中國水生態(tài)足跡與承載能力時空演化研究

馬曉蕾，郭婷文

（安陽師范學(xué)院 資源環(huán)境與旅游學(xué)院，河南 安陽 455000）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人類對水資源需求量越來越大，水生態(tài)承載能力面臨前所未有的挑戰(zhàn)，水資源成為社會經(jīng)濟發(fā)展的一個重要制約因素。 我國水資源嚴重短缺，人均水資源占有量僅為世界平均水平的1／4［1］。 我國水資源時空分布不均，南豐北枯，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)等用水量區(qū)域差異大，使得部分區(qū)域水生態(tài)足跡與水資源總量和承載力的空間分布不協(xié)調(diào)。 因此，明確我國不同用水部門的水生態(tài)足跡時空差異，分析區(qū)域水生態(tài)足跡與承載力的空間匹配關(guān)系，有助于揭示人類生產(chǎn)活動對水資源承載力的影響，為區(qū)域水資源優(yōu)化利用提供參考。

生態(tài)足跡由加拿大生態(tài)學(xué)家William Rees 等于20世紀90 年代提出，旨在通過衡量區(qū)域內(nèi)人口為滿足自身需求所消耗的自然資本來評估對生態(tài)系統(tǒng)的影響［2-3］。 生態(tài)足跡模型因能較好地解釋人類活動對地球環(huán)境的影響，并具有較強的可操作性和可比較性［4］，而受到學(xué)者們廣泛關(guān)注。 我國水資源和水環(huán)境問題日益突出，運用水生態(tài)足跡方法開展的研究不斷深入，主要有以下幾方面：第一，基于三維生態(tài)足跡模型的水生態(tài)足跡深度與廣度研究，如孫才志等［5］運用水生態(tài)足跡方法，測算了我國31 個省（自治區(qū)、直轄市）水生態(tài)足跡廣度和深度，對水資源進行流量資本和存量資本區(qū)分，為我國水資源可持續(xù)利用提供參考；門寶輝等［6］引入水資源足跡廣度與深度，研究北京市水資源承載力，并對水生態(tài)足跡進行預(yù)測研究，結(jié)果表明北京市長期處于水資源赤字狀態(tài)；朱向梅等［7］對黃河流域各?。▍^(qū)）碳、水足跡進行核算，并對碳、水足跡廣度和深度的空間自相關(guān)性進行分析，結(jié)果顯示黃河流域碳、水處于盈余階段，但盈余值趨于減小，生態(tài)壓力逐年增大。 第二，水生態(tài)足跡與水生態(tài)承載力及其影響因素研究，如陳正雷等［8］基于改進的水生態(tài)足跡模型，評價了山東省水生態(tài)足跡隨時間的動態(tài)變化與空間分布，研究表明2007—2016 年山東省人均水生態(tài)赤字呈波動上升趨勢；莫崇勛等［9］運用水生態(tài)足跡模型及LMDI 模型，分析了廣西壯族自治區(qū)水生態(tài)特征的時空變化規(guī)律，得出廣西水生態(tài)容量處于盈余狀態(tài)、水資源利用效率逐漸提高的結(jié)論；焦士興等［10］對中原城市群水生態(tài)足跡的研究結(jié)果表明，中原城市群中濮陽等3 個城市為水資源不可持續(xù)區(qū)、聊城等6 個城市為可持續(xù)較差區(qū)、菏澤等3 個城市為一般區(qū)、商丘等11 個城市為良好區(qū)、亳州等6 個城市為發(fā)展優(yōu)異區(qū)。第三，水生態(tài)足跡、水生態(tài)盈虧及可持續(xù)利用方面的研究，如李菲等［11］運用水生態(tài)足跡、生態(tài)盈虧指數(shù)等方法，對甘肅省水生態(tài)足跡和生態(tài)承載力時空特征進行研究，得出甘肅省水資源處于生態(tài)赤字狀態(tài)且水生態(tài)足跡總體呈下降趨勢的結(jié)論；郭利丹等［12］利用水生態(tài)足跡理論，分析了江蘇省水生態(tài)足跡、水生態(tài)承載力和生態(tài)盈虧隨時間演變情況，結(jié)果表明江蘇省水資源處于生態(tài)赤字極不安全狀態(tài)，但可持續(xù)利用水平整體有所提升；趙靜等［13］對吉林省延邊州水生態(tài)足跡、生態(tài)承載力與生態(tài)盈余等進行了研究，發(fā)現(xiàn)2006—2015 年延邊州總水生態(tài)足跡表現(xiàn)為波動上升趨勢。

綜上所述，目前學(xué)者們運用生態(tài)足跡和三維生態(tài)足跡方法，在水生態(tài)足跡深度和廣度、流量資本和存量資本、水生態(tài)承載能力及水生態(tài)盈虧等方面開展了較為豐富的研究，為區(qū)域水資源優(yōu)化利用提供了一定的科學(xué)依據(jù)。 但從全國尺度和人均角度，對水生態(tài)足跡與承載能力進行研究的較少。 筆者利用水生態(tài)足跡模型，對我國省級區(qū)域尺度水生態(tài)足跡總量及人均占有量等時空格局及演變趨勢進行研究，以期為不同區(qū)域水資源可持續(xù)利用提出相應(yīng)對策和建議，為我國水生態(tài)環(huán)境改善與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

1.1.1水生態(tài)足跡

水生態(tài)足跡的計算是將人類生產(chǎn)消耗以及為維持自然環(huán)境穩(wěn)定所需的水資源量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的產(chǎn)水面積，包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)4 部分，計算公式［14-15］為

式中：EFw為水生態(tài)足跡，hm2；N為地區(qū)人口數(shù)量；γ為水資源全球均衡因子，參考黃林楠等［17］的研究，取5.19；Wi第i項水資源人均消耗量，m3；P為水資源全球平均產(chǎn)量，m3／hm2，取3 140 m3／hm2［17］。

1.1.2水生態(tài)承載力

水生態(tài)承載力為區(qū)域內(nèi)水資源對生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展的承受能力，計算公式為

式中：ECw為水生態(tài)承載力，hm2；ec為人均水生態(tài)承載力，hm2；α為區(qū)域生態(tài)環(huán)境和生物多樣性保護所用水資源量的比例，取0.6［16］；φ為研究區(qū)水資源產(chǎn)量因子，中國水資源產(chǎn)量因子取0.94［17］，各?。ㄊ小^(qū)）的水資源產(chǎn)量因子見文獻［17］；Q為人均水資源量，m3。

1.1.3水生態(tài)盈虧指數(shù)

水生態(tài)盈虧指數(shù)用來表示地區(qū)水資源使用的平衡狀況，計算公式為

式中：EBw為水生態(tài)盈虧指數(shù)，hm2。EBw＞0，說明地區(qū)水生態(tài)承載力大于水生態(tài)足跡，處于水生態(tài)盈余狀態(tài)；EBw＜0，說明處于水生態(tài)超載狀態(tài)；EBw＝0，說明處于水生態(tài)平衡狀態(tài)。

1.1.4空間聚類分析

采用ArcGIS 軟件中的聚類和異常值（Anselin Local Moran’sI）分析方法，對我國水生態(tài)盈虧、水生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的空間格局進行分析。 聚類和異常值分析方法可判斷具有高值或低值的要素空間聚類，用于識別統(tǒng)計學(xué)上具有顯著性的空間異常值。 聚類／異常值結(jié)果輸出類型有4 種：具有統(tǒng)計顯著性的高值（高-高）聚類、低值（低-低）聚類、高值主要由低值圍繞的異常值（高-低）以及低值主要由高值圍繞的異常值（低-高）［18-20］。

1.2 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

本文研究區(qū)域為全國及各省級區(qū)域，其中：2000—2020 年我國水資源消耗量、水資源總量以及農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)用水量指標數(shù)據(jù)來源于《中國水資源公報》；各?。ㄊ?、區(qū)）的水資源消耗量、水資源總量，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)用水量，以及總?cè)丝谥笜藬?shù)據(jù)來源于2011 年、2016 年和2020 年《中國統(tǒng)計年鑒》和《中國水資源公報》。

2 結(jié)果分析

2.1 水生態(tài)足跡時空演變

2.1.1我國水生態(tài)足跡時間演變情況

我國總水生態(tài)足跡呈平穩(wěn)、緩慢上升趨勢，2000年以來大于8 億hm2（見圖1），其中：農(nóng)業(yè)水生態(tài)足跡最大，歷年均值為6.15 億hm2，占總水生態(tài)足跡的63.47%；工業(yè)水生態(tài)足跡呈小幅度波動變化態(tài)勢，歷年均值為2.16 億hm2（占總水生態(tài)足跡的22.29%），于2011 年達到最大值2.42 億hm2；生活水生態(tài)足跡呈輕微波動上升趨勢，歷年均值為1.21 億hm2，占總水生態(tài)足跡的12.5%。 2003 年以來，我國不斷加強生態(tài)環(huán)境保護力度，生態(tài)環(huán)境用水量逐漸上升，其水生態(tài)足跡呈緩慢上升趨勢，但占總水生態(tài)足跡的比例不足5%。各部門水生態(tài)足跡雖差距較大，但變化趨勢均較為平穩(wěn)。

圖1 我國水生態(tài)足跡隨時間變化情況

2.1.2水生態(tài)足跡空間分布格局

我國水生態(tài)足跡空間差異相對較?。ㄒ妶D2）。 大于0.68 億hm2的高值區(qū)分布在新疆、江蘇、廣東，水生態(tài)足跡之和占全國的26.9%；小于0.17 億hm2的低值區(qū)分布在西藏、青海、寧夏、陜西、山西、重慶、北京、天津以及海南，水生態(tài)足跡之和僅占全國的8.1%；其他省份處于中高水平（0.17 億～0.68 億hm2），包括東北、華中和華東等大部分地區(qū)。 新疆地處內(nèi)陸干旱區(qū)，水資源匱乏，加之農(nóng)業(yè)灌溉用水量大，導(dǎo)致水資源被大量開采；南方地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展快、人口密度大、水資源相對充沛，農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活水資源消耗量均較大，導(dǎo)致其水生態(tài)足跡偏大。

圖2 我國水生態(tài)足跡空間分布格局

2.1.3水生態(tài)足跡構(gòu)成

由各?。ㄊ小^(qū)）水生態(tài)足跡構(gòu)成（見圖3）可以看出：各?。ㄊ小^(qū)）農(nóng)業(yè)水生態(tài)足跡空間布局相對穩(wěn)定，農(nóng)業(yè)水生態(tài)足跡空間格局與總水生態(tài)足跡的空間分布較為一致；不同年份新疆農(nóng)業(yè)水生態(tài)足跡均高于0.5億hm2，黑龍江農(nóng)業(yè)水生態(tài)足跡處于中高等級；農(nóng)業(yè)水生態(tài)足跡小于0.12 億hm2的低值區(qū)包括西藏、青海、寧夏、北京、天津、山西、陜西、重慶、貴州。 我國工業(yè)和生活水生態(tài)足跡大致由東南向西北遞減，華中、華東、華南地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平較高，尤其長三角和珠三角地區(qū)人口分布密集，其工業(yè)和生活水生態(tài)足跡大；東北三省工業(yè)和生活水生態(tài)足跡均呈減小趨勢，主要原因是2010—2019 年東北三省總?cè)丝跀?shù)減少161 萬，生活用水量減少5.15億m3，規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)數(shù)量減少了20 426個，工業(yè)用水量減少55.23 億m3。 我國生態(tài)水生態(tài)足跡雖占比較小，但多數(shù)省份呈增大趨勢，主要原因是近年各地生態(tài)環(huán)境保護意識不斷增強，生態(tài)環(huán)境用水量增加。

圖3 各?。ㄊ?、區(qū)）水生態(tài)足跡構(gòu)成

2.2 水生態(tài)承載力時空演變

2000—2020 年我國水生態(tài)承載力呈波動變化趨勢，均值為17.07 億hm2，2016 年最高（20.18 億hm2），2011 年最低（14.45 億hm2）（見圖4），與水資源總量變化趨勢基本一致。 2008—2012 年波動較大，原因是2009 年我國的區(qū)域性和階段性干旱問題嚴峻，全國年降雨量、水資源總量分別比多年平均值低8%、12.7%，造成了大范圍罕見的干旱［21］；2011 年我國旱澇交織，北方地區(qū)、長江中下游和西南地區(qū)出現(xiàn)了3 次大范圍嚴重干旱，導(dǎo)致水資源匱乏，承載能力降低；2010 年全國降水量和水資源總量分別比多年平均值高8.2%和11.5%，水生態(tài)承載力提高。

圖4 我國水生態(tài)承載力及水資源總量變化情況

我國水生態(tài)承載力呈從南向北逐漸遞減趨勢，低值（小于0.22 億hm2）區(qū)域面積約占全國的50%，高值（大于1.38 億hm2）區(qū)分布較穩(wěn)定，中值（0.22 億～1.38億hm2）區(qū)面積減小，低值區(qū)面積增大（見圖5）。 西藏、青海、廣西、湖南、江西、廣東一直處于高值區(qū)，而西北、華北以及東北大部分地區(qū)（除黑龍江外）處于水生態(tài)承載力低值區(qū)。 上海市雖然降水量和過境水資源量充沛，但本文計算水生態(tài)承載力時，為保持不同區(qū)域指標統(tǒng)計口徑一致，并未將過境水資源量納入計算，由于上海市當(dāng)?shù)厮Y源總量較小，2019 年僅為48.35 億m3，因此計算得到的水生態(tài)承載力較小。

圖5 我國水生態(tài)承載力空間分布

2.3 水生態(tài)盈虧指數(shù)時空演變

由我國水生態(tài)盈虧指數(shù)隨時間變化情況（見圖6）可知，水生態(tài)盈虧指數(shù)與水生態(tài)承載力變化趨勢一致。2000 年以后，我國水生態(tài)盈虧指數(shù)大于0，年均值為7.38億hm2，總體處于水生態(tài)盈余狀態(tài)，承載能力較強。

圖6 我國水生態(tài)盈虧指數(shù)隨時間變化情況

我國水生態(tài)盈虧指數(shù)呈南高北低態(tài)勢，空間格局年際變化較?。ㄒ妶D7）。 我國西北大部分地區(qū)處于水生態(tài)虧損狀態(tài)，新疆、江蘇處于重度虧損狀態(tài)。 新疆氣候干旱，水資源時空分布極不均衡，地表水蒸發(fā)量大，致使農(nóng)業(yè)灌溉所需水資源量大，農(nóng)業(yè)用水量大是造成水生態(tài)嚴重虧損的最主要原因。 黃河流經(jīng)的9 個省（區(qū)）中，有6 個?。▍^(qū)）處于水生態(tài)中度虧損狀態(tài)，分別為甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏、山西、山東和河南，這些地區(qū)水資源貧乏，社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源需求量的增加使得水資源供需矛盾日益突出。 相反，我國南方絕大部分地區(qū)（除江蘇、上海外）以及西藏，處于水生態(tài)盈余狀態(tài)，如西藏、安徽、福建、湖南、廣東、廣西和江西水生態(tài)盈余達2 億hm2。 由圖8 可知：廣西、湖南、廣東、江西和福建為我國水生態(tài)盈余高值集聚區(qū)，山西和山東為低值集聚區(qū)，西藏為高-低集聚區(qū)，其余地區(qū)集聚不明顯。

圖7 我國水生態(tài)盈虧指數(shù)空間分布

圖8 我國水生態(tài)盈虧指數(shù)空間聚類分布

2.4 人均水生態(tài)足跡、承載力及盈虧指數(shù)時空演變

2000 年以來，我國人均水生態(tài)足跡較為平穩(wěn)，呈小幅波動趨勢，多年均值為0.72 hm2；人均水生態(tài)承載力波動幅度相對較大，年均值為1.28 hm2；人均水生態(tài)盈虧指數(shù)均大于0，處于生態(tài)盈余狀態(tài)（見圖9）。

圖9 我國人均水生態(tài)足跡、生態(tài)承載力、生態(tài)盈虧指數(shù)隨時間演變

新疆人均水生態(tài)足跡最大，為3.85 hm2；華中、華東、華南等總水生態(tài)足跡較大的地區(qū)，由于人口數(shù)量多，因此人均水生態(tài)足跡較?。粡V東、浙江等人口大省，人均水生態(tài)足跡小于0.59 hm2。 由圖10 可知：2019年，人均水生態(tài)承載力呈由南向北遞減趨勢，西藏的最大，南方大部分地區(qū)人均水生態(tài)承載力均較大（2.80 ～7.88 hm2）；西北、華北和東北大部分地區(qū)以及河南、山東、安徽和江蘇的人均水生態(tài)承載力小于0.86 hm2；大部分地區(qū)處于人均水生態(tài)盈余狀態(tài)，人均水生態(tài)虧損的有新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏、山西等（面積約占全國的44.75%）。

圖10 2019 年我國人均水生態(tài)足跡、生態(tài)承載力及生態(tài)盈虧指數(shù)空間分布

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

（1）2000 年以來，中國水生態(tài)足跡年際變化較小，水生態(tài)足跡農(nóng)業(yè)＞工業(yè)＞生活＞生態(tài)。 新疆、江蘇、廣東水生態(tài)足跡較大，而西藏、青海、寧夏、陜西、山西、重慶、北京、天津以及海南水生態(tài)足跡較小。

（2）我國水生態(tài)承載力年際變化較大，且受區(qū)域水資源總量影響較大。 西藏、青海、廣西、湖南、江西、廣東水生態(tài)承載力較大，而北方地區(qū)水生態(tài)承載力普遍較小。

（3）我國水生態(tài)盈虧指數(shù)年際變化較大，2000 年以來均處于生態(tài)盈余狀態(tài)。 新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、寧夏、山西、山東和河南等地水資源開發(fā)利用程度高，處于水生態(tài)虧損狀態(tài)，不利于區(qū)域資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。西南地區(qū)普遍處于水生態(tài)盈余狀態(tài)，西藏、青海、廣西、廣東和江西生態(tài)盈余在2.98 億hm2以上。 總體上，我國水生態(tài)虧損和盈余地區(qū)的面積比例大致相等，人均情況亦如此。

3.2 建 議

為實現(xiàn)我國水資源可持續(xù)利用，提升區(qū)域水生態(tài)承載力，提出以下節(jié)水建議。

（1）農(nóng)業(yè)節(jié)水方面。 我國大部分地區(qū)農(nóng)業(yè)水生態(tài)足跡占比高，水生態(tài)嚴重虧損的省份多為農(nóng)業(yè)水生態(tài)足跡高值區(qū)。 黑龍江、新疆和江蘇農(nóng)業(yè)水生態(tài)足跡位于全國前三位，應(yīng)重點關(guān)注農(nóng)業(yè)節(jié)水。 新疆要加強農(nóng)業(yè)用水由粗放式向節(jié)約集約方式轉(zhuǎn)變，加快灌區(qū)的現(xiàn)代化節(jié)水改造建設(shè)，提高農(nóng)業(yè)用水效率。 黑龍江農(nóng)田灌溉用水量占農(nóng)業(yè)用水量的比例超過90%，應(yīng)提高灌溉用水效率，加強節(jié)水灌溉設(shè)施建設(shè)。 江蘇水生態(tài)赤字突出，應(yīng)重點從農(nóng)業(yè)節(jié)水出發(fā)，加大農(nóng)業(yè)節(jié)水工程建設(shè)力度，推廣和普及大規(guī)模農(nóng)業(yè)節(jié)水和高效節(jié)水灌溉模式，提高農(nóng)業(yè)灌溉用水效率，從水資源量和質(zhì)兩方面促進水資源可持續(xù)利用。 甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山東、河南和山西等黃河流經(jīng)?。▍^(qū)），要落實“以水而定、量水而行”的方針。

（2）工業(yè)節(jié)水方面。 江蘇省工業(yè)水生態(tài)足跡為全國最大，應(yīng)適當(dāng)控制高耗水、高污染企業(yè)投資建設(shè)，加強產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化，扶持水資源利用效率高的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展；加大企業(yè)科技投入，改進生產(chǎn)工藝，減少工業(yè)污水排放。 同時，環(huán)保部門應(yīng)加強污染物排放管理，限制污染企業(yè)的超標排放行為。

（3）生活節(jié)水方面。 北京、天津、上海、山東和河南等人口密集地區(qū)，生活用水所占比重大。 一方面，要加強全民節(jié)水意識，通過互聯(lián)網(wǎng)、多媒體等形式，開展水資源開發(fā)利用和保護的常態(tài)化宣傳教育，以及節(jié)水科普宣傳教育。 另一方面，要加快節(jié)水技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化和推廣，健全政產(chǎn)學(xué)研用相融合的節(jié)水技術(shù)創(chuàng)新體系，強化節(jié)水監(jiān)督管理，深化水價改革。

（4）生態(tài)節(jié)水方面。 對于北京、天津、河北和河南等生態(tài)用水量占比較高且處于水資源超載狀態(tài)的省份，應(yīng)加強區(qū)域污水凈化處理工程建設(shè)，將污水凈化處理達標后作為生態(tài)用水，減輕水資源壓力。 此外，推進污水截流和雨洪分流工作，統(tǒng)籌外調(diào)水、當(dāng)?shù)氐乇硭?、地下水、再生水和雨洪水的綜合利用，改善水環(huán)境，提高水生態(tài)承載力，促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。