楊 倩, 孫 鋮, 李山勇, 嵇 瑩, 林愛文

(1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 武漢 430079; 2.武漢大學(xué) 教育部 地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430079)

?

湖北水資源生態(tài)承壓能力的時空分異特征

楊 倩1,2, 孫 鋮1,2, 李山勇1,2, 嵇 瑩1,2, 林愛文1,2

(1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 武漢 430079; 2.武漢大學(xué) 教育部 地理信息系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430079)

根據(jù)水資源生態(tài)足跡基本原理和計(jì)算模型，引入水資源生態(tài)承壓能力指數(shù)，對湖北省2004—2012年的水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力、水資源生態(tài)承壓能力的時空分異特征、水資源生態(tài)承壓能力和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的空間關(guān)聯(lián)性進(jìn)行探討。研究表明：(1) 湖北省歷年水資源生態(tài)承載力大于生態(tài)足跡，存在一定的盈余，但水資源生態(tài)承載力與生態(tài)足跡空間格局不匹配；(2) 湖北省水資源總生態(tài)足跡和人均生態(tài)足跡總體呈上升趨勢，萬元GDP水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承壓能力總體呈下降趨勢。干旱、洪澇等自然災(zāi)害對湖北省水資源生態(tài)承載力影響較大；(3) 湖北省社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r與水資源生態(tài)承壓能力存在負(fù)的空間關(guān)聯(lián)，雙變量局部空間自相關(guān)的LISA集聚類型出現(xiàn)HH，HL，LH和LL共4種類型，其中HH型僅占全省市州總數(shù)的1/17，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水資源生態(tài)承壓能力空間分布不協(xié)調(diào)。加強(qiáng)區(qū)域水利基礎(chǔ)設(shè)施的修建與完善，優(yōu)化區(qū)域的產(chǎn)業(yè)布局，提高水資源利用和經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)度，是實(shí)現(xiàn)湖北省水資源可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

生態(tài)足跡; 生態(tài)承載力; 生態(tài)承壓能力; 可持續(xù)發(fā)展; 湖北省

20世紀(jì)90年代，為揭示人類活動對自然資源的占用與生態(tài)系統(tǒng)承載力之間的關(guān)系，Ree和Wackernagel[1-3]提出了生態(tài)足跡模型，該模型基于生物生產(chǎn)性土地面積(biologically productive area)這一概念而定義，將與人類活動密切相關(guān)的自然資源和能源消費(fèi)折算成相應(yīng)的土地面積，為各類自然資源提供了統(tǒng)一的度量基礎(chǔ)，同時也為我們提供了一個有效的工具來量化不同區(qū)域可持續(xù)發(fā)展程度[4-6]。然而，模型中生物生產(chǎn)僅是水資源的一種功能，不能代表水資源對人類的全部服務(wù)[7]。為了彌補(bǔ)生態(tài)足跡模型對水資源生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)描述的局限，同時保障人類對水資源真實(shí)占用的核算結(jié)果能與傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型整合，以便更加全面考慮人類活動對自然生態(tài)資本的占用，黃林楠等[8]在6類生物生產(chǎn)性土地賬戶以外建立第7類土地類型——水資源用地，用于計(jì)算水資源生態(tài)足跡，描述水資源除了生物生產(chǎn)以外的生態(tài)環(huán)境服務(wù)和社會經(jīng)濟(jì)功能。部分學(xué)者在此基礎(chǔ)上完成了國家范圍[9]、江蘇[8,10]、四川[11]、河南[12]、云南[13]等省份和關(guān)中地區(qū)[14]、邢臺市[15]等區(qū)域不同尺度的水資源生態(tài)足跡分析研究，但研究多限于生態(tài)足跡和生態(tài)承載力分析、生態(tài)盈虧關(guān)系表達(dá)或生態(tài)承載力預(yù)測，沒有體現(xiàn)水資源生態(tài)承壓能力的時空分異特征，且缺少對水資源生態(tài)承壓能力與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的狀況空間關(guān)聯(lián)性的評價與分析。

2004年3月，中央首次明確提出了中部崛起計(jì)劃，作為6省通衢的工業(yè)基地和文化中心，湖北省是國家實(shí)施中部崛起戰(zhàn)略的重要省份，也是全國交通航運(yùn)樞紐，水資源的利用狀況對其發(fā)揮承“東”啟“西”和產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢有著重要作用。因此，本文基于水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力供需平衡關(guān)系，引入水資源生態(tài)承壓能力指數(shù)，應(yīng)用水資源生態(tài)足跡模型和GIS方法，計(jì)算湖北省2004—2012年的水資源生態(tài)承壓能力，并對其空間分布和時間演變特征與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的空間關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析討論，以期對正確認(rèn)識湖北省水資源利用現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源可持續(xù)利用提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1　研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

湖北省位于我國中部，長江中游，幅員面積18.59萬km2，東鄰安徽，南接江西、湖南，西連重慶，西北與陜西接壤，北與河南毗鄰，地跨108°21′—116°07′E，29°01′—33°6′N。長江自西向東，橫貫全省1 061 km，省內(nèi)水網(wǎng)縱橫，湖泊密布，因此又稱“千湖之省”。

省內(nèi)地勢高低相差懸殊，東、西、北三面環(huán)山，中部為“魚米之鄉(xiāng)”的江漢平原。地貌類型多樣，山地、丘陵、崗地和平原兼?zhèn)?。受地形和降雨集中影響，神農(nóng)架南部等地為全省多雨中心，江漢平原易發(fā)生洪澇災(zāi)害。2012年，全省人均水資源為1 408 m3，其中武漢、襄陽、孝感、荊門、仙桃、天門、潛江、隨州等區(qū)域人均水資源遠(yuǎn)低于1 000 m3，武漢、孝感、隨州人均水資源量僅為437，411，389 m3。水資源分布不均衡，與人口、土地和經(jīng)濟(jì)布局不相匹配，使得“千湖之省”常年“優(yōu)于水而憂于水”。

1.2數(shù)據(jù)來源與處理

本文水資源數(shù)據(jù)主要來源于2004—2012年的《湖北省水資源公報》；人口、GDP、城鎮(zhèn)化率等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要來源于2005—2013年的《湖北省統(tǒng)計(jì)年鑒》和各州市《年度統(tǒng)計(jì)公報》。文中數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析采用軟件Excel 2013，SPSS 19和Geo DA進(jìn)行，地圖處理采用ArcGIS 10.0軟件。

2　研究方法

2.1水資源生態(tài)足跡模型

水資源生態(tài)足跡主要用來計(jì)算在一定的人口和經(jīng)濟(jì)規(guī)模條件下維持水資源消費(fèi)和消納水污染所必需的生物生產(chǎn)面積[16]。它通過測度人類對水資源生態(tài)服務(wù)的需求與區(qū)域所能提供的水資源生態(tài)服務(wù)之間的差距來比較人類對水資源的消費(fèi)量和水資源的承載量。根據(jù)水資源生態(tài)足跡的內(nèi)涵和當(dāng)前水資源用途的劃分，進(jìn)一步細(xì)分為生活用水、生產(chǎn)用水和生態(tài)環(huán)境用水3類進(jìn)行計(jì)算。公式如下：

EFw=N×efw=N×Aw×(W/Pw)

(1)

式中：EFw——水資源總生態(tài)足跡(hm2)；N——人口數(shù)；efw——人均水資源生態(tài)足跡(hm2/cap)；Aw——水資源的全球均衡因子；W——人均消耗的水資源量(m3)；Pw——水資源全球平均生產(chǎn)能力(m3/hm2)。

傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型中，為了將不同土地類型的生態(tài)生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化為具有可比性的生物生產(chǎn)性面積，引入均衡因子對各類型土地進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。文中均衡因子參照黃林楠等[8]的研究，采用基于WWF2000年核算的均衡因子計(jì)算得出的水資源的全球均衡因子5.19；世界水資源平均生產(chǎn)能力用水文學(xué)中的全球多年平均產(chǎn)水模數(shù)刻畫，為3 140 m3/hm2。

2.2水資源生態(tài)承載力模型

水資源生態(tài)承載力是指在維持水生態(tài)系統(tǒng)自身及其支持系統(tǒng)健康的前提下，基于一定的生態(tài)保護(hù)和承載目標(biāo)，自然水生態(tài)系統(tǒng)所能支撐的人類活動的閾值[17]。公式如下：

ECw=N×ecw=0.4×Bw×Aw×(Q/Pw)

(2)

式中：ECw——水資源生態(tài)承載力(hm2)；ecw——人均水資源生態(tài)承載力(hm2/cap)；Bw——水資源產(chǎn)量因子；Q——水資源總量(m3)。

參照前人的研究成果，一個國家或地區(qū)的水資源開發(fā)利用率如若超過30%～40%，則可能引起生態(tài)環(huán)境的惡化[18]，因此公式(2)中取0.4為水資源合理開發(fā)利用率。水資源的產(chǎn)量因子采用該區(qū)域水資源平均生產(chǎn)能力與世界水資源平均生產(chǎn)能力的比值。如湖北省2004—2012年的水資源平均生產(chǎn)能力為4 956.08 m3/hm2，其水資源產(chǎn)量因子1.58。省內(nèi)各市州水資源產(chǎn)量因子根據(jù)此方法計(jì)算得出。

2.3水資源生態(tài)盈余和水資源生態(tài)赤字

水資源生態(tài)赤字和水資源生態(tài)盈余是通過區(qū)域內(nèi)水資源生態(tài)足跡和水資源生態(tài)承載力相比較而得，此指標(biāo)可用來判斷研究區(qū)域內(nèi)水資源的可持續(xù)利用情況。

EDw(ESw)=EFw-ECw=N×(efw-ecw)

(3)

式中：EDw——水資源生態(tài)赤字；ESw——水資源生態(tài)盈余。當(dāng)EFw>ECw時，為水資源生態(tài)赤字，反之，為生態(tài)盈余。

2.4水資源生態(tài)承壓能力

在對湖北省水資源生態(tài)供需狀況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，本文引入水資源生態(tài)承壓能力指數(shù)進(jìn)行區(qū)域水資源生態(tài)承壓能力評價。公式如下：

ECP=ECw/EFw

(4)

式中：ECP——水資源生態(tài)承壓能力指數(shù)，指區(qū)域水資源總生態(tài)承載力與總生態(tài)足跡的比值，反映了水資源生態(tài)需求和供給關(guān)系。當(dāng)ECP>1時，ECP越大，表明區(qū)域水資源供給能力能滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，水資源生態(tài)承壓能力相對越大；當(dāng)ECP<1時，ECP越小，表明區(qū)域水資源供給能力不能滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，水資源生態(tài)承壓能力相對越小。

2.5萬元GDP水資源生態(tài)足跡

萬元GDP水資源生態(tài)足跡(EFGDP)是用來衡量水資源的利用效率的指標(biāo)，指區(qū)域水資源生態(tài)足跡與地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)的比值[9]，公式如下：

EFGDP=EFw/GDP

(5)

2.6空間自相關(guān)

為了研究多變量之間的空間自相關(guān)耦合模式，Anselin在Moran′s I系數(shù)的基礎(chǔ)上提出了雙變量空間自相關(guān)，公式如下[19-20]：

(6)

(7)

(8)

3　結(jié)果與分析

3.1湖北省水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力變化趨勢

研究期內(nèi)，湖北省水資源總生態(tài)足跡和人均生態(tài)足跡總體均呈上升趨勢(圖1—2)，2004年的水資源總生態(tài)足跡為4.11×107hm2，到2012年增至4.95×107hm2，增幅為23.33%，水資源人均生態(tài)足跡從2004年的0.67 hm2增長為2012年0.86 hm2，增幅為28.36%。盡管湖北省萬元GDP水資源生態(tài)足跡逐年降低(圖3)，證明水資源利用率有逐年提高的趨勢，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，湖北省水資源消費(fèi)依然旺盛，對水資源的需求量仍在逐漸增大。

圖1湖北省歷年水資源生態(tài)足跡、生態(tài)承載力和生態(tài)盈余

圖2湖北省歷年水資源人均生態(tài)足跡、人均生態(tài)承載力和人均生態(tài)盈余

湖北省水資源總生態(tài)承載力年際間差異較大(圖1)，2010年達(dá)到最高值，為1.29×108hm2。與其他年份相比，2006年和2011年水資源總生態(tài)承載力最低，分別為6.41×107，6.96×107hm2，最高年份水資源總生態(tài)承載力為最低年份的2倍。異常波動的原因主要源于2006年下半年長江流域出現(xiàn)了特枯水情，長江流域全線水位下降，給流域經(jīng)過的省份水資源供給產(chǎn)生了重要的影響。2010年夏湖北省16縣市遭遇罕見暴雨洪澇災(zāi)害，2011年湖北全省經(jīng)歷了60年一遇的大旱。這表明，極端天氣對水資源生態(tài)承載力影響明顯。為進(jìn)一步探索極端天氣對水資源生態(tài)承載能力的影響，選擇代表旱澇災(zāi)害的降雨量與各年份間的水資源生態(tài)承載力進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，二者呈極顯著的正比關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.986，表明干旱、洪澇等自然災(zāi)害對湖北省水資源生態(tài)承載力影響較大。

湖北省水資源人均生態(tài)承載力年際間變化趨勢與總生態(tài)承載力變化趨勢相同，2010年為最高，2006年，2011年最低，水資源人均生態(tài)承載力為1.13～2.26 hm2。過去9年，全省整體呈不同程度的生態(tài)盈余(圖2)，人均生態(tài)盈余為0.36～1.42 hm2。

為深入了解湖北省水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的空間規(guī)律，對湖北省內(nèi)17個市(州、林區(qū))的人均水資源生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力進(jìn)行分析(圖4—5)。

由圖4可知，湖北省人均水資源生態(tài)足跡較高區(qū)域主要處于武漢城市圈區(qū)域，這里是湖北省產(chǎn)業(yè)和生產(chǎn)要素最密集地區(qū)，有全省最強(qiáng)的區(qū)域經(jīng)濟(jì)體，人均水資源生態(tài)足跡為0.68～1.31 hm2。人均水資源生態(tài)足跡最低的區(qū)域?yàn)槎魇┲荩司Y源生態(tài)足跡僅為0.20 hm2。

圖3湖北省歷年萬元GDP生態(tài)足跡

圖42004-2012年湖北省各地區(qū)人均水資源生態(tài)足跡空間差異

人均水資源生態(tài)承載力較高的地區(qū)為湖北省西部的神農(nóng)架林區(qū)、恩施州、十堰市、宜昌市和東部的黃岡市、黃石市和咸寧市等地區(qū)，中部地區(qū)人均水資源生態(tài)承載力較低(圖5)，總體呈西部>東部>中部的趨勢。水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力空間格局的不匹配，使得武漢城市圈中武漢、孝感、鄂州、仙桃、潛江、天門等區(qū)域均為生態(tài)赤字區(qū)。

3.2湖北省水資源生態(tài)承壓能力的時序變化特征

受自然條件、人口增長、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等各種不同因素的影響，研究期內(nèi)湖北省水資源生態(tài)承壓能力年際間波動較大，但總體呈下降趨勢。2004年的水資源生態(tài)承壓能力為9.28，2012年時為5.19，下降了44.07%。省內(nèi)各州市不同時期的水資源生態(tài)承壓能力及其變化差異顯著(表1)。

圖52004-2012年湖北省各地區(qū)人均水資源生態(tài)承載力空間差異

表1湖北省各州市歷年水資源生態(tài)承壓能力

區(qū)域2004年2005年2006年2007年2008年2009年2010年2011年2012年武漢市0.590.490.320.440.510.481.010.380.58黃石市1.741.591.350.941.291.532.781.051.90鄂州市1.060.720.510.420.380.601.320.610.78孝感市0.730.570.350.820.890.430.670.300.25黃岡市2.132.251.301.741.961.913.341.241.77咸寧市4.354.213.762.743.743.837.432.325.57仙桃市1.490.760.620.530.820.761.350.580.65潛江市1.901.181.120.921.160.781.190.690.67天門市0.830.630.660.831.040.550.890.450.40荊州市1.781.091.191.151.301.062.000.871.22荊門市0.960.530.631.661.210.620.680.650.33宜昌市4.783.833.316.365.494.644.963.003.21隨州市0.891.540.502.071.180.521.110.650.33襄陽市0.791.160.571.110.960.670.610.750.41十堰市3.956.482.453.212.703.383.994.602.45恩施州40.1139.3626.3057.7852.7932.3138.5422.6929.06神農(nóng)架89.6963.8932.5854.1150.0337.3230.9053.8538.64湖北省9.287.664.568.057.505.386.055.575.19

2004年水資源生態(tài)承壓能力最低的是武漢市，ECP為0.59；最大的為神農(nóng)架，ECP為89.69，兩者相差了152倍。2008年水資源生態(tài)承壓能力最低的同樣是武漢市，ECP為0.51，最大的為恩施州，ECP為52.79，最大最小值間相差了103倍。2012年水資源生態(tài)承壓能力最低和最高的分別為孝感市和神農(nóng)架，ECP為0.25，38.64，兩者相差了155倍。由此可知，湖北省內(nèi)水資源生態(tài)承壓能力越來越低，其內(nèi)部高低差距波動依然很大。

2004—2012年間，武漢市的水資源生態(tài)承壓能力的多年均值最低，為0.53；其次為孝感，為0.55；神農(nóng)架的水資源生態(tài)承壓能力的多年均值最高，為50.11；其次為恩施州，為37.66；其余地區(qū)的水資源生態(tài)承壓能力的多年均值為0.70～4.40。其中，武漢、鄂州、孝感、仙桃、天門、荊門、隨州、襄陽的水資源生態(tài)承壓能力的多年均值均小于1。

3.3湖北省水資源生態(tài)承壓能力的空間分異特征

根據(jù)湖北省17個行政區(qū)2004—2012年多年水資源生態(tài)承壓能力均值，利用ArcGIS自然分界法將水資源生態(tài)承壓能力(ECP)從低到高分為不可持續(xù)、弱可持續(xù)、可持續(xù)、高度可持續(xù)和極度可持續(xù)5類(圖6)。需要說明的是，本研究所指的“可持續(xù)、弱可持續(xù)、可持續(xù)、高度可持續(xù)和極度可持續(xù)”是湖北省內(nèi)部各市州在過去9 a中的水資源生態(tài)承壓能力的相對稱謂，這樣有利于各市州間的水資源生態(tài)承壓能力水平的對比。

研究期內(nèi)湖北省各市州的水資源生態(tài)承壓能力差異顯著(圖6)，恩施州和神農(nóng)架林區(qū)的生態(tài)承壓水平整體上屬于極度可持續(xù)區(qū)域；十堰市、宜昌市和咸寧市整體上屬于高度可持續(xù)區(qū)域；黃岡市、黃石市整體上屬于可持續(xù)的區(qū)域；荊州市、潛江市、隨州市整體處于弱可持續(xù)的臨界狀態(tài)；襄陽市、荊門市、天門市、仙桃市、孝感市、武漢市和鄂州市整體處于不可持續(xù)狀態(tài)。水資源生態(tài)承壓能力整體呈“中間低、四周高、北有缺口”的外包型，且西部高于東部的趨勢。這說明水資源生態(tài)承壓能力的空間分異不僅與區(qū)域的地貌特征有密切關(guān)系，且受區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和用水效率影響明顯。湖北省中部主要以平原和平原丘崗地貌為主，區(qū)內(nèi)耕作條件好，交通便利，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，對水資源的需求相對高于四周，從而增加了水資源的生態(tài)承載壓力。

圖62004-2012年湖北省各地區(qū)水資源生態(tài)承壓能力空間差異

3.4水資源生態(tài)承壓能力與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的空間關(guān)聯(lián)特征

基于水資源生態(tài)承壓能力與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)度的角度，本文選取了2004—2012年湖北省各州市的人均GDP(X1，元)、全社會固定資產(chǎn)投資(X2，億元)、市州財政收入(X3，億元)、市州農(nóng)民年均純收入(X4，元)、萬元GDP用水量(X5，m3)、市州社會消費(fèi)品零售量(X6，億元)、人口自然增長率(X7，‰)、城鎮(zhèn)化率(X8，%)8個指標(biāo)來綜合衡量各州市的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，利用SPSS軟件的主成分分析法計(jì)算出研究區(qū)各州市的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合評價分值。

以社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合評分值為第一變量，水資源生態(tài)承壓能力為第二變量，用Geo DA軟件進(jìn)行雙變量全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)分析。

通過雙變量全局自相關(guān)分析得出，在5%的顯著水平下，2004—2012年湖北省社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r與水資源生態(tài)承壓能力的Moran′s I值均為負(fù)值(圖7)，表明湖北省社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r與水資源生態(tài)承壓能力存在負(fù)的空間關(guān)聯(lián)性，而非隨機(jī)分布。同時也說明，社會經(jīng)濟(jì)的超前和滯后發(fā)展對水資源的生態(tài)承壓能力有明顯影響。為進(jìn)一步探索社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r與水資源生態(tài)承壓能力的空間耦合特征，選取2004年、2008年、2012年的雙變量局部空間自相關(guān)結(jié)果，在z檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上(p=0.05)繪制LISA集聚圖(圖8)。

圖7湖北省社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r與水資源生態(tài)承壓能力全局Moran′s I值分布

圖82004-2012年社會經(jīng)濟(jì)狀況與水資源承壓能力的雙變量LISA集聚

由圖8可知，2004年、2008年和2012年3個典型年份中湖北省社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r與水資源生態(tài)承壓能力存在有Low-High(LH)，High-High(HH)，Low-Low(LL)和High-Low(HL)4種集聚格局。其中，LH表示社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合評分低、水資源生態(tài)承壓能力高的區(qū)域，3個年份里，恩施自治州和神農(nóng)架林區(qū)一直屬于LH集聚；HH表示區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合評分和水資源生態(tài)承壓能力都高的區(qū)域，3個年份中，宜昌市在2008年和2012年都屬于此區(qū)域，表明該區(qū)域的水資源生態(tài)承壓能力與社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展最為協(xié)調(diào)；LL表示社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合評分和水資源生態(tài)承壓能力都低的區(qū)域。此區(qū)域包括了隨州、孝感、黃岡、天門、仙桃等地，主要出現(xiàn)在武漢市周邊，隨著時間的推移，有從武漢市東邊轉(zhuǎn)向西邊發(fā)展的趨勢；HL區(qū)域表示社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合評分高、水資源生態(tài)承壓能力低的區(qū)域。研究期內(nèi)表現(xiàn)出此特征的為武漢市，其多年平均水資源生態(tài)承壓能力最低，而多年平均的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平綜合評分最高。LH和LL集聚區(qū)域相比較可發(fā)現(xiàn)，LH集聚區(qū)主要為山區(qū)，LL集聚區(qū)主要為屬于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耗水區(qū)的江漢平原。同時還可以看出，2004—2012年，湖北省社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r與水資源生態(tài)承壓能力的空間格局相對穩(wěn)定，但是局部空間的聚類特征顯現(xiàn)出稍微變化的跡象，說明近些年來隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，引起了高、低值區(qū)發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)變。

綜上可以說明，湖北省社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與水資源生態(tài)承壓能力空間匹配不均衡，社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對水資源的生態(tài)承壓能力有明顯影響。兩者相對協(xié)調(diào)的地區(qū)較少。經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的地區(qū)面臨著水資源緊張、用水不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r，而經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對滯后的區(qū)域也造成了水資源浪費(fèi)、用水效率不高的局面。因此，未來各州市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展應(yīng)該和科學(xué)管理、利用水資源有效地結(jié)合在一起，才能實(shí)現(xiàn)水資源的高效利用和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

4　結(jié) 論

(1) 研究期內(nèi)，湖北省水資源總生態(tài)足跡和人均生態(tài)足跡均呈上升趨勢，盡管水資源利用率逐年提高，但水資源生態(tài)承壓能力總體仍呈現(xiàn)不斷下降趨勢。省內(nèi)各州市水資源生態(tài)承壓能力越來越低，其內(nèi)部高低差距波動依然很大。證明隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，湖北省水資源消費(fèi)旺盛，對水資源的需求量仍在逐漸增大。

(2) 總體而言，湖北省水資源豐富，能滿足當(dāng)前社會生產(chǎn)、生活需要，生態(tài)盈余較大。但是水資源空間分布不均，與人口、經(jīng)濟(jì)的分布極不匹配。人口、產(chǎn)業(yè)密集武漢城市圈水資源生態(tài)承載力較低，無法滿足社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求，不利于區(qū)域水資源的可持續(xù)利用。因此，水資源生態(tài)赤字區(qū)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，控制耗水量大企業(yè)建設(shè)比例。

(3) 湖北省常年入境水量與出境水量相當(dāng)，水資源補(bǔ)給對降雨依賴較大，因此干旱、洪澇等自然災(zāi)害對水資源生態(tài)承載力影響較大。加強(qiáng)區(qū)域水利基礎(chǔ)設(shè)施的修建與完善，緩解旱澇自然災(zāi)害對水資源生態(tài)承壓能力的沖擊，是實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用的重要途徑。

(4) 湖北省水資源生態(tài)承壓能力整體呈“中間低、四周高、北有缺口”的外包型，且西部高于東部的趨勢。其中，襄陽市、荊門市、天門市、仙桃市、孝感市、武漢市和鄂州市整體處于不可持續(xù)狀態(tài)。湖北省中部主要為平原和平原丘崗地貌為主，區(qū)內(nèi)耕作條件好，交通便利，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，對水資源的需求相對高于四周，從而增加了水資源的生態(tài)承載壓力。增強(qiáng)農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)，提高農(nóng)業(yè)科學(xué)灌溉技術(shù)是緩解中部區(qū)域水資源壓力的重要保障。

(5) 水資源生態(tài)承壓能力的空間分布與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的空間分布不匹配。社會經(jīng)濟(jì)的超前和滯后發(fā)展對水資源的生態(tài)承壓能力有明顯影響。因此，湖北省西部地區(qū)和中部地區(qū)應(yīng)優(yōu)化區(qū)域的產(chǎn)業(yè)布局，以提高水資源利用和經(jīng)濟(jì)發(fā)展協(xié)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)社會與環(huán)境的和諧發(fā)展。

(6) 近年來，隨著城市化進(jìn)程的加快和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，湖北省水污染問題未得到有效徹底的解決。受污染水體不可直接進(jìn)入循環(huán)使用過程，但受數(shù)據(jù)可獲得性的影響，模型中水資源總量未考慮減除污染水部分，使得計(jì)算結(jié)果相對較為樂觀，這在今后的研究中還需進(jìn)一步加強(qiáng)。

[1]Rees W E. Ecological footprints and appropriated carrying capacity: what urban economics leaves out[J]. Environment and urbanization,1992,4(2):121-130.

[2]Wackernagel M, Rees W E. Perceptual and structural barriers to investing in natural capital: Economics from an ecological footprint perspective[J]. Ecological Economics,1997,20(1):3-24.

[3]Rees W E. Revisiting carrying capacity: area-based indicators of sustainability[J]. Population and Environment，1996,17(3):195-215.

[4]李爽,張國臣,王麗艷.基于生態(tài)足跡和物質(zhì)流的可持續(xù)性分析與評價:以石家莊市為例[J].水土保持研究,2013,20(5):226-230.

[5]薛建春.基于EMD的平朔礦區(qū)生態(tài)足跡變化及動力學(xué)預(yù)測分析[J].水土保持研究,2013,20(6):267-270.

[6]李玉平,朱琛,朱金亮,等.資源型城市邢臺市生態(tài)足跡核算與預(yù)測研究[J].水土保持研究,2013,20(4):248-252.

[7]馬晶,彭建.水足跡研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報，2013,33(18):5458-5466.

[8]黃林楠,張偉新,姜翠玲,等.水資源生態(tài)足跡計(jì)算方法[J].生態(tài)學(xué)報，2008,28(3):1279-1286.

[9]譚秀娟,鄭欽玉.我國水資源生態(tài)足跡分析與預(yù)測[J].生態(tài)學(xué)報，2009,29(7):3559-3568.

[10]韓照祥,吳丹丹,吳玨,等.江蘇沿海地區(qū)淡水資源水生態(tài)足跡的動態(tài)變化[J].淮海工學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版，2012,21(2):34-38.

[11]王文國,何明雄,潘科,等.四川省水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力的時空分析[J].自然資源學(xué)報，2011,26(9):1555-1565.

[12]盧艷,于魯冀,王燕鵬,等.河南省水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2011,27(1):182-186.

[13]常龍芳,董金義.云南省水資源生態(tài)足跡與生態(tài)承載力時空動態(tài)分析[J].吉林水利，2013(1):25-29.

[14]王寧,粟曉玲.陜西關(guān)中地區(qū)水資源生態(tài)足跡與生態(tài)赤字研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013(3):221-227.

[15]李玉平,王曉妍,朱琛,等.邢臺市水資源生態(tài)足跡核算與預(yù)測研究[J].水土保持研究,2014,20(3):227-230.

[16]洪輝,付娜.淺談水資源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的研究[J].山西建筑，2007,33(30):200-201.

[17]劉子剛,鄭瑜.基于生態(tài)足跡法的區(qū)域水生態(tài)承載力研究:以浙江省湖州市為例[J].資源科學(xué)，2011,33(6):1083-1088.

[18]張?jiān)?中國水資源與可持續(xù)發(fā)展[M].南寧:廣西科學(xué)技術(shù)出版社,2000.

[19]Anselin L. Local indicators of spatial association: LISA[J]. Geographical Analysis,1995,27(2):93-115.

[20]Anselin L, Syabri I, Kho Y. GeoDa: An introduction to spatial data analysis[J]. Geographical Analysis,2006,38(1):5-22.

Analysis on the Spatiotemporal Difference of Water Resources Ecological Carrying Capacity in Hubei Province

YANG Qian1,2, SUN Cheng1,2, LI Shanyong1,2, JI Ying1,2, LIN Aiwen1,2

(1.SchoolofResourceandEnvironmentScience,WuhanUniversity,Wuhan430079,China;2.KeyLaboratoryofGeographicInformationSystem,MinistryofEducation,WuhanUniversity,Wuhan430079,China)

The spatial-temporal characteristics of water resources ecological footprint and ecological carrying capacity have been analyzed for better understanding of the water resources utilization in Hubei Province during the period from 2004 to 2012. The water resources ecological carrying capacity index is introduced to investigate its relationship with the socio-economic development based on the principles and calculation model for the water resources ecological footprint．The results indicate that: (1) the water ecological carrying capacity is larger than the ecological footprint in Hubei Province, and there is the mismatch between the spatial distribution of water resources ecological footprint and the carrying capacity; (2) there are increasing trends for the overall per capita water resources ecological footprint, but they decrease the GDP per 10 thousands Yuan, droughts, floods and other natural disasters have great impacts on the water resources ecological carrying capacity in this region; (3) there is the negative spatial correlation between the socio-economic development and water resources ecological carrying-pressing in Hubei Province revealed by the global spatial autocorrelation analysis. Double variable LISA cluster of local spatial autocorrelation can be divided into four types: HH, HL, LH and LL. The HH type accounted for one-seventeenth of the provincial total number of counties, which means that the social economic development is not coordinated with the water ecological carrying capacity. Therefore, the water infrastructure and industrial layout should be strengthened and optimized, respectively, to achieve the coordinated development of water resources utilization and economic growth, which is an important way for the sustainable development of water resources in Hubei Province.

ecological footprint; ecological carrying capacity; ecological carrying-pressing; sustainable development; Hubei Province

2014-10-29

2015-03-20

國家自然科學(xué)資助項(xiàng)目“農(nóng)業(yè)干旱和水文干旱對氣象干旱的預(yù)警響應(yīng)模擬研究”(41301586)

楊倩(1984—),女(布依族),貴州黔南人,博士研究生,研究方向?yàn)镚IS與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。E-mail:yangqianhappy@163.com

林愛文(1963—),男,湖北羅田人,博士生導(dǎo)師,主要從事遙感與GIS在土地方面的應(yīng)用研究。E-mail:awlin@263.net

TV213

A

1005-3409(2016)01-0289-07