基于生態(tài)足跡的廣西壯族自治區(qū)水資源生態(tài)特征時空變化規(guī)律及其驅動因素分析

莫崇勛, 趙梳坍, 阮俞理, 莫細喜, 孫桂凱, 黃 亞

(1.廣西大學 土木建筑工程學院, 廣西 南寧530004; 2.廣西大學 工程防災與結構安全教育部重點實驗室, 廣西 南寧530004; 3.廣西大學 廣西防災減災與工程安全重點實驗室,廣西 南寧530004; 4.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室, 北京 100038)

水資源生態(tài)特征時空變化規(guī)律及其驅動因素是當前水文水資源學科領域關注的熱點之一[1]。生態(tài)足跡模型因具有概念直觀、操縱性強、區(qū)域可比性強等優(yōu)點[2-3]而被廣泛運用于水資源生態(tài)特征時空變化規(guī)律研究，可用于客觀地揭示自然資本與經(jīng)濟發(fā)展間的關系，如張洺也和趙春子[4]采用該模型將水資源劃分為生活、生產、生態(tài)子賬戶，并結合壓力指數(shù)、泰爾指數(shù)分析了延邊州的水資源生態(tài)環(huán)境；WANG等[5]采用結合了均勻均衡和收益因子的改進生態(tài)足跡模型，分析了湖北省的水資源可持續(xù)利用狀況；Li H.等[6]采用結合土壤水分的改進生態(tài)足跡法，分析了黃河下游的水資源綜合利用情況。已有研究側重于從水資源生態(tài)足跡的賬戶劃分及預測出發(fā)，對其驅動因素的研究相對較少。同時，目前用于定量分析資源利用驅動機制的主要方法有結構分解法(SDA)和指數(shù)分解法(IDA)[7]，其中IDA中的迪氏指數(shù)分解模型(LMDI)具有更好消除分解因素殘差[8]，達到降低結果誤差的優(yōu)點，已被廣泛應用于研究能源和水資源的驅動因素[9-11]。上述研究主要集中在干旱[1,12]、半干旱[4,13]及經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)[14-15]，而對于水資源豐富、經(jīng)濟落后地區(qū)的研究相對較少。廣西壯族自治區(qū)地處我國西南邊疆，降水豐沛的同時面臨著水資源時空分布不均且局部地區(qū)干旱和洪澇日益加劇、區(qū)內生態(tài)—經(jīng)濟用水不協(xié)調的問題[16]。以往針對廣西水資源生態(tài)特征的研究，側重于全區(qū)[17]或某一城市[18-19]在時間序列上的變化，而鮮少涉及到地區(qū)差異性及驅動因素的分析。因此，論文基于生態(tài)足跡模型分析廣西地區(qū)水資源生態(tài)足跡、水資源生態(tài)承載力、水資源生態(tài)容量的時空變化規(guī)律，在此基礎上采用LMDI模型分析引起生態(tài)足跡變化的驅動因素及各地級市在關鍵驅動因素上的貢獻比例，以期為廣西或同類區(qū)域水資源合理開發(fā)利用與管理保護提供參考依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 水資源生態(tài)足跡模型

(1) 水資源生態(tài)足跡(EFW)為水資源生態(tài)足跡模型中用于衡量水資源消耗狀況的指標，是指某一區(qū)域在某一時間段內，人類為維系正常生產生活所需占用的水資源生態(tài)生產性用地面積，可用于反映現(xiàn)有水資源的可持續(xù)性及其對生態(tài)系統(tǒng)的施壓狀況。

EFW=N·efW=N·γW·〔W/PW〕

(1)

式中：EFW水資源總生態(tài)足跡(108hm2);N為人口數(shù)(104人); efw為人均水資源生態(tài)足跡(hm2/人);γw為水資源的全球均衡因子;W為人均水資源消耗量(m3/人);PW為水資源全球平均生產能力(m3/hm2)。根據(jù)黃林楠和張偉新[20]基于WWF 2000對全球范圍水資源生態(tài)足跡模型內關鍵參數(shù)的核算結果,γw取5.19,PW取3 140 m3/hm2。

(2) 水資源生態(tài)承載力(ECW)為水資源生態(tài)足跡模型中用于衡量水資源供給狀況的指標，是指某一區(qū)域在某一時間段內水資源最大供給量所能維系該區(qū)域資源、環(huán)境及社會可持續(xù)發(fā)展的能力。引入了產量因子的概念，使水資源生態(tài)生產性面積具備區(qū)域可比性，可用于反映不同區(qū)域間現(xiàn)有水資源對生態(tài)系統(tǒng)的支撐狀況。計算公式為：

ECW=N·ecW=0.4×Ψ·〔Q/PW〕

(2)

式中：ECW為水資源生態(tài)承載力(108hm2);N為人口數(shù)(104人); ecW為人均水資源生態(tài)承載力(hm2/人);Ψ為區(qū)域水資源產量因子;Q為區(qū)域水資源總量(108m3);PW為水資源全球平均生產能力(m3/hm2)。

(3) 水資源生態(tài)容量(Budget)為水資源生態(tài)足跡模型中用于衡量水資源供需狀況的指標，由水資源生態(tài)承載力與水資源生態(tài)足跡兩者間的差值直接表示，可用于反映現(xiàn)有水資源供需的客觀狀況及區(qū)域的生產生活是否屬于該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)可承載的范圍。計算如下：

Budget=ECW-EFW=N×(ecW-efW)

(3)

式中：Budget為水資源生態(tài)容量(108hm2),根據(jù)與0的大小關系劃分水資源生態(tài)處境為水資源生態(tài)盈余、水資源生態(tài)平衡或水資源生態(tài)赤字[18]。

1.2 LMDI模型

借鑒Kaya恒等式在能源因素分解中的應用，運用迪氏指數(shù)分解法(LMDI)[21]構建廣西地區(qū)水資源生態(tài)足跡LMDI分解模型，具體模型為[13]：

(4)

式中：EFW為廣西水資源生態(tài)總足跡(108hm2);i為水資源生態(tài)足跡賬戶類型; EFWij為j地區(qū)i賬戶的水資源生態(tài)足跡(108hm2);Tj為j地區(qū)國民生產總值(108元);Pj為j地區(qū)年人口總數(shù)(104人),代表人口發(fā)展水平;Sij為j地區(qū)第i類用水生態(tài)足跡對總用水生態(tài)足跡的占比,代表j地區(qū)用水結構;Ij為j地區(qū)單位國民生產總值的水資源生態(tài)足跡(hm2/元),代表j地區(qū)的技術發(fā)展水平;Gj為j地區(qū)人均國民生產總值(104元/人),代表j地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：ΔEFW為水資源生態(tài)足跡在從基準年到目標年 間的變化量(108hm2/a); ΔS,ΔI,ΔG,ΔP分別為結構效應、技術效應、經(jīng)濟效應和人口效應(108hm2/a)，是指水資源生態(tài)足跡中由于結構因素、技術因素、經(jīng)濟因素和人口因素引起的水資源生態(tài)足跡變化量,通過LMDI加和分解即公式(6)—(7)進行計算。

1.3 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)包括廣西各地級市人口數(shù)、國民生產總值、水資源總量及用水賬戶明細，人口數(shù)和國民生產總值來源于《廣西統(tǒng)計年鑒》(2008—2017年)；各地級市的水資源總量及用水數(shù)據(jù)來源于《廣西水資源公報》(2008—2017年)。其中，國民生產總值以2008年為基期進行實際國民生產總值的計算，以消除價格波動對計算的誤差影響。

2 結果與分析

2.1 水資源生態(tài)特征時間變化規(guī)律

2008—2017年廣西地區(qū)的水資源生態(tài)特征表現(xiàn)為水資源生態(tài)足跡整體下降，水資源生態(tài)承載力和水資源生態(tài)容量歷年波動整體上升(圖1)，對歷年結果做線性趨勢擬合可知：人均水資源生態(tài)足跡的平均下降速率為-0.017 4 hm2/人，其中，2013—2017年呈現(xiàn)較大的下降幅度;人均水資源生態(tài)承載力的總上升量達0.116 hm2/人，平均上升速率為0.325 hm2/(人· a)，最高值出現(xiàn)在2008和2015年，分別達到9.139，9.513 hm2/人，最小值出現(xiàn)在2011年，為3.109 hm2/人，最值間相差6.404；人均水資源生態(tài)容量的平均上升速率為0.342 1 hm2/(人· a)，最高值出現(xiàn)在2008年和2015年，達到8.124和8.617 hm2/人，最小值出現(xiàn)在2011年，為2.146 hm2/人，最值間相差6.41。

圖1 廣西地區(qū)2008-2017年人均水資源生態(tài)特征

通過水資源生態(tài)容量直觀地反映各項水資源供需狀況及其與生態(tài)系統(tǒng)的關系(表1)，全區(qū)人均水資源生態(tài)容量值在2008，2012，2017年分別為8.124，6.409和8.182，處于生態(tài)盈余狀態(tài)且呈微弱增加趨勢；人均生態(tài)容量在時間上變化不顯著，中間年份的變異系數(shù)值較始末年份大，中間年份的最大值與極差的排序為中；地級市間人均水資源生態(tài)容量的相對差異度隨時間無顯著變化，但在空間上存在較大差異。

表1 地級市尺度人均水資源生態(tài)容量的主要統(tǒng)計量

2.2 水資源生態(tài)特征空間變化規(guī)律

由圖2可以看出，2008—2017年廣西地區(qū)的水資源生態(tài)特征在空間上呈現(xiàn)一定的差異性和不均衡性。核算期內廣西地區(qū)的年均水資源生態(tài)足跡為0.938 hm2/人，有7個地級市的人均水資源生態(tài)足跡高于全區(qū)均值；其中，來賓市以1.566 hm2/人居全區(qū)之首，除此外，桂林市、賀州市、防城港市、北海市的年均水資源生態(tài)足跡達1.384，1.123，1.130，1.114 hm2/人，超過1.100，屬于人均用水消耗較大的地級市；年均水資源生態(tài)足跡最高的來賓市和最低的玉林市(0.613 hm2/人)在數(shù)值上相差2.55倍。廣西的年均水資源生態(tài)承載力為6.875 hm2/人，有7個地級市的人均水資源生態(tài)承載力高于全區(qū)均值；其中，防城港市以27.105 hm2/人居全區(qū)之首，除此外，桂林市、柳州市、賀州市的年均水資源生態(tài)承載力達18.127，14.061，11.451 hm2/人，超過10，屬于水資源支撐社會可持續(xù)發(fā)展能力較大的地級市；年均水資源生態(tài)承載力最高的防城港市和最低的貴港市(2.793 hm2/人)在數(shù)值上相差9.70倍。廣西各地級市的年均水資源生態(tài)容量均大于0，生態(tài)處境上屬于水資源生態(tài)盈余。其中，柳州市、桂林市、防城港市、賀州市、河池市的年均生態(tài)容量高于全區(qū)均值(5.937 hm2/人)；年均水資源生態(tài)容量最高值出現(xiàn)在防城港市，達25.975 hm2/人，最小值出現(xiàn)在南寧市，為1.310 hm2/人，二者在水資源供給量反向相差1.50倍，年均GDP值反向相差5.54倍，年均人口密度反向相差2.23倍的情況下，水資源生態(tài)容量數(shù)值上相差19.08倍；反映了人均水資源生態(tài)容量在人口密度大且經(jīng)濟發(fā)展快的水資源相對匱乏城市，較易出現(xiàn)水資源供給矛盾，超過區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)承載的范圍。

2.3 水資源生態(tài)足跡驅動因素分析

由圖3可以看出，廣西地區(qū)水資源生態(tài)足跡驅動因素的分解結果表現(xiàn)為總效應、結構效應歷年波動整體下降，技術效應整體下降，經(jīng)濟效應、人口效應整體上升。其中，經(jīng)濟效應和人口效應的分解值呈正數(shù)，正向拉動全區(qū)水資源生態(tài)足跡的增長，而結構效應和技術效應的分解值呈負數(shù)，反向抑制全區(qū)水資源生態(tài)足跡的增長。對歷年結果做線性趨勢擬合可知：總效應的下降速率為4.40×106hm2/a，時間變化上在2008—2011年呈正值緩慢上升，在2011—2014年由正轉負大幅下降，而后呈負值又較快上升；結構效應的下降速率為4.10×106hm2/a，核算期內的變化趨勢與總效應一致；技術效應的下降速率為5.04×106hm2/a，在核算期內始終呈負值；經(jīng)濟效應的上升速率為4.13×106hm2/a，在核算期內始終呈正值；人口效應的上升速率相對較小，僅為6.10×105hm2/a，可忽略不計。在正向拉動水資源生態(tài)足跡的效應中，經(jīng)濟效應的上升速率最大，在反向抑制水資源生態(tài)足跡的效應中，各效應下降速率的排序為：技術效應>結構效應>人口效應。

圖2 廣西地區(qū)2008-2017年各地級市人均水資源生態(tài)特征

圖3 廣西水資源生態(tài)足跡驅動因素分解效應

通過累計變化量和累計貢獻率進一步確定水資源生態(tài)足跡驅動因素中的關鍵驅動因素，為結構效應、技術效應和經(jīng)濟效應(表2)。核算期內，經(jīng)濟效應引起的水資源生態(tài)足跡累計增加3.78×107hm2，累計貢獻率為191.8%，是拉動廣西水資源生態(tài)足跡的第一因素；人口因素引起的水資源生態(tài)足跡累計增加5.00×106hm2，是拉動廣西水資源生態(tài)足跡的第二因素，對于水資源生態(tài)足跡變化的作用不顯著；技術效應引起的水資源生態(tài)足跡累計減少4.69×107hm2，累計貢獻率為-238.0%，是抑制廣西水資源生態(tài)足跡增長的第一因素；結構效應引起的水資源生態(tài)足跡累計減少-1.50×107hm2，累計貢獻率為-79.2%，是作為抑制水資源消耗的第二因素。

表2 廣西水資源生態(tài)足跡驅動因素值

2.4 各地級市在關鍵驅動因素上的貢獻率

圖4為統(tǒng)計對廣西水資源生態(tài)足跡關鍵驅動因素，即結構效應、技術效應和經(jīng)濟效應貢獻最大的5個地級市。由圖4可知，結構效應的增加效應主要分布在百色市、來賓市(2014—2017年)、欽州市，年均貢獻比例為125.3%，12.4%，12.4%。其中，百色市和欽州市的增加效應整體呈減少趨勢，來賓市的增加效應呈穩(wěn)定趨勢；減少效應主要分布在南寧市、桂林市(2012—2017年)，平均貢獻比例為-35%，-25%；技術效應的增加效應主要分布在梧州市，年均貢獻比例為19.3%，減少效應主要分布在南寧市、柳州市、桂林市、玉林市，年均貢獻比例為-17.1%，-10.6%，-27.2%，-12.1%，整體呈現(xiàn)減少效應；經(jīng)濟效應的增加效應主要分布在南寧市、柳州市、桂林市、貴港市，年均貢獻比例為18.5%，10.9%，20.5%，11.7%。全區(qū)各地級市的經(jīng)濟效應整體呈增長趨勢，減少效應集中表現(xiàn)在梧州市，年均貢獻率為-22.2%，且在2009—2011年后梧州市的較少效應呈穩(wěn)定變小。

3 結 論

(1) 廣西2008—2017年人均水資源生態(tài)足跡整體呈下降趨勢，人均水資源生態(tài)承載力整體呈波動上升趨勢，人均水資源生態(tài)容量均處于生態(tài)盈余狀態(tài)且整體呈微弱上升趨勢，平均上升速率0.342 hm2/(人·a)，全區(qū)年均水資源生態(tài)盈余為5.94×108hm2/人；區(qū)內水資源生態(tài)容量分布不均，年均水資源生態(tài)盈余最大的防城港市與最小的南寧市在數(shù)值上相差19.08倍。

圖4 廣西各地級市在關鍵驅動因素上的貢獻比例

(2) 經(jīng)濟效應、人口效應是拉動廣西地區(qū)水資源生態(tài)足跡增長的第一、第二因素，核算期內對水資源生態(tài)足跡的貢獻效率分別達191.80%和25.38%，人口效應的作用不顯著；技術效應、結構效應是抑制水資源生態(tài)足跡增長的第一、第二因素，核算期內對水資源生態(tài)足跡的貢獻效率達-238.0%，-79.18%；反映了廣西地區(qū)水資源利用效率的不斷提高，該區(qū)正處于經(jīng)濟優(yōu)化產業(yè)結構、發(fā)展綠色經(jīng)濟的關鍵節(jié)點。

(3) 水資源生態(tài)足跡驅動因素中的關鍵驅動因素為結構效應、技術效應和經(jīng)濟效應。南寧市、桂林市在結構效應、技術效應中表現(xiàn)出較大的減少效應，在結構效應中對水資源生態(tài)足跡增長的平均貢獻比例分別為-35%和-25%，在技術效應中對水資源生態(tài)足跡增長的平均貢獻比例為-17.1%，-10.6%。除梧州市外，全區(qū)各地級市在技術效應上呈減少效應。全區(qū)城市在發(fā)展與規(guī)劃上存在較大差異，建議針對地區(qū)間不同的生態(tài)—經(jīng)濟協(xié)調度因地制宜地采取對策。