湖南省水稻生产水足迹及其影响因素研究

崔克蓉，向平安

1.湖南农业大学生物科学技术学院，长沙 410128

2.湖南生物机电职业技术学院，长沙 410127

3.湖南农业大学洞庭湖区农村生态系统健康湖南省重点实验室，长沙 410128

4.湖南农业大学商学院，长沙 410128

0 前言

水稻是中国最主要的粮食作物之一，2016年全国稻谷产量为 2.07×108t，占粮食作物的 33.6%。Hoekstra等[1]研究发现平均每生产 1 t水稻需耗水1325 m3，耗水量巨大。水稻作为用水大户，对水资源的依赖程度较高[2]。然而伴随着人口和经济快速增长，水资源的消耗及污染持续加剧，水资源供求矛盾日渐尖锐[3]。水资源匮乏已成为制约稻作农业可持续经营的重要因素，对中国的粮食安全构成了威胁[4]。为了实现稻作农业的可持续性经营，科学家们正在探索水稻生产活动的水资源管理的优化方案[5]。客观反映水资源占用情况是制定水资源管理优化方案的先决条件[6]。一般而言，人们衡量生产活动用水情况只关注直接用水量，很少考虑间接用水，例如稀释污染的耗水量[7]。这种核算理念不能全面反映生产活动占用水资源状况，不利于制定水资源管理战略和措施。Heostra[8]于2002年提出一种新的水资源占用评价指标—水足迹，这一指标包括生产或消费活动的直接用水与间接用水，是一种反映水资源占用的综合评价指标。

水足迹概念出现后，立即引起了学者们的广泛关注，并开展了大量的研究。例如在空间尺度上，Heostra和 Mekonnen[9]测算了全球人类水足迹，Ge等[10]评估了中国水足迹，Ericin等[11]评价了法国水足迹，Bosire等[12]估算了肯尼亚的肉类和牛奶的水足迹，徐鹏程等[13]对江苏主要农作物生产水足迹进行核算，秦丽杰等[14]运用水足迹理论分析了吉林省玉米生产水资源利用情况。也有针对水稻生产活动的水足迹研究，例如 CHapagain 与 Hoekstra[1]，Marano与Filippi[15]分别对全球和阿根廷的水稻生产水足迹进行了核算，国内有何浩[16]和李红颖等[17]分别评价了湖南、吉林的水稻生产水足迹。但这些水稻生产水足迹研究多从田间尺度以作物全生育期内的需水量作为水足迹，没有考虑灌溉过程的输配水及田间灌水损失，不能全面反映区域的农业水资源利用情况，且在灰水足迹的计算上，关键污染物的选取以其排放量的大小决定，结果不够准确[18]。本文以中国最大的水稻生产区域—湖南水稻生产活动作为研究对象，核算全省 2002年以来的水足迹，研究其变化特征及影响因素，为水稻生产的水足迹调控提供科学依据。

1 数据及方法

1.1 水足迹计算方法

水足迹指的是一个国家、一个地区或一个人，在一定时间内消耗的所有产品和服务所需的水资源数量，也可以表示生产或提供一种产品和服务所消耗的淡水资源量，它涵盖蓝水、绿水和灰水，可以真实的反映对水资源的需求及所需水资源的来源。作物生产水足迹是指某个区域生产作物单位产量所消耗的水资源数量[8]，包括蓝水、绿水和灰水足迹[8]:

1.1.1 绿水足迹

水稻绿水足迹为生产单位产量稻谷所消耗的雨水[2]:

式(2)中，ETc为水稻生育期蒸散量(m3·hm-2)；Peff为水稻生育期有效降雨量(m3·hm-2)；Y为水稻单产(t·hm-2)。

式(3)中，Kc为作物参考系数；ETo为参考作物蒸散量，采用CROPWAT模型计算得到。

有效降雨为作物提供潜在可利用水分，采用CROPWAT模型内嵌的美国农业部土壤保持局(USDA SCS)提出的计算公式进行量化[8]，以旬为计算步长，表达式为:

式(4)中:Peffi为水稻生育期内第 i旬有效降水量(mm)；Pi为水稻生育期内旬降水量(mm)；k为水稻生育期总旬数；10为将水深(mm)转换单位陆地面积的水量(m3·hm-2)的转换系数系数。

1.1.2 蓝水足迹

水稻蓝水足迹为生产单位产量稻谷所消耗的地表水或地下水，由于灌溉过程分为渠道输水、田间灌水、作物利用三个阶段，因此为了反映衡量区域总体蓝水资源的利用，将灌溉过程的输配水损失及田间灌水损失纳入进来，其计算式为[19]:

由于单一作物灌溉数据缺乏，故使用区域灌溉用水总量，结合水稻灌溉定额及播种面积推求该作物灌溉用水量占区域灌溉用水总量的比例，得到该作物的灌溉水使用量的方式推求，计算过程如下[19]:

1.1.3 灰水足迹

作物灰水足迹是指稀释作物生产活动中生产单位质量产品产生的污水达到一定标准水质所需要的水量[8]:

作物生产排放到水体中的污染物主要是化肥、农药和农膜等农用化学品。在湖南，化肥的使用量远大于其他化学品，主要包括氮肥、磷肥、钾肥与复合肥。考虑钾素部分被土壤吸附，部分存在于次生矿物层中，水溶性钾比例小[20-21]且钾肥使用量小于氮肥和磷肥，因此本文主要考虑施用氮肥和磷肥产生的灰水足迹。复合肥中氮磷钾的比例参照中国农业科学院土壤肥料研究所主编的《中国肥料》[22]提出的配比确定。由于同一水体可同时稀释不同的污染物，因此灰水足迹值为稀释关键污染物所需的淡水量[2]:

1.2 因子贡献率

贡献率通常用自变量的变化与因变量的变化之比表征，能够定量的表示相关因子对因变量的影响程度[23-24]。因此本文也借鉴该方法分析不同影响因子对水足迹的影响。水稻生产过程水资源消耗主要与区域气候条件、灌溉设施和技术水平有关，作物耗水量可用下式表示[25]:

式(10)中ci为影响作物单位面积耗水量的气象因子，为影响灌溉的生产资料投入因子，如有效灌溉面积、灌溉水利用系数等。

气象因子和生产投入对水稻单产的影响，可用以下函数关系表示[25]:

式(11)中，ci为影响作物单位面积产量的气象因子，为影响作物单位面积产量的生产资料投入因子。根据水足迹核算方法，水稻生产水足迹是由作物生产耗水量与单位面积产量共同决定，因此水足迹满足以下方程[25]:

本文的水足迹包含水稻耗水和污染稀释量，但整体上满足水足迹核算的形式，另外，灰水足迹来源为化肥，而化肥同时也是生产资料投入因子，借鉴此方程进行贡献率的核算。

由于该方程非线性，因此对此方程两边取对数进行线性化，然后进行多元线性回归分析得到回归方程[25]:

式(13)中，ai，bi，mi为回归系数，也为各因子对水足迹的影响系数，e为回归方程常数项。

气候是影响粮食生产的重要自然因素，由于气候异常所造成的水旱等自然灾害对作物的生长及产量有着巨大的影响。湖南省主要灾害为旱灾，且主要发生在水稻生育期[26]。灾害发生会带来气象因子的变化影响作物的需水量，例如旱灾发生时，会使湿度降低，湿度变小会导致大气蒸发力增加，作物需水要求增加[27]。作物需水量的变化直接对水足迹产生影响。在考虑旱灾的影响程度时采用成灾面积占受灾面积的比例，即成灾率加以分析[28]。

降雨是绿水的来源，转化为土壤有效水并被作物利用的部分构成了作物绿水足迹，因此降雨量的大小影响绿水足迹，从而影响水足迹。

随着农业科技的迅猛发展，粮食生产技术水平成为影响粮食生产的重要因素[29]。农业技术变化来源广泛，包括农业技术装备改善、劳动生产率提高、土地生产率提高、资源经济效益改善等。有研究表明，农业机械化水平、灌溉技术、化肥投入是影响粮食单产的主要因素[30-31]。灌溉技术的水平影响水稻灌溉用水的投入，决定着蓝水资源的利用效率。化肥是灰水足迹的来源，因此灌溉技术与化肥投入也同时影响着水稻生产的用水情况。

因此在参考已有文献资料的基础上，选取对灰水足迹影响较大的降雨量、化肥投入、农机总动力、有效灌溉面积、成灾率作为影响因子。构建水足迹与各影响因子的多自变量非线性模型:

式(14)中，R表示降雨量，mm；D表示成灾率，%；F表示化肥投入，t；M表示农机动力，千瓦时；EI表示有效灌溉面积，hm2。

根据弹性系数的定义，一定时期内相互联系的两个指标变化速度的比率即为弹性系数，因此回归系数即为弹性系数，各因子的变化对水足迹变化的贡献率按下式计算[23]:

式(15)中，γi为各因子的贡献率，∂i为因子的回归系数，Δxi为各因子的年均变率，Δy为水足迹的年均变率。影响因子年均变化率利用公式α=(X为各对应变量)计算得到。

1.3 数据来源

气象数据来自于国家气象科学数据共享服务平台(http://data.cma.cn/)，选取湖南14个城市主要城市的气象站点数据代表全省的气候。作物的播种面积、产量、农机总动力、有效灌溉面积等数据来源于2002—2015年《中国统计年鉴》湖南省数据。作物生育期资料来源于农业部种植司编制的相关资料并结合湖南省实地调查及文献的查阅，不同年份采用同一值。作物灌溉定额来源于湖南省用水定额(DB43 T388-2008)，灌溉水量来源于 2002—2015年《湖南省水资源公报》。化肥施用量来自于2002—2015年《全国农产品成本收益汇编》。水体中污染物浓度标准采用《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅲ类水质标准，氮肥污染物采用硝态氮的浓度标准10mg·L-1，磷肥污染物采用磷素浓度标准 0.2 mg·L-1，自然本底浓度设为 0。各污染物的淋溶率参考李高明[32]研究中的稻田淋溶率。

2 结果与分析

2.1 水稻生产水足迹动态变化及构成分析

2.1.1 水足迹动态变化

在研究时段，湖南省水稻生产水足迹由2002年的 4773.73 m3·t-1减少到 2015 年的 3645.6 m3·t-1，下降幅度达24%。如图1所示。历年平均生产1 t水稻水足迹为 4158.95 m3，其中绿水足迹为 663.76 m3，蓝水足迹为538.06 m3，灰水足迹为2957.13 m3。从年际变化来看，水稻生产水足迹与灰水足迹变化规律一致。2002—2005年间处于上升阶段，原因主要是2002—2005年化肥投入量增加，2005年比2002年化肥使用量增加了282.3 t。2005—2009年处于快速下降阶段，一方面由于水稻单产的大幅提升导致水足迹下降，另一方面化肥施用量减少使灰水足迹从而减少水足迹所致。2009—2015年平稳下降主要与水稻种植面积与产量保持稳定有关。

2.1.2 构成分析

从水足迹构成来看，绿水足迹呈现波动性下降，主要受湖南省降雨波动性变化影响。蓝水足迹受蓝水利用效率及水稻单产提高的综合影响在研究时段内逐渐减少。蓝水足迹比例从2002年的14%下降到2015年的 12%。绿水足迹比例从 17%提高到 19%，灰水足迹占 68%左右，灰水足迹仍是水稻水足迹的主要来源，如图2所示。湖南省水稻生产间接耗水是直接耗水的 2倍多，高于何浩[15]和李红颖[16]的研究结果，进一步说明污染物排放量大不等同于产生的灰水足迹大。

2.2 影响因子贡献率分析

2.2.1 OLS回归分析

将降雨量、化肥投入、农机动力、有效灌溉面积、成灾率标准化处理后分别设为x1、x2、x3、x4、x5，水足迹设为y。利用stata15软件进行OLS线性回归，如表1所示。从表中可以看出，农机动力、化肥投入、成灾率对水足迹有显著影响，且化肥投入量与成灾率与水足迹成正相关，农机动力与水足迹呈负相关。降雨量与有效灌溉面积对水足迹的影响不显著，可能与农田水利基础设施的不断完善，导致灌溉水平对水资源利用效率的影响下降相关。去掉不显著的因子x1、x4重新OLS线性回归，P=0.00，R2为0.98，各因子均通过1%的显著性水平检验，回归方程为y=1.61x2-0.41x3+0.21x5+e。得到的影响系数(即弹性系数)结果列于表2。

图1 湖南省水稻生产水足迹变化Figure 1 Variation of rice production water footprint in Hunan province

图2 湖南省水稻生产水足迹组成比例变化Figure 2 The share variation of rice production water footprint in Hunan province

表1 水稻生产水足迹影响因子回归系数表Table 1 Regression coefficient of influencing factors of rice water footprint

2.2.2 贡献率分析

水稻生产水足迹影响因子在研究时段内的变化对水稻生产水足迹产生一定的影响，为了评价影响因子变化对水稻生产水足迹变化的贡献程度，采用贡献率分析方法定量分析了各个影响因子对水稻生产水足迹变化的贡献程度。由表3可以看出，农机动力、化肥投入、成灾率的年变化率为正值，说明在研究时段内呈增加态势。水稻生产水足迹的年均变化率为-2.05%，其中导致水足迹增加的主要因素为化肥投入与成灾率，其贡献率分别为-32.48%与-14.9%。化肥投入的影响系数为1.61，说明化肥投入量的增加会导致水足迹的增加，该时段内化肥投入量年增长率为 0.41%，说明化肥投入量呈增加态势，从而对水足迹增加做出贡献。化肥投入能提高土壤肥力，是提高水稻单位面积产量的有效措施，但同时也是农业污染的主要来源，现阶段在稳定产量的前提下合理控制化肥施用量需要提高肥料利用效率。成灾率对水足迹的影响系数为正值，其变化率也为正值，说明该段时间内成灾率的增加会增大水稻水足迹。

对促进水足迹减少的因素为农机动力，其贡献份额为 153.3%。农机动力对水足迹的影响系数为-1.85，表明该时期农机动力的增加对水足迹的减少是有利的，而该段时间内农机动力呈上升趋势，其增长率为 6.84%，因此农机动力的增加促进水稻水足迹的减少。随着湖南省机械化水平的不断提高，水稻耕、种、收综合机械化水平达到 65.5%，同比增长幅度居全国首位，可以看出，机械化对水稻水足迹的巨大影响力。这主要是因为农业机械使用可大幅提高水稻产量，以耕作为例，拖拉机爬犁比人力爬犁土壤疏松深度多 1倍左右，在同样的土肥及管理条件下，水稻单产可增加15%。

表2 水稻生产水足迹影响因子对水足迹的贡献率Table 2 Contribution rate of influencing factors of rice water footprint

定量结果表明贡献率最大的是农机动力，其次为化肥投入，成灾率最小。进一步分析因子贡献率的差异的原因可以发现，农机动力的弹性系数虽小，但其变率最大，是成灾率的 4.68倍，化肥投入的16.68倍，因此对水足迹的贡献最大。

3 结论与建议

通过以上分析可以得出结论:在研究时段内，湖南省水稻生产的水足迹主要来自灰水。从年际变化来看，由于化肥使用量的变化，灰水足迹呈现明显的波动趋势，灌溉水消耗量逐渐下降，这与湖南省灌溉水平发展的特征相符合。降水消耗量受降雨的波动性影响，在研究时段内呈现明显的波动趋势。水稻生产水足迹在研究时段内呈现下降态势，年均变化率为-2.0%，其年际变化呈现明显的波动特征，可分为波动性上升期(2002—2005年)、快速下降期(2005—2009年)、缓慢下降期(2009—2015年)三个阶段。

湖南省水稻生产水足迹与农机动力呈现显著的负相关关系，与化肥投入、自然灾害呈现显著的正相关关系且化肥投入的贡献率大于自然灾害的贡献率。降雨量与灌溉技术与水足迹的关系不显著。贡献率的分析结果表明，农业机械化水平的提高是促使湖南水稻生产水足迹在研究时段下降的主要因素。

湖南省农机总动力持续增长，但亩均动力仅为0.96千瓦/亩。在水稻生产方面，机耕、机收率均达到90%以上，但机插率仅为21%，低于全国38%的平均水平，水稻育秧、栽插等作业环节机械化水平还很低。因此建议增加农业机械投入与农机补贴，着重推进育秧插秧机械化，提高机械化水平有利于减少水足迹。同时完善农业机械化服务体系，促进水稻生产全程机械化发展。其次加大科技投入，提高测土配肥技术，合理配肥提升肥料利用效率，减轻污染减少灰水，提高水资源利用效益。