中國灰水足跡時空格局演變及其脫鉤關(guān)系研究

林靖雯，翁翎燕，戴毅豪

(1.南京大學(xué)金陵學(xué)院 城市與土木工程學(xué)院，南京 210089； 2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 公共管理學(xué)院，南京 210095)

1 研究背景

水資源作為資源環(huán)境重要的組成部分，與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人民生活密切相關(guān)[1]。當(dāng)前，我國水資源總量時空分布不均，人均占有量少，與耕地資源和環(huán)境生態(tài)水需求不相協(xié)調(diào)。水資源短缺和水污染等問題隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快日益突出，因此做好水資源質(zhì)量評價不僅有利于治理污染地區(qū)以及改善生態(tài)環(huán)境，而且對水資源的開發(fā)和利用具有重要意義。傳統(tǒng)的水質(zhì)評價多是通過建立數(shù)學(xué)模型來對水中污染物的含量進(jìn)行評價，并未考慮到稀釋污染物所需水量的影響[2]。通過水量的角度評價水污染程度，灰水足跡能夠直觀地反映出水污染和水資源量的關(guān)系[3]。

灰水足跡的概念由Hoekstra和Chapagain于2008年首次提出[4]，定義為以自然本底濃度和現(xiàn)有的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，將一定的污染物負(fù)荷吸收同化所需的淡水體積[5]。目前，我國關(guān)于灰水足跡的研究仍處于初級階段，已有的研究中主要集中在國家和區(qū)域空間尺度，從農(nóng)業(yè)、工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)3個方面核算灰水足跡，對流域以及省區(qū)以下區(qū)域的灰水足跡研究較少。如孫才志等[6]測算中國各省區(qū)灰水足跡及灰水足跡荷載系數(shù)，分析其與水資源量的空間相關(guān)性；白天驕等[7]計算中國各省區(qū)人均灰水足跡，并探討其區(qū)域差異及驅(qū)動因子；曾昭等[8]對北京市灰水足跡進(jìn)行測算和評價，得出北京市水質(zhì)惡化的原因是灰水足跡大于水資源量。盡管灰水足跡廣泛應(yīng)用于水環(huán)境領(lǐng)域[9-11]，但主要側(cè)重核算與評價方面，缺乏深入研究。本文以中國31個省區(qū)為研究對象計算其1998-2016年灰水足跡，采用空間重心模型，對省域?qū)用娴幕宜阚E時空分布特征及其重心變化趨勢進(jìn)行分析。最后，結(jié)合Tapio脫鉤指數(shù)模型進(jìn)一步研究中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡的脫鉤關(guān)系。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 灰水足跡

2.1.1 農(nóng)業(yè)灰水足跡

農(nóng)業(yè)造成的水污染主要屬于面源污染，農(nóng)業(yè)面源污染是由農(nóng)田污水灌溉、化肥和農(nóng)藥的施用等造成的水污染。氮肥是農(nóng)業(yè)污染元素中造成農(nóng)業(yè)水污染的最大污染物，因此選取氮肥作為主要污染物來計算農(nóng)業(yè)灰水足跡。計算公式如下：

(1)

式中：GFagr-grey為農(nóng)業(yè)灰水足跡，m3/a；α為氮肥淋溶率；變量A為氮肥施用量，kg/a；Cnat為受納水體的自然本底濃度；Cmax為污染物水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)濃度，kg/m3。

2.1.2 工業(yè)灰水足跡

相比于農(nóng)業(yè)灰水足跡，工業(yè)廢水在處理過程中直接排放進(jìn)入水體，屬于點源污染，故可直接測算污染物的排放量。COD和氨氮在工業(yè)排放的污染物中所占比重較大，因此求取兩者的最大值作為工業(yè)灰水足跡值。計算公式如下：

(2)

(3)

式中：GFind(i)為第i類污染物的工業(yè)灰水足跡，m3/a；Lind(i)為工業(yè)第i種污染物的排放負(fù)荷，kg/a；GFind-grey為工業(yè)灰水足跡，m3/a。

2.1.3 生活灰水足跡

生活污水屬于點源污染且排放污水中的主要污染物是COD和氨氮，因此生活灰水足跡GFdom-grey的計算同工業(yè)灰水足跡。

2.1.4 灰水足跡總量

將農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活灰水足跡求和，得到灰水足跡總量，計算公式如下：

TGFgery=GFagr-grey+GFind-gery+GFdom-grey

(4)

2.2 空間重心模型

“重心”在力學(xué)上代表一種物體均衡狀態(tài)的臨界點，空間重心的位置及其變化可反映研究對象對區(qū)域發(fā)展均衡性的作用及影響[12]。本文利用重心模型分析中國灰水足跡的空間變化規(guī)律，其基本思路是：假設(shè)中國31個省級區(qū)域單元處在同一質(zhì)的平面上[13]，地理坐標(biāo)選取省會城市作為各省灰水足跡重心所在地，以各省灰水足跡總量作為權(quán)重，計算得出1998-2016年中國灰水足跡重心。計算公式如下：

(5)

重心移動距離是重心演變軌跡分析的重要測度指標(biāo)，公式如下：

(6)

2.3 脫鉤指數(shù)

脫鉤指數(shù)用于刻畫脫鉤程度和方向[14]，是指在某個系統(tǒng)中兩個及以上變量之間的響應(yīng)關(guān)系[15-17]。本文利用Tapio模型計算脫鉤指數(shù)，選取GDP作為衡量經(jīng)濟(jì)發(fā)展的指標(biāo)，研究中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡的脫鉤關(guān)系，計算公式如下：

t=ΔGF/ΔGDP

(7)

式中：t為GDP對灰水足跡的脫鉤彈性系數(shù)；ΔGF為灰水足跡增量；ΔGDP為GDP增量。

根據(jù)Tapio的脫鉤模型，GDP增量與灰水足跡增量之間的關(guān)系可以劃分為強(qiáng)脫鉤、弱脫鉤、擴(kuò)張連接、擴(kuò)張負(fù)脫鉤、強(qiáng)負(fù)脫鉤、弱負(fù)脫鉤、衰退連接和衰退脫鉤8種關(guān)系，彈性脫鉤指數(shù)劃分的8種關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 彈性脫鉤指數(shù)的劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 The criteria of elastic decoupling indicator

2.4 數(shù)據(jù)來源

本文選取1998-2016年中國31個省區(qū)作為研究區(qū)域(不包含香港、澳門和臺灣)計算灰水足跡，其中氮肥施用量數(shù)據(jù)來源于《中國統(tǒng)計年鑒》、《中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》和《新中國六十年農(nóng)業(yè)統(tǒng)計資料》；COD和氨氮排放量數(shù)據(jù)來源于《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》；國民生產(chǎn)總值GDP數(shù)據(jù)來源于各省區(qū)統(tǒng)計年鑒。對于個別缺失的數(shù)據(jù)，采取相鄰年份數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行替代。

文中假設(shè)受納水體的自然本底濃度Cnat=0，氮肥淋溶率選取全國平均氮肥淋溶率7%[18]；由于硝酸鹽是氮肥造成水污染的主要物質(zhì)，所以在農(nóng)業(yè)灰水足跡計算中Cmax=0.01 kg/m3。污染物COD和氨氮的排放標(biāo)準(zhǔn)濃度采用《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978-1996)中一級排放標(biāo)準(zhǔn)，分別為60和15 mg/L。

3 結(jié)果與分析

3.1 中國灰水足跡時空格局演變趨勢分析

3.1.1 中國灰水足跡時序變化分析

由圖1可知，中國灰水足跡整體呈下降趨勢，由1998年的4 055.99×108m3下降至2016年的3 361.57×108m3。19年來，中國灰水足跡的年際變化趨勢大致呈現(xiàn)先下降后上升然后再下降的趨勢，由1998年的4 055.99×108m3下降至2003年的3 726.44×108m3，隨后上升到2006年的3 964.1×108m3，2007年起出現(xiàn)較大幅度下降趨勢，到2016年下降至3 361.57×108m3。說明隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長，國家意識到經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的相互協(xié)調(diào)發(fā)展，水污染得到有效的控制。

圖1 1998-2016年中國灰水足跡總量變化圖Fig.1 The change of gray water footprint in China from 1998 to 2016

從農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活灰水足跡上看(圖2)，農(nóng)業(yè)灰水足跡占比最大，年平均占灰水足跡總量的42.3%；工業(yè)灰水足跡占比最小，年均占灰水足跡總量的21.1%。近19年來，農(nóng)業(yè)灰水足跡和生活灰水足跡呈現(xiàn)小幅波動趨勢，工業(yè)灰水足跡呈顯著下降趨勢，其主要原因是國家發(fā)展戰(zhàn)略的提升，地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。結(jié)果表明，我國工業(yè)部門產(chǎn)生的水污染得到有效的治理，但農(nóng)業(yè)和生活部門的水污染仍在不斷加重。

圖2 1998-2016年中國灰水足跡各類結(jié)構(gòu)變化圖Fig.2 The composition and change of grey water footprint in China from 1998 to 2016

3.1.2 中國灰水足跡空間格局變化分析

為進(jìn)一步分析中國灰水足跡的空間格局演變情況，本文按照三大經(jīng)濟(jì)帶的劃分方式將中國劃分為東、中、西部地區(qū)，并選取1998、2004、2010和2016年4個代表年的灰水足跡數(shù)據(jù)，用自然斷點法將每個年份的灰水足跡由低到高分為4個等級(圖3)。

從整體空間上看，東中部地區(qū)的灰水足跡高于西部地區(qū)的灰水足跡。從1998和2016年的空間對比可以看出，東部地區(qū)中河北灰水足跡等級由四級下降至三級，遼寧灰水足跡等級由三級下降至二級；中西部地區(qū)中湖南灰水足跡等級由三級上升至四級，內(nèi)蒙古、江西、陜西、云南和新疆灰水足跡等級由二級上升至三級，甘肅灰水足跡等級由一級上升至二級，其余省份灰水足跡等級未發(fā)生變化。

從不同時間節(jié)點上看，中國31個省區(qū)灰水足跡等級除個別省區(qū)發(fā)生變化以外，其余省區(qū)基本保持不變。1998-2004年，中西部地區(qū)部分省區(qū)灰水足跡等級上升，廣西和湖南灰水足跡等級由三級上升至四級，吉林、江西、云南和山西灰水足跡等級由二級上升至三級，甘肅灰水足跡等級由一級上升至二級。2004-2010年，中西部地區(qū)部分省區(qū)灰水足跡等級下降，吉林和江西灰水足跡等級由三級下降至二級，甘肅灰水足跡等級由二級下降至一級。2010-2016年，東部地區(qū)部分省區(qū)灰水足跡等級下降，中西部地區(qū)部分省區(qū)灰水足跡等級上升，河北和廣西灰水足跡等級由四級下降至三級，遼寧灰水足跡等級由三級下降至二級，江西和新疆灰水足跡等級由二級上升至三級，西部地區(qū)中甘肅灰水足跡等級由一級上升至二級。通過上述結(jié)果分析可得，受國家發(fā)展戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變的影響及我國環(huán)境污染治理政策的落實，我國東、中、西部地區(qū)灰水足跡呈現(xiàn)出較強(qiáng)的地區(qū)差異性。2000年起，中國開始實行“西部大開發(fā)”和“中部崛起”戰(zhàn)略，東部地區(qū)部分產(chǎn)業(yè)向中西部地區(qū)轉(zhuǎn)移，中西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致水污染問題日益突出。隨后，國家在2006年首次發(fā)布《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 20426-2006)；2007年，中央頒布“一號文件”，提出減少農(nóng)業(yè)面源污染；2011年，中央頒布“十二五”規(guī)劃綱要，將節(jié)能環(huán)保作為七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之首，并提出四大污染物排放指標(biāo)。環(huán)境污染治理政策的實施是中國灰水足跡下降的主要原因。

圖3 1998、2004、2010與2016年中國省際灰水足跡變化圖Fig.3 The map of gray water footprint in China in 1998, 2004, 2010 and 2016

3.1.3 中國灰水足跡重心演變分析

根據(jù)空間重心模型計算得到1998-2016年中國灰水足跡重心(表2)，并利用ArcGIS10.2軟件繪制出灰水足跡重心遷移軌跡(圖4)。

表2 灰水足跡重心空間動態(tài)遷移軌跡Tab.2 Dynamic migration path of grey water footprint gravity center

圖4 1998-2016年灰水足跡重心遷移圖Fig.4 Graph of the Migration of grey water of footprint Gravity Center from 1998 to 2016 in China

1998-2016年，中國灰水足跡重心均位于河南省境內(nèi)，并主要呈“東北-西南”向的移動趨勢。19年間，中國灰水足跡重心的移動軌跡可劃分為3個階段：第一個階段是1998-2003年，灰水足跡重心小幅度向西南方向遷移，遷移了63.06 km；第二個階段是2003-2010年，灰水足跡重心緩慢向西北遷移了53.07 km；第三個階段是2010-2016年，灰水足跡重心向西遷移了103.78 km。從緯度上看，1998-2016年灰水足跡重心向南偏移0.58°，實際距離為64.38 km；從經(jīng)度上看，灰水足跡重心向西偏移1.35°，實際距離為125.04 km。結(jié)果表明，中西部地區(qū)灰水足跡總量逐漸上升是灰水足跡重心向該方向偏移的主要原因。

3.2 中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡脫鉤指數(shù)分析

3.2.1 中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡脫鉤關(guān)系總體趨勢分析

基于Tapio脫鉤模型計算得到1998-2016年中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡脫鉤指數(shù)，參照彈性指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)得到兩者間的脫鉤關(guān)系(表3)，進(jìn)一步說明中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境之間的協(xié)調(diào)狀況。

表3 1998-2016年中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡脫鉤關(guān)系Tab.3 Decoupling relationship between the growth of economic and total grey water footprint in China from 1998 to 2016

由表3中可知，1998-2016年，中國GDP一直處于正向增長，灰水足跡總量在1998，2000，2004，2005，2006和2011年處于正向增長，其余年份處于負(fù)向增長。1998年，中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡呈擴(kuò)張連接關(guān)系，即GDP增長和灰水足跡增長均為正向增長，脫鉤指數(shù)在(0.8，1.2)范圍內(nèi)。2000，2004，2005，2006和2011年，中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡呈弱脫鉤關(guān)系，即GDP增長和灰水足跡增長同為正向增長，脫鉤指數(shù)在(0，0.8)范圍內(nèi)，表明經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境之間趨向于不協(xié)調(diào)狀態(tài)。除上述年份外，其余年份兩者間的脫鉤類型均為強(qiáng)脫鉤，即GDP處于正向增長，灰水足跡處于負(fù)向增長，表明經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境之間趨向于協(xié)調(diào)狀態(tài)，這是經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡的理想脫鉤狀態(tài)。

3.2.2 中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡脫鉤程度分析

為了更加有效地分析中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡脫鉤關(guān)系的差異，基于上述4個研究年份中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡脫鉤關(guān)系，對其脫鉤指數(shù)類型及變化趨勢進(jìn)行時空分析(圖5)。

圖5 1998，2004，2010與2016年中國省際脫鉤指數(shù)的空間分異Fig.5 Average decoupling index and spatial differentiation in China in 1998,2004,2010 and 2016

從圖5中可以看出，1998-2016年，大部分省區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡呈強(qiáng)脫鉤關(guān)系，由1998年的35.5%上升至2016年的87.1%，說明19年來中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境之間的協(xié)調(diào)性趨向于良好狀態(tài)。1998年，中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡的脫鉤關(guān)系從沿海到內(nèi)陸大致呈現(xiàn)“強(qiáng)脫鉤-擴(kuò)張負(fù)脫鉤-強(qiáng)脫鉤-弱脫鉤”的帶狀分布特征。2004年，中國大部分省區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡呈弱脫鉤關(guān)系，由1998年的19.4%上升至2004年的58.1%，從變化趨勢表明中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境開始傾向于協(xié)調(diào)狀態(tài)。2010年，中國大部分省區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡呈強(qiáng)脫鉤關(guān)系，由2004年的32.3%上升至2010年的74.2%，表明中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境處于初步協(xié)調(diào)狀態(tài)。2016年，中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡呈強(qiáng)脫鉤關(guān)系的省區(qū)數(shù)量進(jìn)一步增加，由2010年的74.2%上升至2016年的87.1%，表明當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境處于優(yōu)質(zhì)協(xié)調(diào)狀態(tài)。

在研究期間內(nèi)，個別省區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡脫鉤關(guān)系發(fā)生顯著變化。如遼寧的脫鉤關(guān)系經(jīng)歷擴(kuò)張連接到強(qiáng)脫鉤再到弱負(fù)脫鉤的變化趨勢，其中由強(qiáng)脫鉤變?yōu)槿踟?fù)脫鉤的主要原因是遼寧當(dāng)前面臨人口負(fù)增長和人口老齡化的問題，2016年的GDP與2015年相比下降2.5%，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境之間不相協(xié)調(diào)。如新疆的脫鉤關(guān)系從1998，2004和2010年屬于弱脫鉤到2016年變?yōu)閿U(kuò)張連接，主要原因是新疆的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)一直以農(nóng)業(yè)為主，產(chǎn)業(yè)用水結(jié)構(gòu)不合理，存在水資源退化問題且問題日益突出。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié) 論

本文分析了1998-2016年中國灰水足跡的時空格局演變趨勢及與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的脫鉤關(guān)系，其主要結(jié)論有：

1) 中國灰水足跡總體上呈下降趨勢，由1998年的4 055.99×108m3下降至2016年的3 361.57×108m3。其中，農(nóng)業(yè)灰水足跡占比最大，年平均占灰水足跡總量的42.3%；工業(yè)灰水足跡占比最小，年均占灰水足跡總量的21.1%。從空間格局上看，中國東、中、西部地區(qū)的灰水足跡存在較強(qiáng)的地區(qū)差異性，且東中部地區(qū)的灰水足跡高于西部地區(qū)的灰水足跡。

2) 中國灰水足跡重心均位于河南省境內(nèi)，并主要呈“東北-西南”向的移動趨勢。重心在遷移的過程中大致呈現(xiàn)先小幅度向西南再緩慢向西北然后向西遷移的特點，整體遷移了219.91 km。

3) 中國大部分省區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與灰水足跡呈強(qiáng)脫鉤關(guān)系，強(qiáng)脫鉤的比例由1998年的35.5%上升至2016年的87.1%，表明19年來中國各省區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境之間的協(xié)調(diào)性趨向于良好狀態(tài)。1998，2004，2010和2016年，中國31個省區(qū)呈強(qiáng)脫鉤的比例分別為35.5%，32.3%，74.2%和87.1%。

4.2 展 望

本文對中國灰水足跡時空分布特征及重心變化趨勢進(jìn)行初步分析，并利用脫鉤模型進(jìn)一步說明中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水環(huán)境的協(xié)調(diào)狀況，為日后制定差別化的區(qū)域水污染治理對策提供參考，實現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。此外，灰水足跡選取單一污染物作為指標(biāo)進(jìn)行計算，并沒有考慮污染物的綜合影響。由于地區(qū)發(fā)展差異性，灰水足跡計算結(jié)果并不能準(zhǔn)確反映一個地區(qū)水污染狀況。因此，灰水足跡指標(biāo)選取有待進(jìn)一步研究。