劉 巍 李雨晴 付 強 孟 軍 李天霄 戴 爽

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

水足跡概念最先于2002年由HOEKSTRA提出，將其定義為：在一定時期內(nèi)(一般是1年)生產(chǎn)某一產(chǎn)品或提供某種服務(wù)所消耗的淡水資源量[1-2]。糧食作為一種耗水密集型產(chǎn)品，其水足跡能夠反映某一區(qū)域糧食生產(chǎn)過程中水資源的利用情況[3-4]。黑龍江省是我國重要的商品糧基地[5]，自2010年起，全省糧食產(chǎn)量連續(xù)9年位列全國第一[6]，然而，黑龍江省單位面積灌溉水量比全國平均值高5～6倍[7-8]，且水資源時空分布不均，農(nóng)業(yè)水資源利用效率低[9-10]。因此，有必要研究糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡的時空變化規(guī)律及影響因素，使黑龍江省在穩(wěn)產(chǎn)的同時提高農(nóng)業(yè)水資源利用率。

隨著水足跡理論的發(fā)展，關(guān)于糧食水足跡的研究日漸增多。孫世坤等[11]利用水足跡理論分析了中國大陸小麥水足跡空間分布特征，并對造成水足跡區(qū)域差異的因素進行歸因分析。CHAPAGAIN等[12]對世界主要生產(chǎn)國的水稻藍水足跡、綠水足跡、灰水足跡構(gòu)成進行了量化和分析。徐猛等[13]利用CROPWAT模型評估了哈爾濱地區(qū)大豆的水足跡，為黑龍江省大豆主產(chǎn)區(qū)水肥統(tǒng)籌管理提供了依據(jù)。劉聰[14]計算了中國31個省的小麥、玉米和水稻3種主要糧食作物的水足跡，并對其空間分布特征進行評價。張凡凡等[15]對全國31個省糧食水足跡的影響因素進行了分析。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)的糧食水足跡差異顯著。

針對黑龍江省區(qū)域特點及存在的農(nóng)業(yè)用水問題，根據(jù)水足跡理論，本文分別對2008—2018年黑龍江省11個市級地區(qū)的主要糧食作物(水稻、大豆、小麥)的平均藍水足跡、綠水足跡及總水足跡[16]進行評價，明晰糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡的時空分布規(guī)律，分析其影響因素，并對未來5年糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡進行預(yù)測，以期為黑龍江省農(nóng)業(yè)水資源利用效率的提高及保障糧食安全提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省位于中國東北部，全省年平均氣溫-5～5℃，年降水量400～650 mm[17-18]，多年灌溉水利用系數(shù)平均值為0.53，低于全國平均水平[19]。糧食生產(chǎn)用水是黑龍江省主要的農(nóng)業(yè)水資源消耗，占農(nóng)業(yè)用水總量的89.63%[20]。黑龍江省水資源總量并不豐富，且時空差異顯著[21-22]。黑龍江省共13個下轄地區(qū)，包括12個地級市和1個地區(qū)[23-24]，本文選取2008—2018年黑龍江省11個市區(qū)(大興安嶺、黑河地區(qū)由于氣候等因素不適合作物生長，暫不予以研究)的主要糧食作物(水稻、大豆和小麥)為研究對象。計算糧食水足跡所需的地區(qū)年降水量，作物播種面積以及產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自《黑龍江省統(tǒng)計年鑒》、黑龍江省水資源公報，作物灌溉定額來自黑龍江省灌溉信息網(wǎng)(http:∥www.hljggxx.gov.cn)。研究區(qū)域概況見圖1。

圖1 黑龍江省概況Fig.1 Location of Heilongjiang Province

1.2 研究方法

1.2.1斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)法

斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)法是根據(jù)2個集合中的元素在各自集合的等級來計算二者之間的相關(guān)性[25-26]。斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)法對數(shù)據(jù)的要求較低，只需2個變量的觀測值是成對的等級，或是通過連續(xù)變量觀測資料轉(zhuǎn)換得到的等級數(shù)據(jù)，不論2個變量的總體分布形態(tài)、樣本容量，都可以用斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)法進行相關(guān)性研究。計算公式為

(1)

式中rs——斯皮爾曼系數(shù)

di——不同集合對應(yīng)變量之間的等級差

n——樣本容量

1.2.2時間序列模型

時間序列分析法[27-28]于1927年由英國統(tǒng)計學(xué)家YULE提出。時間序列分析法是通過曲線擬合和參數(shù)估計對觀測得到的時間序列數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型的理論和方法[29]。時間序列模型包含Arima模型、Simple模型等7種模型。因本研究中不涉及趨勢和季節(jié)成分，故采用時間序列Simple模型，具體公式為

t+1=αxt+α(1-α)xt-1+α(1-α)2xt-2+…+α(1-α)t-1x1+(1-α)tl0

(2)

xt——t時刻的觀測值

α——平滑參數(shù)l0——初始值

1.2.3糧食水足跡

糧食水足跡在水足跡[30-31]概念上得來，其定義為某個區(qū)域生產(chǎn)糧食作物單位產(chǎn)量所消耗的水資源量。糧食水足跡主要包括糧食綠水足跡、糧食藍水足跡和糧食總水足跡[32-35]，為三者的統(tǒng)稱。糧食藍水足跡是指農(nóng)田中可被作物利用的灌溉地表水和地下水的消耗量，反映了糧食生產(chǎn)過程中消耗的灌溉水資源；糧食綠水足跡是指雨水落入農(nóng)田中可被作物利用的水資源量，反映了糧食生產(chǎn)過程中降水資源的利用情況。糧食總水足跡為糧食藍水足跡和綠水足跡的總和。本文中涉及的糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡均為3種作物藍水足跡、綠水足跡及總水足跡平均值。糧食水足跡的具體公式為

wf=wfb+wfg

(3)

其中

(4)

式中wf——糧食總水足跡，m3/t

wfb——糧食藍水足跡，m3/t

wfg——糧食綠水足跡，m3/t

Ig——糧食作物生育期內(nèi)的毛灌溉水量，mm

Pe——糧食作物生育期內(nèi)的有效降水量，mm

y——單位面積糧食產(chǎn)量，t/hm2

其中10是常量因子，是將水深轉(zhuǎn)換為單位面積水量的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

圖3 糧食綠水足跡、藍水足跡及總水足跡空間分布圖Fig.3 Spatial distribution maps of crop green, blue and total water footprints

2 結(jié)果與分析

2.1 黑龍江省糧食水足跡時空分布規(guī)律

由圖2可知，2008—2018年間黑龍江省糧食總水足跡整體呈波動下降趨勢：2008—2010年間糧食總水足跡呈緩慢上升趨勢，而2011年驟降至1 750 m3/t后，一直處在2 000 m3/t上下，比2008—2010年的糧食總水足跡平均值下降20%，直至2018年恢復(fù)上升趨向。由趨勢線可以看出，糧食總水足跡的趨勢線斜率為-27.487，其下降趨勢最為顯著。造成黑龍江省糧食總水足跡下降的原因包括兩方面：①自然環(huán)境因素。由于全球氣候變暖對糧食種植產(chǎn)生了較大影響，降水減少而蒸發(fā)加快，降低了可用于糧食生產(chǎn)的有效降水量，使得糧食總水足跡下降[36]。②社會發(fā)展因素。隨著工業(yè)制造業(yè)用水增多，農(nóng)業(yè)用水逐漸被擠占，促使農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度提高，水資源利用效率得到提升，使得糧食總水足跡呈下降趨勢。

圖2 2008—2018年黑龍江省糧食綠水足跡、藍水 足跡及總水足跡時間分布規(guī)律Fig.2 Temporal distribution of crop green, blue and total water footprints in Heilongjiang Province in 2008—2018

由圖3可知，黑龍江省糧食總水足跡整體呈現(xiàn)南北高，東西低的變化趨勢，其中，糧食綠水足跡及藍水足跡的空間分布趨勢具有一致性，糧食藍水足跡、綠水足跡高值區(qū)在黑龍江省的牡丹江、伊春和齊齊哈爾，而哈爾濱、大慶等中東部地區(qū)屬糧食藍水足跡、綠水足跡低值區(qū)。糧食總水足跡空間分布規(guī)律與降水量有密切聯(lián)系，黑龍江省南、北部和西部降水量較多，屬于濕潤地區(qū)，糧食總水足跡高；而中部和東部地區(qū)降水量偏少，屬于半濕潤半干旱地區(qū)，糧食總水足跡較低[37]。

2.1.1時間分布

由圖2可知，黑龍江省糧食藍水足跡、綠水足跡的變化趨勢與糧食總水足跡一致：2008—2010年糧食藍水足跡、綠水足跡呈上升趨勢，自2011年驟降后，期間雖有波動但未能恢復(fù)，直至2018年才有所上升。從糧食藍水足跡、綠水足跡的對比情況來看，糧食綠水足跡趨勢線斜率為-14.422，糧食藍水足跡趨勢線斜率為-13.065，糧食綠水足跡下降趨勢比藍水足跡顯著；糧食藍水足跡與綠水足跡比例始終趨于1∶3，表明黑龍江省糧食用水結(jié)構(gòu)10年間基本保持不變。

2008—2018黑龍江省糧食綠水足跡波動在1 750 m3/t，整體有下降趨勢。由于2011年黑龍江省糧食作物生產(chǎn)經(jīng)歷了春早、伏旱等氣象災(zāi)害，使得當年黑龍江省糧食綠水足跡呈現(xiàn)顯著下降，之后的幾年持續(xù)波動始終未超過1 750 m3/t，因此將2008—2018年黑龍江省糧食綠水足跡分成兩個時期：2008—2010年(糧食綠水足跡平均值1 838 m3/t)和2011—2018年(糧食綠水足跡平均值1 562 m3/t)。黑龍江省糧食藍水足跡也有著類似的情況，自然災(zāi)害同樣影響到2011年黑龍江省糧食藍水足跡，由于旱災(zāi)使得降水量減少，導(dǎo)致可灌溉供水量的驟降，進而引起糧食藍水足跡下降。

2.1.2空間分布

利用ArcGIS軟件繪制2008—2018年黑龍江省11個地區(qū)糧食綠水足跡、藍水足跡及總水足跡的空間分布圖，如圖4～6所示。黑龍江省綠水足跡的低值區(qū)主要集中在黑龍江省的中部和東部地區(qū)，包括大慶、哈爾濱、雞西、雙鴨山、佳木斯、綏化，其中大慶最低，占總綠水足跡的5.3%。綠水足跡的高值區(qū)主要分布在南部、北部和西部地區(qū)，包括伊春、牡丹江、七臺河、鶴崗市、齊齊哈爾，其中伊春市最高，占糧食總綠水足跡比例為15.2%。黑龍江省藍水足跡的低值區(qū)主要集中在黑龍江省的中部和東部地區(qū)，特別是大慶、哈爾濱、綏化和佳木斯。而高值區(qū)則分布在南部、北部和西部地區(qū)，包括齊齊哈爾、伊春、牡丹江，北部地區(qū)齊齊哈爾的糧食藍水足跡最高。黑龍江省糧食總水足跡整體呈現(xiàn)南北高、東西低的變化趨勢。為了更清晰地表征黑龍江省各個地區(qū)的糧食總水足跡等級分布情況，將糧食總水足跡分為4個等級：伊春、牡丹江糧食總水足跡為Ⅰ級，糧食總水足跡過剩；齊齊哈爾、七臺河和鶴崗為Ⅱ級，糧食總水足跡較為適宜；雙鴨山、佳木斯、雞西、綏化為Ⅲ級，糧食總水足跡相對正常；而大慶地區(qū)、哈爾濱地區(qū)為Ⅳ級，糧食總水足跡十分稀缺。由此可以看出，各個地區(qū)水足跡分布不均，差異較大，存在著糧食水足跡過剩與稀缺并存的情況?？刹扇」こ檀胧崿F(xiàn)省內(nèi)的“南北水，東西調(diào)”，將糧食水足跡過剩地區(qū)如伊春、牡丹江的水資源，調(diào)入水足跡稀缺地區(qū)如哈爾濱、大慶，以改善糧食水足跡的空間分布結(jié)構(gòu)。

2.2 黑龍江省糧食水足跡影響因素分析

利用斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)法對黑龍江省糧食水足跡的影響因素進行分析，得到各影響因素相關(guān)系數(shù)(表1)。對于糧食藍水足跡，人口密度對其影響最大，其次是GDP、播種面積、降水量、糧食產(chǎn)量、單位面積產(chǎn)量，其中，GDP、單位面積產(chǎn)量、糧食產(chǎn)量、播種面積的相關(guān)系數(shù)為負值。GDP的相關(guān)系數(shù)為-0.573 2，負相關(guān)程度最顯著。糧食藍水足跡反映了糧食生產(chǎn)過程中消耗的灌溉水資源，在灌溉用水比例一定的情況下，糧食藍水足跡越低，灌溉水資源的利用效率越高。GDP是指一定時期內(nèi)生產(chǎn)活動的最終成果，代表著經(jīng)濟發(fā)展水平，一個地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平越高，工業(yè)及第三產(chǎn)業(yè)越發(fā)達，相應(yīng)的用水量越大，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)可供水被工業(yè)及第三產(chǎn)業(yè)用水擠占，因而GDP與糧食藍水足跡呈現(xiàn)負相關(guān)；人口密度對糧食藍水足跡影響最大，相關(guān)系數(shù)為0.718 2，表明人口越多，糧食產(chǎn)品的需求量越高，生產(chǎn)過程中消耗的農(nóng)業(yè)灌溉水資源總量就越多；此外，降水量可間接影響灌溉可供水量，降水量越大，灌溉可供水量越大，因而降水量與糧食藍水足跡呈正相關(guān)。

圖4 糧食綠水足跡逐年空間分布圖Fig.4 Spatial distribution maps of crop green water footprint

圖5 糧食藍水足跡逐年空間分布圖Fig.5 Spatial distribution maps of crop blue water footprint

圖6 糧食總水足跡逐年空間分布圖Fig.6 Spatial distribution maps of crop total water footprint

對于糧食綠水足跡，降水量對其影響最大，其次是播種面積、GDP、糧食產(chǎn)量、單位面積產(chǎn)量、人口密度，其中，GDP、單位面積產(chǎn)量、糧食產(chǎn)量、播種面積與糧食綠水足跡呈負相關(guān)。糧食綠水足跡反映了糧食生產(chǎn)過程中降水資源的可利用情況，由于降水量直接影響作物生長蒸騰作用中可利用雨水資源量，其對糧食綠水足跡影響最大，相關(guān)系數(shù)為0.672 7。播種面積與糧食綠水足跡的負相關(guān)性最顯著，相關(guān)系數(shù)為-0.263 6，在作物生育期有效降水量穩(wěn)定的狀態(tài)下，隨著播種面積的增大，單位播種面積上的可利用降水量減少，進而導(dǎo)致糧食綠水足跡下降。

對于糧食總水足跡，GDP、播種面積、糧食產(chǎn)量、降水量與其呈負相關(guān)，單位面積產(chǎn)量、人口密度與糧食總水足跡呈正相關(guān)。根據(jù)糧食水足跡的計算公式可知，單位面積產(chǎn)量是計算糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡量的重要變量之一，因而單位面積產(chǎn)量的影響最大，相關(guān)系數(shù)為0.663 6；而GDP越高，農(nóng)業(yè)工業(yè)化程度越大，水資源利用效率越高，使得糧食總水足跡呈下降趨勢。因而GDP與糧食總水足跡的負相關(guān)性顯著。

2.3 黑龍江省糧食水足跡預(yù)測結(jié)果分析

結(jié)合當?shù)匾?guī)劃目標，根據(jù)式(3)、(4)及2.2節(jié)的結(jié)果選取對糧食水足跡影響較大的3個因素進行預(yù)測，即播種面積、降水量、糧食產(chǎn)量(1998—2018年)，得出2021—2025年糧食水足跡3個因素的預(yù)測趨勢圖(圖7)。由圖可以看出，糧食產(chǎn)量和播種面積在未來5年整體都有上升趨勢，而降水量波動幅度較大。根據(jù)以上預(yù)測結(jié)果對糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡進行計算，由表2可知，2021—2025年黑龍江省糧食綠水足跡遠大于糧食藍水足跡，糧食藍水足跡平均值為563 m3/t，糧食綠水足跡平均值為1 487 m3/t，糧食總水足跡平均值為2 050 m3/t，糧食藍水足跡、綠水足跡、總水足跡均有下降趨勢。

結(jié)合上述結(jié)果分析造成糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡下降趨勢的原因：①氣候環(huán)境的變化使降水量減少，同時氣候變暖使蒸發(fā)加快，因而糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡下降。②根據(jù)當前的政策形勢來看，農(nóng)業(yè)逐漸工業(yè)化，形成規(guī)模效應(yīng)。雖然播種面積和產(chǎn)量在未來幾年略有上升，預(yù)計2021—2025年播種面積從8.15×106hm2增長到8.74×106hm2，漲幅為7.24%；產(chǎn)量由3.319×107t增長到3.474×107t，漲幅為4.67%，然而工業(yè)等其他行業(yè)用水擠占農(nóng)業(yè)用水的現(xiàn)象凸顯[38]，農(nóng)業(yè)工業(yè)化程度越大，水資源利用效率越高，進而糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡呈現(xiàn)降低趨勢?？刹扇】茖W(xué)方法合理制定農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，持續(xù)提高農(nóng)業(yè)水資源利用率，合理促進農(nóng)業(yè)發(fā)展。

3 結(jié)論

(1)黑龍江省不同地區(qū)糧食水足跡差異顯著，>存在糧食水足跡過剩與稀缺并存的現(xiàn)象。糧食水足跡在空間上呈現(xiàn)南北高、東西低的趨勢，伊春、牡丹江地區(qū)的糧食水足跡較豐富，而哈爾濱、大慶地區(qū)的糧食水足跡相對匱乏；在時間分布上，2011、2016年糧食總水足跡最低。

(2)人口密度對糧食藍水足跡影響最大，降水量對糧食綠水足跡影響最大，GDP、播種面積、糧食產(chǎn)量、降水量與糧食總水足跡呈負相關(guān)，單位面積產(chǎn)量、人口密度與糧食總水足跡呈正相關(guān)。

(3)未來5年(2021—2025年)，黑龍江省糧食藍水足跡平均值為563 m3/t，糧食綠水足跡平均值為1 487 m3/t，糧食總水足跡平均值為2 050 m3/t，糧食藍水足跡、綠水足跡及總水足跡呈下降趨勢。

(4)黑龍江省糧食生產(chǎn)供水量不足的問題不容樂觀，一方面應(yīng)科學(xué)制定農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，提高農(nóng)業(yè)水資源利用率，合理促進農(nóng)業(yè)發(fā)展；另一方面應(yīng)采取工程措施，實現(xiàn)省內(nèi)的“南北水，東西調(diào)”，將糧食水足跡過剩地區(qū)的水資源調(diào)入水足跡稀缺地區(qū)，以改善糧食水足跡的空間分布結(jié)構(gòu)。