水足迹视角下黄河流域经济作物水土资源匹配格局

焦士兴，李玉靖，王安周，刘清春，尹义星，赵荣钦，林璐霜

（1.安阳师范学院资源环境与旅游学院，河南安阳 455002； 2.河南大学地理与环境学院，河南开封 475004；3.洛阳市第十九中学，河南洛阳 471000； 4.山东财经大学经济学院，山东济南 250014；5.南京信息工程大学水文气象学院，江苏南京 210044；6.华北水利水电大学测绘与地理信息学院，河南郑州 450046）

水土资源是农业生产的核心资源，关系到粮食安全［1］。 水土资源的有效配置是农业生产的前提，其合理配置有利于将资源优势转变为经济优势，促进区域农业持续发展［2］。 水足迹不仅可以定量反映经济作物生产中隐含的水资源量，而且可以表征经济作物贸易中的虚拟水资源量［3］，分析经济作物水足迹对于缓解农业资源压力、提高水土匹配度具有重要意义［4］。水土匹配度可以衡量某一区域内水土资源的匹配状况［5］，合理的水土匹配度可以为农业发展提供有力支撑。 目前，主要采用基尼系数［6-7］、数据包络分析［8-9］等方法开展水土匹配度研究。 侯淑涛等［6］利用基尼系数，研究了黑龙江省农业水土资源匹配协调水平及区域差异性；徐娜等［9］基于DEA 模型研究了甘肃省5个流域农业水土资源配置效率变化趋势及影响因素。已有研究［5-11］为水土资源匹配研究提供了理论支持和方法论基础，但多以水资源总量、可利用水资源量或灌溉水量表示水资源量，而水足迹［12-13］是水资源占用的综合表征，可以量化生产某种农作物所消耗的真实用水量。

黄河流域是我国重要的工农业生产核心区之一，水资源总量少，但农用地面积大，用水需求已超出流域水资源承载能力，水资源供需矛盾突出［14］。 基于此，考虑不同农作物需水的区域差异，采用水土匹配度、重心迁移模型分析1998—2020 年黄河流域8 个省（区）（四川省主要受长江水系影响［15］，因此去除四川省）不同经济作物播种面积及其水足迹，进而探讨水土资源时空匹配特征和重心轨迹演化情况。

1 数据来源和研究方法

黄河流域谷物、甜菜、茶叶、蔬菜等12 种经济作物生产总量、单产量以及播种面积数据来源于《中国统计年鉴》（1999—2021 年）。

1）经济作物水足迹。 水足迹是指人口在一定时间内消费的所有产品和服务所需要的水资源量。 作物生产水足迹包括蓝水足迹和绿水足迹，分别指作物生产实际消耗的灌溉水量和有效降水量［16-17］。 目前，常采用作物蒸散量来计算有效降水量［18］，利用Penman-Monteith 公式计算蒸发蒸腾水量，并通过CROPWAT模型模拟得到蓝水足迹和绿水足迹［19］。 借鉴王毅鑫等［15］2013 年研究黄河流域棉花、油料、甜菜等经济作物的虚拟水含量，结合不同经济作物产量，计算其水足迹。 计算公式为

式中：Wi为省（区）i经济作物水足迹，Di，c为省（区）i经济作物c单位质量虚拟水含量，Bi，c为省（区）i经济作物c产量。

2）经济作物水土匹配度。 水土匹配度可以反映特定区域农业生产可供水资源量与耕地资源在时空上适宜匹配的量化关系［7］，实质上是单位面积耕地拥有的水足迹［19］。 水土匹配度越大，单位面积耕地消耗的水资源量越大，匹配性越低；水土匹配度越小，单位面积耕地消耗的水资源量越小，匹配性越高。 计算公式为

式中：Ri为省（区）i经济作物水土资源匹配度，Li为省（区）i经济作物种植面积。

3）重心迁移模型。 为了反映水土匹配度区域差异的动态变化，引入重心迁移模型来表示时间维度的动态演化特征［20］，重心变动反映了水土匹配度的变化轨迹。 计算公式为［21］

式中：Xt、Yt分别为第t年重心的经度和纬度，Xt+1、Yt+1分别为第t+1 年重心的经度和纬度，Ri，t为省（区）i第t年水土匹配度，xi、yi分别为省（区）i地理中心的经度和纬度，n为省（区）的数量，d为重心迁移的距离。

2 结果与分析

2.1 经济作物播种面积与其时空变化特征

1）黄河流域8 个省（区）不同类型经济作物播种面积。 由表1 可以看出，谷物等5 类经济作物播种面积逐渐上升，豆类等6 类经济作物面积不断下降，油料播种面积保持相对稳定。 谷物、甜菜、茶叶、蔬菜、水果5 类经济作物播种面积波动上升，其中：谷物播种面积上升的原因主要是受到惠农政策支持；甜菜播种面积上升归因于“十三五”以来我国开始重视甜菜生产［22］；茶叶、蔬菜、水果播种面积增大的原因是，随着人们生活质量的提高，对健康生活的追求也提高［23］。豆类、薯类、棉花、麻类、甘蔗、烟叶6 类作物播种面积不断下降，其中：豆类播种面积下降主要受其经济效益低的影响［24］；由于育种技术进步，薯类单产提高，因此薯类播种面积下降；棉花面积变化是种植效益和种植结构调整的结果［25］；由于市场需求萎缩、效益不稳定，因此麻类播种面积下降［26］；甘蔗生产主要集中于河南，受南方甘蔗市场冲击甘蔗播种面积下降；受新型电子烟快速发展以及控烟政策影响，烟叶播种面积下降［27］。 油料种植面积保持相对稳定，归因于我国油料以进口为主，且河南、山东为油料主产区［28］，政府给予优惠政策支持。

表1 1998—2020 年黄河流域8 个省（区）经济作物播种面积演变趋势

黄河流域不同类型经济作物播种面积变化趋势上、中、下游存在差异。 黄河上游青海、甘肃、宁夏，薯类、茶叶、蔬菜、水果4 种经济作物播种面积呈波动上升趋势，谷物、豆类2 种经济作物播种面积呈波动下降趋势，棉花、油料、麻类、甘蔗、甜菜、烟叶6 种经济作物播种面积变化不大。 黄河中游内蒙古、陕西、山西，谷物、茶叶、蔬菜、水果4 种经济作物播种面积呈波动上升趋势；豆类、薯类、棉花、麻类、甘蔗、甜菜、烟叶7 种经济作物播种面积呈波动下降趋势，油料播种面积变化不大。 黄河下游河南、山东，谷物、茶叶、蔬菜、水果4 种经济作物播种面积呈波动上升趋势，豆类、薯类、棉花、油料、麻类、甘蔗、烟叶7 种经济作物播种面积呈波动下降趋势，甜菜播种面积变化不大。

2）黄河流域8 个省（区）经济作物播种面积时空变化特征。 运用ArcGIS10.2 均值分类法，将黄河流域8 个省（区）经济作物播种面积分为4 个等级，分别为Ⅰ级［486.4，4 054.0］ hm2、Ⅱ级［4 054.1，7 621.7］hm2、Ⅲ级［7 621.8，11 189.4］ hm2、Ⅳ级［11 189.5，14 757.1］ hm2，其中1998 年和2020 年播种面积空间分布见图1。

图1 1998 年和2020 年黄河流域8 个省（区）不同经济作物播种面积空间分布

黄河流域8 个省（区）经济作物播种面积总体保持稳定。 上游甘肃、宁夏、青海3 省（区）经济作物播种面积保持在Ⅰ级；中游陕西播种面积保持在Ⅱ级，内蒙古播种面积由Ⅱ级上升为Ⅲ级，山西播种面积则由Ⅱ级下降为Ⅰ级；下游河南、山东播种面积保持Ⅳ级。内蒙古经济作物播种面积增加幅度最大，归因于为追求经济利益而掠夺式开发资源以及惠农政策的实施等［29］；山西经济作物播种面积减小幅度最大，一方面工业快速发展导致资源耗竭和环境破坏，另一方面区域沙化严重且生态环境脆弱，从而实施了退耕还林还草工程等［30］。

黄河流域经济作物播种面积呈现东高西低的分布格局。 从播种面积均值来看，河南（1 396.26 万hm2）＞山东（1 116.03 万hm2）＞内蒙古（644.18 万hm2）＞陕西（508.88 万hm2）＞山西（393.10 万hm2）＞甘肃（374.89万hm2）＞宁夏（104.66 万hm2）＞青海（48.47 万hm2）。河南经济作物播种面积均值最大，归因于平原面积广阔且土壤肥沃［31］，有利于农业生产和耕作；青海均值最小，主要原因是地处世界屋脊青藏高原，自然环境恶劣，不利于作物生长且品种单一［32］。

2.2 经济作物水足迹演变趋势及时空变化特征

1）经济作物水足迹演变趋势。 利用式（1）计算黄河流域12 种经济作物水足迹，结果见表2。 黄河流域8 个省（区）谷物、油料、甜菜、茶叶、蔬菜、水果6 种经济作物水足迹波动上升，豆类、薯类、棉花、麻类、甘蔗、烟叶6 种经济作物水足迹波动下降。 经济作物水足迹与其播种面积变化趋势基本一致（油料除外），原因是，经济作物水足迹受其播种面积变化影响明显。

表2 1998—2020 年黄河流域8 省（区）经济作物水足迹演变趋势

黄河流域经济作物水足迹变化趋势上、中、下游存在差异。 黄河上游青海、甘肃、宁夏，谷物、薯类、蔬菜、水果4 种经济作物水足迹波动上升，豆类、甜菜、棉花3 种经济作物水足迹波动下降，油料、麻类、甘蔗、烟叶、茶叶5 种经济作物水足迹变化不大。 中游内蒙古、陕西、山西，谷物、油料、蔬菜、水果、茶叶5 种经济作物水足迹波动上升，棉花、烟叶2 种经济作物水足迹波动下降，豆类、薯类、麻类、甘蔗、甜菜5 种经济作物水足迹变化相对平缓。 下游河南、山东，谷物、茶叶、蔬菜、水果4 种经济作物水足迹波动上升，豆类、薯类、棉花、麻类、甘蔗、烟叶6 种经济作物水足迹波动下降，油料、甜菜2 种经济作物水足迹变化相对平缓。

2） 经济作物水足迹时空变化特征。 运用ArcGIS10.2 均值分类法，将黄河流域8 个省（区）经济作物水足迹分为4 个等级，分别为Ⅰ级［317.8，3 316.2］亿m3、Ⅱ级［3 316.3，6 314.6］亿m3、Ⅲ级［6 314.7，9 313.0］亿m3、Ⅳ级［9 313.1，12 311.4］亿m3，水足迹等级越高表明经济作物在生长过程中所消耗水资源量越多，不利于水资源持续利用。 1998 年、2020 年黄河流域8 个省（区）经济作物水足迹空间分布见图2。

图2 1998 年、2020 年黄河流域8 个省（区）经济作物水足迹空间分布

黄河流域8 个省（区）经济作物水足迹总体呈增大趋势。 从1998 年到2020 年，黄河上游宁夏、青海经济作物水足迹保持在Ⅰ级，甘肃经济作物水足迹由Ⅰ级上升为Ⅱ级；中游山西经济作物水足迹保持在Ⅰ级，陕西、内蒙古经济作物水足迹则由Ⅰ级分别上升为Ⅱ级、Ⅲ级；黄河下游山东经济作物水足迹保持在Ⅲ级，河南经济作物水足迹则由Ⅲ级上升为Ⅳ级。 从黄河流域来看，经济作物水足迹呈增大趋势，表明经济作物用水增多，主要原因是水资源利用效率下降［33］；同时经济作物播种面积由1998 年的4 475.69 万hm2增加到2020 年的4 817.50 万hm2，增长率达到7.6%，水足迹随之增大。 中游内蒙古经济作物水足迹增幅最大，主要原因是受政策影响播种面积由1998 年的590.86 万hm2增加到2020 年的816.59 万hm2，增长率达到了38.2%，播种面积增大导致水足迹增大。

黄河流域8 个省（区）经济作物水足迹呈现东部和中部高、西部低的分布格局。 从经济作物水足迹均值来看，河南（10 049.7 亿m3）＞山东（7 894.4 亿m3）＞内蒙古（4 029.0 亿m3）＞陕西（3 373.4 亿m3）＞甘肃（2 677.0亿m3）＞山西（2 651.5 亿m3）＞青海（308.1 亿m3）＞宁夏（268.0 亿m3）。 河南经济作物水足迹均值最大，归因于经济作物播种面积最大，且种植结构调整导致种植面积增大，从而造成经济作物水足迹增大，并导致了非常严重的水生态赤字［34］；宁夏经济作物水足迹均值最小，由于宁夏气候干燥且年均降水量仅166～647 mm，自然生态环境脆弱，不利于耕作，因此经济作物水足迹最小［35］。 从水资源安全考虑，应该发展高效节水农业，因地制宜发展蔬菜、水果等低耗水经济作物，适量进口水密集型产品，实现水资源合理利用。

2.3 经济作物水土资源匹配度时空分析

利用式（2）计算黄河流域8 省（区）经济作物水土资源匹配度，运用ArcGIS10.2 均值分类法划分为4 个等级，分别为Ⅰ级［0.48，0.60］万m3／hm2、Ⅱ级［0.61，0.72］万m3／hm2、Ⅲ级［0.73，0.84］万m3／hm2、Ⅳ级［0.85，0.96］万m3／hm2，进而分析其空间格局变化，见图3。 水土匹配度是指区域内单位面积耕地可拥有的经济作物水足迹，水土匹配度越小，表明单位面积耕地经济作物生产所消耗的水资源量越少，农业生产水土资源可持续利用越好；水土匹配度越大，匹配程度越差［36］。

图3 1998 年、2020 年黄河流域8 个省（区）经济作物水土匹配度

黄河流域8 个省（区）经济作物水土匹配度呈增大趋势。 黄河上游宁夏、甘肃经济作物水土匹配度分别由Ⅰ级、Ⅱ级增大至Ⅳ级，青海经济作物水土匹配度由Ⅰ级增大至Ⅱ级；中游内蒙古、山西经济作物水土匹配度分别由Ⅰ级、Ⅱ级增大至Ⅲ级，陕西经济作物水土匹配度由Ⅰ级增大为Ⅳ级；下游河南、山东经济作物水土匹配度由Ⅰ级增大至Ⅲ级。 黄河流域水土匹配度均有不同程度增大，说明单位耕地面积经济作物生产消耗的水资源量增多，主要原因是农业水资源生产效率不高，且受技术效率影响较大，而较低的技术效率限制了水资源生产效率的提高［37］。 其中宁夏和陕西经济作物水土匹配度变化最大，主要原因是，农业是宁夏主导产业，农业种植以高耗水作物为主；陕西经济作物主要集中在南方山区，农田水利建设难以实施，且农业用水占60%以上，限制了用水效率的提高。

黄河流域8 个省（区）经济作物水土匹配度呈现中南部高、北部和西部低的分布格局。 从均值来看，宁夏（0.734 万m3／hm2）＞河南（0.717 万m3／hm2）＞甘肃（0.712 万m3／hm2）＞山东（0.708 万m3／hm2）＞山西（0.676万m3／hm2）＞陕西（0.662 万m3／hm2）＞青海（0.638万m3／hm2）＞内蒙古（0.613 万m3／hm2）。 宁夏水土匹配度均值最大，主要原因是宁夏气候干燥且年均降水量仅166～647 mm，区域水资源整体稀缺，水生态环境脆弱，而宁夏平原是重要灌溉农业区，水资源生产率低，经济效益不高［34，38］；内蒙古水土匹配度均值最小，主要原因是内蒙古地区为以雨养农业或牧草业为主的旱作区［35］。

2.4 黄河流域经济作物水土匹配度重心轨迹演化

利用式（3）、式（4）计算黄河流域8 个省（区）经济作物水土匹配度重心，以探讨其空间演变特征，见图4。 黄河流域8 个省（区）经济作物水土匹配度重心轨迹呈现由东北向西南移动的趋势，1998—2020 年年均移动距离为0.54 km，累计移动307.12 km，表明西南部经济作物水土匹配度增大，这与高芸等［5］研究结果一致。 不同年份经济作物水土匹配度空间变化具有不平衡性，其中2018 年经济作物水土匹配度重心向东偏南方向移动了约48.65 km，移动距离最大；2007 年经济作物水土匹配度重心移动距离最小，向南偏西方向移动了约1.53 km。

图4 1998—2020 年黄河流域8 个省（区）经济作物匹配度重心轨迹

黄河流域8 个省（区）经济作物水土匹配度重心呈现4 个阶段的变化特征，第一阶段为1998—2009年，经济作物水土匹配度重心位于（109°2'38″E，37°20'38″N），稳定在黄河中游范围；第二阶段为2009—2013 年，经济作物水土匹配度重心向西偏南方向迁移，偏移距离约为43.51 km，主要原因是，黄河上游经济作物水土匹配度增大；第三阶段为2013—2018年，经济作物水土匹配度重心开始向东偏南移动，偏移距离约为96.38 km，主要原因是，黄河下游河南、山东经济作物水土匹配度增大；第四阶段为2018—2020 年，经济作物水土匹配度重心向西偏北方向迁移，偏移距离约为63.63 km，归因于黄河上游经济作物水土匹配度增大。

3 结论

基于水足迹视角，运用水土匹配度、重心迁移模型，结合ArcGIS10.2 软件，分析了黄河流域8 个省（区）1998—2020 年不同类型经济作物播种面积及其水足迹，探讨了经济作物水土资源时空匹配格局及重心演化特征。

1）黄河流域谷物等5 类经济作物播种面积逐渐上升，豆类等6 类经济作物播种面积不断下降，油料播种面积则保持相对稳定；不同类型经济作物播种面积上、中、下游存在差异。 黄河流域8 个省（区）经济作物播种面积总体保持稳定，呈现东高西低分布格局。为了做到以水定城、以水定地、以水定人、以水定产，把水资源作为最大的刚性约束，要不断优化种植结构，抑制大面积种植高耗水作物，不断发展节水技术，实施全流域节水行动，推动用水方式由粗放向节约集约转变。

2）谷物等6 类经济作物水足迹波动上升，豆类等6 类经济作物水足迹波动下降；不同经济作物水足迹上、中、下游存在差异。 黄河流域8 个省（区）经济作物水足迹总体呈现增大趋势，呈现东部和中部高、西部低的分布格局。 为缓解黄河流域水足迹增大趋势，要大力推广资源节约型农业生产技术，提高农机和水资源利用效率；加强科技支撑，提高水资源生产效率，促进农业高效发展；推广节水灌溉新技术，改善灌溉条件，发展绿色、高效节水农业。

3）黄河流域8 个省（区）经济作物水土匹配度有增大趋势，呈现中南部高、北部和西部低的分布格局；水土匹配度重心由东北向西南方向移动，表现为1998—2009 年处于相对稳定阶段、2009—2013 年向西偏南方向移动、2013—2018 年向东偏南方向移动、2018—2020 年向西偏北方向移动。 黄河上、中、下游要发挥各自优势，推动流域协同合作，不断优化水土配置，逐步缩小区域差异；黄河流域上游地区要注重生态环境保护，提高用水效率；中游地区面对水土流失的困境，要加强水土保持工作，着力发展环境友好型农业；下游地区要推广农业节水技术；同时建议实施水系联通、跨流域调水等工程，以改善因水土不平衡造成的结构性缺水［5］。