湖南省灰水足跡變化特征及其驅(qū)動因子分析

賀志文，向平安

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)洞庭湖區(qū)農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)健康湖南省重點(diǎn)實驗室，長沙 410128 ；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)商學(xué)院，長沙 410128)

0 引 言

人口壓力和對物質(zhì)財富需求的持續(xù)增加，不僅消耗越來越多的水資源，而且對水資源污染不斷加重，致使清潔水資源越來越稀缺。2015年中國環(huán)境狀況公報顯示[1]，全國967個地表水水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)中，35.5%處于Ⅲ類水質(zhì)以下，5 118個地下水水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)中，較差級和極差級的監(jiān)測點(diǎn)占為61.3%。水資源匱乏和嚴(yán)重的水污染，已經(jīng)成為人類社會永續(xù)發(fā)展的重大障礙?？茖W(xué)家們和公共部門正在積極探索減輕水資源壓力的技術(shù)手段與管理措施[2]，有研究認(rèn)為減少水污染是減輕水資源壓力的重要途徑[3]。若制定符合可持續(xù)發(fā)展要求的水資源管理制度，以實現(xiàn)減少水污染的目標(biāo)，就必須客觀核算水污染量，以反映水污染狀況。2008年，Hoekstra和Chapagain提出“灰水足跡”概念，作為評價水污染狀況的新指標(biāo)。他們將其定義為“以自然本底濃度和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，稀釋或容納污染物達(dá)到特定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)所需淡水量”[4]。實踐證明灰水足跡可以作為反映水質(zhì)污染嚴(yán)重程度的評價指標(biāo)[5]，為水資源利用的評價提供了新方法。國內(nèi)外學(xué)者對灰水足跡的研究已取得較多的成果。Mekonnen[6]對全球氮灰水足跡的研究，Liu[7]和Chapagain[8]分別對全球玉米和大米灰水足跡的研究。孫克[9]、孫才志[10,11]、韓琴[12]等對中國31個省灰水足跡的計算及分布特征分析。張楠[13]等利用灰水足跡評價了河北省水資源利用狀況，王丹陽[14]等以不同受納水體的角度核算了湖南省灰水足跡，楊凡[15]等在對山東省灰水足跡計算的基礎(chǔ)上分析了其空間分布特征。班榮舶[16]等對重慶種植業(yè)灰水足跡的計算認(rèn)為水環(huán)境保護(hù)需要重視種植業(yè)的污染。Andreea[17]等以氮肥為基礎(chǔ)對Prut-barlad流域內(nèi)主要糧食灰水足跡的計算。付永虎[18]對洞庭湖區(qū)糧食生產(chǎn)的灰水足跡研究認(rèn)為糧食生產(chǎn)對水環(huán)境的負(fù)面影響持續(xù)增強(qiáng)，張宇[19]對華北平原玉米和小麥的研究發(fā)現(xiàn)人口和糧食需求的增長灰水足跡上升的主要原因，曹連海[20]對內(nèi)蒙古糧食生產(chǎn)的評價中認(rèn)為新灌溉技術(shù)的利用是灰水足跡變化的主要原因。灰水足跡作為一種量化評價社會活動對水資源消耗的方法，不能有效反映水資源消耗的驅(qū)動力，其結(jié)果難以為企業(yè)和政府制定政策提供具體的指導(dǎo)意義，因此本文選取湖南省為研究案例，在量化灰水足跡基礎(chǔ)上，采用STIRPAT模型分析灰水足跡驅(qū)動力，為制定水資源管理措施提供依據(jù)。

1 方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 灰水足跡計算

灰水是在產(chǎn)品生產(chǎn)和使用過程中產(chǎn)生的污水?；宜阚E指稀釋人類活動產(chǎn)生的污水達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)所需要的水量，其計算公式如下：

(1)

式中：WFgrey表示灰水足跡值，m2/a；L表示某污染物排放量，kg/a；Cmax表示基于環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的某種污染物最大濃度，kg/m3；Cnat表示水體中該污染物的自然本底濃度，kg/m3，即無人為影響下水體中某種污染物的濃度。

由于排放到水體中的污染物種類繁多，稀釋不同的污染物所需水量不同，且同一水體可同時稀釋不同污染物，因此灰水足跡值由稀釋水體中某種污染物所需水量最大的污染物決定。灰水足跡計算式可表示為：

WFgrey=MAX(WFgrey.1，WFgrey.2，…,WFgrey.i)

(2)

式中：WFgrey表示灰水足跡；i表示污染物種類；WFgrey.i表示第i種污染物的水足跡，選取水體中各污染物灰水足跡的最大值為該水體的灰水足跡。

1.2 農(nóng)業(yè)灰水足跡

農(nóng)業(yè)大致可分為種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)，那么，農(nóng)業(yè)灰水足跡可視為種植業(yè)灰水足跡和養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡之和。

1.2.1 種植業(yè)灰水足跡

種植業(yè)生產(chǎn)一般需要施用農(nóng)用化學(xué)品以保證其產(chǎn)量，然而，所施用的農(nóng)用化學(xué)品并不會全部被吸收，大部分會在降水和灌溉等作用下污染下游水體和地下水。農(nóng)用化學(xué)品污染量是其流失率與使用總量之積。由于農(nóng)用化學(xué)品污染屬于面污染源，其淋失率受污染物種類、土地類型、降水量、農(nóng)作物類型等因素的影響，很難準(zhǔn)確測算，某地區(qū)農(nóng)用化學(xué)品的淋失率通常是估計值。種植業(yè)生產(chǎn)使用的農(nóng)用化學(xué)品包括化肥、農(nóng)藥和農(nóng)膜等，其中化肥使用量遠(yuǎn)大于其他化學(xué)品?；释ǔ０ǖ省⒘追屎外浄?，氮肥是使用量最大的化肥種類，因此本文選取氮肥作為種植業(yè)污主要染物。其計算公式如下：

(3)

式中：WFgrey.plant表示種植業(yè)灰水足跡；α表示化肥淋失率；Appl表示化肥施用量；Cmax表示水體中污染物最大可容許濃度；Cnat表示水體中污染物的自然本底濃度。

1.2.2 養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡

養(yǎng)殖業(yè)所產(chǎn)生的糞便和廢水對周圍水環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染。借鑒李飛[21]等對畜禽養(yǎng)殖污染負(fù)荷的計算方法，本文選取豬、牛、羊和家禽的糞便作為養(yǎng)殖業(yè)污染源。根據(jù)糞便中所含污染物數(shù)量來計算養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡，主要通過每年個體畜禽排泄糞便中污染物含量、糞便污染物進(jìn)入水體流失率和養(yǎng)殖的數(shù)量來計算。畜禽的出欄量和存欄量相加會造成重復(fù)計算，因此對于飼養(yǎng)周期為365 d的牛羊采用年末存欄量，飼養(yǎng)周期小于365 d的豬和家禽采用年末出欄量。在畜禽糞便污染物中TN和COD含量較高，因此選用TN和COD兩種污染物作為產(chǎn)生最大灰水足跡的污染物，而水可同時對氮和COD進(jìn)行稀釋，因此選用氮灰水足跡和COD灰水足跡作為養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡。其計算公式如下：

WFgrey.live=MAX(WFgrey.live(TN)，WFgrey.live(COD))

(4)

(5)

式中：WFgrey.live表示養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡；L分別表示糞便中進(jìn)入水體的TN或COD總含量；Cmax分別表示水體中TN或COD的最大可容許濃度；Cnat分析表示水體中TN或COD的自然本底濃度。L=每年畜禽個體(頭/只)排泄糞便中污染物含量×糞便污染物進(jìn)入水體流失率×年末出欄量/年末存欄量。因種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)同屬面源污染，其吸納污染物水體相同，因此需將相同污染物相加得出最大污染物足跡。

根據(jù)式(3)、(4)和(5)，總灰水足跡(WFgrey.agri)的計算式為如下式(6)：

WFgrey.agri=max(WFgrey.live(COD),(WFgrey.plant(TN)+

WFgrey.live(TN)))

(6)

式中：WFgrey.agri為農(nóng)業(yè)灰水足跡。

1.3 工業(yè)灰水足跡和生活灰水足跡

工業(yè)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著重要角色，但工業(yè)快速發(fā)展同時引起了嚴(yán)重的環(huán)境污染[22]。與農(nóng)業(yè)污染不同的是工業(yè)污染排放直接進(jìn)入水體，屬于點(diǎn)源污染?？蛇x取氨氮或COD可作為工業(yè)灰水足跡的污染足跡[23]，選取其中最大者作為工業(yè)灰水足跡，如式(7)所示。工業(yè)灰水足跡計算如式(8)：

WFgrey.ind=MAX[WFgrey.ind(N)，WFgrey.ind(COD)]

(7)

(8)

式(8)中：L分別表示工業(yè)排放中氨氮和COD排放量；Cmax分別表示氨氮和COD在水體的最大可容許濃度；Cnat表示氨氮和COD在水體中的自然本底濃度，通過比較氨氮和COD兩者的灰水足跡選取其中較大者作為工業(yè)灰水足跡值。

同理，生活灰水足跡(WFgrey.dom)可分為農(nóng)村生活灰水足跡和城市生活灰水足跡，農(nóng)村生活污染物排放屬面源污染，數(shù)據(jù)獲取困難，因此將城市生活灰水足跡作為區(qū)域生活灰水足跡，城市生活污染屬于點(diǎn)源污染，可選取氨氮或COD作為生活灰水足跡的污染物[24]，其計算方法與工業(yè)灰水足跡相同。

1.4 區(qū)域灰水足跡

區(qū)域灰水足跡等于農(nóng)業(yè)灰水足跡、工業(yè)灰水足跡和生活灰水足跡之和。區(qū)域灰水足跡其計算公式如下：

WFgrey.area=WFgrey.agri+WFgrey.ind+WFgrey.dom

(9)

式中：WFgrey.area表示某地區(qū)的灰水足跡。

1.5 灰水足跡強(qiáng)度

水足跡強(qiáng)度作為水資源利用效率指標(biāo)，通常以每萬元所消耗的水足跡來衡量[25]?；宜阚E強(qiáng)度(Grey Water Footprint Intensity)表示獲得每萬元GDP所產(chǎn)生的灰水足跡?；宜阚E強(qiáng)度越低，表示水資源利用效率越高。其計算公式如下：

(10)

式中：GWFI表示灰水足跡強(qiáng)度，m3/萬元；GWF表示某區(qū)域的灰水足跡；GDP為該區(qū)域生產(chǎn)總值。

1.6 水污染程度

水污染程度(Water Pollution Level，WPL)表示某區(qū)域的水污染程度，即某區(qū)域的灰水足跡與該區(qū)域內(nèi)年可用水資源總量的比值，其計算公式如下：

(11)

式中：WPL表示區(qū)域內(nèi)水污染程度；R表示該區(qū)域內(nèi)年可用水資源總量。當(dāng)WPL值越大表明該地區(qū)的污染越嚴(yán)重。當(dāng)WPL大于1，說明以該地區(qū)可用水資源總量無法稀釋其所排放的污染物達(dá)到環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

1.7 擴(kuò)展STIRPAT模型

20世紀(jì)70年代Ehrlich等[26]首次提出IPAT模型，用以揭示在人口數(shù)量(P)、富裕程度(A)和技術(shù)水平(T)的綜合影響下所產(chǎn)生的環(huán)境影響，但模型假設(shè)影響因素與環(huán)境影響存在線性關(guān)系限制了其應(yīng)用范圍。Dietz等[27]基于IPAT模型提出STIRPAT模型(Stochastic Impacts by Regression on Population，Affluence and Technology)。該模型可根據(jù)不同條件對模型驅(qū)動因子進(jìn)行擴(kuò)展，反映了驅(qū)動因素與環(huán)境影響之間的非線性關(guān)系，其公式如下：

I=aPbAcTde

(12)

式中：I為環(huán)境影響；a為該模型的常數(shù)項；b、c、d為P、A、T的指數(shù)項；e為該模型的誤差項，STIRPAT模型在a=b=c=d=e=1時即為I=PAT模型。將式(12)兩邊轉(zhuǎn)換為對數(shù)形式，其表示如下：

lnI=lna+bln(P)+cln(A)+dln(T)+lne

(13)

式中：lnI為因變量；lnP、lnA和lnT為自變量；lna為常數(shù)項；lne為誤差項；b、c、d為P、A、T的影響系數(shù)，表示在其他因素不變的情況下P、A、T每變動1%對I產(chǎn)生b%、c%、d%的影響。

本文將STIRPAT模型中的環(huán)境影響視為灰水足跡，根據(jù)IPAT模型將影響因素歸納為人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和技術(shù)水平三個因素，并在三個方面進(jìn)行擴(kuò)展。在參考已有文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，選取對灰水足跡影響較大的影響因子。

人口是社會活動和經(jīng)濟(jì)活動的主體，我國人口基數(shù)大且呈上升趨勢，人口數(shù)量增加導(dǎo)致糧食的需求上升，在現(xiàn)階段我國糧食產(chǎn)量對化肥的依賴性較強(qiáng)，化肥施用量和使用強(qiáng)度依然呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢[28]，那么，人口增加引致糧食需求增加，進(jìn)而導(dǎo)致化肥使用量增加。因此，人口數(shù)量是灰水足跡的重要驅(qū)動因素[29]。

由于現(xiàn)代化發(fā)展，城鎮(zhèn)地區(qū)大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整將對環(huán)境產(chǎn)生影響[30]。同時由于城鎮(zhèn)生活方式不同或消費(fèi)水平高，城市人口比農(nóng)村人口消費(fèi)更多的服務(wù)和產(chǎn)品，產(chǎn)品和服務(wù)消費(fèi)產(chǎn)生的灰水足跡是水足跡增加的重要原因[31,32]，導(dǎo)致城鎮(zhèn)地區(qū)的灰水足跡往往高于農(nóng)村地區(qū)，因此選取城鎮(zhèn)化水平作為灰水足跡的驅(qū)動因子。

中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與發(fā)達(dá)國家相比存在很大差距，提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平將是中長期的主要目標(biāo)。人均GDP是經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要指標(biāo)，高經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平導(dǎo)致產(chǎn)品規(guī)模上升和消費(fèi)使用增多，環(huán)境壓力相應(yīng)上升[33]，因此選取人均GDP為灰水足跡變化的驅(qū)動因子，檢驗經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡之間的關(guān)系。同時增加人均GDP的二次項，分析近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡之間是否存在倒“U”型庫茲涅茲曲線。

改革開放以來我國積極引進(jìn)外資以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和收入水平，是推動經(jīng)濟(jì)增長重要手段，湖南省近年來外商投資規(guī)模也呈現(xiàn)不斷上升趨勢，但研究顯示外商直接投資與環(huán)境之間存在“污染天堂”和“污染光環(huán)”的相關(guān)關(guān)系[34,35]，探索外商直接投資對環(huán)境的影響對發(fā)展經(jīng)濟(jì)和保護(hù)環(huán)境具有雙重作用。

地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)從側(cè)面反映出經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要手段，以技術(shù)為導(dǎo)向的高科技產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)能使技術(shù)水平不斷提高，技術(shù)水平上升可有效抑制環(huán)境污染[36]，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整帶來技術(shù)水平提高能夠使水資源得到高效利用減輕水資源壓力[37]。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整主要體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的比重，因此本文選取第二產(chǎn)業(yè)占比和第三產(chǎn)業(yè)占比作為影響灰水足跡的因子。

環(huán)境污染治理投資占比是產(chǎn)品清潔、高效生產(chǎn)和資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容，污染治理投資增加將改善經(jīng)濟(jì)對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)。因此選取環(huán)境污染治理投資占比和灰水足跡強(qiáng)度作為灰水足跡變化的驅(qū)動因子。

構(gòu)建灰水足跡與各驅(qū)動因子的多自變量非線性模型，求導(dǎo)后其公式為：

lnI=lna+b1ln(P)+b2ln(Ur)+c1ln(A)+

c2ln2(A)+c3ln(FDI)+d1ln(Ind2)+d2ln(Ind3)+

d3ln(In)+d4ln(E)+lne

(14)

式中：I表示灰水足跡，億m3；P表示人口數(shù)量，萬人；Ur表示城鎮(zhèn)化水平，%；A表示人均GDP，元/人；FDI表示外商直接投資，美元；Ind2表示第二產(chǎn)業(yè)占GDP比重，%；Ind3表示第三產(chǎn)業(yè)占GDP比重，%；In表示環(huán)境投資占GDP比重，%；E表示灰水足跡強(qiáng)度，m3/萬元；b1、b2、c1、c2、c3、d1、d2、d3、d4分別為驅(qū)動因子的影響系數(shù)。對式中人均GDP的二次項c1ln(A)+c2ln2(A)進(jìn)行一階偏導(dǎo)可得到近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展對灰水足跡的彈性函數(shù)Eln(A)=c1+2c2ln(A)，如果c2<0則代表存在倒“U”型庫茲涅茲曲線。

1.8 數(shù)據(jù)來源

計算所需的湖南省氮肥施用量、畜禽存欄量及出欄量來自2002-2016年《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》，每年個體畜禽排泄糞便中污染物含量和糞便污染物進(jìn)入水體流失率來自《全國規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)污染情況調(diào)查及防治對策》[38]，該數(shù)據(jù)被畜禽養(yǎng)殖污染研究者所認(rèn)可和采用[39]，并被應(yīng)用于具體區(qū)域內(nèi)的研究[40]。王丹陽在研究湖南地區(qū)的氮肥淋失率18%[14]，與李高明[41]對湖南農(nóng)業(yè)面源污染中氮肥流失率基本一致，基本符合湖南省種植業(yè)氮肥淋失率現(xiàn)狀，故本文在計算種植業(yè)灰水足跡時采用這一評價結(jié)果。湖南省工業(yè)和生活排放的氨氮和COD及水資源總量數(shù)據(jù)來自2004-2016年的《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》和2002-2003的《中國環(huán)境年鑒》。水體中污染物濃度標(biāo)準(zhǔn)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)劃定Ⅲ類水質(zhì)為滿足生活飲用水的最低要求，其中對COD的濃度標(biāo)準(zhǔn)為20mg/L，對氮的濃度標(biāo)準(zhǔn)采用硝酸鹽(以N計)的濃度標(biāo)準(zhǔn)10 mg/L，污染物的自然本底濃度設(shè)為0，經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來自2002-2016年的《湖南省統(tǒng)計年鑒》。

2 結(jié)果與分析

2.1 湖南省灰水足跡分析

2.1.1 湖南省灰水足跡變化

自2001年到2015年，灰水足跡由2001年的690.747 億m3到2015年的671.946 億m3，總趨勢下降了18.801 億m3，其變化如圖1所示。其中，2001-2006年處于遞增趨勢，由690.747 億m3到835.119 億m3，增幅達(dá)20.9%，并且在2006年達(dá)到最大值，2006-2015年則處于下降趨勢。15年間湖南省平均灰水足跡為743.367 億m3，人均灰水足跡變化與灰水足跡變化趨勢一致，呈先升后降的趨勢，平均每年人均灰水足跡為1 078.4 m3。從灰水足跡變化來看，前期注重經(jīng)濟(jì)增長而忽視環(huán)境問題，導(dǎo)致2001-2006年灰水足跡上升；后來隨著社會生活水平提高，居民對環(huán)境的關(guān)切和要求提上升，以及政府的環(huán)境政策、環(huán)境污染治理投資增加和生產(chǎn)技術(shù)水平提高也是導(dǎo)致污染排放減少的重要原因[42]。

圖1 2001-2015年湖南省灰水足跡變化Fig.1 Variations of grey water footprint of Hunan province during 2001-2015

從灰水足跡構(gòu)成來看，2001年農(nóng)業(yè)、生活和工業(yè)灰水足跡占比分別為49%、28%和23%，到2015年農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活占比分別為51%、40%和9%(見圖2)。農(nóng)業(yè)灰水足跡始終最大，并呈現(xiàn)上升-下降-上升特征。養(yǎng)殖業(yè)灰水足跡在2007-2012年5年間低于種植業(yè)灰水足跡，其他時間段內(nèi)都略高于種植業(yè)灰水足跡，這可能由于在湖南省養(yǎng)殖業(yè)已成為農(nóng)業(yè)的重要組成部分，居民膳食習(xí)慣中對肉類的需求增加，因此，控制養(yǎng)殖業(yè)所產(chǎn)生的灰水足跡是減少農(nóng)業(yè)灰水足跡的重要途徑。種植業(yè)因化肥使用量先增加后下降，使得灰水足跡也呈同樣變化。生活灰水足跡次之，上升之后再呈下降趨勢，其占比逐年上升，表明隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，生活水平提高，消費(fèi)增加使灰水足跡上升；后期可能由于對環(huán)保意識的提升，污染物處理技術(shù)和污染物治理投資水平增加，生活灰水足跡得到減少。工業(yè)灰水足跡最小，并且工業(yè)占比逐年降低，到2015年只占總灰水足跡的9%，相比2001年減少12%。其原因可能是由于技術(shù)水平提高，粗放型生產(chǎn)方式得到轉(zhuǎn)變，工業(yè)污染物排放減少。

圖2 2001-2015年湖南省灰水足跡結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of grey water footprint of Hunan province during 2001-2015

2.1.2 灰水足跡強(qiáng)度和水污染水平

2001-2015年湖南省灰水足跡強(qiáng)度處于下降趨勢，由2001年的1 802 m3/萬元下降到2015年的232 m3/萬元，相比2001年降低了777%(見圖3)。其主要原因一是因為環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)提高、產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)水平不斷提高、資源利用效率提高、污染物排放降低使灰水足跡強(qiáng)度不斷下降，二是工業(yè)灰水足跡的快速降低，而工業(yè)產(chǎn)值遠(yuǎn)高于農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，因此灰水足跡強(qiáng)度的快速下降主要在于工業(yè)灰水足跡強(qiáng)度降低，農(nóng)業(yè)灰水足跡強(qiáng)度由于農(nóng)業(yè)產(chǎn)值較低且灰水足跡較大，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)灰水足跡強(qiáng)度降低緩慢。2011年之后灰水足跡強(qiáng)度下降速度變緩，則是因為工業(yè)污染物排放減少放緩，以及農(nóng)業(yè)污染和生活污染并未出現(xiàn)明顯降低。

圖3 2001-2015年湖南省灰水足跡強(qiáng)度變化Fig.3 Variations of grey water footprint intensity of Hunan province during 2001-2015

2001-2015年湖南省水污染水平始終處于1以下(圖4)，其最大值是2011年的0.62，最小值是2015的0.35，原因可能是因2011年水資源總量較常年少，而2015年水資源總量較多造成。雖然總體污染水平處于1以下，但如果考慮藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡在內(nèi)的總體水足跡，仍將對湖南省水資源造成較大壓力，而且不可忽視水資源因時空分配不均而導(dǎo)致某個地區(qū)或時間段水質(zhì)污染水平高的變化。

圖4 2001-2015年湖南省水污染水平Fig.4 Water pollution level of Hunan province during 2001-2015

2.2 灰水足跡驅(qū)動因子分析

2.2.1 OLS回歸分析

首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并將人口、城鎮(zhèn)化水平、人均GDP、人均GDP二次方、FDI、第二產(chǎn)業(yè)占比、第三產(chǎn)業(yè)占比、灰水足跡強(qiáng)度和環(huán)境污染治理投資占比分別用X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8和X9表示，灰水足跡用Y表示，如表1所示。利用計量軟件SPSS 22對方程進(jìn)行OLS回歸，雖然得出其R2=0.991，具有較好的擬合優(yōu)度，但在表2的系數(shù)表中觀察VIF值發(fā)現(xiàn)除X9小于10之外其他自變量都比較大，一般認(rèn)為VIF>10則存在多重共線性問題，因此認(rèn)為變量間存在嚴(yán)重多重共線性問題。

表1 變量描述Tab.1 Variable descriptions

表2 最小二乘法回歸系數(shù)Tab.2 OLS Regression coefficients

2.2.2 嶺回歸分析

為了處理變量間的共線性問題，采用嶺回歸方法消除變量間的共線性問題。嶺回歸是一種專用于分析共線性問題的有偏估計回歸方法，以損失部分信息降低精度，放棄最小二乘法的無偏性，觀察模型擬合的嶺跡圖，在其平穩(wěn)時通過K的取值得到更符合實際的回歸系數(shù)[43]。利用計量軟件SPSS 22對變量進(jìn)行嶺回歸，以步長0.02得到嶺跡圖(圖5)，觀察嶺跡圖運(yùn)行軌跡認(rèn)為在K=0.04時模型進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)，得到回歸模型R方為0.893，回歸結(jié)果如表3所示。

從表3中可看到模型變量中X3、X4在1%的水平下顯著，X2、X7、X8在5%的水平下顯著，X5和X6在10%的水平下顯著，X1和X9遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10%的顯著水平，因此刪除變量X1和X9再次回歸，以步長0.02得到嶺跡圖(圖6)，發(fā)現(xiàn)刪除變量后嶺跡圖顯得更加穩(wěn)定，在K=0.02時便進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)，當(dāng)K=0.02時回歸模型R方為0.91，Sig值為0.003 342 04，模型具有較好的解釋水平和顯著水平，結(jié)果如表4所示。從表4中可看到X6處于10%的顯著水平，X5處于5%的顯著水平，X2、X3、X4、X7和X8處于1%的顯著水平，各變量通過顯著性檢驗，因此，嶺回歸方程為：0.650 5X6+0.654 3X7-0.589 2X8

圖5 嶺跡圖Fig.5 Ridge trace

表3 嶺回歸系數(shù)表Tab.3 Ridge Regression coefficients

圖6 嶺跡圖Fig.6 Ridge trace

Y=0.799 6X2-0.814 8X3-0.998 2X4-0.511 5X5+

2.2.3 回歸結(jié)果分析

從回歸方程可以看出，城鎮(zhèn)化水平、第二產(chǎn)業(yè)占比和第三產(chǎn)業(yè)占比對灰水足跡具有促進(jìn)作用，其每增加1%都會促使灰水足跡增加0.799 6%、0.650 5%和0.654 3%，人均GDP、FDI和灰水足跡強(qiáng)度對灰水足跡具有抑制作用，其每增加1%都會促使灰水足跡減少0.814 8%、0.511 5%和0.589 2%。對灰水足跡增加作用最強(qiáng)的是城鎮(zhèn)化水平，對灰水足跡減緩作用最強(qiáng)的是人均GDP，灰水足跡強(qiáng)度次之，最小是FDI。中國近年來城鎮(zhèn)化水平不斷上升[44]，使用的產(chǎn)品和服務(wù)數(shù)量將繼續(xù)增加，城市建設(shè)擴(kuò)張和人口增加使水資源消耗及污染排放上升，使得城鎮(zhèn)化水平與灰水足跡呈正相關(guān)關(guān)系。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中第二產(chǎn)業(yè)占比和第三產(chǎn)業(yè)占比對灰水足跡的影響系數(shù)為0.650 5和0.654 3，其原因可能受到經(jīng)濟(jì)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和空間效應(yīng)的影響[45,46,47]。湖南省尚處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展階段，經(jīng)濟(jì)規(guī)模增加的同時帶來污染量的增加。第二、三產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中的重工業(yè)和低端服務(wù)業(yè)貢獻(xiàn)于環(huán)境污染[48]，需要從技術(shù)水平和資源利用效率方面調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)[49,50]。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對環(huán)境的作用存在空間差異，東部地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級對環(huán)境凈化作用明顯[51,52]，但東部污染產(chǎn)業(yè)向中部地區(qū)轉(zhuǎn)移加重了包括湖南在內(nèi)的中部地區(qū)的環(huán)境污染[53]。 人均GDP的影響系數(shù)為-0.814 8，表明隨著經(jīng)濟(jì)條件改善，社會公眾對環(huán)境的要求和意識提高，經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向。灰水足跡強(qiáng)度與灰水足跡呈負(fù)相關(guān)，灰水足跡強(qiáng)度是源利用效率指標(biāo)，表明近年湖南省資源利用效率得到提高，生產(chǎn)過程中污染物排放減少。從灰水足跡結(jié)構(gòu)可見，資源利用效率提高主要發(fā)生在工業(yè)部門，農(nóng)業(yè)部門灰水足跡變化幅度小，表明農(nóng)業(yè)資源利用效率提高緩慢，降低農(nóng)業(yè)灰水足跡強(qiáng)度可有效減少總灰水足跡。

表4 嶺回歸系數(shù)表Tab.4 Ridge Regression coefficients

從人均GDP的二次方影響系數(shù)得出環(huán)境庫茲涅茲曲線(圖7)，可以看出近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展和灰水足跡之間存在倒“U”型環(huán)境庫茲涅茲曲線，即隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平提高出現(xiàn)環(huán)境狀況逐漸改善。外商直接投資對灰水足跡的影響系數(shù)為-0.511 5。從結(jié)果來看FDI與灰水足跡之間并不存在“污染天堂”的假說。FDI增加抑制灰水足跡上升，表明外商直接投資使生產(chǎn)活動的技術(shù)水平和管理水平提升，降低了污染水平。

圖7 灰水足跡“環(huán)境庫茲涅茨曲線”Fig.7 Environmental Kuznets curve of grey water footprint

3 結(jié) 論

2001-2015年湖南省灰水足跡由690.747 億m3增加到835.119 億m3，然后下降到671.946 億m3，表明湖南省水污染情況趨于改善。農(nóng)業(yè)污染是湖南的最大污染源，生活污染其次，并呈上升趨勢，工業(yè)污染已得到有效控制。養(yǎng)殖業(yè)污染是農(nóng)業(yè)污染的主要污染源。

2001-2015年湖南省灰水足跡強(qiáng)度由1 802 m3/萬元下降到232 m3/萬元，15年間灰水足跡強(qiáng)度始終位于1以下?；宜阚E強(qiáng)度降低主要表現(xiàn)在工業(yè)部門，減少農(nóng)業(yè)部門污染物排放是進(jìn)一步提高水資源利用效率的重要手段。

城鎮(zhèn)化水平、人均GDP、外商直接投資、第二產(chǎn)業(yè)占比、第三產(chǎn)業(yè)占比和灰水足跡強(qiáng)度是湖南灰水足跡的驅(qū)動因子，其中城鎮(zhèn)化發(fā)展是灰水足跡增加的主要驅(qū)動力。經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡之間存在倒“U”型環(huán)境庫茲涅茲曲線，并不存在“污染天堂”現(xiàn)象。

由于部分?jǐn)?shù)據(jù)難以獲得，例如缺少農(nóng)村地區(qū)生活污染排放量、服務(wù)業(yè)污染物排放量、林業(yè)和漁業(yè)污染物排放量的數(shù)據(jù)源，以及每種污染物可容許濃度標(biāo)準(zhǔn)和自然水體中各污染物自然濃度等難以明確，這些問題可能影響了本研究結(jié)果的精準(zhǔn)性。

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