中國水生態足跡與承載能力時空演化研究

馬曉蕾，郭婷文

（安陽師范學院 資源環境與旅游學院，河南 安陽 455000）

隨著社會經濟的發展，人類對水資源需求量越來越大，水生態承載能力面臨前所未有的挑戰，水資源成為社會經濟發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，農業、工業、生活和生態等用水量區域差異大，使得部分區域水生態足跡與水資源總量和承載力的空間分布不協調。 因此，明確我國不同用水部門的水生態足跡時空差異，分析區域水生態足跡與承載力的空間匹配關系，有助于揭示人類生產活動對水資源承載力的影響，為區域水資源優化利用提供參考。

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

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

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

1.1.1水生態足跡

水生態足跡的計算是將人類生產消耗以及為維持自然環境穩定所需的水資源量轉化為相應的產水面積，包括農業、工業、生活和生態4 部分，計算公式［14-15］為

式中：EFw為水生態足跡，hm2；N為地區人口數量；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量，m3／hm2，取3 140 m3／hm2［17］。

1.1.2水生態承載力

水生態承載力為區域內水資源對生態環境和社會經濟發展的承受能力，計算公式為

式中：ECw為水生態承載力，hm2；ec為人均水生態承載力，hm2；α為區域生態環境和生物多樣性保護所用水資源量的比例，取0.6［16］；φ為研究區水資源產量因子，中國水資源產量因子取0.94［17］，各省（市、區）的水資源產量因子見文獻［17］；Q為人均水資源量，m3。

1.1.3水生態盈虧指數

水生態盈虧指數用來表示地區水資源使用的平衡狀況，計算公式為

式中：EBw為水生態盈虧指數，hm2。EBw＞0，說明地區水生態承載力大于水生態足跡，處于水生態盈余狀態；EBw＜0，說明處于水生態超載狀態；EBw＝0，說明處于水生態平衡狀態。

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，對我國水生態盈虧、水生態足跡和生態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，用于識別統計學上具有顯著性的空間異常值。 聚類／異常值結果輸出類型有4 種：具有統計顯著性的高值（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 研究區域及數據來源

本文研究區域為全國及各省級區域，其中：2000—2020 年我國水資源消耗量、水資源總量以及農業、工業、生活和生態用水量指標數據來源于《中國水資源公報》；各省（市、區）的水資源消耗量、水資源總量，農業、工業、生活和生態用水量，以及總人口指標數據來源于2011 年、2016 年和2020 年《中國統計年鑒》和《中國水資源公報》。

2 結果分析

2.1 水生態足跡時空演變

2.1.1我國水生態足跡時間演變情況

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

圖1 我國水生態足跡隨時間變化情況

2.1.2水生態足跡空間分布格局

我國水生態足跡空間差異相對較小（見圖2）。 大于0.68 億hm2的高值區分布在新疆、江蘇、廣東，水生態足跡之和占全國的26.9%；小于0.17 億hm2的低值區分布在西藏、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。 新疆地處內陸干旱區，水資源匱乏，加之農業灌溉用水量大，導致水資源被大量開采；南方地區經濟發展快、人口密度大、水資源相對充沛，農業、工業和生活水資源消耗量均較大，導致其水生態足跡偏大。

圖2 我國水生態足跡空間分布格局

2.1.3水生態足跡構成

由各省（市、區）水生態足跡構成（見圖3）可以看出：各省（市、區）農業水生態足跡空間布局相對穩定，農業水生態足跡空間格局與總水生態足跡的空間分布較為一致；不同年份新疆農業水生態足跡均高于0.5億hm2，黑龍江農業水生態足跡處于中高等級；農業水生態足跡小于0.12 億hm2的低值區包括西藏、青海、寧夏、北京、天津、山西、陜西、重慶、貴州。 我國工業和生活水生態足跡大致由東南向西北遞減，華中、華東、華南地區經濟發展水平較高，尤其長三角和珠三角地區人口分布密集，其工業和生活水生態足跡大；東北三省工業和生活水生態足跡均呈減小趨勢，主要原因是2010—2019 年東北三省總人口數減少161 萬，生活用水量減少5.15億m3，規模以上工業企業數量減少了20 426個，工業用水量減少55.23 億m3。 我國生態水生態足跡雖占比較小，但多數省份呈增大趨勢，主要原因是近年各地生態環境保護意識不斷增強，生態環境用水量增加。

圖3 各省（市、區）水生態足跡構成

2.2 水生態承載力時空演變

2000—2020 年我國水生態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、長江中下游和西南地區出現了3 次大范圍嚴重干旱，導致水資源匱乏，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%，水生態承載力提高。

圖4 我國水生態承載力及水資源總量變化情況

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

圖5 我國水生態承載力空間分布

2.3 水生態盈虧指數時空演變

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

圖6 我國水生態盈虧指數隨時間變化情況

我國水生態盈虧指數呈南高北低態勢，空間格局年際變化較小（見圖7）。 我國西北大部分地區處于水生態虧損狀態，新疆、江蘇處于重度虧損狀態。 新疆氣候干旱，水資源時空分布極不均衡，地表水蒸發量大，致使農業灌溉所需水資源量大，農業用水量大是造成水生態嚴重虧損的最主要原因。 黃河流經的9 個省（區）中，有6 個省（區）處于水生態中度虧損狀態，分別為甘肅、內蒙古、寧夏、山西、山東和河南，這些地區水資源貧乏，社會經濟發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（除江蘇、上海外）以及西藏，處于水生態盈余狀態，如西藏、安徽、福建、湖南、廣東、廣西和江西水生態盈余達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盈余高值集聚區，山西和山東為低值集聚區，西藏為高-低集聚區，其余地區集聚不明顯。

圖7 我國水生態盈虧指數空間分布

圖8 我國水生態盈虧指數空間聚類分布

2.4 人均水生態足跡、承載力及盈虧指數時空演變

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

圖9 我國人均水生態足跡、生態承載力、生態盈虧指數隨時間演變

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

圖10 2019 年我國人均水生態足跡、生態承載力及生態盈虧指數空間分布

3 結論與建議

3.1 結 論

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

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

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

3.2 建 議

為實現我國水資源可持續利用，提升區域水生態承載力，提出以下節水建議。

（1）農業節水方面。 我國大部分地區農業水生態足跡占比高，水生態嚴重虧損的省份多為農業水生態足跡高值區。 黑龍江、新疆和江蘇農業水生態足跡位于全國前三位，應重點關注農業節水。 新疆要加強農業用水由粗放式向節約集約方式轉變，加快灌區的現代化節水改造建設，提高農業用水效率。 黑龍江農田灌溉用水量占農業用水量的比例超過90%，應提高灌溉用水效率，加強節水灌溉設施建設。 江蘇水生態赤字突出，應重點從農業節水出發，加大農業節水工程建設力度，推廣和普及大規模農業節水和高效節水灌溉模式，提高農業灌溉用水效率，從水資源量和質兩方面促進水資源可持續利用。 甘肅、寧夏、內蒙古、山東、河南和山西等黃河流經省（區），要落實“以水而定、量水而行”的方針。

（2）工業節水方面。 江蘇省工業水生態足跡為全國最大，應適當控制高耗水、高污染企業投資建設，加強產業結構調整和優化，扶持水資源利用效率高的高新技術產業發展；加大企業科技投入，改進生產工藝，減少工業污水排放。 同時，環保部門應加強污染物排放管理，限制污染企業的超標排放行為。

（3）生活節水方面。 北京、天津、上海、山東和河南等人口密集地區，生活用水所占比重大。 一方面，要加強全民節水意識，通過互聯網、多媒體等形式，開展水資源開發利用和保護的常態化宣傳教育，以及節水科普宣傳教育。 另一方面，要加快節水技術成果的轉化和推廣，健全政產學研用相融合的節水技術創新體系，強化節水監督管理，深化水價改革。

（4）生態節水方面。 對于北京、天津、河北和河南等生態用水量占比較高且處于水資源超載狀態的省份，應加強區域污水凈化處理工程建設，將污水凈化處理達標后作為生態用水，減輕水資源壓力。 此外，推進污水截流和雨洪分流工作，統籌外調水、當地地表水、地下水、再生水和雨洪水的綜合利用，改善水環境，提高水生態承載力，促進區域可持續發展。