沁源縣農(nóng)業(yè)水生態(tài)足跡與水資源承載力動(dòng)態(tài)特征分析

劉 杰，郭東罡

（山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西 太原 030006）

隨著對(duì)人與自然關(guān)系的理性思考和深入研究，自然資源的可持續(xù)利用已經(jīng)越來越受到關(guān)注。從20世紀(jì)初期開始，國內(nèi)外的專家和學(xué)者就開始對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值量化、自然資源的承載力核算和生態(tài)足跡等進(jìn)行了大量的實(shí)踐探索和理論研究[1-5]，生態(tài)足跡法是使用土地面積來核算一定區(qū)域內(nèi)人類為了維持自身生存所需資源和吸納所衍生的廢物自然資源[6-8]，即它是在對(duì)土地面積量化的基礎(chǔ)上，在需求層面上計(jì)算生態(tài)足跡的大小，在供給層面上計(jì)算生態(tài)承載力的大小，然后比較二者的多寡，進(jìn)而評(píng)價(jià)研究對(duì)象的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r。生態(tài)足跡提供了一種以“土地”為要素量化自然資本賬戶的有效方法，同理水生態(tài)足跡則是以“水”為要素核算流域或區(qū)域自然資本所需的最小生態(tài)需水量[9-10]。水資源承載力是指在一定的技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平下，水資源能滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活和生態(tài)環(huán)境等需求的最大供給能力[4]。在一定時(shí)空尺度下研究一個(gè)區(qū)域的水生態(tài)足跡和水資源承載力，正如從人類社會(huì)對(duì)水資源的“生態(tài)占用”和自然生態(tài)系統(tǒng)水資源的“生態(tài)供給”2個(gè)方面評(píng)價(jià)其可持續(xù)發(fā)展的能力，有利于研究分析區(qū)域內(nèi)生態(tài)資源的有效開發(fā)利用和調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)[11-13]。

農(nóng)業(yè)是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境維持的基礎(chǔ)。水資源作為生態(tài)環(huán)境的重要組成成分和最活躍的因素，其供給能力制約著區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展，對(duì)作物產(chǎn)量起著決定性作用[14-16]。隨著GDP的增長，農(nóng)業(yè)用水比例逐步下降,且農(nóng)業(yè)供水不穩(wěn)定、水污染、農(nóng)業(yè)用水效益低下等問題加劇了農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾,影響農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食穩(wěn)產(chǎn)。因此，農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的前提和保障。

由于沁源縣擁有得天獨(dú)厚的自然條件和歷史原因，且一直是較為貧困的區(qū)域之一，因此，大力發(fā)展當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)首當(dāng)其沖，然而在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，生態(tài)環(huán)境也在隨著自然資源的耗損發(fā)生變化，其嚴(yán)重制約人類的生存和發(fā)展，尤其是作為沁河發(fā)源地的沁源縣，因此，研究其農(nóng)業(yè)水資源的利用狀況、人類生存對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源生態(tài)系統(tǒng)的壓力，定量衡量沁源縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展的可持續(xù)性狀況，并為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)和生活提供一些建議。

沁源縣雖然地處沁河源頭，但屬于缺水地域，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活完全依靠水利工程引水，2006年前沁源縣境內(nèi)部分地區(qū)仍依靠人力挑水解決生活所需。本文選取沁源縣為研究對(duì)象，依據(jù)水生態(tài)足跡模型計(jì)算當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)水資源使用現(xiàn)狀，并針對(duì)水資源利用問題給予合理、科學(xué)的建議。

1 研究區(qū)域概況

1.1 自然地理概況

沁源縣地處太岳山東麓，山西中南部，系沁河發(fā)源地，沁源因沁河源頭而得名。位于 E110°58′03″～112°32′30″，N36°20′20″～37°00′42″，屬黃土高原區(qū)，地理單元屬沁水盆地西部隆起區(qū)太岳山系主脈，海拔939～2 523 m。屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均溫度約8.6℃，年平均相對(duì)濕度65%，年平均降雨量約660 mm，無霜期90～150 d。地帶性植被屬暖溫帶天然落葉闊葉林地帶，境內(nèi)主要植被類型為油松天然次生林和松櫟混交林。

縣境內(nèi)河流分屬沁河、汾河兩大水系。其中，沁河是最大的河流，支流眾多，從北到南匯集了赤石橋河、紫紅河、白狐窯河、柏子河、法中河、聰子峪河、狼尾河等流域面積超過100 km2的7條支流；沁河干流總長485 km，其中，沁源縣境內(nèi)98 km，占總長的20.2%，縣境內(nèi)沁河流域面積為2 187 km2，占沁河流域總面積的16.2%。汾河水系河流有龍鳳河、靜升河、仁義河。

1.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)概況

沁源縣在行政區(qū)劃上屬于山西省長治市，國土面積2 594 km2，轄5鎮(zhèn)9鄉(xiāng)254個(gè)行政村，2006—2015年平均總?cè)丝?6.033萬人，10 a間農(nóng)村人口占總?cè)丝跀?shù)百分比分別為74.91%，73.52%，72.47%，70.45%，66.43%，64.57%，62.59%，60.74%，58.97%，57.26%，可見，農(nóng)村人口數(shù)逐年減少。2006—2015年農(nóng)林牧業(yè)產(chǎn)值逐年升高，平均農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值17 863萬元，年平均林業(yè)生產(chǎn)總值3 465萬元，年平均牧業(yè)生產(chǎn)總值6 855萬元，分別占農(nóng)林牧漁業(yè)生產(chǎn)總值的57.58%，11.17%，22.10%，其中，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值和林業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)林牧漁業(yè)生產(chǎn)總值的比值基本穩(wěn)定，分別保持在55%～65%和10%～15%，而牧業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值的比例不斷減少，從38.59%降到13.96%。農(nóng)民純收入基本呈現(xiàn)穩(wěn)定性增長趨勢(shì)，年人均純收入為9 451.3元，2006—2015年耕地面積保持在133.4萬hm2（表1）。此外，礦產(chǎn)資源極為豐富，已發(fā)現(xiàn)煤、鐵、鋁礬土、石灰?guī)r等礦產(chǎn)18種。

表1 2006—2015年沁源縣農(nóng)業(yè)產(chǎn)值指標(biāo)情況

2 研究方法

水資源可持續(xù)利用是使社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基本要素，在可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上對(duì)水資源的利用進(jìn)行科學(xué)、合理的衡量與評(píng)價(jià)，定量計(jì)算水資源生態(tài)足跡是評(píng)判人類是否生存于生態(tài)系統(tǒng)可承載范圍內(nèi)的重要指標(biāo)，即用于衡量人類對(duì)自然資源的利用程度以及自然界為人類提供生態(tài)服務(wù)功能的方法[17-20]。

2.1 水資源生態(tài)足跡參數(shù)計(jì)算

水資源生態(tài)足跡模型需計(jì)算水資源產(chǎn)量因子。其主要包括2個(gè)方面：特定地區(qū)內(nèi)水資源生物生產(chǎn)性土地的平均生產(chǎn)能力和全球（或全國）同類平均生產(chǎn)能力，二者比值就是所確定的水資源產(chǎn)量因子。根據(jù)該比值可以進(jìn)一步確定出區(qū)域的水資源生態(tài)承載力，水資源產(chǎn)量因子為31.4 m3/hm2。

2.2 水資源生態(tài)足跡

水資源生態(tài)足跡計(jì)算模型用下式表示。

式中，EFW表示水資源生態(tài)足跡（hm2）；N表示總?cè)丝跀?shù)，efW表示人均水資源生態(tài)足跡（hm2/人）；aW表示水資源均衡因子；WW表示人均用水量（m3）；PGW表示全球水資源平均生產(chǎn)能力（m3/hm2）。全球水資源均衡因子根據(jù)2008版的國家足跡核算方法提供的內(nèi)陸水域均衡因子取值，為0.4。

2.3 水資源承載力模型

水資源生態(tài)承載力模型的計(jì)算公式如下。

式中，E CW表示水資源承載力（hm2）；N表示總?cè)丝跀?shù)；ecW表示人均水資源承載力（hm2/人）；aW表示全球水資源均衡因子；rLW表示地區(qū)水資源產(chǎn)量因子；QW表示人均水資源量（m3）；PGW表示全球水資源的平均生產(chǎn)能力（m3/hm2）。

2.4 水資源負(fù)載指數(shù)計(jì)算方法

水資源負(fù)載指數(shù)通常用于分析研究區(qū)域內(nèi)水資源的開發(fā)利用程度，其表示為研究區(qū)域內(nèi)水資源量與人口、GDP決定的水資源需求量的關(guān)系，從中可以看出研究區(qū)域內(nèi)水資源的利用現(xiàn)狀及其同社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系，另外，還可以看出未來開發(fā)水資源的難易程度。水資源負(fù)載指數(shù)分為5個(gè)等級(jí)（表2），其計(jì)算公式如下。

式中，c為水資源負(fù)載指數(shù)；P為人口數(shù)量（萬人）；G為區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)總值（萬元）；W為水資源總量（萬m3）；k為與降水有關(guān)的系數(shù)，其取值如下。

式中，k為與降水有關(guān)的系數(shù)；R為年降水量（mm）。

表2 水資源負(fù)載指數(shù)分級(jí)

3 結(jié)果與分析

3.1 水資源量統(tǒng)計(jì)

3.1.1 水資源總量與降水量 由圖1可知，2006—2015年水資源總量呈波動(dòng)性升高，且增長幅度較大，從7765萬m3增長到17556萬m3，漲幅為126.09%，其年增長率分別為59.19%，5.62%，12.99%，3.90%，-2.99%，13.61%，3.92%，-1.75%，0.62%。

文獻(xiàn)資料顯示，沁源縣1956—2008年多年平均降水量為660 mm，而2006—2015年平均降水量為440.52mm，最大年為2015年，降水量為463.5mm，最小年為2012年，降水量為429.8 mm，均低于660 mm，可見，沁源縣10 a間補(bǔ)給水嚴(yán)重不足，氣候干燥，年平均氣溫高于8.6℃，因此，氣候變化對(duì)降雨量的影響也極大。經(jīng)計(jì)算可知，豐枯比為103.84%，2006—2015年年降水量變差系數(shù)分別為-0.19%，-0.44%，-2.41%，-1.66%，-0.07%，-1.68%，-2.43%，1.31%，2.36%（圖 2）。

3.1.2 農(nóng)業(yè)用水量分析 本文所指的用水量是指各用水戶獲得的水資源量，其中包括輸水過程中損失的水資源，統(tǒng)計(jì)分類為生活用水量和生產(chǎn)用水量2類，沁源縣2006—2015年供水量列于表3。

2006—2015年10 a間沁源縣年平均用水總量為21 920.88萬m3/a，年變化率分別為-48.03%，6.44% ，33.45% ，33.01% ，88.96% ，3.96% ，-7.19% ，-6.21%，-4.29%，總用水量最小值和最大值分別是900.3萬，3 341.58萬m3。農(nóng)村居民年平均生活用水量為307.43萬m3，占生活用水總量的14.24%，且農(nóng)村生活用水量逐年降低并趨于穩(wěn)定，占總用水量的比例分別為 60.51%，73.34%，72.51%，15.96%，11.54%，4.65%，4.46%，5.28%，5.71%，5.22%。對(duì)比農(nóng)村人口數(shù)量分析可知，農(nóng)村人口數(shù)量基本穩(wěn)定在10萬人，沒有發(fā)生大的變化，而生活用水量在減少，說明生活用水的重復(fù)利用能力不斷提升。2006—2012年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量不斷升高，所占總用水量的比例最高達(dá)51.20%，尤其是2009年農(nóng)業(yè)用水量突增，從占總用水量的12.89%增加到37.18%，2013年起農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水得以合理管控，呈現(xiàn)下降緩和趨勢(shì)。

表3 2006—2015年沁源縣農(nóng)業(yè)用水量

3.1.3 農(nóng)業(yè)產(chǎn)值分析 2006—2015年農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值呈現(xiàn)持續(xù)增長狀態(tài)，從2.22億元增長到4.67億元，漲幅110.36%，2009年起農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值增長速度加快，年增長率高達(dá)35.37%，而在2008—2009年間出現(xiàn)短暫下降（圖3），其原因是由于林業(yè)產(chǎn)值減少量高于其他3個(gè)產(chǎn)業(yè)增長量，但從2009年起年平均農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)林牧漁業(yè)生產(chǎn)總值的51.03%，其變化趨勢(shì)直接影響了總產(chǎn)值的走向（圖4），年平均林業(yè)產(chǎn)值增長緩慢且占總產(chǎn)值的比例僅有13.6%，而漁業(yè)產(chǎn)值基本不變。

3.2 水資源生態(tài)足跡

計(jì)算2006—2015年沁源縣農(nóng)業(yè)用水量和農(nóng)村生活用水量水資源生態(tài)足跡[21-26]，結(jié)果列于表4。總用水量生態(tài)足跡變化波動(dòng)較大，2006—2008年總用水量生態(tài)足跡短時(shí)期減少，自2008起用水量逐年增加，并穩(wěn)定于500萬～530萬hm2。農(nóng)村生活用水量生態(tài)足跡總體變化趨勢(shì)穩(wěn)定，且變化幅度較小，對(duì)總用水量生態(tài)足跡的影響較小。2006—2008年農(nóng)業(yè)用水量生態(tài)足跡占比分別為60.5%，73.34%，72.5%，可見，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水量很大，水資源重復(fù)利用的能力低下；2008—2015年農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占總用水量生態(tài)足跡的最大年均量為15.67%，最小僅占4.46%，并穩(wěn)定在25萬～29萬hm2?？梢姡S著水資源利用率的提高，即農(nóng)業(yè)用水量不變的情況下農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡逐漸降低。

表4 2006—2015年沁源縣水資源生態(tài)足跡 萬hm2

3.3 水資源承載力與生態(tài)赤字（盈余）

2006—2015年水資源承載力大致處于增長趨勢(shì)[27-30]，由2006年的8.68萬hm2增長到2012年的18.96萬hm2，后趨于穩(wěn)定，保持在17萬～18萬hm2（圖5），分析可知，影響其變化的主要因素是年降水量（圖6），水資源承載力與年降水量呈現(xiàn)正相關(guān)（R2＝0.963 2），即隨著降雨量的增加水資源承載力不斷上升，反之，水資源承載力不斷下降。

對(duì)比2006—2015年沁源縣農(nóng)業(yè)水資源生態(tài)足跡和水資源承載力的變化趨勢(shì)可知，農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡遠(yuǎn)小于區(qū)域水資源生態(tài)承載力，即以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水角度來說沁源縣處于水資源生態(tài)盈余狀態(tài)[31-34]，可以解釋為其自然生態(tài)系統(tǒng)所提供的水生態(tài)容量完全可支撐沁源縣農(nóng)業(yè)發(fā)展的消費(fèi)模式。2008年區(qū)域生態(tài)盈余狀態(tài)突增，并于2012年達(dá)到峰值（圖7）。但從總用水量生態(tài)足跡的角度分析，沁源縣長期處于生態(tài)赤字狀態(tài)，其供水量和需水量之間存在矛盾，究其原因是因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展對(duì)水資源耗損較大。

3.4 農(nóng)業(yè)水資源負(fù)載指數(shù)

為了進(jìn)一步分析沁源縣農(nóng)業(yè)水資源利用現(xiàn)狀，現(xiàn)對(duì)沁源縣農(nóng)業(yè)水資源負(fù)載指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。由表5可知，2006—2015年農(nóng)業(yè)水資源負(fù)載指數(shù)呈現(xiàn)穩(wěn)定增長的發(fā)展趨勢(shì)，由2.67增長到6.03，漲幅為125.84%。2006—2010年沁源縣農(nóng)業(yè)水資源負(fù)載指數(shù)屬于III級(jí)，水資源利用程度中等，開發(fā)利用潛力較大；2011年起水資源負(fù)載指數(shù)達(dá)到5.13，并持續(xù)走高，達(dá)到II級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，水資源利用程度高，即農(nóng)業(yè)用水利用率高，今后水資源的開發(fā)利用條件困難。

表5 2006—2015年沁源縣水資源負(fù)載指數(shù)

4 討論與建議

4.1 討論

2006—2015年沁源縣水資源生態(tài)足跡變化明顯，充分顯示了10 a間水資源使用走向和用水趨勢(shì)。沁源縣是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，2006—2015年隨著降雨量的不斷增長水資源承載力持續(xù)上升，可見，沁源縣氣候條件達(dá)到優(yōu)化，生態(tài)環(huán)境趨于健康的方向發(fā)展，充分滿足了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的用水量；水資源總生態(tài)足跡在2006—2012年呈現(xiàn)持續(xù)增加的態(tài)勢(shì)，2013—2015年小幅降低，而農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占比不斷降低，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值占區(qū)域生產(chǎn)總值的比例不斷升高，可見，農(nóng)業(yè)用水的可持續(xù)利用管理模式發(fā)揮了主要作用。此外，沁源縣長期處于農(nóng)業(yè)生態(tài)盈余狀態(tài)，并且生態(tài)盈余逐年增長，并于2012年達(dá)到穩(wěn)定，表明沁源縣農(nóng)業(yè)供水量與農(nóng)業(yè)用水量處于平衡狀態(tài)，甚至于農(nóng)業(yè)供水量大于用水量?？偠灾咴纯h應(yīng)在保持當(dāng)前農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)可持續(xù)水資源利用。

4.2 面臨的威脅與建議

經(jīng)計(jì)算分析可知，目前沁源縣水資源利用呈現(xiàn)生態(tài)赤字狀況，但農(nóng)業(yè)用水處于生態(tài)盈余狀態(tài)，可見，單方面管控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)水資源總體變化影響較小，應(yīng)當(dāng)全面、科學(xué)、客觀地協(xié)調(diào)用水和需水之間的矛盾。當(dāng)下的主要威脅是水資源配置不合理、水資源的開發(fā)利用能力較低、水利設(shè)施配套不統(tǒng)一等。其表現(xiàn)為沁河源頭灌溉模式過于落后，通常為跑漏水嚴(yán)重的大水漫灌或自流灌溉，水資源利用率極低，造成嚴(yán)重浪費(fèi)。解決這些問題的主要方式就是推進(jìn)發(fā)展節(jié)水型農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水利用率，具體可以通過以下途徑進(jìn)行改善。

第一，因地制宜，充分結(jié)合區(qū)域地形地貌以及水資源分布情況，以滿足作物水量供需關(guān)系進(jìn)行栽種，開發(fā)適合沁源區(qū)域農(nóng)業(yè)的地面節(jié)水灌溉技術(shù)。第二，維修過度陳舊的輸水渠道，加固硬化輸水渠土岸，完善水利設(shè)施建設(shè)，防止跑水、滲水、漏水，提高渠道灌溉水的利用率，盡最大可能地減少因設(shè)備陳舊、老化所造成的水資源耗損，充分發(fā)揮灌溉水的高能效。

第三，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程，大力推廣微灌、噴灌節(jié)水技術(shù)。例如采用噴灌的方式來灌溉沁河上游區(qū)域規(guī)?；N植的果樹林，而在蔬菜園區(qū)可實(shí)行微灌技術(shù)。

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