朱光磊 趙春子* 朱衛(wèi)紅 佟守正
(1.延邊大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院,吉林 延吉 133002; 2.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長(zhǎng)春 130102)
水是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的重要自然資源,合理開(kāi)發(fā)和利用水資源是區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和保障[1]。已有研究從生態(tài)足跡角度分析得出水資源生態(tài)足跡時(shí)空變化是評(píng)價(jià)水資源可持續(xù)利用的重要內(nèi)容[2]。水資源生態(tài)足跡理論是Hoekstra等[3-4]在生態(tài)足跡理論的基礎(chǔ)上提出的,即:用生產(chǎn)性土地面積來(lái)度量一個(gè)地區(qū)人口或經(jīng)濟(jì)的水資源消費(fèi)污水吸收水平的賬戶(hù)工具,可判斷水資源的生態(tài)生產(chǎn)面積是否處于該區(qū)域生態(tài)承載能力范圍。國(guó)內(nèi)外研究主要集中在水資源生態(tài)足跡[5-6]、生態(tài)承載力[7-8]、城市生態(tài)需水量[9-10]、水環(huán)境生態(tài)安全評(píng)估[11]、水利工程生態(tài)補(bǔ)償[12]、可持續(xù)利用情況[13-14]以及水資源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系[15-16]等方面,基于生態(tài)足跡模型對(duì)我國(guó)以農(nóng)業(yè)為主的省份水資源時(shí)間趨勢(shì)變化和空間分布差異的研究尚少。吉林省作為東北老工業(yè)基地和農(nóng)業(yè)大省,用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水量占區(qū)域總用水量的70%以上,但由于氣候變化與人為活動(dòng)的影響,水資源緊缺問(wèn)題已日益凸顯,水環(huán)境安全態(tài)勢(shì)不容樂(lè)觀[17]。因此,本研究基于生態(tài)足跡理論,擬以吉林省為研究區(qū),從時(shí)間尺度對(duì)其2004—2018年水資源可持續(xù)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究,從空間尺度對(duì)各市(州)2017年水資源開(kāi)發(fā)利用的分布狀況進(jìn)行分析,以期總體評(píng)價(jià)吉林省水資源可持續(xù)利用情況,為緩解吉林省用水壓力與水資源生態(tài)保護(hù)提供參考。
吉林省位于我國(guó)東北地區(qū)中部,松遼平原腹地,下轄8市1州,總面積為18.7 萬(wàn)km2,是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地[18],也是水資源總量不足的省份之一[19]。該區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,年平均氣溫為2~6 ℃,年平均降水量為400~600 mm,季節(jié)和區(qū)域差異明顯,80%集中在夏季,東部降雨最為豐沛。以中部大黑山為界,分為東部山地和中西部平原兩大地貌,地勢(shì)呈東南高、西北低的特征。省內(nèi)河流眾多,主要為五大水系,即東部圖們江水系,東北部綏芬河水系,東南部鴨綠江水系,西南部遼河水系,其他主要為松花江水系。
1.2.1水資源生態(tài)足跡模型
水資源生態(tài)足跡用以表示區(qū)域的水資源代謝強(qiáng)度,反映區(qū)域水資源的消耗水平[20]。為了解吉林省水資源生態(tài)足跡的分布情況,本研究建立生產(chǎn)用水、生活用水和生態(tài)用水3 個(gè)二級(jí)賬戶(hù)。其中,生產(chǎn)用水分為農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水,模型如下:
EFw=γ×(W/Pw)
(1)
式中:EFw為水資源生態(tài)足跡,萬(wàn)hm2;γ為水資源全球均衡因子;W為水資源用水量,m3;Pw為水資源全球平均生產(chǎn)能力,m3/hm2。參考已有研究[21],確定γ為5.19,Pw為3 140 m3/hm2。
1.2.2水資源生態(tài)承載力模型
水資源生態(tài)承載力是指在區(qū)域的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境以及社會(huì)發(fā)展階段,滿(mǎn)足生態(tài)需水的可用水量能夠維系有限發(fā)展目標(biāo)的最大的水資源可持續(xù)利用能力[22],模型如下:
ECw=0.4×γ×Φ×(Q/Pw)
(2)
式中:ECw為水資源生態(tài)承載力,萬(wàn)hm2;Φ為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子[23],計(jì)算公式如下:
Φ=P/Pw
(3)
P=V/S
(4)
式中:Φ為區(qū)域水資源產(chǎn)量因子;Q為區(qū)域水資源總量,m3;P為計(jì)算時(shí)段內(nèi)的水資源生產(chǎn)能力,m3/hm2;V為計(jì)算時(shí)段內(nèi)區(qū)域的水資源總量,m3;S為區(qū)域的面積,hm2。根據(jù)研究數(shù)據(jù)計(jì)算得2004—2018年吉林省水資源產(chǎn)量因子見(jiàn)表1,2017年各市(州)水資源產(chǎn)量因子見(jiàn)表2。
表1 2004—2018年吉林省水資源產(chǎn)量因子Table 1 Water resources yield factors in Jilin Province from 2004 to 2018
表2 2017年吉林省各市(州)水資源產(chǎn)量因子Table 2 Water resources yield factors of cities (states) in Jilin Province in 2017
1.2.3水資源生態(tài)盈虧模型
水資源生態(tài)盈虧是客觀反映資源供需狀況的指標(biāo)[24],其公式為:
EDw=ECw-EFw
(5)
式中:EDw>0為水資源生態(tài)盈余,表明研究區(qū)域水資源充足,有利于區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展;EDw<0為水資源生態(tài)赤字,表明研究區(qū)域水資源匱乏;EDw=0表示水資源利用處于臨界狀態(tài)。
1.2.4水資源生態(tài)壓力模型
水資源生態(tài)壓力可評(píng)估區(qū)域水資源生態(tài)健康程度[25],公式如下:
EP=EFw/ECw
(6)
式中:EP=1時(shí),表示該區(qū)域水資源生態(tài)環(huán)境供給平衡;0
1.2.5萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡模型
萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡可反映研究區(qū)域內(nèi)水資源生態(tài)足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平之間的關(guān)系[26],模型為:
Gw=EFw/GDP
(7)
式中:Gw越大,表明區(qū)域內(nèi)用于經(jīng)濟(jì)發(fā)展所消耗的水資源量越多,利用效率越低,反之,利用效率越高。
本研究相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源于2004—2018年《吉林省水資源公報(bào)》[27]和2005—2019年《吉林省統(tǒng)計(jì)年鑒》[28](表3)。
2.1.1水資源生態(tài)足跡
2004—2018年吉林省水資源生態(tài)足跡變化趨勢(shì)如圖1所示,總體呈先波動(dòng)上升后逐漸下降趨勢(shì),均值為1 955.05 萬(wàn)hm2,變化范圍1 626.26~2 207.57 萬(wàn)hm2。在水資源各賬戶(hù)中,農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水生態(tài)足跡多年均值分別為1 325.06、362.72、199.79和66.59 萬(wàn)hm2,占吉林省水資源總生態(tài)足跡的67.78%、18.55%、10.22%、3.41%。這表明吉林省水資源生態(tài)足跡以農(nóng)業(yè)用水為主。農(nóng)業(yè)用水足跡呈波動(dòng)上升趨勢(shì),這與全省農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工程的推廣和使用還不完善有一定關(guān)系;工業(yè)用水生態(tài)足跡在2015年前呈波動(dòng)上升趨勢(shì),自2016年起,其生態(tài)足跡逐年下降,說(shuō)明近年來(lái)吉林省內(nèi)工業(yè)較發(fā)達(dá)城市開(kāi)始注重水生態(tài)環(huán)境保護(hù),使工業(yè)用水消耗量減少;生活用水生態(tài)足跡占水資源比重雖小,但上升趨勢(shì)顯著,說(shuō)明隨著人口數(shù)量的增長(zhǎng)和居民生活水平的提高,生活用水量也隨之增加;生態(tài)用水生態(tài)足跡總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì),2011年最高,為130.08 萬(wàn)hm2,自2012年起生態(tài)用水生態(tài)足跡波動(dòng)下降。
2.1.2水資源生態(tài)承載力
由圖2可知,吉林省水資源生態(tài)承載力總體呈波動(dòng)起伏變化,年際差異較大,2010年水資源生態(tài)承載力最高,為5 309.28 萬(wàn)hm2,2009年最低,僅為1 000.17 萬(wàn)hm2,年際之間相差5 倍以上。如圖3所示,吉林省水資源生態(tài)承載力和年平均降雨量的年度變化規(guī)律基本一致,呈現(xiàn)顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.83,反映出吉林省年平均降水量對(duì)水資源生態(tài)承載力的影響具有關(guān)鍵性作用。
2.1.3水資源生態(tài)盈虧
如圖4所示,2010年吉林省水資源生態(tài)盈余水平最高,為3 325.17 萬(wàn)hm2,2014年水資源生態(tài)虧損最多,為1 143.46 萬(wàn)hm2。在研究期的15年間,水資源生態(tài)虧損年份出現(xiàn)了9年,表明從近些年經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)情況來(lái)看,水資源的消耗和利用導(dǎo)致了生態(tài)赤字問(wèn)題,促進(jìn)了人類(lèi)資本的形成與加強(qiáng),對(duì)于目前經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展起到了一定的推動(dòng)作用;從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看,水資源生態(tài)環(huán)境的惡化,將會(huì)使經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展受到一定程度的制約,間接阻礙區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,這需要各產(chǎn)業(yè)部門(mén)圍繞促進(jìn)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)增長(zhǎng),加大重點(diǎn)水利改革力度,強(qiáng)化并嚴(yán)格水資源管理。
圖1 吉林省水資源生態(tài)足跡變化趨勢(shì)Fig.1 Variation trend of water resources ecological footprint in Jilin Province
圖2 吉林省水資源生態(tài)承載力和年平均降水量變化趨勢(shì)Fig.2 Variation trend of water resources ecological carrying capacity and annual average precipitation in Jilin Province
2.1.4水資源生態(tài)壓力和萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡
由圖5可見(jiàn),2004—2018年吉林省水資源生態(tài)壓力指數(shù)年際變化較大,臨近和大于1的年份數(shù)多達(dá)12年,說(shuō)明吉林省水生態(tài)環(huán)境處于危險(xiǎn)狀態(tài),區(qū)域水資源生態(tài)環(huán)境惡化嚴(yán)重。在各賬戶(hù)中,農(nóng)業(yè)用水生態(tài)壓力指數(shù)遠(yuǎn)高于工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水的水資源生態(tài)壓力指數(shù),其壓力指數(shù)臨近和大于1的年份共有10年,農(nóng)業(yè)用水資源生態(tài)環(huán)境惡化明顯,因此,吉林省應(yīng)提高農(nóng)業(yè)用水的利用率,大力推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工程,降低農(nóng)業(yè)用水的生態(tài)壓力。而工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水各賬戶(hù)的生態(tài)壓力指數(shù)均處于0~1,處于水資源可持續(xù)利用態(tài),應(yīng)繼續(xù)保持各賬戶(hù)水資源的生態(tài)環(huán)境的良好狀態(tài)。
如圖6所示,2004年吉林省萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡最高,之后呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì),年平均降幅為10.42%,表明吉林省經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水效率逐年提高,水資源的消耗和浪費(fèi)逐漸減少。
圖3 吉林省水資源承載力與年平均降水量之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between water resources carrying capacity and annual average precipitation in Jilin Province
圖4 吉林省水資源生態(tài)盈虧變化趨勢(shì)Fig.4 Variation trend of water resources ecological surplus and deficit in Jilin Province
2.2.1水資源生態(tài)足跡
如圖7所示,2017年吉林省9個(gè)市(州)水資源生態(tài)足跡和人均水資源生態(tài)足跡空間分布具有明顯差異。長(zhǎng)春市水資源生態(tài)足跡最高,為403.13 萬(wàn)hm2,遼源市和白山市水資源生態(tài)足跡最低,分別為63.30和53.39 萬(wàn)hm2;人均水資源生態(tài)足跡水平白城市最高,為2.00 hm2/人,其次為通化市和松原市,分別為1.03和1.02 hm2/人,其余6個(gè)市(州)人均水資源生態(tài)足跡均為低值區(qū),不足1.00 hm2/人,白山市最低,為0.45 hm2/人(圖7)。水資源生態(tài)足跡較高的區(qū)域集中在農(nóng)業(yè)用水和工業(yè)用水為主的白城市、通化市、松原市、長(zhǎng)春市和吉林市,而白城市2017年人口數(shù)量較低,人均水資源生態(tài)足跡水平最高。
圖5 吉林省水資源生態(tài)壓力指數(shù)變化趨勢(shì)Fig.5 Variation trend of water resources ecological stress index in Jilin Province
圖6 吉林省萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡Fig.6 Water resources ecological footprint per ten thousand yuan GDP in Jilin Province
2.2.2水資源生態(tài)承載力
如圖8所示,2017年吉林省各市(州)水資源生態(tài)承載力空間分布相差懸殊,高值區(qū)依次為延邊州、吉林市和白山市,分別為744.20、663.69和477.25 萬(wàn)hm2,其他地區(qū)水資源生態(tài)承載力均低于150 萬(wàn)hm2,遼源市水資源生態(tài)承載力最低,為11.25 萬(wàn)hm2。由于吉林省東部屬山地地貌,區(qū)域內(nèi)水系發(fā)達(dá),臨近日本海,降水量和水資源總量較大且蒸發(fā)量小,水資源生態(tài)承載力自東部延邊州向西北和西南地區(qū)遞減。受人口數(shù)量的影響,吉林省各市(州)人均水資源生態(tài)承載力水平最高的地區(qū)為白山市和延邊州,分別為3.99和3.54 hm2/人,其次是吉林市,為1.60 hm2/人,其他地區(qū)人均水資源生態(tài)承載力均不足0.40 hm2/人,遼源市最低,僅為0.10 hm2/人。可見(jiàn),吉林省各市(州)水資源生態(tài)承載力和人均水資源生態(tài)承載力空間分布具有一致性。
圖7 水資源生態(tài)足跡與人均生態(tài)足跡空間分布Fig.7 Spatial distribution of water resources ecological footprint and per capita ecological footprint
圖8 水資源生態(tài)承載力與人均生態(tài)承載力空間分布Fig.8 Spatial distribution of water resources ecological carrying capacity and per capita ecological carrying capacity
2.2.3水資源生態(tài)盈虧
由圖9可知,吉林省各市(州)水資源生態(tài)盈虧自延邊州向白城市和通化市遞減,空間差異分布顯著。延邊州境內(nèi)因松花江、圖們江、牡丹江、綏芬河等水系眾多,水資源總量豐富,降水豐沛,故水資源生態(tài)盈余水平最高,為591.81 萬(wàn)hm2。白山市境內(nèi)北部為松花江水系,南部為鴨綠江水系,水資源生態(tài)盈余為423.87 萬(wàn)hm2。吉林市境內(nèi)分布第二松花江水系,湖泊分布廣泛,濕地和水庫(kù)眾多,水資源生態(tài)盈余為292.96 萬(wàn)hm2。其他6個(gè)市均為水資源生態(tài)赤字狀態(tài),其中,白城市水資源生態(tài)赤字狀況嚴(yán)重,高達(dá)361.50 萬(wàn)hm2,這與該地區(qū)降水量較少,境內(nèi)水系欠發(fā)達(dá),多季節(jié)性河流,且區(qū)域供水以地下水為主[29]有較大關(guān)系。吉林省各市(州)人均水資源生態(tài)盈虧與水資源生態(tài)盈虧分布基本一致,白山市和延邊州人均水資源生態(tài)盈余水平最高,分別為3.55和2.82 hm2/人,白城市人均水資源生態(tài)虧損最高,為1.89 hm2/人。
圖9 水資源生態(tài)盈虧與人均生態(tài)盈虧空間分布Fig.9 Spatial distribution of water resources ecological surplus and deficit and per capita ecological surplus and deficit
2.2.4水資源生態(tài)壓力指數(shù)與GDP水資源生態(tài)足跡
由表4可見(jiàn):白山市、延邊州和吉林市水資源生態(tài)壓力指數(shù)分別為0.11、0.20、0.56,水資源生態(tài)環(huán)境最佳;其他各市受地理位置、降水量、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和區(qū)域蓄水能力等因素影響,水資源生態(tài)壓力指數(shù)均大于1,表明吉林省中西部區(qū)域水資源生態(tài)環(huán)境危險(xiǎn)程度較高,急需采取有效的水資源調(diào)控和環(huán)境保護(hù)措施,合理調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),緩解城市生態(tài)用水壓力。其中,水資源生態(tài)壓力指數(shù)最高的白城市,農(nóng)業(yè)用水量大,區(qū)域內(nèi)降水少,蒸發(fā)大,是吉林省嚴(yán)重缺水的地區(qū),水資源匱乏是制約白城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素[30]。
各市(州)中,長(zhǎng)春市、遼源市和白山市的萬(wàn)元GDP水資源生態(tài)足跡較低。其中,長(zhǎng)春市屬于吉林省經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)地區(qū),水資源利用效率高;遼源市和白山市的GDP和用水總量相對(duì)于省內(nèi)其他城市均較小,水資源利用效率水平較高;吉林市因工業(yè)經(jīng)濟(jì)規(guī)模較大,工業(yè)產(chǎn)值經(jīng)濟(jì)占比較大,以耗水型工業(yè)為主,水資源利用效率比較低;延邊州雖然水資源豐富,自2015年高速鐵路開(kāi)通以來(lái),旅游業(yè)發(fā)展勢(shì)頭良好,但支柱產(chǎn)業(yè)仍以工業(yè)和農(nóng)業(yè)為主,用水量大,導(dǎo)致水資源利用效率也較低。四平市、通化市、白城市和松原市是省內(nèi)農(nóng)業(yè)高度發(fā)達(dá)的地區(qū),農(nóng)業(yè)用水占區(qū)域總用水量的70%以上,特別是白城市地下水供水比例高達(dá)95%以上,農(nóng)業(yè)水資源大量流失,水資源利用效率普遍很低。因此應(yīng)加大產(chǎn)業(yè)調(diào)整力度,嚴(yán)格控制耗水量大的企業(yè)發(fā)展,加強(qiáng)農(nóng)業(yè)灌區(qū)的管理,發(fā)展農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù),提高各地的用水效率。
表4 吉林省各市(州)水資源生態(tài)壓力指數(shù)與GDP水資源生態(tài)足跡Table 4 Water resources ecological stress index and Water resources ecological footprint per ten thousand yuan GDP in each cities (states) of Jilin Province
1)2004—2018年,吉林省水資源生態(tài)足跡呈波動(dòng)上升后逐漸下降趨勢(shì),農(nóng)業(yè)用水生態(tài)足跡占水資源總生態(tài)足跡的67.78%,是最主要的用水形式;受年降水量的影響,水資源生態(tài)承載力和生態(tài)盈虧呈現(xiàn)波動(dòng)變化;農(nóng)業(yè)用水生態(tài)環(huán)境已處于危險(xiǎn)狀態(tài),工業(yè)用水、生活用水和生態(tài)用水各賬戶(hù)水資源的生態(tài)環(huán)境良好,均處于水資源可持續(xù)利用狀態(tài)??傮w來(lái)看,吉林省用水程度超出了水資源承載力,導(dǎo)致水資源出現(xiàn)生態(tài)赤字狀態(tài),表明產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)仍需加大力度,減小各產(chǎn)業(yè)的用水成本。
2)2017年,吉林省水資源生態(tài)足跡較高的區(qū)域集中在農(nóng)業(yè)和工業(yè)為主的白城市、松原市、通化市、長(zhǎng)春市和吉林市;東部區(qū)域降水量大,水資源豐富,水資源生態(tài)承載力白山市和延邊州最高,并向西北和西南地區(qū)遞減;在各市(州)中,白城市水資源生態(tài)虧損嚴(yán)重且水生態(tài)安全狀況較差;長(zhǎng)春市、遼源市和白山市的水資源利用效率較高,其他城市的用水效率均較低;全省只有白山市和延邊州的水資源儲(chǔ)備充足,開(kāi)發(fā)潛力較大。
3)本研究采用的生態(tài)足跡模型能夠較好地表明吉林省水資源開(kāi)發(fā)利用狀況,但也存在一些不足,由于資料有限,未考慮各產(chǎn)業(yè)污水處理用水量對(duì)水資源生態(tài)足跡的影響,因此有待于進(jìn)一步研究。
4)綜上所述,吉林省水環(huán)境安全整體態(tài)勢(shì)良好,但農(nóng)業(yè)用水生態(tài)環(huán)境已處于危險(xiǎn)狀態(tài),生態(tài)用水量不足,區(qū)域間水資源總量和水環(huán)境安全狀況差異較大,全省大部分城市存在水資源短缺的現(xiàn)象。應(yīng)在“優(yōu)先開(kāi)發(fā)地表水,嚴(yán)格控制地下水”的原則下,增加節(jié)水灌溉示范區(qū),改傳統(tǒng)漫灌為更加節(jié)水的滴灌和噴灌,推進(jìn)引嫩入白、大安灌區(qū)、大型灌溉排水泵站更新改造等水利工程建設(shè),從而節(jié)約農(nóng)業(yè)用水量,避免不必要的浪費(fèi),提高農(nóng)業(yè)用水效率,減輕對(duì)吉林省糧食安全的影響;工業(yè)生產(chǎn)方面,在當(dāng)前發(fā)展的基礎(chǔ)上,結(jié)合區(qū)域自身發(fā)展的實(shí)際情況,加大科技投入,提升傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)設(shè)備水平和科技含量,控制耗水量大的企業(yè)發(fā)展,減弱工業(yè)發(fā)展對(duì)水環(huán)境的壓力;對(duì)于生態(tài)用水量不足方面,除了適當(dāng)增加地表水用量外,還應(yīng)加強(qiáng)污水處理工程建設(shè),推進(jìn)污水截流、收集、納管,將處理后污水資源用于城鄉(xiāng)景觀綠化,從而緩解吉林省用水壓力,改善水環(huán)境安全狀況,以期實(shí)現(xiàn)吉林省水資源的可持續(xù)發(fā)展和利用。
中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2020年9期