黃　晶,王學(xué)春,陳　阜

(1.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,四川 綿陽(yáng)　621010; 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院,北京　100193)

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水足跡研究進(jìn)展及其對(duì)農(nóng)業(yè)水資源利用的啟示

黃晶1,2,王學(xué)春1,陳阜2

(1.西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,四川 綿陽(yáng)621010; 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院,北京100193)

摘要：在明確水足跡起源、概念的基礎(chǔ)上,綜合評(píng)述基于虛擬水理論的水足跡方法、生命周期評(píng)價(jià)和基于生命周期評(píng)價(jià)的水足跡方法。比較不同方法的特點(diǎn)及其研究意義,認(rèn)為基于虛擬水理論的水足跡方法適用于區(qū)域?qū)用?而基于生命周期評(píng)價(jià)的水足跡方法更適用于產(chǎn)品層面的研究;二者結(jié)合可為農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用提供從區(qū)域到產(chǎn)品尺度的研究方法及思路。

關(guān)鍵詞：水足跡;虛擬水;生命周期評(píng)價(jià);水資源可持續(xù)利用;進(jìn)展

淡水資源是決定人類生存和發(fā)展的重要自然資源,目前正被過(guò)量開采利用而越來(lái)越匱乏。在人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及氣候變化等因素的影響下,未來(lái)水資源匱乏問(wèn)題將變得更加嚴(yán)重[1]?？茖W(xué)評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)水資源的影響是研究如何實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的前提。水足跡的概念由荷蘭學(xué)者Hoekstra于2002年提出,目前已成為國(guó)際水資源管理研究的前沿領(lǐng)域。水足跡研究經(jīng)歷了十余年的發(fā)展,其評(píng)價(jià)對(duì)象、范圍等逐漸完善,同時(shí)也涌現(xiàn)出不同的評(píng)價(jià)方法。近年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者主要針對(duì)基于虛擬水理論的水足跡研究進(jìn)展評(píng)述較多[2-3],而沒有系統(tǒng)地總結(jié)基于不同理論、不同方法的水足跡研究,特別是缺乏對(duì)水足跡理論在農(nóng)業(yè)水資源領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用的分析。筆者系統(tǒng)總結(jié)水足跡的起源、概念、不同研究方法的特點(diǎn)、應(yīng)用范圍等,分析水足跡對(duì)農(nóng)業(yè)水資源利用以及如何減少農(nóng)業(yè)水足跡實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的啟示,以期為相關(guān)研究提供參考。

1水足跡研究進(jìn)展

1.1　水足跡起源及其研究意義

水足跡(water footprint)理論最早是在虛擬水理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。虛擬水(virtual water)的概念由英國(guó)學(xué)者Allan[4]于20世紀(jì)90年代提出,被定義為生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品所需要的水資源。虛擬水又叫作“嵌入水(embodied water)”,指隱藏在產(chǎn)品背后的水資源,是相對(duì)于實(shí)體水的一個(gè)概念,其提出的初衷是為了研究貧水國(guó)家和地區(qū)如何通過(guò)從其他區(qū)域進(jìn)口水資源密集型的農(nóng)產(chǎn)品來(lái)減少水赤字。Hoekstra[5]將虛擬水的概念進(jìn)一步拓展,定義為生產(chǎn)商品和服務(wù)所需要的水資源數(shù)量,如1 kg糧食的虛擬水含量為1～2 m3,1 kg牛肉的虛擬水含量為16 m3。虛擬水的概念被量化研究后很快引起廣泛關(guān)注,國(guó)內(nèi)外學(xué)者均開展了系列研究[6-7]。在虛擬水研究的基礎(chǔ)上,荷蘭學(xué)者Hoekstra[8]于2002年進(jìn)一步提出了“水足跡”的概念,用以描述人類活動(dòng)對(duì)水資源的影響,其思想源自于20世紀(jì)90年代加拿大學(xué)者提出的“生態(tài)足跡(ecological footprint)”理論。生態(tài)足跡衡量的是人類對(duì)具有生物生產(chǎn)力土地的占有,它表示任何已知人口(個(gè)人、城市、國(guó)家或全人類)需要多少具備生物生產(chǎn)力的土地和水域,來(lái)生產(chǎn)所需資源和吸納所衍生的廢物。水足跡衡量的是人類活動(dòng)對(duì)水資源的影響,其研究對(duì)象可以是一件產(chǎn)品或服務(wù),一個(gè)人,一個(gè)地區(qū)或國(guó)家等[9]。產(chǎn)品或服務(wù)的水足跡是指生產(chǎn)該產(chǎn)品或服務(wù)整個(gè)過(guò)程中的水資源消耗量;個(gè)人、區(qū)域和國(guó)家水足跡是指已知人口在一定時(shí)間內(nèi)消費(fèi)的所有產(chǎn)品和服務(wù)所需要的水資源量。水足跡按其構(gòu)成可以分為藍(lán)水、綠水和灰水。藍(lán)水指存在于江、河、湖泊及含水層中的地表水與地下水的總和;綠水指存在于土壤非飽和含水層中以蒸散的形式為植被所利用的土壤水;灰水指被污染的水資源,被定義為能將污染物稀釋到可以接受的最高濃度的水資源需求量。

與虛擬水相比,水足跡具有更深層次的意義和更廣泛的應(yīng)用范圍。首先,通常說(shuō)的產(chǎn)品虛擬水量?jī)H僅指用水量,而水足跡不僅僅包括用水量,還明確了用水的地點(diǎn)、時(shí)間以及用水類型。其次,虛擬水是一個(gè)較為籠統(tǒng)的概念,而水足跡可以根據(jù)研究目標(biāo)的不同而設(shè)定研究界限,如,研究消費(fèi)者的水足跡,可以評(píng)價(jià)消費(fèi)的產(chǎn)品和服務(wù)的水足跡;研究生產(chǎn)者的水足跡,則可以評(píng)價(jià)產(chǎn)品和服務(wù)的生產(chǎn)水足跡?？偟膩?lái)說(shuō),水足跡是對(duì)水資源消耗和污染的定量化評(píng)價(jià),從空間和時(shí)間上明確了人類對(duì)水資源的真實(shí)占用情況。近年來(lái),相關(guān)研究一般均使用水足跡的概念,但涉及產(chǎn)品貿(mào)易時(shí)仍保留虛擬水的概念。

1.2　基于虛擬水理論的水足跡研究進(jìn)展

在定量評(píng)價(jià)全球作物產(chǎn)品與畜禽產(chǎn)品貿(mào)易虛擬水的基礎(chǔ)上,Chapagain等[10]對(duì)全球210個(gè)國(guó)家和地區(qū)1997—2001年的水足跡進(jìn)行了計(jì)算,首次較為系統(tǒng)地報(bào)道了各個(gè)國(guó)家(地區(qū))的水足跡及因貿(mào)易產(chǎn)生的國(guó)家(地區(qū))間虛擬水流,并初步分析水足跡與國(guó)民收入、氣候、消費(fèi)結(jié)構(gòu)、作物產(chǎn)量等的關(guān)系。Hoekstra等[11]進(jìn)一步從生產(chǎn)角度與消費(fèi)角度計(jì)算了全人類的水足跡,指出消費(fèi)者水足跡的大小主要取決于其消費(fèi)量以及消費(fèi)結(jié)構(gòu)。該研究對(duì)于消費(fèi)者、生產(chǎn)者、媒介者(如產(chǎn)品加工者和零售商)以及政府部門如何在關(guān)鍵環(huán)節(jié)減少水足跡具有重要的啟示。不同學(xué)者進(jìn)一步從國(guó)家、流域或省域尺度對(duì)特定區(qū)域水足跡進(jìn)行了更為詳細(xì)的研究[12-14]。這些研究從不同的尺度初步明確了區(qū)域生產(chǎn)和消費(fèi)活動(dòng)對(duì)水資源的影響,及區(qū)域水足跡與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值、人類生活方式、作物種植結(jié)構(gòu)等的關(guān)系,并且結(jié)合區(qū)域水資源背景提出了消費(fèi)方式轉(zhuǎn)變、虛擬水貿(mào)易、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等減少水資源匱乏地區(qū)水足跡的措施。關(guān)于產(chǎn)品水足跡的研究,Mekonnen等[15-16]對(duì)全球主要作物產(chǎn)品與主要畜禽產(chǎn)品水足跡進(jìn)行了計(jì)算,這兩項(xiàng)研究是目前對(duì)作物產(chǎn)品和動(dòng)物產(chǎn)品水足跡最為綜合、詳細(xì)的報(bào)道。此外,關(guān)于不同國(guó)家、不同地區(qū)的小麥、水稻等作物產(chǎn)品[17-18]以及畜肉、禽肉、奶類等動(dòng)物產(chǎn)品[19-20]的水足跡評(píng)價(jià)也不斷被報(bào)道。除作物、動(dòng)物產(chǎn)品外,水足跡評(píng)價(jià)還涉及其他日常消費(fèi)品及工業(yè)產(chǎn)品[21-22]。此外,水足跡的研究對(duì)象還可以是一種行為、一項(xiàng)活動(dòng)等[23-24]。

總的來(lái)說(shuō),不同尺度的水足跡研究,對(duì)象和意義不同,應(yīng)用范圍也不一致。區(qū)域尺度的水足跡評(píng)價(jià)可以明確區(qū)域水足跡構(gòu)成及其影響因素,為區(qū)域水資源管理、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、虛擬水貿(mào)易等政策的制定提供參考;產(chǎn)品尺度的水足跡評(píng)價(jià)可以揭示不同產(chǎn)品以及同種產(chǎn)品不同產(chǎn)地全生命周期過(guò)程中耗水與污染水的數(shù)量,為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、綠色制造、供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)管理等提供參考;消費(fèi)者消費(fèi)行為、商業(yè)活動(dòng)等的水足跡評(píng)價(jià)可以揭示某項(xiàng)行為或活動(dòng)對(duì)水資源數(shù)量與質(zhì)量的影響,提高消費(fèi)者和企業(yè)減少水足跡的社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

水足跡研究的初期階段,主要是進(jìn)行區(qū)域、產(chǎn)品等的水足跡核算。然而,水足跡作為衡量人類對(duì)水資源占有情況的指標(biāo),其數(shù)值的大小并不能直接反應(yīng)水資源利用是否可持續(xù)。Hoekstra[25]首次提出水足跡的研究不僅應(yīng)包括水足跡計(jì)算,還應(yīng)進(jìn)行可持續(xù)性分析,即明確水足跡數(shù)量代表什么意義,哪個(gè)環(huán)節(jié)或哪些地區(qū)是需要關(guān)注的熱點(diǎn),需要采取何種措施以種緩解水資源壓力。Van Oel等[26]計(jì)算了荷蘭的外部水足跡,并評(píng)價(jià)了其外部水足跡對(duì)虛擬水供應(yīng)國(guó)的影響;荷蘭的總水足跡中有89%為外部水足跡,其外部水足跡來(lái)源最大的國(guó)家是德國(guó)、法國(guó)、比利時(shí)等歐洲國(guó)家,但其影響最大的國(guó)家是中國(guó)、印度、西班牙等國(guó),因?yàn)檫@些國(guó)家水資源相對(duì)匱乏。Chapagain等[27]的研究表明,英國(guó)的水足跡自給率僅為38%,其余為外部水足跡。Chapagain等[27]研究分析英國(guó)外部水足跡供應(yīng)國(guó)的水資源供需情況,并提出減少英國(guó)國(guó)內(nèi)外水足跡影響的措施?？煽诳蓸?lè)公司對(duì)其產(chǎn)品原材料——糖的水足跡可持續(xù)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)[28],指出可口可樂(lè)10個(gè)糖原料供應(yīng)地中,西班牙、希臘的水足跡呈嚴(yán)重不可持續(xù)狀態(tài),其他地區(qū)如法國(guó)、比利時(shí)等地水足跡的影響較小。近年來(lái),國(guó)外關(guān)于水足跡可持續(xù)性評(píng)價(jià)的研究逐漸增多,國(guó)內(nèi)的研究大多是進(jìn)行不同尺度水足跡核算[29-30],而對(duì)可持續(xù)性評(píng)價(jià)及降低水足跡具體措施的研究較為薄弱[31]。

1.3　生命周期評(píng)價(jià)和基于生命周期評(píng)價(jià)的水足跡研究

生命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment, LCA)是評(píng)估一個(gè)產(chǎn)品全生命周期過(guò)程的環(huán)境因素及潛在環(huán)境影響的工具,最早可以追溯到19世紀(jì)60年代可口可樂(lè)公司對(duì)其不同容器的資源消耗和環(huán)境排放所做的特征分析[32]。隨著人們對(duì)資源和環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注,LCA方法在全球范圍內(nèi)得到大規(guī)模應(yīng)用,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定和發(fā)布了ISO14040系列標(biāo)準(zhǔn)。由于LCA方法早期主要應(yīng)用于對(duì)水資源依賴程度較小的工業(yè)部門,其評(píng)價(jià)體系通常不考慮水資源，或僅僅報(bào)道部門的總用水量。近年來(lái),隨著LCA在各行業(yè)的應(yīng)用,眾多學(xué)者提出應(yīng)在其評(píng)價(jià)體系中系統(tǒng)報(bào)道水資源利用量并進(jìn)行相應(yīng)的影響評(píng)價(jià)[33-34]。MìLA ì Canals等[35]系統(tǒng)地介紹了LCA評(píng)價(jià)體系中如何進(jìn)行用水清單分析,包括如何區(qū)分和量化藍(lán)水、綠水以及土地利用形式變化對(duì)水資源數(shù)量的影響;影響評(píng)價(jià)包括評(píng)價(jià)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響與對(duì)資源消耗的影響。Pfisher等[36]提出在用水清單分析階段除了水資源消耗分析外還應(yīng)包括水資源污染分析,影響評(píng)價(jià)包括評(píng)價(jià)對(duì)人類健康的影響、對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響以及對(duì)資源消耗的影響。在聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署-環(huán)境毒理學(xué)和化學(xué)學(xué)會(huì)(UNEP-SETAC)的資助與推動(dòng)下,其他學(xué)者也從清單分析、影響評(píng)價(jià)等不同層面研究了如何在LCA中科學(xué)地分析水資源問(wèn)題[37-38]。

完整的生命周期評(píng)價(jià),既考慮水資源消耗又考慮水資源污染,不可避免地涉及一系列環(huán)境機(jī)制,其結(jié)果通常被報(bào)道為清單式的生命周期影響分類指標(biāo)[35]。對(duì)于從事LCA的專業(yè)人士,在有機(jī)會(huì)向其服務(wù)對(duì)象(如決策者)詳細(xì)解釋結(jié)果的時(shí)候,進(jìn)行完整、清晰、充分的指標(biāo)分析是非常有效和必要的。但如果LCA結(jié)果的受眾是缺乏相關(guān)知識(shí)的普通消費(fèi)者,清單式的評(píng)價(jià)結(jié)果往往不易被接受。這種情況下,向受眾提供簡(jiǎn)單、易被理解的單一指標(biāo)就非常有必要。有學(xué)者提出水足跡應(yīng)像碳足跡一樣,采用單一值進(jìn)行報(bào)道。但基于虛擬水的水足跡僅僅報(bào)道水資源消耗與污染量,存在一定缺陷[39]。Ridoutt等[39]在對(duì)瑪氏食品公司生產(chǎn)的兩種產(chǎn)品——花生醬和面醬進(jìn)行水足跡計(jì)算時(shí),發(fā)現(xiàn)基于虛擬水的水足跡評(píng)價(jià)方法存在以下問(wèn)題:首先,產(chǎn)品水足跡沒有與水資源的其他用途(即不生產(chǎn)該產(chǎn)品時(shí)水資源的用途)聯(lián)系起來(lái);其次,產(chǎn)品水足跡沒有與其潛在的社會(huì)、環(huán)境危害聯(lián)系起來(lái)。例如,250 g花生醬水足跡(1153 L)比575 g面醬水足跡(202 L)高出近5倍,但面醬水足跡構(gòu)成中63.3%均為藍(lán)水,花生醬中85.7%均為綠水。由于水足跡構(gòu)成的不同,產(chǎn)品生產(chǎn)對(duì)水資源的影響也不同,不能簡(jiǎn)單地將不同成分相加。隨后,Ridoutt等[37]提出了基于生命周期評(píng)價(jià)思想的產(chǎn)品水足跡計(jì)算方法,認(rèn)為綠水和藍(lán)水的機(jī)會(huì)成本不同,不應(yīng)直接作為水足跡的構(gòu)成,但是土地利用形式?jīng)Q定了綠水轉(zhuǎn)化為地表水和地下水的數(shù)量,因此應(yīng)考慮土地利用形式對(duì)藍(lán)水資源的影響。此外,由于地域差異,產(chǎn)品生產(chǎn)對(duì)不同地區(qū)的影響是不同的,因此該方法引入了水資源壓力指數(shù)(water stress index, WSI)[40],對(duì)產(chǎn)品水足跡進(jìn)行修訂,使最終結(jié)果呈現(xiàn)的水足跡不再是實(shí)體水量,而是水當(dāng)量(H2O-equivalent)。仍以250 g花生醬和575 g面醬為例,該方法計(jì)算出的面醬水足跡為133.9 L水當(dāng)量,花生醬的水足跡為4.1 L水當(dāng)量,直接體現(xiàn)出兩種成分、產(chǎn)地(包括成分產(chǎn)地)不同的產(chǎn)品,生命周期對(duì)水資源的影響?；贚CA的這一方法,其最明顯的特征是便于不同產(chǎn)品以及同一產(chǎn)品不同生產(chǎn)階段的水足跡比較,可以為產(chǎn)品生產(chǎn)者提供定量的單一指標(biāo)以便選擇原材料。該方法將產(chǎn)品生產(chǎn)和其對(duì)環(huán)境的影響聯(lián)系起來(lái),可以作為生產(chǎn)者提供產(chǎn)品生產(chǎn)水資源可持續(xù)性報(bào)道的依據(jù)。

Ridoutt等[40]認(rèn)為水足跡的概念根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域具有不同的研究意義。對(duì)于產(chǎn)品層面來(lái)說(shuō),水足跡應(yīng)該描述水資源消耗的潛在影響,而不是簡(jiǎn)單報(bào)道數(shù)量,以作為可持續(xù)生產(chǎn)和消費(fèi)的驅(qū)動(dòng)指標(biāo);對(duì)于流域?qū)用鎭?lái)說(shuō),水足跡是該流域內(nèi)各機(jī)構(gòu)水資源利用和排放的賬戶,每個(gè)賬戶本身就是水足跡,它的評(píng)價(jià)只有在考慮流域本身的水資源可持續(xù)情況以及和與其他用水賬戶的聯(lián)系才有意義;對(duì)于國(guó)家或地區(qū)層面來(lái)說(shuō),水足跡主要用于明確農(nóng)業(yè)和貿(mào)易政策對(duì)水資源的影響,高耗水型農(nóng)產(chǎn)品應(yīng)該在水資源充足的地區(qū)生產(chǎn)并通過(guò)貿(mào)易輸送到水資源匱乏的國(guó)家和地區(qū)。Ridoutt等[41]比較了澳大利亞新南威爾士州旱地和水澆地小麥水足跡,結(jié)果表明該州不同區(qū)域小麥生產(chǎn)水足跡差異高達(dá)150倍,灌溉對(duì)水資源造成較大壓力但提高了土地生產(chǎn)效率;對(duì)牛肉生產(chǎn)的研究發(fā)現(xiàn),由于不同生產(chǎn)系統(tǒng)的水資源匱乏程度不同,牛肉水足跡存在較大差異(3.3～221 L/kg水當(dāng)量),因此不能一概而論地認(rèn)為肉禽類產(chǎn)品的水足跡一定高于作物類產(chǎn)品[42]。

基于LCA的水足跡方法在不斷發(fā)展完善,如Ridoutt等[43]對(duì)評(píng)價(jià)體系中關(guān)于水資源污染的計(jì)算方法作了改進(jìn)。目前,國(guó)內(nèi)未見采用完整的生命周期評(píng)價(jià)研究人類生產(chǎn)和消費(fèi)活動(dòng)對(duì)水資源影響的相關(guān)報(bào)道;除包括作者在內(nèi)的少數(shù)學(xué)者采用基于生命周期評(píng)價(jià)思想的方法開展了相關(guān)研究外[31, 44],尚未見國(guó)內(nèi)其他學(xué)者采用這一方法進(jìn)行相關(guān)研究。

1.4　水足跡評(píng)價(jià)方法小結(jié)

綜上所述,目前水足跡評(píng)價(jià)方法主要有基于虛擬水的評(píng)價(jià)方法(virtual water-based)、生命周期評(píng)價(jià)法(LCA)和基于生命周期評(píng)價(jià)的方法(LCA-based)。Berger等[45]把這些方法歸納為兩大類:基于數(shù)量(Volumetric-oriented)評(píng)價(jià)的方法以及基于影響(Impact-oriented)評(píng)價(jià)的方法。前者主要評(píng)價(jià)生產(chǎn)和消費(fèi)活動(dòng)對(duì)全球水資源量的占用,后者主要評(píng)價(jià)生產(chǎn)和消費(fèi)活動(dòng)對(duì)水資源占用的后果(即影響)。Berger等[45]認(rèn)為只報(bào)道數(shù)量的水足跡容易對(duì)消費(fèi)者和決策者造成誤導(dǎo),基于影響評(píng)價(jià)的水足跡更有實(shí)際意義。盡管目前國(guó)際上尚未達(dá)成一致的水足跡評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),但多數(shù)學(xué)者認(rèn)為將水資源消耗、污染與其環(huán)境影響聯(lián)系起來(lái)的水足跡評(píng)價(jià)方法更有意義[20, 36, 40]。為制定國(guó)際統(tǒng)一的水足跡評(píng)價(jià)方法,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織成立了專門的工作小組,制定了水足跡國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 14046:2014)。該標(biāo)準(zhǔn)制定的評(píng)價(jià)方法是建立在生命周期評(píng)價(jià)方法基礎(chǔ)上,評(píng)價(jià)對(duì)象為產(chǎn)品、過(guò)程與社會(huì)團(tuán)體,評(píng)價(jià)結(jié)果為單一指標(biāo)或者詳細(xì)的影響評(píng)價(jià)清單。

2對(duì)農(nóng)業(yè)水資源利用的啟示

水足跡研究的核心的問(wèn)題是要解決如何減少水足跡以實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。據(jù)報(bào)道,全球農(nóng)業(yè)每年用水占到淡水資源總用量的85%,灌溉用水約占總用水的70%[46],我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水約占總用水量的60%～70%①根據(jù)《中國(guó)水資源公報(bào)》(1997—2011)整理計(jì)算。。然而,傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)水資源利用評(píng)價(jià)主要考慮以灌溉形式被消耗的地表水和地下水,不能真實(shí)反映農(nóng)業(yè)對(duì)包括綠水資源在內(nèi)的水資源消耗以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染物排放對(duì)水資源造成的污染。如果從農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)全生命周期考慮水資源消耗與污染,農(nóng)業(yè)用水占區(qū)域水資源總用量的比例會(huì)更大。隨著水資源匱乏問(wèn)題的加劇,降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水資源代價(jià)越來(lái)越重要,也存在著巨大潛力。水足跡理論為研究農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用提供了新思路。

2.1　農(nóng)業(yè)水足跡核算

目前水足跡的評(píng)價(jià)方法較多,研究農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡既涉及區(qū)域尺度,又涉及產(chǎn)品尺度。區(qū)域尺度農(nóng)業(yè)水足跡核算需明確區(qū)域水資源的真實(shí)占用、農(nóng)業(yè)水資源消費(fèi)的內(nèi)部性和外部性以及區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡的時(shí)空特點(diǎn),基于虛擬水理論的水足跡評(píng)價(jià)方法(如Hoekstra等[9]的方法)適用于該層面的研究;由于區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水通過(guò)農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易和其他地區(qū)聯(lián)系在一起,核算農(nóng)產(chǎn)品水足跡需考慮農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的區(qū)域水資源匱乏程度,以進(jìn)行不同產(chǎn)地農(nóng)產(chǎn)品間水足跡的比較,因此產(chǎn)品尺度的水足跡評(píng)價(jià)適宜采用基于生命周期評(píng)價(jià)的單一指標(biāo)法(如Ridoutt等[43]的方法及ISO 14046:2014的單一指標(biāo)法)。然而,無(wú)論研究何種尺度的農(nóng)業(yè)水足跡,科學(xué)核算作物生產(chǎn)的水資源消耗和污染是前提。在農(nóng)田尺度上,通過(guò)田間定位試驗(yàn)?zāi)茌^為精確測(cè)算作物綠水消耗、藍(lán)水消耗,以及化肥、農(nóng)藥等污染物排放對(duì)水體造成的污染。然而,在水文、生態(tài)過(guò)程比較復(fù)雜的情況下,如何進(jìn)行大空間尺度(如省份、流域等)作物水資源消耗與污染的測(cè)算仍是水足跡研究的難點(diǎn)。水足跡研究初期,國(guó)內(nèi)外計(jì)算區(qū)域作物生產(chǎn)綠水、藍(lán)水消耗量時(shí)多采用作物生長(zhǎng)模型與水文模型模擬作物綠水、藍(lán)水蒸散量[10],計(jì)算結(jié)果多為理論值,與實(shí)際值存在一定差異。隨著研究的深入,結(jié)合遙感手段估算作物生長(zhǎng)季實(shí)際綠水、藍(lán)水蒸散量的研究越來(lái)越多,測(cè)算結(jié)果的時(shí)空分辨率不斷提高[17]。但是,如何綜合考慮作物生長(zhǎng)真實(shí)消耗的綠水、藍(lán)水以及流域內(nèi)灌溉量、田間損失量,即將作物水資源消耗納入?yún)^(qū)域水分循環(huán)的整體框架,仍然是研究的一大難點(diǎn),相關(guān)工作還有待深入。此外,由于受到數(shù)據(jù)的限制,目前關(guān)于污染水足跡的核算大多僅僅考慮作物種植過(guò)程中氮的淋失,結(jié)果較為粗放。未來(lái)如何在區(qū)域大尺度獲得可靠的包括氮、磷、農(nóng)藥等在內(nèi)的污染物排放數(shù)據(jù)以及科學(xué)核算相應(yīng)的水資源污染量,還需進(jìn)行深入研究。

2.2　降低農(nóng)業(yè)水足跡的途徑

Ridoutt等[47]對(duì)11 050個(gè)水域用水量的研究發(fā)現(xiàn),全球絕大部分用水量發(fā)生在水資源壓力指數(shù)高于0.9的水域,表明目前人類對(duì)水資源消費(fèi)的格局呈嚴(yán)重的不可持續(xù)狀態(tài)。因此,降低水足跡,首先應(yīng)考慮減少水資源壓力指數(shù)較高地區(qū)的水足跡。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)亦是如此,如何通過(guò)調(diào)整種植結(jié)構(gòu)來(lái)改變不合理的生產(chǎn)布局,是減少農(nóng)業(yè)水足跡的重要措施。我國(guó)水資源分布不均,目前水資源消費(fèi)格局也呈嚴(yán)重的不可持續(xù)狀態(tài)。近年來(lái),我國(guó)糧食生產(chǎn)的重心由南方的長(zhǎng)江流域、珠江流域等轉(zhuǎn)移到了北方的海河流域、黃河流域等。華北平原水資源匱乏指數(shù)接近1,水資源總量不足全國(guó)總量的6%,卻生產(chǎn)了占全國(guó)總量31%的糧食[48]。目前正實(shí)施的南水北調(diào)工程,完全竣工后用于農(nóng)業(yè)及生態(tài)的用水量約為225億m3,而由北方向南方輸入的糧食虛擬水量高達(dá)523億m3[49]。如果將糧食虛擬水量折算成與環(huán)境影響相聯(lián)系的水足跡,則從水資源匱乏的北方調(diào)出的糧食水足跡遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于南水北調(diào)工程從水資源相對(duì)充足的南方地區(qū)調(diào)出的水足跡?？梢娔纤闭{(diào)工程相對(duì)于目前水資源消費(fèi)的環(huán)境影響而言是杯水車薪,要緩解目前華北平原的水資源壓力,國(guó)家層面上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整是關(guān)鍵。對(duì)于一個(gè)地區(qū)而言,種植結(jié)構(gòu)調(diào)整既要考慮降低本地農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的水資源影響,同時(shí)要考慮相關(guān)措施對(duì)區(qū)域以外其他地區(qū)水資源的影響[31]。除了從宏觀上改變不合理的用水結(jié)構(gòu)、減少農(nóng)業(yè)水足跡外,還要重視從微觀上減少水資源的浪費(fèi)和污染,而農(nóng)田尺度的水、肥等利用效率的提高是關(guān)鍵。

3結(jié)語(yǔ)

水足跡理論從區(qū)域到產(chǎn)品尺度,為農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化利用研究提供了新思路。反過(guò)來(lái),農(nóng)業(yè)水資源的優(yōu)化利用對(duì)降低人類水足跡具有重要意義。而降低人類水足跡以實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用,正是水足跡理論研究的最終目標(biāo)。

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Research progress of water footprint and its implication for utilization of agricultural water

HUANG Jing1,2, WANG Xuechun1, CHEN Fu2

(1.SchoolofLifeScienceandEngineering,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,

Mianyang621010,China;

2.CollegeofAgricultureandBiotechnology,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China))

Abstract：Based on clear awareness of the origin and the concept of water footprint, water footprint method on the basis of virtual water-based theory, life cycle assessment (LCA) and LCA based water footprint method are comprehensively reviewed. After comparing the feature of different methods and the significance of the research, it is considered that virtual water-based theory based water footprint method can be applied in the regional level, while LCA based water footprint method is more suitable for product level. By combining these two, the research methods and tracks for sustainable utilization of agricultural water resources from the regional level to the product level are proposed.

Key words：water footprint; virtual water; life cycle assessment; sustainable water utilization; research progress

(收稿日期：2015-08-15編輯：彭桃英)

中圖分類號(hào)：TV 213.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-6933(2016)01-0135-07

作者簡(jiǎn)介:黃晶(1987—),女,講師,博士,主要從事農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用研究。E-mail: huangjing@cau.edu.cn

基金項(xiàng)目:四川省科技廳科技支撐項(xiàng)目(2015NZ0083);西南科技大學(xué)博士基金(14zx7158)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.024