喀斯特地区相对水资源承载力时空差异研究

李洋 曾红春

摘 要：采用相对水资源承载力的研究方法，分别以全国和广西区为参照区域，对广西区及其14个市2004-2017年间相对水资源的人口、农业和经济承载力的时空差异进行了研究。结果表明：（1）相对于全国而言，不论水资源总量还是利用量，广西水资源可承载的人口、农业和GDP均始终高于实际的人口、农业和GDP，一直处于富余状态;（2）相对全区而言，各市水资源承载力差异明显，高承载区主要集中于桂北，中等承载区主要集中于桂西，低承载区主要集中于桂中和桂东南。研究结果为广西区水土资源的合理配置及高效利用提供了科学依据。

关键词：水资源;相对资源承载力;时空变异;广西区

中图分类号 TV213.4 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）11-0137-06

Spatio-temporal Variability Analysis of Relative Carrying Capacity of Water Resources in Guangxi

LI Yang   ZENG Hongchun

（Baise University， Baise 533000， China）

Abstract： Taking China and Guangxi autonomous region as reference zones，the relative population carrying capacity of water resources（RPCCWR）， relative agricultural carrying capacity of water resources（RACCWR）and relative economic carrying capacity of water resources（RECCWR）were calculated for the whole Guangxi Autonomous Region and its each region from 2004 to 2017， respectively by using the method of the relative carrying capacity of water resources（RCCWR）. The results showed that： （1）take the whole nation， the RPCCWR， RACCWR and RECCWR were always in surplus from 2004 to 2017 whether gross amount of water resources or utilization amount of water resource; （2）take the Guangxi Autonomous Region as the reference zone，the discrepancy of carrying capacity of water resources（CCWR）between different city was pronounced，and high CCWR wasin the north of Guangxi autonomous region， middle in the west， low in the middle，south and east. This study provides a scientific reference for rational allocation and high efficient use of water and land.

Key words： Water resources; Relative carrying capacity of resources; Spatio-temporal changes; Guangxi Autonomous Region

1 研究背景

中國岩溶地区水资源丰富，由于碳酸岩溶蚀作用强烈发育，形成了以地表地下双层的独特水文地貌结构及功能效益。随着地表石漠化，雨水很快向地下漏失，大大增加了岩溶区的水资源的开发利用难度[1]。同时，随着岩溶区人口持续增长和经济快速发展，对水资源的需求量不断增加，加之过度开发，导致水资源浪费严重等问题日益严峻。此外，岩溶区生态环境非常脆弱，水土流失严重，缺水问题已成为制约喀斯特地区植树造林和农业经济发展的关键因素[2]。因此，对典型的岩溶区相对水资源的时空变化进行研究，促进脆弱岩溶区的人口-农业-经济的协调持续发展具有重要的理论和现实意义。国外于20世纪70年代初就提出了“资源承载力”的概念[3]，主要集中在对土地资源承载力的研究，而对水资源承载力的研究则相对较少，主要研究水资源在灌溉农业中，把农业水资源承载力作为区域发展潜力的标准之一[4-5]。我国新疆水资源软科学课题组于1989年针对西北干旱区的水资源开展了研究。随后，施雅风[6]、许有鹏[7]、朱一中[8]、夏军[9]等一大批学者先后对我国水资源承载力进行了深入研究，主要集中在西北干旱区，而关于喀斯特地区的研究则相对较少。

常用的水资源承载力的研究方法有主成分分析法[10]、模糊综合评判法[11]、系统动力学方法[12]、常规趋势法[5]、多目标决策分析法[13]、人工神经网络[14]、投影寻踪法[15]等。这些方法各有其特点，在分析的过程中都存在一定的局限性，模拟精度难以控制[16]。为此，2000年黄宁生等[17]提出了相对资源承载力的概念。即相对资源承载力是以选择一个或数个参照区作为对比标准，根据参照区的人均资源拥有量和消费量，计算研究区域相对于参照区域的各类资源的相对承载力[18]。该方法已经被广泛应用于区域水资源承载力评价中。曾红春[19]等采用相对水资源的方法对湖南省水资源承载力进行了研究;周亮广[1]和杨奇勇[20]等采用相对水资源承载力的方法对贵州喀斯特地区水资源承载力进行了研究。

广西是典型的岩溶区，水资源总量丰富，不存在资源型缺水问题，但是不同地区之间的水资源状况差别较大。区域性和季节性缺水等水资源问题，在一定程度上限制了区域经济发展[21]。为此，本研究采用相对水资源承载力的方法，选取2个指标（水资源总量和其利用量），以全国与广西区为参照区，分析了广西区及其14个市的人口、农业和经济相对水资源所承载力的动态变化、时空差异及综合承载力，以期为广西区的水土资源的高效利用和合理开发提供科学依据。

2 研究区域概况

广西区位于我国南部沿海地区（104°～112°E，北纬20°～26°N），辖14个地级市。广西是典型的岩溶区，因此本文选取以裸露的属于正地形的岩溶区占全县土地面积的30%以上的区域为岩溶区[22]，其中岩溶土地面积达835万hm2，主要分布在桂西、桂北和桂中（图1）。属于亚热带季风区，年平均气温在17.5～23.5℃，年平均降水量在841.2～3387.5mm，是我国水资源总量最为丰富的地区之一。广西水资源总量丰富，但季节分布极为不均，主要集中在5—9月，易旱易涝，加上地表岩溶发育以及水资源利用工程和调配能力不足，汛期大量洪水无法调控和有效利用，所以局部地区干旱缺水日益严重[21]。地势为西北高、东南低，呈西北向东南倾斜状，形成了以红水河—西江为主干流的横贯中部以及两侧支流的树枝状水系。境内河流众多，分属4大流域和6个水系，河流总长度约4.45万km，河网密度0.188km/km2。根據《2018年统计年鉴》，2017年广西的工业用水量占总用水量的比例仅为16.14%，农业用水量达68.69%，表明广西在农业方面的水资源总量需求大，但农业发展缓慢，未来仍需提高农业水资源的利用率。

3 研究方法及数据来源

3.1 相对水资源承载力 分别以全国和广西区为参照区，参考前人研究，广西区人口、农业和经济相对水资源承载力的计算公式如下[19]：

[Cr=I·Qw1] （1）

[I=Q0/Qw0] （2）

式中：Cr为研究区相对水资源承载力;I为水资源承载指数;Qw1为研究区的水资源量;Qw0为参照区的水资源利用量和水资源总量;Q0为参照区的人口数、农业播种面积和GDP。

通过人口、农业和GDP的相对水资源承载力（Cr）与其实际量（P）进行对比，得出研究区相对于参照区的水资源承载状态，分为3种类型：（1）P-Cr>0，为超载状态;（2）P-Cr=0，为临界状态;（3）P-Cr<0，为富余状态。

3.2 数据来源及处理 本研究采用的数据来源于2003—2018年的《中国水资源公报》《广西水资源公报》《中国统计年鉴》《广西统计年鉴》。利用Excel软件对相对水资源承载力进行核算，采用Origin 8.1和ArcGIS10.0绘制折线图和空间分布图。

4 结果与分析

4.1 水资源承载力动态变化 以全国为参照区，分别将 2004—2017年全国和广西的水资源利用量、水资源总量、GDP、人口数、农业播种面积的相关数据分别代入公式（1）和（2），得出2004—2017年广西区水资源承载力动态变化图（见图2）。从图2可以看出，近14年广西水资源的人口、农业和GDP承载力动态变化明显。水资源总量的人口和农业承载力呈现波动性的同步略有增长趋势，而GDP呈“J”字型增长态势，说明广西人口和农业水资源承载潜力有限，而经济仍具有相对较大的发展潜力。水资源利用的人口和农业承载力变化趋势相同且略有下降，而GDP呈线性增长趋势，表明广西人口和农业的水资源利用率一直较低，而GDP的水资源利用率不断增加。实际人口数和农业播种面积处于相对平稳状态，而GDP呈线性增长，说明近年来广西经济得到了一定程度的发展，农业发展仍然滞后。

广西区实际人口数呈现逐年增长的趋势（图2a），其中2007年人口达到最高，为5599.65×104人，2004年处于最低，仅4889×104人;从利用量相对水资源的人口承载力曲线来看，总体较稳定，略有下降的趋势，其中承载力最高在2017年，为7262.29×104人，最低在2005年，为6503.91×104人;从相对水资源总量人口承载力来看，变化曲线呈现波动性增长趋势，其中，以2007年的人口承载力最低，为7251.75×104人，2015年的水资源总量人口承载力最高，达11970.27×104人。广西区实际播种面积总体呈平稳态势（图2b），2004—2007年平稳增长，2008年出现相对较大的下降，此后又平稳增长，最高（2007年）达649.76×104hm2，最低在2008年，为563.67×104hm2。水资源利用量的农业承载力也呈平稳态势，且略有减少，最高在2005年，为863.59×104hm2，最低在2017年，为778.23×104hm2。水资源总量的农业承载力呈波动性增长趋势，其中以2007年的农业承载力最低，为842.37×104hm2，2015年的水资源总量农业承载力最高，达1447.96×104hm2。广西区实际GDP、利用量GDP承载力和总量GDP承载力均处于持续增长趋势（图2c），实际GDP增长17079.57×108 元，利用量GDP承载力增加30318.74×108元，总量GDP承载力增加58218.13×108元。

4.2 水资源承载力状态 从图2a可知，实际人口一直位于水资源利用量人口承载力和水资源总量承载力人口数之下，表明不论是水资源总量还是利用量，人口承载力均处在富余状态，且水资源开发利用的潜力较大。实际播种面积一直位于水资源利用量农业播种面积承载力和水资源总量农业播种面积承载力之下（图2b），意味着农业的利用量承载力和总量承载力均处于富余状态，因此广西区的农业发展缓慢，具有较大的开发利用潜力。实际GDP始终位于水资源利用量GDP承载力和总量GDP承载力两者之下（图2c），表明近年来广西经济得到了一定程度的发展，但相对于全国而言，仍然处于较低发展水平，具有较大的开发潜力。广西区2017年的实际GDP接近2004年的6倍，说明广西区近10多年来的经济得以较快发展。从利用量水资源GDP承载力变化曲线来看，所能承载的GDP高于实际GDP，从8380.66×108 元（2004年）增加到38699.39×108元（2017年），富余量逐年增加，说明广西水资源利用效率不断增加，但相对于全国而言广西区发展水平较低且滞后。从水资源总量GDP承载力来看，由2004年的10631.28×108 元增长到2017年的68849.41×108 元，可承载的GDP接近实际GDP的7倍，处于相当于富余状态，说明相对于全国而言广西区水资源开发利用程度低，在今后的经济发展中水资源开发潜力较大。

4.3 水资源承载力空间变异 以广西区为参照区域，对各地级市水资源承载力空间差异进行研究。将2004—2017年各市人口数、农业播种面积、水资源总量、水资源利用量、GDP带入上述公式（1）和（2），计算可得出广西区14个市平均水资源总量和利用量人口承载力、农业承载力和GDP承载力，与其实际的进行对比分析，将广西各市的水资源承载力的评价结果划分为高承载区、中等承载区和低承载区（见表1），利用ArcGIS10.0绘制广西区人口、农业、GDP和综合承载力空间分布图（图3d），直观地体现了广西水资源承载力的空间变异特征。高承载区主要分布于广西东部及东北部的喀斯特峰林谷地，中等承载力主要分布于广西西北部的喀斯特峰丛洼地，低承载力主要分布于广西中部及东南部的非喀斯特地区平原。

通过对广西区2004—2017年各市相对水资源人口承载力（图3a）分析，结果表明，各市的人口差异比较明显，南宁人口最多，达702.44×104人;防城港人口数量最少，仅为88.18×104人。南宁、玉林以及贵港等中南部地区水资源总量和利用量的人口承载力超载强度较大，其原因可能是这些地区属于广西区中部、东南部等发达地区，人口稠密，用水量逐年上升，水资源开发利用程度较高，水资源开发潜力十分有限，未来这些地区必须严格控制人口规模，降低人口导致的水资源壓力。桂林、河池以及柳州等西南、西北地区水资源总量人口承载力富余量较大，而水资源利用量人口承载力富余量不高，有些甚至超载（如河池），表明这些地区水资源总量较丰富，且水资源难以利用，具有较大的开发潜力。

图3b为广西区各市水资源相对农业承载力空间分布图。各市农业分布差异明显，南宁播种面积最大，为90.22×104hm2，防城港播种面积最小，仅为11.77×104hm2。南宁、崇左、钦州等地区相对水资源总量和利用量农业承载力超载强度较大，由于这些地区位于中南部地区地势较为平坦，农业发展条件好，农业发达，经济水平较高，水资源开发利用程度较高，但仍然难以承受农业不断持续发展的需水要求。未来应适当调整产业结构，发展节水农业，同时注重北部湾地区的农业产业转移，发展一些低耗水行业。河池、百色等西北地区水资源利用量农业承载力严重超载，可能是因为这些地区为峰丛洼地，水资源总量相对较丰富，但喀斯特石漠化分布广泛，石头多，耕地少且土层薄，土壤贫瘠，降水很快转入地下河管道排走，加之交通不便，水资源开发利用难度大，农业发展速度较慢，所以今后的重点是因地制宜修建水利工程设施，增加水资源可利用量，重点发展旅游业和地方特色农业，但同时必须注重喀斯特生态环境保护。桂林、柳州以及贺州等东南部地区的水资源总量和利用量农业承载力富余较大，由于这些地区为丘陵平原地区，土层相对较厚，水资源总量丰富，且开发程度较高，桂林旅游业发达而柳州工业发达，未来农业具有较大的开发潜力。

图3c为广西区2004—2017年各市水资源相对经济承载力分布图。广西区实际GDP平原河谷地区较高，南宁最高，其他山区GDP比较低。南宁市和玉林等地区水资源总量和利用量GDP超载强度较大，这是因为这些地区经济发达，实际GDP已经超过了当地水资源承载力，水资源承载潜力低，未来应注重产业转移，发展一些中低耗水行业，否则可能会成为制约社会经济发展的重要瓶颈。河池和百色等地区水资源总量GDP承载力富余较大，这是广西的贫困地区，降水丰富，但开发利用程度低，加之交通不便，水资源相对于其GDP仍有很大的发展空间。桂林、贺州等地区水资源总量和利用量GDP承载力均富余较大，由于这些地区位于南部丘陵平原地区，水资源总量丰富，且开发利用程度较高，未来应充分发挥水资源支撑力较高的优势，在重点发展旅游业的同时，适当扩大一些高耗水行业，但同时必须注重生态环境保护。

5 讨论

广西区年平均降水量的区域分布与水资源总量的区域分布密切相关（图4a），这就是降雨量比较丰富的地区水资源总量大的重要原因。如2007年和2011年降水少，其水资源总量也较少，因此相应的人口和农业水资源承载力也处于较低的水平（图2a，b）。受亚热带季风的影响，广西区降水量年际变化量很大，年平均降水量在1268.8～1894mm，最大年份降水量是最小年降水量的1.42倍。因此，水资源总量差异也非常明显，最大年份水资源总量是最小年份降水量约2倍，表明不同年份降水的明显差异性会导致其相应的水资源承载力存在明显的差异性。

广西区年平均降雨量存在明显的区域差异（图4b），具有从东南到西北减少的趋势，其中降雨低值区主要集中在桂西、桂中的岩溶石山区。究其原因是北回归线贯穿石山区，终年受大陆干燥的东北信风控制，且远离沿海。与桂西、桂中的岩溶区相比，桂北岩溶区的降雨量较为丰富，为降雨高值区，这是由于岩溶区降雨量均受海洋季风影响，但各地区的地形不同，也会导致降雨量存在明显差异，所以桂北岩溶区的水资源高承载区。由于桂东南距离海洋近，地势相对平坦，受海陆季风影响，降雨量最大，却成了水资源的低承载区。究其原因是因为该地区北部湾经济发展带，经济发展迅速，人口密度大，农业发达，水资源已经难以承受不断增长的需水要求。

6 结论

本研究采用相对承载对广西区的相对承载力的时空变异进行研究，以全国为参照区，得出广西区14年间水资源人口、农业和GDP相对水资源承载力的变化趋势;以广西区为参照区，对广西区各市的相对水资源承载力进行了承载状态以及水资源承载力综合评价。主要得出以下结论：

（1）以全国为参照区，从水资源利用量和总量承载力来看，广西区水资源承载的人口、GDP以及农业均始终处于富余状态。

（2）广西水资源承载力区域差异明显，高承载区主要集中在桂北的岩溶峰林平原地区，中等承载力主要分布于桂西的岩溶峰丛洼地地区，低承载力主要分布于桂中及桂东南丘陵区。从水资源利用量承载力来说，三重超载的城市包括南宁、钦州和崇左;人口和农业双重超载，GDP富余的城市有百色和河池;人口和GDP双重超载，农业富余的城市有玉林和梧州;人口、农业双重富余，GDP超载的城市包括柳州、防城港和北海;农业和GDP双重富余，人口超载的是贵港;三重富余的城市有桂林、贺州和来宾。

（3）从水资源承载潜力看，人口、农业双重富余，GDP超载的城市是柳州和梧州;人口和GDP双重富余，农业超载的城市是来宾和崇左，人口、农业和GDP处于三重富余状态的城市有桂林、河池、贺州、百色和防城港;处于三重超载的城市有南宁、钦州、北海、玉林和贵港。

参考文献

[1]周亮广，梁虹.喀斯特地区相对水资源承载力研究——以贵州省为例[J].资源科学，2006，28（2）：22-27.

[2]蒋忠诚，罗为群，童立强，等.21世纪西南岩溶石漠化演变特点及影响因素[J].中国岩溶，2016（5）：461-468.

[3]张林波，李文华，刘孝富，等.承载力理论的起源、发展与展望[J].生态学报，2009，29（2）：878-888.

[4]Harris J M.Carrying capacity in agriculture：Globe and regional issue[J].Ecological Economics，1999，129（3）：443-461.

[5]HADDADIN M J. Water issues in Hashemite jordon[J].Arab Studies Quarterly，2000，22（2）：63-77.

[6]施雅凤，曲耀光.乌鲁木齐河流域水资源承载力及其合理利用[M].北京：科学出版社，1992.

[7]许有鹏.干旱区水资源承载能力综合评价研究[J].自然资源学报，1993，8（3）：229-237.

[8]朱一中，夏军.关于水资源承载力理论与方法的研究[J].地理科学进展，2002，21（2）：180-188.

[9]夏軍，张永勇，王中根，等.城市化地区水资源承载力研究[J].水利学报，2006，37（12）：1482-1488.

[10]李燕，张兴奇.基于主成分分析的长江经济带水资源承载力评价[J].水土保持通报，2017，37（4）：172-178.

[11]段新光，栾芳芳.基于模糊综合评判的新疆水资源承载力评价[J].中国人口资源与环境，2014，24（3）：119-122.

[12]朱玲燕.基于系统动力学的典型喀斯特地区水资源承载力评价研究[D].重庆：重庆师范大学，2016.

[13]徐中民，程国栋.运用多目标决策分析技术研究黑河流域中游水资源承载力[J].兰州大学学报（自然科学版），2000，36（2）：121-132.

[14]郑长统，梁虹.基于人工神经网络的喀斯特地区水资源承载力综合评价——以贵州省为例[J].中国岩溶，2010，29（2）：170-175.

[15]姜秋香，付强，王子龙.三江平原水资源承载力评价及区域差异[J].农业工程学报，2011，27（9）：184-190.

[16]周杨慧，朱红梅，李兰，等.湖南省相对资源承载力与可持续发展[J].湖南农业大学学报（社会科学版），2008（5）：65-68.

[17]黄宁生，匡耀求.广东相对资源承载力与可持续发展问题[J].经济地理，2000（2）：52-56.

[18]张奎.北京市2003—2012年相对资源承载力分析[J].全国商情：理论研究，2013（40）：4-6.

[19]曾红春，杨奇勇，李文军，等.湖南省相对水资源承载力时空变化分析[J].水资源与水工程学报，2018，29（3）：69-74，79.

[20]Yang Q，Zhang F，Jiang Z，et al. Assessment of water resource carrying capacity in karst area of Southwest China[J].Environmental Earth Sciences，2016，75（1）：1-8.

[21]邓晓军，杨琳，吴春玲，等.广西水资源与社会经济发展协调度评价[J].中国农村水利水电，2013（3）：14-17.

[22]莫鼎新，秦长文，黄毅.广西石山地区自然条件和社会概况[J].广西科学院学报，1989（S1）：1-44.

基金项目：广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2020KY19018）;百色学院校级自然科研项目（2019KN09）。

作者简介：李洋（1990—），女，河南西平人，硕士，助教，研究方向：土壤地理学。  收稿日期：2022-01-27