2001—2011年石羊河流域水資源生態足跡研究

賈　焰，張　軍，張仁陟*（1.甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅蘭州730070；2.農業部對外經濟合作中心，北京100125；3.甘肅省節水農業工程技術研究中心，甘肅蘭州730070）

2001—2011年石羊河流域水資源生態足跡研究

賈焰1，2，張軍1，3，張仁陟1，3*
（1.甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅蘭州730070；2.農業部對外經濟合作中心，北京100125；3.甘肅省節水農業工程技術研究中心，甘肅蘭州730070）

水資源是人類社會和生態系統可持續發展的基礎性資源。隨著人口增長和經濟社會發展，水資源短缺和水環境惡化已經成為全球性問題，處于干旱內陸區的石羊河流域更是面臨著生產生活用水與生態用水的巨大矛盾。利用生態足跡法構建了石羊河流域農業用水、工業用水、城鎮公共用水、生活用水和生態環境用水5個二級水資源賬戶，研究了石羊河流域水資源承載力與生態赤字，結果表明，2001-2011年石羊河流域水資源承載力平均為1955.5 hm2，呈現出波動下降的趨勢，水資源承載力與耕地面積存在顯著負相關關系；石羊河流域水資源生態足跡平均為43531.04 hm2，呈現出“先增后減再增”的趨勢；石羊河流域生態赤字平均為41575.55 hm2，呈現“先增后降”趨勢，與總水資源生態足跡變化趨勢一致。未來在水資源管理方面首先要調整產業結構，特別是不適宜再擴大種植業面積，進一步擴大節水灌溉面積。

生態足跡；水資源承載力；石羊河流域

http：//cyxb.lzu.edu.cn

賈焰，張軍，張仁陟.2001-2011年石羊河流域水資源生態足跡研究.草業學報，2016，25（2）：10-17.

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水資源對國民經濟和社會發展有著不可替代的作用［1-2］。隨著人口膨脹，工農業用水猛增導致水資源緊張以及水環境日益惡化，已經嚴重威脅到人類自身的生存；全球氣候變化和全球水資源的分配不均加劇了水資源貧乏地區生態環境惡化與社會經濟不持續性，水資源短缺和水環境破壞已經成為全球性的嚴峻問題。如何解決經濟社會發展與水資源供需的矛盾，實現“水資源-社會經濟-生態環境”系統的可持續發展，是當前迫切需要解決的重要課題之一。生態足跡法具有較強綜合性，符合可持續發展理念而受到生態學、資源科學等領域學者的廣泛興趣，在水資源承載力、區域可持續發展評價等方面得到廣泛應用［3-10］。水資源承載力概念是伴隨著可持續發展的觀點，以及人們對社會經濟可持續發展的認識基礎上被提出［11-13］。國外學者將水資源承載力融入可持續發展理論中進行研究［14-16］，而國內學者多注重研究不同時空尺度上的水資源承載力動態特征，也兼顧水資源可持續評價［17-30］，水資源承載力研究是實現區域可持續發展的基礎。

在干旱區，水資源的重要性不言而喻，然而資源性的缺水導致水資源成為干旱區經濟社會可持續發展的瓶頸。石羊河流域（Shiyang River Basin，SRB）處于河西走廊東部，具有悠久的農業灌溉歷史，是內陸河流域開發較早，生態環境惡化最嚴重的地區之一，特別是石羊河流域下游的民勤。石羊河流域是內陸河流域中人口最多的，多年的開發利用使得石羊河水資源利用率已超過150%，而石羊河流域水系灌溉維系著當地經濟社會的發展和生態平衡，科學合理地評價石羊河流域水資源利用，本文利用生態足跡法研究2001-2011年石羊河流域水資源生態足跡和水資源承載力動態特征，為實現石羊河流域水資源可持續利用提供科學依據。

1　材料與方法

1.1研究區概況

石羊河流域位于河西走廊東部，祁連山北麓，介于東經101°41′-104°16′，北緯36°29′-39°27′，流域面積4.16×104km2，流域行政區劃包括武威市的涼州區、古浪縣、民勤縣全部及天祝縣部分、金昌市的永昌縣及金川區全部以及張掖市肅南裕固族自治縣部分。石羊河起源于南部祁連山，消失于巴丹吉林和騰格里沙漠之間的民勤盆地北部，主要由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河、西大河等8條河流組成，多年平均徑流量15.75×108m3，產流面積1.1×104km2［31］。多年平均降水量222 mm，蒸發量2000～2600 mm，人均水資源量約700 m3，耕地畝均水資源量約250 m3，屬典型的資源型缺水地區。石羊河在河西走廊乃至全國均有極其重要的地位，特別是處于下游的民勤為巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠接壤，為保護區域生態環境安全起到至關重要的屏障和生態作用。

1.2研究方法

20世紀90年代，加拿大經濟學家William提出生態足跡法，該方法通過引入生態生產性土地來定量分析自然資源的可持續利用程度。水資源生態足跡對水資源可持續利用程度的衡量主要是通過水資源生態盈余和生態赤字來表示。當一個區域的水資源生態足跡小于其水資源生態承載力時，則表明該地區水資源呈現盈余狀態，水資源利用處于可持續利用狀態；相反，如果當一個區域的水資源生態足跡大于水資源生態承載力時，則表明該區域出現水資源生態赤字情況，反映出該地區的水資源利用處于超載的情況，水資源數量較少不能滿足該地域經濟發展的需要，或者該區域的水資源利用方式不利于該區域經濟社會可持續發展。

1.2.1水資源生態承載力計算方法在生態足跡理論中，水資源生態承載力是利用水資源的生物生產能力來衡量的，即水資源利用所能承載的相應生物生存面積。

式中，EC為水資源生態承載力（hm2）；r為水資源全球均衡因子；φ為計算區域水資源產量因子；W為計算區域內水資源總量（m3），水資源總量為區域內地表水資源量和地下水資源量之和再扣除其重復計算量；P為世界水資源平均生產能力（m3/hm2）。左其亭［33］研究認為干旱區河流水資源利用率極限閾值為凈水資源量的40%，因此，計算區域水資源承載力時扣除60%用于維持生態環境。

水資源產量因子為該區域水資源平均生產能力與世界水資源平均生產能力的比值。假定世界水資源產量因子為1，則水資源產量因子的計算公式為：

式中，φ為水資源產量因子，V為石羊河流域單位面積產水量，Vg為全國單位面積產水量。2001-2011年石羊河流域水資源平均生產能力為4.33×104m3/km2，全國水資源平均生產能力為29.46×104m3/km2［32］，由此，計算出石羊河流域的水資源產量因子為0.1470。

根據文獻［32］可知，世界水資源平均生產能力為31.4×104m3/km2。

水資源均衡因子等于水資源生物生產面積的平均生態生產力除以全球各類生物生產面積的平均生態生產力。為便于比較，本文選擇根據世界自然基金會（World Wide Fund for Nature，WWF）計算確定的水資源均衡因子為5.19［32-34］。

1.2.2水資源生態足跡計算方法水資源生態足跡以水資源為出發點，估算流域或區域的水資源的利用強度［35］。水資源生態足跡可以定義為：任何已知人口（某個人、一個城市、一個區域或全球）的水資源足跡是生產這些人口所消耗的所有資源所需要的水資源量。這里的所有資源既包括人類生活所必需的直接消耗的水資源，也包括為人類提供生態系統服務和功能的環境資源［36-37］。

根據生態足跡模型，水資源生態足跡可將消耗的水資源量轉化為相應地生產面積——水資源用地面積。因此，為了全面分析石羊河流域水資源生態足跡的動態特征，分別為農業用水、工業用水、城鎮公共用水、生活用水和生態環境用水5個用水賬戶，其中農業用水包括農田灌溉用水、林牧漁畜用水2個下級用水賬戶。工業用水主要是工業生產過程所用的水。城鎮公共用水主要是指建筑業和服務業用水。居民用水包括城鎮生活用水和農村生活用水。生態用水包括城市環境用水和農村生態用水量。其計算公式分別為：

式中，WFa為農業用水生態足跡（hm2）；Wa為農業用水量（m3）；WFi為工業用水生態足跡（hm2）；Wi為工業用水量（m3）；WFc為城鎮公共用水生態足跡（hm2）；Wc為城鎮公共用水量（m3）；WFl為生活用水生態足跡（hm2）；Wl為生活用水量（m3）；WFe為生態環境用水生態足跡（hm2）；We為生產環境用水量（m3）；r為水資源全球均衡因子；p為世界水資源平均生產能力（m3/hm2）。

1.3數據來源

文中用到的農業用水量、生活用水、工業用水量和生態環境用水量等用水量數據以及部分經濟社會數據來源于2001-2011年《甘肅省水資源公報》；部分社會經濟數據來源于2002-2009年《甘肅年鑒》以及2010-2012年的《甘肅發展年鑒》（表1）。

2　結果與分析

2.1石羊河流域水資源生態足跡及動態特征

表2是石羊河流域2001-2011年農業用水、工業用水、城鎮公共用水、生活用水和生態環境用水5個水資源賬戶的生態足跡。石羊河流域水資源足跡農業用水生態足跡遠高于其他4類水資源生態足跡。

2001-2011年石羊河流域水資源生態足跡平均為43531.04 hm2，呈現出“先增后減再增”的趨勢，2001-2005年呈現增加態勢，2005-2009年呈現逐漸減小趨勢，2009年又出現小幅增加趨勢。2005年石羊河流域水資源生態足跡最大為46142.57 hm2，2009年最小為41467.44 hm2。通過計算相關系數發現，石羊河流域總水資源足跡與農田灌溉用水足跡、生活用水足跡成顯著正相關關系。

2001-2011年石羊河流域農業用水生態足跡平均為38932.30hm2，占總生態足跡的89.4%，其中農田灌溉用水足跡平均為37853.10hm2，占農業用水生態足跡中的97%。農業用水生態足跡一直呈現下降趨勢，到2011年最小為36597.43hm2，其主要原因一方面是石羊河流域單位面積耕地灌水量逐漸下降（表1），計算農業用水生態足跡與單位面積耕地灌水量之間相關系數為0.72；另一方面是石羊河流域產業政策的調整，不斷降低農業產業的國民經濟生產中的比例，已經從2003年的23%降到2011年的16%。

2001-2011年石羊河流域工業用水生態足跡平均為2354.06hm2，占總生態足跡的5.4%。石羊河流域工業用水足跡總的趨勢呈現增加態勢，其中2002年最低為2055.34hm2，2011年最高為2692.68hm2。

2001-2011年石羊河流域生活用水生態足跡平均為1512.66hm2，占總生態足跡的3.5%。生活用水生態足跡總體上呈現出上升趨勢，其中2003年最低為1032.88hm2，2008年最高為2104.59hm2。生活用水生態足跡呈現增加趨勢，2004-2008年增幅較大，2008年后生活用水足跡減小，此后緩慢增加至2011年的1406.92hm2。總體上，石羊河流域生活用水足跡在2004-2008年處于較高水平，均接近或超過2000hm2，之前和之后時期均遠低于這一時段，其主要原因是這一時段居民生活用水量增幅較大，特別是農村居民生活用水量增長了70%。

2001-2011年石羊河流域城鎮公共用水生態足跡平均為253.02hm2，占總生態足跡的0.58%。城鎮公共用水生態足跡一直保持在穩定上升趨勢，2003年最低為217.35 hm2，2010年最高為274.71 hm2。

由于統計原因，缺乏2001和2002年生態用水量，因此本文僅計算了2003-2011年石羊河流域生態用水足跡。2003-2011年石羊河流域生態環境用水生態足跡為672.15hm2，占總生態足跡的1.5%。總體上石羊河流域生態環境用水生態足跡呈現增長的趨勢，由2003年的30.7hm2增加至2011年的1010.1hm2，2003-2004年生態用水足跡比較低的原因是沒有農村生態用水量，而2005年較高的原因是因為城鎮環境用水量增加較大。

總體來說，石羊河流域經濟快速發展，生活用水量、工業用水量也隨之增加，同時對生態環境也越來越重視，因此，石羊河流域總生態足跡仍會持續增加，通過石羊河流域綜合治理項目實施，以及石羊河產業結構調整和發展，改變農業用水足跡過大的問題，改善用水結構，提高用水效率，以實現石羊河流域脆弱生態環境的修復和保護。

2.2石羊河流域水資源承載力及動態特征

由表2可知，2001-2011年石羊河流域水資源承載力平均為1955.5hm2，呈現出波動下降的趨勢，2001年最小為1563.5hm2，2003年最高為2628.5hm2。2003-2007年石羊河流域水資源承載力處于相對較高水平，均超過了2000hm2，其他年份水資源承載力均沒有超過2000hm2，且表現出水資源承載力波動下降趨勢。由圖1可知，石羊河流域水資源承載力與耕地面積之間存在顯著的負相關關系，隨著耕地面積增加農業耗水增加，而導致石羊河流域水資源承載力下降。由此可見，適度減少石羊河流域耕地面積可以實現水資源可持續利用。

2.3石羊河流域水資源生態赤字

對比石羊河流域2001-2011年總水資源生態足跡和水資源承載力，總水資源生態足跡大于生態承載力，說明石羊河流域水資源供給不足，不能完全滿足流域的經濟社會發展的需要。總的來說2001-2011年石羊河流域生態赤字呈現“先增后降”趨勢（圖2），2005-2008年石羊河流域水資源生態赤字處于較高的階段。從2003年波動中上升到2008年，其中2005年達到峰值為43932.83hm2，2009年降至最低為39760.56hm2，緩慢增加至2011年的39931.33hm2，與總水資源生態足跡變化趨勢一致。計算相關系數發現，石羊河流域水資源生態赤字與農田灌溉用水足跡成顯著正相關關系，表明石羊河流域水資源赤字主要是由農業用水造成的。

表2　石羊河流域2001—2011年水資源承載力與生態足跡Table2　Ecological footprint and carrying capacity of water resources in Shiyang River Basin from 2001 to 2011 hm2

圖1　石羊河流域水資源承載力與耕地面積關系Fig.1　The relationship between carrying capacity of water resources and Arable land in Shiyang River Basin

圖2　石羊河流域2001—2011年水資源生態赤字變化特征Fig.2　Ecological deficit of water resources in Shiyang River Basin from 2001 to 2011

3　討論與結論

水資源總生態足跡呈現持續增加的態勢，生活用水生態足跡和城鎮公共用水生態足跡持續增加，農業用水足跡雖呈現下降趨勢，但仍在總水資源足跡中占有很大比重。石羊河流域水資源承載力從2001-2011年呈下降趨勢，水資源承載力下降明顯。石羊河流域水資源承載力與耕地面積存在顯著負相關關系。2001-2011年石羊河流域水資源生態赤字波動較大，表明石羊河流域供水與用水之間的矛盾仍在增加，需要進一步加強供水能力，更重要的一方面是調整產業政策，實行“開源節流”建立節水型社會。按照目前的發展狀況，隨著各種用水量的不斷增加，水資源生態赤字勢必還會進一步增加，所以，有限水資源的合理有效利用成為石羊河流域可持續發展的當務之急。

干旱內陸流域的生態環境問題往往是在人水矛盾的巨大壓力下，由于缺乏水資源的統一管理、盲目擴大耕地、過度使用地表水、持續超采地下水的后果［39-40］。人口增加會導致水資源承載力負荷的增加，為保證石羊河流域經濟社會的可持續發展，需加強人口控制。石羊河流域是傳統的農業產區，也是甘肅省重要的商品糧基地，農業消耗了大量的水資源，未來要進一步減少耕地面積，減少虛擬水輸出，提高節水灌溉面積，發展高水效的節水型農業體系。未來石羊河流域水資源管理必須進行一體化管理，在不同產業之間，在上中下游之間合理調配，實現水資源的需求管理。

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Ecological footprint of water resources in the Shiyang River Basin from 2001—2011

JIA Yan1，2，ZHANG Jun1，3，ZHANG Ren-Zhi1，3*
1.College of Resources and Environmental Science，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China；2.Foreign Economic Cooperation Center，Ministry of Agriculture，Beijing 100125，China；3.Research Center of Water-saving Agriculture of Gansu Province，Lanzhou 730070，China

Water is an important resource for all human beings and for the sustainable development of ecosystems.The Shiyang River Basin is one of the continental drainage basins in Northwest China where the level of water utilization is very high，and the shortage of water resources is therefore serious.Furthermore，the environment is fragile，and the social and economic development is restricted.This paper studies the water consumption by the human population and the impact on the natural ecological environment.Quantitative indicators of the influence are developed to statistically define data of water resources in the Shiyang River Basin.We introduce a concept of regional water resource carrying capacity.The ecological footprint method is used to build a model of the ecological carrying capacity of water resources for the Shiyang River Basin，and calculate the ecological water resource carrying capacity of the Basin.The average water resource carrying capacity was 1955.5 ha，and the ecological footprint is 43531.04 ha.Therefore the average ecological deficit for 2001-2011 in the Shiyang River Basin was 41575.55 ha.Future water resource management should include appropriateimmigration policy，adjustment of industrial activity；planting area should not increase，and public education to enhance awareness of water conservation issues should be implemented.

ecological footprint；carrying capacity of water resource；Shiyang River Basin

10.11686/cyxb2015125

2015-03-10；改回日期：2015-05-29

國家自然科學基金（31160269，41161066），國家科技支撐計劃（2012BAD14B03），甘肅省基本科研業務費（041013），甘肅農業大學青年導師基金（GAU-QNDS-2001402）和甘肅農業大學科技創新基金（GAU-CX1017）資助。

賈焰（1973-），女，陜西西安人，在讀博士。E-mail：zxhycalen@163.com

Corresponding author.E-mail：zhangrz@gsau.edu.cn