基于水足迹的贵州省平塘县农业用水与经济脱钩分析

易武英, 苏维词, 李 威, 张建利, 邢 丹

(1.贵州大学 生命科学学院, 贵州 贵阳 550025; 2.贵州省山地资源研究所, 贵州 贵阳550001;3.重庆师范大学 地理与旅游学院, 四川 重庆400047; 4.贵州省农科院 蚕业研究所, 贵州 贵阳 550006)

水是喀斯特地区可持续发展关键限制因子，协调水资源—经济发展—生态保护是实现喀斯特地区可持续发展症结所在[1-2]。农业生产对生态系统干扰破坏极大，严重威胁生态系统健康[3]，在喀斯特地区尤为突出。传统水资源研究方法，较多关注农业灌溉用水，农业用水估算也未涵盖农业生产过程中其他环节耗水(如：绿水、灰水)，难以准确刻画农业生产真实水占有量，为此，有学者提出水足迹概念，水足迹是目前水科学研究热点之一，是多维综合客观测度用水量指标(涵养了用水量、用水类型、用水时间及用水地点等信息)[4-8]，从生产、消耗角度，核算人类生产生活活动对水资源占用量，建立了自然资源利用方式与社会生产方式联系[9-10]，开拓了水资源—社会经济发展研究新视角[11]。农产品是水资源密集型产品，农业水足迹指生产农产品所消耗水资源量，农业水足迹为农业用水研究提供了科学评判依据和新技术手段。但目前关于水足迹与社会经济发展协调关系研究较少，因此，开展水足迹与社会经济发展协调关系研究，在某种意义上，丰富了水足迹研究领域，能定量测度人类活动与水资源系统协调状况(脱钩指数是最佳测度指标)[12-13]。

水资源短缺问题是喀斯特峰丛洼地可持续发展亟待解决问题之一。喀斯特峰丛洼地地质地貌特征独特，具有多相复杂体系，农业生产极易受环境变化影响(土薄、水少、土被不连续，以石旮旯地为主，土壤调蓄功能极低，作农物受土壤水分胁迫频繁[14-16])，其水文循环与生态过程特殊且复杂，喀斯特峰丛洼地如何高效利用地表有限水资源，是实现该地区自然社会经济可持续发展的基础。平塘县属于典型喀斯特地区农业县，农业耗水量占全县水资源用水量80%以上，本文在运用水足迹模型对2002—2015年平塘县水足迹进行测算的基础上，利用脱钩评价模型，定量分析平塘县农业水资源利用与农业经济增长的协调关系，以期为该地区水资源管理提供参与资料。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

平塘县位于黔南，地处东经106°40′—107°27′，北纬25°30′—26°07′，总面积2 805 km2，地貌类型以山地为主，山地面积约占总面积86%，喀斯特峰丛洼地广泛发育，水土资源匹配状况不佳，土地生产力低，人畜饮水困难。属于中亚热带季风湿润气候，年均降水量约1 259 mm，但降水时空分配不均，旱涝灾害频繁，加剧该地区水资源短缺。社会经济欠发达，贫困人口庞大，国民经济以传统农业生产为主，农业人口约占总人口80%，农业生产条件差(土层薄、土被破碎，旱地比重大、望天田土多、机械化水平，水利工程建设相对滞后。)，农业生产效率低，经济发展缓慢，喀斯特式贫穷问题突出。

1.2 数据来源

水足迹计算所需数据：气象参数、土壤参数、作物参数和灌溉数据，结合实地调研，及模型模拟计算得到。计算所需的气象数据来自联合国粮农组织(FAO)ClimWat数据库中黔南地区的6个气象站点数据。

主要农作物总产量、单位面积产量、耕种面积及化肥施用量数据及农业社会经济统计数据等来源于2001—2015年《平塘县统计年鉴》《2001年黔南州水资源公报》《平塘县国民经济与社会发展统计公报》等，结合实地调研数据，部分指标缺失利用相近指标替代。为避免历年GDP产值受价格因素的影响，以2002年为基期年，采用平减指数法换算成可比价格后核算GDP年增长率。土壤数据结合当地土壤类型，并在FAO全球数据库中找到与此类型对应土壤信息。

2 研究方法

2.1 农业水足迹计算

本文从种植业、林业、禽畜养殖业三大产业核算农业水足迹，核算对象涵盖了平塘县主要农产品。利用联合国粮农组织所推荐的气候资料库CLIMWAT和农作物需水量计算软件CROPWAT，计算出平塘县主要农作物虚拟水含量。畜产品虚拟水含量采用学界最威权的Chapagain和Hoekstra 2004年研究成果[17]。本文采用“自下而上法”(即农产品产量乘以虚拟水含量来计算)估算平塘县农业用水。

2.2 脱钩指数计算

脱钩是物理学概念(指2个或以上物理量间不存在依存关系)，目前已被广泛应用资源环境领域研究(主要集中于能源资源消耗与经济增长研究[18，19])。脱钩理论认为，资源环境压力与经济发展之间存在耦合(经济增长与资源环境压力呈正相关)与脱钩(经济增长与资源环境压力呈负相关)。水资源环境脱钩指数指水资源压力与经济增长相分离的程度，用水足迹变化率衡量水资源环境的变量，用GDP变化率来衡量经济发展的变量，将Vehmast的脱钩指标模型扩展到第t期末的脱钩指数Dft[20]。

(1)

式中：GDPt, GDPt-1——第t期末和第t-1期末的当地经济问题； WFt, WFt-1——第t期末和t-1期末的水足迹变量，当Dft>0时，说明此时为强脱钩的优质协调状态；当Dft<0时，说明当前该地区的经济发展与水资源环境未出现脱钩状态，处于经济发展的不协调状态(表1)。

表1 Tapio脱钩弹性值分类与评价标准

注：ΔW=WFt-WFt-1；e=Dft，为脱钩指数。

3 结果与分析

3.1 平塘县各乡镇农业水足迹分析

由表2可知，2002—2015年平塘县农业生产用水量呈增加变化趋势，主要由于种植结构调整、单位耕地面积农产品产出量增加，农业投入增加(农药化肥施用量逐年递增，导致灰水足迹增加)所致。从平均值来看，通州镇农业生产用水量最大，1.21×108m3；其次是塘边镇，6.70×107m3；掌布乡最小，1.80×107m3。19个乡镇均方差系数变化范围为3.26%～102.22%，通州镇均方差系数最大，为102.22%；其次是塘边镇，为20.37%；甘寨乡最小，为3.26%。

表2 平塘县2002-2015年农业生产用水量 108 m3

3.2 平塘县各乡镇农业水足迹增长率分析

由表3可知，2002—2015年各乡镇农业水足迹增长率变化趋势明显，掌布乡农业水足迹平均值最大，鼠场乡其次，甘寨乡最小，且为负值。除2010年各乡镇农业水足迹变化率均为正值外，其他各年份各乡镇均存在负值。

表3 平塘县2002-2015年各乡镇农业水足迹变化率 %

3.3 平塘县各乡镇农业GDP增长率分析

平塘县是典型喀斯特峰丛洼地农业县，由表4可知，2002—2015年各乡镇农业产值整体上呈增加变化趋势，但农业GDP增长率变化趋势不明显，从农业GDP增长率平均值来看，掌布乡最大，为14.4%，西凉乡其次，平湖镇最小。2011年90%以上乡镇农业GDP变化率呈负增长，其他各年份各乡镇农业GDP增长率总体上为正值。

表4 平塘县2002-2015年各乡镇农业GDP变化率 %

3.4 平塘县各乡镇农业水资源利用与农业经济增长脱钩指数

由表5可知，2002—2015年卡罗乡农业水资源利用与农业经济增长脱钩指数平均值最大，为3.9；掌布乡其次，为2.8；苗二河乡最小，为-6.6。2002—2015年各乡镇弱脱钩的年份占比为14.4%～71.4%，强脱钩的年份占比为7.1%～57.1%，衰退脱钩的年份占比为0%～7.1%。从脱钩的年份占比来看，由大到小排序为：牙舟镇(85.7%)>塘边镇、摆茹镇、者密镇、甘寨乡、卡罗乡(78.6%)>白龙乡(71.4%)>平湖镇、克度镇、大塘镇、谷硐乡、新塘乡(64.3%)>通州镇、四寨镇、卡蒲乡、鼠场乡、掌布乡(57.1%)>西凉乡(50.0%)>苗二河乡(42.9%)。2002—2015年属于弱脱钩乡镇个数范围为4～18个，属于强脱钩乡镇个数范围为0～19个，属于衰退脱钩乡镇个数范围为0～10个，2002—2015年脱钩乡镇个数由大到小排序为：2007，2008(19个)年>2010年，2015年(18个)>2013年(16个)>2002年(15个)>2011年(13个)>2014年(12个)>2003年，2005年(11个)>2004年(10个)>2009年(7个)>2012年(6个)>2006年(1个)。2007年平塘县农业水足迹与农村经济增长协调关系最佳，其次是2008年，协调状况最差是2006年，2002—2015年协调关系整体上，呈由倒U形的变化趋势。

表5 平塘县2002-2015年各乡镇农业水资源利用与农业经济增长脱钩指数

由表6可知，2002—2015年从面积来看，弱脱钩面积比重范围为0%～97.9%(2010年最大，2013年其次，2007年，2011年最小)，强脱钩面积比重范围为0%～100%(2007年最大，2008年其次，2010年最小)，衰退脱钩面积比重范围为0%～49.7%(2011年为49.7%，其他年份为0)，脱钩总面积(弱脱钩、强脱钩、衰退脱钩三者面积之和)由大小到排序为：2007=2008(100%)>2010(97.9%)>2015(94.2%)>2013(85.1%)>2002(84.7%)>2014(69.0%)>2011(67.8%)>2004(59.0%)>2003(53.6%)>2005(49.6%)>2009(41.1%)>2012年(26.9%)>2006年(7.8%)。利用ArcGIS绘制了2003，2007，2011年平塘县农业水资源利用与经济增长脱钩指数空间分布图(附图6)。

4 讨论与结论

4.1 讨 论

喀斯特峰丛洼地地表起伏大，土被破碎，农业规模化经营受限，导致该地区农业生产中人力物力投入高，作物单产水平低，农业水足迹较高，农业经济效益低。如何高效利用有限水土资源已成为喀斯特峰丛洼地可持续发展需迫切解决的问题。利用水足迹方法对农业生产用水量量化受主观因素影响小，能较客观测度农业用水量，但本研究未涵养二、三产业，一则，由于研究区水资源基本用于本地区内部经济发展，农产品基本用于本地区消费，对外贸易较少；再则，由于统计数据缺乏限制，本研究未考虑研究区与外部贸易虚拟水含量的计算。喀斯特峰丛洼地受水资源刚性约束(地表水资源调蓄功能极差)，在生产端提高水资源利用效率成为当地农业节水重要途径，通过种植结构优化，使有限水资源发挥最大经济效益、社会效益和生态效益。

表6 平塘县2001-2005年各乡镇农业水资源利用与经济增长脱钩评价结果

4.2 结 论

喀斯特峰丛洼地是喀斯特地区一特殊地貌类型，具有多相复杂体系，农业生产极易受环境变化影响，自然地理环境差异造就其独特人地地域关系。本文利用水足迹计算模型，核算了平塘县2002—2015年农业用水量，运用Tapio脱钩弹性指数模型，剖析平塘县农业水资源利用状况与农业经济增长间关系。

(1) 2002—2015年平塘县水足迹与生产总值整体上呈波动上升趋势，但其增长率波动性较明显，不同年份对水资源消耗量起主要贡献作用的因素不同，从而导致农业水足迹波动较大。

(2) 从Tapio 脱钩弹性指数来看，现阶段经济增长与水资源消耗关系尚不稳定，水资源不可持续性利用状态仍然存在，脱钩关系出现波动较大根本原因在于水资源消耗量和经济增长的不规律性变化幅度较大。

(3) 2007年为脱钩关系较为理想或乐观的年份，其次是2008年，协调状况最差是2006，2002—2015年脱钩态势系整体上，呈倒U形变化趋势。

(4) 2002—2015年从面积来看，弱脱钩面积比重范围为0～97.9(2010年最大，2013年其次，2007年，2011年最小)，强脱钩面积比重范围为0～100(2007年最大，2008年其次，2010年最小)，衰退脱钩面积比重范围为0～49.7(2011年为49.7，其他年份为0)。