沁源縣農業水生態足跡與水資源承載力動態特征分析

劉 杰，郭東罡

（山西大學環境與資源學院，山西 太原 030006）

隨著對人與自然關系的理性思考和深入研究，自然資源的可持續利用已經越來越受到關注。從20世紀初期開始，國內外的專家和學者就開始對生態系統的服務價值量化、自然資源的承載力核算和生態足跡等進行了大量的實踐探索和理論研究[1-5]，生態足跡法是使用土地面積來核算一定區域內人類為了維持自身生存所需資源和吸納所衍生的廢物自然資源[6-8]，即它是在對土地面積量化的基礎上，在需求層面上計算生態足跡的大小，在供給層面上計算生態承載力的大小，然后比較二者的多寡，進而評價研究對象的可持續發展狀況。生態足跡提供了一種以“土地”為要素量化自然資本賬戶的有效方法，同理水生態足跡則是以“水”為要素核算流域或區域自然資本所需的最小生態需水量[9-10]。水資源承載力是指在一定的技術條件和經濟社會發展水平下，水資源能滿足工農業生產、人民生活和生態環境等需求的最大供給能力[4]。在一定時空尺度下研究一個區域的水生態足跡和水資源承載力，正如從人類社會對水資源的“生態占用”和自然生態系統水資源的“生態供給”2個方面評價其可持續發展的能力，有利于研究分析區域內生態資源的有效開發利用和調整產業結構[11-13]。

農業是經濟發展和生態環境維持的基礎。水資源作為生態環境的重要組成成分和最活躍的因素，其供給能力制約著區域農業發展，對作物產量起著決定性作用[14-16]。隨著GDP的增長，農業用水比例逐步下降,且農業供水不穩定、水污染、農業用水效益低下等問題加劇了農業水資源供需矛盾,影響農業發展和糧食穩產。因此，農業水資源可持續利用是農業生產可持續發展的前提和保障。

由于沁源縣擁有得天獨厚的自然條件和歷史原因，且一直是較為貧困的區域之一，因此，大力發展當地經濟首當其沖，然而在社會經濟發展的同時，生態環境也在隨著自然資源的耗損發生變化，其嚴重制約人類的生存和發展，尤其是作為沁河發源地的沁源縣，因此，研究其農業水資源的利用狀況、人類生存對區域農業水資源生態系統的壓力，定量衡量沁源縣經濟發展的可持續性狀況，并為當地生產和生活提供一些建議。

沁源縣雖然地處沁河源頭，但屬于缺水地域，當地農業生產和居民生活完全依靠水利工程引水，2006年前沁源縣境內部分地區仍依靠人力挑水解決生活所需。本文選取沁源縣為研究對象，依據水生態足跡模型計算當地農業水資源使用現狀，并針對水資源利用問題給予合理、科學的建議。

1 研究區域概況

1.1 自然地理概況

沁源縣地處太岳山東麓，山西中南部，系沁河發源地，沁源因沁河源頭而得名。位于 E110°58′03″～112°32′30″，N36°20′20″～37°00′42″，屬黃土高原區，地理單元屬沁水盆地西部隆起區太岳山系主脈，海拔939～2 523 m。屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均溫度約8.6℃，年平均相對濕度65%，年平均降雨量約660 mm，無霜期90～150 d。地帶性植被屬暖溫帶天然落葉闊葉林地帶，境內主要植被類型為油松天然次生林和松櫟混交林。

縣境內河流分屬沁河、汾河兩大水系。其中，沁河是最大的河流，支流眾多，從北到南匯集了赤石橋河、紫紅河、白狐窯河、柏子河、法中河、聰子峪河、狼尾河等流域面積超過100 km2的7條支流；沁河干流總長485 km，其中，沁源縣境內98 km，占總長的20.2%，縣境內沁河流域面積為2 187 km2，占沁河流域總面積的16.2%。汾河水系河流有龍鳳河、靜升河、仁義河。

1.2 社會經濟概況

沁源縣在行政區劃上屬于山西省長治市，國土面積2 594 km2，轄5鎮9鄉254個行政村，2006—2015年平均總人口16.033萬人，10 a間農村人口占總人口數百分比分別為74.91%，73.52%，72.47%，70.45%，66.43%，64.57%，62.59%，60.74%，58.97%，57.26%，可見，農村人口數逐年減少。2006—2015年農林牧業產值逐年升高，平均農業生產總值17 863萬元，年平均林業生產總值3 465萬元，年平均牧業生產總值6 855萬元，分別占農林牧漁業生產總值的57.58%，11.17%，22.10%，其中，農業產值和林業產值占農林牧漁業生產總值的比值基本穩定，分別保持在55%～65%和10%～15%，而牧業產值占農林牧漁業總產值的比例不斷減少，從38.59%降到13.96%。農民純收入基本呈現穩定性增長趨勢，年人均純收入為9 451.3元，2006—2015年耕地面積保持在133.4萬hm2（表1）。此外，礦產資源極為豐富，已發現煤、鐵、鋁礬土、石灰巖等礦產18種。

表1 2006—2015年沁源縣農業產值指標情況

2 研究方法

水資源可持續利用是使社會經濟可持續發展的基本要素，在可持續發展的基礎上對水資源的利用進行科學、合理的衡量與評價，定量計算水資源生態足跡是評判人類是否生存于生態系統可承載范圍內的重要指標，即用于衡量人類對自然資源的利用程度以及自然界為人類提供生態服務功能的方法[17-20]。

2.1 水資源生態足跡參數計算

水資源生態足跡模型需計算水資源產量因子。其主要包括2個方面：特定地區內水資源生物生產性土地的平均生產能力和全球（或全國）同類平均生產能力，二者比值就是所確定的水資源產量因子。根據該比值可以進一步確定出區域的水資源生態承載力，水資源產量因子為31.4 m3/hm2。

2.2 水資源生態足跡

水資源生態足跡計算模型用下式表示。

式中，EFW表示水資源生態足跡（hm2）；N表示總人口數，efW表示人均水資源生態足跡（hm2/人）；aW表示水資源均衡因子；WW表示人均用水量（m3）；PGW表示全球水資源平均生產能力（m3/hm2）。全球水資源均衡因子根據2008版的國家足跡核算方法提供的內陸水域均衡因子取值，為0.4。

2.3 水資源承載力模型

水資源生態承載力模型的計算公式如下。

式中，E CW表示水資源承載力（hm2）；N表示總人口數；ecW表示人均水資源承載力（hm2/人）；aW表示全球水資源均衡因子；rLW表示地區水資源產量因子；QW表示人均水資源量（m3）；PGW表示全球水資源的平均生產能力（m3/hm2）。

2.4 水資源負載指數計算方法

水資源負載指數通常用于分析研究區域內水資源的開發利用程度，其表示為研究區域內水資源量與人口、GDP決定的水資源需求量的關系，從中可以看出研究區域內水資源的利用現狀及其同社會經濟發展的關系，另外，還可以看出未來開發水資源的難易程度。水資源負載指數分為5個等級（表2），其計算公式如下。

式中，c為水資源負載指數；P為人口數量（萬人）；G為區域內生產總值（萬元）；W為水資源總量（萬m3）；k為與降水有關的系數，其取值如下。

式中，k為與降水有關的系數；R為年降水量（mm）。

表2 水資源負載指數分級

3 結果與分析

3.1 水資源量統計

3.1.1 水資源總量與降水量 由圖1可知，2006—2015年水資源總量呈波動性升高，且增長幅度較大，從7765萬m3增長到17556萬m3，漲幅為126.09%，其年增長率分別為59.19%，5.62%，12.99%，3.90%，-2.99%，13.61%，3.92%，-1.75%，0.62%。

文獻資料顯示，沁源縣1956—2008年多年平均降水量為660 mm，而2006—2015年平均降水量為440.52mm，最大年為2015年，降水量為463.5mm，最小年為2012年，降水量為429.8 mm，均低于660 mm，可見，沁源縣10 a間補給水嚴重不足，氣候干燥，年平均氣溫高于8.6℃，因此，氣候變化對降雨量的影響也極大。經計算可知，豐枯比為103.84%，2006—2015年年降水量變差系數分別為-0.19%，-0.44%，-2.41%，-1.66%，-0.07%，-1.68%，-2.43%，1.31%，2.36%（圖 2）。

3.1.2 農業用水量分析 本文所指的用水量是指各用水戶獲得的水資源量，其中包括輸水過程中損失的水資源，統計分類為生活用水量和生產用水量2類，沁源縣2006—2015年供水量列于表3。

2006—2015年10 a間沁源縣年平均用水總量為21 920.88萬m3/a，年變化率分別為-48.03%，6.44% ，33.45% ，33.01% ，88.96% ，3.96% ，-7.19% ，-6.21%，-4.29%，總用水量最小值和最大值分別是900.3萬，3 341.58萬m3。農村居民年平均生活用水量為307.43萬m3，占生活用水總量的14.24%，且農村生活用水量逐年降低并趨于穩定，占總用水量的比例分別為 60.51%，73.34%，72.51%，15.96%，11.54%，4.65%，4.46%，5.28%，5.71%，5.22%。對比農村人口數量分析可知，農村人口數量基本穩定在10萬人，沒有發生大的變化，而生活用水量在減少，說明生活用水的重復利用能力不斷提升。2006—2012年農業生產用水量不斷升高，所占總用水量的比例最高達51.20%，尤其是2009年農業用水量突增，從占總用水量的12.89%增加到37.18%，2013年起農業生產用水得以合理管控，呈現下降緩和趨勢。

表3 2006—2015年沁源縣農業用水量

3.1.3 農業產值分析 2006—2015年農林牧漁業總產值呈現持續增長狀態，從2.22億元增長到4.67億元，漲幅110.36%，2009年起農林牧漁業總產值增長速度加快，年增長率高達35.37%，而在2008—2009年間出現短暫下降（圖3），其原因是由于林業產值減少量高于其他3個產業增長量，但從2009年起年平均農業產值占農林牧漁業生產總值的51.03%，其變化趨勢直接影響了總產值的走向（圖4），年平均林業產值增長緩慢且占總產值的比例僅有13.6%，而漁業產值基本不變。

3.2 水資源生態足跡

計算2006—2015年沁源縣農業用水量和農村生活用水量水資源生態足跡[21-26]，結果列于表4。總用水量生態足跡變化波動較大，2006—2008年總用水量生態足跡短時期減少，自2008起用水量逐年增加，并穩定于500萬～530萬hm2。農村生活用水量生態足跡總體變化趨勢穩定，且變化幅度較小，對總用水量生態足跡的影響較小。2006—2008年農業用水量生態足跡占比分別為60.5%，73.34%，72.5%，可見，農業生產需水量很大，水資源重復利用的能力低下；2008—2015年農業用水生態足跡占總用水量生態足跡的最大年均量為15.67%，最小僅占4.46%，并穩定在25萬～29萬hm2。可見，隨著水資源利用率的提高，即農業用水量不變的情況下農業用水生態足跡逐漸降低。

表4 2006—2015年沁源縣水資源生態足跡 萬hm2

3.3 水資源承載力與生態赤字（盈余）

2006—2015年水資源承載力大致處于增長趨勢[27-30]，由2006年的8.68萬hm2增長到2012年的18.96萬hm2，后趨于穩定，保持在17萬～18萬hm2（圖5），分析可知，影響其變化的主要因素是年降水量（圖6），水資源承載力與年降水量呈現正相關（R2＝0.963 2），即隨著降雨量的增加水資源承載力不斷上升，反之，水資源承載力不斷下降。

對比2006—2015年沁源縣農業水資源生態足跡和水資源承載力的變化趨勢可知，農業用水生態足跡遠小于區域水資源生態承載力，即以農業生產用水角度來說沁源縣處于水資源生態盈余狀態[31-34]，可以解釋為其自然生態系統所提供的水生態容量完全可支撐沁源縣農業發展的消費模式。2008年區域生態盈余狀態突增，并于2012年達到峰值（圖7）。但從總用水量生態足跡的角度分析，沁源縣長期處于生態赤字狀態，其供水量和需水量之間存在矛盾，究其原因是因為工業生產的不斷發展對水資源耗損較大。

3.4 農業水資源負載指數

為了進一步分析沁源縣農業水資源利用現狀，現對沁源縣農業水資源負載指數進行計算。由表5可知，2006—2015年農業水資源負載指數呈現穩定增長的發展趨勢，由2.67增長到6.03，漲幅為125.84%。2006—2010年沁源縣農業水資源負載指數屬于III級，水資源利用程度中等，開發利用潛力較大；2011年起水資源負載指數達到5.13，并持續走高，達到II級標準，水資源利用程度高，即農業用水利用率高，今后水資源的開發利用條件困難。

表5 2006—2015年沁源縣水資源負載指數

4 討論與建議

4.1 討論

2006—2015年沁源縣水資源生態足跡變化明顯，充分顯示了10 a間水資源使用走向和用水趨勢。沁源縣是傳統的農業生產區，2006—2015年隨著降雨量的不斷增長水資源承載力持續上升，可見，沁源縣氣候條件達到優化，生態環境趨于健康的方向發展，充分滿足了農業生產所需的用水量；水資源總生態足跡在2006—2012年呈現持續增加的態勢，2013—2015年小幅降低，而農業用水生態足跡占比不斷降低，但農業生產總值占區域生產總值的比例不斷升高，可見，農業用水的可持續利用管理模式發揮了主要作用。此外，沁源縣長期處于農業生態盈余狀態，并且生態盈余逐年增長，并于2012年達到穩定，表明沁源縣農業供水量與農業用水量處于平衡狀態，甚至于農業供水量大于用水量。總而言之，沁源縣應在保持當前農業用水現狀的基礎上，進一步加強可持續水資源利用。

4.2 面臨的威脅與建議

經計算分析可知，目前沁源縣水資源利用呈現生態赤字狀況，但農業用水處于生態盈余狀態，可見，單方面管控農業生產對水資源總體變化影響較小，應當全面、科學、客觀地協調用水和需水之間的矛盾。當下的主要威脅是水資源配置不合理、水資源的開發利用能力較低、水利設施配套不統一等。其表現為沁河源頭灌溉模式過于落后，通常為跑漏水嚴重的大水漫灌或自流灌溉，水資源利用率極低，造成嚴重浪費。解決這些問題的主要方式就是推進發展節水型農業，提高農業生產水利用率，具體可以通過以下途徑進行改善。

第一，因地制宜，充分結合區域地形地貌以及水資源分布情況，以滿足作物水量供需關系進行栽種，開發適合沁源區域農業的地面節水灌溉技術。第二，維修過度陳舊的輸水渠道，加固硬化輸水渠土岸，完善水利設施建設，防止跑水、滲水、漏水，提高渠道灌溉水的利用率，盡最大可能地減少因設備陳舊、老化所造成的水資源耗損，充分發揮灌溉水的高能效。

第三，加快推進農業生產現代化發展進程，大力推廣微灌、噴灌節水技術。例如采用噴灌的方式來灌溉沁河上游區域規模化種植的果樹林，而在蔬菜園區可實行微灌技術。

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