中國灰水足跡時空格局演變及其脫鉤關系研究

林靖雯，翁翎燕，戴毅豪

(1.南京大學金陵學院 城市與土木工程學院，南京 210089； 2.南京農業大學 公共管理學院，南京 210095)

1 研究背景

水資源作為資源環境重要的組成部分，與經濟社會發展和人民生活密切相關[1]。當前，我國水資源總量時空分布不均，人均占有量少，與耕地資源和環境生態水需求不相協調。水資源短缺和水污染等問題隨著工農業的快速發展和城鎮化進程的加快日益突出，因此做好水資源質量評價不僅有利于治理污染地區以及改善生態環境，而且對水資源的開發和利用具有重要意義。傳統的水質評價多是通過建立數學模型來對水中污染物的含量進行評價，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有的水質標準為基準，將一定的污染物負荷吸收同化所需的淡水體積[5]。目前，我國關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域空間尺度，從農業、工業和第三產業3個方面核算灰水足跡，對流域以及省區以下區域的灰水足跡研究較少。如孫才志等[6]測算中國各省區灰水足跡及灰水足跡荷載系數，分析其與水資源量的空間相關性；白天驕等[7]計算中國各省區人均灰水足跡，并探討其區域差異及驅動因子；曾昭等[8]對北京市灰水足跡進行測算和評價，得出北京市水質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用于水環境領域[9-11]，但主要側重核算與評價方面，缺乏深入研究。本文以中國31個省區為研究對象計算其1998-2016年灰水足跡，采用空間重心模型，對省域層面的灰水足跡時空分布特征及其重心變化趨勢進行分析。最后，結合Tapio脫鉤指數模型進一步研究中國區域經濟發展與灰水足跡的脫鉤關系。

2 研究方法與數據來源

2.1 灰水足跡

2.1.1 農業灰水足跡

農業造成的水污染主要屬于面源污染，農業面源污染是由農田污水灌溉、化肥和農藥的施用等造成的水污染。氮肥是農業污染元素中造成農業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業灰水足跡。計算公式如下：

(1)

式中：GFagr-grey為農業灰水足跡，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為污染物水質標準濃度，kg/m3。

2.1.2 工業灰水足跡

相比于農業灰水足跡，工業廢水在處理過程中直接排放進入水體，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類污染物的工業灰水足跡，m3/a；Lind(i)為工業第i種污染物的排放負荷，kg/a；GFind-grey為工業灰水足跡，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的計算同工業灰水足跡。

2.1.4 灰水足跡總量

將農業、工業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”在力學上代表一種物體均衡狀態的臨界點，空間重心的位置及其變化可反映研究對象對區域發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律，其基本思路是：假設中國31個省級區域單元處在同一質的平面上[13]，地理坐標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，公式如下：

(6)

2.3 脫鉤指數

脫鉤指數用于刻畫脫鉤程度和方向[14]，是指在某個系統中兩個及以上變量之間的響應關系[15-17]。本文利用Tapio模型計算脫鉤指數，選取GDP作為衡量經濟發展的指標，研究中國經濟發展與灰水足跡的脫鉤關系，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；ΔGF為灰水足跡增量；ΔGDP為GDP增量。

根據Tapio的脫鉤模型，GDP增量與灰水足跡增量之間的關系可以劃分為強脫鉤、弱脫鉤、擴張連接、擴張負脫鉤、強負脫鉤、弱負脫鉤、衰退連接和衰退脫鉤8種關系，彈性脫鉤指數劃分的8種關系標準見表1。

表1 彈性脫鉤指數的劃分標準Tab.1 The criteria of elastic decoupling indicator

2.4 數據來源

本文選取1998-2016年中國31個省區作為研究區域(不包含香港、澳門和臺灣)計算灰水足跡，其中氮肥施用量數據來源于《中國統計年鑒》、《中國農村統計年鑒》和《新中國六十年農業統計資料》；COD和氨氮排放量數據來源于《中國環境統計年鑒》；國民生產總值GDP數據來源于各省區統計年鑒。對于個別缺失的數據，采取相鄰年份數據的平均值進行替代。

文中假設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，所以在農業灰水足跡計算中Cmax=0.01 kg/m3。污染物COD和氨氮的排放標準濃度采用《污水綜合排放標準》(GB 8978-1996)中一級排放標準，分別為60和15 mg/L。

3 結果與分析

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年起出現較大幅度下降趨勢，到2016年下降至3 361.57×108m3。說明隨著經濟的快速增長，國家意識到經濟與環境的相互協調發展，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

從農業、工業和生活灰水足跡上看(圖2)，農業灰水足跡占比最大，年平均占灰水足跡總量的42.3%；工業灰水足跡占比最小，年均占灰水足跡總量的21.1%。近19年來，農業灰水足跡和生活灰水足跡呈現小幅波動趨勢，工業灰水足跡呈顯著下降趨勢，其主要原因是國家發展戰略的提升，地區產業結構的調整。結果表明，我國工業部門產生的水污染得到有效的治理，但農業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構變化圖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，本文按照三大經濟帶的劃分方式將中國劃分為東、中、西部地區，并選取1998、2004、2010和2016年4個代表年的灰水足跡數據，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，東中部地區的灰水足跡高于西部地區的灰水足跡。從1998和2016年的空間對比可以看出，東部地區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；中西部地區中湖南灰水足跡等級由三級上升至四級，內蒙古、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生變化。

從不同時間節點上看，中國31個省區灰水足跡等級除個別省區發生變化以外，其余省區基本保持不變。1998-2004年，中西部地區部分省區灰水足跡等級上升，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，中西部地區部分省區灰水足跡等級下降，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，東部地區部分省區灰水足跡等級下降，中西部地區部分省區灰水足跡等級上升，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，西部地區中甘肅灰水足跡等級由一級上升至二級。通過上述結果分析可得，受國家發展戰略轉變的影響及我國環境污染治理政策的落實，我國東、中、西部地區灰水足跡呈現出較強的地區差異性。2000年起，中國開始實行“西部大開發”和“中部崛起”戰略，東部地區部分產業向中西部地區轉移，中西部地區經濟快速發展導致水污染問題日益突出。隨后，國家在2006年首次發布《煤炭工業污染物排放標準》(GB 20426-2006)；2007年，中央頒布“一號文件”，提出減少農業面源污染；2011年，中央頒布“十二五”規劃綱要，將節能環保作為七大戰略性新興產業之首，并提出四大污染物排放指標。環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，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；從經度上看，灰水足跡重心向西偏移1.35°，實際距離為125.04 km。結果表明，中西部地區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 中國經濟發展與灰水足跡脫鉤指數分析

3.2.1 中國經濟發展與灰水足跡脫鉤關系總體趨勢分析

基于Tapio脫鉤模型計算得到1998-2016年中國經濟發展與灰水足跡脫鉤指數，參照彈性指數劃分標準得到兩者間的脫鉤關系(表3)，進一步說明中國經濟發展與水環境之間的協調狀況。

表3 1998-2016年中國經濟發展與灰水足跡脫鉤關系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，其余年份處于負向增長。1998年，中國經濟發展與灰水足跡呈擴張連接關系，即GDP增長和灰水足跡增長均為正向增長，脫鉤指數在(0.8，1.2)范圍內。2000，2004，2005，2006和2011年，中國經濟發展與灰水足跡呈弱脫鉤關系，即GDP增長和灰水足跡增長同為正向增長，脫鉤指數在(0，0.8)范圍內，表明經濟發展與水環境之間趨向于不協調狀態。除上述年份外，其余年份兩者間的脫鉤類型均為強脫鉤，即GDP處于正向增長，灰水足跡處于負向增長，表明經濟發展與水環境之間趨向于協調狀態，這是經濟發展與灰水足跡的理想脫鉤狀態。

3.2.2 中國區域經濟發展與灰水足跡脫鉤程度分析

為了更加有效地分析中國區域經濟發展與灰水足跡脫鉤關系的差異，基于上述4個研究年份中國區域經濟發展與灰水足跡脫鉤關系，對其脫鉤指數類型及變化趨勢進行時空分析(圖5)。

圖5 1998，2004，2010與2016年中國省際脫鉤指數的空間分異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，大部分省區的經濟發展與灰水足跡呈強脫鉤關系，由1998年的35.5%上升至2016年的87.1%，說明19年來中國區域經濟發展與水環境之間的協調性趨向于良好狀態。1998年，中國區域經濟發展與灰水足跡的脫鉤關系從沿海到內陸大致呈現“強脫鉤-擴張負脫鉤-強脫鉤-弱脫鉤”的帶狀分布特征。2004年，中國大部分省區的經濟發展與灰水足跡呈弱脫鉤關系，由1998年的19.4%上升至2004年的58.1%，從變化趨勢表明中國區域經濟發展與水環境開始傾向于協調狀態。2010年，中國大部分省區的經濟發展與灰水足跡呈強脫鉤關系，由2004年的32.3%上升至2010年的74.2%，表明中國經濟發展與水環境處于初步協調狀態。2016年，中國經濟發展與灰水足跡呈強脫鉤關系的省區數量進一步增加，由2010年的74.2%上升至2016年的87.1%，表明當前經濟發展與水環境處于優質協調狀態。

在研究期間內，個別省區經濟發展與灰水足跡脫鉤關系發生顯著變化。如遼寧的脫鉤關系經歷擴張連接到強脫鉤再到弱負脫鉤的變化趨勢，其中由強脫鉤變為弱負脫鉤的主要原因是遼寧當前面臨人口負增長和人口老齡化的問題，2016年的GDP與2015年相比下降2.5%，經濟發展與水環境之間不相協調。如新疆的脫鉤關系從1998，2004和2010年屬于弱脫鉤到2016年變為擴張連接，主要原因是新疆的產業結構一直以農業為主，產業用水結構不合理，存在水資源退化問題且問題日益突出。

4 結論與展望

4.1 結 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濟發展的脫鉤關系，其主要結論有：

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，農業灰水足跡占比最大，年平均占灰水足跡總量的42.3%；工業灰水足跡占比最小，年均占灰水足跡總量的21.1%。從空間格局上看，中國東、中、西部地區的灰水足跡存在較強的地區差異性，且東中部地區的灰水足跡高于西部地區的灰水足跡。

2) 中國灰水足跡重心均位于河南省境內，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) 中國大部分省區的經濟發展與灰水足跡呈強脫鉤關系，強脫鉤的比例由1998年的35.5%上升至2016年的87.1%，表明19年來中國各省區經濟發展與水環境之間的協調性趨向于良好狀態。1998，2004，2010和2016年，中國31個省區呈強脫鉤的比例分別為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行初步分析，并利用脫鉤模型進一步說明中國經濟發展與水環境的協調狀況，為日后制定差別化的區域水污染治理對策提供參考，實現區域的可持續發展。此外，灰水足跡選取單一污染物作為指標進行計算，并沒有考慮污染物的綜合影響。由于地區發展差異性，灰水足跡計算結果并不能準確反映一個地區水污染狀況。因此，灰水足跡指標選取有待進一步研究。