高 凡,李玉中,郭家選**,梅旭榮,王敬賢,藏 淼

(1.農(nóng)業(yè)應(yīng)用新技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/北京農(nóng)學(xué)院資源與環(huán)境系 北京 102206;2.北京林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心 北京 102206;3.農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 北京 100081)

農(nóng)產(chǎn)品水足跡評價研究進(jìn)展*

高 凡1,2,李玉中3,郭家選1,2**,梅旭榮3,王敬賢1,藏 淼1

(1.農(nóng)業(yè)應(yīng)用新技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/北京農(nóng)學(xué)院資源與環(huán)境系 北京 102206;2.北京林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心 北京 102206;3.農(nóng)業(yè)部旱作節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 北京 100081)

水足跡是消費(fèi)者或生產(chǎn)者直接或間接使用水資源量的衡量指標(biāo),并被廣泛應(yīng)用于全球或區(qū)域虛擬水貿(mào)易分析研究。本文從全球、國家或地區(qū)等不同空間尺度對農(nóng)產(chǎn)品水足跡評價研究進(jìn)行了比較全面的綜述。近十幾年來,農(nóng)產(chǎn)品水足跡研究從2008年以前的全球農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易虛擬水量分析評價為主,轉(zhuǎn)向2009年以后國家或地區(qū)空間尺度的農(nóng)產(chǎn)品形成過程中所消耗的直接和間接水量的詳細(xì)核算研究為核心。水足跡評價具有明顯的空間分布特征,為了獲取準(zhǔn)確、全面客觀的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡信息,必須要考慮區(qū)域地理特征、土壤理化特性、氣候變化、生產(chǎn)技術(shù)及污染物生態(tài)毒性等因素的影響。水資源管理決策制定時應(yīng)綜合考慮農(nóng)產(chǎn)品綠水、藍(lán)水和灰水足跡,因?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品的藍(lán)水足跡表征了社會淡水資源的直接消耗,對國際市場貿(mào)易決策制定具有重要意義,而農(nóng)產(chǎn)品灰水足跡評價則更明確地反映了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的影響程度。實(shí)現(xiàn)全球或區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源保護(hù)與可持續(xù)利用,不僅要提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水資源利用效率,還應(yīng)該調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、農(nóng)產(chǎn)品虛擬水貿(mào)易的模式和方向,減少農(nóng)產(chǎn)品流通過程和飲食消費(fèi)的水資源浪費(fèi)。

農(nóng)產(chǎn)品;水足跡;綠水;藍(lán)水;灰水

隨著全球人口的持續(xù)增長及社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類對可利用淡水資源的需求量迅速增長,加大了水資源的供給壓力,水資源缺乏已成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的瓶頸因素。因此,提高水資源利用效率、優(yōu)化水資源配置、制定水資源長期可持續(xù)利用規(guī)劃決策,尤其是評價人類對水資源的利用消耗情況已成為各國科學(xué)家研究的熱點(diǎn)問題。水足跡概念[1]的提出及水足跡評價為水資源的利用消耗情況核算提供了切實(shí)可行的方法。目前,國內(nèi)外學(xué)者對于水足跡評價方法是否可以準(zhǔn)確地核算產(chǎn)品或服務(wù)的水資源消耗情況還有較大爭議[2-5],但是基于WOS(Web of Science)和CNKI(中國知網(wǎng))的文獻(xiàn)檢索與分析結(jié)果表明,自2002年水足跡概念和方法提出后,近十幾年來國內(nèi)外研究人員已從全球[6-9]、國家[4,10-13]或地區(qū)[14-22]等不同空間尺度對生產(chǎn)者和消費(fèi)者、社會或個人、直接或間接消耗的淡水資源量、水資源可持續(xù)利用開展了大量研究。盡管涉及農(nóng)產(chǎn)品水足跡核算的研究報道較少,但是自2008年以來不同空間尺度的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡研究受到越來越多科學(xué)家的關(guān)注。根據(jù)水足跡評價指標(biāo),全球淡水資源消耗量的91%被用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[23],而在我國水資源壓力最為嚴(yán)重的河北省,96.35%的水資源消耗量用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[19]。因此,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡評價研究對于科學(xué)制定國家或區(qū)域性水資源管理策略具有重要意義。

中國是農(nóng)業(yè)大國,也是世界上水資源嚴(yán)重匱乏的區(qū)域之一[24],目前,農(nóng)產(chǎn)品水足跡評價及其虛擬水貿(mào)易研究已引起我國科學(xué)家的廣泛關(guān)注[2,18-22]?；谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)是全球淡水資源消耗的主要部門,并且農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)受水分脅迫的影響較大[25-26],本文在概述糧食作物、蔬菜、水果等農(nóng)產(chǎn)品水足跡及其虛擬水貿(mào)易核算國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,從全球、不同國家或地區(qū)的空間尺度分析了農(nóng)產(chǎn)品水足跡核算結(jié)果的真實(shí)性和重要性,總結(jié)了農(nóng)產(chǎn)品水足跡評價研究及其方法的局限性,并對其下一步的研究進(jìn)行了展望。

1 農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡核算方法

1.1 水足跡定義

水足跡是衡量水消耗和水污染的體積指標(biāo)[1],具體是指某一區(qū)域范圍內(nèi)(一個國家、一個地區(qū)或一個人)在一定時間內(nèi)消費(fèi)的所有產(chǎn)品和服務(wù)所需要的直接和間接的水資源總量。水足跡評價對象包括藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡3個部分,一方面包含了儲存在河流、湖泊、濕地以及淺層地下水層中的藍(lán)水資源(即藍(lán)水足跡),還包括儲存在非飽和土壤層中并通過植被蒸散而消耗的綠水資源(即綠水足跡),以及由于污染所引起的“灰水足跡”。

1.2 作物水足跡核算方法

作物生長期內(nèi)的水足跡包括綠水、藍(lán)水和灰水足跡。“綠水”消耗是指作物生長期間田間總雨水蒸散量;“藍(lán)水”消耗是指作物田間灌溉的蒸散量。農(nóng)作物產(chǎn)品水足跡主要根據(jù)作物需水量、生育期降水量和灌溉水量等信息,利用Cropwat模型估算[27]或田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行核算,并通過公式(1)-(3)估算作物生長過程中消耗的綠水、藍(lán)水和灰水足跡。

式中:WFproc,green、WFproc,blue、WFproc,grey分別為作物生長期間消耗的綠水足跡、藍(lán)水足跡和灰水足跡,m3·t-1;CWUgreen、CWUblue分別為作物生長過程中“綠水”消耗和“藍(lán)水”消耗,即作物生長期間田間總雨水蒸散量和用于田間灌溉的蒸散量,m3·hm-2;Y為作物產(chǎn)量,t·hm-2;AR為每公頃土地施入的化肥量,kg·hm-2;α為淋溶率,即進(jìn)入水體的污染量占總化學(xué)物質(zhì)施用量的比例,通常為10%;Cmax為污染物最大容許濃度,kg·m-3;Cnat為污染物的自然本底濃度,kg·m-3。

污染物通常包括化肥(N、P等)、除草劑和殺蟲劑。計算時只需考慮進(jìn)入淡水體的“廢水流”,通常指土壤中施用化肥或殺蟲劑進(jìn)入水體的比例。一般來說,只需計算最關(guān)鍵的污染物,即產(chǎn)生最大灰水足跡的污染物。

另外,上述公式中作物生長過程中消耗的綠水總量和藍(lán)水總量按照公式(4)-(5)分別計算:

式中:ETgreen為綠水蒸散量,mm;ETblue為藍(lán)水蒸散量,mm;lgp表示作物生長期的長度,以日計算;常量因子10是將水的深度(mm)轉(zhuǎn)化為單位陸地面積水量(m3·hm-2)的轉(zhuǎn)化系數(shù)。

作物綠水和藍(lán)水消耗量通?；谧魑镄杷糠ㄟM(jìn)行估算,根據(jù)在特定氣候條件下的作物生長期需水量(CWR,mm)、同期的有效降水量(Peff,mm)和灌溉需水量(IR,mm)數(shù)據(jù)信息,采用公式(6)-(8)確定作物的綠水和藍(lán)水消耗量。

式中:ETc為作物總蒸散量,mm;CWR為作物需水量,mm;IR為作物灌溉需水量,mm。作物需水量根據(jù)Penman-Montieth模式[公式(9)]估算的參考作物生長期內(nèi)日蒸散量累加值和作物系數(shù)法[公式(10)]計算[28],作物灌溉需水量由作物需水量和有效降水量的差值計算(即相當(dāng)于作物的水分虧缺程度)。如果有效降水量大于作物需水量,灌溉需水量等于0。作物的綠水蒸散量,即降水蒸散量,為作物總蒸散量(ETc)與有效降水量(Peff)二者中的較小值;藍(lán)水蒸散量,即農(nóng)田灌溉用水蒸散量,等于作物總蒸散量(ETc)減去有效降水量(Peff),但當(dāng)有效降水量超過作物蒸散發(fā)量時,其值為0。

式中:ET0-PM為根據(jù)Penman-Monteith估算的參考作物日蒸散總量,mm·d-1;(Rn-G)為日可供能量總量,MJ·m-2·d-1;Rn為日凈輻射總量,MJ·m-2·d-1;G為日土壤熱通量總量,MJ·m-2·d-1;γ為干濕表常數(shù),kPa·℃-1;Δ為溫度飽和水汽壓斜率,kPa·℃-1;es和ea分別為空氣飽和水汽壓(hPa)和實(shí)際水汽壓(hPa);T為日平均氣溫,℃;u2為2 m高度處的日平均風(fēng)速,m·s-1;Kc為作物系數(shù)。

干旱農(nóng)業(yè)條件下作物生長期內(nèi)藍(lán)水蒸散量為0(mm),作物實(shí)際耗水量(ETa)即為綠水蒸散量(ETgreen, mm),根據(jù)公式(7)進(jìn)行估算,而藍(lán)水足跡根據(jù)公式(11)進(jìn)行估算。

式中:WFb為干旱農(nóng)業(yè)條件下藍(lán)水足跡;D為滲漏量,mm。

設(shè)施內(nèi)作物生長期水足跡包括藍(lán)水足跡和灰水足跡兩部分。設(shè)施內(nèi)水分消耗即為藍(lán)水蒸散量,可以根據(jù)設(shè)施內(nèi)土壤水量平衡原理[公式(12)]計算藍(lán)水蒸散發(fā)量。

一般情況下,設(shè)施內(nèi)地勢平坦,不易發(fā)生地表灌溉水徑流問題,因此在估算設(shè)施作物藍(lán)水耗水量時忽略該部分的影響作用。

2 農(nóng)業(yè)水足跡評價研究現(xiàn)狀

水足跡是消費(fèi)者或生產(chǎn)者直接或間接使用水資源量的衡量指標(biāo),并被廣泛應(yīng)用于國際或區(qū)域虛擬水貿(mào)易分析研究。近十幾年來,國內(nèi)外水足跡評價(含虛擬水貿(mào)易)的研究報道均呈快速增加趨勢?；赪OS數(shù)據(jù)庫,以“Water Footprint”為關(guān)鍵詞開展檢索,1996年1月到2016年12月期間共檢索到3 800篇水足跡評價的英文文獻(xiàn)(圖1a);基于CNKI數(shù)據(jù)庫,以“水足跡”為關(guān)鍵詞開展檢索,1996年1月到2016年12月期間共檢索到1 436篇水足跡評價的中文文獻(xiàn)(圖1b)。所有檢索出的文獻(xiàn)被進(jìn)一步分類檢索,基于WOS數(shù)據(jù)庫檢索到農(nóng)業(yè)水足跡研究英文文獻(xiàn)240篇,占所有水足跡研究英文文獻(xiàn)的6%,基于CNKI數(shù)據(jù)庫檢索到農(nóng)業(yè)水足跡研究中文文獻(xiàn)493篇,占所有中文文獻(xiàn)的34.3%?；赪OS數(shù)據(jù)庫,我們以國家為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類檢索,中國的農(nóng)產(chǎn)品水足跡研究報道僅次于美國,約占15.4%(圖2),這表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)產(chǎn)品水足跡及虛擬水貿(mào)易研究已得到我國科學(xué)家的廣泛關(guān)注。此外,通過WOS數(shù)據(jù)庫的檢索發(fā)現(xiàn),2008年以前的農(nóng)業(yè)水足跡核算研究主要是全球尺度的農(nóng)產(chǎn)品水足跡評價研究,且關(guān)注的重點(diǎn)是農(nóng)作物的輸入輸出貿(mào)易虛擬水核算研究[25]。隨著水足跡核算方法、區(qū)域氣候變化特征和地方生產(chǎn)決策等因素對農(nóng)業(yè)水足跡評價研究影響的進(jìn)一步加大,2009年以后,開展國家或地區(qū)空間尺度內(nèi)種植作物的農(nóng)產(chǎn)品水足跡詳細(xì)核算研究越來越多,甚至是基于長期田間定位試驗(yàn)方法對農(nóng)產(chǎn)品水足跡的評價研究也得到了重視[29]。鄒君等[30]于2010年對全國空間尺度內(nèi)的單一或幾種種植作物的農(nóng)產(chǎn)品水足跡進(jìn)行了詳細(xì)核算研究。總體來說,盡管與其他行業(yè)部門的水足跡評價研究相比,關(guān)于農(nóng)業(yè)或農(nóng)產(chǎn)品水足跡核算研究的報道相對較少,但是在近幾年也獲得了快速發(fā)展。

圖1 1996—2016年期間水足跡研究的外文(Web of Science) (a)和中文(CNKI) (b)文獻(xiàn)Fig.1 Number of papers on water footprint from 1996 to 2016 by Web of Science (a) and CNKI (b)

圖2 不同國家農(nóng)產(chǎn)品水足跡研究的文獻(xiàn)報道(Web of Science)Fig.2 Percent of papers on water footprint for agricultural products from different countries (by Web of Science)

2.1 全球空間尺度農(nóng)業(yè)水足跡

Hoekstra和Hung于2002年首次開展了全球尺度下幾種主要農(nóng)產(chǎn)品的水分消耗評價研究[1],但該研究沒有單獨(dú)核算農(nóng)產(chǎn)品的綠水、藍(lán)水和灰水足跡[25]。此后,Hoekstra研究團(tuán)隊(duì)和其他研究人員對全球尺度的農(nóng)產(chǎn)品水足跡又開展了一系列的研究[1,4,8-9,23,31-36],并指出1997—2001年期間全球農(nóng)產(chǎn)品的水消耗量為6 390 Gm3·a-1。此外,農(nóng)作物的虛擬水消耗量遠(yuǎn)低于養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)品[1,4,32-36]。玉米(Zea maysL.)、小麥(Triticum aestivumL.)和水稻(Oryza sativaL.)的全球平均水足跡分別為900 m3·t-1、1 300 m3·t-1和3 000 m3·t-1,而雞肉、豬肉和牛肉的全球平均水足跡分別為3 900 m3·t-1、4 900 m3·t-1和15 500 m3·t-1[23]。不同國家或地區(qū)在地理、氣候、生產(chǎn)技術(shù)水平和產(chǎn)量等方面存在著較大差異,因此,關(guān)于農(nóng)產(chǎn)品的全球平均水足跡估算結(jié)果難以真實(shí)反映不同國家或地區(qū)的實(shí)際情況。例如,傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式下牛奶的水足跡為1 422 m3·kg-1,而有機(jī)養(yǎng)殖模式下牛奶的水足跡為1 510 m3·kg-1[35];又如西班牙豬肉生產(chǎn)和加工過程的水足跡為195億m3·a-1,綠水、藍(lán)水和灰水足跡分別占82%、8%和10%[37],其與全球平均水足跡的核算方法及核算值都有明顯差異。

不同國家或地區(qū)間的產(chǎn)品虛擬水貿(mào)易,增強(qiáng)了貧水國家或地區(qū)對富水國家或地區(qū)的依賴性,緩解了貧水國家或地區(qū)的淡水資源枯竭問題,實(shí)現(xiàn)了全球或國家內(nèi)部的水資源節(jié)約[38]。全球16%的水足跡來自產(chǎn)品的外部市場貿(mào)易[7],基于嵌入產(chǎn)品的虛擬水貿(mào)易分析研究,改善虛擬水貿(mào)易分布方式,全球每年可以節(jié)約用水222 Gm3·a-1。干旱半干旱氣候國家(摩洛哥)與濕潤氣候國家(荷蘭)之間商品和服務(wù)貿(mào)易的水足跡評價研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),全球從高水分生產(chǎn)力向低水分生產(chǎn)力國家或地區(qū)進(jìn)行產(chǎn)品虛擬水國際貿(mào)易活動可以節(jié)約水資源6.4×108m3·a-1[10];然而,外部虛擬水貿(mào)易的節(jié)水也存在許多不利因素和風(fēng)險問題,如糧食的自給率降低、農(nóng)業(yè)部門雇工減少和輸出-輸入產(chǎn)量的環(huán)境影響增加等[3]。

不同種植業(yè)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡存在較大差異,高空間分辨率下主要作物農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程水足跡的系列研究結(jié)果顯示,玉米水足跡最低,為1 222 m3·t-1,小麥水足跡最高,為1 827 m3·t-1,水稻水足跡為1 644 m3·t-1,接近所有農(nóng)作物的平均值[[27,39-40]。此外,含糖農(nóng)作物和蔬菜的水足跡較低,分別為200 m3·t-1和300 m3·t-1;果樹和油料作物的水足跡較高,分別為1 000 m3·t-1和2 400 m3·t-1;豆類、香料和堅(jiān)果類植物的水足跡最高,介于4 000～9 000 m3·t-1。

1996—2005年間全球水足跡為9 087 Gm3·a-1,其中綠水足跡占74%、藍(lán)水足跡占11%、灰水足跡占15%[41]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡占全球水足跡總量的91%,其中農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡的耗水量最大,例如全球小麥生產(chǎn)平均水足跡為1 088 Gm3·a-1,綠水足跡占70%,藍(lán)水足跡占19%,灰水足跡占11%[41]。

2.2 國家或地區(qū)空間尺度農(nóng)業(yè)水足跡

近年來國內(nèi)外科研人員對國家或地區(qū)空間尺度棉花(Gossypium hirssittumL.)、水稻和馬鈴薯(Solanum tuberosumL.)等主要農(nóng)作物生產(chǎn)水足跡評價進(jìn)行了廣泛研究。棉花生產(chǎn)水足跡(含灰水足跡)核算的研究表明15個棉花主產(chǎn)國的棉花生產(chǎn)平均水足跡大約為9 800 Gm3·a-1,其中,美國的棉花生產(chǎn)水足跡最低,并且除中國和美國以外,大部分國家為水消耗密集型的棉花生產(chǎn)國;此外,巴西的藍(lán)水足跡較低,可能是因?yàn)槠渚G水資源充沛[31]。

印度尼西亞農(nóng)作物水消耗占該國水消耗總量的86%,按照美國US-EPA(2005)標(biāo)準(zhǔn)中的氮限定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行灰水足跡的計算,咖啡(Coffeasp.)的水足跡最大,為22 907 m3·t-1(96%綠水,0藍(lán)水和4%灰水),其次是可可樹(Theobroma cacaoL.),其水足跡為9 414 m3·t-1(94%綠水,0%藍(lán)水和6%灰水)[31],木薯(Manihot esculentaCrantz)的水足跡最小,為514 m3·t-1。然而,如果綜合考慮印度尼西亞農(nóng)作物的栽培面積,則水稻的水足跡最高,為3 473 m3·t-1(73%綠水、21%藍(lán)水和6%灰水)[31]。泰國油棕(Elaeis gunieensisJacq.)平均水足跡為1 063 m3·t-1,藍(lán)水、綠水和灰水分別占68%、18%和14%,油棕生產(chǎn)過程直接消耗的藍(lán)水相對較低[42],但其虛擬水流最大[43]。此外,荷蘭咖啡與茶[Camellia sinensis(L.) O.Ktze.]的生產(chǎn)與消費(fèi)水足跡分別為140 dm3·杯-1和34 dm3·杯-1[44-45]。

英國馬鈴薯生產(chǎn)水足跡平均值為75 m3·t-1(85%綠水,15%藍(lán)水)[15],突尼斯的馬鈴薯水足跡為260 m3·t-1(50%綠水、42%藍(lán)水和8%灰水)[46],阿根廷馬鈴薯水足跡為324 m3·t-1(56%綠水和藍(lán)水,44%的灰水)[47],中國甘薯[Dioscorea esculenta(Lour.) Burkill]水足跡為823 m3·t-1(59%綠水、29%藍(lán)水、12%灰水)[48]。我們從前述文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)不同國家或地區(qū)之間馬鈴薯水足跡具有明顯差異,這可能與當(dāng)?shù)貧夂驐l件和農(nóng)業(yè)管理技術(shù)措施的不同有關(guān)。此外,蔬菜生產(chǎn)水足跡評價研究主要以西紅柿(Lycopersicon esculentumMiller)為主,西班牙西紅柿平均水足跡為81.3 m3·t-1,其中灰水足跡為7.2 m3·t-1[49]。

2.3 中國農(nóng)業(yè)水足跡

近幾年來,關(guān)于中國及不同省級區(qū)域空間尺度的農(nóng)業(yè)水足跡評價已經(jīng)開展了一系列的研究(圖1b,圖3),但主要集中于水資源貧乏地區(qū)糧食生產(chǎn)的水資源利用[14,16-18,20,50-51]?；贑NKI檢索出的農(nóng)業(yè)水足跡評價論文中,以種植業(yè)和畜牧業(yè)農(nóng)產(chǎn)品開展的水足跡及其貿(mào)易虛擬水的研究論文占63.2%,基于產(chǎn)業(yè)部門角度的研究論文占36.8%;從空間尺度來看,關(guān)于省市區(qū)域的研究論文最多,累計占比達(dá)51.5%(圖3a)?？傮w來看,73.5%的研究論文主要考慮了農(nóng)產(chǎn)品的綠水和藍(lán)水足跡,14.7%的研究論文全面核算了農(nóng)產(chǎn)品的綠水、藍(lán)水和灰水足跡,而單獨(dú)進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品灰水足跡的研究相對較少,僅占約11.8%(圖3b)。鑒于我國水資源短缺嚴(yán)重、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水分利用效率低、農(nóng)業(yè)水環(huán)境惡化且水資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問題,進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品水足跡評價研究具有重要的科學(xué)意義。

目前,中國灌溉農(nóng)業(yè)的比例約為67%[16],農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水資源消耗量約占水資源消耗總量的70%[52]。河北省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗水量是我國省級行政區(qū)域中最高的,約占河北省總用水量的96.35%[19]。此外,我國不同省份的可利用水資源也差異明顯,南方地區(qū)的廣東省最多,為275億m3·a-1,北方地區(qū)的青海省最少,僅有27.2億m3·a-1[14]。在1998—2000年期間,中國的平均灰水足跡為4 814.30億m3·a-1,且經(jīng)濟(jì)效應(yīng)是灰水足跡效率變化的主要影響因素[53]。關(guān)于27種蔬菜和動物產(chǎn)品水足跡核算分析的研究結(jié)果顯示,中國的人均飲食消費(fèi)水足跡為673 m3·a-1,主要受水稻和豬肉產(chǎn)品的影響,并且由于糧食浪費(fèi)增加了18 m3·a-1[17]。因此,除了改變不合理的用水結(jié)構(gòu)、減少農(nóng)業(yè)水足跡外,還應(yīng)重視減少水資源的浪費(fèi)和污染。

我國糧食作物小麥、玉米和水稻為對象的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡評價研究結(jié)果顯示水稻的水足跡最高(1.36 m3·kg-1),玉米的水足跡最低(0.91 m3·kg-1)[54],其中,水稻的水足跡接近于全球平均水平(1 325 m3·t-1)[8],但明顯高于韓國的水稻生產(chǎn)水足跡(844.502 m3·t-1)[55],低于印度尼西亞的水稻生產(chǎn)水足跡(3 473 m3·t-1)[31]。如果僅考慮綠水和藍(lán)水足跡,糧食作物平均水足跡的綠水為57%,藍(lán)水為43%[16]。降水資源不足嚴(yán)重影響了河套灌區(qū)小麥和玉米的生產(chǎn)栽培及其水足跡,然而,隨著灌溉效率的提高,河套灌區(qū)的藍(lán)水足跡從1960年的9.25 m3·kg-1降低到2000年的0.79 m3·kg-1[56]。前述研究表明藍(lán)水消耗對農(nóng)產(chǎn)品水足跡具有重要影響,并且在谷類作物生產(chǎn)水足跡的研究中得到進(jìn)一步的證實(shí)[57-58]。另外,2005—2008年河套地區(qū)的主要糧食作物生產(chǎn)水足跡為1.43～1.67 m3·kg-1,灰水足跡為0.159～0.043 m3·kg-1,并且糧食作物生產(chǎn)的水足跡和灰水足跡均呈逐年降低的趨勢,這可能與節(jié)水灌溉等新技術(shù)的推廣有關(guān)[20]。盡管中國的玉米水足跡水平低于全球平均水平,但在個別地區(qū)水足跡中灰水足跡比重較大,其潛在的環(huán)境污染風(fēng)險較高。例如北京玉米生產(chǎn)水足跡為868 m3·t-1(48.5%綠水、0.5%藍(lán)水和51.0%灰水)[48],表明北京地區(qū)玉米生產(chǎn)可能有潛在的高環(huán)境污染風(fēng)險。因此,綠水、藍(lán)水和灰水足跡分別核算具有重要的環(huán)境意義。

華北平原(河北、北京和天津)小麥生產(chǎn)水足跡為1.720×1010m3(綠水3.085×109m3、藍(lán)水1.025×1010m3、灰水3.865×109m3);玉米生產(chǎn)水足跡為1.731×1010m3(綠水1.011×1010m3、藍(lán)水2.692×109m3、灰水4.509×109m3),小麥和玉米生產(chǎn)的總水足跡為華北平原可利用水資源總量(2007年為1.549×1010m3)的2.2倍[50]。因此,要緩解目前華北平原的水資源壓力,只靠提高水資源利用效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)才是關(guān)鍵所在。

基于輸入輸出模型對我國不同區(qū)域水足跡變化趨勢進(jìn)行研究,結(jié)果顯示中部地區(qū)的水足跡最大,2002年與2007年的國內(nèi)不同區(qū)域虛擬水貿(mào)易方向不一致,2002年虛擬水凈輸出地區(qū)為南部沿海、中部、西北和西南地區(qū),而2007年虛擬水凈輸出地區(qū)為東北、西北和北京—天津地區(qū)[59]。此外,1992—2008年期間,我國每年凈進(jìn)口糧食的虛擬水約2.0×109m3[60]。北京是我國水資源嚴(yán)重短缺的城市之一,其藍(lán)水足跡為4.498×109m3·a-1,51%為其他地區(qū)輸入的虛擬水;北京市的農(nóng)產(chǎn)品水足跡為1.524×109m3·a-1,約56%來自于其他地區(qū)[61]。1995—2009年間北京市農(nóng)業(yè)灰水足跡從9.4×108m3·a-1減少到5.2×108m3·a-1,降低了45%[62]。因此,我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不僅要提高水資源利用效率,還應(yīng)該調(diào)整虛擬水貿(mào)易模式,實(shí)現(xiàn)國內(nèi)水資源節(jié)約。

圖3 關(guān)于農(nóng)業(yè)水足跡研究的不同空間尺度(a)、水足跡組成(b)國內(nèi)文獻(xiàn)報道Fig.3 Number of papers on water footprint for agricultural products from different spatial scale (a) and its components (b) in China

2.4 水果生產(chǎn)與消費(fèi)水足跡

目前,關(guān)于水果生產(chǎn)與消費(fèi)水足跡核算的研究報道還較少,基于WOS數(shù)據(jù)庫,從2009年到現(xiàn)在共檢索到27篇研究論文。南非禮拜日河谷區(qū)流域內(nèi)柑橘(Citrus reticulataBlanco)正常年份平均藍(lán)水消耗為58.7 Mm3,而在干旱年份平均藍(lán)水消耗為89.2 Mm3[63]。另外,根據(jù)生命周期評價(LCA)方法對不同國家柑橘和草莓(Fragaria×ananassaDuch.)生產(chǎn)水足跡的研究結(jié)果表明,中國的單位產(chǎn)量柑橘虛擬水消耗量最大,然后依次是西班牙、意大利和巴西,美國的單位產(chǎn)量柑橘虛擬水消耗量最小;然而,大部分國家單位面積的柑橘虛擬水消耗量相近,例如中國和美國均約為5 000 m3·hm-2。因此,不同國家柑橘水足跡差異的主要原因是由于單位面積產(chǎn)量不同造成的(中國和美國產(chǎn)量分別為7.5 t·hm-2和38.7 t·hm-2)。對于草莓生產(chǎn)來講,西班牙單位面積水消耗量最高,盡管英國和波蘭單位面積水消耗量接近(約為2 500 m3·hm-2),但英國單位面積草莓產(chǎn)量較高,所以波蘭草莓的單位產(chǎn)量水消耗大,英國草莓的單位產(chǎn)量水消耗低[64-65]。澳大利亞年生產(chǎn)芒果(Mangifera sylvaticaRoxb.)44 692 t,果園生產(chǎn)過程中平均虛擬水量為2 298 m3·t-1,然而在農(nóng)產(chǎn)品物流過程中存在嚴(yán)重?fù)p耗,從芒果產(chǎn)地到家庭的產(chǎn)品物流過程中造成年平均26.7 Mm3的綠水和16.6 Mm3的藍(lán)水浪費(fèi)[66],由此可見,減少農(nóng)產(chǎn)品物流過程的損耗浪費(fèi)對于緩解可用淡水資源缺乏具有重要意義。

3 研究局限與展望

水足跡評價結(jié)果具有明顯的空間分布特征,然而,由于缺乏詳細(xì)的空間地理特征等信息,以往全球尺度水足跡文獻(xiàn)研究結(jié)果不能準(zhǔn)確地反映全球水足跡的變化情況,存在一定的不確定性[67],難以作為水資源利用管理準(zhǔn)確有效的指標(biāo)[5]。因此,為了評價人類活動對水資源的占有、水資源利用的可持續(xù)性和公平性,未來水足跡評價必須提供明確的時間和空間信息。由于綠水、藍(lán)水和灰水足跡的機(jī)會成本和影響不同,全球虛擬水貿(mào)易[68]和產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的水足跡應(yīng)分別進(jìn)行核算。另外,基于虛擬水方法的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)水足跡核算只考慮了水資源消耗量和污染量,并不能直觀地反映水足跡對環(huán)境的影響,而基于LCA方法的農(nóng)產(chǎn)品水足跡評價研究目前還不太成熟,有待于進(jìn)一步完善[26,42,69-70]。農(nóng)產(chǎn)品灰水足跡評價研究大多只考慮單一因子即氮(N)的淋失(淋溶率=10%)對環(huán)境水質(zhì)的影響,而忽略了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中磷(P)、農(nóng)藥等污染物的影響作用;但是基于NEWS(global nutrient export from watersheds)模型對全球1 000條河流流域灰水足跡的研究結(jié)果表明全球2/3的河流存在不同程度的N和P污染,并且54%的河流污染是由于P超標(biāo),而僅有11%的河流污染是由于N超標(biāo)[71],因此,未來灰水足跡核算如何在區(qū)域大尺度獲得可靠的包括N、P、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。此外,灰水足跡核算中水環(huán)境的最高容許濃度指標(biāo)選擇缺乏地方特征,常采用US-EPA [45 mg(NO3-N)·dm-3]、EPA飲用水標(biāo)準(zhǔn)(TN,10 mg·L-1)或EU[50 mg(NO3-N)·dm-3]的可允許限值,國內(nèi)科研人員也常采用我國《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—93)和《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值》(GB 3838—2002)中規(guī)定的相應(yīng)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

盡管在近十幾年來我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水足跡評價研究取得了許多重要成果,但仍亟待加強(qiáng)。首先,應(yīng)重視流域水補(bǔ)償和徑流2個方面的農(nóng)業(yè)水足跡核算,特別是水資源嚴(yán)重匱乏、水生態(tài)環(huán)境脆弱及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水環(huán)境污染嚴(yán)重的區(qū)域。其次,加強(qiáng)和拓展基于LCA方法的地方或區(qū)域主要農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程水足跡的評價研究,以便于對不同產(chǎn)品、不同生產(chǎn)階段以及不同產(chǎn)地產(chǎn)品進(jìn)行比較分析;進(jìn)行不同地區(qū)各種農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)技術(shù)、節(jié)水措施、農(nóng)藥、不同類型肥料等投入信息庫的建立和完善。另外,強(qiáng)化農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、貿(mào)易及消費(fèi)等過程碳、氮和水足跡的綜合研究,以便全面客觀地評價區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水資源利用效率、可持續(xù)發(fā)展及其對環(huán)境的影響作用。

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A review of water footprint assessment for agricultural products*

GAO Fan1,2,LI Yuzhong3,GUO Jiaxuan1,2**,MEI Xurong3,WANG Jingxian1,ZANG Miao1
(1.Beijing Key Laboratory for Agricultural Application and New Technique / Department of Resources and Environment,Beijing University of Agriculture,Beijing 102206,China;2.Beijing Collaborative Innovation Center for Eco-environmental Improvement with Forestry and Fruit Trees,Beijing 102206,China;3.Key Laboratory for Dryland Agriculture,Ministry of Agriculture / Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081,China)

Water footprint (WF) is an indicator for both direct (domestic water use) and indirect (water required for industrial and agricultural production) water use of a consumer or producer.It has also been widely used in the analysis of global or regional virtual water trade.In the last decade,assessment of WF has been the focus of the footprint of rapid development.WF has three components (green,blue and grey water).This paper discussed a comprehensive review of the assessment of WF for agricultural products at different spatial scales,including global,regional and country scales.The main goal of the assessmentof agricultural WF before 2008 was to determine global virtual water trade via agricultural products.However,the goal shifted to the rigorously quantification of three components for specific agricultural products and in specific geographical areas after 2009.As the assessment of WF has obvious spatial distribution characteristics,it was necessary to consider the influence of regional geographical characteristics,soil physical and chemical properties,climate change,as well as production technology and ecological toxicity of pollutants for building accurate,comprehensive and objective information on the WF of agricultural products.It was also necessary to take into account green water,blue water and gray water footprints for agricultural products in decision making on water resources management.This was because blue WF for agricultural products represented the direct consumption of freshwater resources,which was critical in decisions on international water trade market.The grey WF for agricultural products more clearly reflected the effect of agricultural production on the environment.In order to reach global or regional objectives on water resources conservation and sustainable utilization,not only the utilization efficiency of water resources in agricultural production needed improvement,but also the structure of agricultural production and both pattern and direction of virtual water trade for agricultural products needed adjustment.Furthermore,it was necessary to reduce waste of water resources in agricultural product cycle and food consumption.

Agricultural product;Water footprint;Green water;Blue water;Grey water

Jan.9,2017;accepted Feb.21,2017

TV213.4

:A

:1671-3990(2017)07-1071-10

10.13930/j.cnki.cjea.170027

高凡,李玉中,郭家選,梅旭榮,王敬賢,藏淼.農(nóng)產(chǎn)品水足跡評價研究進(jìn)展[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2017,25(7):1071-1080

Gao F,Li Y Z,Guo J X,Mei X R,Wang J X,Zang M.A review of water footprint assessment for agricultural products[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2017,25(7):1071-1080

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31471837,41473004)、科技創(chuàng)新服務(wù)能力建設(shè)-協(xié)同創(chuàng)新中心-林果業(yè)生態(tài)環(huán)境功能提升協(xié)同創(chuàng)新中心(2011協(xié)同創(chuàng)新中心)(市級)(PXM2017_014207_000043)資助

** 通訊作者:郭家選,主要從事農(nóng)業(yè)水資源利用研究。E-mail:guojiaxuangjx@163.com

高凡,主要從事水生態(tài)與水環(huán)境研究。E-mail:gaofan@bua.edu.cn

2017-01-09 接受日期:2017-02-21

*This study was funded by the National Natural Science Foundation of China (31471837,41473004) and the Beijing Municipal Education Commission (CEFF-PXM2017_014207_000043).

** Corresponding author,E-mail:guojiaxuangjx@163.com