中國省域水資源生態足跡格局均衡性研究

陸硯池, 方世明

(中國地質大學(武漢) 公共管理學院, 武漢 430074)

我國是世界上嚴重缺水的國家之一，水資源時空分布不均、供需矛盾尖銳、循環利用率低等現實情況[1]，已經成為制約經濟發展和生態可持續性的重要原因，因此水資源生態足跡格局的空間均衡性研究就尤為重要，這可以為我國調水、節水、治水政策提供合理建議，保證水資源配置合乎經濟和生態的雙重要求。生態足跡模型是由加拿大資源生態學家Rees提出的，該模型通過估計人類消耗的自然資源量以及消化人類產生廢棄物所需要的生產性土地面積，來評價區域生態可持續發展能力[2]。水資源生態足跡則是將區域消費的水資源量通過一系列方法折算為土地面積。其意義表現在人類和自然兩方面：其一是人類生產生活活動對水資源的消耗，其二是自然界為維持自身生態功能對水資源的需求[3]。目前水資源生態足跡測算方法已經較為成熟，主要以黃林楠的生態足跡賬戶為標準，將水資源生態足跡劃分為生活用水足跡、生產用水足跡和生態蓄水足跡3個二級賬戶[3]，這種方法也逐漸成為水資源生態足跡的主流測算方法[4-6]。水資源生態足跡空間均衡性是衡量各個區域水資源實際消耗量和需求量的平衡程度，目前關于水資源生態足跡空間均衡性的研究比較少，現有研究可以從兩個角度進行歸納：

(1) 研究方法。關于水資源生態足跡均衡性的研究方法主要有指標體系法和指數分析法。指標體系法是構建關于均衡性的指標體系，并賦權求值。賈紹鳳等選取水可持續性、社會公平和經濟效率三方面指標對寧夏平原用水合理性進行測算[7]；Mimi等通過構建水資源分配公平指標并加權求和，測度了約旦河流域內國家水資源分配公平性[8]。指數分析法主要是將數學、經濟學中的公平指數引入，用以定量測度水資源分配均衡性，目前用的較多的指數包括基尼系數[4,9-10]、泰爾指數[11]和差異系數[12-13]。

(2) 研究區域尺度。關于水資源生態足跡均衡性的研究尺度包括國家尺度[14-15]、城市群尺度[16]、省(市)級尺度[17-18]和流域尺度[8,19]，其中研究多以省(市)和流域尺度為主，大區域尺度的研究較少，然而水資源具有很強的流動性和外部性，僅僅局限于小尺度區域難以從宏觀上為節水和治水政策提供可靠建議。

綜合來看，前人的水資源生態足跡研究成果為本文提供了諸多可借鑒的經驗。但水資源生態足跡均衡性的研究還存在一些不足之處，大尺度區域的均衡性研究還比較少見，已有研究多為區域小尺度研究，均衡性指標也多為全局性指標，難以進行分區均衡性評價。本文即在前人的研究基礎之上，構建水資源生態足跡格局模型(水資源生態壓力和水資源經濟效率模型)，然后通過基尼系數及其分解來分析東、中、西部大尺度區域水資源生態足跡格局的區域均衡性和均衡性的邊際效應，再通過重心遷移分析來彌補基尼系數在地理要素空間分布均衡性動態分析方面的不足，闡述10 a間水資源生態足跡格局的均衡性演變趨勢。

1 研究方法和數據來源

1.1 水資源生態足跡格局模型

1.1.1 水資源生態足跡模型 本文計算水資源生態足跡主要考慮水資源的淡水供給功能、水產養殖功能和水質凈化功能，因此將水資源生態足跡分為3類：淡水資源生態足跡、水產品生態足跡和水污染生態足跡[20]。其中淡水資源生態足跡以工業、農業、生活用水和生態環境補水為基礎，此外由于水體可同時實現水產養殖功能和水質凈化功能，因此區域水資源生態足跡包含兩部分：水產品生態足跡(EFwp)與水污染生態足跡(EFww)的最大值、淡水資源生態足跡(EFfw)。各類水資源生態足跡計算公式為：

EFwp=Nφ1×(ACwp/AP1)

EFww=Nφ2×(ACww/AP2)

EFfw=Nφ2×(ACfw/AP2)

總的水資源生態足跡則為：

WEF=max(EFwp+EFww)+EFfw

式中：WEF為總的水資源生態足跡(hm2)；N為人口數量；ACwp為人均水產品消耗量(t/人)；ACww為人均水污染凈化需水量(m3/人)；ACfw為人均水資源消耗量(m3/人)；φ1為全球水域均衡因子，根據劉某承和李文華的測算取0.35[21]；φ2為全球水資源均衡因子，根據黃林楠的測算取5.19[3]；AP1為全球水產品平均生產能力(t/hm2)，本文取0.18 t/hm2[22]；AP2為全球水資源平均生產能力(m3/hm2)，本文取3 140 m3/hm2[3]。

1.1.2 水資源生態壓力模型 為了表示各區域水資源生態承載力的容納能力，構建水資源生態壓力模型：

式中：WEFi為i省(市)水資源生態足跡；WECi為i省(市)水資源生態承載力；WESCi為i省(市)水資源生態壓力；WESC為全國水資源生態壓力均值。以往研究往往將區域水域扣除60%后作為水資源生態承載力的基礎，但由于國家南水北調工程的實施，提高了調入城市的水資源生態承載力，因此本文以區域供水資源總量為基礎，通過均衡因子、產量因子和全球水資源平均生產能力將其轉換為水資源生態承載力。水資源生態壓力越大，表示一定承載力條件下需要承受的水資源消耗越高，水生態容量越低；反之，則表示一定條件下需要承受的水資源消耗越低，水生態容量越高。

1.1.3 水資源經濟效率模型 為了表示各地區水資源消耗對區域經濟的貢獻能力，構建水資源經濟效率模型：

式中：GDPi為i省(市)國民生產總值；WECCi為i省(市)水資源經濟效率；WECC為全國水資源經濟效率均值。水資源經濟效率越大，表示水資源生態足跡對區域經濟貢獻能力越大，水資源利用效率越高；反之，表示水資源生態足跡對區域經濟貢獻能力越小，水資源利用效率越低。

1.2 水資源生態足跡格局均衡性模型

1.2.1 基尼系數及其區域分解 基尼系數是衡量資源配置公平性的最常用指標之一[23]。基尼系數越小，公平性越高，根據國際慣例，基尼系數可以劃分為：0.2以下、0.2～0.3，0.3～0.4，0.4～0.6，0.6以上，分別表示“絕對平均”、“相對平均”、“比較合理”、“差距偏大”和“高度不平均”。本文分別以區域水資源生態承載力和區域國民生產總值為參考因子，測算水資源生態足跡格局的基尼系數，參考戴平生、孫才志等學者的研究[24-27]，將基尼系數進行區域分解，研究總體水資源生態足跡格局均衡性與區域水資源生態足跡格局均衡性的內生關系。

總體水資源生態足跡格局基尼系數可以分解為中國各大區域基尼系數關于單位承載力承受的水資源生態足跡(水資源生態壓力)或單位GDP消耗的水資源生態足跡(水資源經濟效率的倒數)的加權平均值與排序差異兩部分之和，分解式如下：

為分析各區域的基尼系數貢獻度和邊際效應，假定區域k的水資源生態足跡增加固定比例e，參考因子其他區域足跡保持不變，得到基尼系數的增量表達式：

1.3 數據來源

由于港、澳、臺地區數據難以獲取，本次研究區域為中國其余31個省(市、自治區)。區域工業、農業、生活用水和生態環境補水數據、區域供水數據來源于《中國環境統計年鑒》2007—2016年和《水資源公報》2006—2015年；水產品消耗量、水體污染物排放量和國民生產總值GDP數據來源于《中國統計年鑒》2007—2016年；水污染排放標準數據來源于《地表水環境質量標準GB3838—2002》；均衡因子、產量因子和全球水資源平均生產能力來源于部分參考文獻[20]。

2 結果與分析

2.1 水資源生態足跡格局總體特征分析

測算得到31個省(市、自治區)的水資源生態足跡(表1)，可以看到，水資源生態足跡總量呈逐年遞增的趨勢，從2006年的1.721 16×109hm2增長至2015年的2.054 31×109hm2，年均增長率約為2%，2006—2012年增長較快，2012年1月，國務院印發《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》，嚴格管控水資源開發利用，從2013年開始全國水資源生態足跡總量增速開始放緩，水資源管理制度初見成效。從區域來看，東部地區水資源生態足跡總量最高，中部地區次之，西部地區最低，到2015年，東部地區達到了9.060 2×108hm2，中部地區為6.049 2×108hm2，西部地區為5.433 8×108hm2。水資源生態足跡最高的省份為東部地區的廣東省和江蘇省，兩省歷年均超過1.50×108hm2，廣東省珠三角地區，制造業和服務業發達，產業集聚效應明顯，區域耗水量極大，江蘇省經濟發展水平很高，工農業發達，且人口眾多，工、農、生用水量大。水資源生態足跡最低的省份為西部地區的西藏自治區和青海自治區，兩自治區深居內陸，降水量較少，且人口數量較小，10年間水資源生態足跡波動下降。

表1 2006-2015年中國各省(市、自治區)水資源生態足跡值及其格局 106 hm2

注：限于文章篇幅，未將所有年份數據列出。

根據水資源生態足跡格局模型測算出各省歷年的水資源生態壓力和水資源經濟效率，將水資源生態壓力低于當年均值的區域稱為低壓區域，反之為高壓區域；將水資源經濟效率為0～3萬元/hm2的區域稱為低效區域，3～5萬元/hm2的區域稱為中效區域，>5萬元/hm2的區域稱為高效區域。對水資源生態壓力和水資源經濟效率進行聚類分析，可以劃分為5類：“低壓—低效”，“低壓—中效”，“高壓—低效”，“高壓—中效”，“高壓—高效”(簡稱“低—低”、“低—中”、“高—低”、“高—中”、“高—高”)(表1)。從水資源生態壓力和水資源經濟效率聚類格局來看(圖1)，全國各省市水資源生態格局逐步由以“高—低”、“低—低”型為主過渡到以“高—中”、“低—中”型為主。2009年以前全國呈現南北分明的格局，北部以“高—低”型為主，南部以“低—低”型為主，水資源生態高壓、低壓區域分布穩定，高壓區域全部位于北部區域，且分布區域廣大，低壓區域分布在南部地區以及西藏地區，這是由于我國水資源量和降水量呈現“東多西少、南多北少”的格局造成的。水資源經濟效率方面，全國絕大部分區域的經濟效率均屬低效；2009年以后，東北部地區逐漸由“高—低”型轉為“高—中”型，南部沿海地區以及中部地區由“低—低”型逐漸轉為“低—中”型，這就表示雖然南水北調工程在一定程度上緩解了北方地區的缺水狀況，但北部區域的水資源生態承載力依舊較低，水資源生態壓力依舊較高，但水資源經濟效率開始逐步提升，形成了以北京市為核心的東北部中效區域，并逐步向南部地區拓展； 2015年，全國各省市水資源生態格局已轉為東西格局，西部地區以“高—低”型和“低—低”型為主，東部地區以“高—中”型、“高—高”型和“低—中”型為主，此外可以看到“低—中”型區域從無至有，分布于中部地區和東南沿海，水資源生態壓力格局不變，但水資源經濟效率中效和高效區域已經占據了半數省份。圖中可以看出高效區域主要集中于長江經濟帶、環渤海經濟區、東南沿海地區和京津冀區域周邊，這些區域經濟發展迅猛，科技成果轉化率高，此外2012年國務院印發《“十二五”全國城鎮污水處理及再生利用設施建設規劃》，大力推動水污染的治理，在高效經濟和再生用水政策的雙重驅動下，這些區域水資源生態效率不斷提升。

圖1 2006年、2009年、2012年、2015年中國水資源生態足跡格局特征

2.2 水資源生態足跡格局均衡性分析

2.2.1 水資源生態足跡格局基尼系數及其分解 表2為水資源生態壓力基尼系數區域分解結果，可以發現，水資源生態壓力總體基尼系數10年間略有上升，保持在0.380～0.395，長期逼近于0.4的均衡性警戒線，說明各地區的水資源生態足跡與水資源承載力的比配處于警戒線邊緣，地區間用水差異較大。東部地區水資源生態壓力基尼系數略有上升，區域水資源生態壓力的差異得到抑制，這是因為國家南水北調工程的實施使得北京、天津等城市供水壓力得以緩解，此外東部總體基尼系數的貢獻率從2006年的0.391上升至2015年的0.448，說明東部地區水資源生態壓力基尼系數的變動會對總體基尼系數影響較大。中部地區水資源生態壓力基尼系數基本穩定在0.350左右，處于均衡性較為合理的階段。西部地區歷年水資源生態壓力基尼系數均高于0.400，西北部地區新疆、甘肅、青海等地區水資源生態壓力較大，西南部地區西藏、云南等地區水量充足，水資源生態壓力較小，所以當以水資源承載力為參考時，西部地區各省水資源生態足跡均衡性較差。

東部地區水資源生態壓力基尼系數的邊際效應在2011年以前處于0線以下，2011年以后處于0線以上且靠近0線，說明2006—2011年，東部地區水資源生態承載力提高較快，適時地提高水資源生態足跡有助于改善總體均衡性，2011—2015年間，東部地區水資源生態承載力出現下降現象，因此需要減少水資源生態足跡才能起到改善總體均衡性的效果。中部地區水資源生態壓力基尼系數的邊際效應一直處于0線以下，且變動不大，說明相比較而言目前中部地區水資源生態承載力較高，提高中部地區水資源生態足跡，有助于水資源生態壓力總體均衡性的改善。西部地區水資源生態壓力基尼系數的邊際效應一直處于0線以上，2006—2011年由0.152下降至0.071，2011年以后變動不大，由于西部地區水資源生態承載力較低，因此如果水資源生態足跡增加，水資源生態壓力增大，就會導致總體基尼系數增加，使得總體均衡性降低。

表2 2006年、2009年、2012年、2015年中國水資源生態壓力(WESC)基尼系數區域分解及其相關參數

表3為水資源經濟效率基尼系數區域分解結果，可以發現，與水資源生態壓力總體基尼系數相比，水資源經濟效率總體基尼系數整體較低，說明我國水資源生態足跡與承載力配比不甚契合，與GDP配比則較為契合。水資源經濟效率總體基尼系數10年間處于不斷下降的狀態，由2006年的0.251下降至2015年的0.199，由相對均衡提升至絕對均衡。東、中部地區水資源經濟效率基尼系數變動趨勢相似，均為逐步下降，東部地區由2006年的0.168下降至2015年的0.124，中部地區由2006年的0.142下降至2015年的0.124，西部地區水資源經濟效率基尼系數呈波動下降的趨勢，由2006年的0.278下降至0.256。中、西部地區水資源經濟效率基尼系數的貢獻率處于較高值，中部地區由2006年的0.542上升至2015年的0.826，西部地區貢獻率雖在持續下降，但到2015年仍舊保持0.701的水平，這成為總體基尼系數保持較低水平的主要原因，而東部地區由于GDP水平很高，與東、西部地區相比，區域水資源經濟效率較高，且差距還在日益擴大，因此東部地區的貢獻率為負數且還有不斷下降的趨勢。可以看出雖然水資源經濟效率總體基尼系數較低，達到了絕對均衡的狀態，但此種均衡狀態暗含非良性均衡，東、中、西部內部均衡性較高，但實際上大區域之間，尤其東部地區整體水資源經濟效率要遠高于中、西部地區，因此需要大力提高東、西部地區整體用水效率以優化總體均衡性。

表3 2006年、2009年、2012年、2015年中國水資源生態足跡經濟效率(WECC)基尼系數區域分解及其相關參數

東部地區水資源經濟效率基尼系數的邊際效應一直處于0線以下，已由2006年的-0.744下降至2015年的-0.968，且還有不斷下降的趨勢，說明在東部地區GDP較高的背景下，需要相應配備較高的水資源生態足跡，才能使得總體基尼系數降低，提高總體均衡性。中、西部地區水資源經濟效率基尼系數的邊際效應一直處于0線以上，中部地區持續上升，由2006年的0.264提升至2015年的0.532，西部地區則一直保持在0.400左右，由于較東部地區而言，中、西部地區GDP水平較低，如果提高水資源生態足跡就會造成低效利用，降低總體均衡性。

2.2.2 水資源生態足跡格局重心遷移 圖2為中國省域水資源生態壓力重心遷移圖，可以看出，2006—2015年水資源生態壓力的重心分布在陜西省榆林市和橫山縣境內(109.672°—110.037°E，37.989°—38.051°N)，位于中國幾何重心(103.50°E，36°N)東北部，說明我國東北部地區的水資源生態壓力較大，這是由于振興東北老工業基地戰略實施后，東北部地區經濟發展迅速，行業耗水量高，且區域水資源存量較低，供需矛盾尖銳。從水資源生態壓力的重心遷移來看，10年間重心總體往東方遷移了27.658 km，表明目前我國水資源生態壓力核心區位于東北部，管控水資源開發利用、提高水資源利用效率需要東北區域承擔更大責任。

圖3為水資源經濟效率重心遷移圖，可以看出，2006—2015年水資源經濟效率的重心分布在河南省開封市轄區、鄭州市轄區、新密市、原陽縣、中牟縣境內(113.478°—114.182°E，34.474°—35.028°N)，位于中國幾何重心(103.50°E，36°N)東南部，說明我國東南部地區的水資源經濟效率較高，這是由于東南部區域包含長江經濟帶以及整個東南沿海地區，是我國對外開放的窗口，經濟發展迅速，科技成果轉化率高。從水資源經濟效率的重心遷移來看，10年間重心總體往西南方向遷移了81.102 km，表明西南方向水資源經濟效率處于逐步提升的狀態。國家西部大開發戰略使得西部地區各省市經濟有了較快發展，經濟增幅高于水資源消耗量增幅，水資源經濟效率也有了顯著提升。

圖2 2006-2015年中國省域水資源生態壓力重心遷移

圖3 2006-2015年中國省域水資源經濟效率重心遷移

3 結論和討論

3.1 結 論

(1) 全國水資源生態足跡總量呈逐年遞增的趨勢，年均增長率約為2%，從2013年開始國家嚴格管控水資源開發利用，增速放緩，水資源管理制度初見成效。從水資源生態足跡量來看，東部地區水資源生態足跡總量最高，中部地區次之，西部地區最低，經濟發達產業集聚的省份耗水量較大，如廣東省和江蘇省，兩省歷年均超過1.50×108hm2。

(2) 從水資源生態壓力和水資源經濟效率聚類格局來看，全國各省市水資源生態格局逐步由以“高—低”、“低—低”型區域為主過渡到以“高—中”、“低—中”型區域為主。水資源生態壓力保持“北高南低”格局，水資源經濟效率高效區域主要集中于長江經濟帶、環渤海經濟區、東南沿海地區和京津冀區域周邊。

(3) 水資源生態壓力總體基尼系數長期逼近于0.4的均衡性警戒線,地區間水資源生態壓力差異較大。東部地區基尼系數略有上升，邊際效應從負到正，均衡性出現惡化；中部地區基尼系數處于0.35左右，邊際效應為負，均衡性合理；西部地區歷年水資源生態壓力基尼系數均高于0.400，邊際效應一直為正，均衡性較差。

(4) 水資源經濟效率總體基尼系數整體較低，說明我國水資源生態足跡與承載力配比不甚契合，與GDP配比則較為契合。水資源經濟效率總體基尼系數由相對均衡提升至絕對均衡，各區域均衡性也逐漸提高，東部地區邊際效應為負，中、西部地區邊際效應為正，東、中、西部大區域之間的均衡性依賴于中、西部用水效率的提升。

(5) 2006—2015年水資源生態壓力的重心位于地理重心東北部，且有往東遷移的趨勢，我國水資源生態壓力核心區位于東北部，管控水資源開發利用、提高水資源利用效率需要東北區域承擔更大責任。

(6) 2006—2015年水資源經濟效率的重心位于中國地理重心東南部，且有向西南部遷移的趨勢，說明我國東南部地區的水資源經濟效率較高，國家振興東北老工業基地和西部大開發戰略使得東北和西南地區的經濟提高，該區域水資源經濟效率也有了顯著提升。

3.2 討 論

(1) 緩解區域水資源生態壓力。對于北方地區，重點在于降低水資源生態足跡，劃定區域水資源生態壓力標準值，并以此為目標層層劃定區域調水量和流域取水量；對于南方地區，重點在于提高水資源承載力，提高水污染排放標準，維持區域水資源生態質量，并加強主要水系的治污工作，恢復水生態系統功能。

(2) 提高水資源經濟效率。對于東南地區，建議全面開征水資源稅費，2016年國家在河北開展水資源稅征收試點，但目前還未全面鋪開，以國家強制力全面推動節水能夠驅動東南地區節水意識提升，并提高利用效率；對于西北地區，需要引進先進用水、治水技術，提高科技成果轉化效率，提高用水效率，此外還要實時監測地下水水位，防止地下水被過度利用；對于西南地區，區域水量豐沛，但水污染嚴重影響用水經濟效率，需要全面控制污染物排放，推動污染企業的推出；對于東北地區，鼓勵發展高效節水的現代農業，以水定產，提高農業用水經濟效率。

(3) 提高水資源生態足跡與生態承載力、經濟發展的配比均衡性。目前我國水資源生態足跡與經濟發展配比較為均衡，與承載力配比差異過大。對于耗水量較大的北部和西北部區域，要劃定區域水資源生態壓力和水資源經濟效率雙重標準值，落實最嚴格水資源管理制度，控制工、農、生用水量和流域取水量，保證用水生態與經濟的配比均衡性；對于東北和東南等糧食主產區，需要推動農業規模化、產業化，引進先進農業技術，使農業用水與農業經濟和區域水承載力相匹配；對于產業技術相對落后的西部地區，在引進東部工、農業技術的同時，也需要降低用水造成的水資源退化率，提高用水重復率，保證地區、行業水資源供需均衡。

本文在水資源生態足跡測算的基礎上，構建了水資源生態足跡格局模型，然后通過基尼系數及其分解來分析東、中、西部水資源生態足跡格局的區域均衡性和均衡性的邊際效應，再通過重心遷移分析來彌補基尼系數在地理要素空間分布均衡性動態分析方面的不足，闡述了10年間水資源生態足跡格局的演變趨勢。但本文也還存在以下不足之處：(1) 在測算水資源生態足跡時，水產品生態足跡與水污染生態足跡的重疊關系沒能定量測定，而將水產品生態足跡與水污染生態足跡做了取最大值處理；(2) 水資源經濟效率方面僅把GDP作為區域經濟衡量標準，未考慮其他經濟指標；(3) 水資源生態足跡格局基尼系數模型中測定了大區域各自基尼系數和總體基尼系數，但沒能定量測算出大區域之間的基尼系數。筆者將對這些不足之處進行持續的研究。

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