鄧祥征，王文宣，李志慧

（1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

水資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的基礎(chǔ)性資源之一，是保障糧食生產(chǎn)和維護(hù)國家糧食安全的基本支撐［1］。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量超過我國總用水量的60%［2］，水資源的短缺、供需矛盾等問題長期以來限制了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展［3］。 黃河流域是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，水資源季節(jié)短缺、時(shí)空錯配［4］等問題在一定程度上影響了糧食生產(chǎn)和區(qū)域生態(tài)環(huán)境改善，制約了區(qū)域農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展［5-6］。 相較于黃河流域其他省區(qū)，山西省糧食產(chǎn)量和種植面積較小［7］，但其少主糧、多優(yōu)質(zhì)雜糧的獨(dú)特糧食生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，對實(shí)現(xiàn)穩(wěn)糧保供、豐富我國糧食種植結(jié)構(gòu)起到很好的調(diào)節(jié)作用［8-9］。 水資源短缺、用水效率低下等問題同樣是當(dāng)前山西省糧食產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵問題［10-11］。

水足跡是一種描述世界淡水資源消費(fèi)狀況的指標(biāo)，常表征人類對水資源直接和間接的需求與影響。基于虛擬水的理念，Hoekstra 等［12-13］將其定義擴(kuò)展到生產(chǎn)產(chǎn)品和服務(wù)所需的水量。 水足跡的概念和測算方法已在國家和區(qū)域的水資源利用評估研究中被廣泛應(yīng)用［14-16］。 高甜等［17］通過計(jì)算黃河流域糧食生產(chǎn)藍(lán)水足跡、綠水足跡和虛擬水足跡，指出山西省糧食水足跡偏低，糧食生產(chǎn)面臨中等缺水壓力。 通過使用自下而上的核算方法，王寧等［18］認(rèn)為山西省農(nóng)業(yè)水足跡相對低，但農(nóng)業(yè)水足跡在水足跡總量中占比較高，達(dá)到75%。 馬海良等［19］采用自上而下的核算方法對山西省水足跡進(jìn)行核算，發(fā)現(xiàn)山西農(nóng)業(yè)水足跡占總量的90%，種植業(yè)的占比高于畜牧業(yè)，而糧食作物的比重大于經(jīng)濟(jì)作物。 在具體作物方面，孫世坤等［5］使用CROPWAT 模型對小麥、玉米、水稻等作物的水足跡進(jìn)行分析，提出降低作物生產(chǎn)水足跡能使農(nóng)業(yè)水資源得以高效利用，是保障中國糧食安全的重要途徑。 吳普特等［20］使用3 種作物生產(chǎn)水足跡量化方法，對小麥水足跡進(jìn)行量化。 卓拉等［21］基于能值分析法，對黃河流域9 個省區(qū)的玉米和小麥生產(chǎn)的藍(lán)綠水資源利用進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)糧食生產(chǎn)水資源利用效率有所提升。 綜合上述研究，當(dāng)前糧食生產(chǎn)水足跡研究集中在省級尺度和主糧作物上，針對城市尺度和有區(qū)域特色作物的水足跡研究相對較少。 針對更精細(xì)的時(shí)空尺度，納入具有區(qū)域特色的糧食作物，量化不同糧食生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的水足跡時(shí)空變化特征，可為區(qū)域水資源利用政策和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)的理論支持和決策依據(jù)。

隨著黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略的提出，黃河流域區(qū)域用水超載、產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展水平較低、行業(yè)用水效率低下等問題，成為被關(guān)注的重點(diǎn)議題［22-23］。 近年來，山西省以鄉(xiāng)村振興為抓手，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化頂層設(shè)計(jì)，推動全省農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。 在當(dāng)前保障國家和區(qū)域糧食安全與黃河流域高質(zhì)量發(fā)展背景下，針對性地關(guān)注區(qū)域糧食生產(chǎn)用水情況，優(yōu)化水資源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和提升水資源利用效率具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。 本研究以黃河流域糧食生產(chǎn)極具旱作農(nóng)業(yè)特色的山西省為案例，兼顧水量和水質(zhì)雙重影響計(jì)算2011—2021 年山西省各地級市水資源稀缺指數(shù)，評估區(qū)域水資源壓力狀況；核算2011—2021 年6 種主要糧食作物（小麥、玉米、谷子、高粱、豆類、薯類）生產(chǎn)的藍(lán)水、綠水和綜合水（藍(lán)水+綠水）足跡，分析山西省糧食生產(chǎn)水足跡的時(shí)空分布特征；評測2011—2021 年山西省糧食生產(chǎn)水資源利用效率，揭示各級地市農(nóng)業(yè)水資源生產(chǎn)率的差異；從水資源稀缺（壓力）、水資源足跡（狀態(tài)）、水資源效率（響應(yīng)）3 個維度對山西省各地級市農(nóng)業(yè)水資源利用狀況進(jìn)行評價(jià)，以期為推動山西省農(nóng)業(yè)節(jié)水和可持續(xù)發(fā)展、促進(jìn)旱作農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

山西省地處黃河流域中游，地跨黃河、海河兩大水系，位于黃河“幾”字彎東端，耕地面積386.95 萬hm2。黃河干流流經(jīng)忻州、呂梁、臨汾、運(yùn)城4 個市19 個縣，在山西境內(nèi)長度為965 km。 黃河流域在晉面積9.71 萬km2，覆蓋山西省全部11 個地級市，涉及73.5%的縣級行政區(qū)，占黃河流域總面積的12.2%。 山西省地勢東北高西南低，山地丘陵面積占全省面積80%以上，年降水量400～650 mm，屬溫帶大陸性氣候區(qū)。 山西省地勢及2020 年土地利用情況見圖1。

圖1 山西省地勢及2020 年土地利用情況

山西省糧食生產(chǎn)在黃河流域乃至全國極具特色，受地形高程和氣候條件限制，小麥、稻谷等主糧的生產(chǎn)能力偏低，自給率不足50%［24］。 獨(dú)特的自然條件適宜生產(chǎn)谷子、高粱、藜麥等小雜糧，區(qū)域年均調(diào)出量近1 000 萬t，是我國傳統(tǒng)旱作農(nóng)業(yè)的典型代表，其少主糧、多雜糧的特殊作物結(jié)構(gòu)對實(shí)現(xiàn)區(qū)域穩(wěn)糧保供和推動農(nóng)業(yè)特色產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展發(fā)揮了重要作用。 同時(shí)，山西省也是我國重要的能源資源富集區(qū)、水土保持功能區(qū)，還是黃土高原生態(tài)安全的重要屏障，在黃河流域高質(zhì)量發(fā)展中占據(jù)重要地位。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 水資源稀缺性測度

考慮水資源利用和生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)之間的平衡，基于水量評價(jià)的水稀缺指數(shù)WSqua計(jì)算公式如下［25］：

式中：di為部門i的用水量；Q為水資源可利用量；EFR為生態(tài)環(huán)境所需水量，參考黃河流域的研究成果，在這里被定義為水資源可利用量的60%［26］。

進(jìn)一步考慮水質(zhì)對水稀缺性的影響，采用稀釋法將水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的用水量轉(zhuǎn)化為所需的額外用水量，與水資源可利用量進(jìn)行比較。 基于水質(zhì)評價(jià)的水資源稀缺指數(shù)WSpol是指保障水質(zhì)情況下所需用水與水資源可利用量的比例，計(jì)算方法如下［27］：

式中：dqi為部門i獲得可接受質(zhì)量用水而稀釋所需的額外用水量，dqi，j為基于水質(zhì)參數(shù)j的部門i的稀釋水量，Cj為水質(zhì)參數(shù)j的實(shí)際值，Cmaxi，j為部門i所需水質(zhì)參數(shù)j的閾值。

綜合考慮水量和水質(zhì)的水稀缺指數(shù)WScom計(jì)算方法如下：

2.2 糧食生產(chǎn)水足跡計(jì)算

糧食生產(chǎn)水足跡是單位糧食作物生產(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），參考Hoekstra 等［28］提出的水足跡計(jì)算方法，以及水足跡評價(jià)手冊中關(guān)于灰水足跡的計(jì)算方法［29］，糧食生產(chǎn)水足跡計(jì)算公式如下：

式中：ETgreen、ETblue分別為作物蒸發(fā)蒸騰中來自降水、灌溉的水量；Y為作物單位面積產(chǎn)量；10 為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)；ETc為作物蒸發(fā)蒸騰量，根據(jù)作物系數(shù)和Penman-Moteith公式基于氣象數(shù)據(jù)計(jì)算得到［30］；Pe為有效降水量；L為灌溉水輸配過程中的水面蒸發(fā)損失量。

式中：β為進(jìn)入水體的污染物量占總化學(xué)物質(zhì)施用量的比例，AR為化學(xué)物質(zhì)施用率，cmax為水體的最大污染物容許濃度，cnat為污染物的自然本底濃度。

2.3 糧食生產(chǎn)水資源利用效率評價(jià)

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析（Data Envelopment Analysis， DEA）模型是一種非參數(shù)技術(shù)效率的分析方法，以投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)對同類型可比較決策單元的有效評價(jià)，在產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)、區(qū)域發(fā)展、資源利用等的效率評估方面應(yīng)用廣泛。 本研究采用Tone 改進(jìn)的超效率SBM（Slack Based Measure）模型［31］，引入的非期望產(chǎn)出提高了模型的嚴(yán)謹(jǐn)性，非徑向、非角度地對多個決策單元進(jìn)行決策評價(jià)［32-33］。 每個決策單元有N種投入（x1，x2，…，xN）、M種期望產(chǎn)出（y1，y2，…，yM）和I種非期望產(chǎn)出（b1，b2，…，bI）。

式中：ρ*為糧食作物生產(chǎn)水資源利用效率，分別為投入冗余、期望與非期望冗余的松弛量，zk為求解參數(shù)。

當(dāng)ρ*≥1 時(shí)，表明決策單元具有效率；當(dāng)ρ*＜1時(shí)，表明決策單元存在效率損失現(xiàn)象。 在投入產(chǎn)出指標(biāo)的選擇中，考慮糧食生產(chǎn)過程對水資源的需求以及指標(biāo)選擇的代表性和可獲得性，選取農(nóng)業(yè)用水量、農(nóng)業(yè)從業(yè)人員數(shù)量、有效灌溉面積、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力、化肥施用量作為投入指標(biāo)，糧食產(chǎn)量和糧食生產(chǎn)灰水足跡分別為期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出。

2.4 數(shù)據(jù)來源

山西省各地級市與糧食生產(chǎn)相關(guān)的投入和產(chǎn)出數(shù)據(jù)（如糧食播種面積和產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)從業(yè)人口、灌溉面積、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力等）來源于山西省及各地級市統(tǒng)計(jì)年鑒，水資源總量及各部門利用數(shù)據(jù)和水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于《山西省水資源公報(bào)》，氣象數(shù)據(jù)（如氣溫、降水、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)）來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：∥data.cma.cn），作物系數(shù)和生育期參考聯(lián)合國糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)庫。 灰水足跡計(jì)算使用最大容許濃度與自然本底濃度方法，采取《中華人民共和國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 山西省各地級市水資源稀缺狀況

在本研究中，根據(jù)水稀缺指數(shù)將缺水情況分為4 個級別：低（＜1.0）、中［1.0，1.5）、高［1.5，2.0］、嚴(yán)重（＞2.0）［34-36］。 2011—2021 年山西省各地級市水稀缺指數(shù)變化如圖2 所示。 從全省來看，2011—2021 年山西省水資源稀缺狀況總體上趨于改善，水稀缺指數(shù)由2011 年的1.36 下降至2021 年的0.87，但隨年份波動情況較為顯著，部分年份水資源稀缺狀況依然嚴(yán)峻，2015 年和2017 年稀缺等級達(dá)到嚴(yán)重級。

圖2 2011—2021 年山西省各地級市水稀缺指數(shù)

結(jié)合地形來看，呂梁山和太行山之間的黃河支流汾河谷地各市如北部的大同、朔州，中部的省會太原，南部的運(yùn)城等，水資源稀缺較為嚴(yán)重。 2011—2021 年太原、朔州、大同的水資源稀缺狀況均達(dá)到嚴(yán)重級，運(yùn)城市在2013—2019 年間的水資源稀缺狀況也達(dá)到嚴(yán)重級。 導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因各市不盡相同，晉北地區(qū)水稀缺指數(shù)較高的原因是可用水資源量偏低，晉西南地區(qū)處于黃河“幾”字彎的末端，可用水資源豐沛，但水質(zhì)條件相對較差，且區(qū)域用水量大，造成了結(jié)構(gòu)性稀缺。 太行山沿線和呂梁山地區(qū)的陽泉、長治、晉城、長治、呂梁等市的水稀缺狀況在中級以下。

3.2 糧食生產(chǎn)水足跡時(shí)空特征

山西省6 種糧食作物單位產(chǎn)量水足跡在2011—2021 年間波動變化［見圖3（a）］顯示，2021 年小麥、玉米、豆類和薯類單位產(chǎn)量水足跡相較于2011 年略有上升，谷子、高粱單位產(chǎn)量水足跡略有下降，說明在氣候、灌溉的共同作用下，6 種主要糧食作物在研究期內(nèi)的單位產(chǎn)量水足跡保持基本穩(wěn)定。 不同糧食作物單位產(chǎn)量的水足跡具有較大差異，豆類單位產(chǎn)量水足跡最高（2.37 m3／kg），其次分別為小麥、谷子、薯類和高粱，單位產(chǎn)量水足跡最低的是玉米（0.66 m3／kg）。 單位產(chǎn)量豆類的水足跡是玉米的3.6 倍。

圖3 2011—2021 年山西省糧食生產(chǎn)水足跡年際變化

山西省糧食生產(chǎn)水足跡總量在這一時(shí)期呈現(xiàn)波動下降的態(tài)勢［見圖3（b）］，僅在2013—2015 年出現(xiàn)了小幅上升，2011 年到2021 年下降了8.9%，這主要與糧食總產(chǎn)量和糧食生產(chǎn)結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。 從作物類型來看，玉米水足跡占糧食生產(chǎn)水足跡總量的比例最高，其次是小麥，二者之和占全部糧食生產(chǎn)水足跡的80%以上。 高粱、谷子、薯類等雜糧和新主糧作物的水足跡占比從2011 年的11%上升至2021 年的15%左右。 藍(lán)水和綠水占全部水足跡的比例分別穩(wěn)定在40%和60%［見圖3（c）］。

山西省大部分地級市單位產(chǎn)量糧食作物綜合水足跡在2011—2021 年都保持下降的趨勢，但陽泉市和長治市分別從2011 年的1.52 m3／kg 和1.13 m3／kg 上升至2021 年的2.22 m3／kg 和1.45 m3／kg（見表1）。 運(yùn)城、臨汾、呂梁等沿黃河干流地級市單位產(chǎn)量糧食作物綜合水足跡較高，2011—2021 年的平均值分別為2.05、1.93、1.87 m3／kg。 晉中市單位產(chǎn)量糧食作物綜合水足跡均值為區(qū)域最低，僅為1.06 m3／kg。

表1 2011 年和2021 年山西省各地級市單位產(chǎn)量糧食作物生產(chǎn)水足跡m3／kg

山西省糧食生產(chǎn)水足跡總量呈現(xiàn)出“北低南高，東低西高”空間特征（見圖4）。 晉西南地區(qū)的運(yùn)城、臨汾是區(qū)域糧食生產(chǎn)水足跡總量最高的地區(qū)，年平均水足跡總量在15 億m3以上，這部分歸因于該區(qū)域是山西省小麥種植集聚區(qū)，單位產(chǎn)量水足跡較高。 區(qū)域糧食生產(chǎn)水足跡總量次高區(qū)是晉西和晉北的呂梁、忻州、朔州和大同，年均水足跡總量為10 億m3左右，非主糧作物形成的水足跡為全省最高。 晉東南地區(qū)的長治、晉城以及晉中市為玉米主導(dǎo)的產(chǎn)區(qū)，年均水足跡總量在8 億m3以下。 太原和陽泉為水足跡總量最低的地區(qū)。

圖4 山西省各地級市糧食生產(chǎn)水足跡總量時(shí)空差異

3.3 糧食生產(chǎn)水資源利用效率分析

研究選取2011—2021 年中6 個年份山西省各地級市作為決策單元，測算其糧食生產(chǎn)的水資源利用效率（見表2）。 結(jié)果顯示，實(shí)現(xiàn)有效利用的決策單元共15 個，占總決策單元（66 個）的22.7%，約五分之一的決策單元在糧食生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)了水資源有效利用。整體來看，2011—2021 年山西省糧食生產(chǎn)的水資源利用效率有所提高。 晉北地區(qū)（包括大同市、朔州市、忻州市）2011 年以來糧食生產(chǎn)水資源利用效率顯著提高，年均增幅分別達(dá)到15%、10.3%、11.3%，同時(shí)伴隨灰水足跡這一非期望產(chǎn)出的減少。 盡管這些地區(qū)水資源稀缺水平較高，但是糧食生產(chǎn)處于高產(chǎn)及高效用水狀態(tài)，其中朔州市在2017 年以后即實(shí)現(xiàn)糧食生產(chǎn)的水資源有效利用。

表2 2011—2021 年山西省各地級市糧食生產(chǎn)水資源利用效率

在山西省11 個地級市中，長治市和陽泉市糧食生產(chǎn)的水資源利用效率始終處于較高水平，水資源稀缺水平較低，糧食生產(chǎn)規(guī)模較大且實(shí)現(xiàn)了水資源有效利用。 此外，太原市、呂梁市糧食生產(chǎn)的水資源利用效率偏低，灰水足跡冗余率較高。 晉城市糧食生產(chǎn)的水資源利用效率呈下降趨勢，灰水足跡冗余率顯著提高。太原市作為山西省省會，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，面臨嚴(yán)峻的水資源稀缺尤其是水質(zhì)性缺水問題，糧食生產(chǎn)規(guī)模較小且水資源利用效率低下。 晉城市和呂梁市的水資源稀缺程度較低，但灰水足跡偏高，水質(zhì)性缺水問題突出，糧食生產(chǎn)的水資源利用效率亟待提高。

4 討論

從水資源稀缺（壓力）、水資源足跡（狀態(tài)）、水資源效率（響應(yīng)）3 個維度對2011 年和2021 年山西省各地級市農(nóng)業(yè)水資源利用狀況進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果如圖5 所示。 整體來看，散點(diǎn)分布向內(nèi)、向上聚集，說明山西省糧食生產(chǎn)的水資源利用情況好轉(zhuǎn)，水稀缺情況得到改善，大部分城市水資源利用效率提升，但水足跡降低。從空間上來看，晉北地區(qū)的忻州、大同、朔州糧食生產(chǎn)水資源利用效果較差，特別是大同和朔州水資源稀缺壓力較大，水足跡偏高，而水資源利用效率偏低；晉中地區(qū)的呂梁和晉中市水資源稀缺壓力小，水足跡偏低，具備進(jìn)一步擴(kuò)大糧食產(chǎn)量的水資源潛力，應(yīng)當(dāng)在兼顧提高水資源利用效率的同時(shí)提高糧食生產(chǎn)的用水量，在保障區(qū)域糧食生產(chǎn)和供給方面發(fā)揮更重要的作用；晉南地區(qū)運(yùn)城和晉城2011 年糧食生產(chǎn)水資源利用效率接近，但2021 年呈現(xiàn)對角分布，且糧食產(chǎn)量差距有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢，運(yùn)城需要考慮進(jìn)一步擴(kuò)大谷子、高粱等單位產(chǎn)量水足跡較低的非主糧作物的種植面積，從而降低水足跡。

圖5 山西省各地級市糧食生產(chǎn)水資源利用綜合評價(jià)

5 結(jié)論

本研究以黃河流域糧食生產(chǎn)極具旱作農(nóng)業(yè)特色的山西省為案例，在兼顧水量和水質(zhì)雙重影響下評估了區(qū)域水資源稀缺壓力狀況，核算了2011—2021 年小麥、玉米、谷子、高粱、豆類、薯類生產(chǎn)的藍(lán)水、綠水和綜合水足跡，評測了2011—2021 年山西省糧食生產(chǎn)水資源利用效率，結(jié)果顯示：2011—2021 年山西省水資源稀缺情況總體上得到了改善，稀缺指數(shù)由2011 年的1.36下降至2021 年的0.87，但隨年份波動情況較為顯著，部分年份水資源稀缺狀況依然嚴(yán)峻。 不同糧食作物單位產(chǎn)量的水足跡具有較大差異，生產(chǎn)單位產(chǎn)量豆類的水足跡是玉米的3.6 倍。 玉米生產(chǎn)水足跡占糧食生產(chǎn)水足跡總量的比例最高，其次是小麥，二者之和占全部糧食生產(chǎn)水足跡的80%以上。 高粱、谷子、薯類等雜糧和新主糧作物的水足跡占比從2011 年的11%上升至2021 年的15%左右。 大部分地級市糧食作物單位產(chǎn)量綜合水足跡在2011—2021 年都保持了下降的趨勢，運(yùn)城、臨汾、呂梁等沿黃河干流地級市糧食作物單位產(chǎn)量綜合水足跡較高。 在空間上，糧食生產(chǎn)水足跡總量呈現(xiàn)出“北低南高，東低西高”空間特征。 糧食生產(chǎn)的水資源利用效率有所提高，長治市和陽泉市糧食生產(chǎn)的水資源利用效率始終處于較高水平，太原市、呂梁市糧食生產(chǎn)的水資源利用效率偏低，灰水足跡冗余率較高。