农业水足迹发展中有哪些影响因素

　　下面文章首先通过梳理农业水足迹理论的形成历程，以粮食作物、经济作物及畜牧水足迹影响因素为研究重点，总结了粮食作物和经济作物的绿水足迹随降水量的增加而增加，蓝水足迹则相反，且气象因素的变化都会影响其水足迹，在技术因素方面，灌溉技术是影响粮食和经济作物水足迹的主要因素之一。对于畜牧业来说，畜牧水足迹则对品种、饲料、放牧方式敏感，并对农业水足迹的发展方向作了展望，以期为农业水资源管理提供可行方案。

　　关键词：农业水足迹,影响因素,最新进展

　　一、导论

　　自工业革命以来，各工业化国家经济加速增长，以大规模投入为范式的生产方式导致的一个后果就是水资源缺乏[1]。据联合国2012年统计预测，到2025年，预计将有18亿人生活在绝对缺水的国家或地区，世界上三分之二的人口可能处于缺水状态。在2016年，MekonnenandHoekstra指出世界上三分之二的人口生活在每年至少一个月缺水的地区[2]。

　　至此，水资源缺乏已是一个世界性的热点问题。而全球一年用水总量中农业生产用水占比最大，90%的人类消费水足迹来自农业产品[3]，因此，提高农业用水效率是解决水资源匮乏问题的重中之重。这促使许多学者为缓解水资源短缺问题提出了一系列理论，其中水足迹理论近年来深受全球学者青睐。

　　2002年Hoekstra在荷兰代尔夫特举办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[4]。虚拟水是指产品和服务的生产过程中所使用的水[5]，水足迹概念建立在虚拟水理论的基础之上，是指消费者或生产者直接和间接使用水资源量，包括水资源消耗量和污染量，在量化水的基础上评价水使用对区域或全球水环境的影响[6]。水足迹理论一经提出其局限性便遭到了多方质疑，在2014年和2015年Perry和Wichelns分别发表反对根据水足迹来比较生产系统或制定水资源分配和使用政策的论文，但是Perry关注的重点在获得有力指标的技术上的困难，而Wichelns则专注于在水足迹理论中当地水资源机会成本概念的缺乏[7]。

　　但尽管这样，关于水足迹的期刊文献还在大量发表，越来越多关于水的使用和缺乏与消费和贸易相联系的研究导致了水足迹评估体系的出现。在过去十多年有关水足迹的研究主要包括四步水足迹评价方法论的发展(建立分析、会计、可持续性评估和反应制定的范围)、灰水足迹指南的发展、在高空间和时间分辨率上的水足迹估计、全球虚拟水贸易网络的进展的探索、农作物水足迹基准的发展、基于蓝水足迹理论的河流流域的蓝水匮乏估计、基于氮和磷相关的灰水足迹对流域水污染水平的评估、水足迹年际变化的研究、水足迹不确定性的评估、遥感技术使用的探索以及未来水足迹理论的发展[8]，涵盖了水在人类活动的不同方面的作用及对其可持续进行性的影响。

　　还有学者认为水足迹思想来源于1992年加拿大经济学家WiiliamRees提出的“生态足迹”理论，用以描述人类对水资源系统的占用和影响[9]。生态足迹与水足迹存在着一定的相似性，都属于足迹家族，都可以用来反映自然资源的耗费对环境的影响。但它们之间存在一些差异：在核算方面，水足迹的核算基于本地生产因子，而生态足迹则基于全球海洋平均生产力因子来计算;从地理定位角度，水足迹不仅计算水资源消费的数量，还要追踪其来源;在关注重点方面，水足迹关注的是人类活动对水量的需求(体积单位)，而生态足迹则关注水产品消费对水域面积的占用(面积单位)[10]。

　　随着水足迹理论的不断发展，其应用范围越来越宽广，学者们已将该理论应用到不同国家或地区以及工业、农业、第三产业等不同产业领域，以对水资源利用状况进行评估。从已有文献来看，关于农业水足迹的研究自2008年以来逐渐增多。如在2010-2017年间，中国学者对湖南省水稻水足迹[11]、华北平原小麦、玉米作物生产水足迹[12]、1978-2010年间中国主要粮食作物的水足迹值[13]等进行了核算与评价，并探索了农业水足迹的驱动机制，如李泽红等以武威洲为研究区探索了该地区农业水足迹变化及其驱动机制[14]。

　　国外学者对农业水足迹的研究更加深入，如Mekonnen和Hoekstra2010年对小麦的绿、蓝、灰水足迹进行了全球和高分辨率的评估[15]，在2012年对农业动物产品的水足迹作了全球评估等[16];ThapatSilalertruksa等基于水足迹理论研究了水资源利用和水资源缺乏对可持续水稻种植的影响[17];NichananCheroennet等基于时间步骤计算了农业种植系统的灰水足迹[18]。通过以农业水足迹为研究对象，对其内涵作了简要阐述，重点介绍了农业水足迹的影响因素，并在此基础上对未来农业水足迹发展方向提出了建议，以期促进农业水足迹理论进一步发展，从而缓解全球水资源压力问题。

　　二、农业水足迹的内涵

　　农业水足迹基于水足迹理论上发展起来，农业水足迹是专门用于分析农业在生产与消费过程中水资源消耗和影响的物理指标，即将人类活动所有水足迹的核算和评价的范围缩小到农业方面，其含义是指除去工业水足迹、生态水足迹外的水足迹，具体是指一定时期和区域内人们消费的所有农业产品(包括作物和畜禽产品)和服务的虚拟水量之和[19]。

　　基于虚拟水理论，农业水足迹可划分为农业绿水足迹、农业蓝水足迹和农业灰水足迹。农业绿水足迹即农作物生育过程中消耗的有效降水;农业蓝水足迹是指消耗的地表和地下水资源;农业灰水足迹则是指以现有水环境水质标准为基准，消纳产品生产过程中产生的污染物负荷所需要的淡水水量[6]。这一理论的发展不仅明确了农产品整个生命周期内不同阶段用水情况、用水地点等，而且还可以提高水资源综合利用水平，提升农产品质量，逐渐实现水资源配置与农业经济发展的脱钩。

　　三、农业水足迹的影响因素

　　农业是一种高耗水的活动，且对自然环境和生产技术的变化十分敏感，收成的潜在减少可能会导致比现在更大的水需求和食品安全下降[20,21]。为此以减少农业用水量和提高农业用水效率为目的，分析与总结了农业水足迹的影响因子，重点介绍粮食作物水足迹、经济作物水足迹、畜牧水足迹的影响因素。

　　(一)粮食作物水足迹的影响因素

　　粮食安全问题是人类面临的重大生存危机问题，保障粮食安全现已经成为各国发展战略中的重要一环。而粮食作物的生长发育与水资源充足与否息息相关，因此，研究如何用有限的水资源生产出满足全人类数量的粮食是具有重要意义的。

　　1.自然环境因素

　　粮食作物的水足迹在很大程度上与特定环境中的水需求有关，环境的变化会严重影响粮食水足迹水平。分析已有文献知，影响粮食作物水足迹的主要自然环境因素包括降水、光照、气温、风速、CO2浓度等。在研究影响粮食作物水足迹的自然环境因素时，前四种因素往往会结合起来考虑。

　　例如Acock[22]和Mekonnen[23]证实了玉米水足迹随降水量增加而增加，生长季积温与绿水足迹、总水足迹呈显著负相关，与灰水足迹呈显著正相关;降水量与蓝水足迹呈显著负相关，而日照时数与蓝水足迹呈显著的正相关;日照时数主要是通过风速作用对蓝水产生影响，且风速是影响玉米水足迹最强的气候因子，其与绿水、蓝水、灰水和总水足迹的相关性全部达到了显著水平;相对湿度与绿水足迹呈显著的正相关，与灰水足迹呈显著的负相关。对于小麦而言，降水量的变化是影响其水足迹的重要因素。盖力强[24]发现小麦生产用水中绿水的用量占80%左右，这说明降水量是影响小麦水足迹非常重要的因素。

　　韩宇平[25]则计算了人民胜利渠灌区冬小麦的蓝、绿水足迹，结果显示，平均气温、相对湿度、日照时数、水汽压、平均风速以及有效降水都是影响蓝水足迹的主要气候因子;除水汽压与蓝水足迹呈正相关外，其他因子都与蓝水足迹呈负相关，其中水汽压对蓝水足迹具有最大影响，相对湿度和日照时数次之;而这些气候因子中有效降水对冬小麦的绿水足迹的影响最大，它们之间正相关系数为0.96，而其他气候因子的影响都很小，甚至相关系数为0。

　　Behnam[26]等研究伊朗主要谷物水足迹发现，增加绿水水足迹使用或提高绿水的利用效率对遭受蓝水资源不足的农民来说很重要。CO2的浓度对粮食作物的影响也不容忽视，经研究发现对敏感性粮食农作物来说，两倍的CO2量可能会导致30%到100%的光合作用率的增加，这取决于温度和水的可用量[27,28]，同时CO2浓度还可以通过减少蒸腾作用进一步提高水的使用效率[29]。Morrison通过研究发现，C3类农作物(水稻、小麦等)对高CO2的反应是积极的，而C4类农作物(玉米、高粱等)则对CO2浓度的变化不敏感[30]。

　　Bocchiola[31]则以意大利波谷的兰里亚诺为案例区，研究了灌溉水稻的水足迹受未来气候变化影响的情况，结果表明，在本世纪的上半个世纪，CO2浓度的增加可能会导致水稻产量增加(特别是在CCSM4的情况下);在本世纪末，只有CCSM4在RCP和4.5的情况下才会增加水稻产量和蓝水足迹，而且主要是由于夏季温度的增加而增加。

　　三、结论与展望

　　随着全球水资源短缺越来越受到关注，农业水足迹理论在水资源管理方面的研究得到了非常大的拓展。通过重点考察农业水足迹影响因素，发现粮食作物和经济作物的绿水足迹随降水量的增加而增加，蓝水足迹则相反，且气象因素的变化都会影响其水足迹;在技术因素方面，灌溉技术是影响粮食和经济作物水足迹的主要因素之一。对于畜牧业来说，畜牧水足迹则对品种、饲料、放牧方式敏感。未来农业水足迹的研究可以从以下几个方面展开。

　　其一，农业水足迹的概念还没有形成定论，其外延和内涵仍需进一步完善。其二，其理论的应用主要集中在对粮食作物水足迹的测算，关于经济作物、畜牧作物的研究缺乏，林业和渔业的水足迹无论是测算还是影响因素的研究仍是凤毛麟角。拓展农业水足迹测算有利于农业水资源的利用和管理。其三，扩大农业水足迹的应用范围，例如可以将其与膳食结构、经济增长理论、时空差异模型挂钩，以促进其理论与实践的密切结合。其四，进一步探索农业水足迹的影响因素，为节约水资源和提高农业质量寻找新的路径。

　　参考文献：

　　[1]KyounghoonCha，MinjungSon，etal.Methodtoassesswaterfootprint,acasestudyforwhiteradishesinKorea[J].InternationalSoilandWaterConservationResearch，2017，5(2)：151-157.

　　[2]MesfinM.Mekonnen，ArjenY.Hoekstra.Fourbillionpeoplefacingseverewaterscarcity[J].ScienceAdvances，2016,2(2)：1-6.

　　[3]HoekstraAY，MekonnenMM.Thewaterfootprintofhumanity[J].ProcNatlAcadSci,2012,109(9):3232-3237.

　　[4]HoekstraAY,etal.ValueofWaterResearchReportSeriesNo12[A].VirtualWaterTrade:ProceedingsoftheInternationalExpertMeetingonVirtualWaterTrade[C].theNetherlands，2003

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