中国水生态足迹与承载能力时空演化研究

马晓蕾，郭婷文

（安阳师范学院 资源环境与旅游学院，河南 安阳 455000）

随着社会经济的发展，人类对水资源需求量越来越大，水生态承载能力面临前所未有的挑战，水资源成为社会经济发展的一个重要制约因素。 我国水资源严重短缺，人均水资源占有量仅为世界平均水平的1／4［1］。 我国水资源时空分布不均，南丰北枯，农业、工业、生活和生态等用水量区域差异大，使得部分区域水生态足迹与水资源总量和承载力的空间分布不协调。 因此，明确我国不同用水部门的水生态足迹时空差异，分析区域水生态足迹与承载力的空间匹配关系，有助于揭示人类生产活动对水资源承载力的影响，为区域水资源优化利用提供参考。

生态足迹由加拿大生态学家William Rees 等于20世纪90 年代提出，旨在通过衡量区域内人口为满足自身需求所消耗的自然资本来评估对生态系统的影响［2-3］。 生态足迹模型因能较好地解释人类活动对地球环境的影响，并具有较强的可操作性和可比较性［4］，而受到学者们广泛关注。 我国水资源和水环境问题日益突出，运用水生态足迹方法开展的研究不断深入，主要有以下几方面：第一，基于三维生态足迹模型的水生态足迹深度与广度研究，如孙才志等［5］运用水生态足迹方法，测算了我国31 个省（自治区、直辖市）水生态足迹广度和深度，对水资源进行流量资本和存量资本区分，为我国水资源可持续利用提供参考；门宝辉等［6］引入水资源足迹广度与深度，研究北京市水资源承载力，并对水生态足迹进行预测研究，结果表明北京市长期处于水资源赤字状态；朱向梅等［7］对黄河流域各省（区）碳、水足迹进行核算，并对碳、水足迹广度和深度的空间自相关性进行分析，结果显示黄河流域碳、水处于盈余阶段，但盈余值趋于减小，生态压力逐年增大。 第二，水生态足迹与水生态承载力及其影响因素研究，如陈正雷等［8］基于改进的水生态足迹模型，评价了山东省水生态足迹随时间的动态变化与空间分布，研究表明2007—2016 年山东省人均水生态赤字呈波动上升趋势；莫崇勋等［9］运用水生态足迹模型及LMDI 模型，分析了广西壮族自治区水生态特征的时空变化规律，得出广西水生态容量处于盈余状态、水资源利用效率逐渐提高的结论；焦士兴等［10］对中原城市群水生态足迹的研究结果表明，中原城市群中濮阳等3 个城市为水资源不可持续区、聊城等6 个城市为可持续较差区、菏泽等3 个城市为一般区、商丘等11 个城市为良好区、亳州等6 个城市为发展优异区。第三，水生态足迹、水生态盈亏及可持续利用方面的研究，如李菲等［11］运用水生态足迹、生态盈亏指数等方法，对甘肃省水生态足迹和生态承载力时空特征进行研究，得出甘肃省水资源处于生态赤字状态且水生态足迹总体呈下降趋势的结论；郭利丹等［12］利用水生态足迹理论，分析了江苏省水生态足迹、水生态承载力和生态盈亏随时间演变情况，结果表明江苏省水资源处于生态赤字极不安全状态，但可持续利用水平整体有所提升；赵静等［13］对吉林省延边州水生态足迹、生态承载力与生态盈余等进行了研究，发现2006—2015 年延边州总水生态足迹表现为波动上升趋势。

综上所述，目前学者们运用生态足迹和三维生态足迹方法，在水生态足迹深度和广度、流量资本和存量资本、水生态承载能力及水生态盈亏等方面开展了较为丰富的研究，为区域水资源优化利用提供了一定的科学依据。 但从全国尺度和人均角度，对水生态足迹与承载能力进行研究的较少。 笔者利用水生态足迹模型，对我国省级区域尺度水生态足迹总量及人均占有量等时空格局及演变趋势进行研究，以期为不同区域水资源可持续利用提出相应对策和建议，为我国水生态环境改善与区域可持续发展提供参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

1.1.1水生态足迹

水生态足迹的计算是将人类生产消耗以及为维持自然环境稳定所需的水资源量转化为相应的产水面积，包括农业、工业、生活和生态4 部分，计算公式［14-15］为

式中：EFw为水生态足迹，hm2；N为地区人口数量；γ为水资源全球均衡因子，参考黄林楠等［17］的研究，取5.19；Wi第i项水资源人均消耗量，m3；P为水资源全球平均产量，m3／hm2，取3 140 m3／hm2［17］。

1.1.2水生态承载力

水生态承载力为区域内水资源对生态环境和社会经济发展的承受能力，计算公式为

式中：ECw为水生态承载力，hm2；ec为人均水生态承载力，hm2；α为区域生态环境和生物多样性保护所用水资源量的比例，取0.6［16］；φ为研究区水资源产量因子，中国水资源产量因子取0.94［17］，各省（市、区）的水资源产量因子见文献［17］；Q为人均水资源量，m3。

1.1.3水生态盈亏指数

水生态盈亏指数用来表示地区水资源使用的平衡状况，计算公式为

式中：EBw为水生态盈亏指数，hm2。EBw＞0，说明地区水生态承载力大于水生态足迹，处于水生态盈余状态；EBw＜0，说明处于水生态超载状态；EBw＝0，说明处于水生态平衡状态。

1.1.4空间聚类分析

采用ArcGIS 软件中的聚类和异常值（Anselin Local Moran’sI）分析方法，对我国水生态盈亏、水生态足迹和生态承载力的空间格局进行分析。 聚类和异常值分析方法可判断具有高值或低值的要素空间聚类，用于识别统计学上具有显著性的空间异常值。 聚类／异常值结果输出类型有4 种：具有统计显著性的高值（高-高）聚类、低值（低-低）聚类、高值主要由低值围绕的异常值（高-低）以及低值主要由高值围绕的异常值（低-高）［18-20］。

1.2 研究区域及数据来源

本文研究区域为全国及各省级区域，其中：2000—2020 年我国水资源消耗量、水资源总量以及农业、工业、生活和生态用水量指标数据来源于《中国水资源公报》；各省（市、区）的水资源消耗量、水资源总量，农业、工业、生活和生态用水量，以及总人口指标数据来源于2011 年、2016 年和2020 年《中国统计年鉴》和《中国水资源公报》。

2 结果分析

2.1 水生态足迹时空演变

2.1.1我国水生态足迹时间演变情况

我国总水生态足迹呈平稳、缓慢上升趋势，2000年以来大于8 亿hm2（见图1），其中：农业水生态足迹最大，历年均值为6.15 亿hm2，占总水生态足迹的63.47%；工业水生态足迹呈小幅度波动变化态势，历年均值为2.16 亿hm2（占总水生态足迹的22.29%），于2011 年达到最大值2.42 亿hm2；生活水生态足迹呈轻微波动上升趋势，历年均值为1.21 亿hm2，占总水生态足迹的12.5%。 2003 年以来，我国不断加强生态环境保护力度，生态环境用水量逐渐上升，其水生态足迹呈缓慢上升趋势，但占总水生态足迹的比例不足5%。各部门水生态足迹虽差距较大，但变化趋势均较为平稳。

图1 我国水生态足迹随时间变化情况

2.1.2水生态足迹空间分布格局

我国水生态足迹空间差异相对较小（见图2）。 大于0.68 亿hm2的高值区分布在新疆、江苏、广东，水生态足迹之和占全国的26.9%；小于0.17 亿hm2的低值区分布在西藏、青海、宁夏、陕西、山西、重庆、北京、天津以及海南，水生态足迹之和仅占全国的8.1%；其他省份处于中高水平（0.17 亿～0.68 亿hm2），包括东北、华中和华东等大部分地区。 新疆地处内陆干旱区，水资源匮乏，加之农业灌溉用水量大，导致水资源被大量开采；南方地区经济发展快、人口密度大、水资源相对充沛，农业、工业和生活水资源消耗量均较大，导致其水生态足迹偏大。

图2 我国水生态足迹空间分布格局

2.1.3水生态足迹构成

由各省（市、区）水生态足迹构成（见图3）可以看出：各省（市、区）农业水生态足迹空间布局相对稳定，农业水生态足迹空间格局与总水生态足迹的空间分布较为一致；不同年份新疆农业水生态足迹均高于0.5亿hm2，黑龙江农业水生态足迹处于中高等级；农业水生态足迹小于0.12 亿hm2的低值区包括西藏、青海、宁夏、北京、天津、山西、陕西、重庆、贵州。 我国工业和生活水生态足迹大致由东南向西北递减，华中、华东、华南地区经济发展水平较高，尤其长三角和珠三角地区人口分布密集，其工业和生活水生态足迹大；东北三省工业和生活水生态足迹均呈减小趋势，主要原因是2010—2019 年东北三省总人口数减少161 万，生活用水量减少5.15亿m3，规模以上工业企业数量减少了20 426个，工业用水量减少55.23 亿m3。 我国生态水生态足迹虽占比较小，但多数省份呈增大趋势，主要原因是近年各地生态环境保护意识不断增强，生态环境用水量增加。

图3 各省（市、区）水生态足迹构成

2.2 水生态承载力时空演变

2000—2020 年我国水生态承载力呈波动变化趋势，均值为17.07 亿hm2，2016 年最高（20.18 亿hm2），2011 年最低（14.45 亿hm2）（见图4），与水资源总量变化趋势基本一致。 2008—2012 年波动较大，原因是2009 年我国的区域性和阶段性干旱问题严峻，全国年降雨量、水资源总量分别比多年平均值低8%、12.7%，造成了大范围罕见的干旱［21］；2011 年我国旱涝交织，北方地区、长江中下游和西南地区出现了3 次大范围严重干旱，导致水资源匮乏，承载能力降低；2010 年全国降水量和水资源总量分别比多年平均值高8.2%和11.5%，水生态承载力提高。

图4 我国水生态承载力及水资源总量变化情况

我国水生态承载力呈从南向北逐渐递减趋势，低值（小于0.22 亿hm2）区域面积约占全国的50%，高值（大于1.38 亿hm2）区分布较稳定，中值（0.22 亿～1.38亿hm2）区面积减小，低值区面积增大（见图5）。 西藏、青海、广西、湖南、江西、广东一直处于高值区，而西北、华北以及东北大部分地区（除黑龙江外）处于水生态承载力低值区。 上海市虽然降水量和过境水资源量充沛，但本文计算水生态承载力时，为保持不同区域指标统计口径一致，并未将过境水资源量纳入计算，由于上海市当地水资源总量较小，2019 年仅为48.35 亿m3，因此计算得到的水生态承载力较小。

图5 我国水生态承载力空间分布

2.3 水生态盈亏指数时空演变

由我国水生态盈亏指数随时间变化情况（见图6）可知，水生态盈亏指数与水生态承载力变化趋势一致。2000 年以后，我国水生态盈亏指数大于0，年均值为7.38亿hm2，总体处于水生态盈余状态，承载能力较强。

图6 我国水生态盈亏指数随时间变化情况

我国水生态盈亏指数呈南高北低态势，空间格局年际变化较小（见图7）。 我国西北大部分地区处于水生态亏损状态，新疆、江苏处于重度亏损状态。 新疆气候干旱，水资源时空分布极不均衡，地表水蒸发量大，致使农业灌溉所需水资源量大，农业用水量大是造成水生态严重亏损的最主要原因。 黄河流经的9 个省（区）中，有6 个省（区）处于水生态中度亏损状态，分别为甘肃、内蒙古、宁夏、山西、山东和河南，这些地区水资源贫乏，社会经济发展对水资源需求量的增加使得水资源供需矛盾日益突出。 相反，我国南方绝大部分地区（除江苏、上海外）以及西藏，处于水生态盈余状态，如西藏、安徽、福建、湖南、广东、广西和江西水生态盈余达2 亿hm2。 由图8 可知：广西、湖南、广东、江西和福建为我国水生态盈余高值集聚区，山西和山东为低值集聚区，西藏为高-低集聚区，其余地区集聚不明显。

图7 我国水生态盈亏指数空间分布

图8 我国水生态盈亏指数空间聚类分布

2.4 人均水生态足迹、承载力及盈亏指数时空演变

2000 年以来，我国人均水生态足迹较为平稳，呈小幅波动趋势，多年均值为0.72 hm2；人均水生态承载力波动幅度相对较大，年均值为1.28 hm2；人均水生态盈亏指数均大于0，处于生态盈余状态（见图9）。

图9 我国人均水生态足迹、生态承载力、生态盈亏指数随时间演变

新疆人均水生态足迹最大，为3.85 hm2；华中、华东、华南等总水生态足迹较大的地区，由于人口数量多，因此人均水生态足迹较小；广东、浙江等人口大省，人均水生态足迹小于0.59 hm2。 由图10 可知：2019年，人均水生态承载力呈由南向北递减趋势，西藏的最大，南方大部分地区人均水生态承载力均较大（2.80 ～7.88 hm2）；西北、华北和东北大部分地区以及河南、山东、安徽和江苏的人均水生态承载力小于0.86 hm2；大部分地区处于人均水生态盈余状态，人均水生态亏损的有新疆、甘肃、内蒙古、宁夏、山西等（面积约占全国的44.75%）。

图10 2019 年我国人均水生态足迹、生态承载力及生态盈亏指数空间分布

3 结论与建议

3.1 结 论

（1）2000 年以来，中国水生态足迹年际变化较小，水生态足迹农业＞工业＞生活＞生态。 新疆、江苏、广东水生态足迹较大，而西藏、青海、宁夏、陕西、山西、重庆、北京、天津以及海南水生态足迹较小。

（2）我国水生态承载力年际变化较大，且受区域水资源总量影响较大。 西藏、青海、广西、湖南、江西、广东水生态承载力较大，而北方地区水生态承载力普遍较小。

（3）我国水生态盈亏指数年际变化较大，2000 年以来均处于生态盈余状态。 新疆、甘肃、内蒙古、宁夏、山西、山东和河南等地水资源开发利用程度高，处于水生态亏损状态，不利于区域资源环境的可持续发展。西南地区普遍处于水生态盈余状态，西藏、青海、广西、广东和江西生态盈余在2.98 亿hm2以上。 总体上，我国水生态亏损和盈余地区的面积比例大致相等，人均情况亦如此。

3.2 建 议

为实现我国水资源可持续利用，提升区域水生态承载力，提出以下节水建议。

（1）农业节水方面。 我国大部分地区农业水生态足迹占比高，水生态严重亏损的省份多为农业水生态足迹高值区。 黑龙江、新疆和江苏农业水生态足迹位于全国前三位，应重点关注农业节水。 新疆要加强农业用水由粗放式向节约集约方式转变，加快灌区的现代化节水改造建设，提高农业用水效率。 黑龙江农田灌溉用水量占农业用水量的比例超过90%，应提高灌溉用水效率，加强节水灌溉设施建设。 江苏水生态赤字突出，应重点从农业节水出发，加大农业节水工程建设力度，推广和普及大规模农业节水和高效节水灌溉模式，提高农业灌溉用水效率，从水资源量和质两方面促进水资源可持续利用。 甘肃、宁夏、内蒙古、山东、河南和山西等黄河流经省（区），要落实“以水而定、量水而行”的方针。

（2）工业节水方面。 江苏省工业水生态足迹为全国最大，应适当控制高耗水、高污染企业投资建设，加强产业结构调整和优化，扶持水资源利用效率高的高新技术产业发展；加大企业科技投入，改进生产工艺，减少工业污水排放。 同时，环保部门应加强污染物排放管理，限制污染企业的超标排放行为。

（3）生活节水方面。 北京、天津、上海、山东和河南等人口密集地区，生活用水所占比重大。 一方面，要加强全民节水意识，通过互联网、多媒体等形式，开展水资源开发利用和保护的常态化宣传教育，以及节水科普宣传教育。 另一方面，要加快节水技术成果的转化和推广，健全政产学研用相融合的节水技术创新体系，强化节水监督管理，深化水价改革。

（4）生态节水方面。 对于北京、天津、河北和河南等生态用水量占比较高且处于水资源超载状态的省份，应加强区域污水净化处理工程建设，将污水净化处理达标后作为生态用水，减轻水资源压力。 此外，推进污水截流和雨洪分流工作，统筹外调水、当地地表水、地下水、再生水和雨洪水的综合利用，改善水环境，提高水生态承载力，促进区域可持续发展。