福建省2010-2019年水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力

岳 晨, 錢 永, 崔向向, 王春曉, 劉 峰, 郭斯嘉

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所, 河北省 石家莊 050061;2.中國地質(zhì)調(diào)查局河北省地下水污染機理與修復(fù)重點實驗室, 河北省 石家莊 050061)

目前，水資源生態(tài)足跡的研究主要基于生態(tài)足跡的原理和方法之上進行改進。生態(tài)足跡法主要通過表征在所需人口和經(jīng)濟規(guī)模下，維持水資源消費和自然環(huán)境進化所必需的水資源用地面積來衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展狀況[1]。該方法最早是Willam Rees提出由其博士Wackernagel完善，從此開啟了生態(tài)承載力評價的新征程[2-4]。隨著生態(tài)足跡法的不斷完善，以生態(tài)足跡為理論框架進行水資源可持續(xù)性評價成為水資源發(fā)展研究的熱點。各國學(xué)者[5-9]在此基礎(chǔ)上開展水足跡、水生態(tài)足跡和水資源生態(tài)足跡的研究，并取得不斷進步。范曉秋[5]將水資源賬戶統(tǒng)一到生態(tài)足跡模型中，將水資源的生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟功能也一并納入到生態(tài)足跡模型中。黃林楠[10]在生態(tài)足跡的理論框架下建立水資源生態(tài)足跡計算模型。Wang等[11]將水資源賬戶刻畫為生活用水、生產(chǎn)用水和生態(tài)需水3個子賬戶，計算遼河流域水資源生態(tài)足跡；方愷[12-13]將三維生態(tài)足跡模型引用到水資源生態(tài)足跡評價中，通過引入足跡深度和足跡廣度，來表明存量資本消耗和流量資本占用。丁華等[14]通過引入萬元GDP水資源生態(tài)足跡，分析了水資源生態(tài)需求和供給能力；Veldkamp等[15]認為人口和經(jīng)濟發(fā)展是影響水資源生態(tài)足跡模型的重要因素。通過各國學(xué)者[16]不斷實踐和努力，水資源生態(tài)足跡已成為國際上開展生態(tài)足跡核算、水資源戰(zhàn)略評價的重要方法依據(jù)。福建省水資源比較豐富，但福建省經(jīng)濟發(fā)展較快，水資源年際變化差異大，水資源空間失衡比較突出，而福建省水資源生態(tài)足跡相關(guān)研究嚴重缺乏[17]，這對當?shù)厮Y源合理利用造成巨大挑戰(zhàn)?？茖W(xué)評價水資源利用情況，合理開發(fā)利用水資源，是實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

因此，本文依托于水資源生態(tài)足跡的理論框架，以福建省2010—2019年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立福建省水資源生態(tài)足跡模型，通過建立福建省水資源生態(tài)足跡三維模型，分析福建省水資源演變特征及空間分布格局，為福建省水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

福建省位于中國東南部，東臨太平洋。全省屬多山地區(qū)，地勢西北高，東南低，大致可劃為閩北山地、閩西南山地、閩東山地和閩東南丘陵、沿海平原。福建省屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，全省大部分地區(qū)平均氣溫在17～21 ℃，年降水量一般在1 100～2 000 mm。受氣候和地形影響，降水時空分布不均，多集中在春夏，冬季少雨。福建省地表水多年平均徑流量為1.18×1011m3，人均擁有水資源量為3 433 m3(2019年)，水資源相對豐富。省內(nèi)地表徑流豐富，年平均流量變化很小，含沙量少，水力資源豐富。河流一般短促，河網(wǎng)密度大于0.1 km/km2。改革開放以來，福建省經(jīng)濟飛速發(fā)展，基本保持8%的增速，經(jīng)濟增長速度在東部沿海省份中排名第1，在全國省市中高居前10，是我國東南沿海經(jīng)濟發(fā)展的重要地區(qū)[18]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文的研究的的水資源、用水量、人口、國內(nèi)生產(chǎn)總值數(shù)據(jù)主要來自于福建省水資源公報(2010—2019年)，福建省統(tǒng)計年鑒(2010—2019年)。

2 研究方法

2.1 水資源生態(tài)足跡

水資源生態(tài)足跡是建立在生態(tài)足跡模型基礎(chǔ)之上的，用于描述水資源生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟功能[5]。水資源生態(tài)足跡計算公式[19]為：

EFw=N·efw=N·γw·(W/pw)

(1)

式中：EFw為水資源生態(tài)足跡(hm2)；N為人口數(shù)； efw為人均水資源生態(tài)足跡(hm2/人)；γw為全球水資源均衡因子，取值5.19[10]；W為水資源消耗量(m3)；pw為全球水資源平均生產(chǎn)能力，取值3 140 m3/hm2[10]。

2.2 水資源生態(tài)承載力

水資源生態(tài)承載力，主要表示水資源對生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)良性發(fā)展的支撐能力，需要綜合考慮生態(tài)環(huán)境以及社會生產(chǎn)所需要的水資源[20]。生態(tài)承載力計算公式為如下：

ECw=N·ecw=0.4×ψ·γw·Q/pw

(2)

式中：ECw為生態(tài)承載力(hm2)； ecw為人均生態(tài)承載力(hm2/人)；ψ為水資源產(chǎn)量因子；Q為水資源總量(m3)；通常一個國家和地區(qū)的水資源承載力中60%用于維持生態(tài)環(huán)境，因此，計算中乘以系數(shù)0.4[10]。

區(qū)域水資源產(chǎn)量因子：區(qū)域水資源產(chǎn)量因子為該區(qū)域水資源量平均生產(chǎn)能力與世界水資源生產(chǎn)能力的比值。水資源產(chǎn)量因子計算公式[5]為：

ψ=P/Pw

(3)

式中：P為區(qū)域單位面積產(chǎn)水量。

根據(jù)福建省水資源相關(guān)數(shù)據(jù)，計算得出福建省2010—2019年水資源產(chǎn)量因子，結(jié)果詳見表1。

表1 福建省各個市年水資源產(chǎn)量因子

2.3 水資源生態(tài)盈余/赤字

水資源生態(tài)盈余/赤字公式為：

ES=ECw-EFw

(4)

式中：ES為生態(tài)盈余/赤字(hm2)。其值為正時，為生態(tài)盈余，表明福建省水資源尚有潛力；其值為0時，表明福建省水資源生態(tài)平衡。其值為負時，為生態(tài)赤字，表明水資源處于過量開發(fā)階段。

2.4 萬元GDP水資源生態(tài)足跡

萬元GDP水資源生態(tài)足跡是通過水資源生態(tài)足跡與萬元GDP的比值來表示的。其值越小表示水資源利用效率越高，反之越低[21]，計算公式為：

萬元GDP水資源生態(tài)足跡=EFw/GDP

(5)

2.5 水資源生態(tài)足跡三維模型

水資源生態(tài)足跡深度表征人類對水資源存量資本的消耗程度，水資源生態(tài)足跡廣度表征人類對水資源流量資本的占用水平[22]。計算公式為：

EFdepth=1+ES/ECw

(6)

EFsize=min[ECw, EFw]

(7)

式中：EFdepth為水資源生態(tài)足跡深度(等于1時稱為原長); EFsize為水資源生態(tài)足跡廣度(hm2)。當EFw

3 結(jié)果與討論

3.1 福建省水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力分析

根據(jù)公式核算出福建省2010—2019年人均水資源生態(tài)足跡(表2)，具體變化情況如圖1所示。福建省人均水資源生態(tài)足跡整體上趨于平穩(wěn)并呈現(xiàn)穩(wěn)中有降的趨勢，表明隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，水資源利用效率在逐漸提高。其變化范圍為0.696～0.928 hm2/人，均值為0.848 hm2/人。在水資源各賬戶中，農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水、生態(tài)環(huán)境用水足跡多年均值分別為0.393，0.305，0.077和0.071 hm2/人，各占福建省水資源總生態(tài)足跡的46.41%，36.03%，9.14%，8.43%。以上數(shù)據(jù)表明福建省水資源生態(tài)足跡仍以農(nóng)業(yè)用水為主。用水結(jié)構(gòu)中，工業(yè)用水生態(tài)足跡下降最快，隨著福建省經(jīng)濟發(fā)展飛速，說明工業(yè)用水效率逐年提高，工業(yè)用水消耗量逐年減少。生活用水生態(tài)足跡增長最快，說明福建省人口數(shù)量和居民生活水平在不斷提高。農(nóng)業(yè)用水足跡呈現(xiàn)平穩(wěn)態(tài)勢，且有小幅下降，說明全省已經(jīng)注意到農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工程，但效果仍舊不明顯。人均生態(tài)環(huán)境用水生態(tài)足跡自2012年后每年的變化非常小，所占份額也最小，也有可能與福建省降雨豐富相關(guān)，生態(tài)環(huán)境用水量相對較少。根據(jù)公式核算出福建省2010—2019年水資源生態(tài)承載力(表2)，福建省水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承載力體變化如圖2所示。福建省水資源生態(tài)承載力明顯大于水資源生態(tài)足跡，福建省長期處于生態(tài)盈余狀態(tài)。福建省水資源生態(tài)承載力波動起伏變化較大，年際差異比較大。其中，2013年水資源生態(tài)承載力最高，為10.944 hm2/人，2018年水資源生態(tài)承載力最低，為2.602 hm2/人，年際間相差4倍之多。水資源生態(tài)承載力的變化不僅限于人口、水文、植被、地質(zhì)條件等情況，也與當年的氣候條件，尤其是降水密切相關(guān)。由圖2可知，福建省水資源生態(tài)承載力與降水量波動趨勢基本一致。受水資源生態(tài)承載力影響，福建省水資源生態(tài)盈余年際變化比較大，變化幅度在1.829～10.047 hm2/人之間。其中，2013年福建省水資源生態(tài)盈余水平最高，10.047 hm2/人。根據(jù)圖2福建省降水量可以看出，該地區(qū)的生態(tài)承載力受降水量影響還是比較大的。目前，福建省水資源狀態(tài)相對較好。

表2 福建省2010-2019年各行業(yè)人均水資源生態(tài)足跡、生態(tài)承載力分析結(jié)果 hm2/人

圖1 福建省2010-2019年各行業(yè)人均水資源生態(tài)足跡變化

圖2 福建省2010-2019年人均水資源生態(tài)足跡、人均水資源生態(tài)承載力與年降水量變化趨勢

根據(jù)公式核算出福建省2010—2019年萬元GDP水資源生態(tài)足跡變化。由圖3可以看出，福建省萬元水資源生態(tài)足跡自2010—2019年呈現(xiàn)明顯下降趨勢，自2012年以后，下降速度放緩并趨向平穩(wěn)。萬元GDP水資源生態(tài)足跡從2010年的0.627 hm2/人降到了2019年的0.164 hm2/人，由此可以看出，福建省水資源利用效率總體上正在逐年提高。

圖3 福建省2010-2019年萬元GDP水資源生態(tài)足跡變化

3.2 水資源生態(tài)足跡空間分布特征

根據(jù)公式核算出福建省2010—2019年水資源生態(tài)足跡深度與廣度(表3)。水資源生態(tài)足跡三維模型主要反映了區(qū)域?qū)λY源存量資本的消耗程度。受季風(fēng)氣候影響，福建省降水量相對充足，但年際變化較大。雖然人口不斷增長，經(jīng)濟迅猛發(fā)展，用水量的需求不斷增加，但目前福建省水資源流量資本可以滿足經(jīng)濟社會的生活生產(chǎn)需求。由圖4可知，自2010—2019年福建省水資源生態(tài)足跡深度為1，說明福建省水資源存量資本的消耗在水資源承載力范圍之內(nèi)。水資源生態(tài)足跡廣度主要反映區(qū)域?qū)λY源流量資本的占有情況。福建省水資源生態(tài)足跡廣度自2010—2019年波動范圍在1以下，整體呈波動下降的趨勢，并未超過福建省水資源生態(tài)承載力，說明福建省水資源生態(tài)足跡格局相對較高，水資源承載能夠滿足本地經(jīng)濟發(fā)展。

表3 福建省2010-2019年水資源生態(tài)足跡深度及水資源生態(tài)足跡廣度

圖4 福建省2010-2019年水資源生態(tài)足跡深度與廣度變化特征

3.3 福建省各市水資源空間分布格局

福建省各個市水資源空間分布情況如圖5所示。由圖5可知，福建省9個市人均水資源生態(tài)足跡、人均水資源生態(tài)承載力和人均生態(tài)盈余具有明顯的空間分布差異性。其中人均水資源生態(tài)足跡最高為南平市，為0.501 hm2/人；三明市，龍巖市，寧德市和漳州市，分別為0.398，0.339，0.269和0.206 hm2/人，人均水資源生態(tài)足跡相對較高；其次為莆田市，福州市，泉州市，人均水資源生態(tài)足跡分別為0.171，0.157和0.143 hm2/人；最低為廈門市，為0.058 hm2/人。根據(jù)福建省經(jīng)濟發(fā)展情況和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)分布，西部地區(qū)的水資源人均生態(tài)足跡明顯高于沿海地區(qū)，分析其原因，主要是因為西部地區(qū)主要以農(nóng)業(yè)和傳統(tǒng)工業(yè)為主，沿海地區(qū)的各市則以耗水量較少的工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)為主，在一定程度上，造成了福建省水資源生態(tài)足跡空間差異的現(xiàn)象。

由圖5可知，福建省各個市人均水資源生態(tài)承載空間分布相差懸殊，其值比較高的地區(qū)依次為南平市，三明市，龍巖市和寧德市，分別為30.581，21.040，17.658和12.755 hm2/人。這4個市的人均水資源承載力均大于10，水資源非常豐富。福建省沿海地區(qū)人均水資源承載力相對較低，其次為漳州市(4.853 hm2/人)，福州市(2.732 hm2/人)，莆田市(2.505 hm2/人)，泉州市(2.272 hm2/人)，人均水資源承載力均大于1。廈門市人均水資源承載力最低，為0.541 hm2/人。由此可以看出，西部地區(qū)水資源人均生態(tài)承載力相對較高，沿海地區(qū)，水資源生態(tài)承載力相對較低。尤其是福建省經(jīng)濟發(fā)展較快的廈門市，福州市和泉州市，由于其人口和經(jīng)濟發(fā)展較快，水資源生態(tài)承載力相對較低。由圖5可知，福建省水資源整體上為生態(tài)盈余，但各地差異較大。其中西部地區(qū)南平市，三明市，龍巖市和寧德市人均水資源生態(tài)盈余較高，其中南平市和三明市的值均大于5 hm2/人。尤其是南平市，達到9.482 hm2/人。漳州市人均水資源生態(tài)盈余為1.140 hm2/人，而莆田市，福州市，泉州市和廈門市人均水資源生態(tài)盈余均小于1，廈門市最低，為0.044 hm2/人。由此可知，福建省西部地區(qū)由于水資源生態(tài)承載力高，即使人均生態(tài)足跡相對較高，生態(tài)盈余依然較大。而東部沿海地區(qū)，雖然人均水資源生態(tài)足跡較低，但由于其水資源生態(tài)承載力較低，水資源相對短缺，人口密度較大，水資源生態(tài)盈余依然較低。

圖5 福建省各個市水資源人均空間分布

4 結(jié)論與展望

(1) 自2010—2019年福建省人均水資源生態(tài)足跡基本呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢，從2010年0.907 hm2/人降到2019年0.696 hm2/人。其中農(nóng)業(yè)水資源生態(tài)足跡所占比重最高，達46.41%，生態(tài)環(huán)境生態(tài)足跡所占比重最低，為8.43%。受多種因素，尤其是降水影響，福建省人均水資源承載力年際變化較大，2010—2019年水資源生態(tài)承載力變幅有4倍之多。受水資源生態(tài)承載力影響，福建省水資源雖處于盈余狀態(tài)，但年際變化較大，變化幅度在1.829～10.047 hm2/人之間。福建省水資源生態(tài)指數(shù)最小值為0.663，最大值為0.928，遠大于0.5，說明目前福建省水資源狀態(tài)相對較好。福建省水資源比較豐富，在目前階段下水資源可以保證。近幾年，隨著福建省經(jīng)濟快速發(fā)展，人口迅速增長，在全球氣候劇烈變化的情況，若不注意水資源合理利用，福建省依然有水資源緊張的風(fēng)險。

(2) 2010—2019年福建省萬元GDP水資源生態(tài)足跡呈現(xiàn)穩(wěn)步下降趨勢，表明近幾年福建省水資源利用效率明顯提高，但也表明對水資源的自然條件相對依賴。

(3) 從福建省2010—2019年水資源生態(tài)足跡格局上來看，福建省水資源流量資本可以滿足經(jīng)濟社會的生活生產(chǎn)需求，現(xiàn)階段水資源利用在福建省水資源承載力范圍之內(nèi)。水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)盈余空間差異明顯，福建省西部地區(qū)水資源狀況明顯好于東部沿海地區(qū)。水資源足跡廣度波動范圍在1以下，并呈下降趨勢，說明福建省水資源生態(tài)足跡格局相對較高，目前階段，水資源承載能夠滿足本地經(jīng)濟發(fā)展。隨著經(jīng)濟發(fā)展，東部沿海地區(qū)，水資源生態(tài)承載情況將引起重視。