经济快速增长背景下喀斯特石漠化地区植被生态用水增长分析

2021-11-08杨胜天张利平管亚兵王兆夺张西彤

中国水土保持科学 2021年5期

陈珂, 杨胜天，张利平，管亚兵，王兆夺，张西彤

(1.黄冈师范学院地理与旅游学院， 438000，湖北黄冈；2.北京师范大学水科学研究院， 100875，北京；3.武汉大学水利水电学院， 430072，武汉)

喀斯特石漠化地区，由于特殊的地质结构和植被破坏[1]，导致降水很快渗漏流失[2]，在经济快速发展的西南喀斯特地区，面临着保障生产生活用水与植被生态用水的双重压力[3-4]。为有利于当地生态恢复工作的有序推进，有必要对植被生态用水的增长潜力展开深入研究。

苏维词[5]在对我国西南喀斯特山区生态需水问题研究后指出，可以通过增加植物生态需水的供应量来确保植被生态系统的健康发展；杨胜天[6]提出应结合喀斯特石漠化地区生态恢复的需要，展开对“蓝-绿水”转化的研究；陈珂等[7]基于遥感估算和实地调查后认为，可以通过将喀斯特石漠化地区渗漏的难利用蓝水(地表和地下径流)转化为植物生长代谢用的绿水，实现当地植被生态的恢复。Zaree等[8]对伊朗喀斯特山区研究后指出，喀斯特地区赋存的地下水是人类宝贵的水资源，在面临人口和经济增长压力的背景下，勘明地下水补给潜力至为重要。Zou等[9]认为由水资源不足导致的生态环境问题已经影响了中国西南喀斯特地区的社会经济发展，并提出采取农林优化套种来提高水资源利用效率。Zhou等[10]研究指出，在社会经济增长较快的2001—2015年间，贵州省通过提高工业用水效率和控制水土流失，是实现水资源安全的关键。

可见，目前学术界对通过蓝-绿水转化实现喀斯特石漠化地区生态恢复已有一定共识，也已认识到社会经济快速增长的背景下，喀斯特地区水资源利用的重要性，但关注当地生产生活用水与植被生态用水之间关系的尚不多。为有利于喀斯特石漠化地区生态、经济可持续发展，有必要对其经济快速发展背景下的生态用水增长潜力展开研究。以贵阳市为例，依托水资源、社会经济和土地利用统计数据，采用纵向比较与横向比较相结合的方法，结合获取数据情况，分析当地经济增速相对较快的2003—2013年间，生产生活用水与生态用水之间的消长关系，并借助遥感技术手段，探索喀斯特石漠化地区生态用水的增长潜力。

1 研究区概况

贵阳市位于贵州省中部，总面积约为8 034 km2，全区域均为重度石漠化地带，植被生态系统较为脆弱[11]。近年来贵阳市依托大数据产业的支撑和带动，经济发展迅速，水资源和生态环境承受较大压力[12-13]，当地行政主管部门面临着协调生产生活用水与生态用水的严峻挑战。

根据2003—2013年的《贵阳统计年鉴》[13]数据，期间贵阳市平均GDP增速为18.59%、年际最高增速达23.66%，经济增长较为快速。2013年贵阳市工业用水量约为4.38亿m3，约占常年平均水资源量的10%，农业用水量为2.85亿m3，约占常年平均水资源量的5%。2013年贵阳市城镇生产生活用水量(含耗水量)总计为10.46亿m3，约占当年水资源总量33.577亿m3的31.15%，约占多年平均水资源量45.15亿m3的23.17%，表明水资源量能够有效支撑全市的经济发展(表1)。

表1 贵阳市2013年综合耗用水量统计Tab.1 Comprehensive water consumption statistics of Guiyang city in 2013 108 m3

根据《贵阳市水资源公报》[14-15]数据，当地多年平均降水量达1 095.7 mm，2003年和2013年全市平均降水量基本持平(表2)，便于对水资源利用变化的研究。

表2 贵阳市降水量各行政区统计表Tab.2 Precipitation statistics of each administrative district of Guiyang city mm

贵阳市境内石漠化敏感地带分布较为广泛，土层较薄，极易引发水土流失[16]，致使降水进入岩溶孔隙后更容易以径流(蓝水)的形式大量流走[17]。根据生态水文学蓝水绿水理论，陆地降水由参与蒸散发的绿水(植被生态用水)和以径流形式流走的蓝水2部分组成[18]，如果降水大量渗漏流失，必然导致原本应参与蒸散发过程的植被生态用水大幅减少。对于这部分难以直接开发利用的渗漏蓝水，相关研究指出，可以通过渗漏前的植被截留和小水池截留灌溉等措施，转化为生态用水[19]。

2 数据来源

本研究所采用的水文水资源统计数据均来源于贵阳市水务局水资源公报和成都市水务局水资源公报，社会经济数据来自《贵阳统计年鉴》[13]，植被覆盖度数据以及土地利用数据来自于对MODIS遥感产品的反演，统计数据资料年限为2003—2013年。

3 贵阳市水资源利用现状

3.1 贵阳市可利用水资源现状

根据《贵阳市水资源公报》[15]，贵阳市2013年水资源总量为33.577亿m3，年径流量为417.9 mm，较多年平均水资源量45.15亿m3偏少25.6%，比上一年偏少33.1%，属偏枯年份，全年人均水资源量743 m3。供水总量与用水总量持平，均为10.46亿m3；2013年贵阳市地下水资源量为11.969亿m3，约占全市水资源总量的35.65%。

根据《贵阳市水资源公报》[15]，2013年贵阳市10座大、中型水库年末蓄水量为29.91亿m3，其中大型水库5座，总库容量45亿m3，2013年末蓄水量为28.76亿m3，中型水库5座，2013年末蓄水量1.15亿m3。

综合以上数据可见：

1)在降水偏少的2013年，贵阳市用水总量约占水资源总量的31.15%，可开发利用空间巨大；

2)贵阳市2013年地下水资源量约为全市水资源总量的35.65%，具有较大开发利用潜力；

3)截至2013年末，贵阳市大中型水库蓄水量为29.91亿m3，现实可利用的水资源较为丰富。

总体而言，贵阳市地处亚热带湿润气候带，可利用水资源量相对丰富。

3.2 贵阳市水资源利用现状

根据《贵阳市水资源公报》[15]，贵阳市2013年常住人口为448.68万人，人口密度为558.5人/km2，人均水资源量为743 m3。

为方便对水资源占有量的直观比较，本研究将降水条件与贵阳市相似、同为西南地区的成都市与贵阳市进行对比。根据《成都市水资源公报》[20]，成都市总面积12 121 km2，2013年常住人口1 429.76万人，人口密度为1 179.6人/km2，多年平均降水量为991.8 mm，与贵阳市多年平均降水量1 095.7 mm接近。2013年成都市降水量1 333.19 mm，水资源总量为101.57亿m3，人均水资源占有量约710 m3；贵阳市2013年水资源总量为33.577亿m3，人均水资源量为743 m3。2市2013年人均水资源量值接近。但如果将2市水资源总量按面积来平均，不难发现，贵阳市每km2水资源量为417 936.27 m3，约为成都市837 967.17 m3/km2的1/2，因此贵阳市按单位面积平均的水资源量远低于降水条件相似的成都市(表3)，考虑到贵阳市作为经济欠发达地区，未来随着经济发展对人口的吸附作用，对水资源开发利用的压力将进一步加剧，因此植被生态用水的增长不应对生产生活用水造成影响为宜。

表3 成都市与贵阳市2013年国土、人口及水资源量数据对比Tab.3 Comparison of land, population and water resources data between Chengdu and Guiyang in 2013

为了进一步分析贵阳市水资源利用的潜力，通过对比2003—2013年间贵阳市年度水资源量和用水量数据发现，当地每年的水资源量随着降水量的年度变化有较大差异，但用水量变动幅度较小，2008年以来每年用水量维持在10.23亿m3左右。例如，贵阳市2011年的水资源量仅为27.08亿m3，2011年用水量为10.15亿m3；2012年的水资源量高达50.21亿m3，而用水量也仅为10.10亿m3。贵阳市2003—2013年水资源量和用水量分别参见图1。

图1 贵阳市2003—2013年水资源量和用水量变化情况Fig.1 Water resources and usage of Guiyang from 2003 to 2013

此外，通过对比贵阳市和成都市2013年用水量占多年平均水资源总量的比例发现，成都市2013年用水量占多年平均水资源总量的比例为62.76%(表4)，高出贵阳市(23.17%)将近40百分点，反映了贵阳市对水资源利用的比例相对偏低，表明贵阳市水资源利用量具有较大的提高潜力。从2市地下水量占水资源总量的比例(表4)来看，成都市为27.78%，贵阳市为35.65%，贵阳市地下水量占水资源总量比例高出成都市约8百分点，一方面反映了贵阳市降水渗漏的严重性；另一方面也反映出贵阳市提高水资源利用量的巨大潜力。

表4 成都市与贵阳市2013年地下水量和用水量情况Tab.4 Ratios of groundwater volume and water consumption between Chengdu and Guiyang in 2013

从用水量的行业去向来看(表5和表6)，贵阳市2013年工业用水量约为4.379亿m3，占用水总量的41.86%，其次为农业用水量2.854亿m3，占27.28%，生活用水量为1.743亿m3，占16.67%；而从水资源耗用量来看，全市2013年耗水量仅为4.1亿m3(表1)，相对于当地庞大的水资源量，也反映出较低的水资源开发利用现状。由于工业生产用水循环再生的特点，导致其耗水量仅为0.9亿m3，反而是农业生产耗水量高达1.629亿m3；而且通过表1数据中贵阳市生态环境用水量占比偏低的现状，从侧面反映了未来提高水资源利用量的潜在方向。

分析贵阳市各行政区2013年耗用水量统计表(表5)发现，2013年贵阳市水资源按利用量从大到小排列依次为工业、农业、生活以及其他。从水资源总体利用的情况来看，按全市每年不到11亿m3的用水量(包括生产、生活用水，以及火电、林渔、生态环境等其他用水，表1)，水资源利用量不足常年水资源总量的25%；此外《贵阳市水资源公报》[15]数据显示，当地难以直接利用的地下水资源量年均达13.6亿m3。而同期与贵阳市降水条件相似的成都市用水量达54.02亿m3，占其当年水资源总量101.57亿m3的一半还多，其中生态用水量(河道外)为1.11亿m3，占总用水量的2.05%。根据《贵阳市水资源公报》[15]提供的数据，2013年全市生态环境用水0.14亿m3，占贵阳市2013年用水总量10.63亿m3的1.32%，占当年水资源量的0.42%，占多年平均水资源量的0.31%。因此，贵阳市水资源利用量尚有很大提高空间，尤其在生态用水方面。

表5 贵阳市各行政区2013年耗用水量统计Tab.5 Water consumption statistics of each administrative district of Guiyang in 2013 108 m3

通过以上分析发现：

1)地区间的横向对比显示，贵阳市对水资源的利用效率或比例相对较低；

2)贵阳市相对较高的地下水比例，也反映了当地提高水资源利用量的巨大潜力；

3)对不同行业间用水量的纵向和横向对比发现，生态用水比例偏低，且未来提升的可能性较大。

4 贵阳市生态用水的增长潜力

鉴于贵阳市2013年水资源利用量占常年平均水资源量的比例不足25%，远低于人均水资源占有量相近的非喀斯特地区成都市，而且生态环境用水量仅为降水条件相似的成都市的1/8，因此，贵阳市生态用水量具有相当的增长潜力。为量化分析贵阳市生态用水的增长潜力，还需对各行业用水的变化趋势展开深入分析。

4.1 水资源利用的行业变化趋势

分析某一地区水资源利用的潜力，除了考察现有水资源总量和利用量外，还需要从历史发展的脉络来分析各行业对水资源的需求趋势，以及水资源用于该行业的现实可得性。首先，将2003年至2013年工业、农业、生活、火电用水以及林牧、公用、生态环境等其他用水情况汇总如表6所示。

表6可见，从2003—2013年，贵阳市工业和农业用水总体上呈缓慢下降的趋势，火电用水总体上呈逐年急遽下降趋势，而生活用水呈缓慢上升后回落的特点。期间城镇公用部分对水资源的利用，在2011年之前总体呈缓慢上升趋势，在2011年后呈急遽上升态势，应是受非正常因素影响；林牧渔畜用水总体上呈缓慢下降趋势；生态环境用水除2013年有所下降外，其他年份呈缓慢稳定上升趋势。

根据2003—2013年的《贵阳统计年鉴》[13]， 2003—2013年间贵阳市国内生产总值(GDP)增长约5.47倍，常住人口仅增长约1.55倍，增速明显低于GDP增速；但工农业用水总体上呈下降趋势(表6和图2)，原因既可能与生产效率提高有关，也可能与产业结构调整有关；其中生活用水量缓慢上升，增幅仅为1.1倍，滞后于人口增长。

表6 贵阳市主要用水行业水资源利用情况Tab.6 Utilization of water resources in the main water industries of Guiyang 108 m3/a

图2 2003—2013年贵阳市国内生产总值(GDP)和人口变化趋势Fig.2 Trend of population change and gross domestic product (GDP) of Guiyang from 2003 to 2013

结合表6和图2的水资源利用变化趋势综合分析，短期内工业、农业、及林牧渔畜业用水量不可能出现上升或大幅异常变化；随着城市的扩张，城镇公用部分对水资源的需求虽可能呈快速增长的趋势，但会受区域人口通常不可能短期激增的制约。唐爱筑[21]的研究显示，2014年城镇公共用水量为1.131亿m3，2015年城镇公共用水量为1.137亿m3，相比较2013年的1.1亿m3、 2012年的0.78亿m3和2011年的0.29亿m3，增长趋势逐年减缓(图3)。

图3 贵阳市城镇公共用水量变化趋势图Fig.3 Trend of urban public water consumption in Guiyang

在我国西南喀斯特地区，由于历史上的植被破坏，导致生态用水量大幅降低。根据《成都市水资源公报》[20]，2013年成都市河道外生态用水量达1.11亿m3，占当年用水总量的2.05%，是贵阳市的7.93倍，考虑到成都市国土面积约为贵阳市的1.5倍，受益于国家生态恢复政策，贵阳市生态用水量应有良好的增长预期。从社会发展角度，随着经济和生活水平的提升，政府及个人对生态环境改善的意愿将逐年增强[22]，因此生态用水量存在较快增长的可能。

总体而言，2003—2013年间贵阳全市工业和农业(含林牧渔畜)用水呈缓慢下降的趋势；火电用水呈逐年急遽下降趋势；城镇公共用水和生活用水虽然呈缓慢波动上升的趋势，但其未来增长受人口制约而不可能大幅增长；生态环境用水呈缓慢稳定上升的趋势，且随着居民对改善生态环境意识的提高，具有良好的增长预期。即生态环境用水的大幅增长不会引起行业用水竞争。

4.2 生态用水增长潜力

此前，陈珂等[7]对贵阳市非城镇地区蓝水绿水转化研究后认为，通过增加植被覆盖的方式，可以实现将渗漏的难利用蓝水转化为可供植被生长利用的绿水，从而实现在不影响生产生活用水的前提下提高生态用水量。但是对于当地蓝水绿水所占降水比例而言，植被生态用水(绿水)具体有多大的增长空间，还需要对水资源的构成作进一步的分析。

生态水文学蓝水绿水理论认为，全球降水的65%通过森林、草地、湿地和雨养农业的蒸散作用返回到大气中，成为绿水；仅有约35%的降水储存于河流、湖泊以及陆地含水层中，成为蓝水[23]；越是在降水丰沛的湿润地区，绿水(植被生态用水)占降水的比例越高；干旱地区绿水占降水的比例通常不超过30%；而在湿润地区，该比例一般都在65%以上[24]。根据2013年《贵阳市水资源公报》[15]数据，贵阳市2013年的降水量为937.2 mm(约75.29亿m3)，径流量(蓝水)为33.58亿m3，因此，2013年绿水资源量应为：75.29亿-33.58亿=41.71亿m3，2013年绿水总量占降水比例为55.39%。同理，可求得2003年和多年平均绿水资源占降水比例分别为：43.46%和48.71%。通过对比贵阳市蓝水绿水量的计算结果发现，无论是2003年还是2013年，贵阳市绿水占降水的比例都大幅低于全球65%的平均比例，而且多年平均值低于全球平均值多于16百分点(表7)。

表7 贵阳市蓝水绿水构成情况Tab.7 Composition of blue water and green water in Guiyang City 108 m3

综上可见，增加植被覆盖度，是将喀斯特地区渗漏的难利用蓝水转化为绿水的重要途径；而贵阳市绿水占降水的比例，无论是初始年、现状年、还是多年平均值，均大幅低于全球平均水平。根据蓝水绿水理论，对位于湿润气候带的区域而言，绿水占降水的比例理论上应高于全球平均值；因此，作为喀斯特石漠化典型区的贵阳市，生态用水(绿水)量具有良好的增长潜力。

5 讨论

提高喀斯特石漠化地区水资源利用量，是生态水文学研究的热点问题[25-26]，根据土壤-植物-大气连续体(soil- plant- atmosphere continuum，即SPAC)原理，陆地水循环贯穿于土壤、植物和大气3大环节[27]，鉴于当前技术条件下，人力难以改变大气过程，但可以通过改变土壤和植物等下垫面条件，对水循环进行调节；因此，在相对湿润的西南喀斯特石漠化地区，理论上应可以通过增加植被覆盖，从生态用水的角度提高水资源利用量。

杨胜天等[28]通过实地观测发现，从贵州中部喀斯特地区的植被生态需水结构来看，农用地最大，林地和草地相对较小。温志群等[11]通过在贵阳市的蒸散发实验指出，随着喀斯特地区生态的恢复，将会有更多的降水转化为绿水。近期Liu等[29]基于WEP岩溶模型研究后认为，在我国西南喀斯特地区，树木和其他植物的蒸腾量占了蒸散量(绿水)的51%。故可结合当地对生态环境的改善需求，在地形地貌条件允许的区域大规模恢复林草植被，通过增加绿水占降水的比例来提高水资源利用量。至于种植何种树种和草种，能够获得更好的生态用水效果，尚需要更深入的研究。

从生态用水增长的适用空间上看，2013年的《贵阳统计年鉴》[13]数据表明，当年全市森林面积约为3 633.33 km2，森林覆盖率约为44.2%(注：未发布植被盖度数据)。基于MODIS遥感产品反演植被盖度图显示，贵阳市非城镇地区2013年平均林草植被盖度约为60.93%(图4)；并且，当地山多土少，可耕地面积仅为963.6 km2，约占全市国土面积的12%(图5)。结合图4和图5分析发现，贵阳市除城镇地区外，尚有大量用地类型为疏林地和中低覆盖草地的区域可用于植被生态恢复。