黄河沿线省区水资源生态足迹时空特征分析

左其亭 ，姜 龙，冯亚坤，刁艺璇

（1.郑州大学 水利科学与工程学院，郑州 450001；2.郑州大学 黄河生态保护与区域协调 发展研究院，郑州 450001；3.郑州市水资源与水环境重点实验室，郑州 450001）

0 引 言

水资源是人类社会发展进步不可或缺的重要资源。从古至今，人们傍水而居，人类社会文明依靠水系不断发展进步。然而，随着经济社会的发展，人类对水资源的利用强度不断增强，水资源对区域高质量发展的制约作用日益增加。黄河是中华民族的母亲河，为了加强生态保护，保障黄河长治久安，推进水资源节约集约利用，推动黄河流域高质量发展，保护、传承、弘扬黄河文化，让黄河真正地成为造福人民的幸福河[1]，必须了解黄河沿线用水状况。

生态足迹（Ecological Footprint，EF）由加拿大生态学家William Rees 于20 世纪90 年代首次提出，旨在衡量区域内人口为了满足自身需求所消耗的自然资本来评估对生态系统的影响[2]。1999 年，徐中民等[3]将生态足迹模型引入我国，并对甘肃省的生态足迹进行计算和评估。生态足迹模型因其能够较好地解释人类活动对地球环境的影响，具有较强的可操作性和可比较性[4]，在我国得到了很大程度的发展。陈敏等[5]和金昌盛等[6]利用生态足迹模型分别对我国和长江经济带的水资源生态足迹进行了分析；杨屹等[7]利用生态足迹模型和基尼系数对关中城市群的自然资本和人造资本的分配格局及其优劣多寡进行了评价；陶倩君等[8]利用相关分析法对广东省水资源生态足迹的影响因子进行了分析；张洺也等[9]利用泰尔指数对延边州水资源生态承载力空间差异性进行了评价。然而，利用生态足迹模型对黄河沿线水资源利用状况进行分析研究还很少。

基于上述背景，本文利用生态足迹模型对黄河沿线九省区的水资源利用状况进行评价，分析各省区的水资源生态足迹，并利用基尼系数分析水资源生态足迹与GDP、人口、水资源总量和耕地面积的公平性，最后基于对数平均迪氏指数法（Logarithmic Mean Divisia Index，LMDI）分析影响水资源生态足迹的因素，以期为黄河流域生态保护和高质量发展提供基础依据。

1 研究区概况

黄河全长约5 464 km，自西向东流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南及山东九省区，最后注入渤海。黄河沿线省区的总面积约为348.32×104km2，地势从西向东逐渐降低，高差悬殊，黄河上游地势较高，以高原山地为主；中下游地势较为平坦，以平原丘陵为主。

如图1 所示，黄河沿线九省区的经济社会发展状况差异较大，并且由于自然条件的限制，黄河沿线水资源分布极不均匀。山东、河南、四川的经济发展较快，2018 年3 省的GDP 占黄河沿线九省区GDP 的69.25%。而四川、青海、内蒙古的水资源较为丰富，2018 年3 省的水资源总量占黄河沿线九省区水资源总量的75.85%。黄河沿线省区是我国重要的农业灌溉区和工业区，在我国的经济建设中占有重要地位，但是，由于人类活动的影响，水资源已经成为制约该地区经济发展的重要因素之一。

图1 黄河沿线2018 年水资源和GDP 空间分布图 Fig.1 Spatial distribution of water resources and GDP along the Yellow River in 2018

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文相关数据来源于2006—2018 年黄河沿线各省区水资源公报及相关统计年鉴。

2.2 水资源生态足迹模型

水资源生态足迹是指人类生活生产及自然环境维持自身进化所消耗的水资源。根据用水特性和水资源生态足迹的定义，可以将水资源生态足迹分为3 部分，生产用水生态足迹、生活用水生态足迹和生态用水生态足迹，计算式为[10]：

式中：EF 为水资源生态足迹（hm2）；EFi为第i 项水资源生态足迹（hm2）；N 为人口数（万人）；efi为第i 项人均水资源生态足迹（hm2/人）；γ 为水资源全球均衡因子；Wi为第i 项水资源人均消耗量（m3）；P为水资源全球平均产量（m3/hm2）。

万元GDP 水资源生态足迹用于衡量水资源的利用效率，其数值与水资源利用效率成反比，计算式[4]为：

式中：EGt为t 年的万元GDP 生态足迹（hm2）；EFt为t 年水资源生态足迹（hm2）；yt为t 年地区生产总值GDP（万元）。

水资源生态承载力反映了区域水资源对生态和经济社会系统良性发展的支撑能力，计算式[10]为：

式中：EC 为水资源生态承载能力（hm2）；ec 为人均水资源生态承载能力（hm2/人）；φ为水资源产量因子；Q 为区域人均水资源总量（m3）。地区水资源开发需预留60%用于维护生态环境[7]，因此参数α 为0.6。

生态盈亏指数用来衡量地区水资源供需平衡状况，计算式[6]为：

式中：EB 为水资源生态盈亏指数（hm2）；EB 大于0表明该地区水资源生态处于可承载状态；EB 等于0表明该地区水资源处于生态平衡状态；EB 小于0 表明该地区水资源生态处于不可承载状态。

2.3 水资源生态足迹公平性计算

水资源研究涉及水资源-经济社会-生态等多个领域，本文选择GDP、人口、水资源总量和耕地面积4个评价指标，利用基尼系数对水资源生态足迹的公平性进行评价。

基尼系数是由意大利经济学家基尼提出，最初被用来衡量居民收入分配差异状况，基尼系数计算数值在0～1 之间，其分级原则如表1[11]所示。

表1 基尼系数评价结果 Table 1 Gini coefficient evaluation results

将上述分级原则运用到黄河沿线水资源生态足迹公平性分析，计算水资源生态足迹与GDP、人口、水资源总量和耕地面积4 个评价指标的公平程度。本文采用梯形面积对基尼系数进行计算，计算式为[12]：

式中：Xi、Xi-1分别为按照水资源生态足迹与评价指标的比值升序排序后第i、i-1 位省区的水资源生态足迹公平性评价指标要素占整个研究区域的累积百分比；Yi、Yi-1分别为排序第i、i-1 位省区的水资源生态足迹占整个研究区域生态足迹的累积百分比，当i=0时，（Xi-1,Yi-1）=（0,0）。

为了能够更好地分析水资源生态足迹和GDP、人口、水资源总量和耕地面积之间的公平性关系，本文通过计算各省区水资源生态足迹占黄河沿线九省区水资源生态足迹的比率和上述4 项评价指标比率的比值，描述各省区对水资源生态足迹的不公平性的贡献率，计算式[13]为：

式中：efit为t 年i 省区人均水资源生态足迹；eft为t年黄河沿线九省区人均水资源生态足迹；Xit为t 年i省区的评价指标；Xt为t 年黄河沿线九省区评价指标总值。若计算结果大于1，代表该地区的水资源生态足迹与评价指标的公平性相对较差，若计算结果小于1，代表该地区的水资源生态足迹与评价指标的公平性相对较好。

2.4 基于LMDI 水资源生态足迹影响因素

目前，常用的指数分解方法有LMDI、拉氏指数[14-15]和迪氏指数法[16-17]。与拉氏指数和迪氏指数法相比，LMDI 法能够解决分解计算过程中的零值和残差问题[18]，因此本文采用LMDI 对水资源生态足迹变化的驱动因素进行分解，具体模型为[18]：

式中： efit为t 年第i 类人均水资源生态足迹（hm2/人）；eft为t 年人均水资源生态足迹（hm2/人）；yt为t 年地区生产总值GDP（亿元）；pt为t 年的常住人口数（万人）；ef0为2006 年人均水资源生态足迹（hm2/人）；ΔefS、ΔefI、ΔefR、ΔefP分别表示结构因素、技术因素、经济因素和人口因素引起的人均水资源生态足迹的变化量（hm2/人）。态足迹占总水资源生态足迹的比重，代表的是水资源生态足迹的结构效应；it为t 年单位GDP 水资源生态足迹，代表水资源生态足迹的技术效应；γt为t 年人均GDP，代表的是水资源生态足迹的经济效应；pt代表水资源生态足迹的人口效应。若计算结果大于0，代表该要素对水资源生态足迹有促进作用，反之有抑制作用。

2.5 模型中相关参数的确定

本文计算模型所需的参数主要为水资源全球均衡因子γ、水资源产量因子φ和全球水资源平均生产能力P。根据黄林楠等[10]的研究，取水资源全球均衡因子为5.19，全球水资源平均生产能力为3 140 m3/hm2，青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东省的水资源产量因子分别为0.28、1.76、0.22、0.06、0.14、0.68、0.29、0.78、0.7。

3 结果与分析

3.1 黄河沿线各省区水资源生态足迹

3.1.1 人均水资源生态足迹

根据式（1）计算的黄河沿线九省区2006—2018年人均水资源生态足迹如图2 所示。由图2 可知，黄河沿线九省区人均水资源生态足迹存在较大的差异，四川、陕西、山西、河南、山东人均水资源生态足迹较小，而青海、甘肃、宁夏、内蒙古人均水资源生态足迹较大，其中宁夏年际之间的人均水资源生态足迹大于1.5 hm2/人。2006—2018 年，四川、陕西、山西的人均水资源生态足迹呈增加趋势，其中，四川的人均水资源生态足迹多年平均变化率达到1.52%；而青海、甘肃、宁夏、河南和山东人均水资源生态足迹呈现减少趋势，其中，2018 年青海人均水资源生态足迹较2006 年减少0.23 hm2/人，宁夏减少0.54 hm2/人；内蒙古人均水资源生态足迹年际之间处于较为稳定的状态。

图3 表示了黄河沿线九省区的人均水资源生态足迹构成。由图3 可知，人均生产用水足迹在人均水资源生态足迹中比重较大，其在各省区每年占比均超过70%。2006—2018 年之间，人均生产用水足迹均呈减少趋势；人均生活用水足迹除内蒙古呈先增加后减少再增加趋势外，其余省区均呈增加趋势；相较于上述2 项水资源生态足迹，人均生态用水足迹虽然占比较小，但随着人民对生态环境重要性认识的提高，黄河沿线各省区人均生态用水足迹年际间均呈现增加趋势。 技术要素不断提高有关。宁夏万元GDP 水资源生态足迹一直处于较大值，但其2018 年万元GDP 水资源生态足迹较2006 年下降1.51 hm2，变化幅度位于九省区前列。山东省万元GDP 水资源生态足迹最小，说明山东省用水效益和水资源利用率最高。

图2 黄河沿线2006—2018 年人均水资源生态足迹Fig.2 Ecological footprint of per capita water resources along the Yellow River in 2006—2018

图3 黄河沿线水资源生态足迹组成 Fig.3 Composition of ecological footprint of water resources along the Yellow River

图4 黄河沿线2006—2018 年万元GDP 水资源生态足迹 Fig.4 Water resource ecological footprint of ten thousand yuan GDP in 2006—2018 along the Yellow River

3.1.3 水资源生态承载力

根据式（3）计算的黄河沿线九省区2006—2018年人均水资源生态承载力如图5 所示。由图5 可知，

3.1.2 万元GDP 水资源生态足迹

根据式（2）计算的黄河沿线九省区2006—2018年万元GDP 水资源生态足迹如图4 所示。由图4 可知，黄河沿线九省区万元GDP 水资源生态足迹均呈递减的趋势，可能与各省区产业结构不断优化及产业黄河沿线各省区人均水资源生态承载力表现出巨大的区域差异，四川和青海人均水资源生态承载力较大，其中，四川人均水资源生态承载力在2012 年达到4.17 hm2/人；而宁夏人均水资源生态承载力最小，不超过0.01 hm2/人。人均水资源生态承载力由水资源总量决定，受降水等多重因素的影响年际波动较大。

图5 2006—2018 年黄河沿线人均水资源生态承载力Fig.5 Ecological carrying capacity of per capita water resources along the Yellow River in 2006—2018

3.1.4 水资源生态盈亏状况

根据式（4）计算的黄河沿线九省区2006—2018年水资源生态盈亏指数如图6 所示。由图6 可知，四川和青海水资源生态盈亏指数大于0，表明其水资源生态处于可承载状态；陕西水资源生态盈亏指数约为0，表明该地区水资源生态处于相对平衡状态；甘肃、内蒙古、宁夏、山西、河南和山东水资源生态指数小于0，表明其水资源处于生态赤字状态，其中宁夏水资源生态处于严重不可承载状态。

图6 黄河沿线多年平均生态盈亏状态 Fig.6 Annual average ecological profit and loss along the Yellow River

3.2 黄河沿线水资源生态足迹公平性评价

根据式（5）和式（6）计算的黄河沿线九省区2006—2018 年GDP、人口、水资源总量、耕地面积的基尼系数和WUDC 系数结果见表2 和表3。

水资源生态足迹—GDP 的基尼系数常年大于0.5，表明水资源生态足迹和GDP 处于高度不平均状态。宁夏、青海、甘肃和内蒙古的WUDC 系数多年平均值均大于1，表明该四省区水资源生态足迹—GDP 处于不协调状态。2006—2018 年，水资源生态足迹—GDP 的基尼系数有减少趋势，表明随着西部大开发以及中原崛起战略的实施，区域的协调性不断增强，水资源生态足迹和GDP 之间的匹配性不断向好发展。水资源生态足迹—人口也一直处于0.5 以上，可能与西北高原地区人口较少但水资源生态足迹较大有关。虽然随着西部大开发战略的实施，西北地区的人口有所增长，人口和水资源生态足迹匹配趋于平衡，但是水资源消费能力还未进行合理的调配，二者之间的差异仍然很大。

表2 黄河沿线水资源生态足迹基尼系数 Table 2 Gini coefficient of ecological footprint of water resources along the Yellow River

水资源生态足迹—水资源总量的基尼系数在研究期间处于0.5 以上，水资源空间分布和水资源生态足迹处于高度不平均状态。宁夏的水资源总量在黄河沿线省区最少但其水资源生态足迹较高，且其水资源总量的WUDC 系数多年平均值大于100，表明宁夏水资源生态足迹和水资源总量处于高度不协调状态。同样，水资源生态足迹—耕地面积的基尼系数处于0.5以上，但是相对于其他3 项，耕地面积的基尼系数数值较小且呈减少趋势，表明随着近年农业灌溉先进技术的推广，黄河沿线省区的耕地面积和水资源生态足迹差异逐渐减少。

表3 黄河沿线各评价指标WUDC 系数多年平均值 Table 3 Annual average value of WUDC coefficient of each evaluation index along the Yellow River

3.3 黄河沿线水资源生态足迹影响因素

根据式（7）—式（12）对黄河沿线九省区2006—2018 年的水生态足迹影响因素进行结构性分析，结果如图7 所示。由图7 可知，黄河沿线九省区的经济效应和技术效应对人均水资源生态足迹起至关重要的作用。黄河沿线九省区的技术效应均小于0，表明先进技术手段的应用对人均水资源足迹的增长起到抑制的作用。除此之外，黄河沿线九省区的技术效应在2006—2018 年表现为反向增加的趋势，表明近年来国家采取的节水等先进技术对人均水资源足迹的抑制作用逐渐增强。然而，黄河沿线九省区的经济效应均大于0，表明经济效应对黄河沿线九省区人均水资源生态足迹的增长起促进作用。各省区的经济效应在2006—2018 年期间一直表现为增加的趋势，原因可能与黄河沿线是我国重要的农业和工业区、经济发展较为落后、水资源消耗量较大有关，因此，黄河沿线省区必须继续大力推进节水产业和技术，推进水资源节约集约利用。

黄河沿线省区的人口效应和结构效应在年际间对人均水资源生态足迹作用不明显，但在空间上表现出很大的差异性，其中，四川和甘肃人口效应对人均水资源生态足迹表现为抑制作用，而其他省区表现为促进作用；山东、内蒙古、甘肃、河南和青海结构效应对人均水资源生态足迹表现为抑制作用，而其他省区表现为促进作用。

图7 黄河沿线水资源生态足迹驱动因子 Fig.7 Ecological footprint driving factors of water resources along the Yellow River

4 结 论

1）利用生态足迹模型对黄河沿线水资源生态足迹分析表明，四川、陕西、山西、河南、山东的人均水资源生态足迹较小，而青海、甘肃、宁夏、内蒙古人均水资源生态足迹较大，但各省区万元GDP 水资源生态足迹逐年降低。同时，黄河沿线大多数省区水资源生态处于不可承载状态，其中宁夏水资源生态赤字状况尤为严重。

2）利用基尼系数对水资源生态足迹与GDP、人口、水资源总量和耕地面积的公平性评价表明，水资源生态足迹与选取评价指标的基尼系数均大于0.5，表明黄河沿线水资源生态足迹与评价指标均处于高度不平均状态，其中宁夏、青海、甘肃和内蒙古地区是造成水资源生态足迹与评价指标不协调的主要原因。

3）利用LMDI 对影响水资源生态足迹的因素分析表明，经济和技术效应对黄河沿线各省区水资源生态足迹有着重要影响，其中经济效应对各省区水资源生态足迹起促进作用，而技术效应则起抑制作用。人口和结构效应在各省区的作用效果不尽相同，其中，结构效应在山东、内蒙古、甘肃、河南和青海表现为抑制作用，而人口效应仅在四川和甘肃表现为抑制作用，在其他省区均表现为促进作用。

4）黄河沿线各省区的用水状况近年来虽然有所改善，但大多数省区水资源生态仍处于不可承载的状态。为了能够更好地加强黄河沿线生态保护和高质量发展，各省区尤其西北地区，必须调整产业结构，尽快把黄河打造成造福人民的幸福河。