阿克蘇地區水資源承載力變化及驅動力生態脆弱性分析

王 晶, 薛聯青,2， 張洛晨, 魏光輝

(1.河海大學 水文水資源學院， 江蘇 南京210098； 2.河海大學文天學院， 安徽馬鞍山 243000； 3.新疆塔里木河流域管理局， 新疆 庫爾勒 841000)

水資源承載力一般指地區的水資源在不破壞社會經濟和生態系統時最大可承載的工、農業規模和人口水平[1]，關系到區域人口、資源、經濟和環境的協調發展[2]，是水資源可持續發展研究中的重要組成部分[3]。但隨著資源與環境問題的突出，生態文明建設被提高到前所未有的高度[4-5]，區域資源與環境的壓力及其可持續性是生態文明建設首先要考慮的關鍵問題[6]。針對水資源利用與經濟社會生態相關性問題開展的研究涵蓋水資源供需平衡[7-8]、水資源持續利用[9-10]，著重研究水資源與生態系統有生態需水[11-12]、生態水足跡[13-14]等。評估生態的生態環境脆弱性是指生態環境受到外界干擾作用超出自身的調節范圍，而表現出對干擾的敏感程度[15]，是隨著氣候變化和人類活動對生態系統造成嚴重影響應運而出的可持續發展研究熱點[16]。在一定程度上，不僅水資源短缺會加劇生態環境破壞，區域的生態狀況也會反作用于水資源承載能力，即生態的脆弱程度可直接作用到區域水資源承載力上。基于生態脆弱性的水資源承載能力分析實質上是在生態脆弱性的降低可提高水資源承載力的關系基礎上，通過現狀生態破壞狀況評價找出影響因素，并加以調整以實現生態系統協調性的增加和水資源承載力的提高。

塔里木河是我國最長的內流河[17]，自身不產流，其水資源主要來自源流和地下水的補給[18]，水是其自然生態系統和人類社會賴以存在的核心制約要素[19]。近年來隨著人口增長、城鎮化推進和社會經濟發展，塔里木河流域受到水資源短缺和生態環境脆弱的多重脅迫[20]，加速了水資源承載力的降低，因此科學地評價塔里木河源流區水資源承載力和生態情況發展十分有必要。本文根據阿克蘇綠洲地區的2004-2014年水資源狀況，結合主成分分析和模糊層次分析，研究水資源承載力及其驅動因素生態脆弱性的變化趨勢，并指出提高生態防御力是提高水資源承載力的關鍵。

1 研究區概況

阿克蘇地區位于塔里木河的上游，全區總面積31.52×104km2，屬暖溫干旱氣候區，年均氣溫10℃，光熱充足，蒸發強烈、降雨稀少，年均降水量75 mm左右。境內共有1 293條冰川，由16條主要干流及大小60多條主要泉水河流組成昆瑪力克河、阿克蘇河、渭干河三大水系，地表水年徑流量129.4×108m3，地下水總儲量106.2×108m3[21]。阿克蘇地區注重農業發展，土地多為耕地，灌溉模式落后，耗水量巨大，水資源量的相對匱乏限制了經濟社會的可持續發展，阿克蘇地區行政區及水系分布如圖1所示。

圖1 阿克蘇地區行政區及水系分布

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

文中選取新疆阿克蘇地區2004-2014年的12個國民經濟發展指標數據來自新疆維吾爾自治區統計年鑒和阿克蘇地區水資源公報，阿克蘇地區國民經濟和社會發展統計公報。

2.2 水資源承載力評價方法

選擇主成分分析法評價水資源承載力。主成分分析法是一種將高維變量空間降維處理的多元統計方法，目前在水文水資源領域應用較多。該方法主要基于指標間的相互關系，在損失很少原始信息的前提下通過計算協方差將多個影響因子綜合為幾個相互獨立的主成分[22]。其中貢獻率計算方法為[23]：

(1)

本研究在計算歷年水資源承載力得分時采用每個主成分的特征值占總特征值之和的比例作為計算主成分綜合得分模型[21]：

(2)

式(1)、(2)中:ri為第i個主成分的貢獻率，累積貢獻率達到85%即可確定為主成分;λi為第i個主成分的特征值；Fi為第i個主成分得分。

經濟、社會、生態等多方面的因素會影響水資源承載力，要結合地區實際狀況，按照科學性、全面性、系統性和可行性原則[24]，構建阿克蘇地區水資源承載力指標體系，具體包括12個指標[21]：人口X1，104人；GDPX2，108元；固定資產投資X3，108元；工業總產值X4，108元；農業總產值X5，108元；城鎮居民消費總值X6，108元；土地面積X7，103hm2；水資源總量X8，108m3；耕地面積X9，103hm2；生產用水量X10，108m3；生態環境用水量X11，108m3；生活用水量X12，108m3。

2.3 生態脆弱性評價方法

本次研究阿克蘇地區的生態脆弱性采用綜合指數法，綜合因子得分即生態環境脆弱度主要考慮經模糊層次分析法計算的權重和極差法標準化處理后的指標。

2.3.1 計算權重 采用模糊層次分析法確定指標權重。將生態脆弱性分解為目標、準則、指標3個層次，建立遞階層次結構，結合影響因素構造模糊關系矩陣，計算具體指標權重 (表1)。考慮到研究區生態環境內部結構不穩定，易對外界干擾異常敏感的特點，結合收集的數據選擇能真實反映研究區生態脆弱性的評價指標，搭建“成因及結果表現”綜合評價指標體系。

表1 生態脆弱性評價指標權重結果

2.3.2 等級劃分 生態環境脆弱度是用來量化研究區生態環境脆弱性程度，根據其數值大小可比較分析不同年份的生態脆弱度。

極差法：選取的指標對生態脆弱性有正向和負向影響(表1)，正向影響是脆弱性隨著評價指標值增大而增加，不利于生態保護，負向影響是脆弱性隨著評價指標減小而增加，促進生態保護。

為方便綜合比較分析，采用不同處理計算公式如下[23]：

正向評價指標：

(3)

負向評價指標：

(4)

(5)

式中:Zi是第i個指標的標準化處理后的無量綱值；xi是第i指標的實際數值；xmax、xmin是2004-2014年實際數值中的最大、最小值；I為生態脆弱度數值；Wi為模糊分析法得出的指標權重(表1)，n為指標個數。

分等級賦值法：根據研究區的具體特征，參照趙躍龍等[25]脆弱度分級方法將阿克蘇地區的生態脆弱度劃為4個等級，分為輕度、中度、強度和極強度脆弱區[15](表2)。

表2 阿克蘇地區生態脆弱性分級標準

3 結果與分析

3.1 水資源承載力評價

3.1.1 主成分綜合評價 對阿克蘇地區水資源承載力評價指標進行主成分分析，由公式(1)得到表3主成分特征值及貢獻率。

表3 主成分特征值及貢獻率

表3前面兩行數據表明其前兩個主成分的累計貢獻率達到86.579%，可以選取為第一、第二主成分，反映水資源指標多數信息(表4)，可進一步分析阿克蘇地區水資源承載力的變化。

表4 主成分載荷矩陣

表4中，X1，X2，X3，X4，X5，X6與第一主成分正相關性很大，是與經濟社會發展相關的指標；X11，X8與第二主成分有較大的正相關。且在干旱地區，生態用水量的多少將直接影響地區生態系統結構的優劣，所以這兩個指標切實關系到生態環境的保障。因此，經濟發展和生態保障可歸納為影響阿克蘇地區水資源承載力的主要因素。

根據式(2)計算阿克蘇地區綜合主成分值，其中，λ1=8.878，λ2=1.512。為了可以直觀地反映出阿克蘇地區2004-2014年水資源承載力的動態變化情況，根據綜合得分畫出各年水資源承載力變化趨勢圖見圖2，F值越小，說明當年的水資源承載力越大[24]。

總體上，2004-2014年阿克蘇地區水資源承載力隨時間變化呈下降趨勢。2004年最高，此后逐年下降，至2014年最低，這段期間水資源不斷被開發利用，并且強度逐年增加。分析主成分，水資源承載力的總體變化趨勢與第一主成分即經濟社會發展成分大體相同，說明第一主成分對水資源承載力的影響大，即以農為主的快速社會經濟發展對阿克蘇地區的水資源壓力較大。而第二主成分變化較復雜，分值交替升降，說明地區生態用水保障具有不穩定性，與當地水熱條件和用水結構變化相關。干旱少雨的自然條件使得水資源愈加匱乏，灌溉效率的低下增加了農業用水量，這就導致生態用水量迅速降低，生態保障減少，違背了區域可持續發展的耗水需求，限制了區域水資源承載力的提高。

圖2 阿克蘇地區水資源承載力主成分及綜合得分趨勢圖

3.1.2 第一主成分分析 第一主成分主要體現社會經濟發展，對主成分有73.98%的貢獻率，屬于主控驅動因子。據圖3分析阿克蘇地區的人口和經濟發展，人口10年間增長30.29×104，其中農村人口增加10.43×104，并有持續增加的趨勢，而城鎮化率上升緩慢，因為阿克蘇地區農業發達，農業的發展導致人口的集聚效應，農村人口多于城市人口，帶來城鎮化較慢的問題。同時人口作為對資源可持續發展的外界持久壓力，與水資源承載力的動態變化密切相關。人口的快速增長使得水足跡迅速增加，耕地面積從33.632×104hm2增加到61.494×104hm2，一產用水量也從98.45×108m3增加到109.11×108m3，由此產生水資源承載壓力巨大的問題，供需矛盾越發突出。GDP在10年間約增加3.7倍，年均增長率為16.76%，其中農業總產值約占50%，可見阿克蘇地區的經濟增長多依賴于農業，但農業占用最大比重的水量，這就使得工業、生活和生態等用水量不斷減少。因此，農業的大幅發展雖帶來一定程度的經濟發展但也大大加深了人與土地、水資源的矛盾。

3.1.3 第二主成分分析 生態環境用水率主要影響第二主成分，反映地區生態用水保障對水資源承載力的影響。整體上，阿克蘇地區生態環境用水量較少，時間上分布不均勻，是根據實際農業用水情況剩余分配的，極不利于河道兩岸的生態保護和地區生態的長遠發展。且阿克蘇地區作為典型的塔里木河源流區，自然降水稀少，基礎的生態環境脆弱性強且破壞后恢復困難，如果生態水量沒有保障，生態破壞將愈加嚴重，因此進行生態恢復重建顯得尤為重要。但無論基于生態保護還是恢復生態破壞都需增加生態用水量，這與實際分配少量的生態用水情況相差較遠，使得供需水矛盾更加突出，所以不理想的生態條件對水資源承載力的作用是負面消極的。

3.2 驅動力生態脆弱度分析

3.2.1 生態脆弱度與水資源承載力關系 生態發展對水資源的可持續利用影響較大，且由上述主成分分析出生態用水保障是影響阿克蘇地區水資源承載力的第二主成分，不理想的生態條件會對水資源承載力產生消極作用，可見，生態保護對該區水資源承載力有較大的影響。要緩解地區水資源承載力壓力，就要提高生態防御性，而阿克蘇地區本身脆弱的生態環境易受人類活動影響，所以深入研究其生態脆弱性，科學地評價其生態脆弱性的變化情況有利于協調阿克蘇地區今后生態與社會經濟共同發展，進一步提高區域水資源承載力。

3.2.2 生態脆弱度現狀分析 根據公式(3)～(5)計算阿克蘇地區2004-2014年生態脆弱度，具體計算結果見圖4。

分析圖4，阿克蘇地區2004-2014年生態脆弱度大體呈上升態勢，水資源承載力呈直線下降趨勢，環境不斷被破壞的同時引起水資源承載力的急劇下降。根據表2的脆弱度劃分，2004-2006年處于輕度脆弱區;2007-2008年處于中度脆弱區；2009、2011-2014年在強度脆弱區內波動，2010年高達極強度脆弱區。水資源承載力情況不理想，尤其近年來水資源承載能力極差，開發利用已接近極限。

圖4 阿克蘇地區2004-2014年生態脆弱度及水資源承載力變化趨勢

2004-2010年阿克蘇地區的生態脆弱度緩慢上升，水資源承載力不斷下降。這段時期國家開始實施西部大開發戰略，積極開拓周邊國家市場，新疆正處于“十一五”建設，阿克蘇地區經濟得到持續快速的增長，農業高速發展，工業化擴大，環境資源需求消耗也不斷增長。且由于深處西北內陸，缺乏高科技產業鏈，粗放的高投入低產出增長方式增加了經濟成本，大大破壞了經濟與生態的和諧性，使得生態脆弱性不斷加大，間接導致地區水資源承載力的持續下降。2011-2014年生態脆弱度有小幅度波動，此時新疆地區開始“十二五”規劃建設實施，經濟高速增長的同時綜合實力不斷增強，農業和工業的進一步發展導致生態與經濟社會發展脫軌，環境資源遭到無限制的使用，生態脆弱度大幅上升，帶來水資源承載力接近承載極限，水資源和生態成為阻礙經濟社會發展的瓶頸因素。

3.2.3 基于生態脆弱性評價的水資源承載力影響因素 由表1準則層權重可知，自然成因和結果表現是影響阿克蘇地區生態脆弱性主要因素，社會成因影響相對較小。分析指標層權重，自然成因中權重較高的指標有森林覆蓋率和年降水量。植被覆蓋率體現植物生長茂盛狀況，降水量是植被生長的條件，地區綠化程度是最為影響生態脆弱性的；結果表現中生態環境用水和農業依賴度權重較高，強調生態要有保障即要增加生態用水量，控制農業用水量，產業結構要優化調整；分析社會方面，人均GDP權重較高，經濟發展導致生態環境承載力超載，生態脆弱性增加。綜合縱向比較分析權重，森林覆蓋率比重占的最多，加強森林植被建設對降低脆弱度至關重要。

自然和人為因素綜合作用導致阿克蘇地區的生態環境日漸惡化，氣候條件干燥，水資源和森林資源有限，所以生態環境先決條件較差，不利于形成生態環境持續發展的良好基礎。近年來又因該地區的經濟社會發展與生態發展脫軌，以農為主經濟發展方式單一而粗放，不僅經濟效益增加少，生態環境也受到大范圍地破壞。選擇生態破壞最嚴重的2010年繪制生態影響因子的雷達圖(圖5)。分析圖5，2010年影響因子中除有關生態保障的森林覆蓋率與生態用水影響較大，農業的發展是生態脆弱性上升的主要原因。過高的農業依賴度雖可促進經濟發展，但加大了水資源承載壓力，農業用水嚴重負載；居高不下的墾殖率使得人與資源的矛盾更加突出，粗放低效的土地使用方式導致資源浪費，環境污染加重，同時對當地的氣候影響嚴重，加劇了暴雨、春旱等極端氣候現象的出現頻率，陷入了自然生態互相作用的惡性循環中。

圖5 阿克蘇地區2010年生態脆弱性因子影響程度雷達圖

4 結 論

本文基于主成分分析的阿克蘇地區水資源承載力評價，對驅動力因素生態脆弱性進行探究分析，得出如下結論：

(1)2004-2014年阿克蘇地區的水資源承載力呈現明顯下降趨勢，人口增加與以農為主的經濟增長和低保障的生態用水率是引起水資源承載力下降的主要驅動力。

(2)生態脆弱性增加會加劇水資源承載力下降，阿克蘇地區2004-2014年生態脆弱性逐年上升，通過保障生態用水量、提高森林覆蓋率、控制耕地面積的措施可降低生態脆弱性，實現水資源承載力的回升。

(3)本文選取的評價指標體系需進一步完善。因數據有限，選取的指標具有代表性但不夠全面且有一定的區域局限性，如何確定合適的生態指標有待探討。

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