中国灰水足迹时空格局演变及其脱钩关系研究

林靖雯，翁翎燕，戴毅豪

(1.南京大学金陵学院 城市与土木工程学院，南京 210089； 2.南京农业大学 公共管理学院，南京 210095)

1 研究背景

水资源作为资源环境重要的组成部分，与经济社会发展和人民生活密切相关[1]。当前，我国水资源总量时空分布不均，人均占有量少，与耕地资源和环境生态水需求不相协调。水资源短缺和水污染等问题随着工农业的快速发展和城镇化进程的加快日益突出，因此做好水资源质量评价不仅有利于治理污染地区以及改善生态环境，而且对水资源的开发和利用具有重要意义。传统的水质评价多是通过建立数学模型来对水中污染物的含量进行评价，并未考虑到稀释污染物所需水量的影响[2]。通过水量的角度评价水污染程度，灰水足迹能够直观地反映出水污染和水资源量的关系[3]。

灰水足迹的概念由Hoekstra和Chapagain于2008年首次提出[4]，定义为以自然本底浓度和现有的水质标准为基准，将一定的污染物负荷吸收同化所需的淡水体积[5]。目前，我国关于灰水足迹的研究仍处于初级阶段，已有的研究中主要集中在国家和区域空间尺度，从农业、工业和第三产业3个方面核算灰水足迹，对流域以及省区以下区域的灰水足迹研究较少。如孙才志等[6]测算中国各省区灰水足迹及灰水足迹荷载系数，分析其与水资源量的空间相关性；白天骄等[7]计算中国各省区人均灰水足迹，并探讨其区域差异及驱动因子；曾昭等[8]对北京市灰水足迹进行测算和评价，得出北京市水质恶化的原因是灰水足迹大于水资源量。尽管灰水足迹广泛应用于水环境领域[9-11]，但主要侧重核算与评价方面，缺乏深入研究。本文以中国31个省区为研究对象计算其1998-2016年灰水足迹，采用空间重心模型，对省域层面的灰水足迹时空分布特征及其重心变化趋势进行分析。最后，结合Tapio脱钩指数模型进一步研究中国区域经济发展与灰水足迹的脱钩关系。

2 研究方法与数据来源

2.1 灰水足迹

2.1.1 农业灰水足迹

农业造成的水污染主要属于面源污染，农业面源污染是由农田污水灌溉、化肥和农药的施用等造成的水污染。氮肥是农业污染元素中造成农业水污染的最大污染物，因此选取氮肥作为主要污染物来计算农业灰水足迹。计算公式如下：

(1)

式中：GFagr-grey为农业灰水足迹，m3/a；α为氮肥淋溶率；变量A为氮肥施用量，kg/a；Cnat为受纳水体的自然本底浓度；Cmax为污染物水质标准浓度，kg/m3。

2.1.2 工业灰水足迹

相比于农业灰水足迹，工业废水在处理过程中直接排放进入水体，属于点源污染，故可直接测算污染物的排放量。COD和氨氮在工业排放的污染物中所占比重较大，因此求取两者的最大值作为工业灰水足迹值。计算公式如下：

(2)

(3)

式中：GFind(i)为第i类污染物的工业灰水足迹，m3/a；Lind(i)为工业第i种污染物的排放负荷，kg/a；GFind-grey为工业灰水足迹，m3/a。

2.1.3 生活灰水足迹

生活污水属于点源污染且排放污水中的主要污染物是COD和氨氮，因此生活灰水足迹GFdom-grey的计算同工业灰水足迹。

2.1.4 灰水足迹总量

将农业、工业和生活灰水足迹求和，得到灰水足迹总量，计算公式如下：

TGFgery=GFagr-grey+GFind-gery+GFdom-grey

(4)

2.2 空间重心模型

“重心”在力学上代表一种物体均衡状态的临界点，空间重心的位置及其变化可反映研究对象对区域发展均衡性的作用及影响[12]。本文利用重心模型分析中国灰水足迹的空间变化规律，其基本思路是：假设中国31个省级区域单元处在同一质的平面上[13]，地理坐标选取省会城市作为各省灰水足迹重心所在地，以各省灰水足迹总量作为权重，计算得出1998-2016年中国灰水足迹重心。计算公式如下：

(5)

重心移动距离是重心演变轨迹分析的重要测度指标，公式如下：

(6)

2.3 脱钩指数

脱钩指数用于刻画脱钩程度和方向[14]，是指在某个系统中两个及以上变量之间的响应关系[15-17]。本文利用Tapio模型计算脱钩指数，选取GDP作为衡量经济发展的指标，研究中国经济发展与灰水足迹的脱钩关系，计算公式如下：

t=ΔGF/ΔGDP

(7)

式中：t为GDP对灰水足迹的脱钩弹性系数；ΔGF为灰水足迹增量；ΔGDP为GDP增量。

根据Tapio的脱钩模型，GDP增量与灰水足迹增量之间的关系可以划分为强脱钩、弱脱钩、扩张连接、扩张负脱钩、强负脱钩、弱负脱钩、衰退连接和衰退脱钩8种关系，弹性脱钩指数划分的8种关系标准见表1。

表1 弹性脱钩指数的划分标准Tab.1 The criteria of elastic decoupling indicator

2.4 数据来源

本文选取1998-2016年中国31个省区作为研究区域(不包含香港、澳门和台湾)计算灰水足迹，其中氮肥施用量数据来源于《中国统计年鉴》、《中国农村统计年鉴》和《新中国六十年农业统计资料》；COD和氨氮排放量数据来源于《中国环境统计年鉴》；国民生产总值GDP数据来源于各省区统计年鉴。对于个别缺失的数据，采取相邻年份数据的平均值进行替代。

文中假设受纳水体的自然本底浓度Cnat=0，氮肥淋溶率选取全国平均氮肥淋溶率7%[18]；由于硝酸盐是氮肥造成水污染的主要物质，所以在农业灰水足迹计算中Cmax=0.01 kg/m3。污染物COD和氨氮的排放标准浓度采用《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)中一级排放标准，分别为60和15 mg/L。

3 结果与分析

3.1 中国灰水足迹时空格局演变趋势分析

3.1.1 中国灰水足迹时序变化分析

由图1可知，中国灰水足迹整体呈下降趋势，由1998年的4 055.99×108m3下降至2016年的3 361.57×108m3。19年来，中国灰水足迹的年际变化趋势大致呈现先下降后上升然后再下降的趋势，由1998年的4 055.99×108m3下降至2003年的3 726.44×108m3，随后上升到2006年的3 964.1×108m3，2007年起出现较大幅度下降趋势，到2016年下降至3 361.57×108m3。说明随着经济的快速增长，国家意识到经济与环境的相互协调发展，水污染得到有效的控制。

图1 1998-2016年中国灰水足迹总量变化图Fig.1 The change of gray water footprint in China from 1998 to 2016

从农业、工业和生活灰水足迹上看(图2)，农业灰水足迹占比最大，年平均占灰水足迹总量的42.3%；工业灰水足迹占比最小，年均占灰水足迹总量的21.1%。近19年来，农业灰水足迹和生活灰水足迹呈现小幅波动趋势，工业灰水足迹呈显著下降趋势，其主要原因是国家发展战略的提升，地区产业结构的调整。结果表明，我国工业部门产生的水污染得到有效的治理，但农业和生活部门的水污染仍在不断加重。

图2 1998-2016年中国灰水足迹各类结构变化图Fig.2 The composition and change of grey water footprint in China from 1998 to 2016

3.1.2 中国灰水足迹空间格局变化分析

为进一步分析中国灰水足迹的空间格局演变情况，本文按照三大经济带的划分方式将中国划分为东、中、西部地区，并选取1998、2004、2010和2016年4个代表年的灰水足迹数据，用自然断点法将每个年份的灰水足迹由低到高分为4个等级(图3)。

从整体空间上看，东中部地区的灰水足迹高于西部地区的灰水足迹。从1998和2016年的空间对比可以看出，东部地区中河北灰水足迹等级由四级下降至三级，辽宁灰水足迹等级由三级下降至二级；中西部地区中湖南灰水足迹等级由三级上升至四级，内蒙古、江西、陕西、云南和新疆灰水足迹等级由二级上升至三级，甘肃灰水足迹等级由一级上升至二级，其余省份灰水足迹等级未发生变化。

从不同时间节点上看，中国31个省区灰水足迹等级除个别省区发生变化以外，其余省区基本保持不变。1998-2004年，中西部地区部分省区灰水足迹等级上升，广西和湖南灰水足迹等级由三级上升至四级，吉林、江西、云南和山西灰水足迹等级由二级上升至三级，甘肃灰水足迹等级由一级上升至二级。2004-2010年，中西部地区部分省区灰水足迹等级下降，吉林和江西灰水足迹等级由三级下降至二级，甘肃灰水足迹等级由二级下降至一级。2010-2016年，东部地区部分省区灰水足迹等级下降，中西部地区部分省区灰水足迹等级上升，河北和广西灰水足迹等级由四级下降至三级，辽宁灰水足迹等级由三级下降至二级，江西和新疆灰水足迹等级由二级上升至三级，西部地区中甘肃灰水足迹等级由一级上升至二级。通过上述结果分析可得，受国家发展战略转变的影响及我国环境污染治理政策的落实，我国东、中、西部地区灰水足迹呈现出较强的地区差异性。2000年起，中国开始实行“西部大开发”和“中部崛起”战略，东部地区部分产业向中西部地区转移，中西部地区经济快速发展导致水污染问题日益突出。随后，国家在2006年首次发布《煤炭工业污染物排放标准》(GB 20426-2006)；2007年，中央颁布“一号文件”，提出减少农业面源污染；2011年，中央颁布“十二五”规划纲要，将节能环保作为七大战略性新兴产业之首，并提出四大污染物排放指标。环境污染治理政策的实施是中国灰水足迹下降的主要原因。

图3 1998、2004、2010与2016年中国省际灰水足迹变化图Fig.3 The map of gray water footprint in China in 1998, 2004, 2010 and 2016

3.1.3 中国灰水足迹重心演变分析

根据空间重心模型计算得到1998-2016年中国灰水足迹重心(表2)，并利用ArcGIS10.2软件绘制出灰水足迹重心迁移轨迹(图4)。

表2 灰水足迹重心空间动态迁移轨迹Tab.2 Dynamic migration path of grey water footprint gravity center

图4 1998-2016年灰水足迹重心迁移图Fig.4 Graph of the Migration of grey water of footprint Gravity Center from 1998 to 2016 in China

1998-2016年，中国灰水足迹重心均位于河南省境内，并主要呈“东北-西南”向的移动趋势。19年间，中国灰水足迹重心的移动轨迹可划分为3个阶段：第一个阶段是1998-2003年，灰水足迹重心小幅度向西南方向迁移，迁移了63.06 km；第二个阶段是2003-2010年，灰水足迹重心缓慢向西北迁移了53.07 km；第三个阶段是2010-2016年，灰水足迹重心向西迁移了103.78 km。从纬度上看，1998-2016年灰水足迹重心向南偏移0.58°，实际距离为64.38 km；从经度上看，灰水足迹重心向西偏移1.35°，实际距离为125.04 km。结果表明，中西部地区灰水足迹总量逐渐上升是灰水足迹重心向该方向偏移的主要原因。

3.2 中国经济发展与灰水足迹脱钩指数分析

3.2.1 中国经济发展与灰水足迹脱钩关系总体趋势分析

基于Tapio脱钩模型计算得到1998-2016年中国经济发展与灰水足迹脱钩指数，参照弹性指数划分标准得到两者间的脱钩关系(表3)，进一步说明中国经济发展与水环境之间的协调状况。

表3 1998-2016年中国经济发展与灰水足迹脱钩关系Tab.3 Decoupling relationship between the growth of economic and total grey water footprint in China from 1998 to 2016

由表3中可知，1998-2016年，中国GDP一直处于正向增长，灰水足迹总量在1998，2000，2004，2005，2006和2011年处于正向增长，其余年份处于负向增长。1998年，中国经济发展与灰水足迹呈扩张连接关系，即GDP增长和灰水足迹增长均为正向增长，脱钩指数在(0.8，1.2)范围内。2000，2004，2005，2006和2011年，中国经济发展与灰水足迹呈弱脱钩关系，即GDP增长和灰水足迹增长同为正向增长，脱钩指数在(0，0.8)范围内，表明经济发展与水环境之间趋向于不协调状态。除上述年份外，其余年份两者间的脱钩类型均为强脱钩，即GDP处于正向增长，灰水足迹处于负向增长，表明经济发展与水环境之间趋向于协调状态，这是经济发展与灰水足迹的理想脱钩状态。

3.2.2 中国区域经济发展与灰水足迹脱钩程度分析

为了更加有效地分析中国区域经济发展与灰水足迹脱钩关系的差异，基于上述4个研究年份中国区域经济发展与灰水足迹脱钩关系，对其脱钩指数类型及变化趋势进行时空分析(图5)。

图5 1998，2004，2010与2016年中国省际脱钩指数的空间分异Fig.5 Average decoupling index and spatial differentiation in China in 1998,2004,2010 and 2016

从图5中可以看出，1998-2016年，大部分省区的经济发展与灰水足迹呈强脱钩关系，由1998年的35.5%上升至2016年的87.1%，说明19年来中国区域经济发展与水环境之间的协调性趋向于良好状态。1998年，中国区域经济发展与灰水足迹的脱钩关系从沿海到内陆大致呈现“强脱钩-扩张负脱钩-强脱钩-弱脱钩”的带状分布特征。2004年，中国大部分省区的经济发展与灰水足迹呈弱脱钩关系，由1998年的19.4%上升至2004年的58.1%，从变化趋势表明中国区域经济发展与水环境开始倾向于协调状态。2010年，中国大部分省区的经济发展与灰水足迹呈强脱钩关系，由2004年的32.3%上升至2010年的74.2%，表明中国经济发展与水环境处于初步协调状态。2016年，中国经济发展与灰水足迹呈强脱钩关系的省区数量进一步增加，由2010年的74.2%上升至2016年的87.1%，表明当前经济发展与水环境处于优质协调状态。

在研究期间内，个别省区经济发展与灰水足迹脱钩关系发生显著变化。如辽宁的脱钩关系经历扩张连接到强脱钩再到弱负脱钩的变化趋势，其中由强脱钩变为弱负脱钩的主要原因是辽宁当前面临人口负增长和人口老龄化的问题，2016年的GDP与2015年相比下降2.5%，经济发展与水环境之间不相协调。如新疆的脱钩关系从1998，2004和2010年属于弱脱钩到2016年变为扩张连接，主要原因是新疆的产业结构一直以农业为主，产业用水结构不合理，存在水资源退化问题且问题日益突出。

4 结论与展望

4.1 结 论

本文分析了1998-2016年中国灰水足迹的时空格局演变趋势及与经济发展的脱钩关系，其主要结论有：

1) 中国灰水足迹总体上呈下降趋势，由1998年的4 055.99×108m3下降至2016年的3 361.57×108m3。其中，农业灰水足迹占比最大，年平均占灰水足迹总量的42.3%；工业灰水足迹占比最小，年均占灰水足迹总量的21.1%。从空间格局上看，中国东、中、西部地区的灰水足迹存在较强的地区差异性，且东中部地区的灰水足迹高于西部地区的灰水足迹。

2) 中国灰水足迹重心均位于河南省境内，并主要呈“东北-西南”向的移动趋势。重心在迁移的过程中大致呈现先小幅度向西南再缓慢向西北然后向西迁移的特点，整体迁移了219.91 km。

3) 中国大部分省区的经济发展与灰水足迹呈强脱钩关系，强脱钩的比例由1998年的35.5%上升至2016年的87.1%，表明19年来中国各省区经济发展与水环境之间的协调性趋向于良好状态。1998，2004，2010和2016年，中国31个省区呈强脱钩的比例分别为35.5%，32.3%，74.2%和87.1%。

4.2 展 望

本文对中国灰水足迹时空分布特征及重心变化趋势进行初步分析，并利用脱钩模型进一步说明中国经济发展与水环境的协调状况，为日后制定差别化的区域水污染治理对策提供参考，实现区域的可持续发展。此外，灰水足迹选取单一污染物作为指标进行计算，并没有考虑污染物的综合影响。由于地区发展差异性，灰水足迹计算结果并不能准确反映一个地区水污染状况。因此，灰水足迹指标选取有待进一步研究。