沁源县农业水生态足迹与水资源承载力动态特征分析

刘 杰，郭东罡

（山西大学环境与资源学院，山西 太原 030006）

随着对人与自然关系的理性思考和深入研究，自然资源的可持续利用已经越来越受到关注。从20世纪初期开始，国内外的专家和学者就开始对生态系统的服务价值量化、自然资源的承载力核算和生态足迹等进行了大量的实践探索和理论研究[1-5]，生态足迹法是使用土地面积来核算一定区域内人类为了维持自身生存所需资源和吸纳所衍生的废物自然资源[6-8]，即它是在对土地面积量化的基础上，在需求层面上计算生态足迹的大小，在供给层面上计算生态承载力的大小，然后比较二者的多寡，进而评价研究对象的可持续发展状况。生态足迹提供了一种以“土地”为要素量化自然资本账户的有效方法，同理水生态足迹则是以“水”为要素核算流域或区域自然资本所需的最小生态需水量[9-10]。水资源承载力是指在一定的技术条件和经济社会发展水平下，水资源能满足工农业生产、人民生活和生态环境等需求的最大供给能力[4]。在一定时空尺度下研究一个区域的水生态足迹和水资源承载力，正如从人类社会对水资源的“生态占用”和自然生态系统水资源的“生态供给”2个方面评价其可持续发展的能力，有利于研究分析区域内生态资源的有效开发利用和调整产业结构[11-13]。

农业是经济发展和生态环境维持的基础。水资源作为生态环境的重要组成成分和最活跃的因素，其供给能力制约着区域农业发展，对作物产量起着决定性作用[14-16]。随着GDP的增长，农业用水比例逐步下降,且农业供水不稳定、水污染、农业用水效益低下等问题加剧了农业水资源供需矛盾,影响农业发展和粮食稳产。因此，农业水资源可持续利用是农业生产可持续发展的前提和保障。

由于沁源县拥有得天独厚的自然条件和历史原因，且一直是较为贫困的区域之一，因此，大力发展当地经济首当其冲，然而在社会经济发展的同时，生态环境也在随着自然资源的耗损发生变化，其严重制约人类的生存和发展，尤其是作为沁河发源地的沁源县，因此，研究其农业水资源的利用状况、人类生存对区域农业水资源生态系统的压力，定量衡量沁源县经济发展的可持续性状况，并为当地生产和生活提供一些建议。

沁源县虽然地处沁河源头，但属于缺水地域，当地农业生产和居民生活完全依靠水利工程引水，2006年前沁源县境内部分地区仍依靠人力挑水解决生活所需。本文选取沁源县为研究对象，依据水生态足迹模型计算当地农业水资源使用现状，并针对水资源利用问题给予合理、科学的建议。

1 研究区域概况

1.1 自然地理概况

沁源县地处太岳山东麓，山西中南部，系沁河发源地，沁源因沁河源头而得名。位于 E110°58′03″～112°32′30″，N36°20′20″～37°00′42″，属黄土高原区，地理单元属沁水盆地西部隆起区太岳山系主脉，海拔939～2 523 m。属于温带大陆性季风气候，年平均温度约8.6℃，年平均相对湿度65%，年平均降雨量约660 mm，无霜期90～150 d。地带性植被属暖温带天然落叶阔叶林地带，境内主要植被类型为油松天然次生林和松栎混交林。

县境内河流分属沁河、汾河两大水系。其中，沁河是最大的河流，支流众多，从北到南汇集了赤石桥河、紫红河、白狐窑河、柏子河、法中河、聪子峪河、狼尾河等流域面积超过100 km2的7条支流；沁河干流总长485 km，其中，沁源县境内98 km，占总长的20.2%，县境内沁河流域面积为2 187 km2，占沁河流域总面积的16.2%。汾河水系河流有龙凤河、静升河、仁义河。

1.2 社会经济概况

沁源县在行政区划上属于山西省长治市，国土面积2 594 km2，辖5镇9乡254个行政村，2006—2015年平均总人口16.033万人，10 a间农村人口占总人口数百分比分别为74.91%，73.52%，72.47%，70.45%，66.43%，64.57%，62.59%，60.74%，58.97%，57.26%，可见，农村人口数逐年减少。2006—2015年农林牧业产值逐年升高，平均农业生产总值17 863万元，年平均林业生产总值3 465万元，年平均牧业生产总值6 855万元，分别占农林牧渔业生产总值的57.58%，11.17%，22.10%，其中，农业产值和林业产值占农林牧渔业生产总值的比值基本稳定，分别保持在55%～65%和10%～15%，而牧业产值占农林牧渔业总产值的比例不断减少，从38.59%降到13.96%。农民纯收入基本呈现稳定性增长趋势，年人均纯收入为9 451.3元，2006—2015年耕地面积保持在133.4万hm2（表1）。此外，矿产资源极为丰富，已发现煤、铁、铝矾土、石灰岩等矿产18种。

表1 2006—2015年沁源县农业产值指标情况

2 研究方法

水资源可持续利用是使社会经济可持续发展的基本要素，在可持续发展的基础上对水资源的利用进行科学、合理的衡量与评价，定量计算水资源生态足迹是评判人类是否生存于生态系统可承载范围内的重要指标，即用于衡量人类对自然资源的利用程度以及自然界为人类提供生态服务功能的方法[17-20]。

2.1 水资源生态足迹参数计算

水资源生态足迹模型需计算水资源产量因子。其主要包括2个方面：特定地区内水资源生物生产性土地的平均生产能力和全球（或全国）同类平均生产能力，二者比值就是所确定的水资源产量因子。根据该比值可以进一步确定出区域的水资源生态承载力，水资源产量因子为31.4 m3/hm2。

2.2 水资源生态足迹

水资源生态足迹计算模型用下式表示。

式中，EFW表示水资源生态足迹（hm2）；N表示总人口数，efW表示人均水资源生态足迹（hm2/人）；aW表示水资源均衡因子；WW表示人均用水量（m3）；PGW表示全球水资源平均生产能力（m3/hm2）。全球水资源均衡因子根据2008版的国家足迹核算方法提供的内陆水域均衡因子取值，为0.4。

2.3 水资源承载力模型

水资源生态承载力模型的计算公式如下。

式中，E CW表示水资源承载力（hm2）；N表示总人口数；ecW表示人均水资源承载力（hm2/人）；aW表示全球水资源均衡因子；rLW表示地区水资源产量因子；QW表示人均水资源量（m3）；PGW表示全球水资源的平均生产能力（m3/hm2）。

2.4 水资源负载指数计算方法

水资源负载指数通常用于分析研究区域内水资源的开发利用程度，其表示为研究区域内水资源量与人口、GDP决定的水资源需求量的关系，从中可以看出研究区域内水资源的利用现状及其同社会经济发展的关系，另外，还可以看出未来开发水资源的难易程度。水资源负载指数分为5个等级（表2），其计算公式如下。

式中，c为水资源负载指数；P为人口数量（万人）；G为区域内生产总值（万元）；W为水资源总量（万m3）；k为与降水有关的系数，其取值如下。

式中，k为与降水有关的系数；R为年降水量（mm）。

表2 水资源负载指数分级

3 结果与分析

3.1 水资源量统计

3.1.1 水资源总量与降水量 由图1可知，2006—2015年水资源总量呈波动性升高，且增长幅度较大，从7765万m3增长到17556万m3，涨幅为126.09%，其年增长率分别为59.19%，5.62%，12.99%，3.90%，-2.99%，13.61%，3.92%，-1.75%，0.62%。

文献资料显示，沁源县1956—2008年多年平均降水量为660 mm，而2006—2015年平均降水量为440.52mm，最大年为2015年，降水量为463.5mm，最小年为2012年，降水量为429.8 mm，均低于660 mm，可见，沁源县10 a间补给水严重不足，气候干燥，年平均气温高于8.6℃，因此，气候变化对降雨量的影响也极大。经计算可知，丰枯比为103.84%，2006—2015年年降水量变差系数分别为-0.19%，-0.44%，-2.41%，-1.66%，-0.07%，-1.68%，-2.43%，1.31%，2.36%（图 2）。

3.1.2 农业用水量分析 本文所指的用水量是指各用水户获得的水资源量，其中包括输水过程中损失的水资源，统计分类为生活用水量和生产用水量2类，沁源县2006—2015年供水量列于表3。

2006—2015年10 a间沁源县年平均用水总量为21 920.88万m3/a，年变化率分别为-48.03%，6.44% ，33.45% ，33.01% ，88.96% ，3.96% ，-7.19% ，-6.21%，-4.29%，总用水量最小值和最大值分别是900.3万，3 341.58万m3。农村居民年平均生活用水量为307.43万m3，占生活用水总量的14.24%，且农村生活用水量逐年降低并趋于稳定，占总用水量的比例分别为 60.51%，73.34%，72.51%，15.96%，11.54%，4.65%，4.46%，5.28%，5.71%，5.22%。对比农村人口数量分析可知，农村人口数量基本稳定在10万人，没有发生大的变化，而生活用水量在减少，说明生活用水的重复利用能力不断提升。2006—2012年农业生产用水量不断升高，所占总用水量的比例最高达51.20%，尤其是2009年农业用水量突增，从占总用水量的12.89%增加到37.18%，2013年起农业生产用水得以合理管控，呈现下降缓和趋势。

表3 2006—2015年沁源县农业用水量

3.1.3 农业产值分析 2006—2015年农林牧渔业总产值呈现持续增长状态，从2.22亿元增长到4.67亿元，涨幅110.36%，2009年起农林牧渔业总产值增长速度加快，年增长率高达35.37%，而在2008—2009年间出现短暂下降（图3），其原因是由于林业产值减少量高于其他3个产业增长量，但从2009年起年平均农业产值占农林牧渔业生产总值的51.03%，其变化趋势直接影响了总产值的走向（图4），年平均林业产值增长缓慢且占总产值的比例仅有13.6%，而渔业产值基本不变。

3.2 水资源生态足迹

计算2006—2015年沁源县农业用水量和农村生活用水量水资源生态足迹[21-26]，结果列于表4。总用水量生态足迹变化波动较大，2006—2008年总用水量生态足迹短时期减少，自2008起用水量逐年增加，并稳定于500万～530万hm2。农村生活用水量生态足迹总体变化趋势稳定，且变化幅度较小，对总用水量生态足迹的影响较小。2006—2008年农业用水量生态足迹占比分别为60.5%，73.34%，72.5%，可见，农业生产需水量很大，水资源重复利用的能力低下；2008—2015年农业用水生态足迹占总用水量生态足迹的最大年均量为15.67%，最小仅占4.46%，并稳定在25万～29万hm2。可见，随着水资源利用率的提高，即农业用水量不变的情况下农业用水生态足迹逐渐降低。

表4 2006—2015年沁源县水资源生态足迹 万hm2

3.3 水资源承载力与生态赤字（盈余）

2006—2015年水资源承载力大致处于增长趋势[27-30]，由2006年的8.68万hm2增长到2012年的18.96万hm2，后趋于稳定，保持在17万～18万hm2（图5），分析可知，影响其变化的主要因素是年降水量（图6），水资源承载力与年降水量呈现正相关（R2＝0.963 2），即随着降雨量的增加水资源承载力不断上升，反之，水资源承载力不断下降。

对比2006—2015年沁源县农业水资源生态足迹和水资源承载力的变化趋势可知，农业用水生态足迹远小于区域水资源生态承载力，即以农业生产用水角度来说沁源县处于水资源生态盈余状态[31-34]，可以解释为其自然生态系统所提供的水生态容量完全可支撑沁源县农业发展的消费模式。2008年区域生态盈余状态突增，并于2012年达到峰值（图7）。但从总用水量生态足迹的角度分析，沁源县长期处于生态赤字状态，其供水量和需水量之间存在矛盾，究其原因是因为工业生产的不断发展对水资源耗损较大。

3.4 农业水资源负载指数

为了进一步分析沁源县农业水资源利用现状，现对沁源县农业水资源负载指数进行计算。由表5可知，2006—2015年农业水资源负载指数呈现稳定增长的发展趋势，由2.67增长到6.03，涨幅为125.84%。2006—2010年沁源县农业水资源负载指数属于III级，水资源利用程度中等，开发利用潜力较大；2011年起水资源负载指数达到5.13，并持续走高，达到II级标准，水资源利用程度高，即农业用水利用率高，今后水资源的开发利用条件困难。

表5 2006—2015年沁源县水资源负载指数

4 讨论与建议

4.1 讨论

2006—2015年沁源县水资源生态足迹变化明显，充分显示了10 a间水资源使用走向和用水趋势。沁源县是传统的农业生产区，2006—2015年随着降雨量的不断增长水资源承载力持续上升，可见，沁源县气候条件达到优化，生态环境趋于健康的方向发展，充分满足了农业生产所需的用水量；水资源总生态足迹在2006—2012年呈现持续增加的态势，2013—2015年小幅降低，而农业用水生态足迹占比不断降低，但农业生产总值占区域生产总值的比例不断升高，可见，农业用水的可持续利用管理模式发挥了主要作用。此外，沁源县长期处于农业生态盈余状态，并且生态盈余逐年增长，并于2012年达到稳定，表明沁源县农业供水量与农业用水量处于平衡状态，甚至于农业供水量大于用水量。总而言之，沁源县应在保持当前农业用水现状的基础上，进一步加强可持续水资源利用。

4.2 面临的威胁与建议

经计算分析可知，目前沁源县水资源利用呈现生态赤字状况，但农业用水处于生态盈余状态，可见，单方面管控农业生产对水资源总体变化影响较小，应当全面、科学、客观地协调用水和需水之间的矛盾。当下的主要威胁是水资源配置不合理、水资源的开发利用能力较低、水利设施配套不统一等。其表现为沁河源头灌溉模式过于落后，通常为跑漏水严重的大水漫灌或自流灌溉，水资源利用率极低，造成严重浪费。解决这些问题的主要方式就是推进发展节水型农业，提高农业生产水利用率，具体可以通过以下途径进行改善。

第一，因地制宜，充分结合区域地形地貌以及水资源分布情况，以满足作物水量供需关系进行栽种，开发适合沁源区域农业的地面节水灌溉技术。第二，维修过度陈旧的输水渠道，加固硬化输水渠土岸，完善水利设施建设，防止跑水、渗水、漏水，提高渠道灌溉水的利用率，尽最大可能地减少因设备陈旧、老化所造成的水资源耗损，充分发挥灌溉水的高能效。

第三，加快推进农业生产现代化发展进程，大力推广微灌、喷灌节水技术。例如采用喷灌的方式来灌溉沁河上游区域规模化种植的果树林，而在蔬菜园区可实行微灌技术。

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