安 彬，肖薇薇

(1.安康學院 旅游與資源環(huán)境學院，陜西 安康 725000；2. 陜西省安康市漢江水資源保護與利用工程技術(shù)研究中心，陜西 安康 725000)

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基于水足跡理論的江西省水資源時空特征分析

安 彬1,2，肖薇薇1,2

(1.安康學院 旅游與資源環(huán)境學院，陜西 安康 725000；2. 陜西省安康市漢江水資源保護與利用工程技術(shù)研究中心，陜西 安康 725000)

根據(jù)江西省年鑒數(shù)據(jù)，基于水足跡理論，計算出1999～2012年的水足跡，分析其時空變化特征，并綜合評價水資源利用效益。結(jié)果表明：1999～2012年，江西省社會總水足跡量、農(nóng)產(chǎn)品虛擬水消費量及人均水足跡均呈現(xiàn)上升的趨勢，農(nóng)產(chǎn)品虛擬水消費量占到水足跡總量的93%以上；2012年江西省糧食產(chǎn)量、虛擬水總量、人均虛擬水、單位面積虛擬水都呈現(xiàn)以鄱陽湖湖區(qū)平原及贛江中下游高值區(qū)，省界四周及贛州低值連片區(qū)的空間分布特征；水資源承載力、壓力指數(shù)年際變化較大，水資源強度呈現(xiàn)下降的趨勢，由485.43m3/萬元下降到97.06m3/萬元，平均下降速度達到27.91%，利用效益逐步提高。

水足跡理論；江西省；時空特征；虛擬水

水是生命之源，是保障區(qū)域社會經(jīng)濟穩(wěn)定、生態(tài)環(huán)境安全、國家安全的重要資源。伴隨世界人口及經(jīng)濟規(guī)模不斷擴大，諸如灌溉、加工等人類活動使用和消費大量的實體水資源，導致越來越多地區(qū)出現(xiàn)不同程度的水資源短缺問題[1-2]。就我國而言，水資源時空分布不均、供需矛盾尤其突出，主要通過利用相關(guān)政策、水利工程或者通過區(qū)域間商品貿(mào)易等方法解決該問題，而區(qū)域間商品貿(mào)易的各類農(nóng)工產(chǎn)品蘊藏大量“看不見”的水資源[3]。若僅靠地區(qū)的生產(chǎn)、生活用水總量則不能衡量水資源的利用和消費狀況。因此，迫切需要定量評價水資源利用與人類生產(chǎn)生活之間的關(guān)系。

1993年，英國學者Allen[4]最先提出了“虛擬水”(VirtualWater)，能夠定量計算產(chǎn)品在生產(chǎn)、消費等服務(wù)過程中的用水總量。荷蘭學者Hoekstra[5]教授于2002年提出了一個衡量用水指標——“水足跡”(WaterFootprint)，指的是具體區(qū)域、公司或個人在一定時期內(nèi)消費的所有產(chǎn)品和服務(wù)的直接和間接用水總量，可以看做是水資源占用的綜合評價指標?；谒阚E理論，國內(nèi)學者針對不同尺度的水足跡進行了系統(tǒng)的研究。馬靜等[6]、王新華等[7]、高孟緒等[8]、孫才志等[9]對國家尺度展開了研究，鄧曉軍等[10]、黃晶[11]、陳俊旭[12]、孫義鵬[13]、曹永強[14]、劉民士等[15]以省、市級尺度為對象開展了研究；蔡燕[16]、史安娜[17]、潘文俊[18]、蔡振華等[19]對流域的水足跡進行了核算。從以上研究可以看出，多數(shù)研究主要針對水資源問題較嚴重的地區(qū)，而對我國南方濕潤區(qū)域及經(jīng)濟落后地區(qū)水足跡研究較少?；诖?，本文以南方農(nóng)業(yè)大省江西省為例，系統(tǒng)地計算和分析了近10年水足跡的時空變化及其特征，并對江西省的水資源利用狀況進行了評價，旨在為該區(qū)水資源可持續(xù)利用、優(yōu)化發(fā)展方式提供依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

江西省地處長江中下游南岸，介于113°34′36″～118°28′58″E，24°29′14″～30°04′41″N之間。全省土地面積16.69萬km2，北部地區(qū)較為平坦，中部丘陵起伏，三面環(huán)山，呈現(xiàn)為整體向鄱陽湖傾斜的盆地。該區(qū)為亞熱帶溫暖濕潤氣候，年均溫在16.3～19.5 ℃，多年平均降水量1638mm；全境湖泊眾多，以鄱陽湖為中心呈向心水系，多年平均水資源總量1565億m3；土壤以紅壤、磚紅壤為主，植被以常綠闊葉林為主，具有典型的亞熱帶森林植物群落。2013年末人口為4503萬，是我國重要的糧食和棉麻產(chǎn)區(qū)，也是淡水漁業(yè)重點省份。

2　研究方法

2.1水足跡的核算及數(shù)據(jù)來源

目前，國際上對水足跡核算主要有4種方法[15,20-21]：第1種是基于區(qū)域間的投入產(chǎn)出模型方法，在國內(nèi)研究較少；第2種是生命周期理論的計算；第3種是自下而上法，計算居民消費產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和需求服務(wù)對水足跡的影響；第4種是基于消費平衡理論的自上而下法，其計算出外部水資源對區(qū)域的貢獻程度，依賴于區(qū)域進出口貿(mào)易數(shù)據(jù)[22]。對比以上4種水足跡的核算方法，結(jié)合缺測江西省歷年進出口貿(mào)易及污水耗水數(shù)據(jù)的實際情況，本文選擇自下而上的方法。在衡量該區(qū)域的水足跡時，主要從農(nóng)產(chǎn)品水足跡(Wp)、工業(yè)生產(chǎn)水足跡(Wi)、居民生活水足跡(Wr)、生態(tài)環(huán)境水足跡(We)4個方面考慮。因此，該區(qū)域內(nèi)總的水足跡(Wf)就是上述4個方面的水足跡之和：

Wf=Wp+Wi+Wr+We

(1)

農(nóng)產(chǎn)品的水足跡主要包括農(nóng)作物產(chǎn)品和動物產(chǎn)品的水足跡，是水足跡核算的核心，一般用m3/t表示，主要是單位農(nóng)產(chǎn)品虛擬水量與當年的產(chǎn)量之商。因此，對于單位質(zhì)量的農(nóng)產(chǎn)品虛擬水的計算又是關(guān)鍵。針對國內(nèi)學者的大量研究，依據(jù)研究區(qū)域具體情況，本文對該數(shù)據(jù)主要從文獻[15,23]中獲取或者修正(表1)。工業(yè)生產(chǎn)、居民生活及生態(tài)環(huán)境水足跡沒有建立統(tǒng)一的計算標準，故主要依據(jù)歷年水資源公報中的工業(yè)生產(chǎn)、居民生活及生態(tài)環(huán)境的實際耗水量作為核算依據(jù)。

表1　單位質(zhì)量的農(nóng)產(chǎn)品虛擬水m3/kg

全省及各個市區(qū)農(nóng)產(chǎn)品和動物產(chǎn)品的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源于江西省統(tǒng)計年鑒(2000～2013年)[24]，而生態(tài)環(huán)境、工業(yè)及居民生活用水的實際耗水量數(shù)據(jù)來源于江西省水資源公報(1999～2012年)[25]。

2.2水資源利用效益評價

基于水足跡的核算，能夠?qū)怂銋^(qū)域內(nèi)的水資源利用效率及其承載能力進行評價，有助于區(qū)域內(nèi)的水資源狀況及其糧食、生態(tài)環(huán)境等安全問題的解決[26]。為了充分了解江西省的水資源利用狀況，從水資源承載力、壓力指數(shù)及水足跡強度指標進行評價。

2.2.1水資源承載力相關(guān)學者[10,15,18,27]研究得出區(qū)域內(nèi)用于維系生態(tài)環(huán)境健康的水資源占到全部的60%左右。因此，可以將區(qū)域內(nèi)水資源承載力指標表示為：

WCC=0.4WRA=N×w

(2)

其中，WCC表示水資源承載力(m3)；WRA表示可利用的水資源總量(m3)；N表示人口總量(人)；w表示人均水資源承載力(m3)。

2.2.2水資源壓力指數(shù)根據(jù)國內(nèi)研究得出，水資源壓力指數(shù)(Ws)是指區(qū)域內(nèi)總水足跡(Wf)與可利用水資源總量(WRA)的比值，其值越大，尤其是大于1時，說明區(qū)域內(nèi)的水資源緊缺矛盾突出。

2.2.3水足跡強度區(qū)域內(nèi)水資源短缺已成為當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展的限制因素。因此，對水足跡強度的核算能夠解決當?shù)氐膯栴}。國內(nèi)一般用每產(chǎn)生1萬元經(jīng)濟效益所需的水資源量來評價水足跡強度，其值越大表明效益越低，其計算公式為：

WfGDP=Wf/GDP

(3)

以上計算和統(tǒng)計工作采用ArcGIS以及SPSS軟件完成，圖件全部用OriginPro8.5軟件繪制。

3　結(jié)果與分析

3.1水足跡的時空變化分析

3.1.1水足跡的時間變化根據(jù)水資源核算方法，得出了1999年至2012年江西省水足跡的變化(表2、圖1)。從中可以看出，自1999年以來，江西省全社會總水足跡量、農(nóng)產(chǎn)品虛擬消費量及人均水足跡均呈現(xiàn)上升的趨勢，較1999年分別增加了48.68%、52.24%、39.68%；工業(yè)和居民生活用水量都表現(xiàn)出先減少后增加的趨勢，生態(tài)環(huán)境用水量在2009年達到峰值，隨后穩(wěn)定在1.7億m3。其中，農(nóng)產(chǎn)品虛擬水消費量占到水足跡總量的93%以上，且糧食、豬肉、水產(chǎn)品3種農(nóng)產(chǎn)品占到總水足跡的71%以上。這與江西省農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)實際情況一致，江西省是我國南方重要的糧食生產(chǎn)基地，也是南方主要糧食調(diào)出的省份，糧食作物播種面積占作物總播種面積的60%～70%，稻谷總產(chǎn)量約占糧食總產(chǎn)量的95%，尤其是2004年以后實現(xiàn)連年豐產(chǎn)[24]；同時，也是內(nèi)陸淡水漁業(yè)重點省份，包括鄱陽湖在內(nèi)的總水面達166.7萬hm2，年產(chǎn)水產(chǎn)品210多萬t。

表2　1999～2012年江西省水足跡變化

從圖1-b中可以看出，2003年的人均水足跡只有844.7m3，為研究期間內(nèi)最低值，但與其他省份[10-15,20]相比，處于較高的水平且高于全國平均值。其主要原因是2003年7～10月降水量為1956年以來同期最低值，為伏旱、秋旱、連冬旱的典型年，晚稻受災(zāi)面積達2/3以上；加上該年種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，導致糧食播種面積調(diào)減。2003年以后，糧食產(chǎn)量逐年上升，但虛擬水消費所占比例逐年下降，這與動物產(chǎn)品產(chǎn)量增長迅猛及政策調(diào)控下農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整有關(guān)。此外，在2003年之前，農(nóng)作物產(chǎn)品和動物產(chǎn)品虛擬水消費總量相差逐年減?。?003年以后，兩者之間的差值保持穩(wěn)定狀態(tài)?？梢姡r(nóng)產(chǎn)品的總產(chǎn)量是影響地區(qū)內(nèi)水足跡的重要因素，區(qū)域內(nèi)水資源主要以虛擬形式存在。

圖1　1999～2012年江西省農(nóng)產(chǎn)品虛擬水(a)及人均水足跡(b)的變化趨勢

3.1.2水足跡的空間變化由于研究年限較多，本文選擇最近年份2012年的縣域單元內(nèi)糧食產(chǎn)量等為資料，分析了江西省糧食產(chǎn)量、虛擬水總量、人均虛擬水、單位面積上的虛擬水的空間分布(圖2)。從圖2-a中可以看出，2012年江西省糧食產(chǎn)量在縣域空間上分布不均勻，高產(chǎn)區(qū)主要集中在鄱陽湖東部和南部平原區(qū)，原因是該區(qū)生產(chǎn)條件優(yōu)越，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施完善；中等產(chǎn)區(qū)主要在贛江中上游沿岸平原地區(qū)，這類區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料投資較高；低產(chǎn)區(qū)主要分布在省界附近的縣域，這是由于縣域主要位于低山或高山丘陵地區(qū)，耕地面積有限，糧食生產(chǎn)條件較差[28]。根據(jù)歷年各縣域糧食所占比例，估算了縣域的虛擬水總量，其空間分布表現(xiàn)同糧食產(chǎn)量幾乎一致，這體現(xiàn)出地勢是影響糧食和虛擬水總量的因素之一。

2012年江西省人均虛擬水量多數(shù)在500～1500m3，呈現(xiàn)出以贛江中下游西岸最多，向邊界逐漸減少的空間分布特征(圖2-c)。其中，贛州大部、九江西北部、上饒東部等縣域形成了3個人均虛擬水較低值連片區(qū)，這主要與連片區(qū)縣域處于中低山丘陵地區(qū)、糧食產(chǎn)量較低有關(guān)。九江市(縣)與南昌市(縣)的糧食產(chǎn)量均較高，但是人均虛擬水最低，原因是南昌和九江是江西省兩大區(qū)域經(jīng)濟增長核心，隨著消費群體和工業(yè)市場規(guī)模擴大并不斷發(fā)展，以及當?shù)卣畬Πl(fā)展地方經(jīng)濟強有力的支持的優(yōu)勢，吸引了大量的人口聚集。單位面積虛擬水呈現(xiàn)出以“景德鎮(zhèn)-吉安”連線為對稱軸式東南-西北方向逐漸遞減的空間分布特征(圖2-d)。其中，贛州和撫州兩市形成較低值區(qū)，糧食產(chǎn)量低是造成連片區(qū)的主要原因。綜合圖2可以得出，江西省糧食產(chǎn)量、虛擬水總量、人均虛擬水、單位面積虛擬水都表現(xiàn)出中部的鄱陽湖湖區(qū)平原及贛江中下游高值區(qū)，省界四周及贛州的低值連片區(qū)的空間分布?？梢?，研究區(qū)內(nèi)的地勢地貌特征是影響這種分布特征的重要因素。

藍色區(qū)域為鄱陽湖；空白區(qū)域為部分數(shù)據(jù)缺失市區(qū)

3.2江西省水資源利用效益評價

根據(jù)水資源利用效益評價指標，計算出研究區(qū)內(nèi)歷年水資源承載力、壓力指數(shù)及水足跡強度(圖3)。從圖3-a中可以看出，水資源承載力年際變化較大，且表現(xiàn)出年降雨豐富，水資源承載力也高。經(jīng)過Pearson雙側(cè)檢驗，發(fā)現(xiàn)兩者之間相關(guān)性顯著，說明水資源承載力受區(qū)域內(nèi)年降水量的影響較大。研究期內(nèi)水壓力指數(shù)均值達到0.71，2009年和2011年水壓力指數(shù)分別達到1.00、1.18，其余年份都小于1.00，說明江西省水資源可利用量要高于水足跡，水資源利用處于安全狀態(tài)。水壓力指數(shù)呈現(xiàn)微弱上升趨勢，表明年內(nèi)水資源有余，但是利用狀況將面臨缺水趨勢。這與江西省的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有關(guān)，以農(nóng)業(yè)為主的第一產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)中需要消耗大量的虛擬水。因此今后可以進一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)，合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及消費結(jié)構(gòu)。

圖3　1999～2012年江西省水資源承載力(a)、壓力及水足跡強度(b)的變化趨勢

水足跡強度反映的是區(qū)域內(nèi)為經(jīng)濟發(fā)展所付出的水資源量。計算表明1999～2012年江西省水資源強度從1999年的485.43m3/萬元下降到2012年的97.06m3/萬元，每萬元所需要的水資源下降了388.37m3，平均下降速度達到27.91%，說明利用效益逐步提高(圖3-b)。1999～2012年可利用實體水資源的余量空間在減少，而經(jīng)濟產(chǎn)值呈增長趨勢，說明虛擬水對江西省的經(jīng)濟發(fā)展發(fā)揮了重要作用。

4　結(jié)論與討論

4.1結(jié)論

水足跡將實體水與虛擬水結(jié)合起來，能夠真實地反映區(qū)域水資源利用和消費情況。根據(jù)江西省的年鑒數(shù)據(jù)，計算出1999～2012年的水足跡，分析其時空變化特征，并綜合評價水資源利用效益，得出：

1999～2012年，江西省社會總水足跡量、農(nóng)產(chǎn)品虛擬水消費量及人均水足跡均呈現(xiàn)上升的趨勢，農(nóng)產(chǎn)品虛擬水消費量占到水足跡總量的93%以上，且糧食、豬肉、水產(chǎn)品3種農(nóng)產(chǎn)品占到總水足跡的71%以上；工業(yè)和居民生活用水量都表現(xiàn)出先減少后增加，生態(tài)環(huán)境用水量在2009年達到峰值。

2012年江西省糧食產(chǎn)量、虛擬水總量、人均虛擬水、單位面積虛擬水在縣域空間上分布不均勻。人均虛擬水呈現(xiàn)以贛江中下游西岸最多，向邊界逐漸減少的空間分布特征，贛州大部、九江西北部、上饒東部等縣域形成了3個人均虛擬水較低值連片區(qū)。單位面積虛擬水呈現(xiàn)出以“景德鎮(zhèn)-吉安”連線為對稱軸式東南-西北方向逐漸遞減的空間分布特征，贛州和撫州兩市縣域形成較低值區(qū)。

1999～2012年，江西省水資源承載力、壓力指數(shù)年際變化較大，水資源強度呈現(xiàn)下降的趨勢。水壓力指數(shù)均值達到0.71，2009年和2011年水壓力指數(shù)分別達到1.00、1.18，其余年份都小于1.00，多數(shù)年份水資源利用處于安全狀態(tài)。水資源強度由485.43m3/萬元下降到97.06m3/萬元，平均下降速度達到27.91%，利用效益逐步提高。

4.2討論

江西省境內(nèi)的鄱陽湖是我國最大淡水湖，有助于地區(qū)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。但隨著流域洪澇災(zāi)害發(fā)生的頻率有所增加[29]，加之人均需求的不斷增大，導致水資源利用困難進一步加大。因此，通過水足跡的核算，明確了農(nóng)產(chǎn)品是水足跡產(chǎn)生的主要水源，有必要優(yōu)化產(chǎn)業(yè)，合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及消費結(jié)構(gòu)。本文只選擇了生產(chǎn)、生活和生態(tài)指標，未將污水納入計算范疇。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，水污染的形勢不容樂觀，對江西省的水資源壓力及水足跡強度勢必產(chǎn)生影響。而且目前多數(shù)研究多集中于大尺度，尺度內(nèi)的差異不夠明顯。因此，在以后的研究當中，需結(jié)合相關(guān)影響因素對小尺度內(nèi)水足跡趨勢進行預(yù)測及定量的綜合評價，為區(qū)域政府政策制定、水資源可持續(xù)利用及優(yōu)化發(fā)展方式提供更加可靠依據(jù)。

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(責任編輯：許晶晶)

AnalysisofSpatialandTemporalFeaturesofWaterResourcesinJiangxiProvinceBasedonWaterFootprintTheory

ANBin1,2,XIAOWei-wei1,2

(1.CollegeofTourismandResourceEnvironment,AnkangUniversity,Ankang725000,China; 2.AnkangMunicipalEngineeringTechnologyResearchCenterforHanjiangRiverWaterResourceProtectionandUtilizationinShanxiprovince,Ankang725000,China)

BasedonthetheoryofwaterfootprintandthedataofJiangxiProvincialYearbookduring1999～2012,thisarticlecalculatedthewaterfootprint,analyzeditsspatialandtemporalchangecharacteristics,andcomprehensivelyevaluatedtheutilizationefficiencyofwaterresources.Theresultsshowedthat:from1999to2012,thesocialtotalwaterfootprint,virtualwaterconsumptionofagriculturalproducts,andper-capitawaterfootprintinJiangxiprovinceallpresentedarisingtrend,andthevirtualwaterconsumptionofagriculturalproductsaccountedforover93%ofthetotalwaterfootprint.In2012,thegrainyield,totalvirtualwater,per-capitavirtualwater,andvirtualwaterperunitareaofJiangxiprovinceallpresentedthefollowingspatialdistributioncharacteristics:high-valueregionswerelocatedinthePoyangLakeplainandthemiddleandlowerreachesoftheGanjiangRiver;low-valueregionswerelocatedintheperipheryofprovincialboundaryandinGanzhoucity.Theinter-annualchangesinwaterresourcecarryingcapacityandpressureindexwerelarge.Thewaterresourcesintensitydecreasedfrom485.43m3pertenthousandyuanto97.06m3pertenthousandyuan,anditsaveragedeclineratereached27.91%,indicatingthattheutilizationefficiencyofwaterresourceswasgraduallyimproved.

Waterfootprinttheory;Jiangxiprovince;Spatialandtemporalfeatures;Virtualwater

2016-01-20

陜西省教育廳自然科學專項研究計劃(16JK1017)；安康學院高層次人才科研專項(2015AYQDZR04)。

安彬(1988─)，男，江西九江人，碩士，研究方向為土壤水與水資源管理。

TV213.4

A

1001-8581(2016)08-0074-05