申 祺，李蔚然

（遼寧省鹽堿地利用研究所，遼寧 盤錦 124010）

0 引 言

在農業(yè)生產過程中，水資源和土地資源是農業(yè)生產的關鍵物質基礎[1]，同時農業(yè)又反過來造成水資源短缺和水質惡化、面源污染加劇[2,3]。在保障糧食有效供給、糧食安全的前提下兼顧水土資源合理配置是區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。

水足跡理論于2002 年由Hoekstra 等[4]提出，是一種對地區(qū)資源水資源短缺和污染問題進行核算的理論[5]，包括綠水足跡、藍水足跡和灰水足跡，分別代表作物生長過程中消耗的降水、地表灌溉水和地下灌溉水以及稀釋污染物使其達標排放所需水[2]，現已應用于農業(yè)生產領域的水資源核算、農業(yè)水資源利用效率評價、農業(yè)水土資源匹配度測算及水資源稀缺性評價，范星等[2]對三江平原農作物生長過程的水足跡進行量化和分析；王藝璇等[6]以花生生產水足跡為角度，測算和評價黃淮海農作區(qū)作物生產耗水結構；劉燦輝等[7]結合水足跡評估太湖流域的水資源利用效率；張雯等[8]從水足跡視角出發(fā)探究山東省糧蔬生產中水土資源匹配狀況。已有的研究區(qū)域主要為農作主產區(qū)、流域、省區(qū)，而對市級區(qū)域的相關研究較少。

盤錦市是我國重要的水稻產區(qū)，2021 年，其利用全國0.17%的農業(yè)用水、0.12%的耕地面積生產了全國0.49%的水稻，對確保國家糧食安全至關重要。隨著社會經濟的發(fā)展，用水量不斷增加，耕地面積減少，造成水土資源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化問題突出[9]，進而制約著農業(yè)可持續(xù)發(fā)展[8]。此外，目前還未有從水足跡視角出發(fā)評估水資源利用效率和水土資源匹配情況的研究?；诖耍x擇盤錦市開展研究。首先核算水稻作物生長過程的綠水、藍水和灰水足跡，分析水足跡的時間變化規(guī)律。其次采用水資源壓力指數、水資源負載指數和水足跡效益來評估水資源利用情況。最后構建測算農業(yè)水土資源的匹配，并分析水土資源短缺的時間差異及其與社會、經濟及生產環(huán)境因素等的相關關系。

1 方法和數據來源

1.1 研究區(qū)概況

盤錦市，地處遼寧省西南部，水稻是其主要農作物，2021 年全市水稻播種面積10.83 萬hm2，占全市播種總面積的89.31%，其中水稻種植主要分布在盤山縣和大洼區(qū)。該地區(qū)屬于暖溫帶大陸性半濕潤季風氣候，年平均氣溫為10.5 ℃，降水量為768.9 mm，平均風速為2.4 m/s，日照時數為2 231.3 h，年蒸發(fā)量高于降水量。2021 年全市水資源總量為8.04 億m3，農業(yè)用水量為10.19 億m3，占總用水量的76.50%。2020年盤錦市水稻種植分布影像見圖1[10]。

圖1 盤錦市水稻種植分布影像圖Fig.1 Image Map of Rice Planting Distribution in Panjin city

1.2 水稻作物生產水足跡計算方法

水稻生產水足跡是綠水足跡、藍水足跡以及灰水足跡的總和。

綠水足跡公式為：

藍水足跡公式為：

式中：Y為作物單產量，kg/hm2；ETc為作物蒸發(fā)蒸騰量。Pe為有效降雨量，由經驗公式計算得出；n為作物一年生長天數；L為灌溉水輸配過程中的水面蒸發(fā)損失。

ETc計算公式：

式中：Kc為作物系數。ET0利用CROPWAT8.0軟件計算得出。

Pe根據公式計算：

式中：P為月降雨量，mm/d。

L的公式為：

式中：η為灌溉水利用系數；α通常取5%。

灰水足跡公式為：

式中：β為淋失率；AR為作物氮肥折純量；cmax代表水體中最大氮（0.002 kg/m3）容許濃度；cnat為污染物的自然本底濃度（假設其數值為0）。

遼寧省農作播種過程氨氮、總氮、總磷排放（流失）系數分別為0.141、0.736、0.062 kg/hm2。

1.3 水資源利用評價

（1）水資源壓力指數（Water Stress Index）指的是水稻生產對水資源產生的壓力，公式為：

式中：P為水稻總產量；Q為水資源總量。

基于水資源壓力指數的評價分級如表1所示。

表1 基于水資源壓力指數的評價分級Tab.1 Grading on the basis of water stress index

（2）水資源負載指數（C）是通過水資源總量與區(qū)域內的人口、經濟發(fā)展情況結合來評估其水資源開發(fā)利用程度和開發(fā)前景的指數[11]。公式為：

式中：C為水資源負載指數；k為降水系數，當200＜R≤400時，k=1.0-0.1(R-200)/200，當400＜R≤800 時，k=0.9-0.2(R-400)/400，當800＜R≤1600 時，k=0.7-0.3(R-800)/800；R為降水量，mm；P為常住人口數量，萬人；G為地區(qū)生產總值，億元；Q為水資源總量，億m3。

水資源負載指數分級如表2所示[7,12]。

表2 水資源負載指數分級Tab.2 Classification of water resource load indices

（3）水足跡效益是指農業(yè)發(fā)展所付出的水資源代價及衡量區(qū)域農業(yè)對水資源的利用效率。其與農業(yè)用水效率呈正相關關系，表達式為：

式中：WF為水稻生產總水足跡，m3；WE為水足跡效益，元/m3；GDP為農業(yè)總產值，元。

1.4 水土資源匹配系數

水土資源數量匹配系數和質量匹配系數的公式為：

式中：WL為水土資源匹配系數；BW為農業(yè)藍水可用水量，其值等于藍水資源總量與農業(yè)用水占比的乘積；GW表示農業(yè)綠水可用水量，可參考Cao 等[13]的方法將其表示為耕地面積與年降水量（mm）的乘積；Lt為耕地面積，hm2。

1.5 基于水足跡的水土資源短缺壓力

由于盤錦市水資源短缺，農業(yè)生產用水占比較大，因此采用農業(yè)水資源短缺壓力與土地資源短缺壓力的比值表征水土資源相對短缺情況[8]，計算方法如下:

式中：RS為水土資源相對短缺指數；水足跡稀缺性（Water footprint scarcity，WFS）為農業(yè)用水與水資源總量的比值；耕地稀缺性（Cultivated land scarcity，CLS）為水稻總耕種面積與土地總面積的比值；AWA為農業(yè)可利用水資源量，m3；AWU和TWU分別為農業(yè)用水量和總用水量；Wt為水資源總量，m3；La為水稻總耕種面積，hm2。當RS＞1 時，表明區(qū)域的水資源短缺壓力大于土地資源短缺壓力，屬于水資源相對短缺區(qū)；當RS≤1時，屬于土地資源相對短缺區(qū)[8]。

1.6 數據來源

水稻生產數據、氣象數據、水資源總量、耕地面積、常住人口數量、地區(qū)生產總值、農業(yè)總產值、人口密度、城鎮(zhèn)人口數、總人口數和有效灌溉面積均出自盤錦市統計年鑒（2009-2021年），農業(yè)用水量來自于盤錦市水資源公報和遼寧省水資源公報，作物系數來源于文獻[14]，農作物播種過程氨氮、總氮、總磷排放（流失）系數來源于《全國農田面源污染排放系數手冊》。

2 研究結果

2.1 水稻生產水足跡（2009-2021年）

盤錦市的水稻單位質量水足跡年均值為1.26 m3/kg，其在不同年份間有所波動，但沒有顯著的增加或降低趨勢，這可能與作物單位面積產量、灌溉技術、氣候條件、化肥施用量及利用率等因素相關[2,8]。各來源水足跡中，綠水（平均50%）占比最大，其次是藍水足跡（平均46%），灰水足跡占比最小（平均4%）。水稻生長過程的綠水和藍水足跡變化不大，綠水足跡隨降水量高而升高，藍水足跡隨水資源總量高而降低。2019-2021 年水稻生長過程的的灰水足跡比其他年份低（表3），可能是氮肥、磷肥施用量大幅減少導致的，氮肥、磷肥施用量分別由2009-2018 年的6.2、2.8 萬t 大幅減少到2019-2021年的1.6、0.4萬t。

表3 2009-2021年盤錦市單位質量水稻生產水足跡結構m3/kgTab.3 Water footprint structure of rice in Panjin City from 2009 to 2021

2.2 水資源利用評價

水資源利用評價3個指標均表明盤錦市水資源的利用程度較高。

2.2.1 水資源壓力指數

2009-2021年盤錦市水稻產量變化規(guī)律不明顯（見圖2），2013 年產量最小，為94.63 萬t，2020 年產量最大，為106.40萬t。其中，2016-2020 年水稻產量整體呈上升趨勢，2010、2012-2013、2015-2016和2021年水稻產量呈下降趨勢。

圖2 2009-2021年盤錦市的水稻產量變化圖Fig.2 Changes of rice yields in Panjin City from 2009 to 2021

盤錦市水資源壓力指數均值為2.78%（見圖3），壓力級別為基本不存在水資源壓力。2014、2015、2018 年水資源壓力指數均大于5%（見圖3），壓力級別為輕度壓力，可能與這3年水資源總量較低有關。

圖3 盤錦市的歷年水資源壓力指數與水資源總量Fig.3 Water stress index and total water resources in Panjin City from 2009 to 2021

2.2.2 水資源負載指數

通過水資源負載指數進一步分析盤錦地區(qū)水資源利用情況及水資源開發(fā)前景，結果表明2009-2021年盤錦市水資源負載指數變化規(guī)律不明顯，最高值出現在2014 年，而最低值則在2010 年。研究期間，盤錦市水資源負載指數值均大于10（見圖4），依據表1 劃分的負載級別都屬于Ⅰ級，因此盤錦市水資源開發(fā)利用程度較高，但水資源開發(fā)潛力較小，未來水資源開發(fā)前景并不樂觀。

圖4 盤錦市2009-2021年水資源負載指數變化Fig.4 The trends of water resource load index in Panjin City from 2009 to 2021

2.2.3 水足跡經濟效益

2009-2021年盤錦地區(qū)水稻生產水足跡經濟效益的時間變化特征如圖5 所示。由圖5 可知，水稻生產水足跡效益在研究期間總體呈現增加趨勢，自1.33 元/m3以每年0.18 元/m3的速率提升至3.72 元/m3。對于水稻生產水足跡效率，2010 年最小，為1.28 元/m3，2021年最大，為3.72 元/m3。

圖5 2009-2021年盤錦市水足跡效益（單位：元/m3）Fig.5 Water footprint benefit in Panjin City from 2009 to 2021

2.3 水稻作物水土資源匹配分析

水土資源數量匹配系數越高，表明農業(yè)生產基礎條件優(yōu)越；而水土資源質量匹配系數越高，表明該區(qū)域的農業(yè)面源污染壓力越大。2009-2021 年，水土資源數量系數均值為0.375 萬m3/hm2，水土資源質量匹配系數為0.273 萬m3/hm2，除2010年、2012年、2019年和2021年外，其他年份水土資源數量匹配均比質量匹配差（表4），表明盤錦農業(yè)生產所產生的資源數量影響大于質量產生的影響。

表4 考慮資源數量及質量的農業(yè)水土資源匹配m3/hm2Tab.4 Matching of agricultural water and land resources considering the quantity and quality of resource

2.4 水土資源短缺壓力分析

2009-2021年盤錦市水土資源稟賦與利用情況如圖6所示，農業(yè)用水量和水資源總量均值分別為3.24 億m3、3.88 億m3，水稻總耕種面積和耕地面積均值分別為10.74 萬hm2、15.55 萬hm2。

圖6 2009-2021年盤錦市水土資源稟賦與利用概況Fig.6 Water and land resources endowmen and utilization in Panjin City from 2009 to 2021

水足跡稀缺性指數平均值為2.13，耕地稀缺性指數平均值為0.69。盤錦市在2010 年、2012 年和2021 年農業(yè)水土資源相對短缺指數均小于1（見圖7），表明土地資源短缺壓力大于水資源短缺壓力，屬于土地資源相對短缺區(qū)。盤錦市在2009、2011 和2013-2020 年的農業(yè)水土資源相對短缺指數均大于1（見圖7），屬于水資源相對短缺區(qū)。

圖7 2009-2021年盤錦市水土資源短缺壓力指數Fig.7 Pressure of water and land resources scarcity in Panjin City from 2009 to 2021

3 討 論

盤錦市水稻單位質量水足跡年均值為1.26 m3/kg，結果與盤錦市水稻單位質量水足跡（1.42 m3/kg）相似[9]。降水量、水資源總量、氮磷肥施用量是綠水足跡、藍水足跡、灰水足跡變化的主要原因。農業(yè)生產水平越高，在滿足糧食需求的情況下，水稻生產的藍水、綠水和灰水足跡都應減少，具體為通過優(yōu)化栽培技術和改良水稻品種，加強收集及利用綠水[8,15]的方式減少綠水足跡；采用推廣節(jié)水技術、推進渠道防滲和田間灌溉工程標準化建設、平整土地（移栽水稻前）、合理配置地表水和地下水的措施減少藍水足跡[2]；推行測土配方施肥技術和隨水施肥降低灰水足跡[16]。

盤錦市水資源的利用程度較高，研究期間水資源壓力級別為基本不存在水資源壓力，這可能與種植結構的改變，生態(tài)種養(yǎng)模式的創(chuàng)新發(fā)展，農田水利設施的完善，當地水資源和降雨量的年際變化以及灌溉用水效率的不斷提高有關[2]；水資源開發(fā)利用程度較高，再開發(fā)潛力很小，可以考慮通過外水調入來滿足區(qū)域內生產生活需求[17]；盤錦市水足跡效益的增長，表明消耗等量水資源所帶來的經濟價值越來越多，體現了產業(yè)結構創(chuàng)新和綠色發(fā)展[18]。

盤錦農業(yè)生產所產生的資源數量影響大于質量產生的影響，為了促進水土資源的協調開發(fā)利用，在水稻生產過程中應嚴控農業(yè)用水強度和總量；發(fā)展水稻節(jié)水技術[19,20]，減少無效排水[21]，提高用水效率，進一步降低農業(yè)用水[19]；提升資源利用效率、緩解資源短缺壓力以及改善面源污染；規(guī)劃調整種植結構；加強現代化新型農業(yè)種植模式的推廣[8]。

盤錦市在2010、2012 和2021 年屬于土地資源相對短缺區(qū)，可通過規(guī)劃調整種植結構和加強現代化新型農業(yè)種植模式的推廣等方式，實現區(qū)域水土資源的充分利用。其他年份屬于水資源相對短缺區(qū)，其可能與水資源總量較少有關，或可通過降低水稻用水強度來促進水土資源的相對配置[8]。為進一步分析影響盤錦農業(yè)水土資源相對短缺的原因，本研究分別從社會、經濟、生產環(huán)境方面選取人口密度和城鎮(zhèn)化率、勞動生產率、人均GDP 和農業(yè)產值占比以及農業(yè)用水結構和有效灌溉面積7個指標，研究不同年份與水土資源短缺的相關關系[8]。分析發(fā)現，在2010、2012 和2021 年，城鎮(zhèn)化率、勞動生產率、人均GDP 與耕地稀缺性呈現顯著負相關關系（見表5），表明經濟因素對盤錦農業(yè)水土資源短缺壓力影響較大；在2009、2011 和2013-2020 年，農業(yè)產值占比、農業(yè)用水結構與耕地稀缺性均呈現極顯著正相關關系，其中城鎮(zhèn)化率與耕地稀缺性呈現顯著負相關關系，然而所有指標與水足跡稀缺性指數呈負相關關系，表明社會、經濟、生產環(huán)境因素對區(qū)域的農業(yè)水資源短缺壓力影響都較小。

表5 水資源短缺壓力與各因素間的相關性分析Tab.5 Correlation analysis between water and land resource scarcity and factors

4 結 論

本研究通過分析盤錦水稻生產單位質量水足跡特征，評估水資源利用情況，測算農業(yè)水土資源數量、質量匹配格局及資源短缺壓力，最后揭示了農業(yè)水土資源短缺壓力的影響因素。主要研究結論如下：

（1）盤錦市的水稻單位質量水足跡在2009-2021年間沒有顯著的增加或降低趨勢。從用水來源來看，綠水足跡和藍水足跡占水足跡總量的比重較大。

（2）盤錦市水資源的利用程度較高，盤錦市水稻生產帶來的水資源壓力在研究期（2009-2021年）間隨時間波動變化趨勢不明顯，而在2014、2015、2018 年呈現輕度壓力；水資源負載指數的變化規(guī)律不明顯，水資源開發(fā)利用程度較高，水資源開發(fā)潛力較小，未來水資源開發(fā)前景并不樂觀；水足跡效益總體呈現增加趨勢，說明消耗等量水資源所帶來的經濟價值越來越多。

（3）除2010、2012、2019 和2021 年外，其他年份水土資源數量匹配均比質量匹配差，表明盤錦農業(yè)生產所產生的資源數量影響大于質量產生的影響。

（4）2010、2012 和2021 年，盤錦市的土地資源短缺壓力高于水資源短缺壓力，屬于土地資源相對短缺區(qū)；而其他年份屬于水資源相對短缺區(qū)。土地資源短缺壓力受經濟環(huán)境因素制約顯著，社會、經濟、生產環(huán)境對農業(yè)水資源短缺壓力的影響較小。