基于水足跡理論的山西省水資源與經濟增長脫鉤分析

馬海良， 鄖浩楠， 李一凡

(河海大學商學院， 江蘇 常州 213022)

水是生命之源，生產之要，生態之基。黃河流域作為中華文明的發源地，在我國經濟社會發展和生態安全方面具有十分重要的地位。伴隨著工業化和城鎮化的推進，其原有水資源時空分布不均以及水災害等問題沒有得到系統解決。同時，水資源短缺、水生態損害、水環境污染等新問題卻越來越突出。面對黃河流域新老水問題相互交織的嚴峻局面，習近平總書記在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上明確提出“重在保護，要在治理”的重要判斷，強調把水資源作為最大的剛性約束，“有多少湯泡多少饃”，并鼓勵沿黃河各地區根據實際條件進行產業規劃[1]。山西省地處黃河中游，水資源問題突出。2020年山西省人均年水資源量約為278.67 m3，約為全國人均占有量的12.44%，僅為世界人均占有量的3.11%，屬于極度缺水地區。因此，本文基于水足跡理論對山西省2009—2020年的水資源消耗情況進行核算，分析山西省在經濟發展過程中水資源消耗的脫鉤狀態，從而為山西省乃至整個黃河流域生態保護和高質量發展提供參考。

1 文獻綜述

水足跡指的是在某一生活條件或區域內，生產消費的所有產品以及服務所需的水資源數量。1995年英國學者Allan等[2]提出，必須用系統的觀念來考慮水資源利用問題，尤其需要考慮到產品或服務在被生產時所消耗的淡水體積或質量。在此基礎上，Mels等[3]在1999年提出水足跡測算的相關方法，并將該方法運用到資源經濟研究領域。目前國內外有關水足跡方面的研究從兩方面展開：一是以特定區域為對象展開水足跡測算，Long 等[4-5]通過對全球以及各國家水足跡進行大規模精確核算的研究，發現水足跡與經濟水平和產業結構有較大的關聯；馬靜等[6]對中國各省份的水足跡進行了系統評估，發現中國各省份的水足跡具有顯著的空間差異。二是以特定產品為對象展開水足跡分析，Wang 等[7-8]核算了常見農產品、畜牧產品和工業系統產品的水足跡，得出結論為全球肉類產品消費的增長和動物生產系統的集約化將會對全球淡水資源帶來更大的壓力；蓋力強等[9]使用水足跡的理論對華北地區的小麥、玉米的虛擬水及其水足跡進行了研究，結果表明小麥、玉米的水足跡總量為當地水資源量的2.2倍；焦士興等[10]對河南糧食生產過程中的水足跡進行測算，并結合投入產出表對各部門之間的虛擬水流動進行了分析。

為研究水資源利用與經濟增長的協調關系，許多研究者使用脫鉤理論與水足跡理論相結合進行研究論證。自從2005年Tapio[11]提出脫鉤模型的8種狀態以后，脫鉤理論在探討諸多領域各類要素之間的相互影響關系中得到了廣泛應用。例如：馬海良等[12]基于中國2009—2014年的數據，構建了工業廢水排放與經濟增長的脫鉤模型，并從產業和資源兩個角度以及技術、結構、生態和效率四個方面對脫鉤狀態進行分解分析；潘忠文等[13]利用水足跡理論與Tapio脫鉤評價模型對中國1999—2016年水資源利用與經濟增長進行了分析；張華明等[14]對黃河流域2006—2019年的碳排放與經濟增長的脫鉤狀態進行研究，發現91.2%的城市實現了碳排放與經濟增長的相對脫鉤，但脫鉤程度仍弱于珠三角、長三角、京津冀地區，且各城市脫鉤狀態有所不同。

梳理文獻發現，水足跡理論通過對產品生產過程中的水資源進行測算，從而系統衡量某個區域的水資源利用水平，而脫鉤理論可以將資源利用與經濟發展放在一起系統考慮，從而較好評估經濟增長帶來的資源環境代價。如果將二者有效結合，可準確評估水資源與經濟增長的協調關系，為區域“以水定產”和可持續發展提供理論支撐。目前水資源與經濟脫鉤的較多研究都是從全國層面或流域層面來展開，較少圍繞某個具體的省份展開具體特定的分析，尤其是圍繞山西省水資源利用情況的研究較少。山西省為黃河流域的重點省份，掌握山西省水資源利用情況有利于黃河流域生態保護和高質量發展戰略目標的推進。因此，本文通過測算山西省2009—2020年的水足跡及其構成，分析其水資源利用的變化規律，并結合Vehmas的脫鉤復鉤模型剖析其經濟增長與水資源利用的關系。

2 研究區域概況

山西省位于中國華北地區的黃土高原上，是黃河流域的主要省份之一，位于北緯34°34′～40°44′，東經110°14′～114°33′，總面積達15.67萬km2，約占中國陸地面積的1.6%，屬溫帶大陸性季風氣候，全省各地區年降水量在358～621 mm波動，夏季6—8月降水集中，占全年的60%，受地形影響省內各地區降水差異較大。省內有大小河流1 000余條，分屬于黃河和海河，黃河流域面積占全省面積62.2%，海河流域面積占全省面積的37.8%。2019年全省降水量715.9億m3，水資源總量為97.298 1億m3，其中地表水量58.489 9億m3。2019年度全省總用水量75.971 4億m3，耗水總量60.041 7億m3，廢污水排放量7.836 4億m3。截至2020年末，全省常住人口為3 491.561 6萬人，人均年水資源量為278.67m3，在全國屬于極度缺水地區。由于山西省水資源結構中農業用水占了80%以上，且較少采用噴灌、滴灌等現代化農業手段，導致山西省水資源利用效率相對較低。同時，由于山西省工業產業結構相對落后，煤炭化工等傳統型產業發達，導致水環境污染嚴重，水資源問題突出。

3 研究方法與數據來源

3.1 水足跡核算方法

區域水足跡的核算方法一般有自上而下法與自下而上法。孫才志等[15]認為自上而下的方法更適合省級、國家級尺度的水足跡核算。因此，本文采用自上而下法來核算區域水足跡，總水足跡等于區域內水足跡加上凈進出口虛擬水量，凈進出口虛擬水量為進口虛擬水量減去出口虛擬水量。具體表達式為

W=Wi+Wn

(1)

式中：W為區域的總水足跡；Wi為內部水足跡；Wn為凈進出口虛擬水量。內部水足跡由以下4部分組成：

Wi=Wa+Wg+Wu+We

(2)

式中：Wa為該區域農業水足跡；Wg為工業水足跡；Wu為城鄉居民生活水足跡；We為生態水足跡。

3.1.1農業水足跡核算

山西省主要的農業種植作物有稻谷、小麥、玉米、谷子、高粱、豆類、薯類、水果、蔬菜、棉花和油料作物，主要的畜牧業產品有牛肉、羊肉、豬肉、禽類、牛奶、蛋類以及水產，共計18種農業產品。農業用水量主要計算以上產品的虛擬水含量，由單位產品虛擬水體積乘以產量得到。農業種植作物的單位虛擬水含量參考Chapagain等[16]關于中國種植物虛擬水含量的數據，動物類產品數據參考Mekonmen等[8]對中國動物類產品虛擬水含量的計算結果。主要農業與畜牧業產品單位虛擬水含量核算結果見表1。

表1 主要農業與畜牧業產品單位虛擬水含量

3.1.2工業用水、生活用水、生態用水的水足跡和凈進出口虛擬水量核算

在工業用水、生活用水和生態用水中，主要以實體水的形式出現，因此使用2009—2020年《山西省統計年鑒》中統計的實際用水量作為水足跡，其中生活用水在年鑒中分為城鎮生活和農村生活用水。凈進出口貿易虛擬水量需計算虛擬水的進口量與出口量，計算方法為根據當年的進出口貿易總額(依照當年匯率換算為人民幣), 再乘以當年單位GDP耗水量作為凈進出口貿易虛擬水量：

Wn=Wj-Wo

(3)

其中

式中：Wn為凈進出口貿易的虛擬水量，表示進口虛擬水量與出口虛擬水量的差；Wj為進口虛擬水量；Wo為出口虛擬水量；Ti為進口貿易量；Te為出口貿易量；Ws為當年總用水量；G為GDP的值。

3.2 脫鉤分析方法

根據王保乾等[17]研究思路，將脫鉤復鉤關系劃分為強脫鉤、弱脫鉤、強復鉤、弱復鉤、擴張性復鉤和衰退性脫鉤。構建水足跡變化率與經濟增長率的脫鉤模型：

(4)

(5)

F=ΔG-ΔW

(6)

式中：ΔG為當年的經濟增長率；Gt、Gt-1分別為第t年的地區生產總值和第t-1年的地區生產總值；ΔW為水足跡變化率；Wt、Wt-1分別為第t年與第t-1年的水足跡；F為脫鉤指數，由經濟增長率和水足跡變化率計算得到。

利用以上脫鉤模型對山西省2009—2020年總生產總值與總水足跡、工業生產總值與工業水足跡和農業生產總值與農業水足跡分別進行分析，對應的脫鉤與復鉤狀態判斷標準如表2所示。當水足跡消耗減少而經濟增速變快，且脫鉤指數為正時，為強脫鉤狀態，是最為理想的狀態；而當水足跡消耗增多，經濟增長變慢，脫鉤指數為負值，屬于強復鉤狀態，此時區域的水資源與經濟增長協調關系最差，為最不理想狀態。

表2 水足跡與經濟增長的脫鉤復鉤狀態分析

3.3 數據來源

數據主要來源于2009—2020年《山西省統計年鑒》、2009—2020年《山西水資源公報》，以及上述文獻中已有虛擬水含量的計算數據。另外，根據山西省的數據的可獲得性，本文以農牧產品用水量、工業用水量、城鎮生活、農村生活、生態用水量和凈虛擬進出口水量6項數據計算全省2009—2020年水足跡。

4 結果分析與討論

4.1 水足跡情況

4.1.1整體情況

由表3可知，山西省2009—2020年的水足跡呈現出逐年遞增的趨勢，2009年為214.90億m3，2020年達到了310.22億m3，12年間水足跡增加了95.32億m3，年均增加7.94億m3。這表明山西省2009—2020年隨著產業規模的發展與人口增長，水資源消耗總量不斷增加。由于水文和水資源情形的相對穩定性，近年來山西省水資源短缺和水資源貧困的情形突出，亟需調整產業結構和提高水資源利用效率。

表3 2009—2020山西省各行業水足跡值 單位：億m3

從各行業的水足跡構成來看，山西省農業水足跡占比最高，約占89.32%，其次為工業用水，占4.91%，城鎮生活用水占3.41%，農村生活用水占1.33%，生態用水較少為1.16%，進出口貿易虛擬水可以忽略不計，只有0.12%。因此對山西省而言，在水資源開發利用過程中要抓緊農業用水這個“牛鼻子”，要強化農業用水的定額管理，以及農業用水方面的激勵性規制和科技水平提升，確實提高農業用水的效率。同時要優化水資源利用結構，可適度增加生態用水與進出口貿易水足跡，盡可能增加耗水豐富的農產品進口。

4.1.2農業水足跡情況

2009—2020年農業水足跡構成的平均值如表4所示，表現出來的結構特征為種植業大于畜牧業，糧食作物占比大于經濟作物，其中占比最大的為玉米(占30.17%)，玉米水足跡占比遠大于小麥、谷子和水稻。占比第二大的為水果，達到了20.77%，第三為豬肉，占比12.67%，其中豬肉水足跡占比遠大于牛肉、羊肉和禽肉。另外，經濟類作物水足跡占比較小，如棉花占0.51%，油料作物占0.13%，豆類占0.24%。因此，在農業水足跡中，玉米和豬肉分別是種植業和畜牧業中水足跡占比最大的產品，因此在合理配置水資源，優化水資源利用效率時，應優先考慮針對玉米和豬肉的種植養殖過程的水資源消耗利用進行改進。

表4 山西省2009—2020年農業各類別產品水足跡占比的平均值

4.1.3工業、生活、生態和進出口水足跡情況

除了農業水足跡以外， 2009—2020年山西省工業、城鎮生活用水、農村生活用水、生態用水的水足跡和進出口貿易虛擬水的變化情況如圖1所示。工業、生活、生態和進出口水足跡情況整體上呈上升下降平緩再上升的趨勢，2009—2011年上升，2011—2016年下降或平緩，2016—2020年緩慢上升。其中城鎮生活用水與農村生活用水變化趨勢保持一致，生態用水變化幅度較小，進出口貿易虛擬水量在2010—2012為大于0，其余年份小于0，原因是山西省的進口貿易量小于出口貿易量。

圖1 山西省2009—2020年工業、生活、生態與進出口貿易水足跡

4.2 山西省水資源利用與經濟增長的脫鉤分析

4.2.1總體水資源利用與經濟增長的脫鉤分析

選取山西省2009—2020年GDP的增長速度作為經濟增長的評價指標，以水足跡作為水資源消耗的指標，使用脫鉤復鉤理論對山西省水資源利用與經濟增長的脫鉤復鉤情況做出評價，首先利用式(4)和式(5)計算出2009—2020年GDP的變化率與水足跡的變化率，利用式(6)計算出脫鉤指數F，根據表3做出脫鉤復鉤的判斷分析，結果如表5所示。

表5 山西省2009-2020年水足跡與經濟增長的脫鉤復鉤情況

由表5可見，除了2013—2015年，山西省水資源利用與經濟增長的關系中多數年份呈弱脫鉤狀態。2013—2015年兩者為復鉤狀態，其中2013年和2014年為擴張性復鉤狀態。2015年為弱復鉤狀態，表明此階段水資源利用情況為不理想狀態。此時山西省為了經濟的增產加劇了水資源的消耗，導致水資源短缺的壓力明顯增多。在研究期內多數年份呈弱脫鉤狀態，表明盡管這一段時間隨著山西經濟的發展、產業規模的擴大和人口的增長，消耗的水足跡也出現增多態勢，但經濟發展的速度遠超過水足跡消耗速度，水資源利用的水平得到進一步提高。但還需要看到兩者關系尚未處于最理想狀態，還需要合理分配各產業的水資源利用情況，提高水資源的管理水平，才能促使山西省水資源與經濟增長進入并保持強脫鉤狀態。

4.2.2農業及工業的水資源利用與經濟增長的脫鉤分析

對山西省用水最多的農業和工業部門單獨列出分別進行脫鉤分析，結果如表6所示。由于生活、生態與貿易水足跡體量較小對整體水足跡脫鉤狀態影響不大，在此不單獨列出。

表6 山西省2009—2020年農業、工業水足跡與經濟增長的脫鉤復鉤情況

對于農業部門的水資源利用，山西省2009—2020年的農業水資源利用與農業經濟增長中有8個年份為脫鉤狀態。2015年是弱復鉤，2016—2017年是強復鉤，其余年份均為脫鉤狀態，且2018年為強脫鉤狀態。山西省農業水資源與經濟增長的脫鉤關系與山西省整體的水資源與經濟增長的脫鉤關系基本一致，說明山西省的農業用水與農業經濟的發展情況決定著山西省整體的水資源利用情況與經濟增長情況。因此要著重提升農業水資源的利用，才能改善山西省整體的水資源利用情況。

對于工業部門的水資源利用，山西省2009—2020年的工業水資源利用與工業經濟增長的脫鉤復鉤關系為：2010—2015年脫鉤與復鉤情況交替出現。其中2010年、2012年、2013年和2015年為復鉤狀態，因此，2015年前山西省工業的經濟增長與水資源的脫復鉤狀態呈現波動趨勢。在2017年之后，工業發展與水資源利用情況進入持續的弱脫鉤狀態，工業發展對水資源的依賴程度減弱，工業發展進入了相對節水與綠色發展的階段，但仍未進入最為理想狀態的強脫鉤狀態。2019—2020年，山西省工業的經濟增長與水資源之間呈現強脫鉤狀態，表明山西省根據黃河流域高質量發展要求，強化工業水資源利用的“三條紅線”，積極根據“水情”進行產業規劃，落實新發展理念，加快傳統高耗能、高耗水產業的結構升級，在水資源利用方面和經濟增長方面取得了較好的業績。

5 結論與建議

5.1 結論

a.2009—2020年山西省的總水足跡逐年增加，具體為從2009年的214.90億m3增長到2020年的310.22億m3，年均增加7.94億m3。在水足跡的組成結構中，農業水足跡占比最大且有增長趨勢，其中玉米、水果和豬肉的水足跡占比較大。工業、生活、生態水足跡呈上升下降再上升的變化趨勢，進出口貿易虛擬水占比極小，且波動不明顯。

b.得益于近年來水資源雙控行動，總體上山西省水資源與經濟增長在大多數年份呈弱脫鉤狀態。具體而言，農業水足跡脫鉤狀態與總體的水足跡脫鉤狀態相近，可見山西省農業用水與經濟增長的脫鉤狀態幾乎決定著整體水資源與經濟增長的脫鉤狀態，而工業的水資源利用與經濟增長的關系為脫鉤和復鉤交替出現，較為不穩定，2017年后工業的經濟增長對水資源的依賴程度明顯降低，但后續保持脫鉤狀態的壓力仍不可忽視。

5.2 建議

a.在“節水優先”方面，要努力控制山西省內水足跡總量與水足跡增長速度。一是重點關注農業水足跡，通過提升農業灌溉與養殖用水的科技水平，頒布一系列農業用水節水政策，摒棄粗獷用水，促進農業用水模式向節約集約升級轉型；二是要加強節水宣傳教育，樹立長期的水危機意識和水憂患意識，將節水觀念放在首位。

b.在“空間均衡”方面，要均衡水資源合理利用與社會經濟發展兩者的關系，深入理解水資源利用與經濟增長脫鉤關系的內在邏輯。在長治市、朔州市等傳統產業占比較高的工業城市，需要加快產業升級，強化以水資源作為生產發展的剛性約束等舉措。針對工業用水與工業經濟脫鉤狀態波動、不穩定的狀態，需要加快產業升級，以水定產、量水而行，努力在工業用水與經濟增長方面保持穩定的弱脫鉤或脫鉤狀態。

c.在“系統治理”方面，農業用水、工業用水、生活用水、生態用水與進出口貿易幾個方面要全面抓緊、互相協調，減弱或改進各行業中生產水足跡過大而經濟效益較小的生產環節，重點關注玉米與豬肉兩類產品的水足跡與經濟價值，擇優發展農業牧業產品，優化布局實現系統治理。

d.在“兩手發力”方面，充分發揮政府與市場“兩只手”在協調水資源利用與經濟增長關系上的功能作用。首先政府要擔起監督統籌水資源保護利用與經濟高質量發展的主導責任，在水足跡消耗最大、脫鉤影響最顯著的農業重點領域，特別是在水足跡占比較大的產物如玉米、蔬菜、水果和豬肉的種植或飼養領域，要實施生活水量核定和水效益核算等管理制度，努力實現水產品產業的高質量發展；其次要依賴市場機制，鼓勵市場發展“水友好型”產業，把有限的水資源用在生產價值最大的地方去。