基于水足迹理论的江西省水资源时空特征分析

安 彬，肖薇薇

(1.安康学院 旅游与资源环境学院，陕西 安康 725000；2. 陕西省安康市汉江水资源保护与利用工程技术研究中心，陕西 安康 725000)



基于水足迹理论的江西省水资源时空特征分析

安 彬1,2，肖薇薇1,2

(1.安康学院 旅游与资源环境学院，陕西 安康 725000；2. 陕西省安康市汉江水资源保护与利用工程技术研究中心，陕西 安康 725000)

根据江西省年鉴数据，基于水足迹理论，计算出1999～2012年的水足迹，分析其时空变化特征，并综合评价水资源利用效益。结果表明：1999～2012年，江西省社会总水足迹量、农产品虚拟水消费量及人均水足迹均呈现上升的趋势，农产品虚拟水消费量占到水足迹总量的93%以上；2012年江西省粮食产量、虚拟水总量、人均虚拟水、单位面积虚拟水都呈现以鄱阳湖湖区平原及赣江中下游高值区，省界四周及赣州低值连片区的空间分布特征；水资源承载力、压力指数年际变化较大，水资源强度呈现下降的趋势，由485.43m3/万元下降到97.06m3/万元，平均下降速度达到27.91%，利用效益逐步提高。

水足迹理论；江西省；时空特征；虚拟水

水是生命之源，是保障区域社会经济稳定、生态环境安全、国家安全的重要资源。伴随世界人口及经济规模不断扩大，诸如灌溉、加工等人类活动使用和消费大量的实体水资源，导致越来越多地区出现不同程度的水资源短缺问题[1-2]。就我国而言，水资源时空分布不均、供需矛盾尤其突出，主要通过利用相关政策、水利工程或者通过区域间商品贸易等方法解决该问题，而区域间商品贸易的各类农工产品蕴藏大量“看不见”的水资源[3]。若仅靠地区的生产、生活用水总量则不能衡量水资源的利用和消费状况。因此，迫切需要定量评价水资源利用与人类生产生活之间的关系。

1993年，英国学者Allen[4]最先提出了“虚拟水”(VirtualWater)，能够定量计算产品在生产、消费等服务过程中的用水总量。荷兰学者Hoekstra[5]教授于2002年提出了一个衡量用水指标——“水足迹”(WaterFootprint)，指的是具体区域、公司或个人在一定时期内消费的所有产品和服务的直接和间接用水总量，可以看做是水资源占用的综合评价指标。基于水足迹理论，国内学者针对不同尺度的水足迹进行了系统的研究。马静等[6]、王新华等[7]、高孟绪等[8]、孙才志等[9]对国家尺度展开了研究，邓晓军等[10]、黄晶[11]、陈俊旭[12]、孙义鹏[13]、曹永强[14]、刘民士等[15]以省、市级尺度为对象开展了研究；蔡燕[16]、史安娜[17]、潘文俊[18]、蔡振华等[19]对流域的水足迹进行了核算。从以上研究可以看出，多数研究主要针对水资源问题较严重的地区，而对我国南方湿润区域及经济落后地区水足迹研究较少。基于此，本文以南方农业大省江西省为例，系统地计算和分析了近10年水足迹的时空变化及其特征，并对江西省的水资源利用状况进行了评价，旨在为该区水资源可持续利用、优化发展方式提供依据。

1　研究区概况

江西省地处长江中下游南岸，介于113°34′36″～118°28′58″E，24°29′14″～30°04′41″N之间。全省土地面积16.69万km2，北部地区较为平坦，中部丘陵起伏，三面环山，呈现为整体向鄱阳湖倾斜的盆地。该区为亚热带温暖湿润气候，年均温在16.3～19.5 ℃，多年平均降水量1638mm；全境湖泊众多，以鄱阳湖为中心呈向心水系，多年平均水资源总量1565亿m3；土壤以红壤、砖红壤为主，植被以常绿阔叶林为主，具有典型的亚热带森林植物群落。2013年末人口为4503万，是我国重要的粮食和棉麻产区，也是淡水渔业重点省份。

2　研究方法

2.1水足迹的核算及数据来源

目前，国际上对水足迹核算主要有4种方法[15,20-21]：第1种是基于区域间的投入产出模型方法，在国内研究较少；第2种是生命周期理论的计算；第3种是自下而上法，计算居民消费产品结构和需求服务对水足迹的影响；第4种是基于消费平衡理论的自上而下法，其计算出外部水资源对区域的贡献程度，依赖于区域进出口贸易数据[22]。对比以上4种水足迹的核算方法，结合缺测江西省历年进出口贸易及污水耗水数据的实际情况，本文选择自下而上的方法。在衡量该区域的水足迹时，主要从农产品水足迹(Wp)、工业生产水足迹(Wi)、居民生活水足迹(Wr)、生态环境水足迹(We)4个方面考虑。因此，该区域内总的水足迹(Wf)就是上述4个方面的水足迹之和：

Wf=Wp+Wi+Wr+We

(1)

农产品的水足迹主要包括农作物产品和动物产品的水足迹，是水足迹核算的核心，一般用m3/t表示，主要是单位农产品虚拟水量与当年的产量之商。因此，对于单位质量的农产品虚拟水的计算又是关键。针对国内学者的大量研究，依据研究区域具体情况，本文对该数据主要从文献[15,23]中获取或者修正(表1)。工业生产、居民生活及生态环境水足迹没有建立统一的计算标准，故主要依据历年水资源公报中的工业生产、居民生活及生态环境的实际耗水量作为核算依据。

表1　单位质量的农产品虚拟水m3/kg

全省及各个市区农产品和动物产品的基础数据主要来源于江西省统计年鉴(2000～2013年)[24]，而生态环境、工业及居民生活用水的实际耗水量数据来源于江西省水资源公报(1999～2012年)[25]。

2.2水资源利用效益评价

基于水足迹的核算，能够对核算区域内的水资源利用效率及其承载能力进行评价，有助于区域内的水资源状况及其粮食、生态环境等安全问题的解决[26]。为了充分了解江西省的水资源利用状况，从水资源承载力、压力指数及水足迹强度指标进行评价。

2.2.1水资源承载力相关学者[10,15,18,27]研究得出区域内用于维系生态环境健康的水资源占到全部的60%左右。因此，可以将区域内水资源承载力指标表示为：

WCC=0.4WRA=N×w

(2)

其中，WCC表示水资源承载力(m3)；WRA表示可利用的水资源总量(m3)；N表示人口总量(人)；w表示人均水资源承载力(m3)。

2.2.2水资源压力指数根据国内研究得出，水资源压力指数(Ws)是指区域内总水足迹(Wf)与可利用水资源总量(WRA)的比值，其值越大，尤其是大于1时，说明区域内的水资源紧缺矛盾突出。

2.2.3水足迹强度区域内水资源短缺已成为当地经济发展的限制因素。因此，对水足迹强度的核算能够解决当地的问题。国内一般用每产生1万元经济效益所需的水资源量来评价水足迹强度，其值越大表明效益越低，其计算公式为：

WfGDP=Wf/GDP

(3)

以上计算和统计工作采用ArcGIS以及SPSS软件完成，图件全部用OriginPro8.5软件绘制。

3　结果与分析

3.1水足迹的时空变化分析

3.1.1水足迹的时间变化根据水资源核算方法，得出了1999年至2012年江西省水足迹的变化(表2、图1)。从中可以看出，自1999年以来，江西省全社会总水足迹量、农产品虚拟消费量及人均水足迹均呈现上升的趋势，较1999年分别增加了48.68%、52.24%、39.68%；工业和居民生活用水量都表现出先减少后增加的趋势，生态环境用水量在2009年达到峰值，随后稳定在1.7亿m3。其中，农产品虚拟水消费量占到水足迹总量的93%以上，且粮食、猪肉、水产品3种农产品占到总水足迹的71%以上。这与江西省农产品生产实际情况一致，江西省是我国南方重要的粮食生产基地，也是南方主要粮食调出的省份，粮食作物播种面积占作物总播种面积的60%～70%，稻谷总产量约占粮食总产量的95%，尤其是2004年以后实现连年丰产[24]；同时，也是内陆淡水渔业重点省份，包括鄱阳湖在内的总水面达166.7万hm2，年产水产品210多万t。

表2　1999～2012年江西省水足迹变化

从图1-b中可以看出，2003年的人均水足迹只有844.7m3，为研究期间内最低值，但与其他省份[10-15,20]相比，处于较高的水平且高于全国平均值。其主要原因是2003年7～10月降水量为1956年以来同期最低值，为伏旱、秋旱、连冬旱的典型年，晚稻受灾面积达2/3以上；加上该年种植业结构调整，导致粮食播种面积调减。2003年以后，粮食产量逐年上升，但虚拟水消费所占比例逐年下降，这与动物产品产量增长迅猛及政策调控下农业结构的优化调整有关。此外，在2003年之前，农作物产品和动物产品虚拟水消费总量相差逐年减小；2003年以后，两者之间的差值保持稳定状态。可见，农产品的总产量是影响地区内水足迹的重要因素，区域内水资源主要以虚拟形式存在。

图1　1999～2012年江西省农产品虚拟水(a)及人均水足迹(b)的变化趋势

3.1.2水足迹的空间变化由于研究年限较多，本文选择最近年份2012年的县域单元内粮食产量等为资料，分析了江西省粮食产量、虚拟水总量、人均虚拟水、单位面积上的虚拟水的空间分布(图2)。从图2-a中可以看出，2012年江西省粮食产量在县域空间上分布不均匀，高产区主要集中在鄱阳湖东部和南部平原区，原因是该区生产条件优越，农业基础设施完善；中等产区主要在赣江中上游沿岸平原地区，这类区域农业生产资料投资较高；低产区主要分布在省界附近的县域，这是由于县域主要位于低山或高山丘陵地区，耕地面积有限，粮食生产条件较差[28]。根据历年各县域粮食所占比例，估算了县域的虚拟水总量，其空间分布表现同粮食产量几乎一致，这体现出地势是影响粮食和虚拟水总量的因素之一。

2012年江西省人均虚拟水量多数在500～1500m3，呈现出以赣江中下游西岸最多，向边界逐渐减少的空间分布特征(图2-c)。其中，赣州大部、九江西北部、上饶东部等县域形成了3个人均虚拟水较低值连片区，这主要与连片区县域处于中低山丘陵地区、粮食产量较低有关。九江市(县)与南昌市(县)的粮食产量均较高，但是人均虚拟水最低，原因是南昌和九江是江西省两大区域经济增长核心，随着消费群体和工业市场规模扩大并不断发展，以及当地政府对发展地方经济强有力的支持的优势，吸引了大量的人口聚集。单位面积虚拟水呈现出以“景德镇-吉安”连线为对称轴式东南-西北方向逐渐递减的空间分布特征(图2-d)。其中，赣州和抚州两市形成较低值区，粮食产量低是造成连片区的主要原因。综合图2可以得出，江西省粮食产量、虚拟水总量、人均虚拟水、单位面积虚拟水都表现出中部的鄱阳湖湖区平原及赣江中下游高值区，省界四周及赣州的低值连片区的空间分布。可见，研究区内的地势地貌特征是影响这种分布特征的重要因素。

蓝色区域为鄱阳湖；空白区域为部分数据缺失市区

3.2江西省水资源利用效益评价

根据水资源利用效益评价指标，计算出研究区内历年水资源承载力、压力指数及水足迹强度(图3)。从图3-a中可以看出，水资源承载力年际变化较大，且表现出年降雨丰富，水资源承载力也高。经过Pearson双侧检验，发现两者之间相关性显著，说明水资源承载力受区域内年降水量的影响较大。研究期内水压力指数均值达到0.71，2009年和2011年水压力指数分别达到1.00、1.18，其余年份都小于1.00，说明江西省水资源可利用量要高于水足迹，水资源利用处于安全状态。水压力指数呈现微弱上升趋势，表明年内水资源有余，但是利用状况将面临缺水趋势。这与江西省的产业结构有关，以农业为主的第一产业在生产中需要消耗大量的虚拟水。因此今后可以进一步优化产业，合理调整产业结构及消费结构。

图3　1999～2012年江西省水资源承载力(a)、压力及水足迹强度(b)的变化趋势

水足迹强度反映的是区域内为经济发展所付出的水资源量。计算表明1999～2012年江西省水资源强度从1999年的485.43m3/万元下降到2012年的97.06m3/万元，每万元所需要的水资源下降了388.37m3，平均下降速度达到27.91%，说明利用效益逐步提高(图3-b)。1999～2012年可利用实体水资源的余量空间在减少，而经济产值呈增长趋势，说明虚拟水对江西省的经济发展发挥了重要作用。

4　结论与讨论

4.1结论

水足迹将实体水与虚拟水结合起来，能够真实地反映区域水资源利用和消费情况。根据江西省的年鉴数据，计算出1999～2012年的水足迹，分析其时空变化特征，并综合评价水资源利用效益，得出：

1999～2012年，江西省社会总水足迹量、农产品虚拟水消费量及人均水足迹均呈现上升的趋势，农产品虚拟水消费量占到水足迹总量的93%以上，且粮食、猪肉、水产品3种农产品占到总水足迹的71%以上；工业和居民生活用水量都表现出先减少后增加，生态环境用水量在2009年达到峰值。

2012年江西省粮食产量、虚拟水总量、人均虚拟水、单位面积虚拟水在县域空间上分布不均匀。人均虚拟水呈现以赣江中下游西岸最多，向边界逐渐减少的空间分布特征，赣州大部、九江西北部、上饶东部等县域形成了3个人均虚拟水较低值连片区。单位面积虚拟水呈现出以“景德镇-吉安”连线为对称轴式东南-西北方向逐渐递减的空间分布特征，赣州和抚州两市县域形成较低值区。

1999～2012年，江西省水资源承载力、压力指数年际变化较大，水资源强度呈现下降的趋势。水压力指数均值达到0.71，2009年和2011年水压力指数分别达到1.00、1.18，其余年份都小于1.00，多数年份水资源利用处于安全状态。水资源强度由485.43m3/万元下降到97.06m3/万元，平均下降速度达到27.91%，利用效益逐步提高。

4.2讨论

江西省境内的鄱阳湖是我国最大淡水湖，有助于地区经济的可持续发展。但随着流域洪涝灾害发生的频率有所增加[29]，加之人均需求的不断增大，导致水资源利用困难进一步加大。因此，通过水足迹的核算，明确了农产品是水足迹产生的主要水源，有必要优化产业，合理调整产业结构及消费结构。本文只选择了生产、生活和生态指标，未将污水纳入计算范畴。随着经济的发展，水污染的形势不容乐观，对江西省的水资源压力及水足迹强度势必产生影响。而且目前多数研究多集中于大尺度，尺度内的差异不够明显。因此，在以后的研究当中，需结合相关影响因素对小尺度内水足迹趋势进行预测及定量的综合评价，为区域政府政策制定、水资源可持续利用及优化发展方式提供更加可靠依据。

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(责任编辑：许晶晶)

AnalysisofSpatialandTemporalFeaturesofWaterResourcesinJiangxiProvinceBasedonWaterFootprintTheory

ANBin1,2,XIAOWei-wei1,2

(1.CollegeofTourismandResourceEnvironment,AnkangUniversity,Ankang725000,China; 2.AnkangMunicipalEngineeringTechnologyResearchCenterforHanjiangRiverWaterResourceProtectionandUtilizationinShanxiprovince,Ankang725000,China)

BasedonthetheoryofwaterfootprintandthedataofJiangxiProvincialYearbookduring1999～2012,thisarticlecalculatedthewaterfootprint,analyzeditsspatialandtemporalchangecharacteristics,andcomprehensivelyevaluatedtheutilizationefficiencyofwaterresources.Theresultsshowedthat:from1999to2012,thesocialtotalwaterfootprint,virtualwaterconsumptionofagriculturalproducts,andper-capitawaterfootprintinJiangxiprovinceallpresentedarisingtrend,andthevirtualwaterconsumptionofagriculturalproductsaccountedforover93%ofthetotalwaterfootprint.In2012,thegrainyield,totalvirtualwater,per-capitavirtualwater,andvirtualwaterperunitareaofJiangxiprovinceallpresentedthefollowingspatialdistributioncharacteristics:high-valueregionswerelocatedinthePoyangLakeplainandthemiddleandlowerreachesoftheGanjiangRiver;low-valueregionswerelocatedintheperipheryofprovincialboundaryandinGanzhoucity.Theinter-annualchangesinwaterresourcecarryingcapacityandpressureindexwerelarge.Thewaterresourcesintensitydecreasedfrom485.43m3pertenthousandyuanto97.06m3pertenthousandyuan,anditsaveragedeclineratereached27.91%,indicatingthattheutilizationefficiencyofwaterresourceswasgraduallyimproved.

Waterfootprinttheory;Jiangxiprovince;Spatialandtemporalfeatures;Virtualwater

2016-01-20

陕西省教育厅自然科学专项研究计划(16JK1017)；安康学院高层次人才科研专项(2015AYQDZR04)。

安彬(1988─)，男，江西九江人，硕士，研究方向为土壤水与水资源管理。

TV213.4

A

1001-8581(2016)08-0074-05