辽宁省水资源生态足迹与生态承载力分析

洪思扬,王红瑞,朱中凡，丁建新

(北京师范大学水科学研究院,北京　100875)



辽宁省水资源生态足迹与生态承载力分析

洪思扬,王红瑞,朱中凡，丁建新

(北京师范大学水科学研究院,北京100875)

摘要：基于水资源生态足迹分析法,计算辽宁省万元GDP水资源生态足迹及水资源负载指数,对辽宁省2006—2014年的水资源生态足迹、生态承载力及水资源生态足迹的影响因素进行分析,并根据辽宁省63个市县的情况,探寻各影响因素对水资源生态足迹的影响特点及程度。结果表明:研究期间大多数年份,辽宁省水资源生态承载力小于水资源生态足迹,万元GDP水资源生态足迹逐年下降;水资源开发利用程度较高,经济发展效应和人口增长效应对水资源生态足迹的增长起推动作用,水足迹技术效应和水足迹结构效应对其增长起抑制作用,各因素的综合作用使得水资源生态足迹呈波动下降趋势。对于辽宁省各县市,水足迹技术效应均对水资源生态足迹的增长起抑制作用,经济发展效应均对其起促进作用,水足迹结构效应及人口增长效应的作用效果依地区而异。

关键词：辽宁省;水资源;生态足迹;生态承载力;水资源负载指数;LMDI分解法

水资源是人类社会生存和发展的物质基础,水资源问题是涉及包括人口、经济、社会与环境的一个复杂巨系统[1]。近30年来,我国经济社会发展迅速,人类活动对水资源的影响加重,河道断流、水体污染、生态退化现象不断发生,加剧了水资源紧缺的状况[2]。水资源问题不仅影响、制约着现代社会的可持续发展,而且将成为21世纪全球资源环境的首要问题,直接威胁人类的生存和发展[3]。在水资源供需矛盾日趋突出的今天,如何保障水资源可持续利用以支撑经济社会的可持续发展,已成为全社会共同关注的焦点[4]。水足迹指任意已知人口在一定时间内消费的所有产品和服务所需要的水资源数量,水资源生态足迹指一定的人口和经济规模条件下维持水资源消费和消纳水污染所必需的生物生产性土地面积。两者紧密联系,但也存在较大的差异。

目前,国内外相关学者针对水足迹和水资源生态足迹进行了一系列的研究。刘子刚等[5]采用Wackemagel水产品生态足迹模型和基于水资源消耗量的水资源生态足迹计算模型,模拟计算了湖州市2000—2007年水资源生态足迹和水资源生态承载力;于冰等[6]结合自回归移动平均(ARIMA)模型对大连市水资源生态足迹和水资源生态承载力进行计算分析,并预测未来年份的水资源生态足迹;耿艳辉[7]运用四分法计算了泾河流域1990年、1995年、2000年及2005年的水足迹,并分析了泾河流域6个生态功能区的差异;张义等[8]提出了改进的水资源生态足迹模型,并应用该模型对2003—2010年广西水资源生态足迹进行了计算与分析;吴志峰等[9]应用生态足迹理论与方法,根据水资源与水产品消耗统计数据,对广州市1949—1998年水资源生态足迹变化进行时间序列建模分析;刘梅等[10]基于产品虚拟水含量的水足迹计算方法计算了河北省1995—2008年11个行政区的水足迹及其相关指数,分析了水足迹和水足迹强度时间序列,进一步探讨了各行政区水足迹的时空差异;黄林楠等[11]从水资源账户的角度建立了新的水资源生态足迹模型,用来评价区域水资源开发利用程度和可持续利用潜力,并已被广泛应用于区域水资源的评价,但其模型的表达形式需要进一步改进;王红瑞等[12]基于投入产出法探究北京市各产业虚拟水水足迹含量;孙才志等[13]分析了我国虚拟水水足迹贸易流动格局;蔡燕等[14]基于投入产出法对黄河流域水足迹进行探究;王红瑞等[15-16]探究了北京市农作物虚拟水水足迹含量分布特征。国外学者对水足迹的研究主要集中在对国家或地区水足迹的计算与分析、水足迹计算方法的改进[17]以及基于水足迹计算对水资源安全的影响[18]等方面。

1研究区概况

辽宁省位于我国东北地区的南部,南濒渤海与黄海,地处38°43′N～43°26′N,118°53′E～125°46′E之间,陆地面积14.59万km2,水域面积1.2万km2。辽宁省地处亚欧大陆东岸、中纬度地区,属于温带大陆性季风气候,全年平均气温在7℃～11℃之间,年降水量在600～1 100 mm之间。省内河流水系众多,大小河流总计400余条,总长度达16万km,主要包括辽河、浑河、大凌河、太子河、绕阳河以及中朝两国共有的界河鸭绿江等,其中辽河是辽宁省的第一大河流,也是中国七大河流之一,发源于河北省平泉县,全长1 430 km,流域面积22.9万km2。境内大部分河流自东、西、北3个方向汇集,最终注入渤海,鸭绿江、大洋河、英那河、庄河、碧流河等注入黄海。

根据联合国的标准,人均占有水资源量1 700～1 000 m3的地区为贫水地区,1 000～700 m3的为中度贫水地区,700 m3以下的为严重贫水地区。辽宁省多年平均水资源总量341.76亿m3,人均水资源量820 m3,属于中度贫水地区。由于降水的时空分布不均,水土资源不匹配,加之严重的人为污染和浪费,导致水资源短缺,在全国32个省、市、自治区(不包括台湾)中排名第22位。从人均水资源量来看,仅相当于全国人均的1/3,世界人均的1/12。水资源危机已经成为辽宁省经济社会可持续发展的主要瓶颈之一[19]。

本文利用水资源生态足迹模型对辽宁省2006—2014年的水资源生态足迹和生态承载力进行计算,在此基础上对该地区水资源发展状况进行评价,引入万元GDP水资源生态足迹指标、水资源负载指数、LMDI 因素分解法等,以衡量水资源利用效率,探讨水足迹技术效应、水足迹结构效应、经济发展效应、人口增长效应对水资源生态足迹的影响。

2研究方法

2.1资料来源

基础数据来自于2006—2014年《辽宁省水资源公报》、《辽宁统计年鉴》及《辽宁省国民经济和社会发展统计公报》的相关数据。

2.2水资源生态足迹模型[11]

近年来,学术界对水资源生态足迹的研究日趋活跃。目前,从生态足迹的视角来评价水资源消耗主要有两种途径:①水资源生态足迹(water resources ecological footprint),即将水资源相关消耗折算成水域面积;②水足迹[20](water footprint),将水资源相关消耗折算成水资源量。本文从水资源生态足迹入手,将人类消耗的水资源量转化为相应账户的生产用地面积——水资源用地面积。根据用水特性和水资源生态足迹的内涵,进一步将水资源生态足迹划分为农业用水生态足迹、工业用水生态足迹、生活用水生态足迹和生态用水生态足迹4个部分。水资源账户的计算模型为

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:EfW为水资源总生态足迹,hm2;EaW、EiWEdW、EeW分别为农业用水、工业用水、生活用水和生态用水生态足迹,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为人均消耗水资源量,m3;Wa、Wi、Wd、We分别为农业消耗、工业消耗、生活消耗和生态消耗的人均水资源量,m3;pW为水资源全球平均生产能力,m3/hm2；eaW、eiW、edW、eeW分别为人均农业用水、工业用水、生活用水和生态用水生态足迹，hm2/人。

2.3水资源生态承载力模型

基于水资源生态足迹模型的水资源生态承载力兼具自然属性、社会属性以及空间属性,为某一区域在某一具体历史发展阶段,水资源最大可供支持该区域资源、环境和社会(生产、生活和生态)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[11]。

(6)

式中:EcW为水资源生态承载力,hm2;ecW为人均水资源生态承载力,hm2/人;ψ为区域水资源产量因子;Q为水资源总量,m3。一个国家和地区的水资源生态承载力中60%用于维持生态环境,因此在水资源生态承载力的计算中要乘以系数0.4。

2.4水资源生态盈余及赤字[21]

将区域内水资源消耗产生的生态足迹和生态承载力相比较,就会产生水资源生态赤字和水资源生态盈余,该指标可用来判断研究区域内水资源的可持续利用情况。

(7)

当EcW>EfW时，ΔE>0,水资源生态盈余,说明该区域水资源供给充分,能够维护区域发展的水资源生态环境,区域水资源可以有限度持续利用;当EcW=EfW时,ΔE=0,水资源生态平衡;当EcW

2.5万元GDP水资源生态足迹

万元GDP水资源生态足迹即区域内水资源生态足迹的总需求与该时段内GDP的比值,能够反映经济发展对水资源利用效率的高低,其值越高,说明对水资源利用效率越低;反之,对水资源的利用效率越高[21]。

2.6水资源负载指数

水资源负载指数的物理意义为由地区的降水、人口和农业灌溉面积决定的水资源需求量,通过3个指数间的函数关系来描述水资源的开发利用程度及水资源开发的难易程度。基于前人的研究成果,结合地区实际情况,选取人口、国内生产总值、水资源总量及与降水有关的系数4个指标,以反映辽宁省水资源的开发利用现状及程度[22]。水资源负载指数可分为5个等级(见表1),计算公式如下:

(8)

式中:c为水资源负载指数;p为人口,万人;G为国内生产总值,亿元;Q为水资源总量,亿m3;k为与降水有关的系数,其取值如下:

(9)

式中：R为降水量；m3。

表1　水资源负载指数分级[22]

2.7基于LMDI 分解法的水资源生态足迹影响因素分析

指数分解法可以定量分析事物变化特征及其影响因素的作用。目前,最常用的指数分解法是对数平均迪氏指数法LMDI。该方法既消除了分解残差项,又解决了零值问题,具有良好的准确性和聚合性,已被广泛应用于能源、碳排放与经济发展的研究中。本文借鉴Kaya恒等式和能源因素分解法,运用LMDI分解法构建水资源生态足迹指数分解模型[23]:

(10)

(11)

其中:

式中：Eit为第t时期第i类水资源的生态足迹，万hm2；Eft为第t时期水资源总生态足迹，万hm2；yt为第t时期国内生产总值，万元；pt为第t时期常住人口数，代表人口增长效应，人；sit、si0分别为第t时期和基准年第i类水资源利用占水资源总生态足迹的比值，代表水足迹结构效应；it为第t时期单位GDP水资源生态足迹，代表水足迹技术效应；rt为第t时期人均GDP，代表经济发展效应；ΔEfW为水资源总生态足迹变化量，万hm2/a；Ef0为基准年的水资源生态足迹量；ΔEfs、ΔEfi、ΔEfr、ΔEfp分别为水足迹结构因素、水足迹强度因素、人均GDP因素和常住人口因素引起的水足迹变化量，万hm2/a。

利用LMDI分解法对式(11)进行分解：

(12)

(13)

(14)

(15)

式(12)～(15)分别代表水足迹结构效应、水足迹技术效应、经济发展效应和人口增长效应。分解效应若为正数，则表明该因素对水资源生态足迹的增长具有推动作用，否则，表明该因素具有抑制作用。

3结果与分析

3.1水资源生态足迹与生态承载力计算结果与分析

查阅相关文献,pW取3 140 m3/hm2[20],γW取WWF2002计算的5.19[11],辽宁省ψ为辽宁省水资源平均生产能力与世界水资源平均生产能力的比值,结果为0.79[11]。根据式(1)、(6)、(7)分别计算水资源生态足迹、水资源生态承载力及水资源生态盈余(赤字),计算结果见图1～图3。

图1　辽宁省水资源生态足迹变化

图2　辽宁省水资源生态承载力变化

图3　辽宁省水资源生态盈余及赤字

由图1可以看出,辽宁省2006—2014年水资源生态足迹呈现先缓慢上升后急速下降的状态,整体上呈下降趋势。以2011年为分界点,2006—2011年水资源生态足迹呈上升趋势,由2006年的2 334.51万hm2增长到2011年的2 389.38万hm2,年均增长率为0.47%。随后的3年内,水资源生态足迹呈现显著的下降趋势,由2011年的2 389.38万hm2减少到2014年的2 249.72万hm2,年均下降率为1.99%。分析原因为2011年后,除生态用水外,辽宁省各项用水均有下降趋势,而生态用水所占比例较小,故用水总量呈下降趋势,因而水资源生态足迹数值也相应减小,说明近年来辽宁省节水型社会建设取得了一定的成果。人均水资源生态足迹变化趋势和水资源生态足迹变化趋势相似,由2006年的0.55 hm2下降到2014年的0.51 hm2。

由图2可以看出,2006—2014年水资源生态承载力呈波动状态,研究期内的最高值出现在2010年,为3 168.83万hm2,最低值出现在2009年,为893.14万hm2,波动幅度在2 275.69万hm2。人均水资源生态承载力与水资源生态承载力变化趋势极为相似,最高值出现在2010年,为0.72 hm2,最低值出现在2009年,为0.07 hm2。

从图3可以看出,在研究年份中,除2010年、2012年和2013年水资源生态盈余外,其余年份均呈现不同程度的水资源生态赤字现象,处于不可持续发展状态。2014年水资源生态赤字现象最为严重,达到1 487.52万hm2,人均水资源赤字量也于同年达到最低值,为0.34 hm2。原因是2010年、2012年及2013年这3年间水资源总量显著高于其他年份,导致水资源生态承载力偏高,因而出现水资源生态盈余,而2014年水资源总量仅为145.94亿m3,显著低于多年平均值(距辽宁省水资源公报,辽宁省多年平均水资源总量为341.76亿m3),而用水总量多年无显著变化,因而导致较大赤字的出现。其余年份均存在一定程度的水资源生态赤字,原因是在用水量变化不大的情况下水资源总量比多年平均值偏少。

图4　各用水账户水资源生态足迹

由图4可以看出,在水资源生态足迹各账户中,以农业用水账户所占的比例最大,每一研究时间段内占整体的比例均在60%以上，分布在63.84%～67.41%之间;年际变化较小,呈现微弱下降趋势,年均下降率为0.39%,可见农业是用水大户,是辽宁省水资源生态足迹的主要构成。工业用水账户与生活用水账户数值相当,前者变化相对稳定,多年均围绕400万hm2波动,生活用水在2006—2012年间变化比较稳定,在2012—2014年有明显的下降趋势,由2012年的386.61万hm2下降到2014年的275.86万hm2。生态用水账户占有比例较小,分布在1%～4%之间,但多年来呈上升趋势,由2006年的31.57万hm2上升到2014年的80.94万hm2,年均增长率为12.50%,增长迅速,说明辽宁省近年来对生态建设的投入有所增大。

3.2万元GDP水资源生态足迹

万元GDP水资源生态足迹能反映经济发展对资源利用效率的高低。2006—2014年万元GDP水资源生态足迹计算结果如表2所示。

表2　辽宁省2006—2014年万元GDP水资源生态足迹

从表2可以看出,7年间辽宁省万元GDP水资源生态足迹呈现持续下降趋势,2006年是2014年的3.2倍,年均下降率为13.56%。说明近年来辽宁省水资源开发利用程度和利用效率在不断提高。

3.3辽宁省水资源负载指数

表3　辽宁省2006—2014年水资源负载指数分级

水资源负载指数是关于降水、人口、经济规模以及水资源总量的一个综合指标,反映了区域水资源利用程度[24]。辽宁省水资源负载指数计算结果见表3。由表3可以看出,2006—2014年辽宁省水资源负载指数变化不大,2010年和2012年为Ⅱ级,水资源利用程度高,潜力不大。其余年份水资源负载指数为Ⅰ级,水资源利用程度很高,潜力不大。将2010年和2014年进行对比,2010年辽宁省水资源总量为606.7亿m3,比多年平均值多77.5%,因此水资源负载指数相对较小,而2014年水资源总量仅为145.937亿m3,加之人口的增长及GDP总值的上升,致使水资源负载指数很大。整体来看,辽宁省水资源开发利用已经达到了很高的程度,开发潜力不大。现阶段水资源严重短缺,且分布不均,行业用水结构不合理,水资源呈衰减趋势,使供水工程供水量衰减严重, 供水保证率降低,而大多数地区用水效率不高,节水潜力较大。因此,应针对辽宁省目前的缺水现状,尽可能地提高用水效率,积极使用非常规水源,发掘节水潜力,促进水资源的优化配置。

3.4基于LMDI分解法的水资源生态足迹影响因素

运用LMDI分解法对辽宁省水资源生态足迹变化进行因素分解。由图5可以看出,经济发展效应和人口增长效应对水资源生态足迹的增长起推动作用,水足迹技术效应和水足迹结构效应对其增长起抑制作用。

图5　2006—2014 年辽宁省水资源生态足迹因素分解

a. 经济发展效应是导致水资源生态足迹增长的主要因素。由图5可以看出,2007—2008年的推动效应最强,即由于经济发展原因而引起水资源生态足迹增长595.81万hm2,相比之下,2013—2014年的推动效应最弱,为184.11万hm2,其余年份的经济增长效应强度均在200万hm2以上。近年来,辽宁省的经济不断快速发展,工业及农业对水资源的依赖性始终保持在较高水平,因而在整体上成为加速水资源生态足迹快速增长的重要因素。

b. 人口增长效应对辽宁省水资源生态足迹的增长也起到一定的推动作用,但相比于经济因素而言,推动作用较微弱。2009—2010年的推动效应最强,为18.46万hm2,即由于人口的增长使得水资源生态足迹增长18.46万hm2,2012—2013年的推动效应最弱,为0.52万hm2,原因是2009—2010年辽宁省人口增长数量高于其他年份,而2012—2013年人口增长数量相对较少。

c. 水足迹技术效应对水资源生态足迹的增长起到显著的抑制作用。2007—2008年的抑制效应最强,为606.62万hm2,即由于水足迹技术效应的提高使得水资源生态足迹减少了606.62万hm2,2013—2014年的抑制效应最弱,为101.16万hm2。

d. 水足迹结构效应对水资源生态足迹的增长,部分年份呈推动作用,部分年份呈抑制作用。其中,2007—2008年、2008—2009年及2011—2012年呈抑制作用且影响较为微弱,2012—2013年抑制作用相对较强,为0.87万hm2;2006—2007年、2009—2010年及2010—2011年为推动作用但影响较微弱,2013—2014年推动作用较强,为0.67万hm2。

经济发展效应及人口增长效应对水资源生态足迹增长的推动和水足迹技术效应及水足迹结构效应对其增长的抑制势均力敌,但整体上抑制效应稍强于推动效应,导致辽宁省2006—2014年水资源生态足迹部分年份有所增加,部分年份则有所下降,整体呈现波动下降趋势。

针对县一级别,统计辽宁省63个县市2000年及2010年用水、GDP和人口数据,计算水足迹结构效应、水足迹技术效应、经济发展效应及人口增长效应对水资源生态足迹的影响,计算结果如图6所示,图中数值为正代表该效应使水资源生态足迹增加相对应的数值,数值为负代表该效应使水资源生态足迹减小相对应的数值。由图6可以看出：

a. 水足迹结构效应。辽宁省中部及南部地区的水足迹结构效应对水资源生态足迹的增长起促进作用,其中以北部铁岭开原市、中部辽中县和本溪市市辖区、南部大连瓦房店市为代表。东西部地区则主要起抑制作用,其中以西南部葫芦岛市、西部阜新蒙古族自治县、东部丹东凤城市为代表。63个市县中,大多数市县对水资源生态足迹的增长起抑制作用,说明水足迹结构大体合理。促进作用较明显的市县,说明其水足迹结构不甚合理,如开原市、辽中县、瓦房店市的工业近年来快速甚至爆炸式发展,工业部门对水资源的消费与依赖逐步增强,这在一定程度上引起水资源生态足迹的增长。

图6　2000—2010年辽宁省各县市水资源生态足迹因素分解

b. 水足迹技术效应。水足迹技术效应对抑制辽宁省水资源生态足迹的增长起关键作用,且其在各县市均对水资源生态足迹的增长起抑制作用。其中抑制效应最显著的地区是沈阳市市辖区,辽宁省中部地区及南北部地区抑制效应也相对较强。相比之下,东北部地区及西部部分地区的抑制作用较弱,如北部铁岭市西丰县和南部大连市金州区。抑制作用较强地区的作用效果可达较弱地区的10倍之余,可见地区间水足迹技术效应的影响差别之大。由此可见,在省域范围内,水足迹技术效应是降低水资源生态足迹的关键因素,且其仍存在一定的提高空间。

c. 经济发展效应。经济发展效应对促进辽宁省水资源生态足迹的增长起到关键作用,且其在各县市均对水资源生态足迹的增长起促进作用。其中,中部、西部地区的促进效应普遍高于东部地区。促进效应较显著的地区包括沈阳市市辖区、铁岭市开原市、阜新市及大连市市辖区等,促进作用相对较弱的地区包括抚顺市、丹东市宽甸满族自治县及鞍山市岫岩满族自治县。经济发展效应在促进辽宁省水资源生态足迹的增长中起主导作用,促进作用效果较好的地区均是经济发展水平较高的地区。其中,沈阳市、开原市和大连市经济的发展,特别是工业的发展,对水资源消费和依赖性不断增加,从而在整体上加速了水资源生态足迹的快速增长。

d. 人口增长效应。人口增长效应对水资源生态足迹的作用在部分地区表现出促进作用,部分地区表现为抑制作用,表现为促进作用的地区数量上多于表现为抑制作用的地区。抑制效应较显著的地区包括营口大石桥市、锦州凌海市、阜新市大部及朝阳北票市和朝阳县。促进作用较显著的地区包括沈阳市市辖区、大连普兰店市及大连市市辖区、锦州市市辖区。抑制效应较显著的地区人口数量均呈下降趋势,而促进作用较显著的地区人口数量呈较为明显的上升趋势,其中以锦州市市辖区为代表,其在研究期末人口数量相比研究期初增长了39.85%,快速增加的人口加速了水资源生态足迹的增长。

4结论

a. 2010年、2012年和2013年属水资源生态盈余,其余年份均出现不同程度的水资源生态赤字,处于不可持续发展状态。各用水账户在生态足迹总量中所占比例以农业账户最大,常年保持在60%以上,生态账户最小。

b. 研究期间辽宁省万元GDP水资源生态足迹逐年下降,年均下降率为13.56%,表明经济发展对水资源的利用效率不断提高。

c. 从水资源负载指数的计算结果可以看出,辽宁省水资源的开发利用程度很高,开发潜力不大。

e. 从水资源生态足迹因素分解分析中可以看出,经济发展效应和人口增长效应对水资源生态足迹的增长起推动作用,水足迹技术效应和水足迹结构效应对其增长起抑制作用,各因素的综合作用使得研究期间水资源生态足迹呈波动下降趋势。

f. 水足迹技术效应在辽宁省各县市均对水资源生态足迹的增长起抑制作用,经济发展效应均起促进作用,水足迹结构效应及人口增长效应的作用效果则依地区而异,各效应作用程度也存在显著的地区差异。

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基金项目：国家自然科学基金(51279006)

作者简介：洪思扬(1990—),女,辽宁辽阳人,博士,主要从事水资源系统分析研究。E-mail:bnusiyang@163.com

DOI：10.3880/j.issn.1003-9511.2016.03.011

中图分类号：TV213

文献标识码：A

文章编号：1003-9511(2016)03-0046-07

(收稿日期：2015-10-04编辑：胡新宇)