基于生態足跡的中國水資源生態承載力供需平衡分析

李興正+林愛文+楊倩+等

摘要：根據水資源生態足跡的基本原理和計算模型，分別對中國2012年的水資源生態足跡和生態承載力進行了計算，并就結果進行了深入分析和探討。研究發現，中國各省份的水資源供需平衡在空間分布上存在很大的差異，總體來看東部、南部各省多處于盈余狀態，而北部、西部各省多處于赤字狀態；從水資源生態足跡、GDP和萬元GDP水資源生態足跡的相互關系來看，各地區也存在較大的差異，一個地區經濟發展水平越高、產業結構越合理，其水資源的利用效率相對越高。為有效地分析這些差異的分布規律及其原因，從大區域尺度對中國的水資源供需狀況進行宏觀認識和分析，本文又將模型數據通過行政區劃圖展示，并針對相關問題提出合理建議，期待有利于中國從整體上考慮水資源的宏觀調度和分配，促進社會經濟全面協調可持續發展。

關鍵詞：水資源；生態足跡；生態承載力；供需平衡；可持續發展

中圖分類號：X826 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）20-5008-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.20.021

Analysis of Ecological Balance Between Supply and Demand Based on Water Resources Ecological Footprint in China

LI Xing-zheng，LIN Ai-wen，YANG Qian，JI Ying，QIU Li-juan

（School of Resource and Environment Science/Key Laboratory of Geographic Information System， Ministry of Education，

Wuhan University， Wuhan 430079， China）

Abstract： In this paper， according to the basic principle and calculation model of ecological footprint of water resources， the water resources ecological footprint and ecological carrying capacity for China in 2012 were calculated， respectively， and the results were analyzed and discussed in depth. In different provinces of China， there was a big difference in the spatial distribution of the balance between supply and demand of water resources， on the whole， the provinces in eastern and southern areas have much surplus while the provinces in northern and western areas are in deficit. From the relationship between the ecological footprint of water resources， GDP and the ecological footprint of water resources of GDP per ten thousand yuan， there are also great differences between each region. The higher the level of economic development of a region is and the more reasonable the industrial structure is， the higher the utilization of water resources is. In order to explore reasons for these differences intuitively and effectively， so as to get a macroscopic understanding and grasp on the water resources supply and demand of China's provinces from large regional scale， the model data were displayed by coupling with the administrative zoning map. A series of suggestions were put forward against the water resource problems in China， and we are looking forward to macroscopical scheduling and allocation of water resources in our country from the overall consideration， resulting in promoting the coordinated and sustainable development of society and economy.

Key words： water resources； ecological footprint； ecological carrying capacity； balance between supply and demand； sustainable developmentendprint

自1987年世界環境與發展委員會（WCED）在其報告《我們共同的未來》中正式提出可持續發展的概念以來，可持續發展已經成為社會發展的一種普遍認同的模式[1]。生態足跡是一種衡量資源可持續利用的綜合核算工具，主要用于區域可持續發展的定量測度和評價[2]。這一理論由William[3]于1992年首次提出，因其視角新穎引起了國內外的關注，其學生Wackernagel等對其方法又做了進一步的發展和完善，形成現在普遍認同的理論，即通過估算維持人類生存的自然資源消費量與同化廢棄物所需的生產性空間面積，并與區域的生態承載力進行比較，以比較結果衡量區域的可持續發展狀況[4]。在Wackernagel的計算模型中生態生產性空間包括化石能源地、可耕地、建筑用地、森林、牧草地和水域等6大類生產性土地，但是對水資源的計算僅包括水域的生物生產，以漁業的生產來概括，這是不全面的，縮小了水資源的范圍[5]。為全面衡量水資源賬戶，中國學者黃林楠等[4]將水資源用地作為第七類土地類型納入生態足跡計算模型中，并建立了水資源生態足跡的計算模型，這一模型目前已在江蘇、四川等[6-9]地區得到了應用和實踐，取得了良好的效果。本研究根據此方法對中國各省份的水資源生態足跡和生態承載力進行計算和分析，并對其空間分布特點進行討論，從水資源擁有量和利用效率的觀點上對這些現象進行了探究，以期為中國宏觀的水資源開發利用和調度分配提供參考價值。

研究區域為中國大陸31個省、自治區和直轄市，不包括臺灣、香港和澳門及海域，大陸31個省份地處亞歐大陸東部、太平洋西岸，領土地跨東經73°～135°、北緯4°～53°，氣候大部分處于溫帶，少量處于熱帶。地勢西高東低，呈階梯狀分布，地形多種多樣，山區面積廣大，陸地上的5種基本地形類型均有分布，這為中國因地制宜發展多種經營提供了有利條件。中國水資源總量豐富，但人均占有量較少，人均淡水資源僅為世界平均水平的1/4，是全球人均水資源最貧乏的國家之一，并且分布極不均衡。總體特點是地區分布不均，水土資源組合不平衡；年內分配集中，年際變化大；連豐連枯年份比較突出；河流的泥沙淤積嚴重。這些特點造成了中國容易發生水旱災害、水的供需不平衡等問題，對水資源的開發利用和調度分配的任務十分艱巨。

1 研究方法及數據來源

1.1 水資源生態承載力供需平衡模型

1.1.1 需求模型：水資源生態足跡 水資源生態足跡是指維持人類的自然資源消費量和同化產生的廢棄物所需要的生產性空間面積，根據水資源的特性，將水分為生產用水、生活用水和生態環境用水3大類計算，其計算模型如下：

EFW=N×efW（1）

efW=？酌W×W/PW（2）

式中，EFw為水資源總生態足跡（hm2）；N為人口數；efw為人均水資源生態足跡（hm2/人）；γw為水資源的全球均衡因子；W為消耗的水資源量（m3）；Pw為水資源全球平均生產能力（m3/hm2）[4]。

1.1.2 供給模型：水資源生態承載力 水資源生態承載力可定義為某一區域在某一具體歷史發展階段，水資源最大供給量可供支持該區域資源、環境和社會（生態、生產和生活）可持續發展的能力，即水資源對生態系統和經濟系統良性發展的支撐能力。其計算模型[4]如下：

ECW=n×ecw（3）

ecw=0.4×？鬃×？酌w×（Q/P■） （4）

式中，ECW為水資源承載力（hm2）；ecw為人均水資源承載力（hm2/人）；ψ為水資源產量因子；Q為水資源總量（m3），Pw為水資源全球平均生產能力（m3/hm2）。

根據相關研究表明，一個區域的水資源承載力必須至少扣除60%用于維持生態環境，所以在計算水資源生態承載力時，必須將此區域的地下水資源和地表水資源扣除重復計算量后得出該地區的水資源總量，再乘以系數0.4扣除維持生態環境的水資源量[10]。

1.1.3 供需平衡模型：水資源供需平衡指數 在對中國水資源供給與需求狀況進行評價的基礎上，引入水資源供需平衡指數（EIw）對區域水資源生態供需平衡關系進行評價[11]。EIw是指區域人均水資源生態足跡與人均水資源生態承載力的比值，反映了生態資源供給與需求的關系。其公式如下：

EIW=efw /ecw（5）

根據EIW的大小關系，可以將中國水資源生態承載力供需平衡劃分為生態盈余區、生態平衡區和生態赤字區3種類型區。當EIw<1時，人類對生態系統中水資源需求小于生態系統供給，區域表現為生態盈余；當EIw>1時，人類對生態系統中水資源需求大于生態系統供給，區域表現為生態赤字；當EIw=1時，人類對生態系統需求等于生態系統供給，則區域表現為生態平衡。考慮到“自然-經濟-社會”的復雜性以及發展性，借鑒郭秀銳等[12]的研究，對各個評價項目設定容差為0.2。即EIw介于0.8～1.2為生態平衡區，EIW低于0.8和高于1.2則分別為生態盈余區和生態赤字區。然后，分別根據生態盈余區、平衡區和赤字區EIw值的范圍，以及與其平均值差異作為判定盈余或赤字的程度，將生態承載力供需平衡進一步細分為8個級別，具體分級見表1。

1.1.4 萬元GDP水資源生態足跡 萬元GDP水資源生態足跡是指生產每萬元的GDP所需要的水資源占用的生產性土地面積，用以衡量地區水資源的利用效率。即某地區的水資源生態足跡與該地區當地生產總值的比值[13]。萬元GPD水資源生態足跡越小，表明生物生產面積上的資源利用效率高，反之，則相反。其公式[5]如下：

萬元GDP水資源生態足跡=EFW/GDP（6）

式中，EFw為水資源總生態足跡（hm2）；GDP為國民生產總值（萬元）。

1.1.5 相關系數的確定 ①平均生產能力：在水文學中，平均產水模數的概念為計算時段內徑流量除以計算區域的面積，根據多年平均產水模數來刻畫區域內水資源的生產能力，水資源全球平均生產能力即為全球多年平均產水模數。相關文獻資料表明[14]，每年實際可供開發利用的水資源量只有3.24×1012 m3，水資源全球平均生產能力取值為3 140 m3/hm2[15]。②均衡因子：均衡因子為全球某種生物生產面積的平均生態生產力除以全球所有各類生物生產面積的平均生態生產力。由于各類生物生產性土地的單位面積生產力具有較大的差異，所以給各類生物生產面積乘以一個等價因子，將其轉化為可比較的標準，使計算結果方便國際比較。在傳統的Wackernagel模型中，水域均衡因子僅僅描述了水域的漁業生產功能，從而大大降低了水資源的生物生產能力。引用黃林楠等[4]基于WWF2002年所計算的水資源均衡因子5.19來進行核算。③產量因子：在進行水資源承載力計算時，由于不同地區的條件不同，各地區同類生物生產性土地的實際面積不能直接對比。在Wackernagel的生態足跡模型中，通過將各地區同類生物生產性土地轉換成可比面積的參數，進而將各類型賬戶納入生態足跡模型，從而對區域可持續發展進行生態足跡評價[10]。即假定世界的水資源產量因子為1，區域水資源產量因子就是區域水資源生產能力與世界水資源生產能力的比，其具體公式如下：endprint

？鬃=Vi /V（7）

式中，？鬃為水資源產量因子，Vi為區域單位面積產水量（m3/hm2），V為全球單位面積產水量（m3/hm2）。2012年中國各省水資源產量因子見表2。

1.2 數據來源

水資源數據來源于《2012年中國水資源公報》；各省人口、經濟等數據來源于《2013年中國統計年鑒》；為直觀簡潔地表達相關規律，使用的地圖為中國行政區劃圖的簡化圖，故沒有顯示海洋區域及島嶼（注：涉及的全國性數據，均未包括香港、澳門特別行政區和臺灣省）。

2 結果與分析

2.1 水資源生態足跡評價

2012年中國大陸區域31個省份的總水資源生態足跡為1.02×109 hm2，其中人均水資源生態足跡為0.75 hm2。依據各省份的總水資源生態足跡、人均水資源生態足跡的數值范圍的大小，本研究將總水資源生態足跡、人均水資源生態足跡分為4類。其中，香港、澳門和臺灣地區由于缺乏這方面數據不在本研究范圍被分為無數據區（圖1）。從圖1中可以看出，總水資源生態足跡的高值區主要分布在東部經濟規模較大的的省份，如廣東、江蘇等，此外新疆和黑龍江也分布在此區。低值區主要分布在西部地區。從人均水資源生態足跡可以看出，高值區主要分布在西部人口稀疏的地區，如新疆，西藏等，低值區則集中在華北地區及周邊地區。總體來看，中國各省的總水資源生態足跡和人均水資源生態足跡的分布空間不一致，原因是人均水資源生態足跡大的地區雖然總水資源生態足跡不大，但由于人口稀疏，人均量相對較大。而對于東部許多發達省份，總水資源生態足跡很大，但由于人口分布密集，人口眾多，導致人均水資源生態足跡較小。

2.2 水資源生態承載力評價

2012年中國大陸區域31個省份的總水資源生態承載力為3.64×109 hm2，人均水資源生態承載力為2.69 hm2。根據各省份與平均值的大小關系，分6類對其空間分布格局進行展示（圖2）。從圖中可以看出，中國的水資源生態承載力分布比較有規律，高值區分布在南方各省份，低值區分布在北方地區，這與中國的氣候分布非常一致。中國年降水量空間分布的規律是從東南沿海向西北內陸遞減。各地區差別很大，大致是沿海多于內陸，南方多于北方，山區多于平原，山地中暖濕空氣的迎風坡多于背風坡。秦嶺淮河以南的南方地區屬于亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，全年降水較多，水資源豐富；青藏高原地區屬于高原（高山）氣候，本區年降水量大多在900 mm以下，從東到西、由南至北減少，由于高山融雪的作用，水資源也相當豐富；而秦嶺淮河以北的華北、東北地區屬于溫帶季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，東北地區年降水量400～1 000 mm，華北400～800 mm；而對于廣大的西北地區屬于溫帶大陸性氣候，冬寒夏熱，年溫差大，降水集中，四季分明，年降雨量較少，大陸性氣候明顯。

從人均水資源生態承載力看，其分布特點和各省總水資源生態承載力分布大體一致，總體來看高值區主要分布在南方地區，西藏由于人口稀疏的原因，人均值相對較大，低值區主要分布在北方地區，華北地區由于人口密集，人均值較低。

2.3 水資源生態承載力供需平衡評價

在分析中國水資源生態供需平衡的基礎上，根據水資源生態承載力供需平衡指數（EIW）和分級標準，對各省水資源承載狀況進行了統計處理[11]，如圖3和表3所示。

依據中國各省份人均水資源生態供需平衡指數所反映出的區域水資源生態盈虧空間格局來看，就省份個數而言，水資源生態盈余區最多，共有16個省份，約占全國總省份個數的51.6%；水資源赤字區次之，共有13個省份，約占全國總省份個數的42.1%；水資源生態平衡區最少，僅有2個省份，約占全國總省份個數的6.5%。從所容納的人口數來看，水資源盈余區同樣最多，容納人口72 731萬人，約占全國總人口的53.9%；水資源赤字區次之，容納人口55 552萬人，約占全國總人口的41.3%；水資源盈余區最少，容納人口6 503萬人，約占全國總人口的4.8%。而從土地面積來看，水資源赤字區最大，約462.36萬km2，約占全國總面積的48.1%；水資源盈余區次之，約460.01萬km2，約占全國總面積的47.8%；水資源平衡區最少，約19.65萬km2，約占全國總面積2.0%。

2.3.1 水資源生態盈余區 此區共有16個省份，其中富足有余區4個省份，人口約14 036萬人，面積161.83萬km2，分別占全國比例是10.4%和16.8%，主要分布在東南沿海和青藏高原地區，包括西藏、江西、福建、浙江等省，尤其是西藏地區，水資源供需平衡值最小，生態承載力遠大于生態足跡，水資源的開發利用潛力巨大。富裕區有9個省份，人口約42 539萬人，面積250.81萬km2，分別占全國比例是31.6%和26.1%，主要分布在華南、西南和青藏高原東部地區，包括海南、廣東、廣西、湖南、四川、重慶、貴州、云南、青海等，此區水資源豐富，供需有余，有一定開發利用空間，在維持生態平衡和保護環境的基礎上可以進一步加大對水資源的開發利用，充分發揮當地的水資源優勢。盈余區有3個省份，人口約16 156萬人，面積47.37萬km2，分別占全國比例是11.9%和4.9%，主要分布在華中、東北南部地區，包括湖北、安徽、遼寧等，此區水資源供需相對盈余，開發利用程度處于一個非常理想的水平，既維持了地區的生態環境平衡，短時間內又不會限制地區的經濟發展，而且隨著經濟的進一步發展，經濟結構的調整和優化，水資源的利用效率將會提高，可以預測在一定時間內水資源不會成為此區發展的限制因素。

2.3.2 水資源生態平衡區 此區共有2個省份，其中沒有平衡有余的省份，都是臨界超載的省份，人口約6 503萬人，面積16.95萬km2，分別占全國比例是4.8%和2.0%，主要分布在陜西、吉林兩省，此區水資源供需平衡，水資源生態承載力和生態足跡基本上處于均等水平，水資源的開發暫時不會破壞生態環境，但隨著經濟的發展，水資源的需求量加大，區域如不優化產業結構，提高水資源利用效率，未來水資源可能會限制此區的進一步發展，甚至威脅到當地的生態環境平衡。endprint

2.3.3 水資源生態赤字區 此區共有13個省份，其中超載區5個省份，人口約24 921萬人，面積74.25萬km2，分別占全國比例是18.5%和7.7%，主要分布在華北、東北地區，包括山東、江蘇、北京、天津、黑龍江等，從空間分布上看，除黑龍江外其他地區經濟相對發達，城市化水平和工業化水平程度高，人口密度大，加上水資源相對匱乏，因此導致水資源供需赤字。此區生態環境受到一定的破壞，生態環境逐步惡化，正在威脅著區域的生態平衡，因此在發展經濟的同時應加大對環境的保護力度，優化產業結構，發展低碳經濟、循環經濟，重復循環利用水資源，提高水資源利用效率；而黑龍江省是我國重要的糧食基地，農業非常發達，即第一產業占經濟結構的比重較大，水資源需求量大，萬元GDP水資源生態足跡（圖4）達到0.43 hm2/萬元，遠大于全國平均值0.17 hm2/萬元，因此造成水資源承載力超載。

過載區有7個省份，人口約29 984萬人，面積381.47萬km2，分別占全國比例是39.7%和22.3%，主要分布在西北、華北地區，包括新疆、內蒙古、甘肅、山西、河北、河南、上海等，從空間分布上看，西北地區由于氣候干旱，水資源嚴重匱乏，屬于嚴重缺水地區，華北地區由于水資源相對匱乏，人口密集，因此導致供需超載。此區水資源不足，屬于資源型缺水，因此要改變此區的水資源供需現狀，必須從提高水資源利用效率上著手，加大對產業結構的調整和升級，發展節水環保產業，同時加強水資源的管理和分配，提倡重復用水、循環用水，盡量避免水資源的浪費。特別是新疆地區，由于農作物種植面積大，耗水多，2012年第一產業占GDP的比重17.6%，萬元GDP水資源生態足跡（圖4）達到1.29 hm2/萬元，水資源利用效率極低，因此解決這樣一個嚴重缺水地區的水資源問題只有提高水資源利用率[16]；而上海地區雖然水資源豐富，但由于人口過于密集，水資源需求量大，超過水資源承載力，造成供需超載[17]。

嚴重超載區只有寧夏1個省份，人口約647萬人，面積6.64萬km2，分別占全國比例是0.7%和0.5%，從地理位置上看，寧夏地處黃土高原與內蒙古高原的過渡地帶，深居西北內陸高原，屬典型的大陸性半濕潤半干旱氣候，降水較少，水資源嚴重匱乏，加上寧夏農業所占比重較大，水資源利用效率不高等因素導致水資源供需嚴重不平衡，水資源供需嚴重超載。此地區由于水資源不足，不利于發展傳統粗放式農業，可以借鑒西亞一些國家的經驗，發展節水農業、設施農業等，提高水資源的利用效率。

通過計算和比較2012年中國各省市水資源生態承載力及生態足跡，發現各省市水資源生態承載力及生態足跡人均占有量差異較大，其中人均水資源生態足跡由天津的0.270 hm2增加到新疆的4.360 hm2，人均水資源生態承載力由寧夏的0.005 hm2增加到西藏的86.370 hm2。總體上看，東部、南部各省市多處于生態盈余狀態，北部、西部各省市多處于生態赤字狀態。

從水資源生態足跡、人均GDP和萬元GDP水資源生態足跡的相互關系來看，各地區存在較大的差異，如人均水資源生態足跡由天津的0.270 hm2增加到新疆的4.360 hm2，其人均GDP由天津的9.12萬元/人降至貴州的1.97萬元/人，而萬元GDP水資源生態足跡卻由天津的0.030 hm2增至新疆的1.300 hm2。可見一個地區經濟發展水平與水資源利用效率有密切關系，經濟發展水平越高，其水資源的利用效率相對越高，經濟發展對水資源的依賴性也越低。因此，要緩解中國資源短缺與經濟發展之間的矛盾，首先要從經濟發展相對落后、萬元GDP水資源生態足跡高的省市入手，改變其經濟增長方式和產業結構，使其經濟的發展對水資源的依賴性逐漸降低，提高水資源利用效率，增加水資源生態足跡經濟產出率，實現生態、社會、經濟的全面協調的可持續發展。

3 小結與討論

總體而言，中國水資源總量豐富，人均占有量相對不足，水資源生態承載力供需不平衡。水資源在空間上分布不均，南北差異較大，基本上表現出南方地區水資源豐富，水資源生態承載力供需盈余，而北方水資源短缺，水資源生態承載力供需赤字，這與中國的氣候分布具有很好的空間一致性；從人口分布來看，中國人口多分布在東部地區，表現由東到西逐漸減少的趨勢，水資源分布與人口分布基本對應；但從農業分布來看，水資源分布表現出極不對稱的狀態，南方耕地相對較少，水資源非常豐富，而北方地區耕地較多，水資源卻嚴重匱乏，造成水資源與耕地資源不匹配，因此有必要從宏觀角度探究水資源問題，加強國家層面上的水資源調度和分配，以便有效地解決水資源時空分布不均問題，維護生態環境的平衡和社會的可持續發展。

水資源承載力是對一個地區水安全的基本度量，其大小是社會經濟發展速度和規模的決定因素之一[18]，同時對一個地區社會的和平穩定也起著至關重要的作用。中國是一個幅員遼闊、人口眾多的多民族國家，水資源問題一直是困擾國家發展和穩定的重要因素，因此研究中國水資源承載力供需問題具有重要的現實意義。

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