王云飞

摘要：基于水足迹理论和方法对2006～2015年山西省的农业水足迹进行了计算研究。结果表明：①山西省2006～2015年的水足迹平均值为322.4亿m³，是同年份总用水量平均值的4.75倍。山西省2006～2015年人均水足迹平均值为927 11_13、人均用水量平均值193.87 m3，同样相差4倍，水资源利用面临着巨大压力;②山西省2006～2015年的农产品水足迹平均值达到296.3亿m³，是2006～2015年平均农业用水量45.12亿m³的7.4倍，说明在山西省水资源利用过程种对农业生产中消耗的实际水资源量应予以重新认识;③在山西省的水足迹组成结构中，2006～2015年连续10年间农业生产水足迹的比重都在90%以上，因此，正确处理好农作物的种植结构、规模、发展方向对于山西省水资源的合理利用和可持续发展具有至关重要的作用。

关键词：水资源利用;虚拟水贸易;可持续评价

中图分类号：F062.1

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）4-0205-05

1 研究综述

水资源是人类生存和经济社会发展的物质基础，是不可替代的重要自然资源。世界上65%的水资源集中分布在10個国家，而占全球人口总数40%的80个国家却严重缺水。自20世纪50年代起，我国随着经济、社会、资源等方面的迅速崛起，水资源的需求量也与日俱增，不少经济发达、用水量大的地区已经开始出现水资源利用紧张的问题[1，2]。山西省处于干旱半干旱气候带上，是东南沿海丰水区和西北干旱地区的过渡区域，水资源利用的脆弱性和敏感性远高于其它地区。而农业用水多年来一直是山西省水资源利用中的主要部分，因此，农业水资源的合理分配和利用是山西省水资源利用的重中之重。水足迹反映了人类社会生产、消费各个环节对水资源的真实占用，从产品全生命周期角度衡量间接的虚拟水与直接的实体水的总和。同当前统计年鉴对实体水的统计不同，水足迹使得人类社会水资源使用量的衡量方式发生了变化。

Hoekstra在2002年的虚拟水贸易国际专家会议上首次明确提出了水足迹的概念[3]。Hoekstra指出，水足迹是用于生产该产品的整个生产供应链之中的用水量之和;在随后发表的文章当中，Hoekstra将水足迹进一步分为绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹3个二级账户，并完善了水足迹的核算方法[4];他的学生Chapagain等人用运水足迹模型计算了世界范围内棉花的生产水足迹[5];在2007年，Chapagain又利用水足迹理论，计算了荷兰茶叶和咖啡的水足迹[6]。在2010年和2014年，Hoekstra分别进行了流域和地区的水足迹研究。2003年程国栋院士最早用虚拟水计算了西北干旱地区生活虚拟水消费量;之后孙才志等人在中国各地区农产品虚拟水的基础上，进一步阐明了虚拟水与水资源、耕地、人口、水土流失等的关系。

目前对于山西省水足迹的研究较少，仅在一些较大尺度的研究中涉及到山西省的部分地区。研究在前人研究的基础之上，对山西省2006～2015年主要农作物的水足迹进行了核算。从虚拟水利用的角度，对山西省的水资源状况进行了分析，总结了其10年来的发展变化规律。

2 研究区概况

山西省位于黄河中游，北纬34°36′～40°44 ′，东经110°15′～114°32′的位置，总面积15.6万km²。属于中部省份，境内山地多，水资源不足，农业生产的自然条件较差，全年降水量在400～650 mm之间，主要集中在夏季，全省共有河流1000多条，流域面积100 km²以上的有240多条。其中汾河、沁河、涑水河等属黄河水系;桑干河、漳河等属海河水系。河川径流量114亿m³，多年来水资源紧缺，一直是制约山西农业发展的重要因素之一。

3 研究方法

水足迹理论是由Hoekstra于2002年提出的概念，它是基于消费基础的水资源利用情况的指示器[9]，一个国家或地区的水足迹定义为该国家或地区的居民的生产和服务的水资源需求总量[10]。

3.1 主要农作物的选取及原因

山西省农作物的选取主要是根据山西省2006～2015年逐年份的农作物播种面积、产量、和经济贡献值来进行的，将山西省的主要农作物分为粮食作物、蔬菜、油料作物、棉花、水果5大类。粮食作物选取了小麦、玉米、谷子、高粱、燕麦、荞麦、大豆、马铃薯等主要农作物;油料作物选取了向日葵和胡麻子两个当地主要种植的作物;水果只选取了苹果进行计算。苹果也是山西省主要的水果作物，占水果种植面积的80%以上;蔬菜由于并没有详细的统计资料，各年份间主要蔬菜作物的产量变动也比较大，所以这里直接采用了每年蔬菜的总产量数据进行水足迹的核算。

目前，国内绝大多数水足迹研究中的单位质量农产品虚拟水含量都采用Chapagain等对于中国部分产品的研究成果，本研究也直接引用了其相关研究结果。

3.2 数据来源

文章数据来源包括：2006～2015年山西省统计年鉴，主要农产品产量和地区生产总值、进出口贸易数据等都来自于此;2006～2015年山西省水资源公报中的农业用水量，水资源总量和供水量等数据;国际上有关虚拟水研究中中国地区主要农畜产品单位虚拟水含量。

3.3 计算方法

根据水足迹定义的延伸可知，区域农业水足迹等于生产本地居民消费农产品和服务的直接或间接用水量，包括内部农业水足迹和外部农业水足迹：

AWFP=AIWFP+AEWFP

（1）

式（1）中，AWFP为农业水足迹;AIWFP为内部农业水足迹，AEWFP为外部水足迹。采用自上而下的方法计算，可以更好的体现农业生产中各部分耗用水资源的状况。因而：

AWFP=AWUIAVWE+AVWI=AWUINVWI

（2）

式（2）中，AWU为本地农业用水量;AVWE为农业虚拟水输出量;AVWI为农业虚拟水输入量;NVWI为农业虚拟水净输入量。其中，农业用水量包括植物产品用水量和动物产品用水量，由区域农产品产量与单位产品虚拟水含量相乘得到，即：

式（3）中：AWU为农业用水总量;P_i为第i种农业产品的产量;VWCi为第i种农业产品的单位虚拟含水量。

由于山西省统计年鉴种有关进出口产品采用分类价值量统计，且分类较粗，没有详细的农产品进出口记录，所以对于农产品的净输入量采取了估算的方式，具体为：

NVWI=Mn/GDP ×W

（4） 式（4）中：Mn为当年进出口贸易值（万元）;GDP为同年的地区生产总值（万元）;W为当年的生产耗水量。

4 山西省农业水足迹计算结果分析

4.1 山西省农业用水结构

在核算山西省2006～2015年的农业水足迹之前，对山西省这段时间农业用水量的结构和变化进行了分析（表1）。以更好地反映山西省各个方面农业用水的数量变化、比重增减状况。

山西省农业用水量总体呈不断增长的状态，这也从侧面说明，山西省对农产品的需求在不断增加。从表1可以看出，其中主要以水浇地的用水量为主，并且在计算时间内比重有所增加，2015年占到农业总用水量的89.8%;水田、菜田、草场、鱼塘的用水量均出现不同程度的下降;林果地灌溉和牲畜用水量则有所增加。4.2农业水足迹

跟据公式（1）～（4），借鉴Hoekstra等人中国主要农除产品单位虚拟水含量的研究成果，结合山西省相关农作物数据和动物产品产量计算了2005～2016年山西省农业水足迹以及植物、动物产品用水量。

表2反映了山西省农业水足迹的变化，从2006～2015年水足迹从225亿m3增加到了366亿m3，上升趋势明显。农业水足迹的增加，主要是由于随着经济的发展，2011年开始，对于动物产品的需求显著增加，统计年鉴中对于动物产品有了明确的产量统计;山西省进行了大规模的产业调整，改变了以往以煤炭等重工业为主的发展模式，响应国家相关政策，农业地位有所上升，耕地面积有少量的增加;市场的刺激作用，居民生活水平不断提高，对于各类农产品的需求增加。此外可以看到，农业水足迹要远高于当年统计的农业用水量，主要是由于农业水足迹计算的是生产产品的整个过程中所消耗的水资源，其次主要是由于农产品虚拟水计算过程中涵盖了降水量，而农业用水量主要是由灌溉用水量和林牧渔畜用水量组成的，并未统计被土壤直接利用的降水量[9]。山西省对于农产品的实际用水量远超过统计的农业用水量，让人们对山西省的农业水资源利用情况有了新的认识，需要更加注意加强水资源利用的节约性和紧迫性。

结合表1可以看到，在山西省的主要农作物当中单位虚拟水含量最高的是棉花5.68 kg/m³、油料5.1 kg/m3，而实际的农业水足迹当中粮食、蔬菜、水果等所用的水量才是最多的。蔬菜是日常生活中必不可少的食品，巨大的需求是其播种面积较大的原因，居民的生活消费方式对作物的生产有着至关重要的影响。蔬菜的大面积种植使得棉花等高耗水作物的种植面积相对较少，这也在某种程度上减少了对水资源的消耗[10]。

此外，还对山西省主要粮食作物的生产用水量进行了计算，从表3可以看到其2006～2015年来的具体变化情况。

动物产品包括猪肉、牛肉、羊肉和牛奶，由于2010年之前产量太小，因此年鉴中并未对其进行统计，所以动物产品用水量的核算是从2011年开始的，2011～2015年，各类动物产品的生产用水量中（表4），猪肉、牛奶的生产用水量较高，羊肉最少。由于山西特殊的地理位置，在晋北地区，对牛羊肉的生产、消费较多，晋中、晋南地区则以猪肉为主。但从总体上看，羊肉的生产用水量还是最少的。这主要是由于，羊肉的价格较高和且居民长期的饮食习惯决定的。由于人类的生活方式、消费习惯短期内很难改变，从山西省2011～2015年动物产品生产用水结构来看，为了节约本地的水资源，可行的方法是增加禽肉、猪肉、蛋奶等虚拟水消耗较多的产品的进口，以顶替一部分当地水资源的使用。

4.3 农业用水量组成结构分析

结合表1可以看到，谷子、荞麦、黍、大豆的单位虚拟水含量都是较高的，即种植同样面积的该作物要比种植其他作物需要消耗更多的水资源，而实际生产用水量最高的是玉米，这是由玉米耐旱、耕作方式简单省力、投入少而产量相对较高的特点决定的，多年来玉米一直是山西省最主要的粮食作物，随着农业技术的提高，产量也在逐年上升。在谷子、荞麦、黍、大豆四种耗水较高的作物当中，黍从2009年以后便不在种植了，主要是由于黍的耕种程序复杂，需要投入的人工劳动力成本较高且对水量要求较高，任何一个方面不满足产量都会出现下滑，因此从2010年开始就被改种玉米了，这在一定程度上优化了山西省水资源的利用结构（表5）。

从优化水资源利用的角度考虑，建议山西省接下来进一步减少谷子、荞麦、大豆等高耗水作物的种植，优化种植结构，充分利用山西省东西部桥梁的区位优势，通过加大这些商品的进口，从而降低對水资源的消耗量;另外，通过改良技术、减少灌溉用水，发展高科技农业，也可以适当的缓解水资源供需的矛盾。

4.4 虚拟水贸易

结合相关数据，计算了2006-2015年山西省农业进口虚拟水量和出口虚拟水量。表6反映了山西省10年来进出口虚拟水贸易的情况。

整体来看，山西省的进出口虚拟水量数值都比较低，这也反映出山西省比较闭塞，同外界的联系较少的现状。水足迹净贸易量反映地区在水资源贸易中的地位和作用。计算方法参考了戚瑞等人的研究，水足迹净贸易量一出口虚拟水量 进口虚拟水量[11]。如果水足迹净贸易量为正值，就表示出口虚拟水量大于进口虚拟水量，说明该地区属于水资源输出地;如果出现负值，则表示该地区为水资源输入地。

除2009年、2010年、2012年3年的出口虛拟水量小于进口虚拟水量外，其余时间段内，出口虚拟水量均大于进口虚拟水量，在山西省水资源如此紧张的情况下，目前这种虚拟水贸易中水资源输出地的状况，一定程度上加剧了本地水资源的利用压力。建议增加进口虚拟水的数量，并且选择本地产量有限而单位虚拟水含量又较高的产品进口，满足需求的同时也可以优化农产品的种植结构。

由图1、图2中可以看到山西省农业虚拟水进出口当中，植物产品和动物产品所占的比例以及计算时间内的变化趋势。

从图1可以看到，山西省主要农产品的出口中，植物产品占主要部分且计算时间内变化较大，2006植物产品出口量最大，之后逐渐减小，2009年达到最小值，之后开始波动增加，2015年植物产品出口虚拟水量为0.02亿m³。

图2反映了计算时间内山西省动物产品和植物产品的进口虚拟水情况，主要以植物产品为主，动物产品相对较少，有些年份甚至为0，但结合表6可以看到，人们对动物产品的需求在逐渐提高，适当加强禽蛋、猪肉等动物产品的进口，可间接缓解山西省水资源短缺的状况。

5 山西省农业水足迹评价

参照戚瑞等人的研究，对基于水足迹理论的山西省农业水资源利用的可持续性能进行了评价，其判断流程如图3所示。

图3中，WFR为水足迹增长指数：末一年水足迹WFP2与前一年水足迹WFP1之差与前一年水足迹的百分比，即：

该指标反映一定时期区域水资源耗用量的变动幅度，其大小表明区域水足迹增减速度的快慢。

WAR为可用水资源增长指数：末一年可用水资源WA2与前一年可用水资源WA1之差与前一年可用水资源的百分比，即：

该指标反映一定时期区域水资源可利用量的变动幅度，其大小表明区域可用水资源增减速度的快慢。

WSI为水资源可持续指数：水足迹增长指数绝对值与可利用水资源增长指数绝对值的比值，即

这个指数定量反映一个地区水资源可持续利用能力的强度。

结合表7的计算结果可以看到山西省2006～2015年10年来水资源利用的可持续性状况。2006～2008年的2年时间里，山西省水资源利用一直处于不可持续的状态，水资源的实际占用量远远大于当年的可用水资源量。2008～2011年则持续3年处在可持续利用的状态，主要是由于这几年为丰水年，可用水资源量有所增加，缓解了山西省水资源利用的紧张状况。之后的4年时间里，只有2012～2013年为可持续利用状态，其余年份均为不可持续利用，表明近年来随着经济的发展、人民生活水平的提高，山西省水资源利用的情况也越来越紧张，迫切需要优化水资源配置、提高利用效率。

在表8的山西省水资源利用的匮乏度指标中可以更加直接的看到山西省水资源的短缺，从2010年开始，山西省农业水资源的匮乏度一直在不断加剧，在2014年达到了894%。说明山西省境内水资源的短缺程度已经非常严重。

水资源匮乏度指标较大，说明山西省本地水资源已将越来越无法满足本地人们生产生活的需求，需要通过进口虚拟水来缓解水资源供给与需求之间的矛盾。长期高强度的开发本地水资源，不利于山西省水资源的可持续利用。

6 结论和建议

在实际计算过程中，由于受到统计资料、气候条件等多种不确定因素的影响，山西省农业水足迹的研究还有待更进一步的完善。

通过对山西省主要农作物水足迹的分析可以看到，通过调整种植结构、改进生产技术、加强特定产品的虚拟水进口等措施可以减少生产水足迹;消费者改变消费结构，即适当减少对水资源密集产品（肉类）的生产或消费，在可能的情况下以单位虚拟水含量较低的蔬菜来代替以节约水资源利用[12]。此外，提倡节约用水，在生活中注意对水资源的循环利用、安装节水设施等，也有助于缓解山西省水资源的压力。

农业水足迹可以反映居民因消费农产品而对水资源的真正占有情况。通过计算发现，山西省近年来的农业水足迹在逐步增长，主要原因是由于经济的发展使人民消费方式发生改变，对动物产品需求显著增加导致的。从山西省农产品虚拟水的进出口情况来看，目前山西省对外的水资源依赖程度还是很低的，接下来可通过加大外部水足迹的比例来缓解本地的水资源压力。

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