阿克苏地区水资源承载力变化及驱动力生态脆弱性分析

王 晶, 薛联青,2， 张洛晨, 魏光辉

(1.河海大学 水文水资源学院， 江苏 南京210098； 2.河海大学文天学院， 安徽马鞍山 243000； 3.新疆塔里木河流域管理局， 新疆 库尔勒 841000)

水资源承载力一般指地区的水资源在不破坏社会经济和生态系统时最大可承载的工、农业规模和人口水平[1]，关系到区域人口、资源、经济和环境的协调发展[2]，是水资源可持续发展研究中的重要组成部分[3]。但随着资源与环境问题的突出，生态文明建设被提高到前所未有的高度[4-5]，区域资源与环境的压力及其可持续性是生态文明建设首先要考虑的关键问题[6]。针对水资源利用与经济社会生态相关性问题开展的研究涵盖水资源供需平衡[7-8]、水资源持续利用[9-10]，着重研究水资源与生态系统有生态需水[11-12]、生态水足迹[13-14]等。评估生态的生态环境脆弱性是指生态环境受到外界干扰作用超出自身的调节范围，而表现出对干扰的敏感程度[15]，是随着气候变化和人类活动对生态系统造成严重影响应运而出的可持续发展研究热点[16]。在一定程度上，不仅水资源短缺会加剧生态环境破坏，区域的生态状况也会反作用于水资源承载能力，即生态的脆弱程度可直接作用到区域水资源承载力上。基于生态脆弱性的水资源承载能力分析实质上是在生态脆弱性的降低可提高水资源承载力的关系基础上，通过现状生态破坏状况评价找出影响因素，并加以调整以实现生态系统协调性的增加和水资源承载力的提高。

塔里木河是我国最长的内流河[17]，自身不产流，其水资源主要来自源流和地下水的补给[18]，水是其自然生态系统和人类社会赖以存在的核心制约要素[19]。近年来随着人口增长、城镇化推进和社会经济发展，塔里木河流域受到水资源短缺和生态环境脆弱的多重胁迫[20]，加速了水资源承载力的降低，因此科学地评价塔里木河源流区水资源承载力和生态情况发展十分有必要。本文根据阿克苏绿洲地区的2004-2014年水资源状况，结合主成分分析和模糊层次分析，研究水资源承载力及其驱动因素生态脆弱性的变化趋势，并指出提高生态防御力是提高水资源承载力的关键。

1 研究区概况

阿克苏地区位于塔里木河的上游，全区总面积31.52×104km2，属暖温干旱气候区，年均气温10℃，光热充足，蒸发强烈、降雨稀少，年均降水量75 mm左右。境内共有1 293条冰川，由16条主要干流及大小60多条主要泉水河流组成昆玛力克河、阿克苏河、渭干河三大水系，地表水年径流量129.4×108m3，地下水总储量106.2×108m3[21]。阿克苏地区注重农业发展，土地多为耕地，灌溉模式落后，耗水量巨大，水资源量的相对匮乏限制了经济社会的可持续发展，阿克苏地区行政区及水系分布如图1所示。

图1 阿克苏地区行政区及水系分布

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

文中选取新疆阿克苏地区2004-2014年的12个国民经济发展指标数据来自新疆维吾尔自治区统计年鉴和阿克苏地区水资源公报，阿克苏地区国民经济和社会发展统计公报。

2.2 水资源承载力评价方法

选择主成分分析法评价水资源承载力。主成分分析法是一种将高维变量空间降维处理的多元统计方法，目前在水文水资源领域应用较多。该方法主要基于指标间的相互关系，在损失很少原始信息的前提下通过计算协方差将多个影响因子综合为几个相互独立的主成分[22]。其中贡献率计算方法为[23]：

(1)

本研究在计算历年水资源承载力得分时采用每个主成分的特征值占总特征值之和的比例作为计算主成分综合得分模型[21]：

(2)

式(1)、(2)中:ri为第i个主成分的贡献率，累积贡献率达到85%即可确定为主成分;λi为第i个主成分的特征值；Fi为第i个主成分得分。

经济、社会、生态等多方面的因素会影响水资源承载力，要结合地区实际状况，按照科学性、全面性、系统性和可行性原则[24]，构建阿克苏地区水资源承载力指标体系，具体包括12个指标[21]：人口X1，104人；GDPX2，108元；固定资产投资X3，108元；工业总产值X4，108元；农业总产值X5，108元；城镇居民消费总值X6，108元；土地面积X7，103hm2；水资源总量X8，108m3；耕地面积X9，103hm2；生产用水量X10，108m3；生态环境用水量X11，108m3；生活用水量X12，108m3。

2.3 生态脆弱性评价方法

本次研究阿克苏地区的生态脆弱性采用综合指数法，综合因子得分即生态环境脆弱度主要考虑经模糊层次分析法计算的权重和极差法标准化处理后的指标。

2.3.1 计算权重 采用模糊层次分析法确定指标权重。将生态脆弱性分解为目标、准则、指标3个层次，建立递阶层次结构，结合影响因素构造模糊关系矩阵，计算具体指标权重 (表1)。考虑到研究区生态环境内部结构不稳定，易对外界干扰异常敏感的特点，结合收集的数据选择能真实反映研究区生态脆弱性的评价指标，搭建“成因及结果表现”综合评价指标体系。

表1 生态脆弱性评价指标权重结果

2.3.2 等级划分 生态环境脆弱度是用来量化研究区生态环境脆弱性程度，根据其数值大小可比较分析不同年份的生态脆弱度。

极差法：选取的指标对生态脆弱性有正向和负向影响(表1)，正向影响是脆弱性随着评价指标值增大而增加，不利于生态保护，负向影响是脆弱性随着评价指标减小而增加，促进生态保护。

为方便综合比较分析，采用不同处理计算公式如下[23]：

正向评价指标：

(3)

负向评价指标：

(4)

(5)

式中:Zi是第i个指标的标准化处理后的无量纲值；xi是第i指标的实际数值；xmax、xmin是2004-2014年实际数值中的最大、最小值；I为生态脆弱度数值；Wi为模糊分析法得出的指标权重(表1)，n为指标个数。

分等级赋值法：根据研究区的具体特征，参照赵跃龙等[25]脆弱度分级方法将阿克苏地区的生态脆弱度划为4个等级，分为轻度、中度、强度和极强度脆弱区[15](表2)。

表2 阿克苏地区生态脆弱性分级标准

3 结果与分析

3.1 水资源承载力评价

3.1.1 主成分综合评价 对阿克苏地区水资源承载力评价指标进行主成分分析，由公式(1)得到表3主成分特征值及贡献率。

表3 主成分特征值及贡献率

表3前面两行数据表明其前两个主成分的累计贡献率达到86.579%，可以选取为第一、第二主成分，反映水资源指标多数信息(表4)，可进一步分析阿克苏地区水资源承载力的变化。

表4 主成分载荷矩阵

表4中，X1，X2，X3，X4，X5，X6与第一主成分正相关性很大，是与经济社会发展相关的指标；X11，X8与第二主成分有较大的正相关。且在干旱地区，生态用水量的多少将直接影响地区生态系统结构的优劣，所以这两个指标切实关系到生态环境的保障。因此，经济发展和生态保障可归纳为影响阿克苏地区水资源承载力的主要因素。

根据式(2)计算阿克苏地区综合主成分值，其中，λ1=8.878，λ2=1.512。为了可以直观地反映出阿克苏地区2004-2014年水资源承载力的动态变化情况，根据综合得分画出各年水资源承载力变化趋势图见图2，F值越小，说明当年的水资源承载力越大[24]。

总体上，2004-2014年阿克苏地区水资源承载力随时间变化呈下降趋势。2004年最高，此后逐年下降，至2014年最低，这段期间水资源不断被开发利用，并且强度逐年增加。分析主成分，水资源承载力的总体变化趋势与第一主成分即经济社会发展成分大体相同，说明第一主成分对水资源承载力的影响大，即以农为主的快速社会经济发展对阿克苏地区的水资源压力较大。而第二主成分变化较复杂，分值交替升降，说明地区生态用水保障具有不稳定性，与当地水热条件和用水结构变化相关。干旱少雨的自然条件使得水资源愈加匮乏，灌溉效率的低下增加了农业用水量，这就导致生态用水量迅速降低，生态保障减少，违背了区域可持续发展的耗水需求，限制了区域水资源承载力的提高。

图2 阿克苏地区水资源承载力主成分及综合得分趋势图

3.1.2 第一主成分分析 第一主成分主要体现社会经济发展，对主成分有73.98%的贡献率，属于主控驱动因子。据图3分析阿克苏地区的人口和经济发展，人口10年间增长30.29×104，其中农村人口增加10.43×104，并有持续增加的趋势，而城镇化率上升缓慢，因为阿克苏地区农业发达，农业的发展导致人口的集聚效应，农村人口多于城市人口，带来城镇化较慢的问题。同时人口作为对资源可持续发展的外界持久压力，与水资源承载力的动态变化密切相关。人口的快速增长使得水足迹迅速增加，耕地面积从33.632×104hm2增加到61.494×104hm2，一产用水量也从98.45×108m3增加到109.11×108m3，由此产生水资源承载压力巨大的问题，供需矛盾越发突出。GDP在10年间约增加3.7倍，年均增长率为16.76%，其中农业总产值约占50%，可见阿克苏地区的经济增长多依赖于农业，但农业占用最大比重的水量，这就使得工业、生活和生态等用水量不断减少。因此，农业的大幅发展虽带来一定程度的经济发展但也大大加深了人与土地、水资源的矛盾。

3.1.3 第二主成分分析 生态环境用水率主要影响第二主成分，反映地区生态用水保障对水资源承载力的影响。整体上，阿克苏地区生态环境用水量较少，时间上分布不均匀，是根据实际农业用水情况剩余分配的，极不利于河道两岸的生态保护和地区生态的长远发展。且阿克苏地区作为典型的塔里木河源流区，自然降水稀少，基础的生态环境脆弱性强且破坏后恢复困难，如果生态水量没有保障，生态破坏将愈加严重，因此进行生态恢复重建显得尤为重要。但无论基于生态保护还是恢复生态破坏都需增加生态用水量，这与实际分配少量的生态用水情况相差较远，使得供需水矛盾更加突出，所以不理想的生态条件对水资源承载力的作用是负面消极的。

3.2 驱动力生态脆弱度分析

3.2.1 生态脆弱度与水资源承载力关系 生态发展对水资源的可持续利用影响较大，且由上述主成分分析出生态用水保障是影响阿克苏地区水资源承载力的第二主成分，不理想的生态条件会对水资源承载力产生消极作用，可见，生态保护对该区水资源承载力有较大的影响。要缓解地区水资源承载力压力，就要提高生态防御性，而阿克苏地区本身脆弱的生态环境易受人类活动影响，所以深入研究其生态脆弱性，科学地评价其生态脆弱性的变化情况有利于协调阿克苏地区今后生态与社会经济共同发展，进一步提高区域水资源承载力。

3.2.2 生态脆弱度现状分析 根据公式(3)～(5)计算阿克苏地区2004-2014年生态脆弱度，具体计算结果见图4。

分析图4，阿克苏地区2004-2014年生态脆弱度大体呈上升态势，水资源承载力呈直线下降趋势，环境不断被破坏的同时引起水资源承载力的急剧下降。根据表2的脆弱度划分，2004-2006年处于轻度脆弱区;2007-2008年处于中度脆弱区；2009、2011-2014年在强度脆弱区内波动，2010年高达极强度脆弱区。水资源承载力情况不理想，尤其近年来水资源承载能力极差，开发利用已接近极限。

图4 阿克苏地区2004-2014年生态脆弱度及水资源承载力变化趋势

2004-2010年阿克苏地区的生态脆弱度缓慢上升，水资源承载力不断下降。这段时期国家开始实施西部大开发战略，积极开拓周边国家市场，新疆正处于“十一五”建设，阿克苏地区经济得到持续快速的增长，农业高速发展，工业化扩大，环境资源需求消耗也不断增长。且由于深处西北内陆，缺乏高科技产业链，粗放的高投入低产出增长方式增加了经济成本，大大破坏了经济与生态的和谐性，使得生态脆弱性不断加大，间接导致地区水资源承载力的持续下降。2011-2014年生态脆弱度有小幅度波动，此时新疆地区开始“十二五”规划建设实施，经济高速增长的同时综合实力不断增强，农业和工业的进一步发展导致生态与经济社会发展脱轨，环境资源遭到无限制的使用，生态脆弱度大幅上升，带来水资源承载力接近承载极限，水资源和生态成为阻碍经济社会发展的瓶颈因素。

3.2.3 基于生态脆弱性评价的水资源承载力影响因素 由表1准则层权重可知，自然成因和结果表现是影响阿克苏地区生态脆弱性主要因素，社会成因影响相对较小。分析指标层权重，自然成因中权重较高的指标有森林覆盖率和年降水量。植被覆盖率体现植物生长茂盛状况，降水量是植被生长的条件，地区绿化程度是最为影响生态脆弱性的；结果表现中生态环境用水和农业依赖度权重较高，强调生态要有保障即要增加生态用水量，控制农业用水量，产业结构要优化调整；分析社会方面，人均GDP权重较高，经济发展导致生态环境承载力超载，生态脆弱性增加。综合纵向比较分析权重，森林覆盖率比重占的最多，加强森林植被建设对降低脆弱度至关重要。

自然和人为因素综合作用导致阿克苏地区的生态环境日渐恶化，气候条件干燥，水资源和森林资源有限，所以生态环境先决条件较差，不利于形成生态环境持续发展的良好基础。近年来又因该地区的经济社会发展与生态发展脱轨，以农为主经济发展方式单一而粗放，不仅经济效益增加少，生态环境也受到大范围地破坏。选择生态破坏最严重的2010年绘制生态影响因子的雷达图(图5)。分析图5，2010年影响因子中除有关生态保障的森林覆盖率与生态用水影响较大，农业的发展是生态脆弱性上升的主要原因。过高的农业依赖度虽可促进经济发展，但加大了水资源承载压力，农业用水严重负载；居高不下的垦殖率使得人与资源的矛盾更加突出，粗放低效的土地使用方式导致资源浪费，环境污染加重，同时对当地的气候影响严重，加剧了暴雨、春旱等极端气候现象的出现频率，陷入了自然生态互相作用的恶性循环中。

图5 阿克苏地区2010年生态脆弱性因子影响程度雷达图

4 结 论

本文基于主成分分析的阿克苏地区水资源承载力评价，对驱动力因素生态脆弱性进行探究分析，得出如下结论：

(1)2004-2014年阿克苏地区的水资源承载力呈现明显下降趋势，人口增加与以农为主的经济增长和低保障的生态用水率是引起水资源承载力下降的主要驱动力。

(2)生态脆弱性增加会加剧水资源承载力下降，阿克苏地区2004-2014年生态脆弱性逐年上升，通过保障生态用水量、提高森林覆盖率、控制耕地面积的措施可降低生态脆弱性，实现水资源承载力的回升。

(3)本文选取的评价指标体系需进一步完善。因数据有限，选取的指标具有代表性但不够全面且有一定的区域局限性，如何确定合适的生态指标有待探讨。

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