水足迹视角下中部5省主要粮食作物用水分析

李杨 张容 顾强

摘 要：基于水足迹理论，采用气象和农业相关数据，对安徽、河南、湖北、湖南、江西5省2006—2015年小麦、大豆、玉米3种主要粮食作物的水足迹进行测算与分析，并结合各省水资源占有情况，提出对中部5省主要粮食作物种植结构进行调整的建议，以提高各省水资源利用效率。结果表明：①从时间序列来看，大豆、小麦、玉米的水足迹没有呈现显著性变化趋势;②从用水类型来看，大豆水足迹中的蓝水足迹占比最高，为21.60%，小麦和玉米的蓝水足迹占比分别为8.76%、16.33%;③从综合水足迹计算结果来看，各省的粮食作物水资源利用效率排序为安徽>河南>湖北>湖南>江西;④从空间分布特征来看，大豆水足迹在5省的空间分布差异最大，河南省大豆水足迹最高，为4.09 m3/kg，湖南省的大豆水足迹最低，只有2.11 m3/kg。

关键词：粮食作物;水足迹;种植结构;中部5省

中图分类号：TV213.4 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.12.011

Abstract：Based on water footprint theory， this paper calculated the water footprint of three food crops （wheat， soybean and corn） in Anhui， Henan， Hubei， Hunan and Jiangxi provinces of China from 2006 to 2015 by using relevant meteorological and agricultural data. According to the situation of water resources and the water footprint in each province， the planting structure of main grain crops in the central five provinces was adjusted in order to improve the utilization efficiency of water resources. The results show that a）in terms of time series， the water footprints of soybean， wheat and corn show no significant change trend; b） from the perspective of water type， proportion of blue water footprint of soybean is the largest（21.60%）， while wheat and corn account for 8.76% and 16.33% respectively; c） according to the results of comprehensive water footprint， the water resources efficiency of grain crops is in order of Anhui， Henan， Hubei， Hunan and Jiangxi provinces from high to low; d） as the aspect of spatial distribution characteristics， the spatial distribution difference of water footprint of soybean is the largest in the five provinces; Henan Province has the largest water footprint of soybean（4.09 m3/kg）， while Hunan province is only 2.11 m3/kg.

Key words： food crops; water footprint; planting structure; five provinces in central China

目前，我國提出要着力加强农业供给侧结构性改革，提高资源利用效率，提升生态经济效益。安徽、河南、湖北、湖南、江西5省既是我国中部崛起的主体区域，又是我国传统的粮食主产区，具有相似的自然气候、地形条件和耕作方式。这5省农业资源条件优越，粮食作物都以水稻、玉米、小麦、大豆为主，农作物播种面积约占全国农作物播种面积的30%，粮食产量也占全国粮食总产量的30%左右。然而大规模的农业生产也带来了水资源的巨大消耗，据国家统计局统计，农业生产用水量占中部地区用水总量的56.1%。在水资源总量的刚性约束下，淡水资源的日益匮乏对中部5省的粮食生产提出了严峻的挑战，使得水资源成为制约农业发展的主要因素之一。

水足迹概念的提出为反映作物的耗水类型以及用水效率、科学合理利用水资源提供了依据[1]。通过分析我国近年来水足迹文献可知，农作物水足迹的研究内容主要集中在水足迹的时空分布差异、影响因素分析、生产结构调整等方面，如孙世坤等[2]、冯变变等[3]分别研究了全国各区域与山西省各地区粮食生产水足迹的时空分布差异，韩宇平等[4]、李红颖等[5]分别探讨了京津冀地区与长春市农作物水足迹的影响因素，侯庆丰[6]、赵恩等[7]、栾福超等[8]分别分析了甘肃省、黑龙江省、三江平原地区的农业种植结构。由于中部5省的水稻种植在全国占有极其重要的位置，为保障我国粮食安全，需要稳定中部地区水稻种植大省的种植面积，因此本文不考虑中部地区水稻种植结构的调整。由此，本文测算了中部5省2006—2015年大豆、玉米、小麦3种主要粮食作物的水足迹值，并分析其时空分布情况，结合各省水资源占有情况，调整研究区主要粮食作物种植结构，以期为保护水资源、提高水资源利用率和发挥中部地区农业优势提供参考。

1 研究方法和数据来源

1.1 研究区概况

中部5省属于亚热带和暖温带季风气候区，雨热同季，温和湿润，有利于农作物生长，优越的自然条件造就了中部5省成为我国粮食主要生产基地。2017年中部5省农作物的播种面积为4 537.58万hm2，占全国农作物播种面积的27.28%。为协调我国水资源节约和粮食安全的内在矛盾，中部5省是推进农业供给侧结构性改革的重点地区。

1.2 水足迹计算方法

1.2.1 粮食作物水足迹计算方法

粮食作物水足迹计算采用HOEKSTRA等[9]提出的方法，该方法基于作物蒸发蒸腾量和单位面积产量进行计算，公式为式中：WF为总水足迹，为蓝、绿水足迹之和，m3/kg;WFgreen为作物绿水足迹，指作物生長过程中所消耗的储藏在土壤中的有效降水，m3/kg;WFblue为作物蓝水足迹，指作物生长过程所消耗的地下水或地表水，主要指灌溉用水量，m3/kg。

2 结果与分析

2.1 粮食作物水足迹时序分析

选取大豆、小麦和玉米作为中部5省主要粮食作物水足迹研究对象。由表1可知，不同作物的水足迹值差异较大，2006—2015年中部5省大豆、小麦、玉米的生产水足迹均值分别为3.03、0.84、1.15 m3/kg，最大值是最小值的3.61倍。从时间序列来看，3种作物的水足迹没有呈现显著的变化趋势，原因是气候条件和生产技术条件未发生显著改变，作物需水量与单产值的波动较小。从用水类型来看，大豆、小麦、玉米的蓝水足迹占各自总水足迹的比例分别为21.60%、 8.76%、16.33%，由此可知大豆灌溉用水量最大，玉米次之，小麦最小。

2.2 中部5省粮食作物总水足迹与综合水足迹

2006—2015年中部5省粮食作物总水足迹年均值差异较大，排序为河南省（5.72 m3/kg）>安徽省（5.61 m3/kg）>江西省（5.42 m3/kg）>湖北省（4.54 m3/kg）>湖南省（4.04 m3/kg）。其间，河南省的总水足迹年均值经历了2006—2007年骤减、2013—2014年剧增的变化，安徽省总水足迹年均值则在2013—2014年发生了一次骤减，其余3省的粮食作物总水足迹年均值变化都较为平缓。总水足迹体现了中部5省粮食作物用水量的多少，而综合水足迹则是在此基础上对水资源的利用效率进行评估。依据公式（9），计算得出2006—2015年江西省粮食作物综合水足迹均值最高（2.18 m3/kg），安徽省最低（0.86 m3/kg），其余3省排序为湖南省（1.11 m3/kg）>湖北省（1.06 m3/kg）>河南省（0.89 m3/kg）（见表2）。由综合水足迹的概念可知，其数值越小，水资源利用效率越高，由此可见，5省的粮食作物水资源利用效率排序为安徽>河南>湖北>湖南>江西。从综合水足迹的时序变化来看，2006—2015年，只有河南省的粮食作物综合水足迹值呈现上升趋势，但不显著;其他4省的综合水足迹M-K检验值都是负数，呈下降趋势，尤其是安徽省和江西省的下降趋势非常显著，其M-K检验值分别为-2.91、-3.40。各省变异系数都小于0.1，说明5省的作物综合水足迹波动幅度很小，没有出现异常值。

2.3 不同省份粮食作物水足迹分布

通过计算中部5省粮食作物的年平均水足迹（见图1）可知，3种作物水足迹在各省的分布存在较大差异。河南省和安徽省大豆年平均水足迹都很高，其中最高的河南省（4.09 m3/kg）是最低的湖南省的（2.11 m3/kg）近2倍。小麦年均值水足迹最高的江西省（1.49 m3/kg）是最低的安徽省的（0.47 m3/kg）3倍多。玉米水足迹年平均值的差异不明显，排序为江西省（1.33 m3/kg）>湖北省（1.19 m3/kg）>安徽省（1.17 m3/kg）>河南省（1.11 m3/kg）>湖南省（0.97 m3/kg）。将3种作物水足迹进行方差分析可知，大豆、小麦、玉米水足迹的方差分别为0.82、0.17、0.02 m6/kg2，说明大豆水足迹在中部5省的分布差异最大，小麦次之，玉米最小。

从中部5省3种粮食作物水足迹占本省总水足迹的比例（见表3）来看，大豆均为最大。河南省的大豆水足迹占比（71.47%）最高，其次为安徽省（70.68%），其他3省都在50%左右。小麦水足迹所占比例最高的为江西省（27.40%），最低的为安徽省（8.45%）。除江西省外，其他4省的玉米水足迹所占总水足迹比例位居第二，其中湖北省的最高（26.47%），而各省差异不大。

3 讨 论

通过上述分析可以发现，各省粮食作物水资源利用水平存在差距，受气温、湿度、风速与光照等气候因素的影响，各省的作物需水量也存在显著差异，需要通过调整粮食作物种植结构，提高水资源利用效率。

结合中部5省的气候条件和粮食作物的年平均单产（见图2）可知，中部5省自然环境与生产水平的差异影响了粮食作物的需水量和单产，从而导致同种作物的水足迹值呈现较大差异。安徽省大豆单产最低，导致该省大豆水足迹很高，虽然该省的小麦单产位居第二，比最高的河南省小12.60%，但其水足迹最低，因此建议减小生产效率较低的大豆种植面积，增加小麦种植面积。近些年来安徽省粮食作物种植结构已逐渐进行了调整，调整方向与建议相符（见图3）。河南省蒸发量较其他省份大，需要更多的灌溉水来维持作物的正常生长[3]，导致其粮食作物的灌溉需水量较其他省份大，表现为蓝水足迹较高，因此应该缩减蓝水足迹值较高的大豆和玉米种植面积，扩大小麦等蓝水足迹较低的粮食作物种植面积，以减少水资源的消耗。据河南省统计资料显示，河南省的多年平均水资源总量只有414亿 m3，位列全国第19位，仅占全国水资源总量的1.51%左右，提高水资源利用率对促进河南省节水农业发展具有重大意义。江西省小麦和玉米单产在中部5省中都最低，导致其小麦和玉米水足迹最高，同时也使综合水足迹居高不下，因此应注重农业技术进步，一方面提高粮食产量，另一方面提高农业水资源利用效率。湖南省和湖北省的玉米水足迹在3种作物中都是最低的，因此应适当扩大玉米种植面积。

基于上文分析，河南省和安徽省应减小大豆的种植面积。但河南省大豆种植面积约占该省粮食作物总面积的4.62%，可下调的幅度不大;而安徽省大豆种植面积比例为13.80%，具有可调性，因此该省应该减小大豆种植面积。湖北、湖南、江西3省的大豆单产都较高，水足迹值相对其他省份较低，且大豆生长发育所需蓝水比例较高，而这3省的水资源总量排名都位居全国前列，因而可以增加大豆种植面积，以弥补河南省和安徽省大豆种植面积减小带来的产量损失。就小麦的种植情况而言，河南省和安徽省小麦单产较高，其水足迹值较低，种植面积也较大;湖北省的小麦单产次之，种植比例也较低（24.69%）;湖南省和江西省小麦单产低，水足迹值高，从资源有效配置视角来看，这两省的小麦种植面积比例小于1%是合理的。玉米在河南省种植面积占比较大（30%左右），其他省份玉米种植面积占比较小，虽然河南省玉米单产最高，但是湖南省玉米水足迹最低，且其平均单产只比河南省小2.70%左右，因此可以增加湖南省玉米种植面积，以确保中部地区的粮食产量，保障国家粮食安全。

4 结 论

（1）从大豆、小麦、玉米水足迹角度来看，2006—2015年3种主要粮食作物水足迹没有显著变化，其中大豆蓝水足迹最高、灌溉用水量最大。

（2）从省际差异角度来看，3种粮食作物总水足迹排序为河南>安徽>江西>湖北>湖南，综合水足迹排序为江西>湖南>湖北>河南>安徽，用水效率排序为安徽>河南>湖北>湖南>江西。

（3）为实现农业水资源的高效利用，安徽省应缩减生产效率较低的大豆种植面积，扩大小麦种植面积;河南省应该减小蓝水足迹较高的大豆和玉米种植面积，扩大小麦等蓝水足迹较低的粮食作物种植面积;湖南、江西、湖北3省应增加大豆种植面积，以弥补河南省和安徽省大豆种植面积减小带来的产量损失;同时，湖南省应扩大玉米种植面积。

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【责任编辑 张华兴】