基于生态足迹的中国水资源生态承载力供需平衡分析

2015-11-12李兴正林爱文杨倩等

湖北农业科学 2015年20期

李兴正+林爱文+杨倩+等

摘要：根据水资源生态足迹的基本原理和计算模型，分别对中国2012年的水资源生态足迹和生态承载力进行了计算，并就结果进行了深入分析和探讨。研究发现，中国各省份的水资源供需平衡在空间分布上存在很大的差异，总体来看东部、南部各省多处于盈余状态，而北部、西部各省多处于赤字状态；从水资源生态足迹、GDP和万元GDP水资源生态足迹的相互关系来看，各地区也存在较大的差异，一个地区经济发展水平越高、产业结构越合理，其水资源的利用效率相对越高。为有效地分析这些差异的分布规律及其原因，从大区域尺度对中国的水资源供需状况进行宏观认识和分析，本文又将模型数据通过行政区划图展示，并针对相关问题提出合理建议，期待有利于中国从整体上考虑水资源的宏观调度和分配，促进社会经济全面协调可持续发展。

关键词：水资源；生态足迹；生态承载力；供需平衡；可持续发展

中图分类号：X826 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）20-5008-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.20.021

Analysis of Ecological Balance Between Supply and Demand Based on Water Resources Ecological Footprint in China

LI Xing-zheng，LIN Ai-wen，YANG Qian，JI Ying，QIU Li-juan

（School of Resource and Environment Science/Key Laboratory of Geographic Information System， Ministry of Education，

Wuhan University， Wuhan 430079， China）

Abstract： In this paper， according to the basic principle and calculation model of ecological footprint of water resources， the water resources ecological footprint and ecological carrying capacity for China in 2012 were calculated， respectively， and the results were analyzed and discussed in depth. In different provinces of China， there was a big difference in the spatial distribution of the balance between supply and demand of water resources， on the whole， the provinces in eastern and southern areas have much surplus while the provinces in northern and western areas are in deficit. From the relationship between the ecological footprint of water resources， GDP and the ecological footprint of water resources of GDP per ten thousand yuan， there are also great differences between each region. The higher the level of economic development of a region is and the more reasonable the industrial structure is， the higher the utilization of water resources is. In order to explore reasons for these differences intuitively and effectively， so as to get a macroscopic understanding and grasp on the water resources supply and demand of China's provinces from large regional scale， the model data were displayed by coupling with the administrative zoning map. A series of suggestions were put forward against the water resource problems in China， and we are looking forward to macroscopical scheduling and allocation of water resources in our country from the overall consideration， resulting in promoting the coordinated and sustainable development of society and economy.

Key words： water resources； ecological footprint； ecological carrying capacity； balance between supply and demand； sustainable developmentendprint

自1987年世界环境与发展委员会（WCED）在其报告《我们共同的未来》中正式提出可持续发展的概念以来，可持续发展已经成为社会发展的一种普遍认同的模式[1]。生态足迹是一种衡量资源可持续利用的综合核算工具，主要用于区域可持续发展的定量测度和评价[2]。这一理论由William[3]于1992年首次提出，因其视角新颖引起了国内外的关注，其学生Wackernagel等对其方法又做了进一步的发展和完善，形成现在普遍认同的理论，即通过估算维持人类生存的自然资源消费量与同化废弃物所需的生产性空间面积，并与区域的生态承载力进行比较，以比较结果衡量区域的可持续发展状况[4]。在Wackernagel的计算模型中生态生产性空间包括化石能源地、可耕地、建筑用地、森林、牧草地和水域等6大类生产性土地，但是对水资源的计算仅包括水域的生物生产，以渔业的生产来概括，这是不全面的，缩小了水资源的范围[5]。为全面衡量水资源账户，中国学者黄林楠等[4]将水资源用地作为第七类土地类型纳入生态足迹计算模型中，并建立了水资源生态足迹的计算模型，这一模型目前已在江苏、四川等[6-9]地区得到了应用和实践，取得了良好的效果。本研究根据此方法对中国各省份的水资源生态足迹和生态承载力进行计算和分析，并对其空间分布特点进行讨论，从水资源拥有量和利用效率的观点上对这些现象进行了探究，以期为中国宏观的水资源开发利用和调度分配提供参考价值。

研究区域为中国大陆31个省、自治区和直辖市，不包括台湾、香港和澳门及海域，大陆31个省份地处亚欧大陆东部、太平洋西岸，领土地跨东经73°～135°、北纬4°～53°，气候大部分处于温带，少量处于热带。地势西高东低，呈阶梯状分布，地形多种多样，山区面积广大，陆地上的5种基本地形类型均有分布，这为中国因地制宜发展多种经营提供了有利条件。中国水资源总量丰富，但人均占有量较少，人均淡水资源仅为世界平均水平的1/4，是全球人均水资源最贫乏的国家之一，并且分布极不均衡。总体特点是地区分布不均，水土资源组合不平衡；年内分配集中，年际变化大；连丰连枯年份比较突出；河流的泥沙淤积严重。这些特点造成了中国容易发生水旱灾害、水的供需不平衡等问题，对水资源的开发利用和调度分配的任务十分艰巨。

1 研究方法及数据来源

1.1 水资源生态承载力供需平衡模型

1.1.1 需求模型：水资源生态足迹水资源生态足迹是指维持人类的自然资源消费量和同化产生的废弃物所需要的生产性空间面积，根据水资源的特性，将水分为生产用水、生活用水和生态环境用水3大类计算，其计算模型如下：

EFW=N×efW（1）

efW=？酌W×W/PW（2）

式中，EFw为水资源总生态足迹（hm2）；N为人口数；efw为人均水资源生态足迹（hm2/人）；γw为水资源的全球均衡因子；W为消耗的水资源量（m3）；Pw为水资源全球平均生产能力（m3/hm2）[4]。

1.1.2 供给模型：水资源生态承载力水资源生态承载力可定义为某一区域在某一具体历史发展阶段，水资源最大供给量可供支持该区域资源、环境和社会（生态、生产和生活）可持续发展的能力，即水资源对生态系统和经济系统良性发展的支撑能力。其计算模型[4]如下：

ECW=n×ecw（3）

ecw=0.4×？鬃×？酌w×（Q/P■）（4）

式中，ECW为水资源承载力（hm2）；ecw为人均水资源承载力（hm2/人）；ψ为水资源产量因子；Q为水资源总量（m3），Pw为水资源全球平均生产能力（m3/hm2）。

根据相关研究表明，一个区域的水资源承载力必须至少扣除60%用于维持生态环境，所以在计算水资源生态承载力时，必须将此区域的地下水资源和地表水资源扣除重复计算量后得出该地区的水资源总量，再乘以系数0.4扣除维持生态环境的水资源量[10]。

1.1.3 供需平衡模型：水资源供需平衡指数在对中国水资源供给与需求状况进行评价的基础上，引入水资源供需平衡指数（EIw）对区域水资源生态供需平衡关系进行评价[11]。EIw是指区域人均水资源生态足迹与人均水资源生态承载力的比值，反映了生态资源供给与需求的关系。其公式如下：

EIW=efw /ecw（5）

根据EIW的大小关系，可以将中国水资源生态承载力供需平衡划分为生态盈余区、生态平衡区和生态赤字区3种类型区。当EIw<1时，人类对生态系统中水资源需求小于生态系统供给，区域表现为生态盈余；当EIw>1时，人类对生态系统中水资源需求大于生态系统供给，区域表现为生态赤字；当EIw=1时，人类对生态系统需求等于生态系统供给，则区域表现为生态平衡。考虑到“自然-经济-社会”的复杂性以及发展性，借鉴郭秀锐等[12]的研究，对各个评价项目设定容差为0.2。即EIw介于0.8～1.2为生态平衡区，EIW低于0.8和高于1.2则分别为生态盈余区和生态赤字区。然后，分别根据生态盈余区、平衡区和赤字区EIw值的范围，以及与其平均值差异作为判定盈余或赤字的程度，将生态承载力供需平衡进一步细分为8个级别，具体分级见表1。

1.1.4 万元GDP水资源生态足迹万元GDP水资源生态足迹是指生产每万元的GDP所需要的水资源占用的生产性土地面积，用以衡量地区水资源的利用效率。即某地区的水资源生态足迹与该地区当地生产总值的比值[13]。万元GPD水资源生态足迹越小，表明生物生产面积上的资源利用效率高，反之，则相反。其公式[5]如下：

万元GDP水资源生态足迹=EFW/GDP（6）

式中，EFw为水资源总生态足迹（hm2）；GDP为国民生产总值（万元）。

1.1.5 相关系数的确定 ①平均生产能力：在水文学中，平均产水模数的概念为计算时段内径流量除以计算区域的面积，根据多年平均产水模数来刻画区域内水资源的生产能力，水资源全球平均生产能力即为全球多年平均产水模数。相关文献资料表明[14]，每年实际可供开发利用的水资源量只有3.24×1012 m3，水资源全球平均生产能力取值为3 140 m3/hm2[15]。②均衡因子：均衡因子为全球某种生物生产面积的平均生态生产力除以全球所有各类生物生产面积的平均生态生产力。由于各类生物生产性土地的单位面积生产力具有较大的差异，所以给各类生物生产面积乘以一个等价因子，将其转化为可比较的标准，使计算结果方便国际比较。在传统的Wackernagel模型中，水域均衡因子仅仅描述了水域的渔业生产功能，从而大大降低了水资源的生物生产能力。引用黄林楠等[4]基于WWF2002年所计算的水资源均衡因子5.19来进行核算。③产量因子：在进行水资源承载力计算时，由于不同地区的条件不同，各地区同类生物生产性土地的实际面积不能直接对比。在Wackernagel的生态足迹模型中，通过将各地区同类生物生产性土地转换成可比面积的参数，进而将各类型账户纳入生态足迹模型，从而对区域可持续发展进行生态足迹评价[10]。即假定世界的水资源产量因子为1，区域水资源产量因子就是区域水资源生产能力与世界水资源生产能力的比，其具体公式如下：endprint

？鬃=Vi /V（7）

式中，？鬃为水资源产量因子，Vi为区域单位面积产水量（m3/hm2），V为全球单位面积产水量（m3/hm2）。2012年中国各省水资源产量因子见表2。

1.2 数据来源

水资源数据来源于《2012年中国水资源公报》；各省人口、经济等数据来源于《2013年中国统计年鉴》；为直观简洁地表达相关规律，使用的地图为中国行政区划图的简化图，故没有显示海洋区域及岛屿（注：涉及的全国性数据，均未包括香港、澳门特别行政区和台湾省）。

2 结果与分析

2.1 水资源生态足迹评价

2012年中国大陆区域31个省份的总水资源生态足迹为1.02×109 hm2，其中人均水资源生态足迹为0.75 hm2。依据各省份的总水资源生态足迹、人均水资源生态足迹的数值范围的大小，本研究将总水资源生态足迹、人均水资源生态足迹分为4类。其中，香港、澳门和台湾地区由于缺乏这方面数据不在本研究范围被分为无数据区（图1）。从图1中可以看出，总水资源生态足迹的高值区主要分布在东部经济规模较大的的省份，如广东、江苏等，此外新疆和黑龙江也分布在此区。低值区主要分布在西部地区。从人均水资源生态足迹可以看出，高值区主要分布在西部人口稀疏的地区，如新疆，西藏等，低值区则集中在华北地区及周边地区。总体来看，中国各省的总水资源生态足迹和人均水资源生态足迹的分布空间不一致，原因是人均水资源生态足迹大的地区虽然总水资源生态足迹不大，但由于人口稀疏，人均量相对较大。而对于东部许多发达省份，总水资源生态足迹很大，但由于人口分布密集，人口众多，导致人均水资源生态足迹较小。

2.2 水资源生态承载力评价

2012年中国大陆区域31个省份的总水资源生态承载力为3.64×109 hm2，人均水资源生态承载力为2.69 hm2。根据各省份与平均值的大小关系，分6类对其空间分布格局进行展示（图2）。从图中可以看出，中国的水资源生态承载力分布比较有规律，高值区分布在南方各省份，低值区分布在北方地区，这与中国的气候分布非常一致。中国年降水量空间分布的规律是从东南沿海向西北内陆递减。各地区差别很大，大致是沿海多于内陆，南方多于北方，山区多于平原，山地中暖湿空气的迎风坡多于背风坡。秦岭淮河以南的南方地区属于亚热带季风气候，夏季高温多雨，冬季温和少雨，全年降水较多，水资源丰富；青藏高原地区属于高原（高山）气候，本区年降水量大多在900 mm以下，从东到西、由南至北减少，由于高山融雪的作用，水资源也相当丰富；而秦岭淮河以北的华北、东北地区属于温带季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，东北地区年降水量400～1 000 mm，华北400～800 mm；而对于广大的西北地区属于温带大陆性气候，冬寒夏热，年温差大，降水集中，四季分明，年降雨量较少，大陆性气候明显。

从人均水资源生态承载力看，其分布特点和各省总水资源生态承载力分布大体一致，总体来看高值区主要分布在南方地区，西藏由于人口稀疏的原因，人均值相对较大，低值区主要分布在北方地区，华北地区由于人口密集，人均值较低。

2.3 水资源生态承载力供需平衡评价

在分析中国水资源生态供需平衡的基础上，根据水资源生态承载力供需平衡指数（EIW）和分级标准，对各省水资源承载状况进行了统计处理[11]，如图3和表3所示。

依据中国各省份人均水资源生态供需平衡指数所反映出的区域水资源生态盈亏空间格局来看，就省份个数而言，水资源生态盈余区最多，共有16个省份，约占全国总省份个数的51.6%；水资源赤字区次之，共有13个省份，约占全国总省份个数的42.1%；水资源生态平衡区最少，仅有2个省份，约占全国总省份个数的6.5%。从所容纳的人口数来看，水资源盈余区同样最多，容纳人口72 731万人，约占全国总人口的53.9%；水资源赤字区次之，容纳人口55 552万人，约占全国总人口的41.3%；水资源盈余区最少，容纳人口6 503万人，约占全国总人口的4.8%。而从土地面积来看，水资源赤字区最大，约462.36万km2，约占全国总面积的48.1%；水资源盈余区次之，约460.01万km2，约占全国总面积的47.8%；水资源平衡区最少，约19.65万km2，约占全国总面积2.0%。

2.3.1 水资源生态盈余区此区共有16个省份，其中富足有余区4个省份，人口约14 036万人，面积161.83万km2，分别占全国比例是10.4%和16.8%，主要分布在东南沿海和青藏高原地区，包括西藏、江西、福建、浙江等省，尤其是西藏地区，水资源供需平衡值最小，生态承载力远大于生态足迹，水资源的开发利用潜力巨大。富裕区有9个省份，人口约42 539万人，面积250.81万km2，分别占全国比例是31.6%和26.1%，主要分布在华南、西南和青藏高原东部地区，包括海南、广东、广西、湖南、四川、重庆、贵州、云南、青海等，此区水资源丰富，供需有余，有一定开发利用空间，在维持生态平衡和保护环境的基础上可以进一步加大对水资源的开发利用，充分发挥当地的水资源优势。盈余区有3个省份，人口约16 156万人，面积47.37万km2，分别占全国比例是11.9%和4.9%，主要分布在华中、东北南部地区，包括湖北、安徽、辽宁等，此区水资源供需相对盈余，开发利用程度处于一个非常理想的水平，既维持了地区的生态环境平衡，短时间内又不会限制地区的经济发展，而且随着经济的进一步发展，经济结构的调整和优化，水资源的利用效率将会提高，可以预测在一定时间内水资源不会成为此区发展的限制因素。

2.3.2 水资源生态平衡区此区共有2个省份，其中没有平衡有余的省份，都是临界超载的省份，人口约6 503万人，面积16.95万km2，分别占全国比例是4.8%和2.0%，主要分布在陕西、吉林两省，此区水资源供需平衡，水资源生态承载力和生态足迹基本上处于均等水平，水资源的开发暂时不会破坏生态环境，但随着经济的发展，水资源的需求量加大，区域如不优化产业结构，提高水资源利用效率，未来水资源可能会限制此区的进一步发展，甚至威胁到当地的生态环境平衡。endprint

2.3.3 水资源生态赤字区此区共有13个省份，其中超载区5个省份，人口约24 921万人，面积74.25万km2，分别占全国比例是18.5%和7.7%，主要分布在华北、东北地区，包括山东、江苏、北京、天津、黑龙江等，从空间分布上看，除黑龙江外其他地区经济相对发达，城市化水平和工业化水平程度高，人口密度大，加上水资源相对匮乏，因此导致水资源供需赤字。此区生态环境受到一定的破坏，生态环境逐步恶化，正在威胁着区域的生态平衡，因此在发展经济的同时应加大对环境的保护力度，优化产业结构，发展低碳经济、循环经济，重复循环利用水资源，提高水资源利用效率；而黑龙江省是我国重要的粮食基地，农业非常发达，即第一产业占经济结构的比重较大，水资源需求量大，万元GDP水资源生态足迹（图4）达到0.43 hm2/万元，远大于全国平均值0.17 hm2/万元，因此造成水资源承载力超载。

过载区有7个省份，人口约29 984万人，面积381.47万km2，分别占全国比例是39.7%和22.3%，主要分布在西北、华北地区，包括新疆、内蒙古、甘肃、山西、河北、河南、上海等，从空间分布上看，西北地区由于气候干旱，水资源严重匮乏，属于严重缺水地区，华北地区由于水资源相对匮乏，人口密集，因此导致供需超载。此区水资源不足，属于资源型缺水，因此要改变此区的水资源供需现状，必须从提高水资源利用效率上着手，加大对产业结构的调整和升级，发展节水环保产业，同时加强水资源的管理和分配，提倡重复用水、循环用水，尽量避免水资源的浪费。特别是新疆地区，由于农作物种植面积大，耗水多，2012年第一产业占GDP的比重17.6%，万元GDP水资源生态足迹（图4）达到1.29 hm2/万元，水资源利用效率极低，因此解决这样一个严重缺水地区的水资源问题只有提高水资源利用率[16]；而上海地区虽然水资源丰富，但由于人口过于密集，水资源需求量大，超过水资源承载力，造成供需超载[17]。

严重超载区只有宁夏1个省份，人口约647万人，面积6.64万km2，分别占全国比例是0.7%和0.5%，从地理位置上看，宁夏地处黄土高原与内蒙古高原的过渡地带，深居西北内陆高原，属典型的大陆性半湿润半干旱气候，降水较少，水资源严重匮乏，加上宁夏农业所占比重较大，水资源利用效率不高等因素导致水资源供需严重不平衡，水资源供需严重超载。此地区由于水资源不足，不利于发展传统粗放式农业，可以借鉴西亚一些国家的经验，发展节水农业、设施农业等，提高水资源的利用效率。

通过计算和比较2012年中国各省市水资源生态承载力及生态足迹，发现各省市水资源生态承载力及生态足迹人均占有量差异较大，其中人均水资源生态足迹由天津的0.270 hm2增加到新疆的4.360 hm2，人均水资源生态承载力由宁夏的0.005 hm2增加到西藏的86.370 hm2。总体上看，东部、南部各省市多处于生态盈余状态，北部、西部各省市多处于生态赤字状态。

从水资源生态足迹、人均GDP和万元GDP水资源生态足迹的相互关系来看，各地区存在较大的差异，如人均水资源生态足迹由天津的0.270 hm2增加到新疆的4.360 hm2，其人均GDP由天津的9.12万元/人降至贵州的1.97万元/人，而万元GDP水资源生态足迹却由天津的0.030 hm2增至新疆的1.300 hm2。可见一个地区经济发展水平与水资源利用效率有密切关系，经济发展水平越高，其水资源的利用效率相对越高，经济发展对水资源的依赖性也越低。因此，要缓解中国资源短缺与经济发展之间的矛盾，首先要从经济发展相对落后、万元GDP水资源生态足迹高的省市入手，改变其经济增长方式和产业结构，使其经济的发展对水资源的依赖性逐渐降低，提高水资源利用效率，增加水资源生态足迹经济产出率，实现生态、社会、经济的全面协调的可持续发展。

3 小结与讨论

总体而言，中国水资源总量丰富，人均占有量相对不足，水资源生态承载力供需不平衡。水资源在空间上分布不均，南北差异较大，基本上表现出南方地区水资源丰富，水资源生态承载力供需盈余，而北方水资源短缺，水资源生态承载力供需赤字，这与中国的气候分布具有很好的空间一致性；从人口分布来看，中国人口多分布在东部地区，表现由东到西逐渐减少的趋势，水资源分布与人口分布基本对应；但从农业分布来看，水资源分布表现出极不对称的状态，南方耕地相对较少，水资源非常丰富，而北方地区耕地较多，水资源却严重匮乏，造成水资源与耕地资源不匹配，因此有必要从宏观角度探究水资源问题，加强国家层面上的水资源调度和分配，以便有效地解决水资源时空分布不均问题，维护生态环境的平衡和社会的可持续发展。

水资源承载力是对一个地区水安全的基本度量，其大小是社会经济发展速度和规模的决定因素之一[18]，同时对一个地区社会的和平稳定也起着至关重要的作用。中国是一个幅员辽阔、人口众多的多民族国家，水资源问题一直是困扰国家发展和稳定的重要因素，因此研究中国水资源承载力供需问题具有重要的现实意义。

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