山東省水資源生態足跡與用水效率時空測度

馬曉蕾, 慎瀟雯, 王 婕, 劉 雯, 張 曼

(1.淮陰師范學院 城市與環境學院,江蘇 淮安 223300; 2.安陽師范學院 資源環境與旅游學院,河南 安陽 455000)

隨著社會經濟的快速發展,人類不僅過度開采水資源,而且對水環境造成的污染也日益嚴重,使得水資源緊缺,供需矛盾突出.生態足跡用于衡量人類對自然資本的利用程度,由Rees[1]于1992年提出,并在1996年由Wackernagel等[2]完善.生態足跡通過測算維持人類自然資源消費量和同化人類產生的廢棄物所需的生態生產性空間面積,與給定人口區域的生態承載力進行比較,衡量區域的可持續發展狀況[3].水資源生態足跡作為生態足跡評價的一部分,是指用于滿足人類社會生產、生活以及維持生態系統健康所需的全部水資源量的生態空間面積.近年來,學者們從水資源生態足跡角度開展了一系列研究[4-5],如李騰等[6]運用水資源生態足跡與承載力模型對河北省水資源盈虧情況及可持續性進行評估;周子琴等[7]對貴州省水資源生態足跡隨時間演變特征進行了研究;左其亭等[8]研究了黃河沿線省區水資源生態足跡的時空特征;路瑞等[9]對黃河流域水資源生態足跡進行評價;劉家旗等[10]利用生態足跡方法對黃河流域可持續發展進行研究;蘭簡琪等[11]基于生態足跡理論對青島市水資源可持續性進行分析;王建事等[12]研究了山東省生態足跡時空演變以及生態環境與經濟之間的關系.

上述學者雖然采用水資源生態足跡方法進行了很多深入研究,但對山東省及各地市水資源生態足跡時空演變,以及從水生態足跡視角分析用水效率的研究較少,有待進一步完善.本文中,筆者以山東省為例,對水生態足跡及用水效率時空格局進行研究,以期為沿海地區水資源承載力和可持續發展提供科學依據.

山東省位于中國東部沿海地區,地處黃河下游,省轄17個地級市(萊蕪市2019年被劃為濟南市萊蕪區),年降水量約550～950 mm,降水年內分布很不均勻.山東省總用水量為225.26 億m3,其中農田灌溉用水量達119.75億 m3,林牧漁畜用水量18.48億 m3,工業用水量31.87億 m3,城鎮公共用水量7.99億 m3,居民生活用水量29.30億 m3,生態環境用水量17.87億 m3[13].山東省在中國經濟發展中占有重要地位,但水資源時空分布不均衡已成為區域經濟發展面臨的重要挑戰.本研究基于生態足跡理論與方法,以山東省為研究區,從時間尺度上對全省2000—2018年水資源生態足跡進行分析,并從空間尺度上對各地級市水資源生態足跡、生態承載力、生態盈虧和用水效率等空間演變進行分析.由于可獲得的山東省地級市水資源利用較為詳細的數據最早為2007年,且為了比較各地級市水生態足跡空間格局分布特征及其演變趨勢,分別選取2007,2010,2015和2018年進行對比分析.研究結果有助于揭示山東省不同地區水資源開發利用現狀和存在問題,以及水資源生態承載能力的空間差異,進而為山東省水資源優化利用提供對策建議和決策依據.

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

水資源生態足跡(water ecological footprint)表示區域水資源代謝強度,反映水資源的消耗水平.為了解山東省水資源生態足跡的分布情況,建立農業用水、工業用水、生活用水、生態用水4個2級指標.水資源生態承載力(water ecological carrying capacity footprint)指區域在具體發展時間段內,水資源最大供給量能夠支持區域資源、環境和社會可持續發展的能力[3],計算公式為[14-16]

Fw=γ(W/Pw),

(1)

Cw=0.4γφ(Q/Pw).

(2)

式中:Fw為水資源生態足跡,hm2;Cw為水資源生態承載力,hm2;γ為水資源全球均衡因子;W為用水量,m3;Pw為水資源全球平均生產能力,m3/hm2;φ為區域水資源產量因子[14,17];Q為水資源總量,m3.γ,Pw值以及山東省水資源產量因子(φ=0.7)參考文獻[3].

Bw=Cw-Fw,

(3)

其中Bw為水資源生態盈虧指數,hm2.若Bw>0,表明區域處于水資源生態盈余狀態,水資源生態承載力較強;若Bw=0,表明區域水資源恰好處于生態平衡狀態;若Bw<0,表明區域處于水資源生態虧損狀態,水資源超載.

萬元GDP水資源生態足跡可反映研究區水資源生態足跡與經濟發展水平之間的關系[18],這里用于反映山東省用水效率,即

Gw=Fw/GGDP.

(4)

式中:Gw為萬元GDP水資源生態足跡;GGDP表示區域GDP值.Gw值越大,表明區域內單位產值所消耗的水資源量越多,水資源利用效率越低;反之,水資源利用效率越高.

1.2 數據來源

山東省及所轄17個地級市水資源總量、總用水量、工業用水、農業用水、生活用水和生態用水量指標數據來源于2000—2018年《山東省水資源公報》,GDP、第一產業增加值和第二產業增加值數據來源于《山東省統計年鑒》.

2 結果分析

2.1 山東省水生態足跡與用水效率隨時間演變

2.1.1 水生態足跡與水生態承載力

2000—2018年,山東省總水生態足跡呈波動下降趨勢,隨著人口數量的增加,人均水生態足跡持續減小(見圖1a).山東省水生態承載力總體呈波動起伏變化,年際差異較大(見圖1b).2003年水生態承載力最高,為0.23億 hm2;2002年最低,僅為0.045億 hm2,年際間相差接近5倍.對2000—2018年山東省水生態足跡與水生態承載力進行對比可以發現,歷年水生態足跡遠高于水生態承載力,即水生態常年虧損.過度消耗水資源會造成生態環境的嚴重惡化,水資源的不可持續利用制約了社會經濟發展.

圖1 2000—2018年山東省水生態足跡與水生態承載力Fig.1 Fw,Cw and per Fw,Cw in Shandong Province from 2000 to 2018

2.1.2 水生態足跡構成

由圖2a可知,山東省農業水生態足跡最高,2000—2018年呈先升后降趨勢,2002年達到最高,2006—2018年總體呈明顯下降趨勢,表明全省農業節水灌溉效率不斷提高,節水力度加強.由圖2b可知,工業水生態足跡2000—2005年呈直線下降趨勢,2006—2018年又呈波動上升趨勢,工業用水量加大.2004年前,工業水生態足跡高于生活水生態足跡;2004年基本持平;隨著人口數量的增長和人民生活水平的提高,生活用水量隨之增加,2004年后生活水生態足跡反超工業水生態足跡(見圖2c).生態水生態足跡呈波動上升趨勢(見圖2d),說明山東省加強了對生態環境的保護力度.

a.農業; b.工業; c.生活; d.生態.圖2 2000—2018年山東省農業、工業、生活和生態水生態足跡變化趨勢Fig.2 Fw Trends of Agriculture,Industry,Living and Ecology in Shandong Province from 2000 to 2018

2007—2018年,除農業水生態足跡占比下降外,工業、生活和生態水生態足跡占比均逐漸增加.山東省農業水生態足跡占比最高,由75.07 %下降到62.76 %;其次為生活水生態足跡,由12.49 %上升到16.95 %;工業水生態足跡低于生活,由10.99 %上升到15.30 %;生態水生態足跡最低,占比由1.46 %上升到4.99 %(見圖3).

圖3 山東省農業、工業、生活和生態水生態足跡占比變化Fig.3 Fw Proportion Changes of Agriculture,Industry,Living and Ecology in Shandong Province

圖4 2000—2018年山東省單位產值水生態足跡變化Fig.4 Changes in Fw per Unit Output Value in Shandong Province from 2000 to 2018

2.1.3 萬元GDP水生態足跡

山東省萬元GDP水生態足跡呈小幅度下降趨勢,之后處于平穩狀態.農業萬元生產總值水生態足跡呈顯著下降趨勢,但仍高于工業和平均水平,表明山東省農業經濟用水效率提高速度最快,但用水效率仍然較低;工業萬元生產總值水生態足跡趨于平穩且處于較低水平,表明工業用水效率高.總體上看,山東省用水效率不斷提高,發展趨勢較好(見圖4).

2.2 山東省水生態足跡與用水效率空間差異

2.2.1 水生態足跡

山東省各地市水生態足跡空間差異大,高值區大多位于山東省西部地區,距離海洋較遠,尤其是菏澤、濟寧、德州和聊城4市,水生態足跡較高;低值區靠近沿海,如威海、日照2市水生態足跡較低(見圖5,圖中數值為農業水生態足跡占比).聊城和濰坊2市水生態足跡下降明顯,說明2市重視水資源的節約利用和保護,水資源利用效率有所提高.各地市農業水生態足跡占比大,工業與生活水生態足跡次之,生態水生態足跡占比最小.威海、日照、萊蕪、棗莊4市各類用水生態足跡總體較小;德州、菏澤、聊城、濟寧4市農業水生態足跡高,農業生產需水量大,應發展節水農業,采用滴灌、噴灌等節水技術提高用水效率.

圖5 山東省水生態足跡及其構成空間格局演變Fig.5 Spatial Pattern Evolution of Fw and Its Composition in Shandong Province

表1 山東省各地市人均水生態足跡變化Tab.1 Changes of per Capita Fw in Cities of Shandong Province

2.2.2 人均水生態足跡

總體上看,山東省各地市2007—2018年人均水生態足跡變化趨勢大致可以分為3類,分別為下降、基本不變和上升.處于下降趨勢的城市有濟南、青島、淄博、濰坊、濟寧、萊蕪、臨沂、德州和聊城;基本不變的有棗莊、煙臺、泰安、日照、菏澤5個地級市;處于上升趨勢的城市是東營、威海和濱州.2018年,青島市人均水生態足跡最低,僅為0.19 hm2/人;東營市最高,為0.88 hm2/人.由表1可知,山東省不同地市人均水生態足跡空間差異大,水資源消耗區域不均衡,對于人均水生態足跡較高的地區,應進一步加強水資源節約利用,減少人均水資源消耗.

2.2.3 水生態承載力

山東省各地市水生態承載力區域差異大,具體見圖6.2007年,臨沂、煙臺、青島3市水生態承載力較高,分別為3.22×106,2.34×106,1.69×106hm2,而東營市水生態承載力最低,僅為0.26×106hm2.與2007年相比,2010年增幅最大的是聊城市,降幅最大的是臨沂市,高值區為臨沂、煙臺、菏澤3市,分別為1.72×106,1.63×106,1.33×106hm2.2015年,各地市水生態承載力均有所下降,水生態承載最高的為臨沂市,約100萬 hm2.2018年各地市水生態承載力顯著提升,增幅最大的是濰坊市(增長約4倍),濰坊、臨沂、濟寧3市水生態承載力較強,分別為2.31×106,1.99×106,1.19×106hm2.萊蕪市水生態承載力在2010,2015,2018年均是最低,說明萊蕪市水資源較為稀缺,承載能力較弱,今后要特別加強水資源的優化利用.

2.2.4 水生態盈虧

圖7為山東省各地級市2007,2010,2015和2018年水生態盈虧指數變化情況.2007年,青島、煙臺、威海、日照和臨沂5市水生態盈虧指數大于0;2010年,煙臺、威海2市水生態盈虧指數大于0;2018年,濰坊、日照2市水生態盈虧指數大于0,處于水生態盈余狀態;其余不同地市各年份水生態盈虧指數均小于0,處于水生態赤字狀態,其中濟寧、德州和聊城3市水生態虧損最大,處于嚴重超載狀態.這種情況表明山東省水生態資源短缺問題較為嚴峻,急需采取有效措施加強水資源節約利用,緩解水資源生態壓力,促進區域可持續發展.

圖7 山東省各地市水生態盈虧變化Fig.7 Bw Changes in Cities of Shandong Province

2.2.5 用水效率空間格局

威海、青島、煙臺3市萬元GDP水生態足跡較低,用水效率高(見圖8).其中,青島市經濟較為發達,地區生產總值位于全省第1位,煙臺市GDP位于全省第3位,水資源利用效率高;威海市GDP相較于省內其他城市屬于中等偏下水平,但其工業耗水量少,用水效率高,使得整體水資源利用率較高;菏澤、聊城、德州3市萬元GDP水生態足跡較高,水資源利用效率偏低.

圖8 山東省各地市萬元GDP水生態足跡空間格局演變Fig.8 Spatial Pattern Evolution of Fw per 10 000 Yuan GDP in Shandong Province

山東省萬元GDP水生態足跡與農業萬元增加值水生態足跡的空間格局較為一致,農業作為山東省主要支柱型產業,用水量最大,水資源利用效率相比工業較低.菏澤、德州、濱州3市農業萬元增加值水生態足跡較高,使得總體GDP水生態足跡較高.沿海城市農業萬元增加值水生態足跡較低,用水效率高(見圖9).工業方面,各地市整體工業萬元增加值水生態足跡處于上升趨勢,2018年,濱州市萬元工業增加值水生態足跡最高,為0.33 hm2/萬元;其次為萊蕪市,萊蕪市工業增加值處于全省最低水平,用水效率也較低,為0.27 hm2/萬元;而濟南、青島、煙臺等工業增加值較高的地區,用水效率高,萬元工業增加值的水生態足跡均小于 0.1 hm2/萬元.

圖9 山東省農業和工業萬元增加值水生態足跡空間格局演變Fig.9 Agricultural and Industrial Fw per 10 000 Yuan Added Value in Shandong Province

3 結論與建議

3.1 結 論

利用水生態足跡方法,通過萬元GDP水生態足跡反映山東省用水效率,得出以下主要結論.

1) 從時間上看,2000—2018年山東省處于水生態虧損狀態,生態赤字較大.山東省以農業用水為主,農業水生態足跡占比高達60 %以上.2004年前工業水生態足跡高于生活,2004年后隨著人口的增長以及生活水平的提高,生活用水量不斷增加,致使生活水生態足跡上升,超過工業;生態用水量及生態水生態足跡均處于增長趨勢,說明山東省近年加大了對生態環境的保護力度.全省萬元GDP水生態足跡變化較小,農業萬元增加值水生態足跡處于明顯下降趨勢,農業用水效率有所提高,但仍遠低于工業;工業用水效率較高,且處于較為平穩態勢.

2) 從空間上看,山東省水資源生態足跡高值區集中在西部的菏澤、濟寧、德州和聊城4市,萊蕪、威海、日照3市水資源生態足跡較低.從空間格局演變情況看,山東省大部分地市普遍存在水生態赤字問題,濟寧市水生態赤字居于首位,威海、日照、萊蕪3市水生態赤字較小.

3) 用水效率方面,全省各地市萬元GDP水生態足跡相差較大,西部地區較高、北部地區較低,其中青島、威海、煙臺3市最低,用水效率高.2000—2018年,全省農業萬元增加值水生態足跡由2.34 hm2/萬元下降到0.94 hm2/萬元,說明農業用水效率有了大幅度提高;工業萬元增加值水生態足跡由0.17 hm2/萬元下降到0.12 hm2/萬元,工業用水效率也有了一定提升.

3.2 建 議

隨著社會經濟不斷發展,生活、生產和生態環境等方面對水資源的需求量將隨之增加,提高用水效率、節約水資源等成為急需解決的重要問題.山東省水資源總量不足,人均占有量少,水資源地區分布不均且差異較大,今后應重點從以下幾方面著手解決水問題.

1) 農業方面,由于山東省農業用水效率明顯低于工業,因此應重點加強農業節水,提高農業生產效率.菏澤、濱州和德州等地市萬元增加值水生態足跡高于1.8 hm2/萬元,應重點進行改造,如增加節水灌溉面積、改傳統漫灌為節水的滴灌和噴灌、加強水利工程建設等,降低農業用水量,提高農業用水效率[13],減輕山東省農業生產用水壓力.青島、威海等地市農業用水效率較高,萬元增加值生態足跡僅0.2 hm2/萬元左右,其他城市可以借鑒其發展經驗.

2) 工業方面,濱州市工業用水效率處于全省最低水平,工業生產帶來的水生態足跡高達50萬hm2,居全省第2位,但工業增加值卻處于全省較低水平.因此,濱州市應加強對耗水工業發展的監督和管理,提高產業創新能力,推動產業的綠色轉型和高質量發展.萊蕪市用水效率較低,工業增加值處于全省最低水平,應大力提高工業增加值,結合區域自身發展實際加快產業轉型升級和加大科技投入,提高工業生產效率.

3) 生活和生態方面,政府有關部門應加強宣傳和引導,提高全民節水意識.加強對污水排放的監督和管理,推動雨水、污水回收再利用,將處理之后的水資源用于城市景觀綠化,緩解山東省用水壓力,改善用水狀況,實現山東省水資源可持續發展,保護水生態環境.