2001-2015年平塘县喀斯特峰丛洼地主要农产品水足迹的变化

易武英， 苏维词， 贾真真， 李 威， 刑 丹

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

水是重要的自然资源和战略性社会经济资源[1-2]。中国是世界上13个最缺水的国家之一[3-4]，水资源时空分布不均，资源性缺水(西北地区)、工程性缺水(西南喀斯特地区)和水质性缺水(东部沿海地区)形势严峻，随着社会经济发展与人口的增长，人水矛盾日益突出[5]。水足迹概念起源于虚拟水研究(虚拟水又称嵌入水或外生水，以隐性形式虚拟物化于产品生产过程中)，该概念于20世纪90年代被正式提出，其定义为生产产品或服务所消耗水资源量。水足迹是新的水资源观，是目前国内外广泛认可的水资源定量核算评估工具[6]，其以虚拟水为量化媒介，涵盖直接、间接、显性和隐性的水资源量化，蓝水足迹、绿水足迹和灰水足迹是水足迹概念的进一步拓展与延伸，水足迹概念提出前，更多关注产品本身的所含水量，而对产品生产过程消耗的水量关注较少。水足迹研究空间尺度多为国家、区域、流域、省区和市[7]，对乡镇尺度的研究较少，而对小尺度水足迹的研究更有利于提高其准确性。目前，水足迹研究领域不断拓展，被逐步应用到旅游、纺织、造纸、采矿、炼钢、水电、化工和建材等行业[8-12]，以揭示不同领域水资源利用状况。从研究对象看，主要集中于农产品/畜产品及其衍生产品、林产品及非木质林产品等水足迹评价研究。干旱、半干旱区的水足迹研究受到的关注较多，喀斯特地区的水足迹研究受到的关注相对较少，鲜见有关喀斯特峰丛洼地水足迹研究的文献报道。水是农业生产的关键影响因素，农业是国家根基所在，也是用水大户(农业用水占水资源消耗总量60%以上)，随着产业结构升级，农业用水问题日益突出，科学客观量化农业水资源消耗量是水资源管理的客观要求。

喀斯特地区由于特殊的地表地下二元结构特征，溶蚀孔(裂)隙、管道、漏斗、岩洞、次生孔(隙)等广泛发育，地表地下孔(裂)连通性较好，地表水向地下水转化速度极快，导致地表水资源调蓄能力极弱(土少水漏，水土资源时空匹配状况不佳，植物受水分胁迫频繁)，虽降水资源丰富，岩溶干旱问题突出，地表可用于人类生产生活的水量极其匮乏，已水成为当地社会经济发展与生态修复中极其关键的限制因子[13]。为缓解喀斯特地区水资源压力，开展农业生产水资源消耗及其潜在环境影响相关研究具有重要意义。为此，在基于乡镇尺度下，研究平塘县各乡镇农业水足迹时空差异性，识别农业水资源利用中存在关键问题，提出其水资源管理措施及农业产业结构调控对策，以期为喀斯特峰丛洼地水资源的开发利用与管理提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

平塘县位于黔南州(东径106°40′～107°27′，北纬25°30′～26°07′)，地处云贵高原东南坡向广西丘陵过渡地带，西北高东南低，海拔落差大，是典型的“山高坡陡、土薄易旱、田高水低”的喀斯特地貌，生态极其脆弱，人地关系紧张；属于亚热带湿润季风气候，年均降水量约1 259 mm，降水时空分配不均，生产生活生态用水短缺。境内喀斯特峰丛洼地广泛发育，土壤类型多为黄壤，质地为砂壤，耕作条件差，主要农作物有水稻、玉米、土豆、红薯、水果、蔬菜和烤烟等，畜牧业以生猪为主，包括牛、马、禽类及鱼类等。由于历史及自然原因，平塘县社会经济发展相对滞后，全县辖19个乡(镇)，2015年总人口32.95万人，农业人口占总人口77.62%。

1.2 数据来源

选择平塘县种植业中19种植物类(谷物类、豆类、薯类、花生、油菜籽、烟叶、蔬菜瓜果、芭蕉芋、油桐、油茶、棕片、核桃、板栗、花椒、小杂竹、木材、竹材、茶叶和水果)农产品和畜牧业中7种动物类(猪肉、牛肉、羊肉、马肉、禽肉、禽蛋和鱼类)农产品进行农业水足迹估算。其中，植物类农产品涵盖播种面积大于10%的主要的作物，且包含了平塘县居民消费的农产品种类。

气候数据：采用联合国粮农组织的CLIMWAT数据中有关平塘的气候数据；作物播种期和收获期数据：由实际调查资料整理所得；作物播种面积与产量数据：来自2000-2016年《平塘县统计年鉴》；降水、部分水资源数据：来源于 2000-2016年《黔南州水资源公报》；土壤数据：来自FAO全球数据库中对应当地土壤类型的土壤信息。

1.3 研究方法

利用联合国粮农组织FAO开发的CropWat计算平塘县种植业中19种主要植物类主要产品绿水、蓝水和灰水，采用CHAPAGAIN等[14]的研究成果估算畜牧业中不同畜产品的虚拟水含量，在此基础上，分析平塘县不同乡镇人均水足迹、水足迹强度及水资源匮乏度等。

1.3.1 农产品生产用水量

1) 单位面积作物生长需水量。作物生长所需水量采用联合国粮农组织FAO开发的CropWat软件计算，其计算公式如下：

CWR=ETc×10000/1000

(1)

式中，CWR为单位面积作物需水量(m3)，ETc为利用CropWat获得的作物生长期内总蒸散发量(mm)。

2) 农作物生长的蓝水量与绿水量。利用联合国粮农组织所推荐的气候资料库CLIMWAT和农作物需水量软件CropWat，计算出平塘县主要农作物的虚拟水含量。农作物生长所需绿水量可通过有效降雨量和农作物产量的比值计算，农作物生长所需的蓝水量也可通过灌溉用水量和作物产量的比值估算，农作物生产用水量为绿水、蓝水及灰水之和。

IR=CWR-ER

(2)

当ER≥CWR时，IR=0，农作物所需的蓝水量为0，单位质量农作物绿水量为：

VWg=CWR/Y

(3)

当ER

VWb=IR/Y=(CWR-ER)/Y

(4)

单位质量农作物绿水量为：

VWg=ER/Y

(5)

VWprod=VWg+VWb

(6)

式中，IR为单位面积灌溉用水量(m3/hm2)，CWR为单位面积农作物需水量(m3/hm2)，ER为有效降雨量(m3/hm2)，VWprod为单位质量农作物的生产用水量(m3/hm2)，VWg为单位质量农作物绿水量(m3/hm2)，VWb为单位质量农作物蓝水量(m3/hm2)，Y为农作物单位面积产量(kg/hm2)。

3) 灰水足迹计算。农业生产过程投入化肥(主要成分为氮、磷、钾)，磷离子、钾离子能与土壤中其他矿物质反应生成不易溶解化合物或者被土壤中的胶体离子吸收而不易对环境造成污染[14]，由于数据局限性，以稀释氮元素的耗水量为代表评价种植业的灰水足迹。根据灰水足迹最新研究成果，假定化肥中总氮施用量的10%会作为污染物进入到地下水或者地表水，则灰水足迹(稀释每吨氮离子所需要的水量)计算公式如下：

WFgrey=Ntot/(ρmax-ρ0)

(7)

式中，WFgrey为某一个地区水足迹(m3)，ρmax为氮离子标准浓度限值，Ntot指作物生产过程施用肥料中氮元素的总质量，用于计算灰水量。根据EPA标准，氮离子标准浓度限值假定为10 mg/L；ρ0为氮离子原始浓度值，假定其为0。

1.3.2 畜产品生产用水量 关于畜产品虚拟水含量采用CHAPAGAIN等[14]的研究成果计算出平塘县主要畜产品的虚拟水含量。

1.3.3 人均水足迹 人均水足迹对照文献[15-16]的方法进行，计算公式如下：

WP=Ntot/TP

(8)

式中，TP为地区人口总数。

1.3.4 水足迹强度 水足迹强度表征人类对水资源的利用效率水平[17]，其计算公式如下：

WFI=WF/GDP

(9)

式中，WFI为水足迹强度，GDP为某地区国内生产总值，WF为某地区水足迹。

1.3.5 水资源匮乏度 水资源匮乏度计算参照文献[17]的方法进行，公式如下：

Ws=WTot/WA

(10)

式中，WS为水资源匮乏度，WTot为地区水足迹，WA为当地可用水资源量。

2 结果与分析

2.1 主要农畜产品的虚拟水含量及主要农产品水足迹的空间分布

平塘县19种植物类农产品的用水量主要由单位质量农作物绿水量和单位质量农作物蓝水量构成。其中，单位质量农作物绿水量为0.04～11.31 m3/kg，以茶叶最高，为11.31 m3/kg；棕片其次，为1.81 m3/kg；竹材最低，为0.04 m3/kg。单位质量农作物蓝水量为0.04～10.93 m3/kg，茶叶最高，为10.93 m3/kg；棕片其次，为1.68 m3/kg；竹材最低，为0.04 m3/kg(表1)。除茶叶和棕片非作物类外，平塘县主要农作物单位质量农作物的生产用水量为烟叶>花生>油菜>薯类>豆类>谷类，主要农产品均以绿水为主，与中国主要地区单位质量农产品虚拟水含量对比[15]，同种农作物虚拟水含量略高于非喀斯特地区。平塘县畜牧业中猪肉、牛肉、羊肉、马肉、禽肉、禽蛋和鱼类等7种动物类畜产品的虚拟水含量分别为3.946 m3/kg、12.560 m3/kg、5.202 m3/kg、2.550 m3/kg m3/kg、3.652 m3/kg、3.550 m3/kg和5.000 m3/kg。

从图1看出，2001-2015年平塘县北部农业水足迹相对较小，而中部及南部地区水足迹相对较高，各年份不同区域的水足迹分布存在差异。其中，2001年的塘边镇、2003年的塘边镇和通州镇、2005年、2007年、2009年、2011年、2013年和2015年的通州镇的农业水足迹均为0.80亿～1.00亿m3。

表1 平塘县主要农作物的虚拟水含量

图1平塘县主要农产品水足迹的空间分布

Fig.1 Spatial distribution of water footprint of main agricultural products in Pingtang County

2.2 2001-2015年主要农作物、农产品和畜产品的生产用水量

从表2看出，2001-2015年19个乡镇主要农作物生产用水量、主要农产品生产用水量和主要畜产品生产用水量的变化趋势。1) 主要农作物生产用水量。主要农作物生产用水量呈上升趋势，主要由于种植结构调整、单位耕地面积农产品产出量增长所致。通州镇主要农作物生产平均用水量最高，为1.16亿m3；塘边镇其次，为0.63亿m3；掌布乡最低，为0.17亿m3。经均方差计算，2001-2015年通州镇主要农作物生产用水量均方差系数最高，为102.62%，塘边镇其次，为20.05%，甘寨乡最小，为3.44%。2) 主要农产品生产用水量。主要农产品生产用水量呈上升趋势，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)所导致的。通州镇主要农产品生产平均用水量最大，为1.21亿m3；塘边镇其次，为0.67亿m3；掌布乡最小，为0.18亿m3。19个乡镇主要农产品生产用水量均方差系数变幅为3.26%～102.22%，通州镇均方差系数最大，为102.22%；塘边镇其次，为20.37%；甘寨乡最小，为3.26%。3) 主要畜产品生产用水量。平塘县主要畜产品生产用水量变化趋势不明显，由于畜牧养殖业规模变化不稳定所导致。19个乡镇主要畜产品生产用水量变幅为0.01～0.07，各乡镇主要畜产品生产用水量差异主要是不同乡镇养殖结构与养殖规模所导致。19个乡镇主要畜产品生产用水量均方差系数较小，均小于或等于1%。

表2 2001-2015年平塘县主要农作物、农产品和畜产品的生产用水量

续表2

乡镇Townships2001年2002年2003年2004年2005年2006年2007年2008年2009年2010年2011年2012年2013年2014年2015年平均 卡罗乡 Kaluo0.21 0.19 0.20 0.22 0.20 0.27 0.22 0.22 0.27 0.28 0.25 0.28 0.29 0.29 0.30 0.25 谷硐乡 Gudong0.12 0.14 0.14 0.15 0.15 0.20 0.16 0.17 0.23 0.24 0.23 0.24 0.25 0.26 0.28 0.20 西凉乡 Xiliang0.14 0.19 0.21 0.27 0.28 0.33 0.29 0.28 0.25 0.26 0.23 0.25 0.75 0.44 0.46 0.31 鼠场乡 Shuchang0.39 0.39 0.55 0.58 0.55 0.59 0.58 0.58 0.64 0.66 0.65 0.70 0.23 0.60 0.61 0.55 新塘乡 Xintang0.13 0.13 0.13 0.16 0.17 0.22 0.19 0.19 0.22 0.22 0.20 0.22 0.23 0.25 0.26 0.19 掌布乡 Zhangbu0.07 0.07 0.08 0.12 0.17 0.28 0.19 0.19 0.21 0.21 0.18 0.19 0.19 0.24 0.25 0.18 全县 Whole county6.02 10.36 6.12 6.72 6.52 7.58 6.84 6.73 8.08 8.30 8.07 8.51 8.86 8.47 8.60 7.72畜产品生产用水量 平湖镇 Pinghu0.020.030.030.030.040.040.040.020.030.030.030.030.030.030.030.03 牙舟镇 Yazhou0.030.030.030.030.050.040.040.020.020.030.030.030.030.030.030.03 通州镇 Tongzhou0.030.030.040.040.050.050.070.040.040.050.050.050.050.050.060.05 克度镇 Kedu0.020.020.020.020.040.030.030.020.020.020.020.020.020.020.020.02 塘边镇 Tangbian0.060.050.060.060.040.050.050.030.030.030.030.040.040.030.030.04 大塘镇 Datang0.020.010.020.020.030.030.030.020.020.020.020.020.030.030.030.02 摆茹镇 Bairu0.010.020.020.020.030.030.020.010.010.010.010.020.020.010.010.02 者密镇 Zhemi0.020.020.020.020.020.030.040.020.020.030.030.030.030.030.030.03 四寨镇 Sizhai0.010.010.010.010.020.020.020.010.010.010.010.010.010.020.020.01 苗二河乡 Miaoerhe0.010.010.010.010.020.020.020.010.010.010.010.010.010.010.010.01 卡蒲乡 Kapu0.020.020.020.020.020.020.020.010.020.020.020.020.020.020.020.02 白龙乡 Bailong0.010.010.010.010.010.020.030.020.020.020.020.020.020.020.020.02 甘寨乡 Ganzhai0.010.010.010.010.010.020.010.010.010.010.010.010.010.010.010.01 卡罗乡 Kaluo0.010.010.010.020.010.020.020.010.010.010.010.010.010.010.010.01 谷硐乡 Gudong0.010.010.010.010.020.020.020.010.010.010.010.010.020.020.020.01 西凉乡 Xiliang0.010.010.010.020.020.020.020.010.010.010.010.010.010.010.010.01 鼠场乡 Shuchang0.020.020.020.020.020.030.030.020.020.020.020.020.020.020.020.02 新塘乡 Xintang0.010.010.010.010.010.020.020.010.010.010.010.010.010.010.010.01 掌布乡 Zhangbu0.010.010.010.010.020.010.020.010.010.010.010.010.010.010.010.01 全县 Whole county0.340.330.360.410.470.490.530.320.350.360.370.400.430.410.410.40

2.3 平塘县人均主要农产品的水足迹

从表3可知，2001-2015年平塘县各乡镇人均主要农产品水足迹的变幅为860～4 923 m3，平均为1 242～3 863 m3。其中，平湖镇、摆茹镇、卡蒲乡、卡罗乡、白龙乡、谷硐乡、新塘乡和掌布乡总体呈上升趋势，牙舟镇、通州镇、克度镇、塘边镇、大塘镇、者密镇、四寨镇、苗二河乡、甘寨乡、西凉乡和鼠场乡变化趋势不明显。同一乡镇不同年份人均农业水足迹的差异主要是气候条件不同所致，相同年份不同乡镇人均农业水足差异较大主要原因是作物类型、播种面积和耕作管理方式等不同所致。

表3 2001-2015年平塘县各乡镇人均主要农产品的水足迹

2.4 水足迹的强度

水足迹强度是反映水资源利用效率的指标之一，其是根据水足迹总量除以国内生产总值(GDP)获得。水足迹强度越大，就表明单位GDP所消耗的水足迹数量越多。从表4可知，2001-2015年平塘县19个乡镇水足迹强度变幅为2 472～23 438 m3/万元，平均为3 329～14 244 m3/万元。摆茹镇、通州镇和鼠场乡水足迹强度相对较大，均超过10 000 m3/万元，分别为11 403 m3/万元、12 997 m3/万元和14 244 m3/万元。谷硐乡、四寨镇和新塘乡其次，分别为9 200 m3/万元、9 399 m3/万元和9 524 m3/万元；平湖镇最小，为3 329 m3/万元。与已有研究相比，平塘县各乡镇水足迹强度较高，水资源利用效率较低，主要原因是该地区属于典型喀斯特峰丛洼地，其地表调蓄功能弱，蓝水、绿水和灰水水足迹大，土被不连续、土层较薄，植被受干旱胁迫频繁，作物单产低，且经济效益不佳等原因所致。

表4 2001-2015年平塘县各乡镇水足迹的强度

2.5 水资源的匮乏度

从表5可知，19个乡镇水水资源匮平均乏度变幅为0.26%～0.79%。其中，平湖镇最高，为0.79%；苗二河乡、摆茹镇、通州镇、甘鼠场乡、塘边镇、寨乡和克度镇相对较高，分别为0.73%、0.69%、0.65%、0.63%、0.63%、0.56%和0.54%；大塘镇和谷硐乡最小，均为0.26%。说明水资源利用方式粗放，可持续性较低。

表5 2001-2015年平塘县各乡镇水资源的匮乏度

3 结论与讨论

3.1 结论

喀斯特峰丛洼地主要农产品均以绿水为主，与目前已有研究相比，喀斯特农产品虚拟水含量略高于非喀斯特地区，喀斯特地区农产品水足迹较高，主要是因为喀斯特地区土薄坡陡、地表孔隙(裂)广泛发育，土壤水分调蓄功能极弱，农作物受土壤水分胁迫强度大且频繁，单产低。

2001-2015年平塘县19个乡镇主要农作物生产用水量呈上升趋势，主要是由于种植结构调整、单位耕地面积农产品产出量增大所致，畜产品生产用水量变化趋势不明显，主要由于畜牧养殖业规模波动变化所致；2001-2015年平塘县各乡镇人均农业水足迹较高，不同乡镇水足迹变化趋势不明显，同一乡镇不同年份人均农业水足迹差异主要是由于气候条件变化所致，相同年份不同乡镇人均农业水足差异较大，主要是由作物类型、播种面积和耕作管理方式等不同所致。

2001-2015年平塘县各乡镇水足迹强度较高，水资源利用效率较低，主要由于主要农产品水足迹大，产量低且品质不佳等导致农业生产效益不高；19个乡镇水水资源匮平均乏度变幅为0.26%～0.79%。其中，平湖镇最高，为0.79%；大塘镇和谷硐乡最小，均为0.26%。说明水资源利用方式粗放，可持续性较低。

3.2 讨论

传统上通过喀斯特地区农业集水工程建设，解决喀斯特地区水资源短缺问题，水足迹概念突破了喀斯特地区传统调水、集水和蓄水解决水资源短缺的思维定式。由于贸易的数据较难收集，未核算二三产业水足迹，但平塘县是国家级贫困农业县，大部分地区延续传统自给自足生活方式，农业用水方式粗放，水资源利用效率低。建议措施:1) 喀斯特地区土层薄，地表容污自净能力弱，地表-地下裂隙广泛发育，不合理农药化肥施用极易造成地下水污染，因此，该地区农业生产过程中须谨慎使用农药化肥。2) 平塘县单位质量农产品水足迹普遍高于全国其他地区。因此，平塘县应利用有限水资源发展土、优、特农产品，提高水资源利用率，提高经济产出效果，优化农业生产模式，调整产业结构，控制水资源密集型农产品生产规模。3) 喀斯特地区存在重工程建设，轻用水过程的管理问题，喀斯特地表崎岖缺水，工程建设条件差且成本高，投入使用年限短。因此，应加强用水管理。4) 灰水足迹核算，限于数据制约，只考虑氮肥施用量，未考虑农药、杀虫剂和除草剂，只是一个保守的估算，一定程度上影响计算结果的精度。农业产业结构优化调整，只停留于农业水足迹定量研究的定性指导，未考虑复杂微地貌(坡向、坡位和坡角部位地貌等)空间布局优化调控，下一步对其进行深入研究。