我國省域水資源可持續(xù)性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合協(xié)調(diào)關(guān)系

張祥永，曹 陽，吳文飛

（1.海口經(jīng)濟(jì)學(xué)院建筑工程學(xué)院，海南 海口 571127； 2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875）

1 引 言

水資源是影響區(qū)域人口、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的重要因素，對(duì)于促進(jìn)國家或地區(qū)社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有舉足輕重作用［1］。 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為生態(tài)系統(tǒng)直接或間接提供給人類以滿足其生存的各種產(chǎn)品和利益，對(duì)于促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展同樣至關(guān)重要［2-3］。 水資源可持續(xù)性是指遵循可持續(xù)發(fā)展理論，保障生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并支撐社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，其核心任務(wù)是在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的前提下有序發(fā)展經(jīng)濟(jì)，滿足當(dāng)代人和后代人的用水需求［4］。 然而，我國水資源開發(fā)利用強(qiáng)度不斷加大，由此引起的諸如水資源短缺、水生態(tài)惡化等一系列水資源不可持續(xù)性問題，已經(jīng)嚴(yán)重影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的有效供給［5-8］。因此，必須將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能融入水資源可持續(xù)性的提升過程中，以協(xié)調(diào)兩者發(fā)展進(jìn)程，這是我國改善水資源供需矛盾和保持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)供給所必須高度重視的問題，同時(shí)對(duì)于實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)中的清潔水和陸地生物發(fā)展目標(biāo)意義重大。

眾多學(xué)者針對(duì)水資源可持續(xù)性展開了廣泛討論，尤其是在對(duì)水資源可持續(xù)性的概念和內(nèi)涵［9］、演化特征［10-11］、影響因素及作用機(jī)理［12］、管理決策與調(diào)控［13］等方面，如李玉龍等［14］從系統(tǒng)協(xié)同角度出發(fā)對(duì)北京市的水資源可持續(xù)性進(jìn)行了實(shí)證研究，李冰瑤等［15］針對(duì)水資源嚴(yán)重短缺的玉環(huán)縣提出了提高水資源可持續(xù)性的對(duì)策。 這些研究在支撐水資源可持續(xù)性問題的深度解析和管控方面發(fā)揮著重要作用，但已有研究通常是在流域或城市尺度上展開的，在研究區(qū)的選擇上也多側(cè)重于干旱半干旱地區(qū)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)或水資源短缺地區(qū)，在整個(gè)國家層面上研究水資源可持續(xù)性略有不足。 此外，現(xiàn)有研究往往片面考慮水資源可持續(xù)性，很少綜合考慮水資源可持續(xù)性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系［16-17］。 水資源可持續(xù)性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在著復(fù)雜、動(dòng)態(tài)的關(guān)系，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)于水資源可持續(xù)性的改善具有重要的支撐作用，而水資源可持續(xù)性的提升又將為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的有效供給提供保障［17］。 當(dāng)前，亟須厘清兩者之間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系，以促進(jìn)水資源可持續(xù)性提升和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)供給相協(xié)調(diào)。 基于此，筆者以我國31 個(gè)省級(jí)行政區(qū)為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用水資源可持續(xù)性評(píng)價(jià)模型和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量化模型，對(duì)我國2008—2018年省域水資源可持續(xù)性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，探究其時(shí)空演化特征，并利用耦合協(xié)調(diào)度模型進(jìn)一步探討我國水資源可持續(xù)性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系，以期為確保我國水資源可持續(xù)利用和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可持續(xù)供給提供參考。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 水資源可持續(xù)性評(píng)價(jià)模型

2.1.1 水資源可持續(xù)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

水資源的可持續(xù)性主要受社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、水資源稟賦和利用效率的影響［18-20］。 因此，本研究從社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、水資源稟賦子系統(tǒng)、水資源利用效率子系統(tǒng) 3 個(gè)子系統(tǒng)出發(fā)，在現(xiàn)有研究［11，14-15，18-21］的基礎(chǔ)上，遵循系統(tǒng)性、典型性、綜合性、科學(xué)性和可比性等評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建原則，通過理論分析、專家咨詢、使用頻次統(tǒng)計(jì)等步驟，結(jié)合數(shù)據(jù)的可獲性，選取反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、水資源稟賦、水資源利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的16 個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建了包含目標(biāo)、準(zhǔn)則、指標(biāo)3 個(gè)層次的水資源可持續(xù)性測度綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（見表1）。

表1 我國水資源可持續(xù)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1.2 水資源可持續(xù)性綜合評(píng)價(jià)

首先采用Max-Min 標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并參考文獻(xiàn)［22］運(yùn)用熵權(quán)法確定各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重（計(jì)算結(jié)果見表1）。 在此基礎(chǔ)上，綜合社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水資源稟賦、水資源利用效率3 個(gè)子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)值，計(jì)算水資源可持續(xù)性指數(shù)：

式中：H為水資源可持續(xù)性指數(shù)；yj為各子系統(tǒng)評(píng)價(jià)值，通過將各子系統(tǒng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值與權(quán)重的乘積進(jìn)行累加得到；wj為各子系統(tǒng)權(quán)重，鑒于社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水資源稟賦、水資源利用效率3 個(gè)子系統(tǒng)對(duì)水資源可持續(xù)性的貢獻(xiàn)等同，各子系統(tǒng)權(quán)重均取1／3。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量化模型

謝高地等［23-24］基于中國實(shí)際情況和200 多位生態(tài)學(xué)家的調(diào)查問卷，獲得了中國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)和價(jià)值當(dāng)量因子，其在國內(nèi)得到了眾多學(xué)者的認(rèn)可和廣泛應(yīng)用［25-26］。 因此，本研究采用謝高地等［24］的方法量化我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

2.2.1 單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值量化

一般來說，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值為當(dāng)年全國平均糧食單產(chǎn)市場價(jià)值的1／7［24-26］。 我國單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值計(jì)算公式為

式中：E為單位生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；l為糧食作物種類數(shù)量；pd為第d種糧食作物的平均價(jià)格；qd為第d種糧食作物單產(chǎn)量；sd為第d種糧食作物種植面積。

2.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位面積價(jià)值系數(shù)的量化

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單位面積的價(jià)值系數(shù)計(jì)算公式為

式中：VCik為土地利用類型k提供的第i項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的單位面積價(jià)值系數(shù)；qik為土地利用類型k提供的第i項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的當(dāng)量因子。

2.2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的量化

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值計(jì)算公式為

式中：ESV、ESVi分別為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值和第i項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值；Ak為土地利用類型k的面積。

鑒于我國各省域面積大小有差異，為保證各省域之間的可比性，本研究的后續(xù)分析采用單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。

2.3 耦合協(xié)調(diào)度模型

采用耦合協(xié)調(diào)度模型［22，27］計(jì)算水資源可持續(xù)性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的協(xié)調(diào)程度，公式為

式中：D為水資源可持續(xù)性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值之間的耦合協(xié)調(diào)度，取值范圍為［0，1］，值越大表明兩者越趨于協(xié)調(diào)發(fā)展［27］；C為水資源可持續(xù)性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值之間的耦合度；T為水資源可持續(xù)性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；H、ESV′分別為標(biāo)準(zhǔn)化后的水資源可持續(xù)性指數(shù)、單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；α、β為常數(shù)，均取 0.5。

參考前人研究成果［27］，將耦合協(xié)調(diào)度劃分為10種類型，見表2。

表2 耦合協(xié)調(diào)度類型劃分

2.4 數(shù)據(jù)來源

以我國31 個(gè)省域（受數(shù)據(jù)可獲性的限制，不包括我國港澳臺(tái)）為研究區(qū)收集和整理研究所需數(shù)據(jù)。 水資源可持續(xù)性評(píng)價(jià)所需數(shù)據(jù)主要來源于2008—2018年的《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國水資源公報(bào)》以及各省域《統(tǒng)計(jì)年鑒》；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量化所需數(shù)據(jù)為2010年、2015年和2018年的土地利用數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，空間分辨率為1 000 m。

3 結(jié)果與分析

3.1 水資源可持續(xù)性時(shí)空變化特征

3.1.1 水資源可持續(xù)性指數(shù)的時(shí)序變化

2008—2018年我國31 個(gè)省域的水資源可持續(xù)性指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。 2008—2018年，我國省域水資源可持續(xù)性指數(shù)為0.142 ～0.530，極差由2008年的0.326減小至2011年的0.289，之后又波動(dòng)增大至2015年的0.356，隨后減小至2018年的0.307，說明省域間水資源可持續(xù)性水平差距先縮小再擴(kuò)大最后縮小；全國省域水資源可持續(xù)性指數(shù)平均值為0.310 ～0.330，表現(xiàn)為先增大后減小的波動(dòng)變化特征，表明全國水資源可持續(xù)性水平還有待提高。 標(biāo)準(zhǔn)差先波動(dòng)增大后波動(dòng)減小，最大值為0.079，表明我國省域尺度上水資源可持續(xù)性指數(shù)與平均值的離散程度較小且處于波動(dòng)變化趨勢，樣本間的差距整體不大；峰度系數(shù)和偏度系數(shù)均大于0，說明樣本數(shù)據(jù)與正態(tài)分布相比表現(xiàn)為尖峰分布且向右偏移，數(shù)據(jù)整體分布較為集中；偏度系數(shù)先在2008—2011年波動(dòng)減小、在 2011—2015年持續(xù)增大，之后在2015—2018年再次波動(dòng)減小，表明高水平的水資源可持續(xù)性的省域數(shù)量先由多變少再由少變多之后有所減少。

3.1.2 水資源可持續(xù)性的空間變化

基于水資源可持續(xù)性指數(shù)的計(jì)算結(jié)果，借助自然斷點(diǎn)法將2008—2018年我國省域水資源可持續(xù)性水平劃分為 5 種類型：低水平（H≤0.221）、較低水平（0.221＜H≤0.281）、中等水平（0.281＜H≤0.313）、較高水平（0.313＜H≤0.344）和高水平（H＞0.344）。 由表 3可知，我國水資源可持續(xù)性水平存在明顯的空間差異，具有較高及高水平水資源可持續(xù)性的省域主要分布在東部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和西部高寒地區(qū)，具有中等及以下水平水資源可持續(xù)性的省域主要分布在我國長江和黃河流域的中上游地區(qū)、西部內(nèi)陸邊疆地區(qū)以及東北地區(qū)。

表3 我國省域水資源可持續(xù)性指數(shù)變化特征

3.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值時(shí)空變化特征

3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的時(shí)序變化

由表4 可知，2010—2018年我國省域單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在 118.213 萬～387.096 萬元／km2范圍內(nèi)變化，極差由2010年的259.293 萬元／km2減小至2015年的 257.416 萬元／km2，而后又增大至 2018年的264.721 萬元／km2，說明單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在省域間的差距先縮小后擴(kuò)大；我國單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值平均值呈現(xiàn)減小趨勢，由 2010年的282.200萬元／km2持續(xù)減小至2018年的278.546 萬元／km2，說明我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給能力呈減弱趨勢。2010年、2015年、2018年的峰度系數(shù)和偏度系數(shù)均小于0，說明樣本數(shù)據(jù)與正態(tài)分布相比表現(xiàn)為低峰分布且向左偏移，數(shù)據(jù)分布較為分散；2010—2018年偏度系數(shù)持續(xù)減小，說明擁有較高單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的省域個(gè)數(shù)在減少。

表4 典型年份單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值特征值

3.2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的空間變化

采用自然斷點(diǎn)法，將我國省域單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值劃分為低價(jià)值（＜182.862 萬元／km2）、較低價(jià)值（182.862 萬～243.727 萬元／km2）、中等價(jià)值（243.727萬～293.690 萬元／km2）、較高價(jià)值（293.690 萬～355.698 萬元／km2）和高價(jià)值（＞355.698 萬元／km2）5 個(gè)等級(jí)。 由圖 1 可以看出，2010年、2015年、2018年我國省域單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分布情況類似，高價(jià)值和較高價(jià)值的省域主要位于我國的中南部地區(qū)和東北地區(qū)，低價(jià)值省域主要位于我國西北部。 從單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值等級(jí)的時(shí)間變化上看，絕大部分省域的等級(jí)未發(fā)生變化，青海的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值由2010年的低價(jià)值等級(jí)提升至2018年的較低價(jià)值等級(jí)，四川由中等價(jià)值等級(jí)提升至2018年的較高價(jià)值等級(jí)，廣東由高價(jià)值等級(jí)下降至較高價(jià)值等級(jí)。

圖1 2010年、2015年、2018年我國單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值空間分布

3.3 耦合協(xié)調(diào)度時(shí)空變化

3.3.1 耦合協(xié)調(diào)度時(shí)序變化

由表5 可知，2010—2018年我國省域水資源可持續(xù)性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值之間的耦合協(xié)調(diào)度在0.183～0.943范圍內(nèi)變化，年平均值為0.663 ～0.692，呈現(xiàn)先減小后增大的變化特征，整體處于初級(jí)協(xié)調(diào)類型；極差由2010年的0.735 減小至2015年的0.705，而后增大至2018年的0.737，表明耦合協(xié)調(diào)度在省域間的差距先縮小后擴(kuò)大。 從省域間耦合協(xié)調(diào)度的分布來看，峰度系數(shù)均大于0，說明耦合協(xié)調(diào)度的分布與正態(tài)分布相比表現(xiàn)為尖峰分布，耦合協(xié)調(diào)度的數(shù)值分布較為集中；偏度系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的特征，說明高等級(jí)耦合協(xié)調(diào)度的省域數(shù)量先減少后增加。

表5 耦合協(xié)調(diào)度變化特征值

3.3.2 耦合協(xié)調(diào)度的空間變化

我國省域水資源可持續(xù)性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值之間的耦合協(xié)調(diào)關(guān)系存在著明顯的空間分異（見圖2），在空間分布上大致呈現(xiàn)自東南向西北耦合協(xié)調(diào)度遞減的變化特征。 東南部的浙江、江西、福建、湖南和廣東等省域的耦合協(xié)調(diào)水平較高，原因是這些地區(qū)水資源豐富且水資源利用效率和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的投資力度大，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力較強(qiáng)，在推進(jìn)區(qū)域水資源高效利用與生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的進(jìn)程中取得了相對(duì)突出的成果；相反，位于我國西北干旱半干旱地區(qū)的新疆、甘肅、寧夏等省域的耦合協(xié)調(diào)水平較低，這些地區(qū)水資源嚴(yán)重匱乏、生態(tài)環(huán)境本底較差，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力較弱，加上工業(yè)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)、農(nóng)業(yè)用水量大，傳統(tǒng)落后的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式進(jìn)一步加劇了對(duì)生態(tài)資源的破壞，不利于水資源利用與生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。 耦合協(xié)調(diào)水平較低的省域應(yīng)積極發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，著力提高水資源利用效率；大力實(shí)施植樹造林和土地整治等生態(tài)恢復(fù)項(xiàng)目，提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力，不斷優(yōu)化生態(tài)空間結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展；加快基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，挖掘水資源開發(fā)潛力，增強(qiáng)水資源可持續(xù)性，加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)。 2010—2018年，有10 個(gè)省域的耦合協(xié)調(diào)類型發(fā)生了變化，其中：新疆、山西、上海、浙江和海南這5 個(gè)省域的耦合協(xié)調(diào)等級(jí)下降，新疆由2010年的中度失調(diào)下降為2018年的嚴(yán)重失調(diào)，山西由中級(jí)協(xié)調(diào)下降為初級(jí)協(xié)調(diào)，上海由瀕臨失調(diào)大幅下降為中度失調(diào)，浙江由高度協(xié)調(diào)下降為良好協(xié)調(diào)，海南由良好協(xié)調(diào)下降為中級(jí)協(xié)調(diào)；甘肅、陜西、山東、安徽和貴州這5 個(gè)省域的耦合協(xié)調(diào)等級(jí)提升，甘肅由輕度失調(diào)提升為瀕臨失調(diào)，陜西、安徽和貴州由初級(jí)協(xié)調(diào)提升為中級(jí)協(xié)調(diào)，山東由勉強(qiáng)協(xié)調(diào)提升為初級(jí)協(xié)調(diào)。 耦合協(xié)調(diào)類型下降的省域，應(yīng)警惕水資源可持續(xù)性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間耦合協(xié)調(diào)類型可能進(jìn)一步惡化的風(fēng)險(xiǎn)，因地制宜通過各種措施努力改善其水資源開發(fā)利用與生態(tài)保護(hù)之間的互饋關(guān)系。

圖2 2010年、2015年、2018年我國耦合協(xié)調(diào)度空間分布

4 結(jié) 論

（1）2008—2018年我國省域水資源可持續(xù)性指數(shù)變化不大，均值為0.310 ～0.330，可持續(xù)性水平整體較低；水資源可持續(xù)性較高及高水平的省域主要是東部沿海省份和西藏，中等及以下水平的省域主要分布在長江和黃河流域的中上游地區(qū)、西北及東北地區(qū)。

（2）2010—2018年我國生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給能力呈減弱趨勢，單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值均值由2010年的 282.200 萬元／km2減小至 2018年的 278.546 萬元／km2；高價(jià)值和較高價(jià)值的省域主要位于我國的中南部地區(qū)和東北地區(qū)，低價(jià)值省域主要為我國西北部的新疆和甘肅。

（3）2010—2018年我國省域水資源可持續(xù)性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)耦合協(xié)調(diào)度呈現(xiàn)先減小后增大的變化特征，年平均值為0.663 ～0.692，整體處于初級(jí)協(xié)調(diào)類型；耦合協(xié)調(diào)度大致呈現(xiàn)自東南向西北遞減的空間分布格局，其中東南部的浙江、江西、福建、湖南和廣東等省域的耦合協(xié)調(diào)水平較高，而西北部的新疆、甘肅、寧夏等省域的耦合協(xié)調(diào)水平較低。