基于LMDI模型的湖北省农业水足迹时空分布与驱动力研究.pdf

摇第 22 卷摇 第 1 期2024 年 2 月中 国 水 土 保 持 科 学Science of Soil and Water ConservationVol.22摇 No.1Feb.2024DOI:10.16843/j.sswc.2022196基于 LMDI 模型的湖北省农业水足迹时空分布与驱动力研究杨润丁,杨冬民覮(西安理工大学经济与管理学院,710061,西安)摘要:结合水足迹理论和传统农业用水核算方法,分析 20052020 年湖北省各市州农业水足迹时空演变特征,并利用 LMDI 模型对农业水足迹变化量进行驱动力因素分解。结果表明:1)湖北省农业水足迹呈现先上升再下降的波动趋势;湖北省各市州农业水足迹存在明显的时空分布差异,这是自然因素和经济因素共同作用的结果。2)各驱动力对湖北省农业水足迹变化的影响程度为经济效应 技术效应 人口效应,经济效应对农业水足迹变化量的贡献值,达 53郾 72%,技术效应和人口效应的贡献值分别为 32郾 86%和 13郾 42%;其中,经济效应对农业水足迹起正向驱动作用,技术效应和人口效应对农业水足迹起到反向驱动的作用。研究结论拓展了长江流域农业水足迹及驱动力分析,同时对于提高农业可持续发展、增加农业用水效率有指导意义。关键词:农业水足迹;时空分布;LMDI 模型;驱动力中图分类号:S157;S273文献标志码:A文章编号:2096鄄2673(2024)01鄄0106鄄08引用格式:杨润丁,杨冬民.基于 LMDI 模型的湖北省农业水足迹时空分布与驱动力研究J.中国水土保持科学,2024,22(1):106-113.YANG Runding,YANG Dongmin.Study on spatial鄄temporal distribution and driving forcesof the agricultural water footprint in Hubei province based on the LMDI modelJ.Science of Soil and Water Conservation,2024,22(1):106-113.收稿日期:2022 09 30摇 修回日期:2023 11 01项目名称:国家社会科学基金一般项目“科技创新企业专利商业化运营生态圈机制与路径研究冶(23BGL081)第一作者简介:杨润丁(1998),男,硕士研究生。主要研究方向:资源与环境。E鄄mail:853791493 覮 通信作者简介:杨冬民(1963),女,博士,教授。主要研究方向:人口、资源与环境。E鄄mail:1635146986 Study on spatial鄄temporal distribution and driving forces of theagricultural water footprint in Hubei province based on the LMDI modelYANG Runding,YANG Dongmin(School of Economics and Management,Xi忆an University of Technology,710061,Xi忆an,China)Abstract:Background The development of agriculture is related to the development of nationalsecurity.As a central agricultural province in China,Hubei province should shoulder the heavyresponsibility.The study of water footprint helps solve the problem of uneven distribution of agriculturalwater use and thus to improve agricultural development.Methods Using the water footprint theory andtraditional agricultural water use accounting methods,we analyzed the spatial鄄temporal evolutioncharacteristics of the agricultural water footprint of cities and prefectures in Hubei province from 2005 to2020.And the LMDI model was used to decompose the driving factors of agricultural water footprintchanges.Results 1)The agricultural water footprint of Hubei province shows a fluctuating trend offirst rising and then falling.The agricultural water footprint of each city and prefecture in Hubei provincehas noticeable spatial and temporal distribution differences.The agricultural water footprint of most cities摇摇 第 1 期杨润丁等:基于 LMDI 模型的湖北省农业水足迹时空分布与驱动力研究is concentrated in 10 伊108-40 伊 108m3,at 40 伊 108-85 伊 108m3the number of cities in the rangeranks second,with only a few remaining over 85 伊108m3.Over time,the agricultural water footprint ofeach city has gradually shifted to a higher level,with 5 cities reaching over 80 伊108m3by 2020.2)Theaverage total effect of agricultural water footprint changes in Hubei province during the research period is13郾 92 伊108m3.The impact of each driving force on the changes in agricultural water footprint in Hubeiprovince is in the following order:Economic effect technological effect population effect.Thecontribution of economic effects to agricultural water footprint changes exceeds half,reaching 53郾 72%.The contribution values of technological effects and population effects are 32郾 86%and 13郾 42%,respectively.Conclusions The spatial and temporal distribution difference in water footprint resultsfrom the joint action of natural factors and economic factors.Economic effect plays a positive role indriving agricultural water footprint,while technological effect and population effect play a negative role indriving agricultural water footprint.The conclusion expands the analysis of the agricultural water footprintand driving force in the Yangtze River basin.It has theoretical significance for improving sustainableagricultural development and increasing agricultural water use efficiency.Keywords:agricultural water footprint;spatiotemporal distribution;LMDI model;driving force摇 摇 水足迹作为区域农业水资源合理管理和评价的重要研究方法,为科学评价农业生产过程中水资源使用状况提供了新视角1。国内外众多学者从农作物水足迹量化、水足迹驱动力分解以及水足迹可持续性评价等方面做了大量研究。Zeitoun等2研究表明尼罗河流域国家虚拟水贸易 3/4 以上来自于雨养作物;Van 等3发现在严重缺水的国家中荷兰的消费者对外部水足迹的影响最大;陈俊旭等4得出农作物和动物产品虚拟水消耗是水足迹消费的主要组成部分;Fu 等5运用 LMDI 模型把长江流域的灰水足迹效率分解成 6 个关键因素,其中,经济效应和资本深化效应改变灰水足迹效率;姚懿真等6用 IPAT 模型对河北省的环境冲击进行因素分解,得出人均农业产值和单位农业产值造成的灰水足迹呈负相关;贾浩等7运用灰色关联度分析沧州市农业水足迹增长的驱动因素,表明与农业水足迹总关联度最高的 3 个驱动因子分别为有效灌溉面积比例、耕地复种指数和农村人口;周玲玲等8基于 DPSIR 模型构建即墨市水资源可持续利用评价体系,结果表明在各评价指标中,生态用水比例指标权重最大;刘民士等9研究表明安徽省水资源利用处于非可持续利用状态,属于水资源紧缺型城市;商庆凯等10用水资源负载指数对青海省的水资源可持续性进行评价,结果表明青海省水资源压力有上升趋势,水资源利用程度较低,开发潜力大。国内学者对水足迹的研究多倾向于构建可持续利用评价体系,从而指导水资源的合理利用,研究区域多集中于黄河流域和北方干旱城市。针对农业水足迹的细化研究和长江流域城市的研究并不充分。在此基础上笔者应用水足迹理论核算湖北省各市20052020 年农业水足迹,分析其时空分布和演变特征,并运用 LMDI 模型对农业水足迹进行驱动因素分解,为优化湖北省农业水资源配置、提高水资源利用效率和水土保持率提供理论依据。1摇 研究区概况湖北省地处我国中部内陆地区,秦岭淮河以南,位于 N 29毅05忆 33毅20忆,E 108毅21忆 116毅07忆,大部分海拔 20 100 m,区域面积 18郾 59 万 km2,地形以平原和低山丘陵为主,地势西高东低。湖北境内水利资源丰富,除长江、汉江干流外,省内各级河流河长5 km 以上的有 4 228 条,另有中小河流 1 193 条,河流总长 5郾 92 万 km,其中河长在 100 km 以上的河流有 41 条。2摇 方法与数据2郾 1摇 农业水足迹计算根据 Allan11和 Hoekstra 等12关于水足迹定义的延伸可知,区域农业水足迹包括内部农业水足迹和外部农业水足迹13:WF=FI+FE。(1)式中:WF为农业水足迹;FI为内部农业水足迹;FE为外部农业水足迹。水足迹的测算有“自下而上冶和“自上而下冶2 种方法14。笔者采用“自上而下冶法,可以更好地体现农业生产中各部分消耗水资源701摇中国水土保持科学2024 年的状况15。即:WF=FU-FAE+FAI=FU+FNI。(2)式中:FU为本地农业用水总量;FAE为农业虚拟水输出量;FAI为农业虚拟水输入量;FNI为农业虚拟水净输入量。FU=移ni=1YiVi。(3)式中:Yi为第 i 种农业产品的产量;Vi为第 i 种农业产品的单位产量的虚拟水含量。2郾 2摇 LMDI 分解法笔者基于 LMDI 模型将湖北省农业水足迹变化的驱动因素分解为人口效应、经济效应与技术效应。具体表达式16为:Wi=PiGiPiWiGi。(4)式中:Wi为湖北省第 i 年的农业水足迹;Pi为湖北省第 i 年的乡村人口总量,代表人口效应;Gi/Pi为湖北省第 i 年的人均农业 GDP,代表经济效应;Wi/Gi为湖北省第 i 年单位农业 GDP 的水资源消耗量,即水足迹强度,代表技术效应。W驻=Wt-W0=Pe+Ae+Te。(5)式中:W驻为湖北省农业水足迹变化量;Wt为第 t 年的湖北省农业水足迹;W0为基期的湖北省农业水足迹;Pe为人口因素对湖北省农业水足迹变化量的贡献因素;Ae为经济因素对湖北省农业水足迹变化量的贡献因素;Te为技术因素对湖北省农业水足迹变化量的贡献因素。3 个驱动因素的贡献度计算方法参见文献17。2郾 3摇 数据来源在水足迹核算时选取具有代表性的 13 种农产品:粮食、水果、蔬菜、水产品、棉花、油料、茶叶、猪肉、牛肉、羊肉、禽肉、禽蛋和牛奶18。农产品产量来自于湖北统计年鉴及各市州统计年鉴;生产耗水量来自于湖北水资源公报;农村人口总量、农业生产总值来自于中国农村统计年鉴及湖北统计年鉴。3摇 结果与分析3郾 1摇 湖北省各市(州)农业水足迹动态变化根据湖北省的农作物种植结构,笔者选取 13 种代表性的农产品。各类农产品的单位产量虚拟水含量参数参考 Hoekstra19的研究成果,并参考我国学者修正后得出20,如表 1 所示。单位农作物的虚拟水含量因时间的变化而逐年变化,单位动物产品虚拟水含量随时间变化不明显。表 1摇 农产品单位产量虚拟水含量参数Tab.1摇 Parameters of virtual water content per unitoutput of agricultural productsm3/t农作物产品Crop product虚拟水含量Virtual watercontent动物产品Animalproduct虚拟水含量Virtual watercontent粮食Grain880猪肉Pork2 210棉花Cotton4 400牛肉Beef12 560油料Oils3 967羊肉Mutton5 200茶叶Tea13 170禽肉Poultry3 110水果Fruits820禽蛋Eggs3 550蔬菜Vegetables110牛奶Milk2 200水产品Aquatic product5 000图 1摇 湖北省各市(州)农业水足迹变化折线图Fig.1摇 Broken line map of agricultural water footprintchange in cities(prefectures)of Hubei province摇 摇 根据农业水足迹计算原理,通过式(1)(3)计算出湖北省 20052020 年各市州的农业水足迹,并绘制各市(州)水足迹折线图(图 1)。801摇摇 第 1 期杨润丁等:基于 LMDI 模型的湖北省农业水足迹时空分布与驱动力研究由图 1 可见从 2005 年到 2020 年湖北省各市(州)的农业水足迹基本处于波动上升的趋势,由于研究基年 2005 年各市的农业发展并不充分,因此上升空间较大,在农产品产量稳定增长的过程中,农业水足迹不断攀升。2014 年开始,湖北省严格实施节水条例,严抓浪费行为,使农业水足迹在此后 2 3 a 大幅降低,后保持稳定。其中宜昌市的变化较为明显,从 51郾 88 亿 m3增长到 93郾 75 亿 m3。农 业 水 足 迹 最 高 的 是 荆 州 市,整 体 处 于100 亿 m3以上。各市农业水足迹有明显的分层现象,大部分城市的农业水足迹集中在 10 亿 m340 亿 m3之间;处于 40 亿 m3 85 亿 m3范围的城市有宜昌市、武汉市、孝感市和荆门市;始终保持在 85 亿 m3以上的城市仅有荆州市和襄阳市。这说明湖北省各市农业发展水平参差不齐,少数城市具有领头羊作用,绝大部分城市的农业发展水平并不充分。利用 ArcGIS 10郾 5 绘制出 2005、2008、2011、2014、2017 及 2020 年湖北省农业水足迹的时空分布图,分析各市的水足迹动态变化(图 2)。图 2摇 湖北省各市(州)2005、2008、2011、2014、2017 和 2020 年农业水足迹分布图Fig.2摇 Agricultural water footprints of various cities(prefectures)in Hubei province of 2005,2008,2011,2014,2017 and 2020901摇中国水土保持科学2024 年摇 摇 农业水足迹较大的城市有:襄阳市、荆州市、黄冈市。随着时间的推移,宜昌市、荆门市也达到较高水平。这些城市大多处于长江流域。这种地理优势一方面提高土地肥沃度和农作物灌溉率,另一方面使淡水养殖和渔业快速发展。襄阳市的农耕林地面积十分广阔而且有逐年上升的趋势,为农作物大规模种植提供必要条件;荆州地处湖北省南部,地形以平原为主,低山少丘陵,拥有集中连片的耕地,为农业规模化种植提供良好条件,粮食产量居于湖北省首位;宜昌市位处江汉平原,地势平坦、土地肥沃,因此粮食作物和经济作物产量颇丰;黄冈市的休闲农业资源十分丰富,自然景观众多、风景优美,为发展休闲农业提供必要条件。农业水足迹较小的城市有:十堰市、天门市、仙桃市、潜江市、鄂州市和恩施州,其农业水足迹基本稳定在20 亿 m3左右。十堰市主要受到地理环境的限制,湖北西北部以山地为主,武当山、荆山、神龙架诸山盘踞,使十堰市耕地面积十分有限,农作物产量低下;天门市、仙桃市、潜江市受制于地域面积;鄂州市除了地域面积有限,人口数量也是重要影响因素,截至 2020 年,鄂 州 市 的 常 住 人 口 数 量 仅 为105郾 97 万人,居湖北省倒数第 3。恩施农业水足迹略高于其他市。这与恩施大力发展茶叶文化有着密切关系。2011 年开始恩施开始打造武陵地区最大的生态茶产业物流贸易平台,使茶叶的产量逐年增加。综合来看,湖北省各市州农业水足迹的空间差异显著,主要受到地形、河流等自然因素和行政区域面积、人口等经济因素的共同影响。3郾 2摇 基于 LMDI 模型的驱动力分析研究期间湖北省乡村人口数整体呈下降趋势,2005 年为统计期间最大值,达到 3 243郾 3 万人。随着城市的发展,城镇化进程更加迅速,城乡差距越来越大,更多的乡村人口涌向城市,造成乡村劳动力流失。湖北省农业总产值呈现稳步上升的趋势,农业产值从 2005 年的 932郾 15 亿元,增长到 2020 年的3 492郾 54 亿元,年均增长率达到 18郾 31%,增长显著。其中 2010 年到 2014 年的农业产值达到了整体趋势线以上,2018 年农业产值首次突破 3 000 亿元。图 3 是湖北省农业水足迹强度折线图,即单位农业产值的耗水量,代表了技术效应。从图中可以看出,从 2005 年到 2020 年,湖北省农业水足迹强度整体呈现递减的趋势。2005 年水足迹强度达到0郾 75,而 2020 年水足迹强度仅为 0郾 26,年均减少率为 4郾 36%,效果显著。这说明湖北省的技术改进明显,节水效率大幅提高,农业用水效率稳步提升。图 3摇 湖北省农业水足迹强度折线图Fig.3摇 Broken line map of agricultural water footprintintensities in Hubei province摇通过式(4)(5)计算出湖北省农业水足迹各驱动因素的贡献度,如表 2 所示。表 2摇 20052020 年湖北省农业水足迹驱动力贡献度Tab.2摇 Contribution of agricultural water footprint drivingforce in Hubei province from 2005 to 2020108m3年份Year人口效应Populationeffect经济效应Economiceffect技术效应Technicaleffect总效应Total effect20052006-9郾 6756郾 41-38郾 688郾 0620062007-5郾 75108郾 99-79郾 3123郾 9320072008-10郾 72153郾 19-108郾 5233郾 9520082009-10郾 5569郾 673郾 3762郾 4920092010-60郾 16259郾 76-161郾 6837郾 9220102011-33郾 40190郾 95-109郾 0548郾 5020112012-30郾 0299郾 93-17郾 6952郾 2220122013-18郾 3385郾 25-33郾 3533郾 5720132014-23郾 4049郾 140郾 4526郾 1920142015-21郾 5530郾 43-12郾 82-3郾 9420152016-23郾 9868郾 66-80郾 56-35郾 8820162017-25郾 0780郾 88-127郾 92-72郾 1120172018-20郾 5342郾 38-28郾 04-6郾 1920182019-14郾 4979郾 47-73郾 75-8郾 7720192020-69郾 10132郾 50-54郾 538郾 87均值 Mean value-25郾 11100郾 51-61郾 4713郾 92比例 Ratio/%13郾 4253郾 7232郾 86100郾 00摇 摇 从人口效应的角度来看,湖北省 16 年间乡村人口数量呈递减趋势,人口效应值均 0,且贡献值在 3 个效应中是最大的。说明经济因素是农业水足迹变化的重要影响因素且对农业水足迹的变化起到正向驱动的作用。20092011 年 的 贡 献 值 处 于 高 水 平,20062007 年、20072008 年、20192020 年的贡献值其次,其余各年的经济效应贡献值均在 100 亿 m3以下。结合农业产值的变化趋势,16 a 间农业总产值的年均增长率达到 18郾 31%,增速居全国前列。湖北省经济的快速发展必然刺激省内的消费水平,增加总需求,这就很大程度上促进农民的生产积极性,使农业水足迹逐年上升。也证实经济发展的正向驱动效应显著。从技术效应的角度分析,除 20082009 年和20132014 年的技术因素贡献值为正外,其余年份均为负,说明技术效应对农业水足迹的变化起到反向驱 动 作 用。其 中 20072008、20092011 及20162017 年的反向驱动作用最为显著,20062007 和 20182019 年的贡献值其次,其余年份的贡献值绝相对较低。结合图 3 的水足迹强度折线图,折线整体呈现递减的趋势,20052020 年共下降 0郾 49,说明技术增长明显。湖北省根据水资源承载能力,科学规划调整区域空间布局,科学管理用水,提倡循环用水21。与此同时,随着技术水平的进一步提高以及各种节水设备的投入使用,水资源的利用效率得到提升,单位产品的耗水量开始减少22,因此技术效应表现出反向驱动作用。整体来看,20052020 年湖北省农业水足迹变化量总效应的均值为 13郾 92 亿 m3,其中人口效应和技术效应的贡献均值分别为-25郾 11 亿 m3和-61郾 47 亿 m3,二者对农业水足迹起反向驱动作用。经济效应贡献均值为 100郾 51 亿 m3,对农业水足迹起正向驱动作用。人口效应、经济效应、技术效应的贡献率分别为 13郾 42%、53郾 72%和 32郾 86%。说明 3 种影响因素中经济因素是农业水足迹变化的主要驱动因素,贡献比例超过 50%。技术效应是农业水足迹变化的次要驱动因素。人口因素对农业水足迹的驱动作用最差,其抑制作用不足技术效应的一半。4摇 结论与讨论1)湖北省各市州农业水足迹处于波动上升趋势,各市州的农业水足迹存在明显的时空差异,主要由自然因素和经济因素造成。长江流域流经的城市和处于江汉平原的城市往往有更高的农业水足迹,这主要集中在湖北省的中部和南部地区,包括荆门市、荆州市和黄冈市;西部和西北地区,农业水足迹常年处于低水平,如十堰市和恩施州,其农业水足迹常年保持在 20 亿 m3;城市经济发达,居住人口多的城市往往具有较高的农业水足迹,如宜昌市和襄阳市。2)基于 LMDI 模型分析驱动力因素对湖北省农业水足迹影响程度为:经济效应 技术效应 人口效应,经济效应对农业水足迹变化量的贡献值超过50%,人口效应的贡献值不足技术效应贡献值的一半。其中,人口效应和技术效应对农业水足迹起到反向驱动的作用,经济效应对农业水足迹起正向驱动作用。综合来看,湖北省农业发展稳定,不仅是农业大省也是农业虚拟水贸易大省。尽管省内水资源丰富,但农业用水效率仍需提高。针对本研究结论提出以下建议:1)对于地理条件欠缺、耕地面积不足的市,可以根据自身技术和擅长方面发展相应产业来提升自己的经济水平,如恩施州因打造出武陵地区最大的生态茶产业物流贸易平台而闻名全国;对于水足迹时空分布差异,可以将水资源在省内各市州之间实现小区域调水措施。针对各区域水资源存量不同,农业发展状况不同,做到区域资源调度和协调,实现时空用水的协调性和农业的可持续发展。具体可将南部和东部地区的水资源合理分配到西部及西北部地区,来推动全省共同发展。2)通过 LMDI 模型分解可以看出,缓解湖北省农业水足迹增长可以从人口、经济、技术 3 个方面着手。对于乡村人口数量,适当地控制可以抑制农业水足迹的增长。根据统计数据,湖北省乡村人口数量不久可能跌至 2 000 万人以下,过少的人口会导致劳动力不足,因此要缩小城乡差距,控制乡村人口减少的幅度;针对经济因素,经济的发展是农业水足迹增加的主要原因,而农业水足迹往往是一个区域111摇中国水土保持科学2024 年水足迹的重要组成部分,因此湖北省需要继续调整优化产业结构,降低农业产值在经济组成中的比例,适当增加工业、制造业及服务业的发展水平,做到齐头并进;针对技术因素,主要在于增加节水技术开发运用和加强农业用水管理。一方面要增加节水技术研究的资金投入,鼓励高校对此方向的研究并适当增加成果奖励,依托高新科技对农作物灌溉技术进行优化,创立更加智能化、低耗能的新型灌溉技术。另一方面要加强水资源节约的宣传,使节约用水、循环发展的概念深入人心,继续摸索出台合适的农业用水条例。5摇 参考文献1摇 孙世坤,王玉宝,吴普特,等.小麦生产水足迹区域差异及归因分析 J.农业工程学报,2015,31(13):142.SUN Shikun,WANG Yubao,WU Pute,et al.Spatialvariability and attribution analysis of water footprint ofwheat in China 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