农业水足迹影响因素研究及展望

张容 李杨

[摘 要] 在全球水资源短缺的大背景之下，就如何缓解水资源压力以及提高水资源利用效率问题，各国学者进行了广泛而深入的研究。水足迹理论作为水资源管理领域的热点之一，经过将近二十年的发展，无论在理论还是应用方面都取得了很大进步。通过梳理农业水足迹理论的形成历程，以粮食作物、经济作物及畜牧水足迹影响因素为研究重点，总结了粮食作物和经济作物的绿水足迹随降水量的增加而增加，蓝水足迹则相反，且气象因素的变化都会影响其水足迹；在技术因素方面，灌溉技术是影响粮食和经济作物水足迹的主要因素之一。对于畜牧业来说，畜牧水足迹则对品种、饲料、放牧方式敏感。并对农业水足迹的发展方向作了展望，以期为农业水资源管理提供可行方案。

[关键词] 农业水足迹；影响因素；最新进展

[中图分类号] S181 [文献标识码] A [文章编号] 1009-6043（2018）08-0100-05

Abstract： In the context of the global shortage of water resources， scholars in various countries have carried out extensive and in-depth research on how to alleviate the pressure of water resources and improve the utilization efficiency of water resources. Water footprint theory is one of the hot spots in the field of water resources management. After nearly twenty years of development， great progress has been made in both the theory and the application. By combing the formation process of the theory of agricultural water footprint， this paper focuses on grain crops， economic crops and the influence factors of livestock water footprint. It concludes that the green water footprint of grain crops and economic crops increases with the increase of precipitation， the blue water footprint is opposite， and the change of meteorological factors affects the water footprints. In terms of technical factors， irrigation technology is one of the main factors that affect the water footprint of grain and economic crops. For livestock husbandry， the water footprint of livestock is sensitive to breed， feed and grazing ways. The development direction of agricultural water footprint is also prospected for providing feasible solutions for agricultural water resources management.

Key words： agricultural water footprint， influence factor， latest development

一、導论

自工业革命以来，各工业化国家经济加速增长，以大规模投入为范式的生产方式导致的一个后果就是水资源缺乏[1]。据联合国2012年统计预测，到2025年，预计将有18亿人生活在绝对缺水的国家或地区，世界上三分之二的人口可能处于缺水状态。在2016年，Mekonnen and Hoekstra指出世界上三分之二的人口生活在每年至少一个月缺水的地区[2]。至此，水资源缺乏已是一个世界性的热点问题。而全球一年用水总量中农业生产用水占比最大，90%的人类消费水足迹来自农业产品[3]，因此，提高农业用水效率是解决水资源匮乏问题的重中之重。这促使许多学者为缓解水资源短缺问题提出了一系列理论，其中水足迹理论近年来深受全球学者青睐。

2002年Hoekstra在荷兰代尔夫特举办的虚拟水贸易国际专家会议上首次明确提出了水足迹的概念[4]。虚拟水是指产品和服务的生产过程中所使用的水[5]，水足迹概念建立在虚拟水理论的基础之上，是指消费者或生产者直接和间接使用水资源量，包括水资源消耗量和污染量，在量化水的基础上评价水使用对区域或全球水环境的影响[6]。水足迹理论一经提出其局限性便遭到了多方质疑，在2014年和2015年Perry和Wichelns分别发表反对根据水足迹来比较生产系统或制定水资源分配和使用政策的论文，但是Perry关注的重点在获得有力指标的技术上的困难，而Wichelns则专注于在水足迹理论中当地水资源机会成本概念的缺乏[7]。但尽管这样，关于水足迹的期刊文献还在大量发表，越来越多关于水的使用和缺乏与消费和贸易相联系的研究导致了水足迹评估体系的出现。在过去十多年有关水足迹的研究主要包括四步水足迹评价方法论的发展（建立分析、会计、可持续性评估和反应制定的范围）、灰水足迹指南的发展、在高空间和时间分辨率上的水足迹估计、全球虚拟水贸易网络的进展的探索、农作物水足迹基准的发展、基于蓝水足迹理论的河流流域的蓝水匮乏估计、基于氮和磷相关的灰水足迹对流域水污染水平的评估、水足迹年际变化的研究、水足迹不确定性的评估、遥感技术使用的探索以及未来水足迹理论的发展[8]，涵盖了水在人类活动的不同方面的作用及对其可持续进行性的影响。

还有学者认为水足迹思想来源于1992年加拿大经济学家Wiiliam Rees提出的“生态足迹”理论，用以描述人类对水资源系统的占用和影响[9]。生态足迹与水足迹存在着一定的相似性，都属于足迹家族，都可以用来反映自然资源的耗费对环境的影响。但它们之间存在一些差异：在核算方面，水足迹的核算基于本地生产因子，而生态足迹则基于全球海洋平均生产力因子来计算；从地理定位角度，水足迹不仅计算水资源消费的数量，还要追踪其来源；在关注重点方面，水足迹关注的是人类活动对水量的需求（体积单位），而生态足迹则关注水产品消费对水域面积的占用（面积单位）[10]。

随着水足迹理论的不断发展，其应用范围越来越宽广，学者们已将该理论应用到不同国家或地区以及工业、农业、第三产业等不同产业领域，以对水资源利用状况进行评估。从已有文献来看，关于农业水足迹的研究自2008年以来逐渐增多。如在2010-2017年间，中国学者对湖南省水稻水足迹[11]、华北平原小麦、玉米作物生产水足迹[12]、1978-2010年间中国主要粮食作物的水足迹值[13]等进行了核算与评价，并探索了农业水足迹的驱动机制，如李泽红等以武威洲为研究区探索了该地区农业水足迹变化及其驱动机制[14]。国外学者对农业水足迹的研究更加深入，如Mekonnen和Hoekstra2010年对小麦的绿、蓝、灰水足迹进行了全球和高分辨率的评估[15]，在2012年对农业动物产品的水足迹作了全球评估等[16]；Thapat Silalertruksa等基于水足迹理论研究了水资源利用和水资源缺乏对可持续水稻种植的影响[17]；Nichanan Cheroennet等基于时间步骤计算了农业种植系统的灰水足迹[18]。通过以农业水足迹为研究对象，对其内涵作了简要阐述，重点介绍了农业水足迹的影响因素，并在此基础上对未来农业水足迹发展方向提出了建议，以期促进农业水足迹理论进一步发展，从而缓解全球水资源压力问题。

二、农业水足迹的内涵

农业水足迹基于水足迹理论上发展起来，农业水足迹是专门用于分析农业在生产与消费过程中水资源消耗和影响的物理指标，即将人类活动所有水足迹的核算和评价的范围缩小到农业方面，其含义是指除去工业水足迹、生态水足迹外的水足迹，具体是指一定时期和区域内人们消费的所有农业产品（包括作物和畜禽产品）和服务的虚拟水量之和[19]。基于虚拟水理論，农业水足迹可划分为农业绿水足迹、农业蓝水足迹和农业灰水足迹。农业绿水足迹即农作物生育过程中消耗的有效降水；农业蓝水足迹是指消耗的地表和地下水资源；农业灰水足迹则是指以现有水环境水质标准为基准，消纳产品生产过程中产生的污染物负荷所需要的淡水水量[6]。这一理论的发展不仅明确了农产品整个生命周期内不同阶段用水情况、用水地点等，而且还可以提高水资源综合利用水平，提升农产品质量，逐渐实现水资源配置与农业经济发展的脱钩。

三、农业水足迹的影响因素

农业是一种高耗水的活动，且对自然环境和生产技术的变化十分敏感，收成的潜在减少可能会导致比现在更大的水需求和食品安全下降[20，21]。为此以减少农业用水量和提高农业用水效率为目的，分析与总结了农业水足迹的影响因子，重点介绍粮食作物水足迹、经济作物水足迹、畜牧水足迹的影响因素。

（一）粮食作物水足迹的影响因素

粮食安全问题是人类面临的重大生存危机问题，保障粮食安全现已经成为各国发展战略中的重要一环。而粮食作物的生长发育与水资源充足与否息息相关，因此，研究如何用有限的水资源生产出满足全人类数量的粮食是具有重要意义的。

1.自然环境因素

粮食作物的水足迹在很大程度上与特定环境中的水需求有关，环境的变化会严重影响粮食水足迹水平。分析已有文献知，影响粮食作物水足迹的主要自然环境因素包括降水、光照、气温、风速、CO2浓度等。在研究影响粮食作物水足迹的自然环境因素时，前四种因素往往会结合起来考虑。例如Acock[22]和Mekonnen[23]证实了玉米水足迹随降水量增加而增加，生长季积温与绿水足迹、总水足迹呈显著负相关，与灰水足迹呈显著正相关；降水量与蓝水足迹呈显著负相关，而日照时数与蓝水足迹呈显著的正相关；日照时数主要是通过风速作用对蓝水产生影响，且风速是影响玉米水足迹最强的气候因子，其与绿水、蓝水、灰水和总水足迹的相关性全部达到了显著水平；相对湿度与绿水足迹呈显著的正相关，与灰水足迹呈显著的负相关。对于小麦而言，降水量的变化是影响其水足迹的重要因素。盖力强[24]发现小麦生产用水中绿水的用量占80%左右，这说明降水量是影响小麦水足迹非常重要的因素。韩宇平[25]则计算了人民胜利渠灌区冬小麦的蓝、绿水足迹，结果显示，平均气温、相对湿度、日照时数、水汽压、平均风速以及有效降水都是影响蓝水足迹的主要气候因子；除水汽压与蓝水足迹呈正相关外，其他因子都与蓝水足迹呈负相关，其中水汽压对蓝水足迹具有最大影响，相对湿度和日照时数次之；而这些气候因子中有效降水对冬小麦的绿水足迹的影响最大，它们之间正相关系数为0.96，而其他气候因子的影响都很小，甚至相关系数为0。Behnam[26]等研究伊朗主要谷物水足迹发现，增加绿水水足迹使用或提高绿水的利用效率对遭受蓝水资源不足的农民来说很重要。CO2的浓度对粮食作物的影响也不容忽视，经研究发现对敏感性粮食农作物来说，两倍的CO2量可能会导致30%到100%的光合作用率的增加，这取决于温度和水的可用量[27，28]，同时CO2浓度还可以通过减少蒸腾作用进一步提高水的使用效率[29]。Morrison通过研究发现，C3类农作物（水稻、小麦等）对高CO2的反应是积极的，而C4类农作物（玉米、高粱等）则对CO2浓度的变化不敏感[30]。Bocchiola[31]则以意大利波谷的兰里亚诺为案例区，研究了灌溉水稻的水足迹受未来气候变化影响的情况，结果表明，在本世纪的上半个世纪，CO2浓度的增加可能会导致水稻产量增加（特别是在CCSM4的情况下）；在本世纪末，只有CCSM4在RCP和4.5的情况下才会增加水稻产量和蓝水足迹，而且主要是由于夏季温度的增加而增加。

2.技术因素

灌溉技术和生产技术等是影响农业水足迹的主要技术因素。在灌溉技术方面，LaZHUO[32]重点研究了不同灌溉水平下的冬小麦的水足迹。实践结果表明，与完全灌溉相比，不完全灌溉量每降低50%，蒸腾量下降10.5%，总蒸散量下降9.4%；当从完全灌溉转向不完全灌溉时，水使用效率的变化不大，但滴灌的水使用效率比沟灌和喷灌的平均高1%，而蓝色足迹平均下降了38%，绿色足迹平均增加了19%。而生产技术因素主要包括化肥施用、农药和农业机械使用对粮食水足迹的影响。李红颖[33]等经过研究得出在玉米生产过程中化肥施用量与绿水、蓝水、总水足迹呈显著的负相关，化肥施用量与灰水足迹呈显著的正相关；Rodriguez[34]等则对阿根廷布宜诺斯艾利斯省马铃薯水足迹进行了分析，其中灰水足迹所占比例最高，提出了提高水肥利用效率、强化对农民的技术支持、对地下水使用进行政策调控等建议。通过研究人民胜利渠灌区冬小麦的蓝、绿水足迹，发现蓝水足迹与农业机械总动力、农药使用实物量呈正相关，与农用化肥施用折纯量和农用柴油使用量呈负相关，这些技术因素对绿水足迹的影响同样显著，但与之相关性与蓝水足迹相反[26]。

（二）经济作物水足迹的影响因素

经济作物又称“技术作物”或工业原料作物，是一个国家轻工业发展的重要原料，同时也是人民生活的重要依靠。根据研究数据，发现经济作物产值和产量在农业大国中国一直呈现向上攀升的趋势，这标志着农业种植结构的不断优化和农民生活水平的稳步提高[35]。然而，国内外目前针对经济作物水足迹的文献相对较少，纵观已有文献，经济作物水足迹影响因素大致可以分为两大类。

1.自然环境因素

影响经济作物水足迹的自然环境因素与粮食作物的略有不同，主要是降水量、播种日期、土壤以及其他气象变量。例如R.González Perea[36]发现甜菜的水足迹受不同季节降水量、播种日期、土壤等的影响，且其有效绿水足迹会因雨水的空间分布差异而发生巨大变化；Samantha A.Munro[37]等考察了南非柑橘类水果的水足迹，了解到在不同气候的年份里，脐橙、柠檬和软柑橘的绿和蓝水足迹的组合会受到很大程度的影响，在旱年里，蓝水足迹平均增加了10%，在雨水充足的年份里则平均减少了30%；在哥伦比亚的东北部，可可豆的平均水足迹是18876m3/ton，而从全球范围来说可可豆的平均水足迹是19745m3/ha，造成区别的主要原因是气象变量：湿度、风速，同时还有树荫面积的差别。因此增大可可树的种植密度能有效提高资源特别是水资源的利用效率[38]。

2.种植技术因素

通过对水足迹文献的分析与总结，发现在探究经济作物水足迹在种植技术方面的影响因素时，学者们主要研究了品种选取、灌溉技术、种植密度等因素的影响。在品种选取方面，KyounghoonCha[1]等对韩国的白萝卜生产水足迹进行了研究，高山地区种植的白萝卜的水足迹比用设备技术生产的白萝卜的水足迹高，而秋季白萝卜的水足迹比用设备技术生产的白萝卜的水足迹低，建议其他栽培品种向秋季白萝卜转变有利于节水种植。考虑灌溉技术对经济作物水足迹影响的研究较多。例如甜菜在灌溉过程中用轴心灌溉系统比混合灌溉系统能更好地利用水，但没有固定式灌溉系统好[36]；与地面灌溉相比，利用滴灌系统使叙利亚的一个橄榄树林中水使用效率从1.3kg/m3提升到2.36kg/m3[39]；Eduardo Augusto Agnellos Barbosa[40]等核算了巴西东南部甘蔗的水足迹，证实将处理过的家庭污水用于地下滴灌有利于减少水足迹和增加甘蔗等生物能源作物的产量，这符合当前清洁生产系统的理念；在温室模拟条件下探究紫花苜蓿适宜的灌水频率，结果表明，较高的灌水频率（4天）利于0-40cm土层有适宜的含水量，较低的灌水频率（6天、10天、15天）有利于40-100cm土层含水量的提高；随着灌水频率的增加，苜蓿产量和水分利用效率先增加后降低[41]。在种植密度影响因素方面，通过将希腊地区橄榄树的三种种植密度（超高密度1670trees/ha，高密度1000trees/ha，中等密度500trees/ha）对比，得出超高密度的橄榄树种植水使用效率最高[39]。

（三）畜牧水足迹的影响因素

近年来，关于畜牧生产和产品的水足迹可持续评价在爱尔兰、澳大利亚、中国等国家受到了一些关注[42]。人们越来越认识到畜牧生产与用水之间的紧张关系，为更好地认识到特定地区的淡水需求，并改善个体养殖场的绩效，需要进行水消费研究，了解详细的畜牧用水情况[43]。根据分析已有的关于畜牧水足迹的文献，从以下两个方面对畜牧水足迹的主要影响因素进行概括。

1.养殖品种因素

Xue Bai[44]等使用水足迹网络方法对河南省生猪养殖公司的水足迹进行研究，发现在产品水足迹中，猪养殖阶段的水足迹比其他生产阶段的水足迹大很多，且断奶猪的生产水足迹明显高于肥育猪；产品中90%的間接水足迹都来自于作为饲料生产的作物的生长阶段。

2.养殖技术因素

养殖技术包括饲料的选取、放牧方式等。从饲料选取方面来说，饲料种类包括精粮和粗粮，喂食精粮的畜牧具有更高的水足迹，例如Julio Cesar[45]等利用自上而下的水足迹核算方法对巴西饲养场中牛饲料的水足迹进行了研究，发现在饮食中有大量精粮的饲养场具有较高的水足迹，且粗粮的比例和粗粮的类型是影响足迹价值的重要因素，建议牛的喂养应最大化使用粗粮，这可以减少淡水压力。此外，各种动物在不同生产系统和不同国家具有不同的水足迹，这是生产系统的类型与动物产品水足迹的大小、组成和地理分布密切相关，因为它决定了饲料转换效率、饲料成分和饲料来源。如Mekonnen和Hoekstra[46]发现除了乳制品外，对于所有农场动物产品，工业生产系统低于放牧系统的畜牧水足迹；但由于工业系统中浓缩饲料在总饲料中比重更大，这促使蓝水和灰水足迹却是工业生产系统的高于放牧系统的，但鸡肉产品例外；Enoch[44]等评估了南非乳制品的水足迹和经济水生产力，得出南非乳制品的绿水足迹比全球平均水平高，这归因于依靠降雨和饲料作物生产来喂养牲畜的单一放牧系统导致的低产奶量，提出乳制品的生产商应考虑投资于减少用水量和增加乳制品产量的技术的建议。同时，不同季节的放养率的不同也会导致水足迹的差别，如美国南部大平原牛的水足迹与它食用的草密切相关，同样数量的水，低放养率下的植物的产量将高于中、高的放羊率。然而在冬季牧场高放养率的牲畜用的水比低和中等的放养率低，这是因为高放养率的情况会收到更多的肥料和更多的放牧牛所产生的高粪肥[47]。

四、结论与展望

随着全球水资源短缺越来越受到关注，农业水足迹理论在水资源管理方面的研究得到了非常大的拓展。通过重点考察农业水足迹影响因素，发现粮食作物和经济作物的绿水足迹随降水量的增加而增加，蓝水足迹则相反，且气象因素的变化都会影响其水足迹；在技术因素方面，灌溉技术是影响粮食和经济作物水足迹的主要因素之一。对于畜牧业来说，畜牧水足迹则对品种、饲料、放牧方式敏感。未来农业水足迹的研究可以从以下几个方面展开。其一，农业水足迹的概念还没有形成定论，其外延和内涵仍需进一步完善。其二，其理论的应用主要集中在对粮食作物水足迹的测算，关于经济作物、畜牧作物的研究缺乏，林業和渔业的水足迹无论是测算还是影响因素的研究仍是凤毛麟角。拓展农业水足迹测算有利于农业水资源的利用和管理。其三，扩大农业水足迹的应用范围，例如可以将其与膳食结构、经济增长理论、时空差异模型挂钩，以促进其理论与实践的密切结合。其四，进一步探索农业水足迹的影响因素，为节约水资源和提高农业质量寻找新的路径。

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[責任编辑：史朴]