“水足迹”及其对中国农业水资源管理的启示
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农环格格有话说：
11月14日周一（农历十月十五），大家早安！！
水资源是人类经济社会发展的战略性资源。它已成为限制人类社会可持续发展的瓶颈因素,各行业的水安全问题日益凸显....
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今天文章讲述：
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农业作为用水大户,实现农业水资源可持续利用意义重大。作者梳理了 “水足迹”理论的发展历程与内涵,对基于虚拟水与基于生命周期评价的两类 “水足迹”核算方法进行概述,总结国内外农业 “水足迹”研究的典型案例,最后探讨了 “水足迹”对中国农业水资源管理的启示。
文章来源：《世界农业》2015年第11期。
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文徐长春1 陈 阜2
1.农业部科技发展中心 北京 100122;
2.中国农业大学农学与生物技术学院 北京 100193
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❖ 水足迹 ？
“水足迹”作为量化水资源消耗与污染状况的指标,已成为国际上水资源定量核算评估的重要工具。
❖ 水资源成为限制人类社会
可持续发展的瓶颈因素
日益增大的用水需求与水资源匮乏之间的矛盾不断加剧,各行业的水安全问题日益凸显。
农业作为最大的用水部门，仅农田灌溉用水就占人类水资源消耗总量的70%以上。
随着经济增长、人口增加、人民生活水平提高以及城市化进程的加速, 中国农业水资源管理面临着巨大挑战。
科学性、 通用性的水资源核算方法是客观量化水资源利用状况、实现水资源科学管理的基础。
“水足迹”是衡量生产者或消费者直接和间接使用水资源量的指标，目前已应用到各个领域的水资源管理研究中。
“水足迹”理论的发展与内涵
传统的水资源评价往往只关注人类生产、生活过程中直接从河流、湖泊、含水土层等处提取使用的淡水资源。对于产品相关水资源的核算也仅限于其本身的含水量,而忽略了 “隐藏”在产品生产和整个供应链环节的水资源消耗。
为了探讨贫水国家和地区通过进口水资源密集型农产品来缓解水资源匮乏的有效途径,英国学者 Alan于20世纪90年代提出了 “虚拟水”(Virtual Water)的概念,将其定义为生产产品或服务所消耗的水资源量。
虚拟水并非真正意义上包含在产品中的实体水,而是以“虚拟”形式物化于产品中,因此又称为 “嵌入水”(Embedded Water)或 “外生水” (Exogenous Wa-ter)。
虚拟水以资源流动 、 资源替代 、 比较优势为理论基础,是相对于实体水的一种全新的水资源观,拓宽了水资源研究领域的视野,为水资源评价提供了全新的思路和方法。目前,虚拟水已经成为水科学研究领域的热点方向以及水资源相关问题研究的创新领域。
2002年,荷兰学者 Hoekstra和 Hung提出了(Water Footprint) 的 概念 , 用来表征人类的生产与消费活动对水资源造成的影响。
“水足迹”概念的提出,是在 “虚拟水”研究的基础上,创造性地将其与“生态足迹”(Ecological Footprint)理论相结合的产物。
“水足迹”的概念与虚拟水相比,具备更加广泛的应用范围以及更深层次的内涵。
产品的虚拟水只表示其生产过程中的用水量,而 “水足迹”不仅包含用水量,还具体明确了用水的时间、地点以及类型,有助于评估人类水资源消耗对应的环境影响。此外,“水足迹”不仅局限于传统水资源评价所关注的地表水和地下水资源 (用蓝 “水足迹”表 示),还包括作物生育期内对有效降水的利用 (用绿“水足迹”表示)以及造成的水体污染状况 (用灰“水足迹”表示),对直接和间接的水资源消耗和污染进行系统核算,进一步拓展了传统水资源评价 体系的范围。
“水足迹”概念提出之后,在虚拟水研究的基础上,迅速在水资源研究领域得到了较为广泛的应用,并逐步建立起了理论体系。
然而,基于虚拟水的“水足迹”仅仅反映了水资源消耗和污染量,并不能直观体现其相应的环境影响。
近年来,随着生命周期评价 (Life Cycle Asesment,LCA)研究的兴起,一些学者认为关于水资源利用的研究迫切需要一个基于生命周期评价的指标来驱动可持续生产和消费模式。
澳大利亚学者 Ridout t 和 Pfister 认为 “水足迹”应该借鉴IPCC报道的 “碳足迹” (CO2当量),采用特征化因子将其表达为单一指标——— “水足迹”当量 (H2O 当量),以便于将不同产品、不同生产阶段以及不同产地的产品之间进行比较。
“水足迹”理论的发展延伸到了环境影响评价领域,不少学者对基于生命周期评价的 “水足迹”评价新方法进行探索。经过多年的研讨并吸收相关研究的最新成果,国际标准组织制定了 “水足迹 ” 评价国际标准ISO 14046:2014并于 2014 年发布, “水足迹”最终被纳入到环境影响评价体系内,实现了与 “碳足迹”、 “氮足迹”、 “土地利用足迹”等 “生态足迹”指标之间的对接。
“水足迹”计算方法
2008年,荷兰学者 Hoekstra牵头组建了非营利机构 “水足迹 ” 协作网 (Water Footprint Net-work)。2009 年 , “水足迹 ” 协作网出版了国际上首个 “水足迹”评价方法学著作《“水足迹”评价手册》,并于2011年修订再版。该 “水足迹”评价方法基于虚拟水理论, “水足迹”被划分为蓝 “水足迹”、绿 “水足迹”和灰 “水足迹”3个分量,包含生产者或消费者的直接用水和间接用水,见图1。不同 “颜色”的水资源具有不同的来源与生态功能。
绿 “水足迹”
绿 “水足迹”是指作物生育期内消耗的有效降水。在作物生长过程中通过蒸腾蒸散消耗的以及嵌
入到作物产量中的有效降水称为绿 “水足迹”。与地表水和地下水的利用途径不同,绿 “水足迹”的使用只能通过土地占用实现。
蓝 “水足迹”
蓝 “水足迹”是指地表水和地下水资源。在农业生产中被作物生长利用、蒸腾或嵌入到作物产量
中的地表水和地下水资源称为蓝 “水足迹”。由于蓝“水足迹”具备多重用途 (除作为农田灌溉和畜禽饮
用水外,还用于工业生产和人类生活),并且蓝 “水足迹”的使用往往需要运输,因此,蓝 “水足迹”利用的机会成本相对较高。
灰 “水足迹”
灰 “水足迹”是用来反映水体污染的指标。灰“水足迹”是指将生产目标产品所产生的污染物稀释到可以接受的最高浓度的水资源需求量,目前通常采用临界稀释体积法,其计算公式如下:
ISO 14046 “水足迹”国际标准评价方法
为了在 “水足迹”评价方法上达成共识,国际标准化组织环境管理技术委员会生命周期评价分委会 (ISO/TC207/SC5)经过多年研究,于2014年8月1日正式发布了基于生命周期评价的 “水足迹”计 算国际标准 ISO 14046:2014。该标准为评价和报告产品、过程和组织的 “水足迹”提供了一致性方法,有助于推动 “水足迹”更为广泛深入的研究与应用。
基于生命周期评价的 “水足迹”评价旨在反映产品、过程或组织的水资源消耗与污染造成的潜在环境影响。根据该国际标准开展的 “水足迹”研究包括生命周期评价的4个阶段:目标与范围定义、 “水足迹”清单分析、 “水足迹”影响评价与结果解释,如图2所示。
4个阶段：
(1)目标与范围定义。在目标与范围定义阶段,需要对 “水足迹”研究的目标、研究范围、系统边界定义、数据及其质量要求等方面信息进行明确。研究目标包括开展研究的原因及其受众,是独立研究还是作为全生命周期评价中的一部分, “水足迹”计算结果是否与其他生命周期评价指标进行比较等。系统边界定义应界定哪些单元过程包含在所研究的 产品系统或者组织活动范围之内。
(2)“水足迹”清单分析。 “水足迹”清单分析 阶段指对所研究的产品、过程或组织中与水资源相关的投入和产出情况进行收集和量化的过程。“水足迹 ” 清单数据计算应当符合 ISO 14044:2006 标准中对清单分析阶段的相关基本要求,根据与水资源 相关的投入产出数据核算对应的水资源基本流 (El-ementary Water Flow, 指进入和离开研究系统的水资源)。每一个基本流应该包括水资源消耗的数量、来源、水质、使用类型与地理位置、与水质改变有关的排放物等方面的信息。该部分还对 “水足迹”清单数据的分配原则与具体步骤进行了规定。
(3)“水足迹”影响评价。“水足迹”影响评价阶段旨在评估所研究的产品、过程或组织所造成的与水 资源相关的潜在环境影响。在该阶段,将“水足迹”清单数据通过对应的特征化因子转化成具有统一单位的影响类别指标,从而实现对水资源消耗与污染所造 成环境影响的量化。经过特征化的各个影响类别指标反映了与水资源相关的不同种类环境影响,可通过对增加限定词进行表示,如水资源匮乏足迹 (WaterScarcity Footprint, 表示对水资源匮 乏的影响 )、 水体富营养化足迹 (Water Eutrophication Footprint,表示造成水体富营养化的程度)。上述影响类别指标统称“水足迹”概况指标 (Water Footprint Profile),它们可以通过权重法最终表达成为单一指标。
(4)结果分析。在结果分析阶段,研究者根据“水足迹”评价结果提炼出关键结论,例如,哪个生命周期阶段占总“水足迹”的比例最高,对“水足迹”结果贡献最大的环境机制和基本流。此外,还应根据研究目的对计算结果进行以下方面的分析:完整性、敏感性、一致性检查,时空分析,不确定性的定性或定量评价 (可采用 Monte-Carlo模拟方法),敏感度分析(可采用有效区间表示“水足迹”最终计算结果)。
其他方法
在 “水足迹”概念提出之后,就不断有学者基于生命周期评价方法对 “水足迹”计算方法进行探讨 , 为 ISO 14046:2014 标准的制定提供了参考 。
Pfister和 Koehler对淡水资源消耗在中端 (Mid-point)和终端 (End-point)水平上开展了全面的影响评价,将水资源压力指数 (Water Stres Index,WSI)作为中端水平上的特征化因子,用来反映水资源消耗对水资源匮乏的影响 。 Canals 等在生命周期系统边界内区分量化了 “蒸腾性”和 “非蒸腾 性”用水,在清单构建过程中评估了土地利用变化对水资源的影响。考虑了两条水资源利用对水资源匮乏影响的路径,即 “淡水的生态系统影响”和“淡水消耗 ”。 Ridout t 和 Pfister 采用生命周期评价方法,开发了修正后的 “水足迹”计算框架,包括用水清单和影响评价两部分。用水清单即为产品生产全过程所涉及的水资源消耗和污染量,包括蓝“水足迹”消耗量、灰 “水足迹”需求量及土地利用对蓝 “水足迹”的影响,三者之和为蓝 “水足迹”总量;影响评价阶段的特征化因子选取水资源压力指数,用来反映用水对水资源匮乏的影响。将蓝“水足迹”总量与其水资源消耗区域对应的水资源压力指数相乘得到反映环境影响的 “水足迹”。
国内外农业 “水足迹”研究案例
Mekonnen和 Hoekstra对1996—2005年全世界126种作物及其次级产品 “水足迹”进行了报道,单位质量 “水足迹”较高的作物是咖啡、茶、可可、烟草等;全世界小麦生产每年 “水足迹”为1 087Gm3 , 水稻为 992Gm3 , 玉米为 770Gm3 , 其中小麦和水稻生产蓝 “水足迹”占全世界作物生产蓝 “水足迹 ” 总量的45 % 。 Ababaei 和 Etedali 估算了伊朗15个小麦主产省的小麦生产 “水足迹”及其组分,灌区小麦生产 “水足迹”约为3 188m3/t,雨养区域小麦生产 “水足迹”约为3 071m3/t,2006—2012年全国小麦生产 “水足迹”约为每年42 143×106 m3,其中绿 “水足迹”占41%;通过与全球尺度上的其他研究结果比较表明,作物 “水足迹”评价应考虑不同地区在气候条件、水资源可利用率、作物产量水平等方面的差异,全世界尺度上的研究结果过于粗糙。 Rodriguez 等对阿 根廷布宜诺斯艾利斯省马铃薯 “水足迹”进行了分析,该地区马铃薯虚拟水含量为323.99m3/t,其中灰 “水足迹”所占比例最高 (43.6%),并提出了提高水肥利用效率、强化对农民的技术支持、对地下水使用进行政策调控等建议。
邓晓军等对中国新疆南疆地区2005年的棉花消费 “水足迹”进行研究,在核算南疆地区各州棉花及棉产品虚拟水含量的基础上,得出南疆地区棉花消费 “水足迹”为353.95×106 m3,虚拟水外调量 为3 185.54×106 m3,其中蓝 “水足迹”调出量为2 290.53×106 m3,分别是本地消费 “水足迹”的9 倍和6.5倍。结果表明,南疆地区棉花生产造成大量的地表水和地下水外流,给当地水资源带来巨大 的压力,严重阻碍该地区的可持续发展。秦丽杰等基于大田试验数据,评价了不同播期对吉林省西部 玉米生产过程中绿水消耗量及其来源的影响,结果表明:当地玉米生产需水量中以绿水消耗量为主,绿“水足迹”占吉林省玉米生产 “水足迹”的98%以上,适当晚播利于提高作物对雨水的利用率,保持土壤水平衡,促进雨养农作区农业生产的可持续发展。
Mekonnen和Hoekstra对全世界畜禽产品 “水足迹”进行了系统核算,结果表明,全世界将近1/3的 农业 “水足迹”与畜禽产品生产有关,所有畜禽产品单位 “水足迹”都高于具有同样营养值的作物产品,肉类消费的增加以及畜禽集约化生产将对全世界水资源造 成进一步影响 。 Ridout t 等采用生命周期评价方法,对澳大利亚6个不同区域的肉牛养殖系统的“水足迹”进行了核算。不同的系统牛肉“水足迹” (H 2 O 当量 ) 为 3.3 ~ 221 L /kg 不等 。由于水 资源匮乏程度和生产方式的不同,不同系统的牛肉生产水资源存在较大差异,在主要依赖牧草且低投入的雨养肉牛养殖系统中,其牛肉 “水足迹”与谷物大致相当,进而对 “肉类生产是水资源匮乏主要驱动力”的观点提出了质疑。 Miguel 等计算得出 , 2001 — 2008 年西班牙猪肉产业年平均 “水足迹”为9.5×109 m3 (其中,绿 “水足迹”占82%,蓝 “水足迹”占8%,灰“水足迹”占10%),饲料生产 “水足迹”中约一半来源于国外,且多数为水资源过度开采的地区。研究表明,猪肉产业是资源消耗的大户,应作为该国农业、环境和水资源政策的关注重点。
王红瑞和王军红对 1985—2002 年中国各省份畜产品虚拟水分布和历年变化情况进行了探究,发现中国畜产品虚拟水分布不均且近年来呈快速上升的趋势,其中山东、河北、河南以及东北3省的畜产品虚拟水总量较大。虞炜等基于 “水足迹”理论 , 测算了 2003 — 2009 年全国农区主要省份的畜牧业水资源承载力,确定了畜牧业水资源可持续利用指标及发展潜力,指出了适宜扩大畜牧业生产规模以及应降低畜牧业发展速度的区域和省份。
Ridout和Pfister对玛氏食品公司生产的250gM&M’s巧克力和575g Dolmio意大利面酱的生命周期 “水足迹”进行案例研究,包含了原料田间生产、工厂加工、产品包装、销售和运输、食用整个产品供应链过程,两者的生命周期 “水足迹” (每功能单元)分别为13和141L,原料田间生产阶段“水足迹”占两个产品总 “水足迹”的比例均在95 %以上 。 Ruini 等计算了 Baril la 公司生产的意大利面的 “水足迹”,由于生产地及其环境状况、农业技术等方面的差异,其 “水足迹”在1.336~2.847L/kg 不等。 同时 , 量化并分 析了与 意大利面以及硬质小麦贸易相关的虚拟水流动,结果表明,在评价一个跨国食品企业的产品“水足迹”时,需要在全球视角下考虑与水资源相关的生产过程 。 Ercin等对碳酸饮料 (含包装)的 “水足迹”进行了案例分析,考虑了原料生产、包装、工厂加工等产品供应链环节。研究结果表明,一瓶0.5L规格碳酸饮料的“水足迹 ” 为 150~300L, 其中 99.7% ~99.8%与产品供应链有关;原料成分虽然在产品重量中比例较低,但却是产品总 “水足迹”的最大组分。
Fader 等估算了世界各国 1998 — 2002 年农业生产 “水足迹”,结果表明,通过国际贸易产生的外部蓝 “水足迹”和绿 “水足迹”分别占全球的6%和16% , 农产品国际贸易显著节约了全球263km3 水资源和0.41亿km2 土地利用面积。Duarte等通过 计算发现,1860—2010年西班牙农业 “水足迹”增加至2倍以上,由于农业生产规模的扩大以及对资源环境保护的忽视,造成该国水资源承受巨大压力。 Zeitoun 等量化了尼罗河流域国家主要农畜产品虚拟水流动情况,该区域各国每年出口约140亿 m3,进口约410亿 m3,各国之间贸易的虚拟水主要为绿水资源。研究探讨了尼罗河流域国家通过农产品贸易缓 解水资源匮乏的潜力,指出有效利用土壤水和发展雨养农业是提高区域水安全的重要途径。
Zeng等对中国黑河流域 “水足迹”进行了系统评价,结果发现该区域农业生产 “水足迹”占总“水足迹”的96%,蓝 “水足迹”比例 (46%)高于中国及世界平均水平;由于该区作物生产对灌溉水需求较大,减少该区 “水足迹”的关键是优化作物生产用水。黄晶等对北京市农业 “水足迹”进行了系统计算 , 1990 — 2005 年农业部 门用水量在本地用水量中的比例平均每年为55.1%,高耗水型作 物产品生产用水比例升高加大了农业用水压力,合理调整种植业结构、实施虚拟水战略扩大养殖业规模、优化种养关系,实现农业部门水资源的高效利用是缓解北京市水资源紧缺问题的关键 。
“水足迹”对中国农业水资源管理的启示
构建科学有效的评价体系是农业水资源管理的基础。建立统一的农业水资源评级体系,不仅要考虑水分利用效率等传统经典指标,更需要反映利用效益等方面的经济效益指标,体现“作物—田间—灌区—流 域/区域—全球”不同尺度间的尺度效应以及尺度转换问题。“水足迹”在微观到宏观不同尺度、生产和消费不同角度上均有着较为成熟的应用基础,可以作为建立农业水资源评价指标体系的重要参考。
中国实施水资源红线管理,农业部等部门确立了农业水资源开发利用控制红线 (以 “全国农业灌溉用水量”为指标)和农业用水效率控制红线 (以“农田灌溉水有效利用系数”为指标)。在此基础上,可以考虑进一步扩大水资源控制红线的范畴,制定农业 “水足迹”控制红线,表征未来气候变化和经济社会发展情景下农业用水总量、用水结构、用水效率的限值;研究制定不同区域农业 “水足迹”控 制的细化方案,通过优化农业结构、提高绿 “水足 迹”利用比例和效率、农业面源污染治理等途径,实现农业水资源可持续利用。
在宏观层面上,调整农作物种植结构,优化农作制度,压缩高耗水农作物种植面积,鼓励种植耗水少、附加值高的农作物,降低区域和全国农业生产总“水足迹”;实施虚拟水战略,优化中国粮食贸易结 构;发展雨养农业,在半干旱、半湿润偏旱区建设农田集雨设施,充分利用绿 “水足迹”资源。在农田尺度上,推广节水灌溉技术,提高农田灌溉水利用效率,有效利用蓝 “水足迹”资源;减少化肥和农药施用量,控制农业面源污染,降低灰 “水足迹”。
由于农业生产系统的复杂性,不同区域、不同农作制度之间千差万别,加上水资源本身的空间性,同一种农产品生产的 “水足迹”在不同区域和不同生产系统之间可能具有较大差异。需要建立健全全国范围内的农业生产投入产出及用水参数库。目前,在生命周期评价研究的推动下,国内外在工业等领域已建立了较为完善的生命周期数据库,量化了相关单元过程的资源消耗与环境排放。农业领域应加紧完善参数库,依托科研项目和统计资料,形成 数据协同挖掘与共享机制,为农业水资源管理提供基础数据支撑。
在全球气候变化及资源耗竭的背景下,生产者及消费者越来越关注产品生产和消费所带来的环境影响。在定量核算环境影响的实践中,“水足迹”作 为生态标签的一种,标注在相关产品的包装上,量化生产该项产品的水资源消耗及对应的环境影响。国外已有许多企业对其产品进行 “水足迹”标签认证,而中国相关研究和应用 (特别是农产品 “水足 迹”案例研究)仍处于起步阶段。构建 “水足迹”标签制度 , 推动 ISO 14046:2014 标准在中国的等同转化与应用,能够有力地促进中国农业 “水足迹”的研究,为农业可持续发展提供科学参数。
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