發(fā)展?jié)摿Γ?017年年末該區(qū)域人口達到624.60萬人，農(nóng)村人口190.70萬人，農(nóng)村人口占區(qū)域總?cè)丝诘?0.53%，第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值474.41億元，占據(jù)全疆第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的28.77%，是新疆人口分布最集中、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢最大的區(qū)域。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 The location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究涉及4個時間截面(2000,2005,2010,2017年)，各指標原始數(shù)據(jù)來源于相應年份的新疆統(tǒng)計年鑒、各地州統(tǒng)計年鑒以及氣象水文資料、新疆縣域社會經(jīng)濟資料、各縣(市)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報等。部分縣(市)某些指標數(shù)據(jù)缺失，缺失值用線性插補法得到，以保證數(shù)據(jù)的完整性和可比性。

需要說明的是：1) 米泉市于2007年與烏魯木齊市的東山區(qū)合并為烏魯木齊市市轄區(qū)米東區(qū)，故本文中2000和2005年關(guān)于米泉市的數(shù)據(jù)一律合并到烏魯木齊市的數(shù)據(jù)，以保持研究區(qū)的完整性和不變性；2) 由于五家渠、石河子和阿拉山口市的數(shù)據(jù)未能獲取，故下述天山北麓農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)的研究區(qū)域不包括以上3市，且不包括新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團；3) 現(xiàn)有文獻對單位虛擬水含量的測算均基于國家或者省級尺度，故本文農(nóng)畜產(chǎn)品單位虛擬水含量數(shù)據(jù)借鑒國內(nèi)外已有對于中國或者新疆地區(qū)[27-28]的測算值；4) 農(nóng)村人均純收入、農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率、耕地產(chǎn)出率3項指標中涉及到的價格均以2000年為基期的可比價進行計算，為消除量綱影響，采用極差標準化方法對所有原始數(shù)據(jù)進行無量綱化處理。

對正指標做以下處理

(1)

對逆指標做以下處理

(2)

式中:Xij表示第i個縣(市)的第j個指標標準化后的值，xij代表指標原始值，max(xij)代表第j個指標所在列的最大值，min(xij)代表第j個指標所在列的最小值。

1.3 研究方法

1.3.1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度

1)指標體系構(gòu)建

區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度指虛擬水視角下，綜合考慮區(qū)域自然、社會經(jīng)濟、生態(tài)等因素下該地區(qū)進行農(nóng)業(yè)活動的適宜度，適宜度越大表明該區(qū)域具備更強的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，按照科學性、簡潔性、系統(tǒng)性、可操作性等原則從資源稟賦、社會效益、經(jīng)濟效益、生態(tài)效益、技術(shù)保障5方面構(gòu)建農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度準則層，選擇與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密不可分的二級指標構(gòu)建指標層(表1)。

表1 區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度評價指標體系Table 1 Regional agricultural production evaluation system

2) 改進的AHP分配權(quán)重

傳統(tǒng)分配權(quán)重常用熵值法、Delphi專家咨詢法、層次分析法(AHP)等。熵值法賦權(quán)的基本原理是根據(jù)某個指標的數(shù)據(jù)離散程度賦權(quán)，當離散度較大時權(quán)重較小，根據(jù)對指標數(shù)據(jù)的觀察和對專家的咨詢，發(fā)現(xiàn)熵值法賦值并不適用；Delphi專家咨詢法對專家要求比較高，而且多次咨詢工作量大，專家感到任務繁重且操作困難；傳統(tǒng)的九標度層次分析法標度劃分多，使得指標評判主觀性強且差異大，導致最終評價結(jié)果不能很好統(tǒng)一；因此本文權(quán)衡利弊，采用改進的三標度AHP方法(0-2)對指標賦權(quán)[29]，具體操作步驟如下:

①構(gòu)建比較矩陣和判斷矩陣，根據(jù)專家意見構(gòu)造每一層次的三標度比較矩陣D=(dij)n×n,n為比較矩陣的階數(shù)。

(3)

由式(1)得到D對應的判斷矩陣A=(aij)n×n，其中

(4)

②優(yōu)化矩陣以及指標權(quán)重值計算

構(gòu)建優(yōu)化矩陣K=(kij)n×n，n為優(yōu)化矩陣階數(shù)，優(yōu)化矩陣中的元素計算公式如下

(5)

計算各評價指標的單一權(quán)重值，做歸一化處理：

(6)

(7)

3) 綜合指數(shù)加權(quán)求和模型

為定量測算天山北麓農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)各縣(市)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度，采用簡便易行且適用性強的綜合加權(quán)模型進行計算:

(8)

式中:Si為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度；Wi為各指標權(quán)重值；Xij為數(shù)據(jù)標準化值；i為指標因子個數(shù)；j為樣本數(shù)。

1.3.2 水足跡指數(shù)

本文構(gòu)建改進的農(nóng)產(chǎn)品水足跡指數(shù)模型，目的是評價區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水資源的消耗水平。以往研究[26,30]中通常采用人均水足跡這一指標，本文認為人均農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡對于一個地區(qū)的經(jīng)濟生產(chǎn)活動對資源消耗水平程度評價實際意義不大，因為該指標通常用來評價消費行為所產(chǎn)生資源環(huán)境效應，因此選用具有代表性的農(nóng)產(chǎn)品水足跡與畜產(chǎn)品水足跡總和來表征水足跡指數(shù)。該指標具體含義指某一區(qū)域內(nèi)的農(nóng)林作物或牲畜在生長過程中所利用的水資源總量，是由農(nóng)作物在生長過程中所消耗的實際水資源量決定的，值越大代表其生命周期中對水資源的需求量越高。根據(jù)新疆實際情況，選取主要農(nóng)產(chǎn)品：玉米、小麥、水稻、薯類、豆類、棉花、蔬菜、菜制品、糖類、酒類等；畜產(chǎn)品：豬肉、綿羊肉、山羊肉、牛肉、禽肉、蛋類以及奶類等。計算公式為：

Ai=WFc+WFa,

(9)

(10)

式中：Ai為水足跡指數(shù)；WFc為農(nóng)產(chǎn)品水足跡總和；WFa為畜產(chǎn)品水足跡總和；VWCc和VWCa分別為單位質(zhì)量農(nóng)、畜產(chǎn)品的單位虛擬水含量；Pc和Pa分別為區(qū)域農(nóng)、畜產(chǎn)品產(chǎn)量。

1.3.3 水足跡-農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度差異指數(shù)

差異指數(shù)用以在宏觀上定性表征該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力的關(guān)系[25]。如果生產(chǎn)優(yōu)勢度排名比水足跡指數(shù)排名高，表示該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力大，而當前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力度尚未達到最佳水平，本應為周邊或全疆貢獻更多的農(nóng)產(chǎn)品，為食物和水資源安全服務，卻尚未發(fā)揮區(qū)域水土優(yōu)勢以達到這樣的效果，因此應該加大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力度，反之同理。具體計算公式為

(11)

式中：AIj為水足跡-農(nóng)業(yè)優(yōu)勢度差異指數(shù)；RDj為區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度排名；RWj為主要的區(qū)域農(nóng)畜產(chǎn)品水足跡指數(shù)排名，根據(jù)新疆天山北麓各縣(市)實際計算值，參考南國衛(wèi)等[25]的研究，差異指數(shù)實質(zhì)是從宏觀角度對各個縣市的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的評估，因此根據(jù)具體數(shù)值，認為如果某縣市的水足跡與優(yōu)勢度的4年綜合排名指數(shù)相差2個層次，可以認為過密或者過疏，如果4年平均值的絕對值小于2，認為農(nóng)業(yè)布局合理。這樣可以避免因單一年份的偏差造成的錯誤劃分，差異指數(shù)具體分為3種情況：生產(chǎn)布局過密型(AI>2)，生產(chǎn)布局合理型(-2≤AI≤2)和生產(chǎn)布局過疏型(AI<-2)。

1.3.4 不平衡指數(shù)

僅僅采用差異指數(shù)模型并不能反映出何種要素造成差異。為進一步定量分析各縣市水足跡與各要素的空間匹配關(guān)系，經(jīng)過權(quán)衡考慮，選取表1中與水足跡密切相關(guān)且權(quán)重較為靠前的農(nóng)業(yè)灌溉用水量、常用耕地面積、農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率、化肥施用量、耕地農(nóng)機總動力5項具有代表性的指標，測算不平衡指數(shù)。該指數(shù)原用來測度城鎮(zhèn)化的水平差異[31]，本節(jié)引入以衡量區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度各主要指標要素的差異程度，反映一定單元內(nèi)部水足跡與資源、社會、經(jīng)濟、技術(shù)等各要素的不平衡程度，體現(xiàn)單元之間的外部性，可以作為測度外部公平性的參考方法。具體計算如下

(12)

式中：I為不平衡指數(shù)，n為地區(qū)數(shù)，xi、yi分別代表i地區(qū)的水足跡與各主要指標要素占全區(qū)比重。以xi、yi分別作為橫縱坐標，當二者差異越小，則點(xi、yi)越向直線y=x靠近，意味著二者的平衡程度越高，反之同理。點(xi、yi)到直線y=x的垂直距離為

(13)

di的絕對值值越小，意味著i地區(qū)的農(nóng)產(chǎn)品水足跡與各要素的空間分布差異性就越小。將各要素對應的不平衡指數(shù)分別記為Iaap、Iwai、Icca、Ialp、Iaqf、Itpm、Ieia,同時根據(jù)式(13)得到相應的daap、dwai、dcca、dalp、daqf、dtpm、deia。

2 結(jié)果與分析

2.1 水足跡指數(shù)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度時空演化分析

2.1.1 水足跡指數(shù)時空分布格局

根據(jù)式(9)、式(10)，得到4期水足跡指數(shù)(表2)，借助Arcgis10.4軟件進行空間可視化表達(圖2)。從圖表中可以看出該指數(shù)時空分布不均且存在波動，整體上呈現(xiàn)“中部高，東西低”的宏觀態(tài)勢。具體分析如下：從空間尺度來看，西部3縣(市)呈現(xiàn)低水平增長趨勢，博樂市增幅最大，這主要是因為西部3縣市的氣候條件等限制了農(nóng)業(yè)發(fā)展空間，導致水足跡低于中東部；克拉瑪依市和奎屯市水足跡始終低于其他各縣市，兩市工業(yè)基礎(chǔ)較好，相對來說農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，加之土壤地貌多為戈壁且用來灌溉的水資源稀缺，導致當?shù)厝狈谵r(nóng)業(yè)發(fā)展的必要條件；烏蘇市、沙灣縣、瑪納斯縣、呼圖壁縣等地的水足跡指數(shù)較高，這是因為該區(qū)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)好，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量逐年增高，因此消耗的水資源也多，指數(shù)呈現(xiàn)逐年上升的趨勢；東3縣中，奇臺縣的指數(shù)排名最高，除2005年外，其他年份均排名地區(qū)前列，奇臺縣作為新疆的農(nóng)業(yè)大縣，氣候和水土條件資源稟賦較好，且畜牧業(yè)發(fā)達，水足跡指數(shù)較高。從時間尺度來看，絕大部分縣市指數(shù)呈現(xiàn)逐年上升趨勢，沙灣、奇臺、烏蘇增速最大。農(nóng)業(yè)發(fā)展水平與水足跡指數(shù)正相關(guān)，中部地區(qū)的發(fā)展水平普遍高于東西部地區(qū)，克拉瑪依市和奎屯市雖然整體的產(chǎn)業(yè)水平比較高，然而對農(nóng)業(yè)的關(guān)注度不夠，發(fā)達的工業(yè)制造業(yè)發(fā)展未能帶動自身以及地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展速度的提高。

表2 2000—2017年縣域水足跡指數(shù)Table 2 The index of water footprint of each county from 2000 to 2017

圖2 水足跡指數(shù)時空變化格局Fig.2 Spatial and temporal evolution pattern of the index of water footprint

2.1.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度時空演化特征

根據(jù)式(6)得到各縣(市)4年的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度(表3)，將結(jié)果分為5種類型(圖3)，分別是：低優(yōu)勢度(RD<30)、較低優(yōu)勢度(31

1) 時間尺度上，除昌吉市、呼圖壁縣、奎屯市、阜康市的優(yōu)勢度等級始終保持不變外，其他地區(qū)均有波動，這揭示出在該區(qū)域的4個時間節(jié)點上出現(xiàn)了經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾，盡管經(jīng)濟發(fā)展水平、技術(shù)水平是不斷提高的，然而經(jīng)濟快速發(fā)展所附帶的資源消耗、生態(tài)惡化等也隨之出現(xiàn)，導致優(yōu)勢度起伏波動。具體來講，優(yōu)勢度變化主要有以下幾種形式：①“低—高”趨勢，如奇臺縣由2000年的較低優(yōu)勢度到2005年的中等優(yōu)勢度，此后保持中等優(yōu)勢度；②“高—低”趨勢，如沙灣縣2000—2010年保持較高優(yōu)勢度，2017年降為中優(yōu)勢度，博樂市由較低優(yōu)勢度降為低優(yōu)勢度；③“低—高—低”趨勢，如瑪納斯縣從2000和2005年的較高優(yōu)勢度—2010年的高優(yōu)勢度—2017年較高優(yōu)勢度,烏蘇市2000年較低優(yōu)勢度—2005和2010年中等優(yōu)勢度—2017年較低優(yōu)勢度；④“低—高—低—高”優(yōu)勢度，如烏魯木齊2000較低優(yōu)勢度—2005低優(yōu)勢度—2010較低優(yōu)勢度—2017低優(yōu)勢度。

2) 在空間上，2000、2005、2010、2017年4個截面內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度整體上呈現(xiàn)出“中部高，東西低”的空間格局,中部的瑪納斯縣、沙灣縣、呼圖壁縣均始終排名在前6位，具有較高或高的優(yōu)勢度，這些縣市經(jīng)濟發(fā)展水平較高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)水平比較高，且水資源充足，農(nóng)田水利灌溉設(shè)施比較成熟。而西部3縣(市)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度維持在中度或中度以下水平，無論在農(nóng)業(yè)發(fā)展的氣候適宜度，或者是水資源、農(nóng)業(yè)技術(shù)水平等要素方面均遠不如其他地區(qū)，加之西部地區(qū)人口較少，牧民較多，草原廣闊，草原生態(tài)和特色林果業(yè)更受重視，這些方面都直接或間接地導致西部3縣市的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力較弱。除此之外，瑪納斯、沙灣等地具備政府的政策優(yōu)勢，這更加強化了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度的空間分異。

綜合時空變化情況可得知，天山北坡農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度時空變化是一個與自然、社會、生態(tài)及經(jīng)濟因素密不可分的過程，每個因素的變化都對當年的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度產(chǎn)生影響。大體上經(jīng)歷了東、中、西“分異明顯”(2000年)—“分異弱化”(2005年和2010年)—“分異明顯”(2017年)3個階段，前期屬于低水平的均衡階段，東西部均為低優(yōu)勢度狀態(tài)，之后很長時間內(nèi)區(qū)域內(nèi)部發(fā)展不平衡，各縣市對于各自的農(nóng)業(yè)合理開發(fā)程度及對農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ恼J識不夠，導致原有的均衡低效狀態(tài)被打破。2010年以后隨著對于二產(chǎn)為主導方向的發(fā)展，農(nóng)業(yè)已經(jīng)處于弱勢地位，加之政策上對農(nóng)業(yè)扶持力度不夠，原有的耕地撂荒和無序開發(fā)等問題，非農(nóng)用水需求量逐漸增加對區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)用水構(gòu)成威脅，工業(yè)生產(chǎn)導致地表生態(tài)環(huán)境破壞，人口增長導致區(qū)內(nèi)人均水資源占有量持續(xù)下降，以上諸多問題都是2017年區(qū)域農(nóng)業(yè)優(yōu)勢度普遍下降的原因，使其恢復到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度“分異明顯”狀態(tài)。

表3 2000—2017年縣域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度Table 3 Regional agricultural production advantage from 2000 to 2017

2.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型劃分

利用式(7)計算得到4年的差異指數(shù)平均值作為劃分標準(表4)，同時利用Arcgis10.4軟件進行可視化表達(圖4)，分類方案如下。

2.2.1 農(nóng)業(yè)布局過密型

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局過密型集中在中部地區(qū)，包括沙灣縣、烏蘇市、烏魯木齊市。說明資源環(huán)境承載力已受到一定程度的威脅，若按照當前形勢繼續(xù)發(fā)展將不能滿足未來的實際需求，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局呈現(xiàn)出過密的趨勢；烏魯木齊市的差異指數(shù)為8.75，表明該市對整個區(qū)域糧食安全貢獻已經(jīng)超過其應承擔的責任，作為首府城市，面臨經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)平衡等各項壓力，而其現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)發(fā)展狀況遠超當?shù)氐淖匀缓蜕鐣目沙休d能力，有必要調(diào)整其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局，進而通過減少耗水過大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方式減少水土承載壓力。

圖3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度時空演化格局Fig.3 Spatial and temporal evolution pattern of agricultural production advantage

表4 各縣市水足跡與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度差異指數(shù)Table 4 Reginal county gap index between water footprint and agricultural production advantage

2.2.2 農(nóng)業(yè)布局合理型

農(nóng)業(yè)布局合理型包括西部溫泉縣，中部呼圖壁縣、昌吉市、吉木薩爾縣、阜康市、奎屯等6縣市。這些縣市的差異指數(shù)均在-2～2，其中吉木薩爾縣、阜康市、奎屯的差異指數(shù)接近于最優(yōu)值0，農(nóng)業(yè)發(fā)展水平和本地的水土條件基本符合，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局無需做太大調(diào)整，應該注意在目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的基礎(chǔ)上，繼續(xù)提高用水效率和農(nóng)業(yè)機械化水平，走節(jié)水農(nóng)業(yè)之路，進而為干旱區(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)化和可持續(xù)發(fā)展做出積極貢獻。

2.2.3 農(nóng)業(yè)布局過疏型

該類型主要包括精河縣、克拉瑪依市、瑪納斯縣、木壘縣。差異指數(shù)均在-2以下，其中克拉瑪依市的差異指數(shù)為-9.75，全區(qū)最低；瑪納斯縣為-4.25，表明這些縣市在地區(qū)的農(nóng)畜產(chǎn)品供應和糧食安全保障等方面，應當承擔的責任遠大于其所做出的貢獻，在農(nóng)、畜產(chǎn)品生產(chǎn)方面依然有很大潛力，水土資源效率尚未完全發(fā)揮，如精河縣應該繼續(xù)發(fā)揮本地氣候和水土優(yōu)勢，加強特色林果(枸杞)的培育和推廣；盡管瑪納斯縣具有較好的農(nóng)業(yè)優(yōu)勢，但近年來在農(nóng)業(yè)方面科技投入不足，與同等縣市相比，產(chǎn)業(yè)規(guī)模小，可以通過改變種植結(jié)構(gòu)的方式，如適當擴大農(nóng)業(yè)耗水品(棉花)的生產(chǎn),進而使區(qū)域內(nèi)的水土資源得到最大限度的利用。

2.3 不平衡指數(shù)分析

2.3.1 水足跡與資源要素匹配分析

1) 水足跡與灌溉用水量

該區(qū)自然降水量均在400 mm以下，灌溉用水顯得尤為必要。由表5可知，高于全區(qū)平均水平的有溫泉、烏蘇、沙灣、烏魯木齊、木壘等縣市，烏蘇(Iwai=3.63)和沙灣(Iwai=2.28)最高，表明水足跡與農(nóng)業(yè)灌溉用水量的空間分布不平衡性較大。從距離上來看，沙灣縣正數(shù)距離最大為3，烏魯木齊負數(shù)距離最大為-1.73。沙灣縣作為重要糧食產(chǎn)地，是農(nóng)產(chǎn)品水足跡貢獻率高出灌溉用水量比例最大的地區(qū)，該縣水資源壓力較大，灌溉用水已成為該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展中一項重要限制因子。烏魯木齊市的灌溉用水貢獻率高于水足跡貢獻率，表明灌溉用水尚有利用空間，未能充分發(fā)揮作用。

圖4 各縣市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型劃分Fig.4 Types of agricultural production of each county

2) 水足跡與耕地面積

耕地資源是糧食及其他農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的主要資源。各縣市不同的土地本底條件以及對土地的利用方式和管理措施不同，表現(xiàn)為耕地資源的豐欠程度。通過比對各縣市耕地面積與水足跡含量，可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)某些縣市的耕地資源與水足跡含量嚴重不符合，顯然面臨著不可持續(xù)的風險。比如烏蘇市的耕地面積排名比較靠前，然而不平衡指數(shù)為3.32，為全區(qū)最大，表明烏蘇市的耕地資源與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)極不匹配，表明耕地資源的實際利用效果不佳，對于區(qū)域水足跡的貢獻較少?？死斠朗懈刭Y源相對短缺，然而其不平衡指數(shù)亦達到2.35，距平衡線的距離為-1.98，這說明克拉瑪依市在有限的耕地資源內(nèi)獲得了超出自身能力的水足跡產(chǎn)量，單從耕地資源角度來說，克拉瑪依市對于區(qū)域水足跡貢獻是比較高的。另外，從表5可知，高于全區(qū)平均水平的還有昌吉市(Icca=3.18)、博樂市(Icca=1.71)等。

耕地面積與農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量息息相關(guān)，近年來隨著城市化、工業(yè)化進程加快，土地利用非農(nóng)化速度加快，同時耕地撂荒現(xiàn)象時有發(fā)生。另外天山北坡農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)位于中國西北內(nèi)陸地區(qū)，加之經(jīng)濟水平落后、科學技術(shù)含量低、資源利用方式粗放等因素的影響致使該地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)受到威脅。因此，平衡好耕地面積與農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量之間的關(guān)系，降低單位農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量水足跡，提高單位面積耕地產(chǎn)出率，對于保持區(qū)域水土資源平衡尤為必要。

2.3.2 水足跡與經(jīng)濟環(huán)境技術(shù)等要素匹配分析

本節(jié)以農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率為代表分析經(jīng)濟要素與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡的匹配情況，以化肥施用量為代表分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面源污染與水足跡不平衡指數(shù)的空間差異狀況，以耕地農(nóng)機總動力為代表分析技術(shù)要素與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡的空間匹配狀況。

由表5可知，克拉瑪依市的水足跡-經(jīng)濟不平衡指數(shù)(Ialp=31.5)遠超全區(qū)平均水平(Ialp=9.06)，水足跡與經(jīng)濟要素極不匹配，從到平衡線y=x的距離看，為負數(shù)最大(-26.5)。由此可見，克拉瑪依市作為經(jīng)濟快速發(fā)展的地區(qū)，其經(jīng)濟貢獻率遠超水足跡貢獻率，克拉瑪依市在注重石油化工等產(chǎn)業(yè)的同時，應該加強對于農(nóng)業(yè)的關(guān)注。從水足跡-環(huán)境不平衡指數(shù)來看，沙灣縣(Iaqf=6.85)、奇臺縣(Iaqf=5.79)及瑪納斯縣(Iaqf=3.96)高于全區(qū)平均值，從距離來看，沙灣縣為負數(shù)最大(-5.76)，奇臺縣為正數(shù)最大(4.87)，表明沙灣縣的農(nóng)產(chǎn)品水足跡貢獻率超過化肥施用量貢獻率，而奇臺縣則是農(nóng)產(chǎn)品水足跡貢獻率小于化肥施用量貢獻率。這兩縣農(nóng)產(chǎn)品水足跡和農(nóng)業(yè)面源污染的匹配狀況較差，應該注意避免農(nóng)業(yè)污染對環(huán)境的損害。

從水足跡-技術(shù)不平衡指數(shù)來看，烏蘇市、精河縣、奇臺縣比較靠前且高于平均值，從距y=x的距離來看，烏蘇為負數(shù)最大(-2.10)，奇臺為正數(shù)最大(1.06)，表明烏蘇市的農(nóng)產(chǎn)品水足跡貢獻率超過農(nóng)機總動力貢獻率，說明技術(shù)的發(fā)展速度已經(jīng)落后于生產(chǎn)的速度；奇臺縣的水足跡貢獻率低于農(nóng)機總動力貢獻率，表明技術(shù)水平的發(fā)展并未完全帶動該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。事實上，對于干旱區(qū)而言，盡管本底條件很大程度上決定了農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的上限，然而農(nóng)業(yè)技術(shù)水平的提升對于干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)至關(guān)重要，技術(shù)進步率所帶來的收益往往呈現(xiàn)指數(shù)型上升。就農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言，一方面技術(shù)進步可以讓本地水土發(fā)揮最大優(yōu)勢，另一方面可以節(jié)省人力，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，這3個縣市的水土資源條件與該地區(qū)技術(shù)水平相背離。烏蘇市作為農(nóng)業(yè)大市，更應該繼續(xù)注重現(xiàn)代技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用，如提升農(nóng)業(yè)機械化水平，推廣現(xiàn)代滴灌等技術(shù)等等。

表5 2017年研究區(qū)水足跡與各要素不平衡指數(shù)Table 5 The imbalance index between crops water footprint vs factors in research area in 2017

3 結(jié)論

農(nóng)業(yè)是天山北麓農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，同時也是事關(guān)國計民生的根本產(chǎn)業(yè)。本文選取4期相關(guān)統(tǒng)計資料數(shù)據(jù)，計算水足跡指數(shù)，構(gòu)建農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度模型，測算水足跡-農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度差異指數(shù)，并進一步利用不平衡指數(shù)分析引起外部不公平性的主要地區(qū)，主要結(jié)論如下：

1) 2000—2017年天山北麓農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)縣域農(nóng)村水足跡指數(shù)時空分布不均且存在波動，整體上呈現(xiàn)出“中部高，東西低”的宏觀態(tài)勢；絕大部分縣市指數(shù)呈現(xiàn)逐年上升趨勢，農(nóng)業(yè)發(fā)展水平與水足跡指數(shù)正相關(guān)。

2) 天山北麓農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度縣域水平差異較大，整體上呈現(xiàn)出中部地區(qū)較高、東西部偏低的空間格局，除少數(shù)縣市優(yōu)勢度等級不變外，其他各區(qū)域隨著時間變化呈現(xiàn)出不同類型的演化趨勢，東中西部優(yōu)勢度分異“明顯—弱化—明顯”狀態(tài)，2017年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度普遍下降。

3) 天山北麓農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局可分為過密型、合理型、過疏型3種類型：過密型縣市包括中部沙灣、烏蘇市、烏魯木齊市、博樂市、奇臺縣;合理型縣市包括西部溫泉縣，中部呼圖壁縣、昌吉市、阜康市、奎屯市，東部的吉木薩爾縣等;過疏型縣市包括西部的精河縣，中部的克拉瑪依市、瑪納斯縣，東部的木壘哈薩克縣等。

4) 沙灣、烏蘇縣的水足跡-資源環(huán)境經(jīng)濟要素外部不公平性最為突出。另外沙灣縣和烏魯木齊市水足跡-灌溉用水量不匹配問題較為突出;昌吉市、烏蘇市、博樂市、克拉瑪依市農(nóng)產(chǎn)品水足跡與耕地資源匹配度較低；克拉瑪依市區(qū)域水足跡-經(jīng)濟不平衡性較高；沙灣和奇臺縣農(nóng)產(chǎn)品水足跡和農(nóng)業(yè)面源污染的匹配狀況較差；烏蘇和奇臺縣水足跡-農(nóng)業(yè)技術(shù)不平衡性較為顯著。

4 建議與討論

天山北麓西部農(nóng)牧交錯帶水資源豐富，草場面積廣大，應發(fā)揮地域優(yōu)勢，發(fā)展專業(yè)化畜牧業(yè)，加強特色農(nóng)產(chǎn)品的培育，壯大設(shè)施農(nóng)業(yè)，同時應注意草原退化和風沙侵蝕對于水土資源的威脅；中東部地區(qū)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主力，在區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展中承擔了較重的責任，應增加節(jié)水灌溉面積，提高農(nóng)業(yè)的規(guī)模化、集約化和專業(yè)化水平，同時保持農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水之間平衡，加強生態(tài)保護意識，防治土壤鹽堿化，避免過度開采地下水，提高水土資源綜合利用率，為區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展做出貢獻。

根據(jù)本文結(jié)論，提出以下幾點針對性建議：針對農(nóng)業(yè)布局過密型縣市，應該適當減少耗水量大的作物(如棉花)的種植面積，并發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)；對于農(nóng)業(yè)布局過疏型縣市，應充分發(fā)揮水土資源優(yōu)勢，可以適當增加耗水型農(nóng)作物生產(chǎn)，適度提高畜牧養(yǎng)殖規(guī)模。針對水足跡-經(jīng)濟不匹配的縣市，如克拉瑪依市，應該繼續(xù)關(guān)注農(nóng)業(yè)發(fā)展，加強“工業(yè)反哺農(nóng)業(yè)”戰(zhàn)略繼續(xù)推進；對于水足跡-環(huán)境要素不平衡的縣市而言，注重發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，綠色農(nóng)業(yè)，減少農(nóng)業(yè)面源污染對農(nóng)業(yè)的侵害；對于水足跡-技術(shù)要素不平衡的縣市，應適當給予技術(shù)支持和農(nóng)業(yè)補貼，最大限度提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

本文從水足跡視角出發(fā)，解析時空雙維下天山北麓農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)的水足跡指數(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度格局，利用水足跡-農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度差異指數(shù)將天山北麓研究區(qū)劃分為3個層次(合理型、過密型、過疏型)，并分析縣域尺度水足跡與各要素的不平衡性，以期為天山北麓農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水土資源優(yōu)化配置提供參考。需要說明的是，本文提及的差異指數(shù)雖然屬于人為劃分，但通過實地走訪調(diào)研，劃分結(jié)果與當?shù)貙嶋H情況基本符合，因而對指導宏觀上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定參考。然而差異指數(shù)僅在理論上提供劃分農(nóng)業(yè)布局類型的視角，推廣到其他研究區(qū)時亦不能忽視當?shù)氐膶嶋H水土條件。另外，由于數(shù)據(jù)的限制，本文默認同一年份的各縣市的相同農(nóng)產(chǎn)品或者畜產(chǎn)品的單位虛擬水量是一致的。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)勢度的評估中未能將政策因素納入分析范圍，這均是需要在今后重點改進和加強的方面。