下面文章基于水足跡與灌溉發展的農業用水效果評價指標，計算、分析 2000-2014 年省級行政區作物水足跡、灌溉發展以及農業用水效果的時空分布，并針對農業用水狀況評價方法和不同地區農業用水效果提升方向進行探討，以期為宏觀尺度農業水管理利用效率評價和管理提供參考。

　　關鍵詞：灌溉作物,農業,藍綠水,水足跡,反彈效應,農業高效用水

　　農業用水因對區域水資源消耗和影響巨大而受到廣泛關注。農業生產水資源投入中往往包含藍水和綠水，藍水即從天然水體中取用的灌溉水，綠水為不產生徑流而是被作物以蒸發蒸騰形式利用的降水[1-2]。雖然綠水資源在大部分區域的農作物耗水中占絕對的主導地位[3-4]，但是因科學理論、方法及技術的局限性，當前在綠水資源調控和高效利用方面的研究還極為鮮見[5]。因此，當前農業用水調控、管理及節約方面研究的對象一般均為灌溉用水[6-8]。農業用水效率評價方法由基于灌溉工程完善程度的灌溉效率指標和基于產出效益的水分生產率指標發展到以藍-綠水、虛擬水為重要內涵的水足跡方法[9-11]。

　　灌溉效率和水分生產率均是灌溉發展程度的重要反映，而作物藍水足跡為區域農作物生產所消耗的灌溉水資源量[12-13]。區域水足跡與灌溉發展緊密相連，從而形成全新的、更為復雜的農業用水評價系統[14]。基于該系統衍生出水資源利用和管理的新范式，其中包括廣義水資源[15]、資源稟賦[16]、藍水短缺[17-18]以及灌溉用水反彈效應[19]等。灌溉用水反彈效應表現為灌溉技術改進增加而不是減少了耗水[20-21]。

　　灌溉技術發展提高傳統農業用水效率的同時也引誘農業生產部門進一步擴大灌溉規模以獲取更多的產出，這就導致區域作物生產水足跡的增大。作物水足跡增大必然影響區域藍水資源合理分配及其利用的可持續性[22]。所以基于作物水足跡和灌溉發展交互影響評價農業生產系統灌溉水資源利用效果對區域農業用水管理有重要意義。

　　進入 21 世紀以來，中國農田灌溉得到長足發展并在促進農產品產量增加中發揮了巨大的作用，但是也面臨農業用水效率提升和用水總量控制的現實問題。學者分別在作物水分消耗規律[23]、灌溉用水效率[24]、作物生產水足跡[25-26]等方面進行大量的研究，為農業生產與水資源之間關系識別提供重要參考。然而，各研究角度相對孤立，結合農業生產耗水和灌溉發展水平分析農業用水狀況的時空格局更能提供綜合的信息。

　　1 方法與數據

　　1.1 農業用水效果評價指標

　　在核算灌溉用水在農作物水足跡中地位的基礎上，以兼顧區域灌溉用水效率和總量控制為目的，構建農業用水效果評價指標(Agricultural water use effect，AWE)。AWE 為在一定的灌溉發展水平下灌溉水資源的有效利用程度，從農業用水規模及其調配技術灌溉取水的利用效率。

　　農作物水足跡總量和藍水足跡， m3 ; IPA ( irrigation proportion of arable land)為區域耕地灌溉率，即有效灌溉面積占總耕地面積的比例;IE(irrigation efficiency)為灌溉效率，即區域作物實際以蒸發蒸騰形式消耗的灌溉水占灌溉引水量的比例。藍水比例、耕地灌溉率和灌溉效率雖不全面但均可以表征區域農業用水狀況：藍水足跡占總水足跡比例越大，說明作物生產過多依賴灌溉用水而缺乏對綠水資源的調控和利用，農業用水效果相對較差;耕地灌溉率越大意味著農業用水規模較大，加劇水短缺而不利于水資源持續利用;灌溉效率越大說明無效的農業用水量越少，更加值得鼓勵發展灌溉。所以 AWE可在時空上比較農業用水的相對效果，其值越大，區域農業用水效果越差。

　　1.2 數據來源

　　文本的研究時段為 2000-2014 年，歷年各省級行政區的耕地面積、有效灌溉面積、所有農作物播種面積與產量等數據來自《中國統計年鑒 2001-2015》;835 個氣象站[27]的月平均最高氣溫、月平均最低氣溫、相對濕度、風速、日照時數、降水量等參數來自中國氣象數據網，各地區作物系數參考了《中國主要作物需水量與灌溉》[28]和《北方地區主要農作物灌溉用水定額》[29]，部分直接由水利部灌溉試驗總站提供;各省區歷年灌溉效率(灌溉水利用系數)由中國水資源公報、全國大型灌區典型年份實測值及數學推算等途徑得到。

　　2 結果與分析

　　2.1 中國農作物水足跡

　　2000 - 2014 年，中國年均農作物水足跡值約為1 .0972× 1012 m³，其中藍水、綠水足跡分別為 1.4.3×1011與 9.359×1011 m³，藍水足跡約占 13.1%。該時段內年均耕地面積為 1.285×108 hm2，單位耕地面積上的作物水足跡為 853.9 mm。

　　全國農作物水足跡從初始的 1.03×1012 m³左右穩步增加，到 2014 年達到了 1.2×1012 m³左右。由于農作物產出和農業灌溉規模的擴大，作物藍水足跡、綠水足跡均呈隨時間增加的態勢，分別由 1.3×1011 和9×1011 m3 增大到近 1.7×1011 與 1.04×1012 m3。雖然綠水足跡的凈增加量大于藍水足跡，但是其年均增幅為 6.6%，明顯低于藍水足跡的 8.2%。綠水足跡增大有利于區域水資源利用結構的優化，而藍水足跡的增大對灌溉設施保障程度提出了更高的要求。

　　歷年綠水足跡均明顯大于藍水足跡，而在農作物水足跡中占絕對的主導地位。藍水足跡比例經歷了一個下降-上升-平穩的變化的過程，但是均在 13.0%上下波動，未能改變作物水足跡的組成結構。糧食作物生長過程藍水消耗比例在 35%左右[27]，明顯高于所有農作物的 13.1%，這主要是由經濟作物的藍水足跡比例極低造成的。

　　由于農作物生產需水規模的擴大以及耕地面積的減少，單位耕地面積作物水足跡隨時間呈增加趨勢，由 2000 年的 770 mm 左右增加到 2014 年的約 950 mm，年均值為 853.9 mm。因農業生產規模差異，不同省區作物水足跡差異較大而無可比性，因此計算出各省區單位耕地面積作物水足跡在研究時段內的平均值及其藍、綠水足跡比例，以觀察農作物水足跡及其構成的空間格局。

　　單位面積作物水足跡不僅決定于區域降水、農作物種類及耗水特性等因素影響，還與復種指數、耕地灌溉條件及水資源保障程度等農業生產條件有關。單位面積作物水足跡總體上呈由東南向西北依次降低的空間格局，區域間差異很大，較高省份位于東部和南部沿海及黃淮海平原，較低省區沿北部和西部邊境(除新疆外)連片分布。

　　福建、山東、北京及廣東的單位面積作物水足跡較大，均超過了 1 600 mm，而內蒙古、寧夏、貴州西藏及青海不足 500 mm。新疆的單位面積水足跡為 801.4 mm，接近全國平均值而明顯高于其他西北部省區，這除了與該地區作物需水量大有外，還受農作物播種和農產品產出規模的影響。農作物水足跡組成方面，綠水足跡比例的空間分布同單位面積水足跡基本一致，與藍水足跡比例相反。藍水足跡比例低于 10.0%的省區個數(16)超過總數的一半，其中廣西、浙江、廣東及福建四省區不足 5.0%;10 個省區藍水足跡比例介于 10%~ 20%之間，主要位于黃淮海平原及其周邊、東北以及西南地區;該比例在西北各省區基本都大于 20.0%，其中在新疆高達 55.9%，新疆也是唯一藍水足跡比例超過綠水足跡的省區。降水稀少、種植業生產規模大以及作物灌溉需水量大等是該地區農作物藍水足跡比例大的直接原因。

　　2.2 中國灌溉發展與農業用水效果

　　研究時段內歷年中國農業用水效果評價指標 AWE。為觀察中國灌溉發展狀況以對比 AWE，亦給出了歷年灌溉發展評價指標的全國值，包括灌溉效率 IE 和耕地面積灌溉率 IPA。中國耕地面積的灌溉比例IPA 呈逐年穩定增加的趨勢，在 2000 年的 40.1%的基礎上以年均 0.8%的速度遞增，于 2011 年超過 50%，并在 2014 年達到了 53.0%。IPA 的擴大主要由耕地面積制約下的農產品特別是糧食的產出需求增大驅動。統計數據顯示，研究時段內中國耕地面積一直維持在 1.28×108 hm2 作用，且有隨時間微弱減少的趨勢;與此同時，全國農產品產量持續增長，例如，糧食總產量由 4.62×108 t 增長到了 6.07×108 t;除農作物品種改良帶來的單位面積產量增加外，很大一部分貢獻來自于灌溉面積的擴大，因為灌溉可以明顯提升作物單位面積產量[27]。

　　研究顯示，未來中國仍需通過發展灌溉來提高農產品產出，因為灌溉面積的擴大將可能貢獻 46%左右的糧食增量[30]。所以在灌溉面積擴展背景下藍水資源利用效率的評價及提升值得關注，而這與灌溉效率 IE 密切相連。全國 IE 總體上也表現出隨時間增大的趨勢，但是增長過程異于 IPA 而可劃分為 2000-2006 年和 2007-2014 年 2 個階段;2007 年之前的 IE 均值為0.407，由 0.401 微弱增加到 0.416;2007 年突增到 0.457，之后以每年平均 0.009 的幅度平穩增加。2007 年之前的 IE 結果是僅由面積超過 2.0×108 m2 的大型灌區數據整理得到。

　　從 2007 年開始，國家及省區農業水利管理部門全面開展了灌溉水有效利用系數的測定工作，測量樣本不僅涵蓋大型灌區，也包含了中、小型灌區以及純井灌區。在相同的技術條件下，其他類型灌區由于灌溉面積小、渠系結構簡單、灌水持續時間短等特點，灌溉水有效利用程度一般高于大型灌區。因此加入其他類型灌區核算區域灌溉效率是 IE 值在 2006-2007 年發生突增的主要原因。

　　農業用水效果是農業生產藍綠水足跡及灌溉發展程度的綜合反映。結果顯示，全國尺度上農業用水效果評價指標 AWE 的年均值為 0.125。由圖 3 可知，AWE 表現出與 IPA 和 IE 不同的隨時間變化趨勢。AWE 值在 15a 內經歷了降低-平穩-升高的變化過程，因此，基于水足跡與灌溉發展的中國農業用水效果呈現了先改善后惡化的總體趨勢。AWE 在 2000 年為 0.124，隨后下降到 2003年的 0.113，并于接下來的 4a 維持穩定，2007 年之后逐漸增大，到 2014 年增大到研究時段最大值的 0.137。AWE的值直接決定于藍水比例、灌溉效率及耕地灌溉率，而這些因素與中國農業生產與農田灌溉的發展過程緊密相連。

　　農業政策是影響 2000-2003 年農業生產及其水足跡狀況的主要原因。長期扭曲的糧價政策影響了高耗水的糧食作物穩定產出，扣除投入成本后，糧價不能保證農民勞動投入的報酬而降低其農民種糧積極性。這也直接導致農作物生產水足跡及其藍水比例的下降，在灌溉效率和耕地灌溉率穩定變化的前提下，農業生產用水效果能夠得到改善。

　　2005 年后國家出臺的一系列惠農政策提高了農民積極性，也在擴大農業用水和產出規模保障國家糧食安全的同時增大了農作物水足跡特別是藍水足跡，這是農業生產用水效果隨即變差的現實原因。2012年國家提出最嚴的水資源管理制度并明確的水資源利用量和利用效率標準，有效地促進了農業用水狀況的綜合改善，這與 AWE 在 2011 年左右的平穩趨勢相呼應。然而AWE 仍呈增加態勢的現狀對農業水管理的進一步有力措施提出了需求。

　　3 討 論

　　在藍綠水資源和水足跡視角下，本文的農業用水效果評價指標 AWE 是基于灌溉(藍)水資源的稀缺性和可調配性建立的。農業用水管理的目的應該是在兼顧滿足作物生長、農產品生產的前提下，從總量控制和效率提升兩個角度實現區域藍水資源的可持續利用。灌溉的發展雖然可以提高農業產出，但是也應該考慮灌溉水資源利用的反彈效應。

　　所以建立 AWE 的初衷及該指標的功能均有別于傳統以效率、產出為目標的農業用水評價指標，如灌溉水分生產率和灌溉效率。灌溉水分生產率為單位灌溉水投入所獲得的作物產量，其評估和提升目標旨在得到單位產量的農作物產出所投入的農業用水量最少。灌溉水分生產率的核算沒有考慮綠水資源在作物產量形成中的巨大作用，也不能揭示區域農業灌溉用水規模和水資源稀缺程度;所以該指標在提供有限的宏觀信息的同時更適合農戶田間尺度灌溉用水效果評價和管理。

　　灌溉效率用以衡量灌溉水資源被作物有效吸收利用的比例，除與田間土壤、作物因素有關聯外，更重要的決定因素在于灌溉工程的完好程度。該指標雖有大尺度意義，但具有明顯的工程狀況決定性，也難以反映區域農業灌溉用水規模和水資源稀缺程度。灌溉水分生產率和灌溉效率能夠滿足小尺度灌溉用水效率的評估，但是利用二者進行農業用水和灌溉發展宏觀決策時均容易落入灌溉用水反彈效應的尷尬。

　　以往指標的不足在 AWE 構建過程中均得到充分考慮。因此，利用 AWE 可以綜合判定特定區域及不同區域之間農業用水狀況并為灌溉的發展方向提供依據。然而相比于傳統指標，AWE 的計算過程更為復雜，在比較灌溉用水效率區域差異并為不同灌溉發展提供對策的必要性尚需討論。

　　4 結 論

　　中國農作物水足跡超過了 1.0×1012 m3，綠水是保障農業生產順利進行的基礎。因社會對農產品需求的增加，農業生產規模的擴大導致農作物藍水足跡和綠水足跡均隨時間呈現增長的態勢。藍水足跡在農作物水足跡的比例在近 10a 隨時間增大，這得益于灌溉的發展，包括耕地灌溉率和灌溉效率的提升。單位耕地面積上的作物水足跡為 853.9 mm，與藍水比例同時呈由東南向西北逐漸減小的空間格局。新疆單位面積水足跡較大主要受藍水足跡比例決定。由于灌溉用水管理水平進與技術進步速度落后于農業生產規模的擴大，中國的農業用水效果自 2003 年以后呈現惡化的趨勢，其中近年逐漸成為最主要糧食主產區的黑龍江在此方面表現得尤為突出。農作物水足跡和灌溉發展水平的差異決定了區域間農業用水效果存在較大差異，且大部分農業主產區的農業用水效果較差且明顯低于全國平均水平。

　　農業用水效果與水資源也出現空間錯位，濕潤的南方地區農業用水效果普遍較好，而面臨較嚴峻水資源壓力的黃淮海平原和西北干旱省區的農業用水效果相對較差。我們還發現，農業用水效果評價指標 AWE 與傳統灌溉用水效率評價指標在空間分布上不表現任何的相關性，這說明了基于以用水效率和總量控制為目標的農業用水評價的復雜性。北方農業主產區應在水資源管理全新范式下進行農業用水效率評價和管理實踐。

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