中国水生态足迹与承载能力时空演化研究_马晓蕾

人 民 黄 河

YELLOW RIVER

随着社会经济的发展，人类对水资源需求量越来 越大，水生态承载能力面临前所未有的挑战，水资源成 为社会经济发展的一个重要制约因素 。我国水资源严

重 短 缺，人均水资源占有量仅为世界 平 均 水 平 的

1 /4 [1] 。我国水资源时空分布不均，南丰北枯，农业、 工业、生活和生态等用水量区域差异大，使得部分区域 水生态足迹与水资源总量和承载力的空间分布不协 调 。 因此，明确我国不同用水部门的水生态足迹时空 差异，分析区域水生态足迹与承载力的空间匹配关系，

有助于揭示人类生产活动对水资源承载力的影响，为 区域水资源优化利用提供参考。

收稿日期 : 2021－07－12

基金项目 : 河 南 省 重 点 研 发 与 推 广 专 项 ( 软 科 学 研 究 222400410283) ; 安阳市科技计划项目(软科学306) ; 安阳师范学院 科研培育基金资助项目(AYNUKPY－2019－19) ; 河南省大学生创新 创业计划项目(202110479134)

作者简介 : 马晓蕾 ( 1989—) ，女，黑龙江绥化人，讲师，博士， 研究方向为经济地理与区域可持续发展

E-mail : maxiaolei0111@ 163．com

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生态足迹由加拿大生态学家 William Rees 等于 20 世纪 90 年代提出，旨在通过衡量区域内人口为满足自 身需求 所 消耗的自然资本来评估对生态系统的影 响 [2－3] 。生态足迹模型因能较好地解释人类活动对地 球 环 境 的 影 响，并具有较强的可操作 性 和 可 比 较 性 [4] ，而受到学者们广泛关注 。我国水资源和水环境 问题日益突出，运用水生态足迹方法开展的研究不断 深入，主要有以下几方面 : 第一，基于三维生态足迹模 型的水生态足迹深度与广度研究，如孙才志等 [5] 运用 水生态足迹方法，测算了我国 31 个省 ( 自治区、直辖 市) 水生态足迹广度和深度，对水资源进行流量资本 和存量资本区分，为我国水资源可持续利用提供参考 ; 门宝辉等 [6] 引入水资源足迹广度与深度，研究北京市 水资源承载力，并对水生态足迹进行预测研究，结果表 明北京市长期处于水资源赤字状态 ; 朱向梅等 [7] 对黄 河流域各省 ( 区) 碳、水足迹进行核算，并对碳、水足迹 广度和深度的空间自相关性进行分析，结果显示黄河 流域碳、水处于盈余阶段，但盈余值趋于减小，生态压

力逐年增大 。第二，水生态足迹与水生态承载力及其 影响因素研究，如陈正雷等 [8] 基于改进的水生态足迹 模型，评价了山东省水生态足迹随时间的动态变化与 空间分布，研究表明 2007—2016 年山东省人均水生态 赤字呈波动上升趋势 ; 莫崇勋等 [9] 运用水生态足迹模 型及 LMDI 模型，分析了广西壮族自治区水生态特征 的时空变化规律，得出广西水生态容量处于盈余状态、 水资源利用效率逐渐提高的结论 ; 焦士兴等 [10] 对中原

城市群水生态足迹的研究结果表明，中原城市群中濮 阳等 3 个城市为水资源不可持续区、聊城等 6 个城市 为可持续较差区、菏泽等 3 个城市为一般区、商丘等 11 个城市为良好区、亳州等 6 个城市为发展优异区。

第三，水生态足迹、水生态盈亏及可持续利用方面的研 究，如李菲等 [11] 运用水生态足迹、生态盈亏指数等方 法，对甘肃省水生态足迹和生态承载力时空特征进行 研究，得出甘肃省水资源处于生态赤字状态且水生态 足迹总体呈下降趋势的结论 ; 郭利丹等 [12] 利用水生态

足迹理论，分析了江苏省水生态足迹、水生态承载力和

生态盈亏随时间演变情况，结果表明江苏省水资源处 于生态赤字极不安全状态，但可持续利用水平整体有 所提升 ; 赵静等 [13] 对吉林省延边州水生态足迹、生态

承载力与生态盈余等进行了研究，发现 2006—2015 年 延边州总水生态足迹表现为波动上升趋势。

综上所述，目前学者们运用生态足迹和三维生态 足迹方法，在水生态足迹深度和广度、流量资本和存量 资本、水生态承载能力及水生态盈亏等方面开展了较 为丰富的研究，为区域水资源优化利用提供了一定的 科学依据 。但从全国尺度和人均角度，对水生态足迹

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与承载能力进行研究的较少 。笔者利用水生态足迹模 型，对我国省级区域尺度水生态足迹总量及人均占有 量等时空格局及演变趋势进行研究，以期为不同区域 水资源可持续利用提出相应对策和建议，为我国水生 态环境改善与区域可持续发展提供参考。

1 研究方法与数据来源

1．1 研究方法

1．1．1 水生态足迹

水生态足迹的计算是将人类生产消耗以及为维持

自然环境稳定所需的水资源量转化为相应的产水面 积，包 括 农 业、工 业、生 活 和 生 态 4 部 分，计 算 公 式 [14－15] 为

n

EFw = NγWi /P

式中 : EFw 为水生态足迹，hm2 ; N 为地区人口数量 ; γ 为水资源全球均衡因子，参考黄林楠等 [17] 的研究，取

5．19; Wi 第 i 项水资源人均消耗量，m3 ; P 为水资源全 球平均产量，m / hm32，取 3 140 m / hm32 [17] 。

1．1．2 水生态承载力

水生态承载力为区域内水资源对生态环境和社会

式中 : ECw 为水生态承载力，hm2 ; ec 为人均水生态承载 力，hm2 ; α 为区域生态环境和生物多样性保护所用水 资源量的比例，取 0．6 [16] ; φ 为研究区水资 源 产 量 因 子，中国水资源产量因子取 0．94 [17] ，各省 ( 市、区) 的水 资源产量因子见文献 [17]; Q 为人均水资源量，m3 。

1．1．3 水生态盈亏指数

水生态盈亏指数用来表示地区水资源使用的平衡 状况，计算公式为

EBw = ECw －EFw ( 3)

式中 : EBw 为水生态盈亏指数，hm2 。EBw＞0，说明地区 水生态承载力大于水生态足迹，处于水生态盈余状态 ; EBw＜0，说明处于水生态超载状态 ; EBw = 0，说明处于 水生态平衡状态。

1．1．4 空间聚类分析

采用 ArcGIS 软 件 中 的 聚 类 和 异 常 值 ( Anselin Local Moran’s I) 分析方法，对我国水生态盈亏、水生 态足迹和生态承载力的空间格局进行分析 。聚类和异 常值分析方法可判断具有高值或低值的要素空间聚 类，用于识别统计学上具有显著性的空间异常值 。聚 类/ 异常值结果输出类型有 4 种 : 具有统计显著性的高 值(高－高) 聚类、低值(低－低) 聚类、高值主要由低值 围绕的异常值(高－低) 以及低值主要由高值围绕的异 常值( 低－高) [18－20] 。

1．2 研究区域及数据来源

本文研究区域为全国及各省级区域，其中 : 2000— 2020 年我国水资源消耗量、水资源总量以及农业、工

业、生活和生态用水量指标数据来源于《中国水资源 公报》; 各省 ( 市、区) 的水资源消耗量、水资源总量，农 业、工业、生活和生态用水量，以及总人口指标数据来

源于 2011 年、2016 年和 2020 年《中 国 统 计 年 鉴》和 《中国水资源公报》。

2 结果分析

2．1 水生态足迹时空演变

2．1．1 我国水生态足迹时间演变情况

我国总水生态足迹 呈 平 稳、缓 慢 上 升 趋 势，2000 年以来大于 8 亿 hm2 ( 见图 1) ，其中 : 农业水生态足迹 最大，历 年 均 值 为 6．15 亿 hm2，占 总 水 生 态 足 迹 的 63．47% ; 工业水生态足迹呈小幅度波动变化态势，历 年均值为2．16 亿 hm2 ( 占总水生态足迹的22．29%) ，于

2011 年达到最大值 2．42 亿 hm2 ; 生活水生态足迹呈轻 微波动上升趋势，历年均值为 1．21 亿 hm2，占总水生 态足迹的 12．5% 。2003 年以来，我国不断加强生态环 境保护力度，生态环境用水量逐渐上升，其水生态足迹 呈缓慢上升趋势，但占总水生态足迹的比例不足 5% 。 各部门水生态足迹虽差距较大，但变化趋势均较为

平稳。

图 1 我国水生态足迹随时间变化情况

2．1．2 水生态足迹空间分布格局

我国水生态足迹空间差异相对较小 ( 见图 2) 。大 于 0．68 亿 hm2 的高值区分布在新疆、江苏、广东，水生 态足迹之和占全国的 26．9% ; 小于 0．17 亿 hm2 的低值 区分布在西藏、青海、宁夏、陕西、山西、重庆、北京、天

津以及海南，水生态足迹之和仅占全国的 8．1% ; 其他

省份处于中高水平(0．17 亿 ~ 0．68 亿 hm2 ) ，包括东北、 华中和华东等大部分地区 。新疆地处内陆干旱区，水 资源匮乏，加之农业灌溉用水量大，导致水资源被大 量开采 ; 南方地区经济发展快、人 口 密 度 大、水 资 源 相对充沛，农 业、工业和生活水资源消耗量均较大， 导致其水生态足迹偏大 。

图 2 我国水生态足迹空间分布格局

2．1．3 水生态足迹构成

由各省 ( 市、区) 水生态足迹构成(见图 3) 可以看

出 : 各省 ( 市、区) 农业水生态足迹空间布局相对稳定， 农业水生态足迹空间格局与总水生态足迹的空间分布 较为一致 ; 不同年份新疆农业水生态足迹均高于 0．5 亿 hm2，黑龙江农业水生态足迹处于中高等级 ; 农业水 生态足迹小于0．12 亿 hm 的低值区包括西藏2、青海、宁 夏、北京、天津、山西、陕西、重庆、贵州 。我国工业和生 活水生态足迹大致由东南向西北递减，华中、华东、华 南地区经济发展水平较高，尤其长三角和珠三角地区 人口分布密集，其工业和生活水生态足迹大 ; 东北三省

工业和生活水生态足迹均呈减小趋势，主 要 原 因 是 2010—2019 年东北三省总人口数减少 161 万，生活用 水量减少5．15 亿 m3，规模以上工业企业数量减少了 20 426个，工业用水量减少 55．23 亿 m3 。我国生态水 生态足迹虽占比较小，但多数省份呈增大趋势，主要原 因是近年各地生态环境保护意识不断增强，生态环境 用水量增加。

2．2 水生态承载力时空演变

2000—2020 年我国水生态承载力呈波动变化趋 势，均值为 17．07 亿 hm2，2016 年最高(20．18 亿 hm2 ) ，

2011 年最低 ( 14．45 亿 hm2 ) ( 见图 4) ，与水资源总量 · 83 ·

变化趋势基本一致 。2008—2012 年波动较大，原因是

2009 年我国的区域性和阶段性干旱问题严峻，全国年 降雨量、水资源总量分别比多年平均值低 8%、12．7%， 造成了大范围罕见的干旱 [21] ; 2011 年我国旱涝交织，

北方地区、长江中下游和西南地区出现了 3 次大范围 严重干旱，导致水资源匮乏，承载能力降低 ; 2010 年全 国降水量和水资源总量分别比多年平均值高 8．2% 和 11．5%，水生态承载力提高。

图 3 各省(市、区) 水生态足迹构成

图 4 我国水生态承载力及水资源总量变化情况

我国水生态承载力呈从南向北逐渐递减趋势，低 值(小于0．22 亿 hm2 ) 区域面积约占全国的 50%，高值 ( 大于 1．38 亿 hm2 ) 区分布较稳定，中值(0．22 亿 ~ 1．38

亿 hm2 ) 区面积减小，低值 区面积增大 ( 见图 5 ) 。西 藏、青海、广西、湖南、江西、广东一直处于高值区，而西 北、华北以及东北大部分地区( 除黑龙江外) 处于水生

态承载力低值区 。上海市虽然降水量和过境水资源量 充沛，但本文计算水生态承载力时，为保持不同区域指 标统计口径一致，并未将过境水资源量纳入计算，由于 上海 市当地水资源总量较小，2019 年 仅 为 48．35 亿 m3，因此计算得到的水生态承载力较小。

2．3 水生态盈亏指数时空演变

由我国水生态盈亏指数随时间变化情况(见图 6) 可知，水生态盈亏指数与水生态承载力变化趋势一致。 2000 年以后，我国水生态盈亏指数大于 0，年均值为 7．38亿 hm2，总体处于水生态盈余状态，承 载 能 力 较强。

图 5 我国水生态承载力空间分布

我国水生态盈亏指数呈南高北低态势，空间格局 年际变化较小 ( 见图 7) 。我国西北大部分地区处于水 生态亏损状态，新疆、江苏处于重度亏损状态 。新疆气

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候干旱，水资源时空分布极不均衡，地表水蒸发量大， 致使农业灌溉所需水资源量大，农业用水量大是造成 水生态严重亏损的最主要原因 。黄河流经的 9 个省

分别为甘肃、内蒙古、宁夏、山西、山东和河南，这些地 区水资源贫乏，社会经济发展对水资源需求量的增加

使得水资源供需矛盾日益突出 。相反，我国南方绝大

部分地区 ( 除江苏、上海外) 以及西藏，处于水生态盈 余状态，如西藏、安徽、福建、湖南、广东、广西和江西水 生态盈余达 2 亿 hm2 。 由图 8 可知 : 广西、湖南、广东、 江西和福建为我国水生态盈余高值集聚区，山西和山

图 6 我国水生态盈亏指数随时间变化情况

( 区) 中，有 6 个省 ( 区) 处于水生态中度亏损状态，

东为低值集聚区，西藏为高－低集聚区，其余地区集聚 不明显。

图 7 我国水生态盈亏指数空间分布

图 8 我国水生态盈亏指数空间聚类分布

2．4 人均水生态足迹、承载力及盈亏指数时空演变

2000 年以来，我国人均水生态足迹较为平稳，呈

小幅波动趋势，多年均值为 0．72 hm2 ; 人均水生态承载 力波动幅度相对较大，年均值为 1．28 hm2 ; 人均水生态 盈亏指数均大于 0，处于生态盈余状态(见图 9) 。

新疆人均水生态足迹最大，为 3．85 hm2 ; 华中、华 东、华南等总水生态足迹较大的地区，由于人口数量 多，因此人均水生态足迹较小 ; 广东、浙江等人口大省， 人均水生态 足 迹 小 于 0．59 hm2 。 由 图 10 可 知 : 2019 年，人均水生态承载力呈由南向北递减趋势，西藏的最

图 9 我国人均水生态足迹、生态承载力、

生态盈亏指数随时间演变

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大，南方大部分地区人均水生态承载力均较大( 2．80 ~ 7．88 hm2 ) ; 西北、华北和东北大部分地区以及河南、山 东、安徽和江苏的人均水生态承载力小于 0．86 hm2 ; 大

部分地区处于人均水生态盈余状态，人均水生态亏损 的有新疆、甘肃、内蒙古、宁夏、山西等(面积约占全国 的 44．75%) 。

图 10 2019 年我国人均水生态足迹、生态承载力及生态盈亏指数空间分布

3 结论与建议

3．1 结 论

( 1) 2000 年以来，中国水生态足迹年际变化较小， 水生态足迹农业＞工业＞生活＞生态 。新疆、江苏、广东 水生态足迹较大，而西藏、青海、宁夏、陕西、山西、重

庆、北京、天津以及海南水生态足迹较小。

( 2) 我国水生态承载力年际变化较大，且受区域 水资源总量影响较大 。西藏、青海、广西、湖南、江西、 广东水生态承载力较大，而北方地区水生态承载力普

遍较小。

( 3) 我国水生态盈亏指数年际变化较大，2000 年 以来均处于生态盈余状态 。新疆、甘肃、内蒙古、宁夏、 山西、山东和河南等地水资源开发利用程度高，处于水 生态亏损状态，不利于区域资源环境的可持续发展。 西南地区普遍处于水生态盈余状态，西藏、青海、广西、 广东和江西生态盈余在 2．98 亿 hm2 以上 。总体上，我 国水生态亏损和盈余地区的面积比例大致相等，人均 情况亦如此。

3．2 建 议

为实现我国水资源可持续利用，提升区域水生态 承载力，提出以下节水建议。

( 1) 农业节水方面 。我国大部分地区农业水生态

足迹占比高，水生态严重亏损的省份多为农业水生态 足迹高值区 。黑龙江、新疆和江苏农业水生态足迹位 于全国前三位，应重点关注农业节水 。新疆要加强农 业用水由粗放式向节约集约方式转变，加快灌区的现 代化节水改造建设，提高农业用水效率 。黑龙江农田 灌溉用水量占农业用水量的比例超过 90%，应提高灌 溉用水效率，加强节水灌溉设施建设 。江苏水生态赤

字突出，应重点从农业节水出发，加大农业节水工程建 设力度，推广和普及大规模农业节水和高效节水灌溉

模式，提高农业灌溉用水效率，从水资源量和质两方面 促进水资源可持续利用 。甘肃、宁夏、内蒙古、山东、河 南和山西等黄河流经省 ( 区) ，要落实“以水而定、量水

而行”的方针。

( 2) 工业节水方面 。江苏省工业水生态足迹为全 国最大，应适当控制高耗水、高污染企业投资建设，加 强产业结构调整和优化，扶持水资源利用效率高的高 新技术产业发展 ; 加大企业科技投入，改进生产工艺， 减少工业污水排放 。 同时，环保部门应加强污染物排

放管理，限制污染企业的超标排放行为。

( 3) 生活节水方面 。北京、天津、上海、山东和河 南等人口密集地区，生活用水所占比重大 。一方面，要 加强全民节水意识，通过互联网、多媒体等形式，开展 水资源开发利用和保护的常态化宣传教育，以及节水 科普宣传教育 。另一方面，要加快节水技术成果的转 化和推广，健全政产学研用相融合的节水技术创新体

系，强化节水监督管理，深化水价改革。

( 4) 生态节水方面 。对于北京、天津、河北和河南 等生态用水量占比较高且处于水资源超载状态的省 份，应加强区域污水净化处理工程建设，将污水净化处 理达标后作为生态用水，减轻水资源压力 。此外，推进 污水截流和雨洪分流工作，统筹外调水、当地地表水、 地下水、再生水和雨洪水的综合利用，改善水环境，提 高水生态承载力，促进区域可持续发展。

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【责任编辑 张华兴】

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【责任编辑 张华兴】

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