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。     

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.     

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。     

基于空间面板STIRPAT模型的水足迹影响因素分析——以山东省为例

随着中国水资源供需矛盾加剧，虚拟水成为地区水资源管理中不可或缺的一环，为提高地区水资源综合利用效率和探索水资源区域一体化管理提供了新思路。采用"自下而上"法核算了山东省17个城市农业、工业、生活、生态与灰水足迹，在分析2009-2018年水足迹时空分布规律基础上，综合运用探索性空间数据分析方法、面板数据STIRPAT模型和空间杜宾模型，揭示了水足迹的空间自相关特征，量化分析了人口数量、富裕程度、技术进步、城镇化和产业升级等影响因素对水足迹的本地影响效应与空间溢出效应。结果显示：①2009-2018年山东省水足迹总量均呈现波动上升的变化趋势；空间布局上呈现东部沿海和西部平原水足迹高，中部山地水足迹低的特点。②山东省水足迹具有正向的空间自相关性，相比地理位置相邻，水足迹的空间相关性受人口数量因素影响更大，表现出明显的"高高"聚集和"低低"聚集特征，但是受到经济因素的主要影响，区域间水足迹空间相关性随时间发展逐渐下降。③人口数量是山东省水足迹增长的重要来源，经济增长是推动各地区间水资源竞争关系的最重要因素。城镇化能够缓解本地水资源压力，技术进步和产业升级不仅能缓解本地水资源压力，而且通过空间溢出效应有效缓解临近地区水资源压力，是实施水资源区域一体化管理策略的重要着眼点。     

基于生态足迹方法的沈阳地区种植业生产资源消耗评价

根据生态足迹方法,建立了种植业生态足迹模型,计算了2001—2006年沈阳地区种植业生态足迹,分析了单位重量农产品生态足迹构成变化规律及其原因。结果表明:2001—2006年,沈阳地区种植业生态足迹呈现先下降后上升趋势,单位重量农产品生态足迹总体呈下降趋势;耕地足迹是沈阳种植业生态足迹的主要成分,水足迹次之,能源足迹所占比重最小。2001—2006年间,耕地足迹从56.8%降到54.4%;水足迹在27.6%～32.1%波动;而能源足迹从14.0%增加到16.2%;农产品单产的提高伴随着钾肥、复合肥、农药、农膜、农用钢材和柴油投入量的增加。表明近年来沈阳地区种植业生产对化石能源的依赖程度在加大。     

三江平原粮食作物生产水足迹时空特征及影响因素

水足迹是评价人类活动对水资源开采和水环境污染程度的重要方法,对农作物生长过程的绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹进行量化和分析,可以为农业用水综合评价和用水管理提供指导。以三江平原为研究区域量化粮食作物生产水足迹的时空特征,揭示粮食生产对区域水资源的占用情况,并分析水足迹的影响因素。结果表明:(1)三江平原粮食生产水足迹总量在2005-2018年间呈显著增加趋势,其中绿水足迹、蓝水足迹和灰水足迹在水足迹总量中的占比历年平均为28%、8%和64%;(2)粮食生产水足迹空间差异明显,在地市尺度,佳木斯市水足迹最高,占三江平原总量的47%,在县区尺度,富锦市、依兰县和桦南县是水足迹热点地区;(3)只考虑蓝水足迹,粮食生产给三江平原水资源造成轻度压力,而同时考虑蓝水和灰水足迹,粮食生产给三江平原水资源造成重度压力;各地市间水资源压力有较大差异,其中佳木斯市负担了该区域将近一半的粮食产量,水资源压力最高,鹤岗市则水资源压力最低;(4)降雨量、灌溉水利用效率、化肥施用量、粮食种植结构和作物单产水平等都会影响粮食作物生产水足迹,其中蓝水足迹响应种植结构的变化最敏感,灰水足迹响应化肥施用量的变化最敏感,而水足迹总量响应作物单产水平的变化最敏感。因此,建议减少化肥施用量、提高作物单产水平和优化作物种植结构纳入区域水资源可持续管理之中。     

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。     

乐山市动物类产品水足迹测算分析

产品水足迹能反映人类活动在产品全生命周期中对水资源的消耗情况, 为水资源的合理分配和利用提供科学依据。以乐山市为例, 运用水足迹的理论和方法, 测算了动物从出生到出栏过程中的虚拟水量以及出栏后加工成肉类产品期间的生产用水量。结果显示: 乐山市动物产品总水足迹在2000-2011 年呈上升趋势, 2011 年较2000 年总水足迹增加了22.23 亿立方米。比较不同种类动物产品水足迹, 由大到小为牛肉>羊肉>猪肉>其它禽肉>兔肉>水产品>禽蛋>奶类。从水足迹构成看, 年虚拟水量占总水足迹的比重在56.03-60.70%之间。动物产品的耗水环节主要为饲料用水以及出栏后动物产品的加工过程, 建议采取改善饲料成分、改变养殖模式以及加强虚拟水贸易等措施, 从而有效降低动物产品的水足迹。     

长江中游城市群水-碳-生态足迹变化特征及其平衡性分析

长江中游城市群是长江经济带三大跨区域城市群支撑之一,实现该区域高效协同发展对于打造全国重要增长极具有重要意义。基于水-碳-生态足迹评估长江中游城市群资源环境压力,引入基尼系数分析城市群水-碳-生态足迹与经济、人口、水资源的平衡性,并构建深度神经网络模型预测水-碳-生态足迹的未来变化趋势。结果表明：长江中游城市群2000—2015年的人均生态足迹由1.98hm~2增至4.06hm~2,人均碳足迹由0.27hm~2增至0.56hm~2,年平均增幅分别为6.56%和6.5%;人均水资源生态足迹整体呈先下降后上升,最后趋于平衡的变化趋势;大部分城市的水资源超载指数为正值,总体水资源状况良好,湖南和江西水资源状况优于湖北。长江中游城市群面临巨大资源环境压力,且大部分来自于碳排放压力。研究期内,江西省资源环境压力由中上等级升至较高等级;湖南省资源环境压力基本处于高等级;湖北省资源环境压力均处于很高等级。城市群人口分布、经济发展、水资源分布与水-碳-生态足迹的匹配关系较差。从生态足迹角度来看,综合基尼系数均值为0.456,处于“一般不匹配”范围,研究期内呈现缓慢下降趋势,表明区域间整体协调性增强;从...     

基于ARIMA模型的生态足迹动态模拟和预测——以甘肃省为例

生态足迹(EF)是一种定量测量人类对自然利用程度的方法。然而目前对其发展趋势准确的定量分析尚不多见。可采用自回归综合移动平均模型(ARIMA)来模拟并预测区域生态足迹。综合运用生态足迹方法和ARIMA模型对甘肃省1949-2009年的生态足迹和生态承载力进行了动态模拟和分析,在此基础上预测了2010-2015年的生态足迹变化趋势。结果表明:1949-2009年,人均生态足迹呈现上升趋势,预计2010-2015年上升趋势明显加快,2015年会增加到2.6051 hm²/人,是2009年的1.67倍;1997-2004年人均生态承载力逐年减少,2005年之后逐年增加,预计2010-2015年仍会增加;预计2010-2015年所有人均生态足迹组成类型均呈现上升趋势,尤以人均化石能源生态足迹增长显著;1997-2009年人均生态承载力均小于人均生态足迹,导致生态赤字,甘肃省生态环境处于不可持续状态,预计2010-2015年人均生态承载力略有增长,但仍小于人均生态足迹,生态赤字不断增大,预计2015年增长到-2.0468 hm²/人,约为2009年(-1.0262 hm²/人)的两倍,甘肃省生态环境不断恶化;经济的发展依赖于化石能源的消耗而造成对自然资源的过度利用,大量耕地转换为建设用地,草地荒漠化是引起甘肃省生态赤字的主要原因;改变经济发展和资源消费模式,控制人口规模,减少人均生态足迹消耗,优化配置和集约节约利用自然资源,提高生态承载力是促进社会经济和资源环境可持续发展的有效途经。     

Water Footprint of Cereals and Vegetables for the Beijing Market

Beijing is situated in water‐scarce northern China, where there is a history of policies aimed at constraining local agricultural water use to meet the increasing urban water demand. This has led to a change in local crop production and subsequent effects in terms of the importation of cereals and vegetables grown in other parts of China. The dilemma is that local policies designed to improve Beijing's water resources situation may have the unintended consequence of increasing water stress in other regions. In this article, life cycle assessment approaches were used to model both consumptive and degradative water use for the major cereals and vegetables consumed in Beijing, enabling comparison of local and imported supplies. In the Beijing region, cropping cereals rather than intensive vegetables in greenhouses could reduce local blue water consumption by 7,216 cubic meters per hectare per year (m³ ha^?1 yr^?1) and nitrogen pollution by 45 kg ha^?1 yr^?1. However, depending on how the local food shortfall is balanced by imported food, shifts in cropping pattern in Beijing have the potential to cause either an improvement or exacerbation of the nationwide water stress situation (e.g., ?42% to 4% for water scarcity footprint). As such, local policy making regarding agricultural land and water use needs to consider the wider food production context. This situation in Beijing is likely to be representative of the challenge facing many of the world's large and mega‐sized cities, where a sustainable means of increasing food supply must be found.     

A Global Assessment of the Water Footprint of Farm Animal Products

The increase in the consumption of animal products is likely to put further pressure on the world’s freshwater resources. This paper provides a comprehensive account of the water footprint of animal products, considering different production systems and feed composition per animal type and country. Nearly one-third of the total water footprint of agriculture in the world is related to the production of animal products. The water footprint of any animal product is larger than the water footprint of crop products with equivalent nutritional value. The average water footprint per calorie for beef is 20 times larger than for cereals and starchy roots. The water footprint per gram of protein for milk, eggs and chicken meat is 1.5 times larger than for pulses. The unfavorable feed conversion efficiency for animal products is largely responsible for the relatively large water footprint of animal products compared to the crop products. Animal products from industrial systems generally consume and pollute more ground- and surface-water resources than animal products from grazing or mixed systems. The rising global meat consumption and the intensification of animal production systems will put further pressure on the global freshwater resources in the coming decades. The study shows that from a freshwater perspective, animal products from grazing systems have a smaller blue and grey water footprint than products from industrial systems, and that it is more water-efficient to obtain calories, protein and fat through crop products than animal products.     

天山北坡绿洲土壤养分对作物系统变化的响应

以天山北坡三工河流域下游绿洲作为研究区,通过对当地农作物轮作制度的调查和历史资料的分析,遴选6种主要作物组合系统,包括耐盐碱作物系统、粮食作物系统、瓜菜、经济作物-棉花、经济作物-葡萄、经济作物-啤酒花,并利用1982、1999和2003年土壤养分数据,分析干旱区绿洲土壤养分对农作物系统变化的响应.结果表明,研究区不同时期的土地政策和市场价格变化直接影响了作物系统由1年生作物向多年生作物的转变,而土壤有机质经历了先下降后上升的变化过程.1982—1999年其它作物系统向棉花的转变不利于土壤有机质的积累,而1999—2003粮食作物、棉花等向多年生作物的转变使得土壤有机质含量明显增加.三工河流域绿洲土壤总体表现为“碳汇”的过程,说明干旱区绿洲人工植被的变化有利于土壤碳的积累,土地利用呈现可持续发展的态势.     

基于能值的绿洲种植业系统可持续性及敏感性评价——以新疆渭干河流域为例

利用能值理论与方法对2000～2006年新疆渭干河流域种植业系统的可持续性与敏感性进行分析,研究结果表明:(1)种植业系统的能值总投入逐年上升,不可更新工业辅助能与可更新自然资源能是种植业系统主要的能值投入类型,地均能值投入在上、中、下游呈递增趋势;(2)种植业系统的能值总产出呈现逐年上升趋势,地均能值产出在上、中、下游依次增加,棉花是中游与下游重要的能值产出作物,玉米、小麦是上游主要的能值产出作物;(3)中游种植业系统的可持续发展指数较高,近年来基本处于稳定状态;上游与下游可持续发展能力偏低,并且表现为连续下降的趋势,形成上、下游可持续发展指数偏低的本质原因差别较大;(4)种植业系统对可更新自然资源能的变化响应较弱,对不可更新工业辅助能变化的响应最为明显;下游种植业系统在环境改善或恶化的情景下响应最为敏感,上游种植业系统对环境变化的响应较弱.     

气候变化对甘肃省粮食生产的影响研究进展

甘肃省气候自1986年起向整体暖干化、局部暖湿化转型突变.与1960年相比,转型后2010年平均气温升高了1.1 ℃,平均降水量减少了28 mm,干旱半干旱区南移约50 km.气候变暖使甘肃省主要作物生育期有效积温增加,生长期延长,熟性、布局和种植制度改变,宜种区和种植海拔增加,多熟制北移,夏粮面积缩小,秋粮面积增大.弱冬性、中晚熟品种逐步取代强冬性、中早熟品种,有利于提高光温利用率,增加产量.暖湿型气候增加了绿洲灌区作物的气候生产力,暖干型气候降低了雨养农业区的气候产量,水分和肥力条件是决定因素.以提高有限降水利用率和利用效率、改善和提升土壤质量及肥力为核心,选育强抗逆、弱冬性、中晚熟、高水分利用效率的作物新品种,建立适温、适水的种植结构和种植制度,是甘肃省应对气候变化进行粮食生产的主要发展方向.     

气候变化背景下中国南方地区季节性干旱特征与适应Ⅵ.防旱避灾种植模式优化布局

南方地区是我国重要的农业种植区,季节性干旱严重影响该地区的农业生产.本文基于南方地区不同干旱分区中选取的13个典型地区1981-2007年气象资料和作物生育期、产量等资料,依据各地逐年降水量将其分为干旱年、正常年和丰水年3种不同降水年型,利用作物水分临界期需水量与降水量的耦合度、气象产量、单位面积产值以及全生育期的水分利用效率和降水量5个指标,对典型地区种植模式的综合效益进行评价,得到南方不同区域不同降水年型下的优化种植模式.结果表明: 半干旱区在干旱年型下,宜采取2种抗旱种植模式：马铃-玉米-甘薯和冬小麦-中稻-甘薯.半湿润区在干旱年型下,种植模式以冬小麦-中稻-甘薯最优,油菜-中稻-甘薯次之.在温润区(即典型的季节性干旱区),江南地区在3种年型下均以马铃薯-双季稻最优;西南地区宜搭配抗旱作物进行三熟制种植,如冬小麦-中稻-甘薯、冬小麦-玉米-甘薯、马铃薯-双季稻等.从最大程度利用水热资源角度考虑,三熟种植模式最优,以水旱轮作为主,丰水年型宜搭配水稻.     

干旱区典型绿洲城市发展与水资源潜力协调度分析

基于1995-2010年城市发展与水资源开发利用现状,构建了城市发展与水资源潜力的综合评价模型及二者的协调度模型,以探讨乌鲁木齐城市发展及水资源潜力的变化与二者的协调关系。结论如下:(1)乌鲁木齐市的城市发展综合水平基本呈逐年上升趋势,其中经济发展与人口增长是乌鲁木齐城市发展的主要形式,社会进步和空间扩张对城市综合发展的影响相对较小。(2)水资源开发利用潜力的变化波动性较强,总体呈现下降趋势,主要受水资源本底条件变化的影响,水资源利用效率和管理能力的提高则促进水资源潜力的提升。(3)城市发展与水资源系统的协调度先升后降,呈倒U字型变化,总体二者的协调发展度不高,城市发展系统和水资源系统的矛盾日渐突出。     

干旱区绿洲农田不同种植模式和秸秆管理下土壤质量评价

研究干旱区绿洲农田不同种植模式和秸秆管理下土壤有机碳及其酶活性的变化,揭示农业管理措施对土壤质量的影响,以期为干旱区农业资源高效利用及可持续发展提供理论依据.在作物种植规划区,选择新疆主要农作物棉花、小麦、玉米,设计长期连作及轮作试验.结果表明:轮作处理土壤有机碳(SOC)、微生物生物量碳、易氧化有机碳、水溶性有机碳、热水溶性有机碳含量较连作处理分别提高了3.6%~9.9%、41.8%~98.9%、3.3%~17.0%、11.1%~32.4%、4.6%~27.5%;秸秆还田处理较秸秆不还田处理分别提高了12%~35.9%、22.4%~49.7%、30.7%~51.0%、10.6%~31.9%、41.0%~96.4%.轮作处理土壤过氧化氢酶、脱氢酶、β-葡萄糖核苷酶、蔗糖酶、纤维素酶活性较连作处理分别提高了6.4%~10.9%、6.6%~18.8%、5.9%~15.3%、10.0%~27.4%、28.1%~37.5%;秸秆还田处理较-秸秆不还田处理分别提高了31.4%~47.5%、19.9%~46.6%、13.8%~20.7%、19.8%~55.6%、54.1%~70.9%.相关性分析表明,SOC及其活性组分与土壤酶活性之间有极显著的正相关关系,利用土壤活性有机碳组分和酶活性变化可有效表征农田SOC和土壤质量变化.通过因子分析综合评价得知,在干旱区农业生产中,短期连作棉花兼实施秸秆还田可提高SOC及其活性组分含量和酶活性,合理轮作可有效缓解连作障碍,使土壤质量得到进一步改善,有利于农田土壤的可持续利用.     

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.