王浩，衣鵬

江蘇省灌溉水變化驅(qū)動(dòng)效應(yīng)研究

王浩，衣鵬*

（河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，南京 210098）

【目的】確定經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中各要素對(duì)江蘇省灌溉水變化的節(jié)水貢獻(xiàn)?！痉椒ā坷肅ROPWAT模型，量化了2002—2017年江蘇省農(nóng)作物灌溉水量，基于量化結(jié)果結(jié)合結(jié)構(gòu)分解模型分析江蘇省農(nóng)作物用水的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)，在江蘇省投入產(chǎn)出表的框架下分析產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易經(jīng)濟(jì)對(duì)降低灌溉用水量的可行性?！窘Y(jié)果】生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整是近年來遏制灌溉水量攀升的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，2002—2017年分別削減192.9億m3和106.2億m3的灌溉用水量，江蘇省通過發(fā)展食品制造業(yè)（生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)占比從53%增加至64%）和國(guó)際貿(mào)易引入高耗水經(jīng)濟(jì)作物降低灌溉用水量?！窘Y(jié)論】實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)政策節(jié)水的核心在于農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈（以食品制造業(yè)為主）的整體升級(jí)和高耗水農(nóng)產(chǎn)品的對(duì)外轉(zhuǎn)移，即通過提高農(nóng)產(chǎn)品附加值和國(guó)際引入高耗水經(jīng)濟(jì)作物實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)節(jié)水。

結(jié)構(gòu)分解模型；灌溉；節(jié)水；投入產(chǎn)出模型

0 引言

【研究意義】江蘇省作為中國(guó)主要農(nóng)作物產(chǎn)區(qū)之一[1]，農(nóng)業(yè)一直是其第一用水大戶，農(nóng)業(yè)用水在該省用水總量中的比例一直在45%以上（建國(guó)初期到20世紀(jì)70年代曾經(jīng)高達(dá)80%以上，20世紀(jì)80年代在70%以上，20世紀(jì)末在55%以上，2000年以來在45%以上）[2]。江蘇省降水量較豐富，多年平均降水量996 mm，但年際、年內(nèi)分配不均，地區(qū)差異明顯，來水與用水不同步，自然調(diào)節(jié)能力較低，過境水較多，可利用量較少，水資源供需矛盾突出。由于江蘇省特殊的生產(chǎn)情況和自然條件，該地對(duì)灌溉水資源管理的要求較高，而想要實(shí)現(xiàn)有效的灌溉規(guī)劃方案，就需要結(jié)合灌溉用水量驅(qū)動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行具體分析，明確自然環(huán)境與人類社會(huì)中的各影響因子在灌溉節(jié)水中的貢獻(xiàn)。

【研究進(jìn)展】近年來，灌溉節(jié)水研究主要集中于2個(gè)方面：①灌溉技術(shù)的節(jié)水優(yōu)化，從生產(chǎn)角度實(shí)現(xiàn)灌溉用水量的削減[3-4]。如袁壽其等[5]通過分析灌溉過程中灌溉設(shè)備的發(fā)展前景，提出加強(qiáng)丘陵灌溉裝備、智能精確噴灌機(jī)組、微噴灌與水藥肥協(xié)同精準(zhǔn)控制技術(shù)裝備和清潔能源節(jié)水灌溉裝備的建議；朱興業(yè)[6]針對(duì)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)出的系列PXH型塑料全射流噴頭，通過田間試驗(yàn)提出了修改空心軸與連接套配合尺寸和2片四氟圈之間相互配合的優(yōu)化建議，以減少灌溉損耗。嚴(yán)海軍等[7]首次提出了平移式噴灌機(jī)用變頻方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行的基本思想和工作原理，改進(jìn)了圓形噴灌機(jī)的灌溉質(zhì)量。②利用最優(yōu)化理論改善作物生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉科學(xué)管理[8-9]。如高明杰等[10]構(gòu)建區(qū)域節(jié)水高效種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的多目標(biāo)模糊優(yōu)化模型，提出各區(qū)域節(jié)水高效種植優(yōu)化調(diào)整方案；李彥彬等[11]通過對(duì)現(xiàn)狀水平年和規(guī)劃水平年的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，在結(jié)合現(xiàn)狀缺水程度下，利用改進(jìn)粒子群算法使種植結(jié)構(gòu)得到平衡優(yōu)化，在提高綜合效益及產(chǎn)量的同時(shí)能夠降低灌溉需水量。相較于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)節(jié)水研究，分析產(chǎn)業(yè)間的虛擬水貿(mào)易即通過經(jīng)濟(jì)政策遏制灌溉水量上升成了區(qū)域農(nóng)業(yè)節(jié)水的新思路?；谔摂M水戰(zhàn)略的水資源管理減少了生態(tài)環(huán)境的破壞，同時(shí)健康有序的虛擬水流動(dòng)能促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和資源消耗的良性發(fā)展[12-14]?！厩腥朦c(diǎn)】以往國(guó)內(nèi)研究側(cè)重于從自然角度闡述灌溉節(jié)水的思路，但目前從經(jīng)濟(jì)層面進(jìn)行灌溉節(jié)水分析的成果仍然較少，經(jīng)濟(jì)因素帶來的灌溉節(jié)水貢獻(xiàn)尚不明晰，因此，從產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易經(jīng)濟(jì)角度分析地區(qū)灌溉節(jié)水是極有必要的?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為此，在產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易要素的基礎(chǔ)上，利用結(jié)構(gòu)分解模型對(duì)時(shí)間序列的作物用水格局變化進(jìn)行因素分解分析，與投入產(chǎn)出模型進(jìn)行深度嵌套分析，從經(jīng)濟(jì)學(xué)角度提供節(jié)水方案，完善了地域生產(chǎn)特征與產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)之間的有機(jī)聯(lián)系，以期為中國(guó)推動(dòng)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

江蘇省位于我國(guó)大陸東部沿海中部，長(zhǎng)江、淮河下游，位于116°18′—121°57′E、30°45′—35°20′N之間，屬中緯度亞熱帶和暖溫帶地區(qū)，東瀕黃海，北與山東省接壤，西與安徽省接壤，東南與上海、浙江省接壤，是長(zhǎng)三角地區(qū)的重要組成部分。江蘇省氣候溫和，四季分明，年平均氣溫13.6～16.1 ℃，年降水量715～1 280 mm。地勢(shì)以平原為主，南北高，中間低，自西向東傾斜。江蘇省分為6個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)：徐淮農(nóng)業(yè)區(qū)、里下河農(nóng)業(yè)區(qū)、沿海農(nóng)業(yè)區(qū)、沿江農(nóng)業(yè)區(qū)、寧鎮(zhèn)揚(yáng)丘陵農(nóng)業(yè)區(qū)和太湖農(nóng)業(yè)區(qū)，人均耕地面積0.057 hm2，不足全國(guó)平均水平的2/3，耕地類型主要為水田和旱地，主要土壤類型為黃紅壤、黃棕壤、黃褐土、棕壤褐土4種。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

選取2002—2017年為研究時(shí)段，選取常州、東臺(tái)、高郵等17個(gè)站點(diǎn)的氣候數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來自國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://data.cma.cn/）。江蘇省作物播種面積、作物產(chǎn)量和投入產(chǎn)出表來自《江蘇統(tǒng)計(jì)年鑒》（2003—2018年），作物平均價(jià)格來自《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品成本收益資料匯編》。本研究考慮到各個(gè)研究階段的作物產(chǎn)值并不相同，因此投入產(chǎn)出表中的所有經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)使用政府官方的平均年通脹率將其轉(zhuǎn)換為2010年不變價(jià)格（2002年約為1.45，2007年為1.15，2012年為0.90，2017年為0.84），再利用2010年作物平均價(jià)格進(jìn)行糧食作物產(chǎn)業(yè)間價(jià)值流的量化[15]。各地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)來自江蘇省各地級(jí)市的水資源公報(bào)，其中根據(jù)節(jié)水灌溉面積比例的變化對(duì)2002年部分地級(jí)市缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。

1.3 投入產(chǎn)出分析模型

投入產(chǎn)出模型（IO）基于地區(qū)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，引入影響系數(shù)和影響指數(shù)，定量表征產(chǎn)業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)與合作，從而更準(zhǔn)確地反映產(chǎn)業(yè)流動(dòng)模式。目前，IO被廣泛用于分析產(chǎn)業(yè)間的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、資源利用、碳排放和能源流動(dòng)[16]（式（1））。

式中：為產(chǎn)業(yè)類別，x為產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)出量（億元）；z為產(chǎn)業(yè)對(duì)產(chǎn)業(yè)的中間使用量（億元）；y為產(chǎn)業(yè)的最終需求量（億元）?？偖a(chǎn)出量指研究期間內(nèi)生產(chǎn)的所有貨物和服務(wù)的價(jià)值，既包括新增價(jià)值，也包括轉(zhuǎn)移價(jià)值；中間使用量指研究期間內(nèi)生產(chǎn)的所有貨物和服務(wù)需要投入的貨物和服務(wù)的總價(jià)值；最終需求量指全社會(huì)的消費(fèi)者（包括個(gè)人、企業(yè)、政府、固定資本形成總額、存貨增加）對(duì)社會(huì)總產(chǎn)品的最終消費(fèi)。

為了反應(yīng)中間使用量結(jié)構(gòu)特征，引入直接消耗系數(shù)a[13]：

a=z/x，（2）

式中：x為產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)出量，a反映了產(chǎn)業(yè)對(duì)產(chǎn)業(yè)的中間使用量占產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的比例。

結(jié)合直接消耗系數(shù)a，得出式（3）：

[1,2, ?,x]T

[1,2, ?,x]T+[1,2, ?,y]T， （3）

將式（3）進(jìn)行矩陣表達(dá)轉(zhuǎn)換，得到式（4）：

=(-)， （4）

式中：、和分別為總產(chǎn)出列向量、直接消耗系數(shù)矩陣和最終需求列向量，分別以價(jià)值為基準(zhǔn)表明產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模、生產(chǎn)消耗和消費(fèi)需求。

將式（2）進(jìn)行Leontief矩陣變換：

= (-)-1=?， （5）

式中：為L(zhǎng)eontief逆矩陣，即(-)-1，表示產(chǎn)業(yè)需要滿足產(chǎn)業(yè)最終需求的單位產(chǎn)出矩陣。

1.4 CROPWAT模型

根據(jù)糧農(nóng)組織推薦的彭曼公式計(jì)算作物需水量，該公式具有普遍性且適合常規(guī)作物需水量的測(cè)算[17]，計(jì)算式為：

c=c×0， （7）

式中：0為類作物的參考蒸散發(fā)量（mm）；Δ為飽和蒸汽壓-溫度曲線的斜率（kPa/℃）；n為地表凈輻射（MJ/（m2·d））；為土壤熱通量（MJ/（m2·d））；為干濕常數(shù)（kPa/℃）；為日平均溫度（℃）；2為2 m處的日平均風(fēng)速（m/s）；s為飽和蒸汽壓（kPa）；d為實(shí)測(cè)大氣壓（kPa）；c為各種作物蒸散量變化的作物系數(shù)，本研究基于FAO的CROPWAT 8.0軟件開展灌溉需水量的計(jì)算和作物系數(shù)的確定。

作物需水量則可以通過灌溉水有效利用系數(shù)和生長(zhǎng)期蒸散發(fā)量來計(jì)算，計(jì)算式為：

= (c-eff)/， （8）

式中：為灌溉水有效利用系數(shù)；為作物實(shí)際需水量（mm），即在考慮管網(wǎng)運(yùn)輸漏損和研究期間降水的情況下作物的總需水量，eff為研究期間有效降水量（mm）。

1.5 結(jié)構(gòu)分解模型

為了進(jìn)一步分析上述模型獲得的作物實(shí)際需水量，利用結(jié)構(gòu)分解模型將其分解，具體分析其中的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)。計(jì)算式為：

=??c/=(1/)(c/)?=

????=?????，（9）

式中：為灌溉總用水量列向量（×108m3），等于作物單位面積均實(shí)際需水量列向量和播種面積的乘積；為灌溉水量占總蒸散發(fā)量的比例，反映了降水在農(nóng)業(yè)總用水量的作用；為作物播種面積（km2）；為灌溉水有效利用系數(shù)的倒數(shù)，反應(yīng)節(jié)水灌溉設(shè)施優(yōu)化帶來的節(jié)水作用；為單位產(chǎn)值蒸散發(fā)強(qiáng)度列向量（mm/億元），由經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出和作物蒸散發(fā)量共同決定?；谕度氘a(chǎn)出表的結(jié)構(gòu)特征和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，本研究對(duì)最終需求進(jìn)行進(jìn)一步分解，計(jì)算式為：

=?=?????=???????，（10）

式中：=·，為作物消費(fèi)結(jié)構(gòu)，即消費(fèi)者對(duì)各個(gè)作物的最終需求結(jié)構(gòu)；為人均需求（億元/萬(wàn)人），即消費(fèi)者對(duì)作物需求的總規(guī)模，反映了消費(fèi)端對(duì)生產(chǎn)端的拉動(dòng)效應(yīng)；為人口規(guī)模（萬(wàn)人），說明了人口增長(zhǎng)對(duì)作物需求的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)。與指數(shù)分解模型相比，結(jié)構(gòu)分解模型的分解結(jié)果更具有實(shí)際意義，而加法分解結(jié)構(gòu)則更便于實(shí)際問題的解釋[2,16]，因此，本文將灌溉用水分解為8種驅(qū)動(dòng)效應(yīng)，其中下標(biāo)1代表時(shí)段末期，下標(biāo)0代表時(shí)段初期：

降水利用效應(yīng)：

=1/2[(1-0)?0?0?0?0?0?0?0+(1-0)?1?1?1?1?1?1?1]， （11）

播種面積效應(yīng)：

=1/2[1?(1-0)?0?0?0?0?0?0+0?(1-0)?1?1?1?1?1?1]，（12）

節(jié)水技術(shù)效應(yīng)：

=1/2[1?1?(1-0)?0?0?0?0?0+0?0?(1-0)?1?1?1?1?1]，（13）

蒸發(fā)強(qiáng)度效應(yīng)：

=1/2[1?1?1?(1-0)?0?0?0?0+0?0?0?(1-0)?1?1?1?1]，（14）

生產(chǎn)結(jié)構(gòu)效應(yīng)：

=1/2[1?1?1?1?(1-0)?0?0?0+0?0?0?0?(1-0)?1?1?1]，（15）

消費(fèi)結(jié)構(gòu)效應(yīng)：

=1/2[1?1?1?1?1?(1-0)?0?0+0?0?0?0?0?(1-0)?1?1]，（16）

人均需求效應(yīng)：

=1/2[1?1?1?1?1?1?(1-0)?0+0?0?0?0?0?0?(1-0)?1]，（17）

人口規(guī)模效應(yīng)：

=1/2[1?1?1?1?1?1?1?(1-0)+0?0?0?0?0?0?0?(1-0)]。 （18）

本研究在水資源數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解，結(jié)合投入產(chǎn)出模型對(duì)分解結(jié)果進(jìn)行生產(chǎn)角度和經(jīng)濟(jì)角度的解讀，得出節(jié)水措施，基礎(chǔ)框架如圖1所示。

圖1 江蘇省灌溉用水驅(qū)動(dòng)效應(yīng)解析理論框架

2 結(jié)果與分析

2.1 江蘇省作物自然特征和社會(huì)特征分析

基于CROPWAT模型計(jì)算出各作物的蒸散發(fā)量和有效降水量（圖2）。棉花、水稻是蒸散發(fā)量較高的農(nóng)作物，在500～800 mm之間；豆類作物和薯類作物是蒸散發(fā)量較小的農(nóng)作物，在200～350 mm之間；2002—2017年計(jì)算的各作物蒸散發(fā)量受氣候特征影響波動(dòng)性較強(qiáng)，均方差占平均蒸散發(fā)量的比例均在20%以上，其中水稻和棉花受到的影響最為劇烈，均方差在80 mm以上。播種期各作物有效降水量的均方差占平均有效降水量也在20%以上，水稻和棉花有效降水量和降水均方差較高，但小麥播種期的有效降水量均方差最大，為63.5 mm，這主要是因?yàn)榻K省以冬小麥為主，播種時(shí)期在9—10月，收割時(shí)期在次年5—6月，受江蘇省夏多冬少的降水分布影響最為明顯。由于江蘇省的降水特征影響，秋冬季作物如冬小麥、冬大豆和薯類作物的有效降水占總蒸散發(fā)量比例較低，在60%左右，春夏季作物如水稻、玉米等占比較高，均在75%以上。

2002—2017年江蘇省作物種植結(jié)構(gòu)見圖3。2002—2007年，江蘇省的糧食作物播種面積明顯增加，5 a間增加了370 300 hm2，而經(jīng)濟(jì)作物的播種面積卻驟減729 700 hm2；2007—2012年，糧食作物的播種規(guī)模保持上升的態(tài)勢(shì)，增加了312 300 hm2，經(jīng)濟(jì)作物規(guī)模有所回升，5 a間增長(zhǎng)了37 700 hm2；2012—2017年，糧食作物的播種規(guī)模增加了123 500 hm2，經(jīng)濟(jì)作物則下降了121 700 hm2。2002—2017年小麥播種面積的增長(zhǎng)最為迅速，2012—2017年增加了696 900hm2，油料作物播種面積則下降幅度最大，2012—2017年減少了639 700 hm2。江蘇省的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值在2002—2007年下降了90.36億元，2007—2017年的農(nóng)作物產(chǎn)值卻增長(zhǎng)了352.2億元。而2002—2017年的農(nóng)作物播種面積卻沒有明顯的增長(zhǎng)，這說明2012—2017年的農(nóng)作物產(chǎn)值大大增加，蔬菜在這其中起到了重要作用，其播種面積僅增長(zhǎng)116 800 hm2，但產(chǎn)值卻增加了214.2億元。整體而言，江蘇省的農(nóng)作物呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)優(yōu)化、產(chǎn)值增加的社會(huì)生產(chǎn)特征。

圖2 江蘇省農(nóng)作物自然特征

圖3 江蘇省農(nóng)作物社會(huì)特征

從江蘇省灌溉用水特征（圖4）來看，水稻、小麥則是最主要的農(nóng)業(yè)用水大戶。2002—2017年，農(nóng)作物總用水量減少了26.1億m3，油料作物是削減灌溉水足跡的主要驅(qū)動(dòng)者，2002—2017年減少了17.8億m3的灌溉用水量，油料作物播種面積權(quán)重的下降、耕種效率的提升是推動(dòng)節(jié)水的支撐力量；而水稻和小麥則是導(dǎo)致灌溉水量大量增加的主要作物，2012—2017年分別增加了32.5億m3和22.1億m3。

2.2 江蘇省作物用水量變化驅(qū)動(dòng)效應(yīng)解析

2002—2017年的江蘇省作物用水量驅(qū)動(dòng)效應(yīng)解析見表1。2002—2017年，人均需求量的上升一直是各作物灌溉用水上升的主要原因，而生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變則是削減各作物灌溉水量的關(guān)鍵要素，但各階段的其余因素起到的作用并不相同，以下對(duì)另外6種要素作出階段性分析。

降水利用效應(yīng)和蒸發(fā)強(qiáng)度效應(yīng)：二者分別說明了作物生長(zhǎng)過程中的降水吸收率和單位產(chǎn)值蒸發(fā)量，不僅與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和播種技術(shù)管理相關(guān)，也受到自然環(huán)境的制約，因而二者對(duì)各作物灌溉水量的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)都不穩(wěn)定。2002—2012年，起到了極大的節(jié)水作用，這是由農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展（產(chǎn)值增加152億元）和氣候環(huán)境適宜（2012年各作物蒸散發(fā)量均小于2002年）共同作用的結(jié)果，但在2012—2017年卻導(dǎo)致了大量的灌溉水足跡的增加，主要是因?yàn)椴糠肿魑锶缢镜恼羯l(fā)量有所回升。導(dǎo)致小麥、水稻2012—2017年灌溉用水量增加，主要是因?yàn)?012—2017年年內(nèi)降水分配與這2種作物耕種規(guī)劃的不匹配程度較高。上述2種效應(yīng)說明環(huán)境對(duì)作物節(jié)水的作用是高度不可控的，想要實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定節(jié)水的作用必須從農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、管理和技術(shù)等社會(huì)層面解決。

圖4 江蘇省灌溉用水特征

表1 2002—2017年江蘇省作物用水量變化的分解

播種面積效應(yīng)和節(jié)水技術(shù)效應(yīng)：對(duì)油料作物和小麥的影響最為劇烈，由于油料作物面積的減少，油料作物所需灌溉水量削減了12.7億m3的水足跡；而小麥則由于播種面積的擴(kuò)張?jiān)黾恿?5.9億m3的灌溉用水量。整體而言，播種面積的調(diào)整對(duì)灌溉用水量的影響較弱，主要是因?yàn)楫?dāng)前播種面積基本穩(wěn)定在7 100 000 hm2左右，為了滿足糧食作物要求只能進(jìn)行整體性的結(jié)構(gòu)調(diào)整和局部的規(guī)模調(diào)整，說明通過農(nóng)業(yè)耕種規(guī)模管理實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的灌溉節(jié)水可能具有一定的局限性。對(duì)灌溉用水量實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的削減作用（削減了39.8億m3的灌溉水足跡），說明通過農(nóng)業(yè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的灌溉節(jié)水具有可行性。和均為生產(chǎn)層面的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)，對(duì)江蘇省整體性作物的節(jié)水貢獻(xiàn)均較為穩(wěn)定且緩慢，是江蘇省實(shí)現(xiàn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)的長(zhǎng)期關(guān)鍵因素。

消費(fèi)結(jié)構(gòu)效應(yīng)和人口規(guī)模效應(yīng)：2002—2017年，與類似，均促使灌溉用水量上升，說明人口規(guī)模的擴(kuò)張促使農(nóng)作物需求的膨脹，從而引發(fā)更大的灌溉水需求。2007—2017年，的節(jié)水作用并不明顯，但在2002—2007年，則是削減灌溉水足跡的重要驅(qū)動(dòng)力，說明江蘇省消費(fèi)者調(diào)整了高耗水作物及其次生產(chǎn)品的需求，逐步做出節(jié)水型農(nóng)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)向，可以看出經(jīng)濟(jì)層面的結(jié)構(gòu)性調(diào)整（、）能夠?qū)崿F(xiàn)短期的大規(guī)模灌溉用水量削減，這說明經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整是快速推進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵措施，但并不能一概而論，需要結(jié)合投入產(chǎn)出理論具體分析。

2.3 基于投入產(chǎn)出表的作物用水驅(qū)動(dòng)效應(yīng)解析

基于傳統(tǒng)行業(yè)分類，將25個(gè)非制造業(yè)部門合并為農(nóng)業(yè)（Ag）、礦業(yè)（Mi）、水和能源供應(yīng)業(yè)（El）、建筑業(yè)（Co）和服務(wù)業(yè)（St），17個(gè)制造業(yè)部門合并為食品制造業(yè)、紡織業(yè)和其他制造業(yè)（不以初級(jí)農(nóng)產(chǎn)品為主要原材料的制造業(yè)，以重工業(yè)為主），由此通過投入產(chǎn)出分析計(jì)算出產(chǎn)業(yè)間灌溉水足跡（圖5）。

圖5 江蘇省產(chǎn)業(yè)間灌溉水足跡

結(jié)合投入產(chǎn)出結(jié)果，可以看出灌溉水足跡流向食品制造業(yè)的比例在逐年增大，食品制造業(yè)的產(chǎn)品價(jià)值增加是促使農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)鏈優(yōu)化的關(guān)鍵因素（從2002年的30%增長(zhǎng)至2017年的51%），說明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)鏈逐步由初級(jí)生產(chǎn)環(huán)節(jié)邁向高附加值食品產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)，也解釋了生產(chǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)水足跡增長(zhǎng)起到的關(guān)鍵遏制作用，這說明農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的完善和農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)商品的價(jià)值增加是2002—2017年江蘇省逐步實(shí)現(xiàn)節(jié)水型社會(huì)的關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)手段。紡織業(yè)占據(jù)的灌溉水足跡比例出現(xiàn)了一定的下降（從2002年的20%降低至2017年的15%），說明江蘇省的紡織業(yè)逐步擺脫以當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的棉花為主要增值對(duì)象的現(xiàn)狀，向外地尋求原材料。其他制造業(yè)占據(jù)的灌溉水足跡比例緩慢上升（從2002年的7%增長(zhǎng)至2017年的13%），說明其余產(chǎn)業(yè)雖然不以農(nóng)產(chǎn)品深度制造為主，但也是江蘇省實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的必要抓手之一。

從農(nóng)產(chǎn)品消費(fèi)角度來看（圖6），農(nóng)產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu)卻呈現(xiàn)出階段性變化的特征，紡織業(yè)在農(nóng)產(chǎn)品消費(fèi)總量中的權(quán)重在2002—2007年驟然增加，從34.3%增長(zhǎng)至62.9%，而2007—2017年卻逐步減少，從62.9%減少至26.4%，而基于《江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒》的行業(yè)附加值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，紡織業(yè)的增加值遠(yuǎn)高于食品制造業(yè)，正因?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品向高附加值的紡織業(yè)流動(dòng)造就了2002—2007年階段商品消費(fèi)結(jié)構(gòu)的調(diào)整帶來的灌溉水足跡削減作用，而之后逐步轉(zhuǎn)向食品制造業(yè)，造成了灌溉水足跡的增加，這解釋了商品消費(fèi)結(jié)構(gòu)削減灌溉水足跡的本質(zhì)：促使消費(fèi)者傾向于購(gòu)買高附加值、低耗水的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)間接節(jié)水。商品消費(fèi)結(jié)構(gòu)的改變也存在巨大的灌溉節(jié)水潛力，消費(fèi)者傾向于節(jié)水型農(nóng)產(chǎn)品能夠極大地減少水資源壓力。

圖6 江蘇省農(nóng)產(chǎn)品消費(fèi)占比

2.4 作物經(jīng)濟(jì)節(jié)水可行性分析

食品制造業(yè)和紡織業(yè)從經(jīng)濟(jì)角度實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水具有重要的作用，但二者所需的作物的自然特征和社會(huì)屬性相差較大，為了明確其經(jīng)濟(jì)節(jié)水的可行性，結(jié)合貿(mào)易特征和作物特征進(jìn)行具體分析。

棉花及其附屬行業(yè)（紡織業(yè)）附加值高，但單位面積需水量巨大。江蘇省棉花播種面積逐步縮減，棉花種植企業(yè)規(guī)模較小，紡織企業(yè)數(shù)反而持續(xù)上升并且形成一定規(guī)模，說明江蘇省想要發(fā)展紡織業(yè)實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品增值需要向外省或國(guó)際市場(chǎng)買入大量棉花（圖7），由圖7可知，江蘇省通過提高引入國(guó)際農(nóng)產(chǎn)品比例降低本省和省外的水資源壓力，這說明，可以通過引入國(guó)際低價(jià)棉紡織初級(jí)農(nóng)產(chǎn)品來避免棉花種植所需的高耗水現(xiàn)象。

谷物、蔬菜種植企業(yè)和食品制造業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)張，主要原因是雖然可食用作物及其附屬行業(yè)（食品制造業(yè)）附加值相對(duì)較低，但具備著必需品的社會(huì)屬性，這直接導(dǎo)致其播種以及食品制造必須實(shí)行全產(chǎn)業(yè)鏈掌握的方案。結(jié)合以上分析可知生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、食品制造業(yè)的產(chǎn)值增加和技術(shù)增進(jìn)是發(fā)展食用作物的關(guān)鍵手段，因此從產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)和自然特征2個(gè)角度來說，發(fā)展食品制造業(yè)是穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)節(jié)水的必要手段。

圖7 江蘇省農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)貿(mào)易特征

整體上，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)節(jié)水的目標(biāo)是在保證糧食作物供給充足的前提下發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，選擇正確的作物和農(nóng)產(chǎn)品制造業(yè)是發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水的關(guān)鍵，對(duì)于棉花等高耗水經(jīng)濟(jì)作物，江蘇省在2002—2017年通過國(guó)際貿(mào)易避免播種時(shí)期的高強(qiáng)度灌溉；對(duì)于水稻、蔬菜等可食用作物，農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)鏈的升級(jí)（以食品制造業(yè)為主）是江蘇省2002—2017年生產(chǎn)結(jié)構(gòu)節(jié)水的關(guān)鍵。

3 討論

本研究表明，江蘇省水稻、小麥、玉米、豆類作物、薯類作物平均需水量為595.2、514.3、348.3、266.4、290.1 mm，基本符合陳玉民等[17]提出的江蘇省生育期內(nèi)作物需水量的合理區(qū)間，本研究中江蘇省作物灌溉需水量偏低，主要是因?yàn)樽魑锕喔刃杷炕诠喔人行Ю孟禂?shù)進(jìn)行了調(diào)整，若考慮該指標(biāo)帶來的影響，平均灌溉需水量為224 mm，符合Deng等[15]給出的江蘇省凈灌溉需水量范圍100～300 mm；春夏季作物降水利用高，秋冬季作物降水利用率低，也與Zhao等[16]計(jì)算綠水利用率的總體結(jié)果一致。

本研究表明，結(jié)構(gòu)因素在灌溉節(jié)水中起關(guān)鍵作用，這與謝娟等[18]在甘肅省的研究結(jié)果一致。不同的是，本文明確了灌溉節(jié)水的目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前提下降低用水規(guī)模，利用投入產(chǎn)出模型對(duì)各個(gè)影響因素進(jìn)一步分解，再結(jié)合貿(mào)易數(shù)據(jù)和水足跡分析，對(duì)不同因素驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生的內(nèi)因進(jìn)行了深入解釋，得出生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的調(diào)整是江蘇省灌溉節(jié)水的主要驅(qū)動(dòng)因素，同時(shí)也得出食品制造業(yè)和紡織業(yè)是實(shí)現(xiàn)灌溉節(jié)水的基礎(chǔ)上完成產(chǎn)值增長(zhǎng)的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)：對(duì)具備生活必需品的食用作物應(yīng)該著重于食品制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)值增加，即控制播種面積的前提下實(shí)現(xiàn)后續(xù)產(chǎn)品的產(chǎn)值升值，降低過度追求經(jīng)濟(jì)效益導(dǎo)致播種規(guī)模無(wú)序擴(kuò)張的可能性；對(duì)棉花等高耗水經(jīng)濟(jì)作物，可以嘗試通過國(guó)際或省內(nèi)貿(mào)易從降水豐富地區(qū)引入大量農(nóng)產(chǎn)品，逐步縮減省內(nèi)播種面積，實(shí)現(xiàn)間接節(jié)水。2002—2017年消費(fèi)結(jié)構(gòu)也是實(shí)現(xiàn)灌溉節(jié)水的重要因素之一，通過引導(dǎo)消費(fèi)者購(gòu)買低耗水高產(chǎn)值產(chǎn)品，降低高耗水低產(chǎn)值的需求，緩解高耗水作物的生產(chǎn)壓力，從而實(shí)現(xiàn)灌溉水量的間接節(jié)水。

本文認(rèn)為當(dāng)前技術(shù)難以控制氣象因素對(duì)作物生產(chǎn)的影響，因此想要控制農(nóng)業(yè)用水過度上漲的趨勢(shì)，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)灌溉節(jié)水必須結(jié)合經(jīng)濟(jì)管理手段，但本文僅從產(chǎn)值角度考慮節(jié)水仍然存在不足：①經(jīng)濟(jì)效益是衡量經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)能的關(guān)鍵因素，但對(duì)糧食作物而言滿足人體需要才是其核心目的，因此需要從能值、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等衡量糧食作物生產(chǎn)是否滿足社會(huì)需要；②導(dǎo)致江蘇省棉花播種面積逐步下降的最顯著因素為國(guó)際貿(mào)易，但江蘇省位于長(zhǎng)江三角洲地域，交通便利，貿(mào)易成本較低，這可能是江蘇省能夠進(jìn)行高耗水經(jīng)濟(jì)作物播種面積調(diào)整的必要條件之一，該方案對(duì)內(nèi)陸城市的可行性需要進(jìn)一步探討。

4 結(jié)論

1）2002—2017年的農(nóng)作物播種面積沒有明顯的增長(zhǎng)，基本穩(wěn)定在7 100 000 hm2左右，但農(nóng)作物產(chǎn)值卻增加了200億元左右。蔬菜等低耗水經(jīng)濟(jì)作物的播種面積相對(duì)比例上升是江蘇省農(nóng)作物格局呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、產(chǎn)值增加的原因之一。

2）在生產(chǎn)層面，灌溉技術(shù)的優(yōu)化持續(xù)遏制灌溉用水量的上升，對(duì)江蘇省各作物的節(jié)水貢獻(xiàn)均較為穩(wěn)定且緩慢，是江蘇省實(shí)現(xiàn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)的長(zhǎng)期關(guān)鍵因素。

3）在產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)層面，生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是遏制作物灌溉用水量增長(zhǎng)的關(guān)鍵因素。以食品制造業(yè)為主的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)鏈升級(jí)是降低糧食作物單位產(chǎn)值用水量、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)節(jié)水的有效手段；以棉花為主的高耗水經(jīng)濟(jì)作物則可以通過國(guó)際貿(mào)易轉(zhuǎn)移其導(dǎo)致的水資源壓力，降低當(dāng)?shù)馗N規(guī)模實(shí)現(xiàn)灌溉節(jié)水。商品消費(fèi)結(jié)構(gòu)的改變也存在著巨大的灌溉節(jié)水潛力，消費(fèi)者傾向于節(jié)水型農(nóng)產(chǎn)品能夠極大地減少水資源壓力。

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Change in Irrigation Water Usage in Jiangsu Province and the Underlying Reason

WANG Hao, YI Peng*

(College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210098, China)

【Objective】Agriculture is the greatest water consumer. Reducing irrigation water usage is hence a priority in developing sustainable agriculture for many countries. While developing water-saving irrigation technologies is essential to achieving this goal, changing social activity and national and international trade can also play an important role. Taking Jiangsu province as an example, this paper analyzes the impact of non-technological factors on reducing irrigation water usage over the past 20 years. 【Method】The CropWat model was used to calculate the change in water used for irrigation from 2002 to 2017 first. The results were then combined with a structural decomposition model to analyze the driving forces behind the change in irrigation water usage, from which we calculated the contribution of different factors to the changes. Based on an input-output table, we also analyzed the role of industrial and trade economies in reducing irrigation water.【Result】Change in agricultural production structures and food consumption was the key factors holding the increase in irrigation water usage over the past two decades, with the former reducing irrigation water usage by 19.29 billion m3and the latter by 10.62 billion m3, during the studied period. The development of food industry combined with international trading by importing water-consuming cash crops over the past two decades also helped reduce the irrigation water usage.【Conclusion】The key to achieving water saving through changing economic policies is to restructure agricultural production chains and reducing cultivation of high-water-consuming crops.

structural decomposition model; irrigation; water saving; input-output model

王浩, 衣鵬. 江蘇省灌溉水變化驅(qū)動(dòng)效應(yīng)研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(3): 112-119.

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1672 - 3317（2023）03 - 0112 - 08

TV213.4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022320

2022-06-13

王浩（1998-），男，江蘇鎮(zhèn)江人。碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)水土資源高效利用研究。E-mail: 1050013370@qq.com

衣鵬（1985-），男，吉林遼源人。教授，博士生導(dǎo)師，主要從事水資源研究。E-mail: pengyi1915@163.com

責(zé)任編輯：白芳芳