■ 呂添貴/吳次芳/李洪義/王夢婧

（1.江西財經大學旅游與城市管理學院，南昌 330013；2.浙江大學公共管理學院，杭州 310029）

基于生態(tài)足跡的水資源承載力評價研究
——以喀斯特地區(qū)為例

■ 呂添貴1,2/吳次芳2/李洪義1/王夢婧2

（1.江西財經大學旅游與城市管理學院，南昌 330013；2.浙江大學公共管理學院，杭州 310029）

文章采用生態(tài)足跡理論與方法測算了貴陽市1998－2012年水資源承載力演化，并探討水資源承載狀態(tài)與現(xiàn)實差異的影響機制。結果表明：①貴陽市水生態(tài)足跡從1998年的0.2605hm2/人下降到2012年的0.1839hm2/人,而水資源承載力從1998年的0.448hm2/人增加到2012年的0.637hm2/人；②貴陽市水資源承載力從1998年的0.187hm2/人增加到0.453hm2/人，人口盈余比例從0.42增加至0.72，一直處于生態(tài)盈余狀態(tài)；③貴陽市水資源承載盈余狀態(tài)與現(xiàn)實水資源缺水情況相背離，主要受喀斯特地區(qū)的自然生態(tài)機制和人文社會機制的共同影響。

喀斯特地區(qū)；水資源承載力；生態(tài)足跡；影響機制；優(yōu)化路徑；貴陽

0 引言

水資源作為人類社會賴以生存和發(fā)展不可替代的資源，是人類社會可持續(xù)發(fā)展的基本條件之一[1]。隨著人口不斷增長和社會經濟發(fā)展，水資源短缺、地下水沉降和水環(huán)境惡化已成為全球性問題。尤其是中國，作為水資源短缺的國家，因社會經濟規(guī)模過大、生產布局不合理和環(huán)境保護措施不得力等引起的水環(huán)境問題日益突出，水資源已成為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的制約因素。因此，建立資源環(huán)境承載力監(jiān)測預警機制，對水土資源、環(huán)境容量和海洋資源承載區(qū)實行限制性措施，是新時期國家發(fā)展的重要決策部署[2]。對于喀斯特地區(qū)而言，如何解決城市化與工業(yè)化過程中社會經濟發(fā)展與水資源開發(fā)利用之間的矛盾，已成為區(qū)域社會經濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境演變的關鍵因素，而合理評價區(qū)域水資源承載力是解決矛盾的理論關鍵。

圍繞喀斯特地區(qū)水資源承載力研究，國內外學者進行了諸多探討。在內涵方面，目前學界主要界定在某一地區(qū)的水資源,在一定社會和科學技術發(fā)展階段,在不破壞社會和生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)下,最大可承載的農業(yè)、工業(yè)、城市規(guī)模和人口水平,即指經過合理的優(yōu)化配置后,水資源對該地區(qū)社會經濟發(fā)展的最大支撐能力[3-5]。在研究方法方面，則主要集中在模糊綜合評價法、系統(tǒng)動力學方法、主成分分析方法、多目標評價法[6-7]、情景分析模擬和生態(tài)足跡等[8-9]；在研究內容方面，主要是通過主成分分析法和熵原理評價喀斯特地區(qū)的水資源承載力變化特征以及相應的水資源變化情況[10-12]。綜上，已有研究極大地豐富了喀斯特地區(qū)的水資源承載力評價，為后續(xù)研究奠定了良好的基礎。但縱觀已有研究，對喀斯特地區(qū)的水資源承載力評價總體還是偏少。鑒于此，本研究以喀斯特地區(qū)的貴陽市為研究對象，采用生態(tài)足跡模型綜合反映其水資源承載力演化，并分析喀斯特地區(qū)水資源承載力的理想值與現(xiàn)實狀態(tài)差異的影響機制，旨在為喀斯特地區(qū)水資源的優(yōu)化利用和社會、經濟、生態(tài)可持續(xù)協(xié)調發(fā)展政策的制定提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

貴陽市位于貴州省中部云貴高原東斜坡地帶，橫跨長江上游和珠江上游，地處坐標介于東經106°07′～107°07′之間，屬典型的喀斯特地貌，也是桂、黔、滇喀斯特石漠化防治生態(tài)功能區(qū)和西南喀斯特地區(qū)土壤保持重要區(qū)。貴陽市下轄六區(qū)一市三縣，其中巖溶面積為6830km2，占貴陽市國土面積的85%。作為欠發(fā)達地區(qū)，貴陽市社會經濟發(fā)展條件還相對滯后，但資源開發(fā)與經濟發(fā)展具有后發(fā)優(yōu)勢，尤其是隨著貴陽至廣州等鐵路的開通，其資源比較優(yōu)勢將進一步凸顯，城市化與工業(yè)化發(fā)展對水資源利用需求不斷加大；另一方面，貴陽市作為典型喀斯特地區(qū)，具有獨特的巖溶地形地貌，也是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，水土資源交互作用變化更快，也更加敏感。因而，選取貴陽市作為研究區(qū)域，對了解喀斯特地區(qū)豐富的水資源存量與現(xiàn)實水資源缺乏之間的差異更具有典型性和代表性，對促進生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)的城市化過程中水資源合理利用更有借鑒意義。

1.2 研究方法

作為一種衡量自然界為人類提供生命支持服務功能和人類對自然資源利用程度的方法，生態(tài)足跡法受到廣泛應用[11-14]。為衡量城市化過程中水資源承載力狀況，根據(jù)用水特性，將水資源生態(tài)足跡賬戶分為生產用水、生態(tài)用水和生活用水足跡，具體包括水資源生態(tài)足跡和水資源承載力兩部分。

1.2.1 水資源生態(tài)足跡模型

依據(jù)生態(tài)足跡理論，生態(tài)足跡具體包括：一是可以確定自身開發(fā)利用的多數(shù)水資源及其所產生的廢污水量；二是這些開發(fā)利用的水資源和廢、污水能轉換成相應的生物生產面積[15-17]。利用生產用水、生態(tài)用水和生活用水足跡構建水資源的生態(tài)足跡模型為：

式（1）中，EFw為總生態(tài)足跡（hm2）；efw為人均生態(tài)足跡（hm2/cap）；N為人口總數(shù)；rw（r=5.19）為全球水資源的均衡因子；Pw為水資源全球平均生產能力（m3/hm2）；W為人均消耗水資源量（m3）。參考已有相關文獻資料，貴陽市平均水資源生產能力為5867m3/hm2。

（1）生產用水足跡。生產用水包括第一產業(yè)、第二產業(yè)和第三產業(yè)用水。根據(jù)生產用水特點，主要計算農業(yè)用水、工業(yè)用水和三產用水3個部分。生產用水足跡計算公式為：

式（2）中：EFp為生產用水生態(tài)足跡（hm2）；efp為人均生產用水生態(tài)足跡（hm2/cap）;Wi為生產用水量（m3）；i=1,2,3分別表示農業(yè)、工業(yè)和三產用水；N、rw符號意義同公式（1）。

（2）生態(tài)用水足跡。生態(tài)用水通常包括河道內生態(tài)和和河道外生態(tài)用水，計算公式為：

式（3）中，EFGW為生態(tài)用水生態(tài)足跡（hm2）；efGW為人均生態(tài)用水足跡（h m2/cap）;WG為生態(tài)用水量（m3）；N、rw、pw符號意義同公式（2）。

（3）生活用水足跡。生活用水包括城鎮(zhèn)生活用水和農村生活用水。其中，城鎮(zhèn)生活用水由居民用水和公共用水組成，農村生活用水除居民生活用水外還包括畜用水在內。影響生活用水足跡的最主要因素是人口數(shù)量和人均日常綜合用量。

式（4）中，E FLW為生活用水生態(tài)足跡（h m2）；e fLW為人均生活用水生態(tài)足跡（h m2/ cap）；WL為生活用水量（m3）；N、rw、pw符號意義同公式（2）。

1.2.2 水資源生態(tài)承載力模型

水資源承載力具有社會經濟和生態(tài)保護的雙重屬性。若一個區(qū)域水資源開發(fā)利用率超過40%，有可能引發(fā)該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的惡化，因而區(qū)域的水資源至少需要保留60%以上用于維護生態(tài)環(huán)境[16]。結合貴陽市人口與社會經濟發(fā)展階段確定為：

式（5）中，ECw為水資源承載能力（hm2）；ecw為人均水資源承載能力（hm2/cap）；W為水資源量（m3）；Ψw為區(qū)域水資源產量因子；?為水資源量可利用程度；N、rw、pw符號意義同公式（2）。據(jù)貴陽市社會經濟發(fā)展狀況以及城市化發(fā)展階段，扣除40%用于維持生態(tài)和生物多樣性的水資源量，參數(shù)?取值0.9。

1.2.3 生態(tài)盈余與赤字模型

通過計算水資源承載力與水資源生態(tài)足跡，以確定水資源承載水平。其中，生態(tài)盈余是指在水資源開發(fā)利用過程中，將區(qū)域內水資源消耗產生的生態(tài)足跡和水資源承載力相比較后為正數(shù)，即總收入減去總成本為正數(shù)[16]。反之，則表示為生態(tài)赤字。利用水資源赤字和盈余情況可以判斷研究區(qū)域的水資源開發(fā)利用狀況。

水資源盈余（赤字）=ECW－EFW（6）

式(6)中，當ECw>EFw時，表示水資源盈余；當ECw=EFw時，表示為水資源平衡；當ECw

1.2.4 水資源人口規(guī)模模型

通過對貴陽市水資源承載力分析，水資源總承載力與人均生態(tài)足跡比值求得合理人口規(guī)模，即水資源合理人口規(guī)模，可表明貴陽市未來人口資源承載量：

式（7）中，P為合理人口規(guī)模，C為水資源總承載力，V為水資源承載足跡。

2 研究結果與分析

采用上述計算公式分別計算可得相應參數(shù)結果。其中，水資源量、生產用水、生活用水和生態(tài)用水等數(shù)據(jù)來自《貴陽市水資源公報（1998—2012年）》，在扣除相應外來入境水資源量基礎上，對水資源基數(shù)進行適當處理；而人口數(shù)據(jù)則來源于《貴陽市統(tǒng)計年鑒（1998—2012年）》。

2.1 水資源生態(tài)足跡結果

根據(jù)貴陽市現(xiàn)狀，分析采用現(xiàn)有研究參數(shù)，由計算結果可知，貴陽市的水資源人均生態(tài)足跡從1998年的0.2605hm2下降到2012年的0.1839hm2，總體呈現(xiàn)下降趨勢（表1）。

2.2 水資源生態(tài)承載力計算結果

由于水資源的流動性特征，在城市化過程中作為聯(lián)系載體，水資源生態(tài)承載力存在諸多影響因素。在參考上述水土資源生態(tài)承載力各類相關參數(shù)基礎上，計算得出貴陽市水資源承載力水平，從1998年的0.448m3/人增加到2012年的0.637m3/人，表明水資源承載水平得到明顯的提升（表2）。

2.3 生態(tài)足跡與生態(tài)承載力比較分析

通過分析發(fā)現(xiàn)，研究期間內貴陽市水資源人均生態(tài)足跡從0.2605hm2/人下降到0.1839hm2/人，總體呈下降趨勢；而人均可利用生態(tài)承載力則從0.448hm2/人增加到0.637hm2/人，呈現(xiàn)上升趨勢。貴陽市水資源承載力高于人均生態(tài)足跡，人均生態(tài)盈余從1998年的0.187hm2/人增加到2012年的0.453hm2/人（表3），水資源可以支撐貴陽市的城市發(fā)展需求。

2.4 水資源合理人口規(guī)模分析

基于人口規(guī)模進行計算分析，得出水資源理論承載理論人口從1998年的543萬人到2012年的1575萬人，盈余人口規(guī)模從227.82萬人增加1130.71萬人，人口盈余比例從0.42增加到0.72（表4），說明貴陽市水資源人口承載力具有較大承載潛力。

3 水資源承載力差異的影響機制分析與優(yōu)化路徑

通過對貴陽市水資源承載力評價可知，貴陽市水資源承載一直處于生態(tài)盈余狀態(tài)，且水資源人口承載力規(guī)模具有較大潛力，可以滿足城市未來發(fā)展需求。值得注意的是，盡管貴陽市水資源總量充沛，人均水資源量豐富，但仍存在工程性缺水和季節(jié)性缺水狀況。究其原因，貴陽市作為喀斯特地區(qū)，水資源多處河谷低處，海拔高差太大，水資源利用難度系數(shù)高。這也與喀斯特獨特的水文地質結構相關，表現(xiàn)為獨特二元水文結構脆弱性，即貴陽市大部分區(qū)域為巖溶地區(qū)，發(fā)達的巖溶地下水網(wǎng)使巖溶山區(qū)地下水比較豐富，但卻造成地表水的缺乏。巖溶山區(qū)的二元水文結構造成了貴陽市地質性缺水,豐富的降水量和地下水資源會掩蓋缺水的本質。因此，貴陽市水資源承載力的理想值與現(xiàn)實值之間存在巨大差異，這與其自然生態(tài)與地質結構密切相關。

3.1 自然生態(tài)機制

3.1.1 山地系統(tǒng)機制

從自然地理條件來看，貴陽市喀斯特地貌大量分布，占全市土地面積的85%。既有高原山地和丘陵，又有盆地和河谷、臺地，山多坡陡。地貌上屬以山地、丘陵地貌為主的丘原盆地地區(qū)，占貴陽市土地總面積的11.3%。一是土壤基質在重力作用下大量流失，其直接結果之一是造成坡耕地等可利用土地資源數(shù)量減少；二是土壤養(yǎng)分流失，隨著喀斯特山地基質的流失，其土壤養(yǎng)分也隨之大量流失，從而降低土壤的自然生產潛力；三是水分流失，土壤厚度隨耕地坡度增加而迅速減少，導致山地土壤含水量迅速降低，影響水資源承載力能力。

表1 貴陽市水資源人均生態(tài)足跡結果（1998－2012年）

表2 貴陽市水資源人均生態(tài)承載力計算結果（1998－2012年）

表3 貴陽市水資源生態(tài)赤字與生態(tài)承載力對比分析（1998－2012年）

表4 貴陽市水資源合理承載人口規(guī)模分析（1998－2012年）

3.1.2 地質結構機制

從貴陽市水資源承載容量與現(xiàn)實之間的差異可知，喀斯特地區(qū)巖溶脆弱性在于其山地系統(tǒng)脆弱性與地形地貌脆弱性疊加。由于喀斯特地區(qū)地表水流失速度極快，造成巖溶山區(qū)洪澇、干旱災害頻繁，出現(xiàn)季節(jié)性缺水和工程性缺水等情形；另一方面，貴陽市喀斯特地區(qū)水土資源表現(xiàn)為土壤結構脆弱性、土壤質地脆弱性、土壤有效水分的脆弱性和土壤堿性以及富鈣性環(huán)境的脆弱性。因此，獨特的地質結構導致了水資源承載力的影響變化。

3.1.3 水文系統(tǒng)機制

貴陽市水資源承載力差異還與水文系統(tǒng)脆弱性密切相關。一方面，表現(xiàn)為二元水文結構脆弱性。貴陽市大部分區(qū)域為巖溶地區(qū)，發(fā)達的巖溶地下水網(wǎng)使巖溶山區(qū)地下水比較豐富，但卻造成地表水的缺乏，這是造成巖溶山區(qū)取水困難和地表干旱的重要原因，也影響水資源與土地資源的有序耦合。另一方面，喀斯特山區(qū)的地表、地下雙重水文地質結構，在空間上分布并不均勾，是一種常被大量低滲透性的巖石所包圍、具有高度滲透性的巖溶山區(qū)網(wǎng)絡系統(tǒng)，形成了獨特的水資源與土地資源系統(tǒng)，使得水資源承載力也受到相應影響。

3.2 人文社會機制

貴陽市水資源承載力除了受到喀斯特巖溶地貌形成的自然生態(tài)機制外，還受到區(qū)域人文活動的約束作用，而不合理的人文社會活動加劇了水資源承載脆弱性。

3.2.1 人口規(guī)模變化

貴陽市人口規(guī)?？焖僭鲩L對城市水資源空間需求越來越大。巖溶山區(qū)人口一直處于嚴重超載狀態(tài)。貴陽市人口總規(guī)模由建國時的98萬人增長到2012年的445.17萬人，年均增長4.32萬人。從人口剖面來看，貴陽市人口從100萬人增加到200萬人總共花費20年的時間（1952－1971），從200萬人增加至300萬人總共花費23年的時間（1971－1993），從300萬人增加至400萬人總共花費18年的時間（1993－2010）。特別是2007年以后，貴陽市總人口從2007年的356.77萬人增加至2013年的452.19萬人，年均增長13.63萬人?？梢?，貴陽市正處于人口快速增長階段，則意味著對居住、生產、休閑娛樂設施等各類用地需求的增大，與之相應的生活用水、生產用水和生態(tài)用水需求也在增加，最終影響到水資源承載水平。

3.2.2 土地開發(fā)利用

貴陽市地處喀斯特特地區(qū)，坡度大于25°以上的坡耕地面積占土地總面積的45%，人口增加使得坡耕地開發(fā)現(xiàn)象很普遍。人口增長導致的土地超載，進而導致長期亂砍濫伐和陸坡開荒，使生態(tài)環(huán)境日益惡化，形成人口增加到坡耕地開荒再到植被減少退化，水土流失加重和耕地質量下降或山地石漠化，再到貧困加重的一種惡性循環(huán)。

3.2.3 城市發(fā)展驅動

貴陽市正處于快速城市化發(fā)展時期，對工業(yè)用水、農業(yè)用水、生活用水、生態(tài)用水等各類型用水需求明顯增加。城市發(fā)展驅動對土地資源高投入與經濟高增長，對水資源需求也產生相應影響，最終影響水資源的生態(tài)足跡。另一方面，人口城鎮(zhèn)化與土地城鎮(zhèn)化發(fā)展刺激了水資源的開發(fā)利用，因而，貴陽市城市化驅動對水資源需求增加了水生態(tài)足跡，降低了水資源生態(tài)承載能力。

3.3 水資源利用優(yōu)化路徑

貴陽市水資源利用長期存在季節(jié)性缺水和工程性缺水問題，與其自然生態(tài)機制與人文社會機制密切相關。結合貴陽市水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀，其優(yōu)化路徑應遵循以下步驟:一是調整水資源供需結構，提高水資源承載能力。工業(yè)用水作為貴陽市主要用水類型，對全市水資源利用具有主導作用。要保障城市水資源可持續(xù)利用，應考慮在當前用地類型基礎上，調整產業(yè)用地結構，分析不同用地產業(yè)對水資源的需求量，實現(xiàn)產業(yè)結構有序優(yōu)化。二是通過供給調控對水資源承載力進行優(yōu)化，即通過加大水利工程建設投資，提高地表水資源和過境水資源的開發(fā)利用程度，優(yōu)化配套的水利工程，提高地表水資源引蓄提水能力。三是需求調控引導水資源開發(fā)利用。通過調整產業(yè)結構、控制人口增長、合理保護生態(tài)環(huán)境等充分發(fā)揮水資源的使用效率和效益，以達到提高水資源承載力的目標。

4 結論與討論

(1)貴陽市人均水資源生態(tài)足跡從1998年的0.2605hm2/人下降到2012年的0.1839hm2/人，總體呈現(xiàn)下降趨勢；人均可利用生態(tài)承載力從1998年的0.448hm2/人增加到2012年的0.637hm2/人；貴陽市水資源承載力處于生態(tài)盈余狀態(tài)，從1998年的0.187hm2/人增加到0.453hm2/人，人口盈余比例從0.42增加至0.72，呈現(xiàn)增長趨勢，水資源承載力一直處于生態(tài)盈余狀態(tài)。

(2)貴陽市水資源承載盈余狀態(tài)與現(xiàn)實資源性缺水和工程性缺水情況出現(xiàn)差異，呈現(xiàn)相背離的狀態(tài)，主要是受到以山地系統(tǒng)、地質結構和水文系統(tǒng)為核心的自然生態(tài)機制，以及以人口規(guī)模變化、土地開發(fā)利用和城市發(fā)展驅動為核心的人文社會機制共同作用的結果。要優(yōu)化水資源承載力理論值與現(xiàn)實需求之間的差距，調整水資源供需結構是關鍵，要通過供給調控和需求調控綜合引導。

(3)以喀斯特地區(qū)貴陽市為研究對象，從水資源承載力角度評價喀斯特地區(qū)水資源狀態(tài)及水平演變，對喀斯特地區(qū)水資源可持續(xù)利用研究做了有益補充。當然也存在不足之處：一是由于研究數(shù)據(jù)的可得性，水資源承載力研究數(shù)據(jù)僅以1998年至2012年為研究時段，對于近幾年的研究數(shù)據(jù)還需后期進行補充完善；二是以貴陽市為研究對象，對于其他類型的喀斯特地區(qū)水資源狀態(tài)是否也存在理論值與現(xiàn)實的差距還有待進一步研究，如何避免充裕的水資源承載力表象，掩蓋了實際區(qū)域缺水現(xiàn)象，是喀斯特地區(qū)水資源可持續(xù)利用的未來重點研究方向。

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Evaluation of Water Resources Carrying Capacity Based on Ecological Footprint— A Case Study of Karst Region

LV Tiangui1,2, WU Cifang2, LI Hongyi1, WANG Mengjing2
(1.College of Tourism and Urban Management, Jiangxi University of Finance and Economics, Nanchang 330013, China; 2. School of Public Administration, Zhejiang University, Hangzhou 310029, China)

In this study, we use the theory of ecological footprint to measure the evolution of water resources carrying capacity in Guiyang City from 1998 to 2012, then we discuss the inf l uence mechanism of water resources carrying capacity between the status and reality. The results showed that: Firstly, the water ecological footprint of Guiyang decreased from 0.2605 hm2/person in 1998 to 0.1839 hm2/person in 2012, and the water resources carrying capacity increased from 0.448 hm2/person in 1998 to 0.637 hm2/person in 2012; Secondly, the carrying capacity of water resources in Guiyang increased from 0.187 hm2/person to 0.453 hm2/person in 1998, and the proportion of population surplus increased from 0.42 to 0.72, which was in the state of ecological surplus all the times. Thirdly, the real state of water resources in Guiyang is different from the surplus situation, which is mainly affected by the natural ecological mechanism in Karst Region and the humanities and social mechanism.

Karst Region; water resources carrying capacity; ecological footprint; influencing mechanism; optimization path; Guiyang

F407.1；F062.1

A

1672-6995（2017）05-0042-06

2016-12-12；

2016-12-20

國家自然科學基金項目“鄱陽湖濕地干濕交替過程土壤有機碳三維時空變異性研究”（41561049）；江西省社會科學“十三五”規(guī)劃項目（16GL31）

呂添貴（1986-），男，福建省龍巖市人，江西財經大學旅游與城市管理學院講師，管理學博士，主要從事土地生態(tài)與土地規(guī)劃利用研究。