第一章 引言
1.1 选题背景与意义
我国水资源存在人均占有量少、时空分布不均的问题（汪党献和王浩，2000）。2019 年《中国水资源公报》显示，全国人均综合用水量 431m3，仅为世界同期人均用水量的四分之一。根据国家统计局数据，2019 年我国总人口超过 14 亿，人口自然增长率约为 3.34‰，尽管生育率呈现略微下降趋势，但我国人口规模在短期内仍将维持正增长，这意味着水资源压力仍将继续增大。从用水结构来看，2019年我国农业用水量 3682.3 亿 m3，占总用水量的 61.16%，是名副其实的“用水大户”。然而，我国耕地实际灌溉亩均用水量 368m3，农田灌溉水有效利用系数仅为 0.559，相比较于美国 0.8 的有效利用系数（Lu 等，2020），我国的灌溉效率仍处于较低水平，农业用水效率亟待提高。在水资源需求日益增加的同时，我国还存在水土资源错位的问题。2000 年以来，我国耕地面积、灌溉面积和粮食主产区向北方集中（王浩等，2018），而水资源分布南多北少的格局无明显变化，北方水资源缺口进一步加大，亩均水资源约为南方的六分之一。在粮食安全的总体战略下，“北粮南运”的过程加剧北方农业主产区的水资源压力。
随着对水资源演变规律认识的加深，以虚拟水和水足迹理论为支撑的新的水资源管理理念得到关注。水足迹是评估地区虚拟水资源流量和水资源管理的重要工具，虚拟水可以有效衡量由于贸易产生的地区水资源隐性转移问题。程国栋（2003）基于中国西北的气候特征和农业生产情况，认为虚拟水战略是缓解西北地区水资源短缺的有力途径。在新的水资源观（吴普特等，2016）指导下，水足迹理念迎来了广泛的应用前景。在用水量占主导的农业用水管理中，安婷莉等（2020）提出了农业水足迹控制标准、农业生产虚拟水补偿制度、实体水-虚拟水统筹管理三大科学设想。将水足迹理论用于用水管理的设想实施应用的前提是能够对区域内农业水足迹进行完整的评价，2011 年 Hoekstra 教授等人编著的《水足迹评价手册》正式出版，为评估地区的水足迹提供了有效的工具指导。同时，由于不同农作物的作物需水量不同，农业种植结构与地区水足迹量紧密相关，Han（2020）在研究我国西北地区水足迹问题后，提出农业种植结构优化是控制农业水足迹，实现区域农业可持续发展的重要途径之一。
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1.2 国内外研究进展
1.2.1 水足迹理论与实践
水足迹是对水资源占用的综合评价指标，包括消费者或者生产者的直接用水和间接用水（Aldaya 等, 2012）。作为一种衡量用水的指标，水足迹概念源于 Allan提出的虚拟水和 Hoekstra 提出的生态足迹。虚拟水是由 Allan 于 1993 年提出，并用产品和服务生产过程中消耗的总淡水量来表征，可以有效衡量由于贸易产生的地区水资源隐性转移问题。1998 年，Hoekstra 在 Allan 的基础上总结了虚拟水的特征，他指出虚拟水具有便捷性、社会交易性、非真实性的特征。生态足迹是指一定区域内人类生存所需要的生产力折算成的土地面积。2002 年，Hoekstra 在综合虚拟水和生态足迹的特征后提出了水足迹的概念，并引申出蓝水、绿水的定义。2008 年又同 Chapagain 教授一起补充了灰水足迹的定义，进一步完善了水足迹理论。
水足迹由蓝水足迹、绿水足迹、灰水足迹组成。蓝水足迹是量化生产和服务供应中消耗的地表水资源和地下水资源，通俗理解为计算“看得见的水”。绿水足迹指的是供应链中通过蒸散发消耗的水资源量，通俗理解为计算“看不见的水”。灰水足迹则是供应链中将污染稀释至环境可承载标准消耗的淡水量，通俗理解为计算“被污染的水”（Hoekstra，2011；吴兆丹，2013）。具体的研究中又将蓝水和绿水足迹称为消耗水足迹，灰水称为降级水足迹（zhuo 等，2016）。水足迹的概念来源于虚拟水和生态足迹，然而与生态足迹强调对土地面积的占有比较，水足迹衡量的是对水资源体积的消耗，对比虚拟水的定义，水足迹明确了时空尺度的含义，以便于对虚拟水流动进行定量化计算。
目前，水足迹理论已经得到广泛应用（Zhang 等，2017）。根据水足迹的计算指标选取划分，水足迹可选择产品、行业、区域、国家等作为视角切入。Zhang（2021）和 Hoekstra（2007）计算了 1997 年至 2001 年世界各国的水足迹，认为国家的水足迹受消耗量、消费模式、气候、农业实践四个因素的直接影响。Dobocan（2011）设计了针对企业的一种水足迹的核算方法，并将该方法分解为6 个步骤。在程国栋将水足迹等相关理论引入国内后，我国学者在水足迹方面开展了大量研究。Ge（2011）计算 2007 年我国人均水足迹为 648.11 m3，并分析了人均水足迹在各省份间的空间差异，结果发现经济发达地区人均水足迹较高，水足迹强度较低，水消耗效率较高，而西北地区的水利用效率较低。Zhang 等（2019）的结果表明我国居民食品消费年均水足迹为 6051.2×108m3，基本呈上升趋势，农村人口消耗的虚拟水比城市人口多。
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第二章 研究区概况及数据与方法
2.1 定西市自然条件
2.1.1 地理位置
定西市位于甘肃中部，省辖地级市，又称陇中，与兰州、白银、天水、陇南、甘南、临夏相邻，辖安定区、通渭县、陇西县、渭源县、临洮县、漳县、岷县共一区六县，总面积 1.96 万平方公里，总人口 304 万。全市位于北纬 34°26'~35°35'，东经 103°52'~105°13´之间，处在黄土高原、青藏高原和秦岭西段交汇地带。
图 2-1 定西市概况图
2.2 定西市社会经济条件
2.2.1 土地数据
定西全市总面积 19620.90 平方公里，折 196.21 万公顷，其中农耕地 71.39 万公顷，占总土地的 36.39％；地埂 17.48 万公顷，占总土地的 8.91％；园地 0.92万公顷，占总土地的 0.05％；林地 18 万公顷，占总土地的 9.1％；草地和疏林草地 65.74 万公顷，占总土地的 33.5l％；城乡居民点用地 5.35 万公顷，占总土地的 2.72％；工矿用地 0.45 万公顷，占总土地的 0.02％；交通用地 2.5 万公顷，占总土地的 1.28％；水域 4 万公顷，占总土地的 2.04％；特殊用地（国防用地）0.59万公顷，占总土地的 0.30％；难以利用土地 10.99 万公顷，占总土地的 5.6％。耕地主要包括旱地和水浇地，旱地 66.73 万公顷，占总耕地的 93.47％，水浇地4.66 万公顷，占总耕地的 6.53％。
2.2.2 人口、经济数据
2019 年，定西市户籍人口 303.82 万人，常住人口 282.58 万人。全市以农村人口为主，达 179.79 万人，城镇化率仅为 36.4%，比同期甘肃省的城镇化率 48.49%低 12.09 个百分点。国内生产总值 416.3787×108元，增速达到 6.2%，人均 GDP为 14746 元。分产业看，一二三产业结构比为 18.7%：15.9%：65.4%，第一、第二产业占比较少，第三产业占比较大，自 2009 年以来全市各产业产值增速均呈下降趋势，其中第二第三产业降幅较大，第一产业保持稳定。分县（区）看，全市各县（区）人口分布较为平均，城镇化率高于全市平均的有安定区（51.04%）、陇西县（49.78%），较为接近的为临洮县（36.67%），其余漳县（31.17%）、渭源县（27.36%）、岷县（26.86%）、通渭县（25.87%）城镇化率均处于较低水平。由此可见，定西市依然是较为典型的农业地区，稳定地区经济增速、提高城镇化率，做精做强第一产业是实现地方乡村振兴的重要举措（焦倩等，2021）。
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第三章 定西市农作物需水量计算与虚拟水分析 ................................ 22
3.1 定西市及各县（区）2009-2019 年农作物单位面积需水量分析.................. 22
3.1.1 农作物单位面积作物需水量时空变化 ........................ 22
3.1.2 农作物单位面积作物需水量特征值分析 .......................... 24
第四章 定西市农业水足迹研究 ........................................... 33
4.1 定西市及各县（区）2009-2019 年农业生产水足迹变化............................. 33
4.2 定西市及各县（区）2015-2019 年农产品消费水足迹变化......................... 37
第五章 基于水足迹理论的农业种植结构优化 .................................... 46
5.1 多目标优化函数 ..................... 46
5.1.1 目标函数 ............................ 46
5.1.2 约束条件 .................................. 47
第五章 基于水足迹理论的农业种植结构优化
5.1 多目标优化函数
农业种植结构是在政府的宏观指导下，由农民在长期开展农业生产中形成的一种作物种植情况，可以表征区域不同类型农作物的种植比例的高低。从区域水资源的利用角度看，长期形成的农业种植结构可能增大了地区的水资源压力。定西市是甘肃传统的农业生产区，近年来重点打造以药材和马铃薯为代表的特色产业。从第四章的研究结果看，定西市全部县（区）为虚拟水净输出区，高强度的农业生产可能进一步加剧了该地区的水资源压力。此外，从第三章的研究结果看，定西市不同作物的单位面积需水量存在显著差异，这表明可以通过调整种植结构优化降低各地生产水足迹，提高水资源利用效率。因此，及时分析该地区农业种植结构，并尝试通过优化种植结构来扩大农业经济效益和降低水资源压力具有重要意义。综上，本章的目的是基于多目标函数和不同的发展情景，优化模拟定西市农业种植结构。为此，本章首先以经济效益目标和水足迹目标确定目标函数，以耕地面积约束、水资源总量约束和消费需求约束确定约束条件，进而构建多目标函数。其次，根据消费需求和水资源总量两类变量，设计六种模拟情景。最后，对定西市农业种植结构进行模拟优化并分析结果。
表 5-1 现阶段主要农作物种植面积表（单位：万亩）
第六章 结论、不足与展望
6.1 结论
（1）定西市多年平均生产水足迹总量为 26.67×108m3，各县（区）生产水足迹总量存在空间差异。不同类型作物的生产水足迹差异与种植结构相关，薯类、玉米和药材的多年平均生产水足迹总量最大，总占比超过全市生产水足迹的 70%，生产水足迹占比低于 5%的作物共有 6 类，分别为蔬菜、油料、豆类、果树、瓜类和甜菜，与定西市农作物现状种植结构分布较为一致，因此，调整种植结构可以改变地区农业生产水足迹。同时，除岷县外的六县（区）生产水足迹中多年平均蓝水足迹占比在 40%以上，表明定西市农业生产对灌溉用水依赖程度较高。
（2）定西市的多年平均农产品消费水足迹总量为 10.4×108m3，人均年消费水足迹为 370.9 m3。县（区）的消费水足迹总量与常住人口总数呈正相关，人均消费水足迹与城镇化率呈负相关，提高城镇化率可以降低人均农产品消费水足迹。
（3）定西市是虚拟水净输出地区，农业种植结构存在一定问题。2015-2019年件虚拟水的平均年净输出量为 16.08×108m3，7 个县（区）均表现为虚拟水净输出。虚拟水输出存在空间错位现象，具体表现为北部缺水的安定、通渭地区净输出量最大，南部降水相对充沛的漳县、岷县地区净输出量小。不同类型作物的虚拟水流动存在差异，薯类、玉米、药材、蔬菜等表现为净输出，主要口粮小麦等表现为净输入，这说明区域内农产品不能完全自给。
（4）优化种植结构是提高农业经济收益、降低生产水足迹的重要途径。六种模拟情景结果显示，当农业经济效益基本不变时，优化种植结构可以使区域农业水足迹下降 27%~40%；当农业生产水足迹总量基本不变时，优化种植结构可以使区域农业经济效益增长 1.89~2.27 倍。区域可用水资源量保持不变时，农产品自给程度越高，单位水资源经济效益越低；农产品自给程度相同时，区域可用水资源量越大，农业经济效益的可增长幅度越大。依据定西市十四五规划目标选取的代表解模拟结果显示，调整后的种植结构在满足经济效益增长 72%时，农业生产水足迹减少 1.05×108m3，虚拟水净输出量减少 2.95×108m3，因此，定西市发展药材产业可以较好实现提高农业经济收益和降低生产水足迹的目标，缓解地区水资源压力。此外，适当增加主粮小麦的种植面积有利于提高区域内粮食自给程度。
参考文献（略）