2

(1.湖北文理學院 資源環(huán)境與旅游學院，湖北 襄陽 441053；2.中國地質大學 地球科學學院，湖北 武漢 430074；3.湖北文理學院 經濟管理學院，湖北 襄陽 441053)

水生態(tài)承載力是在生態(tài)承載力、水資源承載力和水環(huán)境承載力的基礎上，對承載力研究的進一步擴展與完善。基于生態(tài)系統(tǒng)服務的生態(tài)足跡(ESEF)是2011年被提出的，是指利用生態(tài)系統(tǒng)面積來衡量一定人口或一定經濟規(guī)模利用生態(tài)系統(tǒng)服務的水平以及對生態(tài)系統(tǒng)產生的影響[1-8]。

劉子剛等[9]初步界定了水生態(tài)足跡和水生態(tài)承載力的內涵，建立了水生態(tài)足跡模型；湯冠華等[10]、冷建飛等[11]利用生態(tài)足跡模型的方法，引入了人均水資源盈虧、水資源生態(tài)壓力指數(shù)、生態(tài)赤字等評價指標；張義等[12]基于理論研究、應用、影響因子及水資源可持續(xù)利用評價指標綜述了我國關于生態(tài)足跡的研究成果，指出了存在的不足之處；焦雯珺等[13-14]以基于生態(tài)系統(tǒng)服務的生態(tài)足跡方法為基礎，提出了基于生態(tài)足跡的水生態(tài)承載力評估方法；劉偉[15]應用不均勻系數(shù)、集中度等相關參數(shù)及線性回歸、距平累計小波分析等方法，應用生態(tài)足跡法設立水資源賬戶對渾河流域水資源承載力變化規(guī)律進行了研究。

本文在前人提出的ESEF水生態(tài)承載力評估方法基礎上，以漢江生態(tài)經濟帶襄陽市為例展開研究，對該地水生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)足跡、生態(tài)承載力進行了定量評估。漢江是長江的第一大支流，也是我國重要的糧食主產區(qū)、生態(tài)功能區(qū)，歷史上是西北地區(qū)通往中東部地區(qū)的重要通道。推進漢江生態(tài)經濟帶的合理開發(fā)與保護，對于確保我國的糧食安全和生態(tài)安全，促進中部崛起，促進長江經濟帶建設，建立長江經濟帶與新絲綢之路經濟帶的戰(zhàn)略通道，推進“一帶一路”建設具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)域概況

襄陽市位于湖北省西北部、漢江中游平原腹地，是漢江生態(tài)經濟帶的一座中心城市。襄陽總面積1.97萬km2，全市轄3個區(qū)、3個縣級市、3個縣。境內有600多條大小河流分屬長江、淮河兩大水系。漢江自西向東穿越襄陽城區(qū)，其水域總面積17358km2，占襄陽市總面積的88%[16]。

2 理論模型

2.1 區(qū)域水產品足跡模型

區(qū)域水產品足跡由區(qū)域水產品的消費量與區(qū)域水產品平均生產能力的比值定義得到。區(qū)域水產品足跡(APF)模型[14]可以表示為

(1)

式中：Ra為該地區(qū)水產品的消費量,kg；LSa為該地區(qū)水產品平均生產能力,kg/hm2。

本文的LSa為地區(qū)水產品產量與地區(qū)水域面積的比值。

2.2 區(qū)域水資源足跡模型

將區(qū)域水資源的消耗量與區(qū)域水資源平均供給能力比值作為區(qū)域水資源足跡。區(qū)域水資源足跡(WSF)模型[14]可以表示為

(2)

式中：Rw為區(qū)域水資源的消耗量,m3；LSw為區(qū)域水資源平均供給能力,m3/hm2。LSw由區(qū)域可開發(fā)利用水量與區(qū)域水域面積的比值計算得到，區(qū)域可開發(fā)利用水量由水資源總量扣除60%生態(tài)環(huán)境用水得到。

2.3 區(qū)域水污染足跡模型

把區(qū)域排入水體中污染物的量與區(qū)域水體對污染物的平均吸納能力的比值定義為區(qū)域水污染足跡。區(qū)域水污染足跡(PAF)模型[14]可以表示為

(3)

式中：Wp為區(qū)域排入水體中污染物的量，kg；LSp為區(qū)域水體對污染物的平均吸納能力，kg/hm2；LSp由區(qū)域水環(huán)境容量與區(qū)域水域面積的比值計算得到。

2.4 區(qū)域水生態(tài)足跡模型

消耗水資源、消費水產品和排放水污染物是人類對水生態(tài)系統(tǒng)服務利用的主要表現(xiàn)[15]。基于水生態(tài)系統(tǒng)服務的生態(tài)足跡，簡稱水生態(tài)足跡(WEF)。水生態(tài)足跡由水產品生產足跡(APF)、水資源供給足跡(WSF)和水體污染物吸納足跡(PAF)3個部分構成，由式(1)、式(2)、式(3)可以將區(qū)域水生態(tài)足跡模型[13]表示為

WEF=f(APF,WSF,PAF)

(4)

式中：f(x)是APF、WSF和PAF的耦合函數(shù)表達式。

2.5 區(qū)域承載力模型

將區(qū)域具有的水產品生產能力(Aa)、水資源供給能力(Aw)和水污染物吸納能力(Ap)的水域面積定義為區(qū)域水產品承載力(APC)、水資源承載力(WSC)和水污染承載力(PAC)，三者的模型[14]可以分別表示為

APC=Aa

(5)

WSC=Aw

(6)

PAC=Ap

(7)

式中：Aa、Aw、Ap分別為流域水產品生產、水資源供給、水污染物吸納的水域面積,hm2。

基于水生態(tài)系統(tǒng)服務的生態(tài)承載力，簡稱水生態(tài)承載力(WEC)。由式(5)、式(6)、式(7)可以將區(qū)域水生態(tài)承載力模型[13]表示為

WEC=f′(APC，WSC,PAC)

(8)

式中：f(x)是APC、WSC和PAC的耦合函數(shù)表達式。

2.6 承載力能力指數(shù)

把水生態(tài)承載力與水生態(tài)足跡的比值作為水生態(tài)系統(tǒng)承載能力指數(shù)(CCI)，表示當前發(fā)展水平下區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)的承載能力，區(qū)域承載能力指數(shù)(CCI)模型[14]可以表示為

(9)

式中：WEC為該流域的水生態(tài)承載力；WEF為該流域水生態(tài)足跡,hm2。

3 評估方法

3.1 數(shù)據(jù)來源說明

水資源總量、水資源消耗量等水文基礎數(shù)據(jù)來自于2008—2017年《襄陽市水資源公報》《襄陽市環(huán)境狀況公報》；水產品生產量、人口和GDP等數(shù)據(jù)來自于2008—2017年《襄陽市統(tǒng)計年鑒》《襄陽市國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，其中水產品消費量由居民水產品消費支出乘以總人口除以水產品單價得到，數(shù)據(jù)來源于《襄陽市統(tǒng)計年鑒》；襄陽市水污染屬有機物和營養(yǎng)鹽污染類型。2008—2017年襄陽市水環(huán)境檢測報告指出該流域水污染主要項目為氨氮和總磷，本文選擇氨氮污染足跡代表水污染足跡，其中2008—2015年數(shù)據(jù)源于《襄陽市環(huán)境狀況公報》，2016—2017年氨氮排放量由《襄陽市政府工作報告》中匯報的本年度同上一年的減排量推算得到。部分缺失數(shù)據(jù)經計算得到或來自于其他學者研究得到的數(shù)據(jù)[17-21]。

3.2 取平均值法

襄陽市水域總面積為173.58khm2，江生態(tài)經濟帶襄陽市氨氮水環(huán)境容量為7447900kg[17]。在不考慮水域水質與功能分類的前提下，將襄陽市的全部水域面積用于具有水產品平均生產能力(Aa)、水資源平均供給能力(Aw)和水污染物平均吸納能力(Ap)的水域面積的計算，即三者的值均為173.58khm2。

3.2.1 水生態(tài)足跡模型

假定水產品生產、水資源供給和水污染物吸納對襄陽市經濟社會的作用同等重要，分別取水產品足跡、水資源足跡和水污染足跡的平均值作為水生態(tài)足跡，由式(4)得到襄陽市的水生態(tài)足跡(WEF)模型為

WEF=avg(APF,WSF,PAF)

(10)

3.2.2 水生態(tài)承載力模型

不考慮水域水質與功能分類時，將襄陽市全部水域面積用來計算水產品、水資源和水污染承載力，水生態(tài)承載力取三者的平均值，由式(8)得到襄陽市的水生態(tài)承載力(WEC)模型為

WEC=avg(APC,WSC,PAC)

(11)

由式(1)、式(2)、式(3)、式(10)計算得到襄陽市2008—2017年的足跡及變化趨勢，見圖1。

由圖1可以看出，襄陽市2008—2016年這10年來水產品足跡呈緩慢上升狀態(tài)，變化幅度很小，這一變化是由于人口增長引起的。水資源、水污染足跡總體呈先上升后下降的趨勢，其轉折點為2012年，達最高值，水資源足跡在2014年波動較大，這是由于南水北調中線一期工程開始調水，增加了襄陽市水資源總量，而消耗量有所下降，故而其足跡偏小。水生態(tài)足跡基本上呈先上升后下降的光滑趨勢，2014年受水資源足跡的影響有所波動。由式(11)計算可知，將全部水域面積視為水產品生產、水資源供給、水污染吸納的水域面積時，取平均值法得出水產品、水資源、水污染和水生態(tài)承載力均為173.58khm2。

圖1 不考慮水質分類條件下襄陽市近十年足跡變化

3.3 取并集法

由于不同的水質其功能是不同的，在上面的基礎上進一步考慮水域水質標準與功能分類。依據(jù)《地表水質量標準》(GB 3838—2002)，本文規(guī)定Ⅰ～Ⅲ類水域主要用于水產品生產，Ⅰ～Ⅴ類水域具有水資源供給能力，其中Ⅰ～Ⅲ類水域用于生活飲用水供給(X部分)，Ⅳ類和Ⅴ類水域分別用于工業(yè)和農業(yè)用水(Y部分)，劣Ⅴ類水屬于無用途臟水(Z部分)，將Ⅳ～劣Ⅴ類水域視為主要的污染物受納水體。水產品生產、水資源供給、污染物受納水體劃分方法[14]見表1，并將各類水質占總監(jiān)測斷面的比例設為各自所占權重。

表1 水質分類及水體功能分類

圖2 考慮水質分類條件下襄陽市近十年來足跡變化趨勢

3.3.1 水生態(tài)足跡模型

水生態(tài)足跡通過求解水產品、水資源和水污染足跡的并集得到。由式(4)得到襄陽市水生態(tài)足跡(WEF)模型可以表示為

WEF=Union(APF,

WSF,PAF)

(12)

本文水生態(tài)足跡并集求解方法[14]為，根據(jù)不同水質類別所占比例，將水產品足跡定為X1，水資源足跡分為X2和Y1，將水污染足跡分為Y2和Z，在X1和X2、Y1和Y2中分別取最大值，水生態(tài)足跡為Xmax+Ymax+Z。由式(1)、式(2)、式(3)、式(12)計算得到襄陽市2008—2017年的足跡及變化趨勢，見圖2。

3.3.2 水生態(tài)承載力模型

考慮流域水質標準與功能分類時，將水資源、水產品和水污染承載力的并集作為水生態(tài)承載力，由式(8)得到襄陽市水生態(tài)承載力(WEC)模型可以表示為

WEC=Union(APC,WSC,PAC)

(13)

由式(5)、式(6)、式(7)、式(13)計算得到襄陽市2008—2017年的承載力變化趨勢，見圖3。

圖3 考慮水質分類條件下襄陽市近十年承載力變化趨勢

由圖2可以看出，考慮水質標準與功能分類后，水產品、水資源、水污染和水生態(tài)足跡變化規(guī)律與不考慮水質標準與功能分類時基本相同，而水污染足跡的數(shù)值明顯變小，這是由于污染物受納水體面積在總面積中占的比例較小，但在長期變化趨勢上所表達的含義相同，即襄陽市近十年來水污染足跡是先上升后下降。由圖3可以看出，考慮水質標準與功能分類后，水產品、水資源承載力先上升后下降后又上升，這是由于產品生產、水資源供給水體面積減少，從而造成水產品、水資源承載力急劇下降，而受污染水體面積擴大，即污染物受納水體面積增加，導致水污染承載力在2013年短暫上升，但是從長期來看，水污染承載力是下降的；水生態(tài)承載力仍然保持不變，即在本文中，考慮水質標準與功能分類時，區(qū)域水生態(tài)承載力仍然為區(qū)域水域總面積。

圖4 不同方法下襄陽市承載能力指數(shù)變化趨勢

由圖4可以看出，無論是平均值法還是求并集法，即無論考慮還是不考慮水域水質和環(huán)境功能分類，漢江生態(tài)經濟帶襄陽市水生態(tài)承載能力指數(shù)均在2008—2013年間均呈先下降后回升的趨勢?？傮w上來看，襄陽市近十年的水生態(tài)承載力指數(shù)除個別年份以外均低于1，表明該地水生態(tài)系統(tǒng)服務的供給能力處于過度開發(fā)狀態(tài)，水生態(tài)足跡超出了水生態(tài)承載能力。

考慮水域水質和環(huán)境功能分類的情況下，其水生態(tài)足跡較高，水生態(tài)承載力保持不變，因而其水生態(tài)承載力指數(shù)(CCI)要低，2017年襄陽市常住人口為565.4萬人，地區(qū)生產總值為4064.9億元，襄陽市可承載人口為661.84萬人，可承載經濟規(guī)模為4758.21億元。

4 結論與研究

本文采用基于ESEF的水生態(tài)足跡法，以漢江生態(tài)經濟帶中心城市襄陽市為例，對其2008—2017年的水生態(tài)足跡和承載力了進行評估。研究表明2008—2017年漢江生態(tài)經濟帶襄陽段的水資源、水產品足跡呈先增大后減小后又增大的小幅波動，水污染、水生態(tài)足跡大體上呈先增大后下降的趨勢。水產品、水資源承載力呈增大后減小又增大趨勢，水污染承載力呈逐年下降的趨勢，水生態(tài)承載力仍保持173.58khm2不變，但是水生態(tài)承載能力指數(shù)則總體上呈先減小后增大的趨勢。由于本文將受污染的Ⅳ～劣Ⅴ類水域視為主要的污染物受納水體，故隨著受污染水體面積的減少，水體污染物吸納能力值會減小，從而導致水污染承載力數(shù)值隨之減小，所表征的意義是水體污染物排放量在逐漸下降，受污染的水體面積逐漸減小，水質逐漸得到改善。

研究發(fā)現(xiàn)2009—2016年襄陽市對水生態(tài)系統(tǒng)服務的供給能力處于赤字狀態(tài)，僅2008年和2017年的水生態(tài)系統(tǒng)供給有盈余?？紤]水域水質和環(huán)境功能分類條件下，2017年漢江生態(tài)經濟帶襄陽市水生態(tài)系統(tǒng)可承載1.15倍現(xiàn)狀水平的人口與經濟規(guī)模。但是該地水污染承載力還無法滿足污染物排放量需要，水污染承載能力指數(shù)為0.74，表明當?shù)厮廴境休d壓力較大，當然本文僅以氨氮排放量代表水污染排放量，存在一定的誤差。同時，由于襄陽市處于南水北調中線工程的上游、漢江的中游地區(qū)，水環(huán)境保護仍不可松懈，需要持續(xù)加大保護力度。

本文是在區(qū)域尺度上進行的研究，受研究區(qū)域復雜性和數(shù)據(jù)可得性限制，尤其是水污染數(shù)據(jù)很難收集到，所以本研究還存在一定的局限性。本文對基于ESEF的平均值法和求并集法進行了應用和檢驗。結果顯示兩種方法對水生態(tài)承載能力的反映基本一致，其中考慮水域水質與環(huán)境功能分類的研究方法更符合實際應用，其計算結果更具有說服力，對現(xiàn)實生活具有更大的指導意義。