广义水资源利用效率综合评价指数的

王丹丹杨陈玉何鑫王振昌操信春

摘要：基于广义水资源利用过程，同时考虑区域灌溉效率、水分生产率、水资源来源及消耗途径构建广义水资源利用效率综合评价指数（C指数）。基于中国主要灌区数据，在量化1998年-2010年各省区C指数的基础上探索了其时空分异特征。结果显示：省区尺度C指数总体呈增长态势，全国值由0550增加到0704，中国粮食生产用水结构趋于合理；空间自相关分析结果显示，[JP2]代表年省区尺度C指数在空间上呈现显著的聚集现象，全局莫兰I的检验值均超过了001的置信水平；C指数较大省区集中于黄淮海平原和长江流域北部，低值省区则广泛分布于长江以南、东北及西北地区；各省区局部自相关属性稳定，HH和LL的省区在20个左右。从自然气候特点、农业生产条件等方面分析了C指数的时空分异特征。研究成果为农业水资源利用评价方法和水资源管理宏观政策制定提供参考。

关键词：蓝绿水；农业用水综合指数；空间格局；灌区；粮食安全；中国

中图分类号：TV213文献标志码：A文章编号：

16721683（2016）06005606

Spatial and temporal differences of agricultural water utilization composite index in irrigated farmland of China

WANG Dandan1，YANG Chenyu2，HE Xin2，WANG Zhenchang2，CAO Xinchun2

（1.School of Resource and Environmental Sciences，Chifeng University，Chifeng 024000，China；2.Key Laboratory of HighEffective Irrigation and Drainage and Agricultural Water and Soil Environment in Southern China，Ministry of Education，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract：

Based on the use of generalized water resources and the existing evaluation index system of agricultural water，regional irrigation efficiency，water productive efficiency，source of water resources and consumptive ways to build agricultural water utilization composite index（Cindex）were considered.Based on data collected from major irrigation districts of China，this paper quantified irrigation Cindex from 1998 to 2010，explored the spatial differentiation characteristics.The results showed that：the Cindex at provincial level presented an increasing trend，and the national Cindex increased from 0.550 to 0.704，the structure of water for food production trended to be rationalized；Spatial autocorrelation analysis results showed that，C index on provincial scale gathered significantly in space，Moran′s I inspection values were higher than the confidence level（0.01）.High value provinces were concentrated in HuangHuaiHai Plain and north of Changjiang River，low value provinces were widely distributed in the south of Changjiang River，Northeast and Southeast China；Attribute of local autocorrelation was stable，and about 20 provinces showed highhigh positive autocorrelation（HH）and lowlow positive autocorrelation（LL）.Spatial differentiation characteristics of Cindex from natural features，agricultural production conditions were also analyzed.This paper provides references for development of evaluation methods for agricultural water use and macro policies of water resources management.

Key words：bluegreen water resources；agricultural water utilization composite index（Cindex）；spatial distribution pattern；irrigation district；food security；China

1研究背景

农业水资源利用效率区域差异解析是进行水资源管理的重要依据。传统研究主要针对农业生产过程，通过建立灌溉效率、水分生产率及综合生产效率指标来分析农业水资源利用问题[12]。现代水资源管理研究通过水足迹来衡量人类生产或消费活动对水资源的影响[36]。两者的共同基础为广义水资源利用和水资源量平衡，传统的农业用水效用评价中注重区域水文循环下的水量平衡，而水足迹理论更强调在消费社会中区域间的水资源量产销平衡。水足迹理论强调区分蓝、绿水资源和虚拟水的重要作用，在更大尺度上评价水资源的利用效益，使得水资源管理成为兼顾区域内外部相互影响的系统工程。建立水资源利用与农业产出之间关系的评价指标是两类方法契合点。学者在基于传统研究指标的特定区域农业用水评价上做了大量工作，主要包括作物田间需水、耗水规律[79]，不同角度灌溉效率及水分生产率评价指标构建、量化及其尺度效应[1012]，农业水资源高效优化配置及农业节水潜力计算方法的建立等[1315]。在水足迹与农业用水评价结合方面，分析区域间农业用水状况差异，并进一步评价消费水足迹和虚拟水流动现象带来的水资源节约效益的相关研究也取得一定进展[1618]。然而，当前研究仅以田间尺度水分生产率作为比较区域间农业用水效率的指标，这使得研究结论具有局限性。因为影响农业用水状况的因素众多，包括气候条件、作物品种、灌溉设施、技术推广等，某一类指标很难全面地体现[1920]。同时，从水资源投入粮食产出关系衡量的角度讲，田间尺度水分生产率也并非最具代表性的指标[21]。本文参考传统农业用水效用评价和水足迹理论中的相关范式，选择从不同角度衡量农业用水状况指标来建立广义水资源利用效率综合评价指数（C指数），量化中国灌区C指数并利用空间统计学方法分析其时空分异特征。为相关研究和宏观政策制定提供参考。[HJ]

2.2空间自相关分析

[JP+1]空间自相关分析方法反映一个地理属性与邻近区域同一属性相关程度，可分为全局和局部空间自相关。全局空间自相关对地理属性在整个区域的空间特征进行描述，判断该属性值在总体空间上是否存在聚集现象[23]。在此，通过对全局Moran′s I指标的计算来分析C指数的总体空间关联程度。通过局部Moran′s I测算局部地理单元C指数的空间异质性，并推算出聚集地的地理位置、范围及其随时间变化情况，并以LISA聚集图的形式表征。与总体的平均水平相比，可以判断出一个省区C指数在总体中所处的位置。LISA聚集图中属性分为四种类型[7]：HH，表示某该省区和周围省区的地理属性值都较高；LH，表示该省区较低而周围省区较高；HL，表示该省区较高而周围较低；LL，表示该省区和周围省区都较低。在给定显著性水平时，可以判断各区域局部空间自相关属性的显著性。

2.3数据来源

降水量数据由中国气象科学数据共享服务网下载；各灌区代表年的灌溉效率、粮食产量、灌溉面积、复种指数、灌溉用水量等数据来源于中国大型灌区网站（http：//www.dxgq.org.cn）及部分的灌区管理局；还参考了研究时段内的中国统计年鉴、中国水利年鉴、中国水资源公报、各省区统计年鉴及水资源公报等资料；因数据所限，选取1998年-2010年的起始年、中间年（2005年）及末尾年为代表年，来分析C指数的时空分布特征。

3结果与分析

[BT（3]3.1[ZK（][JP+1]不同年份广义水资源利用效率综合评价指数（C指数）[ZK）][BT）]

将各省区C指数进行对有效灌溉面积的加权得到全国灌区不同年份C指数值，见图1。为便于分析和对比，图1还给出了全国灌区灌溉效率（η）、广义水资源水分生产率（Pwu）、绿水比例（Rg）及有效耗水比例（RET）四个指标在不同年份的表现。

由图1可知，中国灌区η、Pwu、Rg及RET均在0300～1000之间，且不同年份四个指标在数值上大小关系为：Pwu>RET>η>Rg。η、Pwu、Rg、RET和C指数代表年均值分别为0452、0860、0365、0652以及0619，农业生产用水综合指数与有效耗水比例在数值最为接近。C指数在三个代表年的值分别为0550、0603及0704，呈稳步增长态势，说明综合灌溉效率、水分生产率、水资源来源构成以及消耗途径看，中国灌区粮食生产用水向更加合理的趋势发展。η、Pwu、Rg及RET均呈随时间增大趋势，其中Pwu最为明显，这也直接导致了C指数的随时间增加。四个指标及C指数的增长主要由粮食单产水平的提高和灌溉设施改进使得灌溉引水量减少引起。如1998年中国灌区的平均灌水量约为8 900 m3/hm2，对应耕地上的粮食单产约为9 900 kg/hm2，2010年这两个参数分别变化为7 300 m3/hm2和12 200 kg/hm2，在降水量变化不明显的情况下，η、Pwu、Rg及RET分别由0420、0725、0350和0623增长到0492、1020、0390以及0690。为了C指数随时间变化的区域差异，计算出各省区C指数的年均变化幅度，列于表2。

结果显示，各省区C指数均随时间增加，增加速度存在一定差异。北京和内蒙古的年均增幅在300%以上，为中国粮食生产用水合理性变强最快的区域；天津、吉林、湖北和重庆的年均增加幅度均超过250%，属于灌区农业生产用水综合指数增长较快的省区；还有13个省区在全国平均水平（200%）之上。12个省区的增长速率在全国值以下，其中安徽最小，为唯一不足100%的省份。总体来看，北方地区的C指数增长较快而南方省区相对较慢，如增幅最大前4个省区均在北方而最小的4省区均位于长江流域。C指数的全面增加说明中国农业水资源利用效率的显著提升，对于缓解区域水资源压力、提升水资源利用效益以及促进区域经济发展均具有重要意义。

3.2农业生产用水综合指数空间差异

为分析C指数的空间分散程度及其随时间变化情况，计算出不同年份省级行政区尺度C指数的最大值、最小值、极差及标准差等统计量，列于表3。同时，由于C指数值在各代表年省区间大小关系的一致性较好，用各省区C指数三个年份的平均值来分析空间格局，见图2。

由表3可知，省级行政区尺度C指数的最大值、最小值及平均值（算术平均值）均随时间稳步增长，这与图2、表2中粮食生产用水合理性全面升高的研究结果相吻合。与C指数全国加权值值相比，不同年份的省区算术平均值均偏小，说明总体上农业生产规模较大省区的粮食生产用水合理性更占优势。省区C指数的极差和标准差也均在1998年-2005年-2010年区间内逐渐增大，说明中国粮食生产用水合理性的区域差距正在不断扩大。

中国灌区农业生产用水综合指数的省区差异较大，总体空间分布格局为黄河中下游及华北地区的省区较大而东北、华南、东南及西北部分省区较小。图2显示，陕西的C指数最高，达0924，陕西也是唯一超过0900的省份；山东、河南、河北及北京分别为0893、0867、0859及0859，分列2位至5位；其他省区均在0800以下，其中7个省区大于全国值的0619；19个小于全国值的省区中的10个不足0500，包括东南沿海的广东、广西、福建、海南，西北的新疆、青海和东北的辽宁、吉林、黑龙江；黑龙江的C指数全国最低，为0389，不足陕西、山东、河南、河北及北京五省市的一半；四川、湖北和江西的C指数值分别为0761、0695及0647均为南方为数不多的高值省区之一；除四川外的西南诸省区C指数均接近全国值，处于中等水平。

气候状况、作物播种类型、农业生产条件、经济发展水平等影响区域灌溉效率、水分生产率、水资源的因素共同决定了省区度C指数的大小：关中平原和黄淮海地区地理条件优越、土地肥沃，粮食生产效率高的同时面临比较严重的缺水问题，单位面积上产出的粮食可达130 ton/hm2，灌溉用水量在4 000 m3/hm2上下，使得水分生产率（Pwu）在1200 m3/kg左右，虽然灌溉效率（η）与其他省份差异不大，但绿水比例（Rg）和有效耗水比例（RET）均分别在40%和70%左右，明显高于其他省区和全国水平，故C指数在省区中占明显优势；经济发展较快的华南和东南地区以种植水田作物为主，降水量和灌溉用水同时较多且粮食单产也不占优势，这些地区的Pwu仅在0500 m3/kg左右，Rg和RET分别为低于全国值的30%和60%，所以农业生产综合用水C指数较低。东北地区也种植了大量水稻，灌溉引用水量较大，虽然粮食单产水平较高，但因复种程度、单位耕地粮食产出受到限制，加上η较低，粮食生产用水综合效率还有很大的提升空间。西北的青海、新疆及宁夏等地区的C指数较小主要因降水资源有限、灌水量大从降低了Rg和RET导致；西南地区将水资源丰富、灌溉水资源投入较少，使得Rg与RET较大，虽然粮食单产和Pwu较低，C指数仍能处于全国中上游位置。

[BT（3]3.3[ZK（][JP+1]农业生产用水综合指[JP+2]数的空间自相关分析[ZK）][BT）]

表4列出了不同时间C指数全局空间自相关的计算结果。不同年份全局Moran′s I估计值均明显大于零，同时对应的ZScore均大于标准正态分布函数概率为001的临界值，即通过了显著性检验。代表年C指数均值的全局Moran′s I、ZScore及Pvalue分别为0264 8、3818 3以及0000 1。说明灌区C指数在省级行政区间的存在正自相关关系，总体上表现为相似大小的值在地理上显著地集中。灌区C指数与区域的气候条件、作物生产类型、水土资源等自然因素关系密切，同时也受灌溉水平、粮食单产、生产资料投入及管理方式等经济社会条件的影响，而以上各因素大体上均能表现出地理上的类似性，这是大小相似C指数省区在地理空间上呈现聚集现象的重要原因。

大部分省区的局部空间自相关属性在不同时间无明显变化；三个年份表现为HL的省区均不多于4个，其余均为HH、LL及LH省区；各年份表现为HH、LL的省区个数之和分别为21、19及20，占省区的绝大多数；HH省区以华北平原为中心连片分布并涉及到部分的西南省区，LL省区则主要分布于长江以南和东北地区，均表现为地理上的正相关；表现为LH及HL省区在空间上分布相对散乱；表5显示，HH（11个）、LL（9个）省区个数在各年份维持不变，只是显著区减少了一个；LH省区的数量由7增至8，HL省区相应减少1个。总体说来，13年来C指数的局部分布特征没有发生明显的变化，这与省区间自然条件和社会经济状况差异的稳定有关。具体来说，天津一直处于LH区，其C指数明显低于与之相邻的河北与北京，不仅因为紧邻HH省区，而且因为在自然条件、灌溉设施、种植结构和粮食产量相当相似的情况下，天津灌水量较大幅度大于与之相邻的北京、河北，使得Pwu、Rg及RET均小于两省市；内蒙古与江苏的C指数处全国中下游水平，同时因受HH区辐射作用明显，故均长期位于LH区；江西表现为HL，其代表年均C指数为0647，明显大于邻省浙江、福建、广东的0450左右，江西与邻省相比经济发展滞后而有较好的农业基础，局部自相关属性受与其社会经济条件类似的湖南、湖北影响较大；此外，黑龙江与辽宁分别由HL和LL变为LL与LH，而在云南HL与HH之间摇摆。不同时期C指数的全局及局部空间自相关特性差异较小，说明中国粮食生产用水状况的空间格局将稳定存在。

由于C指数能够更加全面衡量区域间农业用水状况差异，各地区应结合自身粮食生产能力与水资源状况等条件，针对各农业用水评价指标（η、Pwu、Rg及RET）的具体状况制定相应对策以提升C指数，从而缓解区域水资源压力、提高农业水资源利用效率和促进经济社会持续发展。例如南方地区降水资源丰富、粮食生产任务小、经济较为发达的同时其他行业对水资源需求较大，应在充分利用降水资源的基础上提高η与Rg，将节约的灌溉水用于工业生产与服务业，提升水资源经济效益；东北粮食主产区的Pwu较高，而面临灌溉水资源管理粗放的同时降水有效利用率不高，所以提高η与RET是提高C指数的主要途径；而华北和西北省区面临严峻的水资源压力，农业水资源供应有限，不仅要重视农业水分生产率Pwu，还应该重视有效耗水比例RET的提高以减少水资源的浪费。

4结论

由于灌溉效率、广义水资源水分生产率、绿水比例及有效耗水比例均不同程度地增加，中国及各省区灌区粮食生产用水C指数呈全面上升态势，全国值由1998年的0550增长到2010年的0704，粮食生产用水合理性在增强。省级行政区尺度C指数的差距较大，多年值在黑龙江的0398至陕西的0924之间变化；C指数的省区间有随时间增大趋势，中国区域间农业用水状况的改善步调一致性不强。空间自相关方法分析发现，其在空间上呈显著聚集现象，高值省分紧密分布在黄淮海平原及其周边区域，低值省区则主要集中于长江以南和东北地区。局部自相关空间属性为HH、LL、LH和HL的省区个数均相对稳定，显著省区个数在减少。全局和局部自相关分析结果随时间变化不大，中国粮食生产用水的时空分异格局稳定。

本文从区域用水状况角度进行了评估并分析其时空分异格局，可为区域间农业水资源利用评价提供新思路，也为全国及区域农业生产及水资源宏观管理提供理论参考。由于水资源问题涉及社会经济系统的各个方面，提升农业水资源综合利用效率是任何区域均需重视的问题。然而，不同地区的种植结构、气候条件、水资源条件存在差异，导致对不同农业用水评价指标的重视程度不尽相同，针对农业用水过程本身的水资源利用效率评价指数提升的急迫性和策略制定还需与区域自然及农业生产条件相结合，以为区域农业用水效率提升明确方向。而基于现代水资源管理理念的农业水资源具体管理政策的建立与实施，需要在水资源利用相对状况评价的基础上，进行以提升全国水资源利用效益和保障全国范围内粮食安全生产的水土资源优化配置研究是需要考虑的问题。

参考文献（References）：

[1]Molden D，Sakthivadivel R，Christopher JP，et al.Indicators for Comparing Performance of Irrigated Agricultural Systems.IWMI Research Report no.20[R].International Water Management Institute（IWMI）：Colombo，Sri Lanka.DOI：10.1002/ird.1816

[2][JP2]Heydari N.Water productivity in agriculture：challenges in concept，terms and values[J].Irrig.and Drain.，2014，63：2228.

[3]Allan JA.Virtual water eliminates water wars？ A case study from the Middle East.In Hoekstra AY edited.Virtual Water Trade：Proceedings of the International Expert Meeting on Virtual Water Trade.Value of Water Research Report Series No12[R].IHE Delft，the Netherlands，2003：137145.

[4]Cao X C，Wu P T，Wang Y B，et al.Water footprint of grain product in irrigated farmland of China[J].Water Resources Management，2014，28（8）：22132227.DOI：10.1007/s1126901406071

[5]孙克，徐中民.基于地理加权回归的中国灰水足迹人文驱动因素分析[J].地理研究，2016，35（1）：3748.（SUN Ke，XU Zhongmin.The impacts of human driving factors on grey water footprint in China using a GWR model[J].Geographical Research，2016，35（1）：3748.（in Chinese）） DOI：10.11821/dlyj201601004

[6]Aldaya M M，Allan J A，Hoekstra A Y.Strategic importance of green water in international crop trade[J].Ecological Economics，2010，69（4）：887894.DOI：10.1016/j.ecolecon.2009.11.001

[7]操信春，吴普特，王玉宝，等.中国灌区水分生产率及其时空差异分析[J].农业工程学报，2012，28（13）：17.（CAO Xinchun，WU Pute，WANG Yubao，et al.Analysis on temporal and spatial differences of water productivity in irrigation districts in China[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2012，28（13）：17.（in Chinese））DOI：103969/j.issn.10026819.2012.13.001

[8]张芊，任理.应用根系层水质模型分析冬小麦夏玉米轮作体系的农田水氮利用效率Ⅱ：模型的验证与情景分析[J].水利学报，2012，43（3）：354362.（ZHANG Qian，REN Li.Applying application of root zone water quality model to simulate water and nitrogen use efficiency of winter wheatsummer maize double cropping system II.Model validation and scenario analysis[J].Journalof Hydraulic Engineering，2012，43（3）：354362.（in Chinese）） DOI：05599350（2012）03035409

[9]Cai X，Yang Y，Ringler C，et al.Agricultural water productivity assessment for the Yellow River Basin[J].Agricultural Water Management，2011，98（8）：12971306.[ZK）]

[10][ZK（#]陈皓锐，黄介生，伍靖伟，等.井渠结合灌区用水效率指标尺度效应研究框架[J].农业工程学报，2009，25（8）：17.（CHEN Haorui，HUANG Jiesheng，WU Jingwei，et al.Scale effect research framework of irrigation water use efficiency indices in wellcanal combined irrigation area[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2009，25（8）：17.（in Chinese））DOI：103969/J.issn.10026819.2009.08.001

[11]崔远来，董斌，李远华.水分生产率指标随空间尺度变化规律[J].[JP+2]水利学报，2006，37（1）：4551.（CUI Yuanlai，DONG Bin，LI Yuanhua.Variation of water productivity in different spatial scales[J].Journal of Hydraulic Engineering，2006，37（1）：4551.（in Chinese））DOI：0559-9350（2006） 01004507

[12]Zwart S，Bastiaanssen W，Fraiture C，et al.A global benchmark map of water productivity for rainfed and irrigated wheat[J].Agricultural Water Management，2010，97（10）：16171627.DOI：10.1016/j.agwat.2010.05.018

[13]Juliet C S，Heather C，Peter H G.Potential water savings associated with agricultural water efficiency improvements：a case study of California，USA[J].Water Policy，2012，14（2）：194213.DOI：10.2166/wp.2011.017

[14][JP2]Keramatzadeh A，Chizari A H，Moore R.Economic optimal allocation of agriculture water：mathematical programming approach[J].Journal of Agricultural Science and Technology，2011，13（4）：477490.

[15]Chapagain A K，Hoekstra A Y，savenije H H G.Water saving through international trade of agricultural products[J].Hydrol.Earth Syst.Sci.，2006，10（3）：455468.

[16][ZK（#][JP3]Fader M，Gerten D，Thammer M，et al.Internal and external greenblue agricultural water footprints of nations，and related water and land savings through trade[J].Hydrol.Earth Syst.Sci.，2011，15（5）：16411660.DOI：10.5194/hess1516412011.

[17]Sun S K，Wu P T，Wang Y B，et al.The virtual water content of major grain crops and virtual water flows between regions in China[J].Journal of the Science of Food and Agriculture，2013，93（6）：14271437.DOI：10.1002/jsfa.5911.

[18][JP3]马涛，陈家宽.虚拟水贸易在解决中国和全球水危机中的作用[J].生态经济，2006（11）：2226.（MA Tao，CHEN Jiakuan.The role of virtual water trade in efforts to resolve china and global water crisis[J].Ecological Economy，2006（11）：2226.（in Chinese））

[19]许迪，龚时宏，李益农，等.作物水分生产率改善途径与方法研究综述[J].水利学报，2010，41（6）：631639.（XU Di，GONG Shihong，LI Yinong，et al.Overview of recent study on improvement approaches and methods for crop water productivity[J].Journal of Hydraulic Engineering，2010，41（6）：631639.（in Chinese））DOI：05599350（2010）06063109

[20]Jensen ME.Beyond irrigation efficiency[J].Irrig.Sci.2007，25（3），233245.DOI：10.1007/s0027100700605

[21]操信春，吴普特，王玉宝，等.水分生产率指标的时空差异及相关关系[J].水科学进展，2014，25（2）：268274.（CAO Xinchun，WU Pute，WANG Yubao，et al.Temporal and spatial variation and correlativity of water productivity indexes in irrigated land of China[J].Advances in Water Science，2014，25（2）：268274.（in Chinese）） DOI：10.14042/j.cnki.32.1309.2014.02.011.

[22]Sun S K，Wu P T，Wang Y B，et al.The impacts of interannual climate variability and agricultural inputs on water footprint of crop production in an irrigation district of China[J].Science of the Total Environment，2013，444：498507.DOI：10.1016/j.scitotenv.2012.12.016.

[23]孟斌，王劲峰，张文忠，等.基于空间分析方法的中国区域差异研究[J].地理科学，2005，25（4）：393400.（MENG Bin，WANG JinFeng，ZHANG WenZhong，et al.Evaluation of Regional Disparity in China Based on Spatial Analysis[J].Scientia Geographical Sinica，2005，25（4）：393400.（in Chinese））