钟文婷，张 军,2，蔡立群,2，张仁陟,2

(1.甘肃农业大学 资源与环境学院,甘肃 兰州 730070；2.甘肃省节水农业工程技术研究中心,甘肃 兰州 730070)

疏勒河流域2001～2010年水足迹动态特征及评价

钟文婷1，张 军1,2，蔡立群1,2，张仁陟1,2

(1.甘肃农业大学 资源与环境学院,甘肃 兰州 730070；2.甘肃省节水农业工程技术研究中心,甘肃 兰州 730070)

随着人口增长、城市化进程的发展和社会经济发展，以及全球气候变化等因素的影响，疏勒河地区生态用水不断被挤占，造成地下水位下降，天然植被也因缺水而退化，水资源供需矛盾突出，为了有效改善水资源利用效率，利用水足迹模型研究了疏勒河流域2001～2010年的水足迹动态特征。结果表明：疏勒河流域2001～2010年总水足迹呈增长趋势，人均水足迹从2001年的772.537 m3增加到2010年的1 304.476 m3。疏勒河流域水资源集约利用度呈增长趋势，从2001年的6.053增加到2010年的10.875，说明疏勒河流域水资源利用效率提高了。疏勒河流域水资源压力指数从2001年的0.447增加到2010年的0.747，说明疏勒河水资源利用压力虽处于水资源可承载范围内，但其水资源压力不断上升。农田灌溉用水和农田种植面积均与农畜产品虚拟水足迹呈显著正相关关系(P<0.05)。未来还需从实施节水农业战略等方面提高流域水资源利用效率，以及通过虚拟水贸易方式优化产业结构，以实现疏勒河流域水资源可持续利用和经济社会可持续发展。

疏勒河流域；水足迹；虚拟水；虚拟水贸易

水是人类赖以生存的基础性资源，是生态与环境协调发展的基本要素。在干旱半干旱地区水资源问题引起了高度的关注和研究[1-3]。随着人口增加和经济社会发展，水资源协调利用与可持续发展成为社会关注的焦点。为了有效应对水资源短缺，提高水资源利用效率，1993年Allan提出虚拟水概念[4]，指包含在产品或服务中看不见的水，也称“嵌入水”。Hoekstra[5]在虚拟水基础上于2002年提出了水足迹概念，指任何已知人口(国家、地区或个人)在一定时间内消费的所有产品和服务所需要的水资源量。虚拟水、水足迹的概念从水资源消耗的角度将水资源问题拓展到经济社会领域，为合理分配水资源提供新的视角。

水足迹研究可以全面反映区域水资源消耗特征，不仅可以反映“实体水”的变化特征，也能反映“虚拟水”的变化特征，因此，水足迹广泛应用于世界各国水资源消耗评价中。Davy等[6]研究表明，欧洲28国是净虚拟水进口国，其中农产品占总水足迹的最大部分。Chapagain和Hoekstra[7,8]研究认为，通过提高单位产品水耗、提高农业水分利用效率、提高雨水利用率、转变高耗水的生活方式如减少肉类的需求等方式减少全球水足迹。Liu等[9]研究表明，中国人均食物需水量增加的主要原因是动物产品消费增加迅速。王静等[10]研究表明，中国是一个水资源高度自给的国家，但区域间差别较大。孙才志等[11]研究表明，1997～2007年中国水足迹强度整体呈下降趋势，水资源利用效率有所提高。水足迹作为一种分析工具，旨在帮助研究者了解人类活动对水资源短缺和污染造成的影响并提出相应的解决方案，以保证人类活动对水资源的可持续利用[12]。水足迹可从生产和消费的角度更为真实、全面的核算人类对水资源的占用。从水足迹的可持续性判断人类对水资源占用的生态、社会和经济可持续性，评价区域虚拟水贸易对缓解水资源压力的合理性[13]。

水资源是干旱内陆河流域经济社会发展的限制因子，如何实现有限水资源可持续利用成为内陆河利用不可回避的问题。水足迹概念的提出给全面评价干旱内陆区水资源消耗特征提供了有力工具，但是水足迹计算多数以不同尺度的行政单元作为评价对象，笔者尝试以流域尺度单元为研究对象进行水足迹评价研究，利用水足迹评价方法以虚拟水和水足迹的形式有效计算出2001～2010年疏勒河流域的水资源外部输出量和内部消耗量，以及对农畜产品虚拟水足迹的主要影响因素。可以依据疏勒河流域水足迹及虚拟水的研究结果合理调整该流域的消费结构，优化流域内的产业结构，合理分配流域内的水资源，为实现疏勒河流域水资源可持续利用及水资源压力提供决策依据。

1 研究区概况

疏勒河流域位于我国西北干旱地区，地理位置E 92°11′～98°30′ ，N 38°00′～42°48′，是河西走廊3大内陆河之一，流域海拔高度为1 100～2 010 m(图1)。疏勒河流域总面积为1.70×105km2，疏勒河干流全长650 km，多年平均径流量1.03×1010m3，年降水量仅有37.63 mm，年蒸发量却高达3 000 mm以上，属于极度干旱地区。疏勒河流域是甘肃省灌溉农业区，人口50.77万人，地区生产总值为306.09亿元，耕地面积1.40×106km2。由于气候变化和人类活动造成生态退化使得疏勒河流域耗水增加，下游区域径流量减少和地下水位下降，进而导致依赖于地下水的天然植被退化、绿洲萎缩和土地沙化等生态退化现象。在任其发展将威胁到疏勒河流域的可持续发展以及绿洲生态系统稳定，以及人类赖以依存的生态环境安全[14]。

图1 疏勒河流域图Fig.1 The map of Shule river basin

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

数据来源包括：(1)中国主要农畜产品单位质量虚拟水量数据来源于(Food and Agriculture Organization,FAO)发布的Climate数据库和Crop数据库中国区域的数据，国际研究成果有关中国动物产品虚拟水含量计算及中国单位产品虚拟水含量数据；(2)水资源总量、供水量、工业生产用水量、生态环境用水量、居民生活耗水量数据来源于2001～2010年水资源公报；(3)农畜产品产量、进出口贸易量数据来源于2001～2010年甘肃省统计年鉴。

2.2 水足迹计算方法

水足迹为国家或地区居民生产和服务对水资源的需求总量[15]：

WF=IWF+EWF

(1)

式(1)中：WF为疏勒河流域总水足迹，IWF为疏勒河流域生产居民所消费的商品与服务所利用的流域内水资源总量，即内部水足迹；EWF为疏勒河流域从其他国家或地区进口的虚拟水总量，即外部水足迹。其中：

IWF=AWU+IWW+DWW+EWW-VWEex

(2)

式(2)中：AWU为疏勒河流域农业生产的用水量；IWW为工业生产的用水量；DWW为居民生活的用水量；EWW为生态环境的用水量；VWEex为疏勒河流域出口虚拟水量。鉴于相同消费品在不同生产地区耗水量有所不同，且消费品未必是本区所生产。笔者从消费的角度对水足迹进行概化计算：

(1)农业生产用水量为单位质量虚拟水含量与产品产量的乘积。农畜产品的单产虚拟水含量参照国内外相关研究[16,17]整理并计算其平均值(表1)。

(2)工业生产用水量和居民生活用水量分别为工业与家庭部门抽取水量。

(3)生态环境用水量，由于国内对生态环境需水的研究处在起步阶段，缺乏对生态系统的合理性评价结论，在生态保护目标确定上存在一定的随机性，采用甘肃省水资源公报中统计的生态环境用水量作为计算依据。

(4)本地出口虚拟水量，参考文献[5]的方法计算疏勒河流域虚拟水量，本地出口虚拟水量 = 农畜产品虚拟水出口贸易量 + 工业产品出口虚拟水。其中，农畜产品虚拟水出口贸易量 = 流域内农业和畜牧业生产总耗水量 × 出口价值 / 农业生产总价值。工业产品出口虚拟水 = 出口工业产品贸易价值 × 工业用水定额。

表1 中国主要农畜产品单位质量虚拟水量Table1 Virtual water contents contained in the primary crop-livestock products in China m3·kg-1

注：农产品单位产品虚拟水含量数据引自甘肃省2003年的水足迹评价；动物单位产品虚拟水含量参照Chapagain等人的研究成果

2.3 区域水足迹评价指标的计算方法

疏勒河流域水足迹评价采用水资源进口依赖度、水资源集约利用度、水足迹净贸易量和水资源压力4个指标进行定量评价。

水资源进口依赖度(WD)反映了一个地区对外部水资源的依赖程度，表明区域水资源战略结构。百分比越大，表明该区域对进口水资源依赖程度越高。计算公式如下：

(3)

式(3)中：WD为水资源进口依赖度；EWF为疏勒河流域从其他国家或地区进口的虚拟水总量，即外部水足迹；WF为疏勒河流域总水足迹。

水资源集约利用度(WIUD)[18]用来衡量地区水资源利用的程度和效率，水资源集约利用度越大，说明该地区的水资源利用效率高，产生的经济效益高；反之，表明该地区的水资源利用效率低，产生的经济效益低。计算公式如下：

(4)

式(4)中：WIUD为水资源集约利用度；GDP为疏勒河流域地区生产总值；WF为疏勒河流域总水足迹。

水足迹净贸易量[19](WNF)反映本区域在水资源贸易中的地位和作用。若水足迹净贸易量为正，即出口虚拟水大于进口虚拟水，说明该地区水资源流入外部，属于水资源输出地；若其值为负，说明该地区为水资源输入地。计算公式如下：

WNF=VWEex-EWF

(5)

式(5)中：WNF为水足迹净贸易量；VWEex为疏勒河流域出口虚拟水量；EWF为疏勒河流域从其他国家或地区进口的虚拟水总量，即外部水足迹。

水资源压力指标(WP)[19]反映本区域水资源压力情况，是区域内部水足迹与本区域出口虚拟水量之和与本区域可用水资源量的比值，计算模型为：

(6)

式(6)中：WP为水资源压力指标；IWF为疏勒河流域生产居民所消费的商品与服务所利用的区域内水资源总量，即内部水足迹；VWEex为疏勒河流域出口虚拟水量；EWFW为疏勒河流域水资源总量。

当WP>1时，本地区生产所用水足迹大于可用水资源量，说明该地区水资源系统超载；当WP=1时，表明本地区生产所用水足迹与可用水资源量持平，水资源利用达到最大承载能力；当WP<1时，表示本地区生产所用水足迹在可用水资源承载能力范围内，具有进一步开发利用空间。

3 结果与分析

3.1 疏勒河流域水足迹特征及其影响因素

3.1.1 疏勒河流域水足迹动态特征 2001～2010年水资源总量整体保持增长趋势，2010年水资源总量较2001年增长了50.50%(图2)。从动态特征分析水资源总量的变化中不可控因素较多。

监测的年间供水总量总体呈增长趋势，其中2001～2004年基本保持不变，2004～2005年形成猛增趋势，2005年较2004年供水总量增长18.51%，2005～2010年供水总量基本保持不变，2007年达到疏勒河流域供水总量的最大值，为1.95×109m3。

2001～2010年疏勒河流域总水足迹呈增长趋势，2001～2004年总水足迹增长趋势平缓，2005～2008年总水足迹呈上升趋势，2009～2010年出现猛增，2010年总水足迹达到流域最大值，为2.26×109m3，为2001年的2.48倍。由于缺少2009～2010年进出口虚拟水数据，因此，2009～2010年总水足迹的值略小。

水足迹越接近供水总量说明水资源利用情况越好[20]，但2009～2010年总水足迹超出了供水总量，说明供水总量不能满足生产物品和服务所需的水资源总量。

图2 疏勒河流域2001～2010年水资源总量及其总水足迹变化Fig.2 Variation of total water resources and water footprint from 2001 to 2010 in Shule river basin

3.1.2 疏勒河流域水足迹组成 2001～2010年农畜产品虚拟水量总体保持增长趋势。其中，2001年农畜产品虚拟水量7.817×108m3，为研究时段最低值，2010年最高，为20.687×108m3，2010年比2001年增长了2.65倍。2001～2008年农畜产品虚拟水量呈逐年稳增趋势，2009年略有下降， 2010年出现猛增，与粮食、水果、甜菜等农畜产品产量的增加紧密相关。工业用水量在研究时段内整体呈下降趋势。其中，2001年工业用水含量最高，为1.030×108m3，2007年最低，为0.738×108m3(表2)。2008～2010年工业用水量略有回升，2010年的工业用水量较2001年减少了21.69%。2001～2010年生活耗水呈先增长后减少的趋势。其中2008年耗水量最大，为0.523×108m3，是2010年的2.87倍。2001～2008年出口虚拟水量均高于进口虚拟水量，2006年进出口虚拟水量差值最大，出口虚拟水量为进口虚拟水量的5.91倍。2002年进出口虚拟水量差值最小，出口虚拟水量为进口虚拟水量的1.40倍。2001～2010年人均水足迹整体保持增长趋势，其中2004～2005年呈猛增趋势，增长率为47.57%，2010年较2001年提升了68.86%。

表2 疏勒河流域2001～2010年水足迹组成Table2 Composition of water footprint from 2001 to 2010 in Shule river basin

注：工业、生活和生态用水均从甘肃省统计年鉴和水资源公报上获取，缺2009～2010年进出口虚拟水数据。

3.1.3 疏勒河流域农畜产品虚拟水足迹组成 疏勒河流域农畜产品虚拟水足迹主要由粮食、棉花、油料、甜菜、肉类和水果6类产品组成(图3)，其平均值分别为3.10×108m3、3.53×108m3、0.26×108m3、0.73×108m3、2.99×108m3和1.29×108m3，分别占农畜产品虚拟水足迹的26.03%、29.72%、2.17%、6.11%、25.15%和10.81%。表明粮食、棉花、肉类对农畜产品的虚拟水足迹影响较大，油料、甜菜对农畜产品的虚拟水足迹影响较小。这与研究时段内不同农畜产品的产量大小及农畜产品的单位虚拟水含量的高低有密切关系。

2001～2010年疏勒河流域粮食的总水足迹呈增长趋势， 2010年粮食水足迹是2001年的8.75倍。2001～2005年粮食水足迹基本保持不变，2005～2007年呈现增长趋势，2009～2010年出现猛增趋势。2001～2010年棉花的水足迹总体保持增长趋势，但2009～2010年略有下降，2007年棉花水足迹最高，2001年水足迹最低，2007年为2001年的1.76倍。

图3 疏勒河流域总水足迹中各影响因子所占比例Fig.3 Proportion of the impact factors on water footprint in Shule river basin

2001～2010年油料水足迹出现先增长后减少又增长的趋势，2010年比2001年增长了8.18%；2005年油料水足迹最低为0.17×108m3， 2010年比2005年油料水足迹增长了2.15倍。

2001～2010年甜菜水足迹呈先下降后增长的趋势。2002～2005年甜菜水足迹一直处于下降趋势，2005～2006年出现猛增。2005年甜菜水足迹最低为0.03×108m3，2010年最高为1.53×108m3，是2005年的47.27倍。

2001～2010年肉类水足迹内总体保持增长趋势。2010年肉类水足迹为3.45×108m3，比2001年肉类水足迹2.19×108m3增长了57.68%。

2001～2010年水果水足迹变化较大，其中2001～2002年呈骤降趋势，2002～2003年又出现猛增。2002年水果水足迹最小，为0.64×108m3，2004～2005年和2008～2009年水足迹虽有所下降，但降幅不大；2010年水果水足迹最高，为1.52×108m3，是2002年的2.36倍。由此可见农产品的种植结构以及畜牧业的产业结构都会对水资源的消耗和利用产生影响。

图4 疏勒河流域农畜产品水足迹Fig.4 The water footprints of crop-livestock products from 2001 to 2010 in Shule river basin

3.1.4 农田灌溉面积和农田灌溉用水量与农畜产品虚拟水足迹的相关性 2001～2010年，农产品水足迹占农畜产品虚拟总水足迹的73.50%(10年均值)，而肉类产品虚拟水足迹仅占26.50%，农产品虚拟水足迹为肉类产品水足迹的2.77倍。由此可知农产品虚拟水足迹为农畜产品虚拟总水足迹主导因子。因此，选取对农产品虚拟水足迹影响最大的两个因素(农田灌溉面积和农田灌溉用水量)分析其与农畜产品水足迹之间的关系。农田灌溉面积和农田灌溉用水量均与农畜产品虚拟水足迹有显著相关性(P<0.05)。农田灌溉面积与农畜产品虚拟水足迹呈显著正相关关系(图5)，表明随着农田灌溉面积的增加农畜产品虚拟水足迹在不断增长。农田灌溉用水量与农畜产品虚拟水足迹呈显著正相关关系，说明农田灌溉面积的增加影响了农畜产品虚拟水足迹的增长。

图5 农田灌溉面积(a)和农田灌溉用水量(b)与农畜产品水足迹的相关性Fig.5 The correlation between irrigation area(a),irrigation water consumption(b) of farmland and water footprint of crop-livestock products

3.2 疏勒河流域水足迹评价

根据疏勒河流域相关统计资料和水足迹评价指标的计算方法，得出了2001～2010年疏勒河各项水足迹评价指标(表3)。

表3 2001～2010年疏勒河流域水足迹评价指标Table3 Evaluation indexes of water footprint during 2001 to 2010 in Shule river basin

注：工业、生活和生态用水均从甘肃省统计年鉴和水资源公报上获取，缺2009～2010年进出口虚拟水数据

3.2.1 疏勒河流域水足迹进口依赖度 疏勒河流域2001～2010年水资源进口依赖度呈先增长后减少。2001～2005年水资源进口依赖度出现逐年增长的趋势，2005年水资源进口依赖度最高，为0.040，2005～2008年水资源进口依赖度出现下降趋势，2008年水资源进口依赖度最低，为0.009(表3)，较2005年水资源进口依赖度下降了77.5%。

3.2.2 疏勒河流域水足迹效益评价 在检测年间水资源集约利用度总体呈增长趋势。2001～2005年出现先下降后增长的趋势，2002年水资源集约利用度最小，为5.96；2006～2009年出现增长趋势，2009年水资源集约利用度最高，为13.37，是2006年的1.75倍。2010年的水资源集约利用度比2001年增加了79.67%，说明疏勒河流域居民经济生产中将水资源得到了有效利用，产生了较高的经济效益。

水足迹净贸易量2001～2008年总体呈增长趋势且均为正值。2001～2002年水足迹净贸易量略有下降，2005～2008年出现明显增长趋势，在2008年达到最高值，为2.18×108m3。2008年的水足迹净贸易量约为2001年的10.9倍，说明在虚拟水贸易中疏勒河流域属于水资源输出地，且输出量在逐年增大。

3.2.3 疏勒河流域水资源压力评价 2001～2010年疏勒河流域的水资源压力指数呈波动中上升趋势，但水资源压力指数的值均<1，表明疏勒河流域用水量在水资源的承载力之内。2001～2003年出现下降趋势，2001年水资源压力指标比2003年下降了3.75倍，自2005年开始水资源压力指标越来越高，呈逐年增长趋势，2010年达到最大值0.75，2010年比2001年水资源压力指标增长了67.08%。

3 讨论与结论

疏勒河流域2001～2010年总水资源虽然总体呈现上升趋势，但受不可控因素影响较多，因此从水足迹的角度探讨有效利用水资源将成为缓解疏勒河流域水资源短缺的有效途径。从人均水足迹角度来看人口的增减会影响人均水足迹的变化，人均水足迹会随着人口的增长而增加。

农畜产品虚拟水量对内部水足迹影响最大，其中粮食、肉类等农畜产品的虚拟水量直接影响农畜产品总的虚拟水量。虽然棉花的单位虚拟水含量高于粮食的单位虚拟水含量，但由于粮食产量远高于棉花产量，因此，在农畜产品虚拟水含量中，不仅要看农畜产品的单位虚拟水量，更要注重总产量对农畜产品虚拟水含量的影响。此外，不同农产品的虚拟水含量有所不同，应尽量减小高耗水粮食的种植面积以及有效的优化农产品的种植结构。因此，从消费角度考虑，在不影响人类正常生活水平，满足人类生活消费需求的前提下，调整农产品的消费结构，切实落实节水措施，让居民更深入的了解水足迹这一概念对有效利用水资源具有重要意义。

疏勒河流域的出口虚拟水量高于进口虚拟水量，且出口虚拟水量不断增加，表明水资源输出量逐年增加，且农产品的出口量最多，而农产品的单位虚拟水含量较高，将为该流域水资源利用带来巨大的压力。因此，需要改变现有水足迹结构及生产消费结构，减少虚拟水含量较高的农畜产品的出口，大量进口水密集产品从而实现间接引进水资源。改变疏勒河流域在虚拟水贸易中的地位，大量增加虚拟水含量较少的产品如水果、甜菜的出口贸易，同时进口虚拟水含量较高产品如粮食、肉类，将成为改善水资源短缺的有效方法。

2001～2010年疏勒河流域水资源进口依赖度的变化趋势与新疆地区1999～2009年水资源进口依赖的变化趋势有一致性[21]，主要生产生活用水来自于本地水资源，对进口水资源依赖较少。近年来，我国居民对生态环境需求日益加深，生态环境建设已成为必然趋势[22]。在研究时段内我国的水资源压力指数持续增加[23]。与全国水资源压力指数变化相比较，疏勒河流域水资源压力指数与全国水资源压力指数的变化相同在逐年增加，地区间水资源压力指数的增长会影响全国的水资源压力指数，一旦水资源压力指标达到饱和，水资源将成为可持续发展的限制因素。由于疏勒河流域水资源压力指标在逐年增加，选择对水分需求低，耐热耐旱性的作物能有效节省水分消耗[24]。解决水资源问题不仅需要采取节水农业等措施提高水资源的利用效率，还需通过虚拟水贸易方式优化产业结构，优先发展综合效益高的产业，从区域水资源平衡及水资源高效利用层面上缓解水资源压力[24]，进而实现疏勒河流域水资源可持续利用和经济社会的协调发展。

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Dynamic characteristics and evaluation of water footprint in Shule river basin from 2001 to 2010

ZHONG Wen-Ting1,ZHANG Jun1,2,CAI Li-Qun1,2,ZHANG Ren-Zhi1,2

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,GausuAgriculturalUniversity，Lanzhou730070,China；2.ResearchCenterofWater-savingAgricultureofGansuProvince,Lanzhou730070,China)

In order to improve the utilization efficiency of water resources,the water footprint dynamic characteristics from 2001 to 2010 in Shule river basin were studied by using water footprint model.The results showed that the total water footprint had a growth trend,and the water footprint per capita increased from 772.537 m3to 1 304.476 m3.The intensive utilization degree of water resources also showed a growth trend which increased from 6.053 in 2001 to 10.875 in 2010,it illustrated that the water resources efficiency has been improved.The water resources pressure index increased from 0.447 to 0.747,it stated that although water resources utilization pressure still in the range of water resources bearing capacity,the pressure of water resources went up constantly.The farmland irrigation water and cultivated area had a positive correlation(P<0.05) with the virtual water footprint of agricultural and animal products.In order to enhance the utilization efficiency of water resources in Shule river basin,the strategy of water-saving agriculture should be carried out in the future.Besides,for realizing the sustainable utilization of water resources and sustainable development of economic society,the industrial structure should be optimized through virtual water trade.

Shule river basin;water footprint;virtual water;virtual water trade

2015-04-16；

2015-04-27

国家自然科学基金(31160269)；国家科技支撑(2012BAD14B03)；甘肃省高校基本科研费(041013)；甘肃农业大学青年导师项目(GAU-QNDS-201402)资助。

钟文婷(1987-)，女，甘肃兰州人，硕士研究生。 E-mail：tinghao_4391@qq.com 蔡立群为通讯作者。

S 157.1

A

1009-5500(2015)06-0027-08