中国省域水资源生态足迹格局均衡性研究

陆砚池, 方世明

(中国地质大学(武汉) 公共管理学院, 武汉 430074)

我国是世界上严重缺水的国家之一，水资源时空分布不均、供需矛盾尖锐、循环利用率低等现实情况[1]，已经成为制约经济发展和生态可持续性的重要原因，因此水资源生态足迹格局的空间均衡性研究就尤为重要，这可以为我国调水、节水、治水政策提供合理建议，保证水资源配置合乎经济和生态的双重要求。生态足迹模型是由加拿大资源生态学家Rees提出的，该模型通过估计人类消耗的自然资源量以及消化人类产生废弃物所需要的生产性土地面积，来评价区域生态可持续发展能力[2]。水资源生态足迹则是将区域消费的水资源量通过一系列方法折算为土地面积。其意义表现在人类和自然两方面：其一是人类生产生活活动对水资源的消耗，其二是自然界为维持自身生态功能对水资源的需求[3]。目前水资源生态足迹测算方法已经较为成熟，主要以黄林楠的生态足迹账户为标准，将水资源生态足迹划分为生活用水足迹、生产用水足迹和生态蓄水足迹3个二级账户[3]，这种方法也逐渐成为水资源生态足迹的主流测算方法[4-6]。水资源生态足迹空间均衡性是衡量各个区域水资源实际消耗量和需求量的平衡程度，目前关于水资源生态足迹空间均衡性的研究比较少，现有研究可以从两个角度进行归纳：

(1) 研究方法。关于水资源生态足迹均衡性的研究方法主要有指标体系法和指数分析法。指标体系法是构建关于均衡性的指标体系，并赋权求值。贾绍凤等选取水可持续性、社会公平和经济效率三方面指标对宁夏平原用水合理性进行测算[7]；Mimi等通过构建水资源分配公平指标并加权求和，测度了约旦河流域内国家水资源分配公平性[8]。指数分析法主要是将数学、经济学中的公平指数引入，用以定量测度水资源分配均衡性，目前用的较多的指数包括基尼系数[4,9-10]、泰尔指数[11]和差异系数[12-13]。

(2) 研究区域尺度。关于水资源生态足迹均衡性的研究尺度包括国家尺度[14-15]、城市群尺度[16]、省(市)级尺度[17-18]和流域尺度[8,19]，其中研究多以省(市)和流域尺度为主，大区域尺度的研究较少，然而水资源具有很强的流动性和外部性，仅仅局限于小尺度区域难以从宏观上为节水和治水政策提供可靠建议。

综合来看，前人的水资源生态足迹研究成果为本文提供了诸多可借鉴的经验。但水资源生态足迹均衡性的研究还存在一些不足之处，大尺度区域的均衡性研究还比较少见，已有研究多为区域小尺度研究，均衡性指标也多为全局性指标，难以进行分区均衡性评价。本文即在前人的研究基础之上，构建水资源生态足迹格局模型(水资源生态压力和水资源经济效率模型)，然后通过基尼系数及其分解来分析东、中、西部大尺度区域水资源生态足迹格局的区域均衡性和均衡性的边际效应，再通过重心迁移分析来弥补基尼系数在地理要素空间分布均衡性动态分析方面的不足，阐述10 a间水资源生态足迹格局的均衡性演变趋势。

1 研究方法和数据来源

1.1 水资源生态足迹格局模型

1.1.1 水资源生态足迹模型 本文计算水资源生态足迹主要考虑水资源的淡水供给功能、水产养殖功能和水质净化功能，因此将水资源生态足迹分为3类：淡水资源生态足迹、水产品生态足迹和水污染生态足迹[20]。其中淡水资源生态足迹以工业、农业、生活用水和生态环境补水为基础，此外由于水体可同时实现水产养殖功能和水质净化功能，因此区域水资源生态足迹包含两部分：水产品生态足迹(EFwp)与水污染生态足迹(EFww)的最大值、淡水资源生态足迹(EFfw)。各类水资源生态足迹计算公式为：

EFwp=Nφ1×(ACwp/AP1)

EFww=Nφ2×(ACww/AP2)

EFfw=Nφ2×(ACfw/AP2)

总的水资源生态足迹则为：

WEF=max(EFwp+EFww)+EFfw

式中：WEF为总的水资源生态足迹(hm2)；N为人口数量；ACwp为人均水产品消耗量(t/人)；ACww为人均水污染净化需水量(m3/人)；ACfw为人均水资源消耗量(m3/人)；φ1为全球水域均衡因子，根据刘某承和李文华的测算取0.35[21]；φ2为全球水资源均衡因子，根据黄林楠的测算取5.19[3]；AP1为全球水产品平均生产能力(t/hm2)，本文取0.18 t/hm2[22]；AP2为全球水资源平均生产能力(m3/hm2)，本文取3 140 m3/hm2[3]。

1.1.2 水资源生态压力模型 为了表示各区域水资源生态承载力的容纳能力，构建水资源生态压力模型：

式中：WEFi为i省(市)水资源生态足迹；WECi为i省(市)水资源生态承载力；WESCi为i省(市)水资源生态压力；WESC为全国水资源生态压力均值。以往研究往往将区域水域扣除60%后作为水资源生态承载力的基础，但由于国家南水北调工程的实施，提高了调入城市的水资源生态承载力，因此本文以区域供水资源总量为基础，通过均衡因子、产量因子和全球水资源平均生产能力将其转换为水资源生态承载力。水资源生态压力越大，表示一定承载力条件下需要承受的水资源消耗越高，水生态容量越低；反之，则表示一定条件下需要承受的水资源消耗越低，水生态容量越高。

1.1.3 水资源经济效率模型 为了表示各地区水资源消耗对区域经济的贡献能力，构建水资源经济效率模型：

式中：GDPi为i省(市)国民生产总值；WECCi为i省(市)水资源经济效率；WECC为全国水资源经济效率均值。水资源经济效率越大，表示水资源生态足迹对区域经济贡献能力越大，水资源利用效率越高；反之，表示水资源生态足迹对区域经济贡献能力越小，水资源利用效率越低。

1.2 水资源生态足迹格局均衡性模型

1.2.1 基尼系数及其区域分解 基尼系数是衡量资源配置公平性的最常用指标之一[23]。基尼系数越小，公平性越高，根据国际惯例，基尼系数可以划分为：0.2以下、0.2～0.3，0.3～0.4，0.4～0.6，0.6以上，分别表示“绝对平均”、“相对平均”、“比较合理”、“差距偏大”和“高度不平均”。本文分别以区域水资源生态承载力和区域国民生产总值为参考因子，测算水资源生态足迹格局的基尼系数，参考戴平生、孙才志等学者的研究[24-27]，将基尼系数进行区域分解，研究总体水资源生态足迹格局均衡性与区域水资源生态足迹格局均衡性的内生关系。

总体水资源生态足迹格局基尼系数可以分解为中国各大区域基尼系数关于单位承载力承受的水资源生态足迹(水资源生态压力)或单位GDP消耗的水资源生态足迹(水资源经济效率的倒数)的加权平均值与排序差异两部分之和，分解式如下：

为分析各区域的基尼系数贡献度和边际效应，假定区域k的水资源生态足迹增加固定比例e，参考因子其他区域足迹保持不变，得到基尼系数的增量表达式：

1.3 数据来源

由于港、澳、台地区数据难以获取，本次研究区域为中国其余31个省(市、自治区)。区域工业、农业、生活用水和生态环境补水数据、区域供水数据来源于《中国环境统计年鉴》2007—2016年和《水资源公报》2006—2015年；水产品消耗量、水体污染物排放量和国民生产总值GDP数据来源于《中国统计年鉴》2007—2016年；水污染排放标准数据来源于《地表水环境质量标准GB3838—2002》；均衡因子、产量因子和全球水资源平均生产能力来源于部分参考文献[20]。

2 结果与分析

2.1 水资源生态足迹格局总体特征分析

测算得到31个省(市、自治区)的水资源生态足迹(表1)，可以看到，水资源生态足迹总量呈逐年递增的趋势，从2006年的1.721 16×109hm2增长至2015年的2.054 31×109hm2，年均增长率约为2%，2006—2012年增长较快，2012年1月，国务院印发《关于实行最严格水资源管理制度的意见》，严格管控水资源开发利用，从2013年开始全国水资源生态足迹总量增速开始放缓，水资源管理制度初见成效。从区域来看，东部地区水资源生态足迹总量最高，中部地区次之，西部地区最低，到2015年，东部地区达到了9.060 2×108hm2，中部地区为6.049 2×108hm2，西部地区为5.433 8×108hm2。水资源生态足迹最高的省份为东部地区的广东省和江苏省，两省历年均超过1.50×108hm2，广东省珠三角地区，制造业和服务业发达，产业集聚效应明显，区域耗水量极大，江苏省经济发展水平很高，工农业发达，且人口众多，工、农、生用水量大。水资源生态足迹最低的省份为西部地区的西藏自治区和青海自治区，两自治区深居内陆，降水量较少，且人口数量较小，10年间水资源生态足迹波动下降。

表1 2006-2015年中国各省(市、自治区)水资源生态足迹值及其格局 106 hm2

注：限于文章篇幅，未将所有年份数据列出。

根据水资源生态足迹格局模型测算出各省历年的水资源生态压力和水资源经济效率，将水资源生态压力低于当年均值的区域称为低压区域，反之为高压区域；将水资源经济效率为0～3万元/hm2的区域称为低效区域，3～5万元/hm2的区域称为中效区域，>5万元/hm2的区域称为高效区域。对水资源生态压力和水资源经济效率进行聚类分析，可以划分为5类：“低压—低效”，“低压—中效”，“高压—低效”，“高压—中效”，“高压—高效”(简称“低—低”、“低—中”、“高—低”、“高—中”、“高—高”)(表1)。从水资源生态压力和水资源经济效率聚类格局来看(图1)，全国各省市水资源生态格局逐步由以“高—低”、“低—低”型为主过渡到以“高—中”、“低—中”型为主。2009年以前全国呈现南北分明的格局，北部以“高—低”型为主，南部以“低—低”型为主，水资源生态高压、低压区域分布稳定，高压区域全部位于北部区域，且分布区域广大，低压区域分布在南部地区以及西藏地区，这是由于我国水资源量和降水量呈现“东多西少、南多北少”的格局造成的。水资源经济效率方面，全国绝大部分区域的经济效率均属低效；2009年以后，东北部地区逐渐由“高—低”型转为“高—中”型，南部沿海地区以及中部地区由“低—低”型逐渐转为“低—中”型，这就表示虽然南水北调工程在一定程度上缓解了北方地区的缺水状况，但北部区域的水资源生态承载力依旧较低，水资源生态压力依旧较高，但水资源经济效率开始逐步提升，形成了以北京市为核心的东北部中效区域，并逐步向南部地区拓展； 2015年，全国各省市水资源生态格局已转为东西格局，西部地区以“高—低”型和“低—低”型为主，东部地区以“高—中”型、“高—高”型和“低—中”型为主，此外可以看到“低—中”型区域从无至有，分布于中部地区和东南沿海，水资源生态压力格局不变，但水资源经济效率中效和高效区域已经占据了半数省份。图中可以看出高效区域主要集中于长江经济带、环渤海经济区、东南沿海地区和京津冀区域周边，这些区域经济发展迅猛，科技成果转化率高，此外2012年国务院印发《“十二五”全国城镇污水处理及再生利用设施建设规划》，大力推动水污染的治理，在高效经济和再生用水政策的双重驱动下，这些区域水资源生态效率不断提升。

图1 2006年、2009年、2012年、2015年中国水资源生态足迹格局特征

2.2 水资源生态足迹格局均衡性分析

2.2.1 水资源生态足迹格局基尼系数及其分解 表2为水资源生态压力基尼系数区域分解结果，可以发现，水资源生态压力总体基尼系数10年间略有上升，保持在0.380～0.395，长期逼近于0.4的均衡性警戒线，说明各地区的水资源生态足迹与水资源承载力的比配处于警戒线边缘，地区间用水差异较大。东部地区水资源生态压力基尼系数略有上升，区域水资源生态压力的差异得到抑制，这是因为国家南水北调工程的实施使得北京、天津等城市供水压力得以缓解，此外东部总体基尼系数的贡献率从2006年的0.391上升至2015年的0.448，说明东部地区水资源生态压力基尼系数的变动会对总体基尼系数影响较大。中部地区水资源生态压力基尼系数基本稳定在0.350左右，处于均衡性较为合理的阶段。西部地区历年水资源生态压力基尼系数均高于0.400，西北部地区新疆、甘肃、青海等地区水资源生态压力较大，西南部地区西藏、云南等地区水量充足，水资源生态压力较小，所以当以水资源承载力为参考时，西部地区各省水资源生态足迹均衡性较差。

东部地区水资源生态压力基尼系数的边际效应在2011年以前处于0线以下，2011年以后处于0线以上且靠近0线，说明2006—2011年，东部地区水资源生态承载力提高较快，适时地提高水资源生态足迹有助于改善总体均衡性，2011—2015年间，东部地区水资源生态承载力出现下降现象，因此需要减少水资源生态足迹才能起到改善总体均衡性的效果。中部地区水资源生态压力基尼系数的边际效应一直处于0线以下，且变动不大，说明相比较而言目前中部地区水资源生态承载力较高，提高中部地区水资源生态足迹，有助于水资源生态压力总体均衡性的改善。西部地区水资源生态压力基尼系数的边际效应一直处于0线以上，2006—2011年由0.152下降至0.071，2011年以后变动不大，由于西部地区水资源生态承载力较低，因此如果水资源生态足迹增加，水资源生态压力增大，就会导致总体基尼系数增加，使得总体均衡性降低。

表2 2006年、2009年、2012年、2015年中国水资源生态压力(WESC)基尼系数区域分解及其相关参数

表3为水资源经济效率基尼系数区域分解结果，可以发现，与水资源生态压力总体基尼系数相比，水资源经济效率总体基尼系数整体较低，说明我国水资源生态足迹与承载力配比不甚契合，与GDP配比则较为契合。水资源经济效率总体基尼系数10年间处于不断下降的状态，由2006年的0.251下降至2015年的0.199，由相对均衡提升至绝对均衡。东、中部地区水资源经济效率基尼系数变动趋势相似，均为逐步下降，东部地区由2006年的0.168下降至2015年的0.124，中部地区由2006年的0.142下降至2015年的0.124，西部地区水资源经济效率基尼系数呈波动下降的趋势，由2006年的0.278下降至0.256。中、西部地区水资源经济效率基尼系数的贡献率处于较高值，中部地区由2006年的0.542上升至2015年的0.826，西部地区贡献率虽在持续下降，但到2015年仍旧保持0.701的水平，这成为总体基尼系数保持较低水平的主要原因，而东部地区由于GDP水平很高，与东、西部地区相比，区域水资源经济效率较高，且差距还在日益扩大，因此东部地区的贡献率为负数且还有不断下降的趋势。可以看出虽然水资源经济效率总体基尼系数较低，达到了绝对均衡的状态，但此种均衡状态暗含非良性均衡，东、中、西部内部均衡性较高，但实际上大区域之间，尤其东部地区整体水资源经济效率要远高于中、西部地区，因此需要大力提高东、西部地区整体用水效率以优化总体均衡性。

表3 2006年、2009年、2012年、2015年中国水资源生态足迹经济效率(WECC)基尼系数区域分解及其相关参数

东部地区水资源经济效率基尼系数的边际效应一直处于0线以下，已由2006年的-0.744下降至2015年的-0.968，且还有不断下降的趋势，说明在东部地区GDP较高的背景下，需要相应配备较高的水资源生态足迹，才能使得总体基尼系数降低，提高总体均衡性。中、西部地区水资源经济效率基尼系数的边际效应一直处于0线以上，中部地区持续上升，由2006年的0.264提升至2015年的0.532，西部地区则一直保持在0.400左右，由于较东部地区而言，中、西部地区GDP水平较低，如果提高水资源生态足迹就会造成低效利用，降低总体均衡性。

2.2.2 水资源生态足迹格局重心迁移 图2为中国省域水资源生态压力重心迁移图，可以看出，2006—2015年水资源生态压力的重心分布在陕西省榆林市和横山县境内(109.672°—110.037°E，37.989°—38.051°N)，位于中国几何重心(103.50°E，36°N)东北部，说明我国东北部地区的水资源生态压力较大，这是由于振兴东北老工业基地战略实施后，东北部地区经济发展迅速，行业耗水量高，且区域水资源存量较低，供需矛盾尖锐。从水资源生态压力的重心迁移来看，10年间重心总体往东方迁移了27.658 km，表明目前我国水资源生态压力核心区位于东北部，管控水资源开发利用、提高水资源利用效率需要东北区域承担更大责任。

图3为水资源经济效率重心迁移图，可以看出，2006—2015年水资源经济效率的重心分布在河南省开封市辖区、郑州市辖区、新密市、原阳县、中牟县境内(113.478°—114.182°E，34.474°—35.028°N)，位于中国几何重心(103.50°E，36°N)东南部，说明我国东南部地区的水资源经济效率较高，这是由于东南部区域包含长江经济带以及整个东南沿海地区，是我国对外开放的窗口，经济发展迅速，科技成果转化率高。从水资源经济效率的重心迁移来看，10年间重心总体往西南方向迁移了81.102 km，表明西南方向水资源经济效率处于逐步提升的状态。国家西部大开发战略使得西部地区各省市经济有了较快发展，经济增幅高于水资源消耗量增幅，水资源经济效率也有了显著提升。

图2 2006-2015年中国省域水资源生态压力重心迁移

图3 2006-2015年中国省域水资源经济效率重心迁移

3 结论和讨论

3.1 结 论

(1) 全国水资源生态足迹总量呈逐年递增的趋势，年均增长率约为2%，从2013年开始国家严格管控水资源开发利用，增速放缓，水资源管理制度初见成效。从水资源生态足迹量来看，东部地区水资源生态足迹总量最高，中部地区次之，西部地区最低，经济发达产业集聚的省份耗水量较大，如广东省和江苏省，两省历年均超过1.50×108hm2。

(2) 从水资源生态压力和水资源经济效率聚类格局来看，全国各省市水资源生态格局逐步由以“高—低”、“低—低”型区域为主过渡到以“高—中”、“低—中”型区域为主。水资源生态压力保持“北高南低”格局，水资源经济效率高效区域主要集中于长江经济带、环渤海经济区、东南沿海地区和京津冀区域周边。

(3) 水资源生态压力总体基尼系数长期逼近于0.4的均衡性警戒线,地区间水资源生态压力差异较大。东部地区基尼系数略有上升，边际效应从负到正，均衡性出现恶化；中部地区基尼系数处于0.35左右，边际效应为负，均衡性合理；西部地区历年水资源生态压力基尼系数均高于0.400，边际效应一直为正，均衡性较差。

(4) 水资源经济效率总体基尼系数整体较低，说明我国水资源生态足迹与承载力配比不甚契合，与GDP配比则较为契合。水资源经济效率总体基尼系数由相对均衡提升至绝对均衡，各区域均衡性也逐渐提高，东部地区边际效应为负，中、西部地区边际效应为正，东、中、西部大区域之间的均衡性依赖于中、西部用水效率的提升。

(5) 2006—2015年水资源生态压力的重心位于地理重心东北部，且有往东迁移的趋势，我国水资源生态压力核心区位于东北部，管控水资源开发利用、提高水资源利用效率需要东北区域承担更大责任。

(6) 2006—2015年水资源经济效率的重心位于中国地理重心东南部，且有向西南部迁移的趋势，说明我国东南部地区的水资源经济效率较高，国家振兴东北老工业基地和西部大开发战略使得东北和西南地区的经济提高，该区域水资源经济效率也有了显著提升。

3.2 讨 论

(1) 缓解区域水资源生态压力。对于北方地区，重点在于降低水资源生态足迹，划定区域水资源生态压力标准值，并以此为目标层层划定区域调水量和流域取水量；对于南方地区，重点在于提高水资源承载力，提高水污染排放标准，维持区域水资源生态质量，并加强主要水系的治污工作，恢复水生态系统功能。

(2) 提高水资源经济效率。对于东南地区，建议全面开征水资源税费，2016年国家在河北开展水资源税征收试点，但目前还未全面铺开，以国家强制力全面推动节水能够驱动东南地区节水意识提升，并提高利用效率；对于西北地区，需要引进先进用水、治水技术，提高科技成果转化效率，提高用水效率，此外还要实时监测地下水水位，防止地下水被过度利用；对于西南地区，区域水量丰沛，但水污染严重影响用水经济效率，需要全面控制污染物排放，推动污染企业的推出；对于东北地区，鼓励发展高效节水的现代农业，以水定产，提高农业用水经济效率。

(3) 提高水资源生态足迹与生态承载力、经济发展的配比均衡性。目前我国水资源生态足迹与经济发展配比较为均衡，与承载力配比差异过大。对于耗水量较大的北部和西北部区域，要划定区域水资源生态压力和水资源经济效率双重标准值，落实最严格水资源管理制度，控制工、农、生用水量和流域取水量，保证用水生态与经济的配比均衡性；对于东北和东南等粮食主产区，需要推动农业规模化、产业化，引进先进农业技术，使农业用水与农业经济和区域水承载力相匹配；对于产业技术相对落后的西部地区，在引进东部工、农业技术的同时，也需要降低用水造成的水资源退化率，提高用水重复率，保证地区、行业水资源供需均衡。

本文在水资源生态足迹测算的基础上，构建了水资源生态足迹格局模型，然后通过基尼系数及其分解来分析东、中、西部水资源生态足迹格局的区域均衡性和均衡性的边际效应，再通过重心迁移分析来弥补基尼系数在地理要素空间分布均衡性动态分析方面的不足，阐述了10年间水资源生态足迹格局的演变趋势。但本文也还存在以下不足之处：(1) 在测算水资源生态足迹时，水产品生态足迹与水污染生态足迹的重叠关系没能定量测定，而将水产品生态足迹与水污染生态足迹做了取最大值处理；(2) 水资源经济效率方面仅把GDP作为区域经济衡量标准，未考虑其他经济指标；(3) 水资源生态足迹格局基尼系数模型中测定了大区域各自基尼系数和总体基尼系数，但没能定量测算出大区域之间的基尼系数。笔者将对这些不足之处进行持续的研究。

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