王玉寶 吳 楠 張富堯 李 鑫 劉 榮 殷杰玲

(1.西北農林科技大學旱區(qū)農業(yè)水土工程教育部重點實驗室， 陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農業(yè)研究院， 陜西楊凌 712100)

0 引言

自然資本是為人們帶來利益流量的可再生和不可再生的資源存量(如植物、動物、空氣、水、土壤和礦物)[1]，通常被劃分為自然資本流量和自然資本存量，前者為一定地理空間和特定時間內的可再生資源和生態(tài)服務流量，后者可以再生前者，并在其供不應求時進行補充[2]。強可持續(xù)背景下，維持資本存量的不減少是可持續(xù)發(fā)展的最低限度。淡水資源作為一種關鍵自然資本，對人類福祉至關重要。農業(yè)是需水最大的部門，在我國占全行業(yè)用水的62.1%[3]，農業(yè)水資源短缺和供需不平衡的問題日益突出，已經成為威脅我國糧食安全的關鍵因素之一。

水足跡是衡量全生育周期作物水資源需求量的有效指標，應用范圍涵蓋全球[4]、國家[5-6]、流域[7]、地區(qū)[8]、灌區(qū)[9]和田塊[10]等尺度。但傳統(tǒng)水足跡方法無法區(qū)分可持續(xù)和不可持續(xù)的用水部分[11]，這限制了其在可持續(xù)評價方面的應用。三維足跡利用足跡深度、足跡廣度分別表達對資本存量、資本流量的耗用，可以衡量自然資本占用的代際公平和代內公平[12-13]，豐富了可持續(xù)性表達功能。FANG等[14]應用三維水足跡衡量了貴陽市自然資本利用狀況，熊鴻斌等[15]利用三維水足跡模型評估了安徽省水資源利用可持續(xù)性狀況。以上研究在區(qū)域水資源流量和存量的界限劃分上較模糊，并且三維水足跡模型仍缺乏更廣泛的實踐與應用。

在可持續(xù)發(fā)展的大背景下，應將水資源的占用維持在水彈性范圍之內[16]。ROCKSTROM等[17]提出了行星邊界的概念，劃定了包括全球淡水資源在內的9個行星邊界值，當邊界門檻被突破時，彈性將被削弱。行星邊界的提出和量化有助于防止人類活動造成不可逆轉的環(huán)境變化[18]。水行星邊界提供了人類水資源占用是否可持續(xù)的基準，此基準在地球系統(tǒng)不同尺度上運行，包含更高空間分辨率的國家一級[19]和省域一級[20-21]。關于邊界值的降尺度方法，LUCAS等[22]采用3種不同的分配方法，即基于環(huán)境壓力份額的祖父化(Grandfathering)方法、基于人均GDP的支付能力分配法和基于人口份額的人均平等分配法，將全球邊界分配至大型經濟體并結合不同環(huán)境足跡進行比較。

行星邊界和足跡指標的結合以直接的方式表達了環(huán)境可持續(xù)性[23]。農業(yè)灌溉是我國最主要的水資源消耗方式，通過降尺度行星邊界方法界定區(qū)域農業(yè)用水的安全空間，結合三維水足跡模型評估區(qū)域農業(yè)用水可持續(xù)狀況，能幫助提供農業(yè)用水可持續(xù)發(fā)展政策，并提高居民對水資源這一重要自然資本的節(jié)約和保護意識。本文將三維水足跡模型與降尺度行星邊界相結合，探究1998—2020年中國大陸31個省級行政區(qū)的農業(yè)用水可持續(xù)狀況；分析區(qū)域農業(yè)水足跡深度、農業(yè)水足跡廣度、農業(yè)水資源赤字率和盈余率時空變化；討論區(qū)域農業(yè)三維水足跡和區(qū)域農業(yè)生產總值間的變化關系，以期為中國農業(yè)用水可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 方法與數(shù)據(jù)

本研究的基本思路如圖1所示。即先采用自下而上的方法核算年際可再生的區(qū)域淡水資源流量，然后采用祖父化方法劃定農業(yè)部門的環(huán)境份額，得到農業(yè)可利用水資源量；核算區(qū)域農業(yè)水足跡，計算獲得水足跡廣度、水足跡深度和農業(yè)水資源盈余(赤字)率，分析時空變化關系；最后利用脫鉤分析理論，得到水足跡深度和水足跡廣度與經濟發(fā)展間變化關系，劃分區(qū)域農業(yè)水-經濟類型。

圖1 研究思路示意圖Fig.1 Schematic of research ideas

1.1 區(qū)域農業(yè)可利用水資源量

作為重要的自然資本之一，淡水資源的全球占用量雖未超過行星邊界值，但在國家等更高空間分辨率層級存在區(qū)域淡水邊界值已經被超越或受威脅程度加劇的情況[20-21]。流域控制變量的劃定基于“環(huán)境流量”的概念，該概念為維持環(huán)境和生態(tài)健康的保留量。本研究取40%當?shù)氐Y源量為可利用部分[24]，區(qū)域內可更新的淡水資源流量采用自下而上的方法核算。區(qū)域可利用藍水資源量計算式為

WA，region=0.4WL+WT+WNPI

(1)

式中WA,region——區(qū)域可利用藍水資源量，m3

WL——當?shù)厮Y源量，m3

WT——過境水量，也稱為客水量，考慮數(shù)據(jù)可用性，數(shù)值取自黃河等各主要河流分水量計劃(已考慮維護河流生態(tài)環(huán)境健康的水量)，m3

WNPI——凈物理進口水量，主要考慮南水北調工程應急調水量、南水北調工程東線、中線開通后調水量和引灤調水量等，m3

只關注提高農業(yè)用水效率并不能保證農業(yè)用水的可持續(xù)性，選擇祖父化法[22]劃分區(qū)域農業(yè)部門可利用水資源量，即采用農業(yè)部門在水資源壓力中的份額分配各省級行政區(qū)農業(yè)可用水量。

1.2 三維水足跡

1.2.1作物生產藍水足跡

作物生產消耗性的廣義水資源量由藍水足跡和綠水足跡共同組成，前者定義為作物生長過程中所消耗的地表水和地下水量，后者為消耗的有效降水量[25]。綠水足跡多作為背景水足跡考慮，用于維持生態(tài)系統(tǒng)運行[26]。本研究目的為評價區(qū)域農業(yè)生產中水資源利用的可持續(xù)狀況，因此僅考慮藍水足跡。中國的灌溉水量占農業(yè)用水量的近90%，由于耗水數(shù)據(jù)難以完整獲取，本文中將農業(yè)用水量定義為農業(yè)藍水足跡。

1.2.2水足跡廣度

水足跡廣度表征為人類對年際可再生淡水資源流量的占用，具有空間特性。農業(yè)水足跡廣度用以核算區(qū)域內農業(yè)水資源可利用量的實際占用量，計算式為

WF,size=min(WF,agr,WA,agr)

(2)

式中WF,size——農業(yè)水足跡廣度，m3

WF,agr——農業(yè)水足跡，m3

WA,agr——農業(yè)可利用水量，m3

1.2.3水足跡深度

水足跡深度反映區(qū)域內再生年際所使用淡水資源流量的年數(shù)，或維持區(qū)域內淡水資源占用水平下所需占用的區(qū)域淡水資源流量的倍數(shù)，具有時間特性。水足跡深度由“自然深度”(為1)和“附加深度”構成：自然深度下，人類活動對淡水資源占用不超過可恢復能力；當產生“附加深度”時，即水足跡深度大于1時，認為人類活動開始侵占淡水資源存量，對淡水資源的使用處于不可持續(xù)狀態(tài)。農業(yè)水足跡深度反映農業(yè)水資源利用可持續(xù)狀況，計算式為

(3)

式中WF,depth——農業(yè)水足跡深度

1.2.4附加指標

當區(qū)域農業(yè)可利用水資源量未被充分利用時，農業(yè)水足跡深度保持在自然深度，無法體現(xiàn)區(qū)域間農業(yè)水資源利用差異情況，因此引入農業(yè)水資源盈余率反映年際和區(qū)域間農業(yè)可利用水資源實際占用情況，計算式為

(4)

式中RWS,agr——農業(yè)水資源盈余率，%

產生農業(yè)水足跡附加深度時，引入農業(yè)水資源赤字率反映農業(yè)生產活動對環(huán)境干擾程度，計算式為

(5)

式中RWD,agr——農業(yè)水資源赤字率，%

1.3 農業(yè)水-經濟關系劃分

脫鉤理論最初源于物理領域，后逐漸被用于評估區(qū)域資源環(huán)境與經濟發(fā)展間的變化關系，經濟增長與資源環(huán)境變化間不相互依賴稱為脫鉤[27]。分別比較區(qū)域農業(yè)水足跡深度、區(qū)域農業(yè)水足跡廣度和區(qū)域農業(yè)生產總值(GFP)的變化關系，能夠分別得到4種類型的水存量-經濟關系和4種類型的水流量-經濟關系(表1)。水存量-經濟關系和水流量-經濟關系的進一步組合，得到8種類別的農業(yè)水-經濟關系(圖2)，幫助衡量農業(yè)經濟發(fā)展與農業(yè)用水可持續(xù)狀況間的變化關系。

表1 三維水足跡與經濟發(fā)展間變化關系Tab.1 Relationship between 3D water footprint and economic development

圖2 農業(yè)水-經濟關系及其分類Fig.2 Agricultural water-economy relationship and its classification

根據(jù)水足跡深度和水足跡廣度的概念，當水足跡深度維持在自然深度內是可持續(xù)的；水足跡廣度越小，則資本流量占用越少。水存量、水流量與經濟發(fā)展間的關系呈強脫鉤時最好，強耦合時最差。但是，水足跡深度和廣度存在一定的內在關系，相互組合后的狀態(tài)則呈現(xiàn)不同的結果。在自然深度內，水足跡廣度的增加不影響水資源利用可持續(xù)狀況；超出自然深度，水足跡廣度越大則代表水資源承載能力越大。因此，圖2中8種農業(yè)水-經濟類型從優(yōu)到劣(優(yōu)先考慮農業(yè)用水可持續(xù)，再考慮農業(yè)經濟變化情況)依次為類型1、類型2、類型5、類型7、類型4、類型3、類型8、類型6。

1.4 數(shù)據(jù)來源

本文研究時段為1998—2020年，歷年各省級行政區(qū)農業(yè)用水量、水資源量數(shù)據(jù)來源于《中國水資源公報》(1998—2020)。農業(yè)生產總值數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒》(1999—2021)。過境水量采用主要河流分水量數(shù)據(jù)，相關政策文件取自國務院網站(http://www.gov.cn/guowuyuan/)?？鐓^(qū)域工程性調水數(shù)據(jù)從物理水調運相關省級行政區(qū)水資源公報和《南水北調工程建設年鑒》獲得。江蘇和上海的供用水量依靠豐富的長江和太湖的過境水量，情況較為復雜，水資源核算時需要考慮引用的過境水量。上海引用的過境水量主要考慮長江和太湖，長江引水量參考《上海市水資源公報》，另考慮38%的用水量來源于太湖來水量[28]；江蘇對長江引水量數(shù)據(jù)參考《江蘇省水資源公報》。

2 結果與分析

2.1 中國農業(yè)三維水足跡時空格局

水足跡深度維持在自然深度內，水足跡廣度越大，表明區(qū)域水資源承載能力越高，可持續(xù)性越強。1998—2020年中國農業(yè)用水整體狀況較好，農業(yè)水足跡深度一直處于自然深度狀態(tài)，年均農業(yè)水足跡廣度為2.96×1011m3。圖3為區(qū)域農業(yè)三維水足跡年均狀況，反映了空間差異狀況。

圖3 1998—2020年中國年均三維水足跡Fig.3 Annual average 3D water footprint of China from 1998 to 2020

1998—2020年有12個省級行政區(qū)處于農業(yè)用水不可持續(xù)的狀態(tài)。其中，北京和寧夏的水足跡深度最大，農業(yè)用水不可持續(xù)狀態(tài)最為嚴重，至少需要3.5以上現(xiàn)有區(qū)域水資源流量才能滿足當?shù)剞r業(yè)水資源需求量。其次為河北(3.07)、上海(2.41)和江蘇(2.13)。天津(1.86)、山東(1.55)、新疆(1.30)、遼寧(1.26)、河南(1.08)、甘肅(1.08)和山西(1.01)也處于不同程度的農業(yè)用水不可持續(xù)性狀態(tài)。作為中國棉花的最大生產區(qū)域，新疆年均農業(yè)水足跡廣度高達3.42×1010m3，其資源承載能力仍不足以滿足其需求。北京為年均水足跡廣度最小的省級行政區(qū)，僅為2.95×108m3，資源承載能力不足為其農業(yè)生產帶來了更大的壓力。

不同省級行政區(qū)在水資源稟賦、人口和社會經濟發(fā)展等方面存在巨大差異，區(qū)域淡水資源占用呈現(xiàn)不同的特點。選取1998、2000、2005、2010、2015、2020年進行時間序列分析(圖4，圖中98、00、05、10、15、20分別代表1998、2000、2005、2010、2015、2020年)。人口密集、經濟發(fā)達的華北和華東地區(qū)，以及氣候干旱的西北地區(qū)水資源供需矛盾較為突出，降水豐腴的西南和華南地區(qū)水資源可持續(xù)性狀況較好。各地區(qū)農業(yè)用水可持續(xù)性狀況與降水年型有較大關聯(lián)，隨時間無明顯變化規(guī)律。

圖4 各省級行政區(qū)水足跡深度與廣度關系Fig.4 Relationship between depth and size of water footprint in each province

華北地區(qū)內，北京、河北和山西的農業(yè)水資源流量和存量耗用關系大致呈倒“U”形，水足跡深度和足跡廣度同向增減，在居民節(jié)水意識加深和政策約束的情況下，經歷了可持續(xù)程度降低到增強的變化階段；由于農業(yè)可利用水量和農業(yè)生產水足跡的不同步波動變化，天津的水足跡深度和廣度變化呈突變型；內蒙古農業(yè)水資源承載能力隨時間變化，但均處于自然深度內。東北地區(qū)內，吉林和黑龍江的水足跡深度均處于自然深度內，資源承載能力隨時間先減小后增大；遼寧的降水年際差異較大，水足跡深度和廣度變化呈突變型。華東地區(qū)內，上海大致呈倒“U”形，水足跡深度處于減小趨勢，可持續(xù)狀態(tài)變好；受降水年型年際差異較大的影響，江蘇和山東也呈突變型；浙江、安徽、江西和福建的水足跡深度均處于自然深度內，浙江和福建的水資源承載力逐年縮小，水資源流量可持續(xù)狀態(tài)逐步變差。華中地區(qū)內，雖然農業(yè)用水占比逐年減小，但年際間降水年型差異較大，河南呈突變型；湖北和湖南的水足跡深度均處于自然深度內。華南地區(qū)內，廣東、廣西和海南的水足跡深度均處于自然深度內，但水足跡廣度隨時間均呈減小趨勢，水資源承載能力逐步減弱。西南地區(qū)5個省級行政區(qū)的水足跡深度均處于自然深度內，重慶和四川的水足跡廣度大致呈增大趨勢。西北地區(qū)內，青海和陜西處于農業(yè)用水可持續(xù)狀態(tài)，青海的水足跡廣度呈減小趨勢；甘肅年際間降水量差異大，農業(yè)水足跡隨降水量變化較大，因此呈突變型；寧夏水足跡深度逐年減少，農業(yè)水資源利用可持續(xù)狀態(tài)變好；新疆水足跡深度逐年增加，水足跡廣度大致呈減小趨勢，可持續(xù)狀態(tài)逐年變差。

2.2 區(qū)域農業(yè)水資源盈余和赤字狀況

水資源盈余率和赤字率可以進一步反映水資源流量和存量的占用情況，與特定時間內特定區(qū)域可利用水資源流量和水資源占用量有關。中國農業(yè)水資源利用狀況較好，水資源盈余率在50%～60%之間，年均變化率0.39%。區(qū)域農業(yè)水資源盈余率和赤字率時空變化如圖5所示。

圖5 區(qū)域農業(yè)水資源盈余率和赤字率時空變化Fig.5 Regional agricultural water surplus rates and deficit rates in time and space

空間分布中，北京、天津、河北、上海、江蘇、山東、甘肅、寧夏和新疆9個省級行政區(qū)處于水資源赤字狀態(tài)，其中位于華北地區(qū)的3個省級行政區(qū)赤字狀況較為嚴重。華東和西南地區(qū)農業(yè)水資源盈余率較高，其中浙江、福建、江西、重慶、四川和云南的年均盈余率達60%以上。中國湖泊最多的西藏和享有“中國水塔”之稱的青海擁有年均90%以上的農業(yè)水資源盈余率。上海和江蘇雖然擁有較為豐富的過境水資源，但由于河流下游水質較差以及過境水受季節(jié)影響較大，農業(yè)水資源仍處于赤字狀態(tài)。山東人口和產業(yè)較為密集，并且作為蔬菜和農業(yè)生產大省，農業(yè)水資源赤字情況也較為嚴重。

時間分布上，華北、華東和西北地區(qū)有明顯變化。華北地區(qū)內，京津冀城市群的農業(yè)水資源赤字率在1999年陡降，后波動變化并趨于增加趨勢，即不可持續(xù)程度逐漸降低。華東地區(qū)內，上海、江蘇和福建年際間變化差異較大，無明顯規(guī)律；安徽以2011年為界，水資源盈余率變化趨勢為先減少再增加。西北地區(qū)內，寧夏是農業(yè)水資源赤字率最嚴重的區(qū)域，但隨著時間變化，赤字率波動變化且緩慢減小，但在2020年農業(yè)水資源赤字率仍為209.7%，農業(yè)用水供需矛盾仍十分嚴重。新疆面積廣闊，降水少，植被蒸散發(fā)量大，2020年新疆棉花產量占全國的87.3%，農業(yè)水資源赤字率不斷增加，由1998年的0.89%增長至2020年的60.22%，農業(yè)用水供需矛盾逐步惡化。

2.3 農業(yè)用水與經濟發(fā)展變化關系

農業(yè)水-經濟類型劃分結果如圖6所示。中國農業(yè)水-經濟關系的整體狀況較好，2013—2020年連續(xù)7年為農業(yè)水-經濟類型中最好的類型1，即農業(yè)生產總值增加，農業(yè)水-經濟關系脫鉤且處于環(huán)境可持續(xù)狀態(tài)。農業(yè)水-經濟類型劃分結果如圖6所示。

圖6 區(qū)域農業(yè)水-經濟關系變化熱點圖Fig.6 Hotspot map of regional agricultural water-economic nexus changes

省級行政區(qū)尺度上，浙江農業(yè)水-經濟關系最好，研究時間內共17次達到類型1，與其農業(yè)用水占比相對較低，經濟發(fā)展較快，灌溉效率較高有關；其次為福建、廣東、廣西和海南的14次，這些地區(qū)雖然農業(yè)用水占比均在50%以上，但灌溉水有效利用程度很高[5]。北京、天津、河北、山西、遼寧、黑龍江、上海、江蘇、山東和寧夏均出現(xiàn)類型6，即農業(yè)水-經濟關系耦合且環(huán)境不可持續(xù)，為最差的農業(yè)水-經濟類型。其中北京最為嚴重，雖然農業(yè)用水占比較低，但是較低的水資源承載能力和其他部門激烈的用水競爭關系，進一步壓縮了農業(yè)可利用水資源量。按區(qū)域整合為華北地區(qū)整體農業(yè)水-經濟關系較差，西北、華中、華東和東北地區(qū)部分農業(yè)水-經濟關系較差。在時間變化上，2002—2003年、2006—2007年和2015—2016年這3個時間段內類型1出現(xiàn)的次數(shù)最多；1998—1999年、2014—2015年和2016—2017年3個時間段出現(xiàn)類型6的次數(shù)最多。北京和上海從2014年開始連續(xù)出現(xiàn)較差的農業(yè)水-經濟關系狀況，即農業(yè)用水可持續(xù)性降低，農業(yè)水資源承載力降低，農業(yè)生產總值也降低。

3 討論

農業(yè)可持續(xù)用水對維持區(qū)域糧食安全和地區(qū)健康發(fā)展有著關鍵作用。區(qū)域農業(yè)用水可持續(xù)評價對進一步探討作物種植結構調整與適宜灌溉規(guī)模確定等具有重要參考意義。本文研究結果表明，華北、華東和西北地區(qū)的農業(yè)用水可持續(xù)狀況較差，西南和華南地區(qū)狀況較好，但這與中國的農業(yè)生產和相應的水資源配置有所矛盾。北方旱區(qū)是我國的糧食主產區(qū)，但由于氣候條件，北方水資源壓力大于南方。華北平原是中國重要的糧棉油生產基地，而北京、天津和河北的人均水資源量都遠低于國際公認的水資源短缺閾值[29]。西北地區(qū)以約占全國10%的水資源量生產了全國12%的糧食，棉花和瓜果的出口輸出了大量的虛擬水[30-31]。農業(yè)水-經濟類型劃分結果顯示，華北地區(qū)整體脫鉤狀況較差，西北、華中、華東和東北地區(qū)局部脫鉤狀況較差。結合上述結果，提出以下可持續(xù)發(fā)展措施建議：①平衡區(qū)域水資源配置，調整作物種植結構，優(yōu)化區(qū)域間農作物流通所帶來的虛擬水貿易格局，減輕水資源分布不均所帶來的局部農業(yè)生產用水不可持續(xù)狀況。②發(fā)展農業(yè)節(jié)水技術和提高灌溉管理水平，提升灌溉水利用率和利用效率，以實現(xiàn)區(qū)域農業(yè)水資源利用與經濟發(fā)展間的脫鉤關系，形成環(huán)境與經濟發(fā)展間的良性循環(huán)。

4 結論

(1)中國農業(yè)用水整體上呈可持續(xù)狀態(tài)，農業(yè)年均水足跡廣度為2.96×1011m3。農業(yè)水資源利用不可持續(xù)省級行政區(qū)主要分布于華北、華東和西北地區(qū)，區(qū)域水資源承載能力較小，農業(yè)灌溉需水量較大。農業(yè)水足跡廣度較大省級行政區(qū)主要分布于華南和西南地區(qū)，雖然農業(yè)灌溉需水量較大，但是水資源承載力較大，農業(yè)水資源利用可持續(xù)程度較好。

(2)中國農業(yè)水資源盈余率保持在50%～60%間，但由于中國水資源分布時空不均的特點，區(qū)域農業(yè)水資源盈虧差異和隨時間的變化程度較大?？臻g分布上，西藏、青海、浙江、福建、江西、重慶、四川和云南8個省級行政區(qū)的農業(yè)水資源流量的盈余率較高，寧夏、北京、天津和上海農業(yè)水資源存量占用率較高，可持續(xù)性狀況較差；時間分布上，華北、華東和西北地區(qū)的農業(yè)水資源盈虧狀況有明顯變化。

(3)農業(yè)水-經濟類型分析表明，華北地區(qū)整體農業(yè)水-經濟關系較差，西北、華中、華東和東北地區(qū)部分農業(yè)水-經濟關系較差。北京和上海在2014年后農業(yè)水-經濟類型變差，農業(yè)生產與生態(tài)環(huán)境間關系惡化。