基于水足迹的作物生产生态效率评价——以陕西省为例

传统生产函数很少考虑农业生产中自然资源的要素功能，也无法表达化肥、农药的使用对环境产生的损害。研究将绿水、蓝水和灰水足迹，分别代表降水资源、灌溉水资源和作物生产的环境影响，引入农业生产函数，采用随机前沿方法测算陕西省作物生产生态效率，并分析其影响因素。结果表明：1）1985-2018年间陕西省作物生产总水足迹呈上升趋势，作物生产单位面积用水强度不断增强。单位面积水足迹及蓝、绿、灰水占比与气候、种植结构，灌溉条件和农业污染相关。2）研究期内，陕西省作物生产生态效率以2003年为分界点呈现先降后升趋势，陕西省作物生产生态效率的U型波动对应政府对耕地资源保护和农业污染管控政策变化。3）作物生产生态效率低下的区域集中在生产落后的农业区和农业条件差的工业区，农业耕地质量差，灌溉条件匮乏，低效率（产值角度）的灌溉和化肥农药施用以及落后农业生产方式是导致作物生产生态效率低下的主要原因。4）研究期内，陕西省作物生产经历了从规模报酬递增，到规模报酬递减2个阶段，与耕地面积的变化基本对应。短期内，考虑各投入要素的产出弹性调整种植结构和化肥农药施用量是提高作物生产生态效率的有效措施，而促进农业产业升级和技术革新是推动作物生产生态效率提升的根本路径。     

农产品水足迹研究进展

水是人类生产生活的重要资源,科学合理地评价人类活动对水资源的影响是实现水资源可持续利用的重要保障.水足迹概念的提出创新性地将人类活动消耗的水资源区分为绿水、蓝水和灰水,拓展了水资源可持续利用的评价思路.基于虚拟水(VW)的水足迹理论和基于生命周期(LCA)的水足迹理论将水质与水量的概念相结合,成为了农业水资源管理研究的热点内容.基于VW的水足迹理论主要包括绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹的计算,以及水环境可持续性评价,而基于LCA的水足迹理论体现了水资源的消耗和污染及其对环境造成的综合影响.本文详细介绍了这两种水足迹理论的计算方法与环境可持续评价的研究进展,对比分析两种水足迹理论在描述农产品生产用水及其环境影响方面的差异性,并对其研究前景进行了展望.     

湖南省水稻生产水足迹及其影响因素研究

为分析湖南省水稻生产水资源的占用情况, 采用水足迹方法研究了2002-2015年湖南省水稻生产水足迹; 利用贡献率分析方法探究气象因子和生产要素对水稻水足迹的影响。结果表明: 水稻水足迹在研究时段内整体呈现下降态势, 年际变化呈现波动性上升期(2002-2005年)、快速下降期(2005-2009年)、缓慢下降期(2009-2015年)三个阶段性波动特征; 灰水足迹最大, 比例从69.03%下降到68.98%, 蓝水足迹比例从14.21%下降到12.75%; 绿水足迹从16.75%提高到18.26%; 农机动力、化肥投入、成灾率是是水足迹的主要影响因素, 其中农机动力起抑制作用, 化肥投入、成灾率起促进作用。建议湖南水稻生产水足迹调控的措施主要为提高水稻生产机械化水平及合理施肥。     

河南省夏玉米生产水足迹区域差异

作物生产水足迹是衡量整个作物生产过程中水资源利用状况的综合指标,能清晰地反映出水资源消耗类型、数量以及用水效率,为农业水资源管理评价提供了全新的思路。本研究在计算玉米单产的基础上,分析了1990—2015年河南省6个玉米种植区生产水足迹的时空差异。结果表明:河南省玉米生产水足迹呈现先波动下降后趋于平稳的态势;不同产区的生产水足迹差别较大,其中豫西玉米生产水足迹最高,豫东、豫中南、豫北的生产水足迹低于河南省平均值;绿水是河南省玉米生产需水的主要组成部分,占生产水足迹的80%以上;在时空分布上,均表现为生育期间降水量越低,绿水生产足迹所占比越高;基于对6个玉米种植区水足迹的分析,建议对豫西、豫南等玉米生产水足迹较高的区域,应推广抗逆性强的品种,提高水分利用效率,缩减玉米种植面积,而豫东、豫中南和豫北3个区域玉米生产水足迹较低,属于玉米种植优势地区,应保持或扩大玉米种植面积。     

基于水足迹理论的煤制油产业布局评价

煤制油是我国应对石油危机的重要途径之一,但其高耗水的特点使其备受争议。利用水足迹理论对全国五大煤炭基地2015年规划的煤制油产业进行了蓝水足迹和灰水足迹的测算,分析了煤制油产业对这些区域水资源的耗用情况及冲击程度。结果显示,神东、晋东和新疆伊犁3个基地的煤制油产业蓝水足迹超过了1亿t、灰水足迹超过了3亿t,其中神东地区作为最大的煤制油产地两项数值分别达到1.9亿t和4.1亿t与当地水资源总量对比,宁东地区煤制油耗水冲击最大,占当地水资源总量的28.2%;新疆伊犁地区比例最小,为0.36%。通过对这5个煤炭基地以区域为尺度的水足迹结构分析和评价比较,得出了两种煤制油工艺的水资源消耗差异,并且为煤制油产业在五大基地的合理布局给出了依据,与此同时为接下来煤制油产业的技术革新和流程优化也提出了相应的建议。     

基于投入产出表的中国水足迹走势分析

水足迹是近年来国内外研究水资源压力的常用方法.基于投入产出表的水足迹分析方法,分析了我国1997-2007年的水足迹状况,改进了耗水系数的计算方法,研究了基于稀释理论的灰水足迹计算方法,计算了外部水足迹及额外水足迹负重以及相应系数,分析了我国水足迹消费的商品(服务)结构.结果表明,1997-2007年我国年均水足迹总量为2.83万亿m3,总体呈现下降趋势,其中蓝水足迹为2183亿m3,灰水足迹为2.62万亿m3(以Ⅲ类水标准核算).在水足迹总量中,间接水足迹占据比例达到90％,可见水资源压力的产生主要基于商品或服务的消费.我国水足迹基本上依靠自给,同时我国承担其他国家的水资源压力的比例很大,但是整体上呈现下降趋势.从水足迹消费商品(服务)结构上看,与饮食相关的商品或服务占较大比例.     

北京市水足迹及农业用水结构变化特征

运用水足迹的理论和方法计算评价了1990—2005年北京市水足迹及水资源利用的可持续性,在此基础上进一步分析了北京市农业用水结构的变化特征。结果表明:(1)北京市水足迹从1990年的81.5亿m3上升至2005年的168.6亿m3,人均水足迹由750.1m3上升为1096.0m3;(2)北京市水资源匮乏度不断升高,1995年以来水资源自给率呈下降趋势,与之相对应的水资源依赖度越来越高;(3)农业部门用水量在本地用水量中的比例平均每年为55.1%,虚拟水净输入量在虚拟水净输入总量中的比例平均每年达到89.1%;(4)高耗水型作物产品生产用水比例升高加大了农业用水压力,动物产品生产用水量呈增加趋势,2001—2005年动物产品生产引入的虚拟水占到其虚拟水总量的81.3%。北京市水资源利用呈不可持续状态,通过农业系统内部结构的优化调整,实现农业部门水资源的高效利用是缓解北京市水资源紧缺问题的关键。     

干旱区城郊种植业水足迹分析与适宜耕地规模测算——以乌鲁木齐市为例

水足迹方法能够完整、清晰地描述种植业的耗水特征。以干旱区绿洲城市乌鲁木齐市为例,运用水足迹模型分析种植业产品耗水特征,构建水足迹强度系数以探讨种植业耗水对本地水资源的影响度,进而从作物水足迹和水源类型角度建立绿洲耕地规模测度模型测算乌鲁木齐市适宜耕地规模,研究发现:①作物生长期水足迹受土壤水分胁迫和产量损减影响呈现差异化;②2005-2011年间,绿水强度系数波动剧烈,蓝水强度系数均值超出容量极限,作物生长期对蓝水资源依赖性较强,从而进一步加剧了蓝水资源的匮乏;③乌鲁木齐市合理耕地规模约为6万hm²,2005-2011年种植业实际耕地规模均处于超载状态,超载量变化呈现先降后升的特征,现状种植业发展模式对绿洲生态系统扰动不断加剧。     

基于灰水足迹的中国城市水资源可持续利用综合评价

随着城市化的快速发展，中国城市水资源面临着水资源短缺与水环境恶化等挑战，因此加强城市水资源可持续利用对于中国可持续发展具有重要意义。基于灰水足迹核算对2016年中国地级市水资源可持续利用情况进行综合评价。研究结果表明：（1）中国城市灰水足迹水平差异大，平均值为23.40×10⁸ m³，主要集中在20.00×10⁸ m³以下。中国城市农业源灰水足迹比例占比主要在70%以上，工业源比例占比主要在20%以下，而生活源比例占比在40%以下；（2）全国灰水经济生产率在12.45-857.31元/m³范围内，地区差异明显。33%城市灰水足迹荷载系数均大于1，全国地级市灰水足迹荷载系数平均值为1.16，城市水资源利用已对水环境产生污染压力，用水不可持续；（3）城市水资源开发率与灰水足迹荷载系数呈一定程度的正相关关系，说明了城市发展对水资源利用的"量"和"质"的压力作用具有一定的协同关系；（4）水资源可持续利用程度呈现大型城市 > 特大型城市 > 超大型城市 > 中小型城市，城市发展一定程度上有助于水资源的可持续利用，但发展规模过大可能会造成用水高产而护水低效的现象。因地制宜的实行水资源循环经济发展模式以及适时纳入灰水足迹核算与管理体系，是当前城市化大背景下实现水资源可持续利用的重要途径。     

城市水资源生态足迹核算模型及应用——以沈阳市为例

水资源生态足迹可以直接反映区域人类社会经济活动对水资源的压力.本研究在现有的生态足迹模型基础上,充分考虑城市自然生态系统对水资源的需求,建立了包括居民日常生活用水、生产运营用水、公共服务用水和生态需水4类帐户的城市水资源生态足迹核算模型,并结合沈阳市实际情况,确定了模型中的相关参数,对沈阳市水资源生态足迹和生态承载力进行分析.结果表明:2000-2009年,沈阳市人均水资源生态足迹总体呈下降态势,但各年度均为水生态赤字;2005年较2000年水资源生态足迹人均下降0.31 hm2,2006、2007年有小幅回升,2008、2009年趋于平稳,说明沈阳市水资源可持续利用状况有一定改善,但仍处于不可持续状态.     

The water footprint of Tunisia from an economic perspective

This paper quantifies and analyses the water footprint of Tunisia at national and sub-national level, assessing green, blue and grey water footprints for the period 1996–2005. It also assesses economic water and land productivities related to crop production for irrigated and rain-fed agriculture, and water scarcity. The water footprint of crop production gave the largest contribution (87%) to the total national water footprint. At national level, tomatoes and potatoes were the main crops with relatively high economic water productivity, while olives and barley were the main crops with relatively low productivity. In terms of economic land productivity, oranges had the highest productivity and barley the lowest. South Tunisia had the lowest economic water and land productivities. Economic land productivity was found to explain more of the current production patterns than economic water productivity, which may imply opportunities for water saving. The total blue water footprint of crop production represented 31% of the total renewable blue water resources, which means that Tunisia as a whole experienced significant water scarcity. The blue water footprint on groundwater represented 62% of the total renewable groundwater resources, which means that the country faced severe water scarcity related to groundwater.     

Comparison of volumetric and stress-weighted water footprint of grain products in China

The water footprint (WF) concept links physical and virtual forms of water, which can be used for research on the impact on water resources imposed by human consumption or production activities. Debates remain on the calculation methods due to WF being applied for different research purposes, and the large amounts of data required for the calculation being hard to obtain. This paper calculated and compared two WFs called volumetric WF (the volumes of blue and green water are combined with the same weight) and stress-weighted WF (the volumes of blue and green water are combined with different weights) based on water use data to research crop water productivity of grain crops and its impact on water resources in each region of China. Results for volumetric WF and stress-weighted WF of grain products of each region in China differed greatly. In 2010, the average volumetric WF was 1.25 m³/kg with the blue component 0.53 m³/kg, and the average stress-weighted WF was 0.51 m³/kg. In addition, there were significant differences of both kinds of WFs among regions in China. The results showed that volumetric WF could be used as a comprehensive indicator for evaluating crop water productivity, specified in space and time by source (green and blue WFs). Stress-weighted WF could offer a meaningful way of making quantitative comparisons between products, production systems and services in terms of their potential to contribute to water scarcity. The spatial distribution of these two WFs can help decision making to develop water-saving measures, relieve water stress and restore ecosystems for each region in China.     

Water footprint benchmarks for crop production: A first global assessment

In the coming few decades, global freshwater demand will increase to meet the growing demand for food, fibre and biofuel crops. Raising water productivity in agriculture, that is reducing the water footprint (WF) per unit of production, will contribute to reducing the pressure on the limited global freshwater resources. This study establishes a set of global WF benchmark values for a large number of crops grown in the world. The study distinguishes between benchmarks for the green–blue WF (the sum of rain- and irrigation water consumption) and the grey WF (volume of polluted water). The reference period is 1996–2005. We analysed the spatial distribution of the green–blue and grey WFs of different crops as calculated at a spatial resolution of 5 by 5′ with a dynamic water balance and crop yield model. Per crop, we ranked the WF values for all relevant grid cells from smallest to largest and plotted these values against the cumulative percentage of the corresponding production. The study shows that if we would reduce the green–blue WF of crop production everywhere in the world to the level of the best 25th percentile of current global production, global water saving in crop production would be 39% compared to the reference water consumption. With a reduction to the WF levels of the best 10th percentile of current global production, the water saving would be 52%. In the case that nitrogen-related grey WFs in crop production are reduced, worldwide, to the level of the best 25th percentile of current global production, water pollution is reduced by 54%. If grey WFs per ton of crop are further reduced to the level of the best 10th percentile of current production, water pollution is reduced by 79%. The benchmark values provide valuable information for formulating WF reduction targets in crop production. Further studies will be required to test the sensitivity of the benchmark values to the underlying model assumptions, to see whether regionalization of benchmarks is necessary and how certain WF benchmark levels relate to specific technology and agricultural practices.     

基于水足迹的山东省农业水土资源匹配特征及短缺压力分析

高强度农业开发引起的农业水土资源生态问题日益增多,探究粮食及蔬菜（粮蔬）生产中水土资源空间配置及短缺压力对农业资源的可持续利用具有重要意义。从水足迹视角出发,分析了山东省3种主要粮食作物（冬小麦、玉米及大豆）和两种不同种植模式蔬菜（设施蔬菜和露地蔬菜）的生产水足迹空间特征;同时将资源数量及资源质量的概念纳入研究框架,分析了农业水土资源数量及质量匹配格局差异,并进一步探究了农业水土资源短缺压力及其影响因素。研究结果表明：（1）2019年,山东省粮食和蔬菜的生产总水足迹为811亿m³,其中粮食生产总水足迹占比78.50%,蔬菜生产总水足迹占比21.50%;粮蔬生产水足迹受地势影响明显,鲁西北及鲁西南平原地区的粮蔬生产水足迹占比较大。（2）考虑资源数量的水土资源匹配系数均值为0.622×10⁴ m³/hm²,考虑资源质量的匹配系数均值为0.416×10⁴ m³/hm²;水土资源数量及质量匹配系数在空间上呈现出一致性,表明山东省农业生产水土资源空间配置水平高的地区同时面临着较大的农业面源污染压力。（3）整体上,土地资源短缺压力略高于水资源短缺压力;基于生产视角的水土资源短缺压力受生产环境因素制约显著,受经济发展因素的影响具有差异性,社会因素对水土资源短缺压力无显著影响。研究可为农业资源可持续管理提供数据基础,为全面理解粮蔬生产所产生的水土资源短缺提供案例参考。     

不同播种时间对吉林省西部玉米绿水足迹的影响

玉米是吉林省西部的主要农作物,水是玉米生产的主要制约因素.如何有效利用有限的水资源,保证玉米高产是亟需解决的问题.通过大田试验,探讨不同播种时间对吉林省西部玉米生产过程中绿水消耗量及其来源的影响,以提高雨水的利用率.3a大田试验的研究结果表明,无论是降水较充足的2005年,还是一般干旱的2006年和极端干旱的2007年,玉米生产需水量中均以绿水消耗量为主,占98％以上.玉米生产的绿水足迹中,2005年以有效降水足迹为主,2006年、2007年以土壤水足迹为主.前3个播期的玉米绿水足迹中有效降水量所占比例,2005年分别为80.4％、87.6％和89.1％,2006年分别为41.3％、43.3％和46.6％,2007年分别为34.2％、35.5％和36.5％.适当晚播使玉米生长季中有相对较多的降水量,气温亦较高,雨热匹配较好,利于玉米生长,而且绿水足迹中有效降水量所占比重也较大.因此,适当晚播有利于提高雨养农业区雨水的利用率,保护土壤水平衡,促进农业的可持续发展.     

华北平原冬小麦-夏玉米生产灰水足迹及其县域尺度变化特征

华北平原是种植冬小麦和夏玉米的主要区域,农民为达高产而过量使用化肥对该区造成了严重的面源污染。"有河皆干,有水皆污"已经成为华北平原水资源与水环境现状的概语。灰水足迹理论与方法的提出为定量评价农业生产对水环境的影响提供了一条新的思路。因此,基于精细的县域尺度农业基础数据,运用灰水足迹评价方法,分析了华北平原1986—2010年的冬小麦-夏玉米灰水足迹及其时空变异特征。结果表明:华北平原冬小麦和夏玉米产品灰水足迹分别为0.55—2.97m3/kg和0.50—2.02m3/kg,均为美国、德国等地区的2—10倍;河北衡水、保定等地区灰水足迹较低,渤海湾等地区灰水足迹较高;冬小麦和夏玉米25a总灰水体积为2.67×1010—5.84×1010m3,平均值为3.90×1010m3,总体表现为随时间变化呈波动上升趋势。建议在华北平原要注意严格控制施肥量、提高肥效,积极推广测土配方施肥、缓释肥等养分资源管理技术,积极发展利用沼液、有机肥等化肥替代技术;要控制肥料地表流失和地下淋失,大力发展冬小麦-夏玉米轮作条件下的机械化喷灌、滴灌、微喷带等灌溉系统条件下的水肥一体化技术,全面实施秸秆、地膜等覆盖技术减少农田土壤流失以及深松等耕作技术实现土壤水库的增容扩蓄。     

中国省际灰水足迹测度及荷载系数的空间关联分析

借鉴Hoekstra等提出的灰水足迹计算公式,从农业、工业及生活三方面计算了1998—2012年中国31个省市(自治区)的灰水足迹及其灰水足迹荷载系数。结果表明:1研究期间全国灰水足迹呈现波动趋势,1998年至2006年的灰水足迹呈现波动上升趋势;2007年开始,全国灰水足迹呈现下降趋势;农业在总灰水足迹的贡献率最高、工业最低;231个省市(自治区)15a灰水足迹荷载系数整体呈现小幅波动趋势。在全国内部也存在着明显的地区差异,大体分为5类,分别为高荷载地区、较高荷载区、中度荷载区、较低荷载区、低荷载区。3借助全局与局部空间自相关对全国31个省市(自治区)灰水足迹荷载系数进行空间关联格局分析可知,中国省级灰水足迹存在空间集聚现象且集聚现象逐渐减弱,其中H-H集聚区主要集中在华北地区,L-L集聚区主要集中在南方与青藏地区。通过全国灰水足迹测度与灰水足迹荷载系数空间关联格局分析为灰水足迹分析提供新的研究思路同时为区域可持续发展提供理论支持。