水足跡視角下京津冀縣域糧食作物水土資源匹配格局

　　摘 要 [目的]農業水土資源是糧食生產的決定因素，探明京津冀糧食生產中水土資源匹配格局特征對區域經濟發展有深遠的影響。[方法]從水足跡的視角出發，分析了 1980—2018 年京津冀縣域 5 種主要糧食作物(小麥、玉米、稻谷、大豆、薯類)的產量、播種面積、水足跡、耕地面積的時空變化，運用水土匹配系數法及 ArcGIS 深入研究了 1983、1998、2003、 2016 年水土資源匹配格局,并進一步剖析區域農業水土匹配對農業生產的影響。[結果]①當前京津冀水土匹配系數區間為 [0.02,1.25]，超出區間范圍[0.281, 0.431];糧食生產格局與水土匹配系數空間格局均為“冀中南高、北部低”。②研究時段內，京津冀糧食總產量提高 1.14 倍，播種總面積降低 19.28%，糧食單產量顯著提高;灌溉提高糧食單產量，水土匹配系數與糧食單產量呈正相關。③1980—2019 年京津冀五種作物藍水足跡均值(136.64 億 m3)是綠水足跡均值(99.60 億 m3)的 1.37 倍，各作物水足跡變化不同，間接反映地區農業種植結構的改變。④京津冀水足跡總量提高 2.45 倍，耕地總量下降 20.59%，水土匹配系數變大，農業水土匹配程度差，間接指示研究區域地下水開發程度高。[結論]京津冀縣域水土資源匹配存在較大提升空間，應從當地水土資源存在的問題出發，適當調整作物種植結構，關注區域地下水超采等限制農業發展的因素，促進京津冀地區農業水土資源可持續發展。

　　關鍵詞 糧食作物 水足跡 農業生產 匹配格局 京津冀縣域

　　夏文雪; 張兵; 何明霞; 崔旭 中國農業資源與區劃2021-12-02

　　糧食的穩定生產是中國農業政策核心目標之一[1]，水土資源是糧食生產的基礎性資源，對保障區域糧食安全意義重大[2]。隨著區域間糧食貿易自由化與糧食需求量的增加，水土資源匹配的重要性凸顯，糧食安全與農業可持續發展成為我國所面臨的重要挑戰[3]。水足跡不僅可以定量反映糧食生產隱含的資源量，還可以表征糧食貿易中水資源現狀[4，5]。分析糧食水足跡及耕地資源對緩解區域農業資源壓力，保障地區間糧食安全，提高水土匹配水平有著重要意義[6]。

　　水土匹配系數是表征農業生產可供水資源量與耕地資源量在時空上的適宜匹配的量比關系，在農業生產中起決定性作用[7]。目前關于水土匹配的研究，主要采用基尼系數法[8]、水土資源匹配系數法[9]等方法，側重于糧食生產與耕地變化[10]、水土資源與社會經濟要素匹配[11]等方面，集中于水資源匱乏的西北旱區[12]、長江流域[13]、東北地區[7]、典型山區[14]等，逐步擴展到其他區域。水土空間匹配格局是經濟社會和農業生產可持續發展的基礎，對保障區域糧食安全有重要作用[15]。孫才志、王婷等分別將中國農產品虛擬水與實體耕地資源、虛擬水與虛擬耕地資源相結合，分析匹配系數時空差異演變，研究表明區域耕地資源對農業虛擬水的重要影響，為研究兩者協調關系、配置途徑奠定基礎[16、17]。

　　已有文獻為水土資源匹配的研究提供了理論支撐和方法依據，但缺少對縣域尺度糧食作物水足跡與耕地資源時空匹配及匹配系數范圍界定的研究。位于華北平原的京津冀地區，是重要的糧食產區，農業用水中地下水開采量占當地總用水量的 83.72%，農業水資源短缺且用水效率低阻礙地區農業生產 [18，19]。鑒于此，文章定量研究 1980—2018 年京津冀主要糧食作物生產現狀的基礎上，分析 1983、1998、2003、2018 年京津冀地區 200 個縣域 5 種主要糧食作物(小麥、玉米、稻谷、大豆、薯類)水土匹配格局;以小麥、玉米田間實驗數據為基礎，計算高產下的水土匹配區間，為京津冀的水土資源匹配評價提供參考，為水-耕地資源的可持續利用提供科學依據。

　　1 研究區概況

　　京津冀(113°27′ ~ 119°50′ E，36°05′ ~ 42°40′ N)地處華北平原，包括北京市、天津市、河北省，涵蓋北京市、天津市以及河北省的石家莊、保定市、張家口市、承德市、滄州市、唐山市、秦皇島市、邯鄲市、邢臺市、廊坊市、衡水市等 11 個地級市，共計 200 個縣。京津冀北鄰內蒙古高原，西接黃土高原，整體呈現地勢西北高、東南低的特點。同時研究區屬暖溫帶大陸性季風氣候，表現為冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，雨熱同期，適宜糧食生長發育，是中國重要的糧食生產基地。

　　京津冀地區屬于資源型缺水地區，遠低于 1000 m3 /人的國際公認嚴重缺水標準[20]。參考《中國統計年鑒(2019)》中生產總值量、水資源總量、人口數量、糧食產量及糧食播種面積數據，京津冀地區以全國 0.79% 的水資源量、4.19%的糧食播種面積承載著全國 8.08%的人口數，貢獻了 6.00%的糧食產量、9.46%的生產總值。

　　2 數據來源及方法

　　2.1 數據來源京津冀縣域 1980—2018 年的糧食作物生產總量、播種總面積(1981、1982 年數據缺失);1984-2018 年的糧食作物生產總量、單產量以及糧食作物播種面積數據，來源于《北京市統計年鑒》、《天津市統計年鑒》、《河北省統計年鑒》、《中國統計年鑒》及《農業農村統計年鑒》(1981-2019)。該文涉及的小麥、玉米、稻谷、大豆作物需水量數據參考已發表文獻[21]中的蒸發蒸騰水量數據，薯類作物需水量數據參考曲唱[22]所做研究。數據缺失較多的縣及無第一產業的縣不列入該文研究，在 ArcGIS 中以白色標識。

　　2.2 研究方法

　　2.2.1 糧食作物藍水足跡和綠水足跡

　　藍水足跡(WFblue)和綠水足跡(WFgreen)是作物生產過程中所消耗的主要水資源量，分別表示作物生長過程中消耗的地表水與地下水的水資源量、由降水蓄積在土壤含水層中或由植物根系吸收以及蒸發蒸騰的水資源量[21]。目前最常用的方法是采用美國農業部土壤保持局(USDA—SCS)提出的方法計算有效降雨量，利用 Penman—Monteith 公式計算蒸發蒸騰水量，最終通過 CROPWAT 模型模擬得到藍水足跡、綠水足跡。本研究并未涉及各作物生產過程中對水環境的影響，因此不對作物灰水足跡進行計算分析。該文借鑒韓宇平學者[23、 24]所做研究中小麥、玉米、稻谷、大豆、薯類單位質量藍水足跡與綠水足跡數據(表 1)，以此計算分析京津冀地區糧食作物藍水足跡和綠水足跡變化趨勢。

　　2.2.2 糧食作物水足跡量化

　　從生產者的角度，水足跡是生產某種產品的真實用水量，其含量取決于生產地區狀況及水資源利用效率 [21]。參考國內外目前通用的糧食作物產品單位質量虛擬水含量進行計算，具體公式如下： , , , n c n c n c W D Y = (1) 式中： 代表區域n糧食作物c單位質量虛擬水含量(m3 /t); 代表區域n糧食作物c的需水量(m3 /hm2 );代表區域 n 糧食作物 c 的單產量(t/hm2 )。其中 近似等于糧食作物在實際生長發育過程中累積蒸發蒸騰水量 。由于糧食作物需水量主要取決于成長過程中累積的蒸發蒸騰水量，而糧食作物本身含水量少，可忽略，故將累積的蒸發蒸騰水量作為糧食作物總需水量計算。根據公式(1)，可得到北京市、天津市、河北省五類主要糧食作物單位質量虛擬水含量(表 2)。

　　根據公式(1)計算得到的單位質量虛擬水含量，結合每種糧食作物的產量，得到區域 n 內 5 種主要糧食作物的水足跡 (億 m3)。具體公式如下： n ,, 1 * n nc nc c W DB = = ∑ (2) 式中：Wn 表示區域 n 的糧食作物水足跡(億 m3); Bn c, 代表區域 n 糧食作物 c 產量(萬 t)。 2.2.3 水土匹配系數計算該文研究的糧食作物水土匹配系數，本質上是單位面積耕地可擁有的糧食水足跡量，來描述糧食生產過程中所消耗的水土資源的時空匹配關系[17]。水土匹配系數越小，表明區域內單位面積耕地上，糧食生產所消耗的水資源量越少，匹配水平越高，農業生產水土資源可持續利用越好。反之，匹配系數越大，說明糧食生產中消耗的水資源量較多，匹配水平越差。 n n n W R L = (3) 式中： 表示區域 n 的水土匹配系數(萬 m3/hm2 ); 表示區域 n 的耕地面積(萬 hm2)。

　　3 結果與分析

　　3.1 糧食作物生產特征

　　京津冀地區糧食作物產量提高，單產增加(圖 2)。1980-2018 年京津冀糧食總產量呈現連續波動性上升再下降后持續上升的趨勢。小麥與玉米是區域主要糧食作物，其產量占糧食總產量的比重由 68.32%(1980 年)增至 91.06%(2018 年)。北京市小麥、玉米單產量分別由 1980 年的 2.16 t/hm2、4.51 t/hm2，增加為 2018 年的 5.41 t/hm2、6.76 t/hm2 (圖 2 dg)。1980-2018 年，天津市小麥和玉米單產量年均增長 1.67%、1.85%(圖 3 e)。同期，河北省小麥、玉米產量增幅明顯，與 1980 年的 384 萬 t、663 萬 t 相比，分別增長了 3.78 倍、 3.93 倍(圖 3 f)，小麥和玉米單產量分別以年均 2.05%、1.57%的速率增長，截止 2018 年兩者單產量分別為 6.15 t/hm2 與 5.65 t/hm2 。

　　京津冀地區糧食作物播種面積變化顯著(圖 2)。北京市、天津市與河北省糧食作物多年平均播種總面積分別為 318.94 千 hm2 、385.85 千 hm2 、6621.71 千 hm2。1980-1985 年、1998-2003 年，京津冀地區糧食總播種面積出現大幅下降趨勢。2003 年，河北、天津糧食播種面積達到歷年最小值，分別為 5944 千 hm2 、258.1 千 hm2 ，相對于 1998 年的 7305.7 千 hm2 、446.6 千 hm2 ，減少了 18.64%、42.2%。北京市五種主要糧食作物播種面積均呈現大幅下降趨勢，其中小麥播種面積降幅最大，減少了 18.88 倍(圖 2 g)。1980-2018 年，天津市小麥播種面積下降 83.87 t/hm2、玉米播種面積增加 17.8 t/hm2 (圖 2 h)。同期，河北省小麥播種面積下降了 403 千 hm2 ，而玉米播種面積擴張明顯，上升了 1096.97 千 hm2(圖 2 i)。圖 3 為京津冀地區五種作物藍水足跡、綠水足跡及水足跡總量變化趨勢圖。從圖 3 可知，1980-2018 年，五種作物藍水足跡、綠水足跡及水足跡總量分別以 2.83 % 、2.31 % 、2.67 % 的年均變化率增加(圖 3a)。40 年間，稻谷、小麥、玉米、大豆和薯類藍水足跡均值分別為 6.37 億 m3 、85.22 億 m3 、37.84 億 m3 、4.47 億 m3 與 2.73 億 m3;五種作物綠水足跡均值分別為 4.42 億 m3、24.01 億 m3 、56.77 億 m3、6.09 億 m3與 8.32 億 m3 ，整體來看藍水足跡總和高于綠水足跡總和。小麥和玉米是京津冀地區主要作物，其水足跡總量歷年均值占作物水足跡總量的 87.20 % ，小麥藍水足跡均值(85.22 億 m3 )是綠水足跡均值(24.01 億 m3 )的 3.55 倍，屬于研究區主要灌溉作物;玉米則相反，藍水足跡均值(37.84 億 m3)比綠水足跡均值(56.77 億 m3)低 33.35 % ，說明對灌溉用水依賴程度低。

　　3.2 糧食作物水足跡、耕地面積時空變化特征

　　根據圖 2 糧食總播種面積柱狀圖拐點選取 1983、1998、2003、2016 年為特定時間節點，繪制京津冀縣域糧食水足跡空間格局分布圖(圖 4)。由圖 3 可知，縣域尺度糧食水足跡主要集中區向冀南部轉移;總量超過 6 億 m3 的縣域，由 1983 年的 0 個增至 2016 年的 9 個;京津冀北部地區的糧食水足跡多介于 1-2 億 m3 ，波動較小。1983 年京津冀各縣域糧食水足跡均低于 4.92 億 m3，高值區不明顯。1998 年糧食水足跡大幅提高，形成以定州市、辛集市、深縣等為中心的團塊狀分布與遷西縣、薊縣、寶坻縣、武清縣等條帶狀分布格局。 2003 年糧食水足跡高值區分布范圍縮小，集中于高邑縣等地。2016 年糧食水足跡高值區多位于冀中南部，少量分布在武清縣、樂亭縣等東部地區。

　　京津冀縣域耕地資源分布不均衡，但縣域耕地面積保持穩定，整體表現為冀中南高、北部低的分布格局(圖 5)。1983 年京津冀耕地集中于京津冀中東部地區，主要分布在新樂縣、武清縣、滄縣等地;1998 年，京津冀耕地面積增加，分布范圍擴大至高邑縣、張北縣等地。2003 年，耕地面積減少，高邑縣、滄縣等地仍為耕地面積高值區。2016 年耕地面積達 57 千 hm2 以上的縣域，共計 16 個，主要位于康保縣、張北縣、沽源縣等冀中南部。同期，耕地面積低值區主要位于懷柔區、寬城滿族自治縣、阜平縣等縣域，總量數值在 19 千 hm2以下。

　　3.3 糧食作物水土資源匹配格局分析

　　合理的水土匹配格局是糧食穩定生產和水土資源可持續利用的基礎。小麥和玉米是京津冀地區主要糧食作物，占地區糧食總產量的 91.06%(2018 年)，根據小麥和玉米生長發育過程中耗水量等數據，確定研究區域水土匹配系數區間，對指導京津冀地區糧食作物水土匹配調整提供依據。依據田間試驗數據[25]，在糧食高產的情況下，水土匹配系數的區間范圍為 0.281 ~ 0.431。超出區間范圍上限，說明區域內用于農業生產的灌溉用水量多，匹配程度差，不利于農業生產可持續;低于區域范圍下限，說明區域內農業灌溉用水量少，水資源與耕地資源匹配程度低。京津冀縣域水土匹配系數整體增大，空間差異顯著，1983-2016 年，水土足跡匹配系數隨時間演變呈現冀中南部高、冀北低;京津低的分布格局。該文將匹配系數均等劃分為 6 個等級，分別為：Ⅰ級(0 ~ 0.281]、Ⅱ 級(0.281 ~ 0.431]、Ⅲ級(0.431 ~ 0.700]、Ⅳ級(0.700 ~ 0.980]、Ⅴ級(0.980 ~ 1.260]，根據匹配系數等級做空間分布圖(圖 6)。四個典型年份中，Ⅰ級、Ⅱ級匹配水平縣域數量減少;Ⅲ級匹配水平縣域數量分別為 48 個、69 個、37 個、42 個;處于Ⅳ—Ⅵ級的縣域數量由 1983 年的 5 個增加至 2016 年的 106 個，主要集中于河北平原地區，分布地域不斷擴展。 2003 年、2016 年北京市各縣域均值分別為 0.20、0.54，上升明顯。天津市匹配系數范圍為 0.15~0.39、 0.36~0.71、0.35~0.63、0.47~0.92，匹配系數均值處于 0.27-0.66 之間，變化波動小，略高于區間范圍上限。河北匹配系數范圍為 0.04 ~ 0.88、0.19 ~ 1.36、0.13 ~ 1.10、0.27 ~ 1.25;均值分別為 0.41、0.69、0.65、0.82，與 1983 年相比，河北省匹配系數增加 1 倍，遠超區間范圍上限，說明糧食生產中消耗的水資源量多，水土匹配程度差。

　　4 討論

　　4.1 水土匹配格局直接反映糧食生產重心“南進西移”

　　水土匹配系數空間格局變化直接反映了糧食生產格局的變化。京津冀地區糧食生產空間格局變化主要受耕地資源分布、播種面積、糧食產量的影響，表現出空間聚集性顯著的特征，糧食生產重心呈“南進西移”的移動趨勢[26、27]。該文研究發現冀中南平原地區水土匹配系數高(最大值 1.13)，糧食產量高(最大值 67.61 萬 t);匹配系數空間格局為“冀中南高、北部低”(圖 6)，糧食生產重心向冀中南平原區移動(圖 4)，二者具有空間一致性的特征。

　　4.2 水土匹配系數側面反映糧食單產量的增加

　　京津冀糧食單產量顯著增加，年均增長率為 2.89%(圖 2)。冀中南部平原區為糧食高產區，與水土匹配系數高值區分布地區相符，根據公式(1)(3)可知糧食單產量與水土匹配系數呈正相關。京津冀地區有效灌溉面積每增加 1 個單位，糧食產量增加 1.6 個單位以上，農業灌溉提高糧食單產，且兩者存在顯著正相關[28、29]，糧食單產量提高，水土匹配系數增加。

　　4.3 水土匹配系數間接體現農業種植結構的變化

　　農業水足跡的變化是農業種植結構調整的表現形式之一。京津冀地區不同作物水足跡變化趨勢不同(圖 3)，其變化的差異反映了該地區農業種植結構的變化[23]。韓宇平學者研究發現京津冀地區總水足跡、藍水足跡與綠水足跡的空間分布格局較為一致，同樣呈現出“冀中南部高、西部和北部小”的特征[24]，與該文得到水足跡總量的水土匹配空間格局(圖 6)相似。作物水足跡總量上升，水土匹配系數增大，因此應該適當調整作物種植結構，減少高藍水足跡作物的種植，有利于科學合理分配農業水資源。

　　4.4 水土匹配格局間接指示地下水超采情況

　　京津冀地區水土匹配系數高值區與地下水漏斗區邊界大體重合(圖 7)。從圖 7 可知地下水漏斗區主要位于冀中南部平原區，形成了以保定、石家莊、邢臺、邯鄲為代表的地下水漏斗區，學者研究發現地下水漏斗區有擴大傾向[30]。石家莊南部、邢臺東北部、邯鄲、廊坊等重合區域匹配系數均大于 0.431(圖 7)。由此可見，多數水土匹配高值區分布在地下水漏斗范圍內，兩者之間存在空間聯系。地下水是京津冀地區農業灌溉主要水源，水資源開發利用強度已達 101%，灌溉用水量占地下水開采總量的 78.82%，農業用水強度超過水資源承載能力，導致糧食種植區地下水漏斗水位逐年下降，漏斗總面積擴大[19、31]。該文研究發現糧食主產區與地下水漏斗區范圍大致重合(圖 7)，長期大規模的糧食生產超采地下水，糧食生產消耗地下水資源量增加，導致水土匹配系數變大，超出適宜區間范圍上限(0.431)，造成區域水土資源不匹配。

　　5 結論

　　通過定量核算 1980-2018 京津冀 200 個縣的糧食作物(小麥、玉米、稻谷、大豆、薯類)水足跡，分析了京津冀地區糧食水足跡、耕地面積、匹配系數的變化，得出結論如下：

　　1)水土匹配系數空間格局與糧食生產格局聯系密切，糧食生產集聚地區匹配系數高。河北為糧食生產重點區域，主要受播種面積分布的影響，糧食產量及匹配系數均高于京津兩市。

　　2)灌溉提高糧食單產量，進而影響水土匹配系數。1980-2018 年京津冀地區糧食作物單產量逐年增加，表現為北京市、天津市、河北省糧食作物單產量年遞增率分別為 1.91%、2.79%、3.08%，存在顯著空間差異。

　　3)水土匹配系數的變化側面反映地區農業種植結構的調整。1980-2018 年，小麥、玉米、稻谷、大豆、薯類水足跡總量呈增加態勢，從 174.01 億 m3 增加到 426.14 億 m3 ，年均增長 2.67% 。研究期內，作物藍水足跡總量年均占比(42.65%) 仍高于綠水足跡總量(31.14% )。

　　4)匹配系數間接反映京津冀地區地下水超采。冀中南部平原地區匹配系數遠超匹配系數區間(0.281 ~ 0.431)，表現為耕地分布集中、農業水資源少、地下水開采強度高。糧食主產區與地下水漏斗區范圍存在重疊現象。

　　水土匹配系數是反映區域農業水土資源適宜性的重要指標。該文初步探討了京津冀縣域主要糧食水足跡、耕地及兩者匹配關系時空變化特征;基于資源高效利用視角，應從兩方面明確水土資源匹配落實重點：減少高耗水作物種植規模，因地制宜優化調整糧食作物種植結構;進一步發展節水灌溉，以此保障農業資源可持續發展，為調控京津冀地區水土資源匹配狀況、調整作物生產等方面提供參考意義。未來將更全面分析縣域尺度單位質量虛擬水含量及匹配系數區間范圍。