环鄱区水污染生态足迹的时空分异、驱动因素及用水匹配研究

胡绵好,袁菊红,陈 拉

(1.江西财经大学生态文明研究院, 江西 南昌 330013; 2.江西财经大学艺术学院, 江西 南昌 330013)

0 引言

生态足迹于1992年由加拿大生态经济学家William[1]最初提出，并于1996年由Wackernagel逐步完善[2, 3]，是表征在所需的人口和经济规模条件下，维持水资源消费和自然环境进化所必需的水资源用地面积[4]。由于该模型具有概念形象、框架明确、操作简便及普适性强等优点[5]，广受国内外学术界的关注并迅速成为研究区域可持续发展的重要方法。由于生态足迹缺乏对水资源生态足迹的系统描述和评估，众多学者通过对生态足迹进行改进，发展了水资源生态足迹模型，并以此进行了大量研究，如利用水资源生态足迹模型对六盘水市[6]、重庆市[7]、江苏省[8, 9]、河南省[10]、湖北省[11]和汾河流域[12]等水资源可持续利用的研究。水资源生态足迹是在一定的人口和经济规模条件下维系水资源消费和消纳水污染所必需的生态生产性土地面积，是将水资源相关消耗折算成水域面积，包括淡水生态足迹和水污染生态足迹[13]。其中，淡水生态足迹反映人类在生产生活过程中对水域生态系统淡水资源供给功能的占用，目前在这方面的研究成果颇多、核算方法高度相似、结果的可比性较高且容易理解；而水污染生态足迹反映人类活动排放的废弃物对水环境净化功能的占用程度[14]，目前该方面的研究虽有报道[14-17]，但由于区域经济发展水平、地理位置等差异，区域间污染物的排放类型、总量及强度等方面也会不同，加之测算方法不同，核算结果差异较大。基于此并根据数据的可获得性及区域实际污染物排放情况，本文首先核算2010—2013年环鄱区32个县(市、区)的水污染生态足迹并分析其时空特征，然后结合LMDI模型分析影响环鄱区32个县(市、区)水污染生态足迹时空差异的驱动因素，并通过泰尔指数探讨其水污染足迹的区间和区内差异，最后从经济和生态视角构建环鄱区32个县(市、区)用水匹配指数并从总体上对环鄱区各县(市、区)的水资源利用情况进行判断，以期为环鄱区的水生态持续发展、水资源合理利用和水污染管控提供参考依据，为环鄱区各县(市、区)用水分配相关政策的制定提供科学理论依据。

1 研究区概况

环鄱区(即鄱阳湖生态经济区简称)位于江西省北部，是以鄱阳湖为核心，以鄱阳湖城市圈为依托，以保护生态、发展经济为重要战略构想的资源型经济特区，是长江三角洲、珠江三角洲、海峡西岸经济区等重要经济板块的直接腹地，是中部地区正在加速形成的增长极之一。环鄱区包括南昌、景德镇、鹰潭3市以及九江、新余、抚州、宜春、上饶、吉安市的部分县(市、区)，共38个县(市、区)，国土总面积为5.12万km2，占江西省总面积的30.7%；2012年地区生产总值7627亿元，占全省59%，年末总人口2107万，占全省44%。近年来，随着经济社会的高速发展，环鄱区用水量不断增加，区域内水资源浪费和水环境污染等现象严重，导致水资源超负荷开发利用。在江西省人口相对密度较大、创造经济总量更高的情况下，如何从区域水资源供需问题出发，实现水资源的合理使用和高效配置，促进区域的可持续发展，是环鄱区生态建设发展必须解决的重要问题。根据数据的可获取性及研究需要，本文将东湖区、西湖区、青山湖区、青云谱区和湾里区合并为南昌市区；昌江区和珠山区合并为景德镇市区；庐山区和浔阳区合并为九江市区；月湖区、渝水区和临川区分别称为鹰潭市区、新余市区和抚州市区；最终将38个县(市、区)在保留行政边界的基础之上划分为32个县(市、区)域单元作为研究对象(图1)。

图1 江西省环鄱区位置示意图

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 水污染生态足迹计算模型

水污染生态足迹指为吸纳一定人口产生的水体污染物所需要的水资源用地面积[18]，本文选取环鄱区具有代表性的化学需氧量(COD)和氨氮(NH)污染指标进行分析，其污染生态足迹模型[18]如下：

EFCOD=CCOD/PCOD；EFNH=CNH/PNH；

EFwp=max(EFCOD,EFNH)

(1)

式中：EFCOD、CCOD、PCOD、EFNH、CNH和PNH分别表示化学需氧量污染水生态足迹(×104hm2)、排入水体化学需氧量(t)、水域消纳化学需氧量全球平均能力(t/hm2)、氨氮污染水生态足迹(×104hm2)、排入水体氨氮总量(t)和氨氮全球平均能力(t/hm2)；EFwp表示水污染生态足迹(×104hm2)，且取化学需氧量污染水生态足迹和氨氮污染水生态足迹最大污染足迹为水污染生态足迹。

水质标准中Ⅲ类水基本能维持水体的生态服务功能，劣Ⅲ类水的水体生态服务功能将衰退或丧失[19]。根据《GB 3838-2002地表水环境质量标准》中规定的Ⅲ类水质标准中化学需氧量≤ 20mg/L、氨氮≤ 1.0mg/L，1m3水资源量相当于0.000318hm2水资源用地，由此可通过水资源全球平均生产能力转换计算出水域消纳化学需氧量(PCOD)和氨氮的全球平均能力(PNH)分别为0.062893t/hm2、0.003145t/hm2[20]。

2.1.2 LMDI因素分解模型

对数平均迪氏指数法(LMDI)是定量测度不同因子对研究对象影响程度及驱动力分析且适用广泛的指数分解方法，其具体模型[21]如下：

(2)

式中：EFwp为区域水污染总生态足迹(×104hm2)；EFwpt为第i地区第t年水污染生态足迹(×104hm2)；T为区域国内生产总值；P为区域人口数；Si为第i地区第t年水污染生态足迹占总水污染生态足迹的比重，表示区域产业结构经济结构；I为单位国内生产总值的水污染生态足迹，表示区域技术水平；G为区域人均国内生产总值，表示区域经济发展水平。

根据(2)式，设基准年与第t年的水污染生态足迹分别为EPwpi0和EFwpit，从基准年到第t年的区域水污染生态足迹的变化值 ΔEFwpi为[22]：

ΔEFwpi=EFwpit-EFwpi0=ΔSi+ΔP+ΔG+ΔI

(3)

ΔSi=qi×lnSit/Si0

(4)

ΔP=qi×lnPt/P0

(5)

ΔG=qi×lnGi/G0

(6)

ΔG=qi×lnIt/I0

(7)

式中： ΔSi为结构效应； ΔP为人口效应； ΔG为经济效应； ΔI为技术效应；qi为加权因子。

如果以上因素分解效应值为正数，则表明该因素效应对水污染生态足迹变化值具有推动作用，将加剧水资源环境的污染；反之则表明该因素效应对水污染生态足迹变化值具有抑制作用，将减缓水资源环境污染。

2.1.3 泰尔指数及其分解

泰尔(Theil)指数是一种测度区域间经济差异且可将总体差异分解为区内和区间差异的方法，其计算公式[23]为：

(9)

式中：T为环鄱区泰尔指数；N为样本个数；σ为水污染生态足迹的平均值；xj为第j个样本的水污染生态足迹。

T值越小， 表明区域间水污染生态足迹的差异越小， 反之越大。 泰尔指数的分解公式[23]如下：

(10)

式中：TIntra-R表示地区内的差异；Tinter-R表示地区间差异；n为区域个数；pj为第j个区域样本个数占总体样本个数的份额；Tj为第j个区域的泰尔指数；εj为第j个区域水污染生态足迹占环鄱区水污染生态足迹的比例。

泰尔指数的贡献率为：

TDCRIntra-R=TIntra-R/T；TDCRInter-R=TInter-R/T

(11)

式中：TDCRIntra-R为泰尔指数地区内差异贡献率，TDCRInter-R为泰尔指数地区内差异贡献率。

2.1.4 用水匹配指数

匹配指数是指区域的评价指标贡献率和用水量贡献率的比值，计算公式[24]：

(12)

式中：MIj代表用水匹配指数；EIij代表第i个区域j指标的取值；EIj代表环鄱区j指标的取值；Wi代表第i个区域的用水量；W代表环鄱区的用水量。

2.2 数据来源

根据《城市规划法》分类，将环鄱区分成人口>50万的大城市(包括南昌市区、南昌县、新建县、进贤县、乐平市、九江市区、都昌县、新余市区、贵溪市、丰城市、樟树市、高安市、抚州市区、余干县和鄱阳县)，人口在20～50万的中等城市(包括景德镇市区、浮梁县、九江县、武宁县、永修县、星子县、湖口县、彭泽县、瑞昌市、鹰潭市区、余江县、新干县、东乡县、万年县)和人口<20万的小城市(包括安义县、德安县、共青城市)。基于数据的可得性及科学性，本研究中的各数据均来源于《2009—2013年鄱阳湖生态经济去统计年鉴》。

3 实证分析

3.1 环鄱区水污染生态足迹的时空演变分析

为了摸清2010—2013年环鄱区人均水污染生态足迹的时空演变，了解其时空分布情况，采用ArcGIS10.1空间计量软件的自然断点法对环鄱区人均水污染生态足迹划分为高值区(>1.0)、较高值区([0.8, 1.0))、中值区([0.6, 0.8))和低值区(<0.6)四个等级(图2)。由图2可知，2010—2013年环鄱区人均水污染生态足迹在各县(市、区)具有明显的差异演变特征。2010年环鄱区处于高值区的城市1个、较高值区1个、中值区1个、低值区29个；2011年环鄱区处于高值区的城市16个、较高值区5个、中值区4个、低值区7个；2012年环鄱区处于高值区的城市6个、较高值区3个、中值区9个、低值区14个；2013年环鄱区处于高值区的城市3个、较高值区5个、中值区12个、低值区12个。研究期间环鄱区小城市的人均水污染生态足迹明显高于中等城市和大城市，这可能因为小城市的农业和传统工业所占比重较大，而导致单位人类活动排放的污染物量较大城市和中等城市要多。

图2 2010—2013年环鄱区人均水污染生态足迹变化

由图3可知，研究期间环鄱区大城市的人均水污染生态足迹等级由2010年单一低值区城市格局(15个)演变为2013年的较高值区(4个)、中值区(5个)和低值区(6个)城市格局；中等城市由2010年较高值区(1个)、中值区(1个)和低值区(12个)格局演变为2013年的高值区(3个)、较高值区(1个)、中值区(4个)和低值区(6个)均存在的城市格局；小城市由2010年高值区(1个)和低值区(2个)格局演变为2013年的单一中值区(3个)城市格局。2011和2012年环鄱区各城市类型均存在高值区的人均水污染生态足迹等级(图3)，这说明环鄱区这两年过分注重经济发展，而对环境保护力度不够，本研究结果与刘满凤和谢晗进[25]的研究报道一致。

图3 环鄱区各城市类型的人均水污染生态足迹等级变化比较

3.2 环鄱区水污染生态足迹差异变化的驱动因素分析

以2010年为基年，运用LMDI法进一步探讨环鄱区水污染生态足迹变化的驱动因素，各驱动因素分解及其贡献见图4和表1。由图4和表1可知，2010—2013年，人口效应、经济效应和水污染生态足迹技术效应总体上对环鄱区水污染生态足迹的增长呈现正效应(图4B、4C和4D)，而水污染生态足迹结构效应在环鄱区不同地区有正、负两种效应(图4A)；其中技术效应贡献最大(贡献度高达60%以上)，其次分别为经济效应、结构效应和人口效应(表1)。研究期间，结构效应在南昌市区、新建县、乐平市、九江市区、新余市区、丰城市和抚州市区等大城市，景德镇市区、永修县、湖口县、瑞昌市和鹰潭市区等中等城市，德安县和共青城市等小城市中起负效应(图4A)，这说明完善水污染结构可在一定程度上缓解这些地区水污染生态足迹的增长。人口效应在大城市—新建县起负效应(图4B)，技术效应在小城市—共青城市起负效应(图4D)。由表1还可知，2010—2013年大城市通过技术效应影响环鄱区水污染生态足迹的变化(累计贡献率达50% 以上)，中等城市主要通过结构效应影响环鄱区水污染生态足迹的变化，小城市通过经济效应影响环鄱区水污染生态足迹的变化。

图4 2010—2013年环鄱区水污染生态足迹分解效应

表1 环鄱区水污染生态足迹各分解效应的贡献度(%)

3.3 环鄱区水污染生态足迹的区域差异分析

由表2可知，2010—2013年环鄱区水污染生态足迹的Theil指数呈波动下降趋势，区域内Theil指数呈下降趋势，区域间呈波动下降趋势，这说明研究期内环鄱区的水污染生态足迹的差异在减小。2010、2011、2012和2013年环鄱区水污染生态足迹的Theil指数分别为0.224410、0.183047、0.253473和0.109534，区域内Theil指数分别为0.237483、0.182383、0.124569和0.109166，区域间Theil指数分别为-0.013073、0.000664、0.128904和0.000368。2010、2011和2013年环鄱区水污染生态足迹差异在区域内变化较大(贡献率达99%以上)，而2012年差异在区域内和区域间变化都较大，其中区域间变化较区域内稍大。

2010—2013年大城市和中等城市水污染生态足迹的区域内差异要明显高于区域间差异，且大城市在2011、2012和2013年的水污染生态足迹Theil指数为负数(表2)，说明这三年大城市水污染生态足迹差异区域较为集中；而中等城市在2010和2012年Theil指数为负数，说明这两年中等城市水污染生态足迹差异区域较为集中。小城市在2010和2011年是区域内差异高于区域间差异，而在2012和2013年为区域间差异高于区域内差异(表2)。从区域差异的贡献率来看(表2和图5)，除2012年外，大城市的贡献率占主要地位，高达72.88%，最高为中等城市的2.5倍、小城市的45倍；而2012年小城市的贡献率占主要地位，高达53.59%，约为大城市的1.6倍、中等城市的4.4倍；表明环鄱区水污染生态足迹的差异程度主要由人口较多的大城市造成。

表2 环鄱区水污染生态足迹泰尔指数及区域分解

图5 2010—2013年不同城市等级对环鄱区水污染生态足迹差异的贡献率

3.4 环鄱区各区域用水量与经济、生态的匹配情况分析

由公式(12)计算得到环鄱区32个县(市、区)的经济—用水量匹配指数和水污染生态足迹—用水量匹配指数(表3)，由表3可知：

(1) 环鄱区经济发展与各县(市、区)用水的匹配情况：2010年环鄱区32个县(市、区)有 10个县(市、区)的匹配指数>1，如大城市有5个(南昌市区、九江市区、新余市区、贵溪市、樟树市)，中等城市有3个(景德镇市区、瑞昌市、鹰潭市区)，小城市有2个(德安县、共青城市)；2011—2013年有 9个县(市、区)的匹配指数>1，其中2011年大城市有3个、中等城市有4个、小城市有2个，2012年大城市有4个、中等城市有3个、小城市有2个，2013年大城市有4个、中等城市有4个、小城市有1个(表3)。2010—2013年环鄱区经济发展与各县(市、区)用水匹配情况稳定的有3个大城市(南昌市区、新余市区、贵溪市)、3个中等城市(景德镇市区、瑞昌市、鹰潭市区)和1个小城市(共青城市)。这说明研究期间环鄱区32个县(市、区)中这7个县(市、区)的水资源经济效益较好，或者说这些地区的水资源与其它生产要素的共同投入能够产生相对较多的社会期望产品。另外，多数县(市、区)的匹配指数较低，经济发展与用水的匹配性较差(表3)。

表3 环鄱区各区域用水与经济、生态的匹配情况

(2) 环鄱区生态状况与各县(市、区)用水的匹配情况：2010年环鄱区32 个县(市、区)中有18 个县(市、区)的匹配指数<1，其中大城市有11个(南昌县、进贤县、九江市区、都昌县、贵溪市、丰城市、樟树市、高安市、抚州市区、余干县、鄱阳县)、中等城市6个(永修县、星子县、彭泽县、余江县、新干县、万年县)、小城市1个(安义县)；2011年有15个县(市、区)的匹配指数<1，其中大城市有7个、中等城市7个、小城市1个；2012年有16个县(市、区)的匹配指数<1，其中大城市有10个、中等城市5个、小城市1个；2013年有16个县(市、区)的匹配指数<1，其中大城市有9个、中等城市3个、小城市3个。2010—2013年环鄱区生态状况与各县(市、区)用水匹配情况稳定的有5个大城市(九江市区、贵溪市、丰城市、抚州市区、余干县)和1个小城市(安义县)。说明研究期间环鄱区32个县(市、区)中这6个县(市、区)的水污染足迹比例小于本身用水的比例，其生态状况与用水的匹配性较好。另外，环鄱区将近有一半的县(市、区)水污染生态足迹比例大于自身的用水比例，生态状况与用水的匹配性较差。

为了进一步分析各县(市、区)用水分配的差异性及公平性，根据经济—用水量匹配指数和污染足迹—用水量匹配指数将环鄱区32个县(市、区)分为4类(表4)，研究期间具体划分类型如下：

表4 环鄱区经济发展、自然资源与用水量匹配的公平性评价矩阵

(1) 经济效益与生态效益双强型。研究期间九江市区、贵溪市、樟树市和共青城市的经济—用水量匹配指数>1，污染足迹—用水量匹配指数<1，且多集中于大城市。说明这些地区经济发展的贡献率较用水量的贡献率要高，水资源利用效率较高，较重视水污染的防治工作，即经济发展与资源消耗较协调，这为环鄱区其它地区的水资源的开发利用及其生态环境的保护起到示范作用。

(2)经济效益优于生态效益型。南昌市区、新余市区、景德镇市区、鹰潭市区、瑞昌市、德安市等地区的经济—用水量匹配指数>1，污染足迹—用水匹配指数也>1，且以中等城市居多。说明这些地区经济发展的贡献率虽高于用水量的贡献率，但其经济发展的成果远超用水消耗量且水污染物足迹的比例也远超本身用水量的比例，损害其它地区用水的生态效益，公平性较差。因此，应通过产业结构和水资源消耗结构调整，来提高水资源的绿色利用效率，促使水资源与地区消耗相协调，从而提高地区用水的相对公平性。

(3)生态效益优于经济效益型。南昌县、进贤县、都昌县、丰城县、余干县、新干县等地区经济—用水量的匹配指数<1，污染足迹—用水量的匹配指数也<1，且以大中等城市为主。说明这些地区经济发展的贡献率较用水量的贡献率要小，经济发展虽以水资源的过度消耗为代价并损害了其它地区用水的相对收益，但其水污染物足迹的比例小于用水量的比例。因此，这些地区在经济发展和资源开发与环境保护同时，需提高其用水效率，促使经济发展与水资源消耗相协调。

(4)经济效益与生态效益双弱型。新津县、乐平市、浮梁县、九江县、东乡县、万年县等地区经济—用水量匹配指数<1，污染足迹—用水量的匹配指数>1，且以大中等城市为主。说明这些地区在经济发展和生态领域方面的用水量较大，用水的经济和生态效率相对较低，用水的公平性较差。因此，应进一步加强对这些地区水资源经济和生态效益“双弱”原因的调研，并针对不同原因，提出相应的改善措施；引导其在经济加快发展的同时，关注水资源开发利用与生态环境保护，逐步落实“资源节约型和环境友好型社会”建设。

4 结论

(1)研究期间环鄱区各城市人均水污染生态足迹具有明显的差异演变特征，且小城市的人均水污染生态足迹明显高于中等城市和大城市；其中技术效应是导致大城市水污染生态足迹降低的关键因素，结构效应在缓解中等城市水污染生态足迹中起到一定的作用，经济效应是小城市水污染生态足迹增长的主要原因。

(2)研究期间环鄱区水污染生态足迹的Theil指数区域内呈下降趋势，区域间呈波动下降趋势；其中大城市和中等城市水污染生态足迹的区域内差异明显高于区域间差异，而小城市在研究前期为区域内差异高于区域间差异，而研究后期为区域间差异高于区域内差异。

(3)从经济和生态视角分别构建用水匹配指数，通过指数矩阵对环鄱区32个县(市、区)水资源消耗公平性评价说明，研究期间环鄱区多数县(市、区)的经济发展、生态状况与用水匹配性较差；经济与生态效益双强型县(市、区)仅4个(多为大城市)，而多数县(市、区)为生态效益单强型或经济效益与生态效益双弱型(多为大城市和中等城市)，其中小城市多以经济效益单强型为主。