福建省2010-2019年水資源生態足跡與生態承載力

岳 晨, 錢 永, 崔向向, 王春曉, 劉 峰, 郭斯嘉

(1.中國地質科學院 水文地質環境地質研究所, 河北省 石家莊 050061;2.中國地質調查局河北省地下水污染機理與修復重點實驗室, 河北省 石家莊 050061)

目前，水資源生態足跡的研究主要基于生態足跡的原理和方法之上進行改進。生態足跡法主要通過表征在所需人口和經濟規模下，維持水資源消費和自然環境進化所必需的水資源用地面積來衡量區域可持續發展狀況[1]。該方法最早是Willam Rees提出由其博士Wackernagel完善，從此開啟了生態承載力評價的新征程[2-4]。隨著生態足跡法的不斷完善，以生態足跡為理論框架進行水資源可持續性評價成為水資源發展研究的熱點。各國學者[5-9]在此基礎上開展水足跡、水生態足跡和水資源生態足跡的研究，并取得不斷進步。范曉秋[5]將水資源賬戶統一到生態足跡模型中，將水資源的生態環境和社會經濟功能也一并納入到生態足跡模型中。黃林楠[10]在生態足跡的理論框架下建立水資源生態足跡計算模型。Wang等[11]將水資源賬戶刻畫為生活用水、生產用水和生態需水3個子賬戶，計算遼河流域水資源生態足跡；方愷[12-13]將三維生態足跡模型引用到水資源生態足跡評價中，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水資源生態足跡，分析了水資源生態需求和供給能力；Veldkamp等[15]認為人口和經濟發展是影響水資源生態足跡模型的重要因素。通過各國學者[16]不斷實踐和努力，水資源生態足跡已成為國際上開展生態足跡核算、水資源戰略評價的重要方法依據。福建省水資源比較豐富，但福建省經濟發展較快，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足跡相關研究嚴重缺乏[17]，這對當地水資源合理利用造成巨大挑戰。科學評價水資源利用情況，合理開發利用水資源，是實現城市可持續發展的重要基礎。

因此，本文依托于水資源生態足跡的理論框架，以福建省2010—2019年數據為基礎，建立福建省水資源生態足跡模型，通過建立福建省水資源生態足跡三維模型，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利用提供科學依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

福建省位于中國東南部，東臨太平洋。全省屬多山地區，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氣候，全省大部分地區平均氣溫在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，河網密度大于0.1 km/km2。改革開放以來，福建省經濟飛速發展，基本保持8%的增速，經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，是我國東南沿海經濟發展的重要地區[18]。

1.2 數據來源

本文的研究的的水資源、用水量、人口、國內生產總值數據主要來自于福建省水資源公報(2010—2019年)，福建省統計年鑒(2010—2019年)。

2 研究方法

2.1 水資源生態足跡

水資源生態足跡是建立在生態足跡模型基礎之上的，用于描述水資源生態環境和社會經濟功能[5]。水資源生態足跡計算公式[19]為：

EFw=N·efw=N·γw·(W/pw)

(1)

式中：EFw為水資源生態足跡(hm2)；N為人口數； efw為人均水資源生態足跡(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能力，取值3 140 m3/hm2[10]。

2.2 水資源生態承載力

水資源生態承載力，主要表示水資源對生態系統和經濟系統良性發展的支撐能力，需要綜合考慮生態環境以及社會生產所需要的水資源[20]。生態承載力計算公式為如下：

ECw=N·ecw=0.4×ψ·γw·Q/pw

(2)

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

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

ψ=P/Pw

(3)

式中：P為區域單位面積產水量。

根據福建省水資源相關數據，計算得出福建省2010—2019年水資源產量因子，結果詳見表1。

表1 福建省各個市年水資源產量因子

2.3 水資源生態盈余/赤字

水資源生態盈余/赤字公式為：

ES=ECw-EFw

(4)

式中：ES為生態盈余/赤字(hm2)。其值為正時，為生態盈余，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平衡。其值為負時，為生態赤字，表明水資源處于過量開發階段。

2.4 萬元GDP水資源生態足跡

萬元GDP水資源生態足跡是通過水資源生態足跡與萬元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水資源生態足跡=EFw/GDP

(5)

2.5 水資源生態足跡三維模型

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

3 結果與討論

3.1 福建省水資源生態足跡與生態承載力分析

根據公式核算出福建省2010—2019年人均水資源生態足跡(表2)，具體變化情況如圖1所示。福建省人均水資源生態足跡整體上趨于平穩并呈現穩中有降的趨勢，表明隨著社會經濟的發展，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，農業用水、工業用水、生活用水、生態環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足跡的46.41%，36.03%，9.14%，8.43%。以上數據表明福建省水資源生態足跡仍以農業用水為主。用水結構中，工業用水生態足跡下降最快，隨著福建省經濟發展飛速，說明工業用水效率逐年提高，工業用水消耗量逐年減少。生活用水生態足跡增長最快，說明福建省人口數量和居民生活水平在不斷提高。農業用水足跡呈現平穩態勢，且有小幅下降，說明全省已經注意到農業節水灌溉工程，但效果仍舊不明顯。人均生態環境用水生態足跡自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，生態環境用水量相對較少。根據公式核算出福建省2010—2019年水資源生態承載力(表2)，福建省水資源生態足跡和水資源生態承載力體變化如圖2所示。福建省水資源生態承載力明顯大于水資源生態足跡，福建省長期處于生態盈余狀態。福建省水資源生態承載力波動起伏變化較大，年際差異比較大。其中，2013年水資源生態承載力最高，為10.944 hm2/人，2018年水資源生態承載力最低，為2.602 hm2/人，年際間相差4倍之多。水資源生態承載力的變化不僅限于人口、水文、植被、地質條件等情況，也與當年的氣候條件，尤其是降水密切相關。由圖2可知，福建省水資源生態承載力與降水量波動趨勢基本一致。受水資源生態承載力影響，福建省水資源生態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盈余水平最高，10.047 hm2/人。根據圖2福建省降水量可以看出，該地區的生態承載力受降水量影響還是比較大的。目前，福建省水資源狀態相對較好。

表2 福建省2010-2019年各行業人均水資源生態足跡、生態承載力分析結果 hm2/人

圖1 福建省2010-2019年各行業人均水資源生態足跡變化

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

根據公式核算出福建省2010—2019年萬元GDP水資源生態足跡變化。由圖3可以看出，福建省萬元水資源生態足跡自2010—2019年呈現明顯下降趨勢，自2012年以后，下降速度放緩并趨向平穩。萬元GDP水資源生態足跡從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水資源生態足跡變化

3.2 水資源生態足跡空間分布特征

根據公式核算出福建省2010—2019年水資源生態足跡深度與廣度(表3)。水資源生態足跡三維模型主要反映了區域對水資源存量資本的消耗程度。受季風氣候影響，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，經濟迅猛發展，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濟社會的生活生產需求。由圖4可知，自2010—2019年福建省水資源生態足跡深度為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。水資源生態足跡廣度主要反映區域對水資源流量資本的占有情況。福建省水資源生態足跡廣度自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承載力，說明福建省水資源生態足跡格局相對較高，水資源承載能夠滿足本地經濟發展。

表3 福建省2010-2019年水資源生態足跡深度及水資源生態足跡廣度

圖4 福建省2010-2019年水資源生態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足跡、人均水資源生態承載力和人均生態盈余具有明顯的空間分布差異性。其中人均水資源生態足跡最高為南平市，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。根據福建省經濟發展情況和產業結構分布，西部地區的水資源人均生態足跡明顯高于沿海地區，分析其原因，主要是因為西部地區主要以農業和傳統工業為主，沿海地區的各市則以耗水量較少的工業和第三產業為主，在一定程度上，造成了福建省水資源生態足跡空間差異的現象。

由圖5可知，福建省各個市人均水資源生態承載空間分布相差懸殊，其值比較高的地區依次為南平市，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，西部地區水資源人均生態承載力相對較高，沿海地區，水資源生態承載力相對較低。尤其是福建省經濟發展較快的廈門市，福州市和泉州市，由于其人口和經濟發展較快，水資源生態承載力相對較低。由圖5可知，福建省水資源整體上為生態盈余，但各地差異較大。其中西部地區南平市，三明市，龍巖市和寧德市人均水資源生態盈余較高，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，福建省西部地區由于水資源生態承載力高，即使人均生態足跡相對較高，生態盈余依然較大。而東部沿海地區，雖然人均水資源生態足跡較低，但由于其水資源生態承載力較低，水資源相對短缺，人口密度較大，水資源生態盈余依然較低。

圖5 福建省各個市水資源人均空間分布

4 結論與展望

(1) 自2010—2019年福建省人均水資源生態足跡基本呈現緩慢下降的趨勢，從2010年0.907 hm2/人降到2019年0.696 hm2/人。其中農業水資源生態足跡所占比重最高，達46.41%，生態環境生態足跡所占比重最低，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年水資源生態承載力變幅有4倍之多。受水資源生態承載力影響，福建省水資源雖處于盈余狀態，但年際變化較大，變化幅度在1.829～10.047 hm2/人之間。福建省水資源生態指數最小值為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，隨著福建省經濟快速發展，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險。

(2) 2010—2019年福建省萬元GDP水資源生態足跡呈現穩步下降趨勢，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年水資源生態足跡格局上來看，福建省水資源流量資本可以滿足經濟社會的生活生產需求，現階段水資源利用在福建省水資源承載力范圍之內。水資源生態足跡和水資源生態盈余空間差異明顯，福建省西部地區水資源狀況明顯好于東部沿海地區。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足跡格局相對較高，目前階段，水資源承載能夠滿足本地經濟發展。隨著經濟發展，東部沿海地區，水資源生態承載情況將引起重視。