辽宁省水资源生态足迹时空特征及其影响因素分析

朱正如，湛雅琪，曹永强，姜俊超

(辽宁师范大学 地理科学学院，辽宁 大连 116029)

1 研究背景

水资源危机是21世纪影响人类社会生存和发展的严重问题。据相关研究表示，辽宁省水资源总量呈现衰减趋势，人均水资源量仅占全国平均水平的1/3，是我国严重缺水的省份之一。人口数量加速上升，用水需求也随之增大，而水资源分布与经济发展布局不匹配也加剧了水资源供需的不平衡，更加拓宽了经济社会的进步与可持续发展之间的鸿沟[1]。为了加强生态保护，推进水资源的可持续利用，需进一步了解辽宁省的用水状况，采取更加科学的管理规划与相应的措施，提高水资源利用效率。

生态足迹的概念和计算方法源于加拿大学者William E.Rees，1999年我国学者徐中民等[2]首次引入并分析了甘肃省的生态足迹，水资源生态足迹模型也在研究人员对生态足迹理论不断探究与应用中逐渐形成。近年来，许多学者将水资源情况与生态足迹模型结合起来讨论辽宁省的水资源利用状况与水资源可持续潜力，其中，罗娜[3]研究了2002—2010年辽宁省水资源生态足迹和水资源承载力的动态变化，并用自回归滑动平均(ARMA)模型预测了2011—2015年水资源生态足迹时间序列变化；周悦等[4]将水资源账户分为农业、工业和生活用水账户，构建本省适宜的万元GDP水资源生态模型，总结出省内的水资源盈亏现状；刘学军[5]建立了水资源生态压力测度模型，探索辽宁省内水资源生态压力的空间关联度。20世纪80年代初，国外研究人员首次提出指数因素分解法[6-7]，将其应用于工业用电变化趋势及能源利用的变动机理的分析[8]，把单个的目标变量分解成多个影响因素的组合，并分别计算各因素的影响程度。指数因素分解法对于变量不多且涉及时间序列的数据群分解效果良好，已被广泛应用于能源及环境等相关领域，方伟成等[9]采用对数平均迪氏指数法(LMDI)分解模型对东莞市2000—2011年间水资源生态足迹的影响因素进行研究，显示了指数因素分解法对水资源利用效率与其动态变化研究具有显著的指导作用。

本文基于生态足迹模型对辽宁省2010—2019年水资源生态足迹变化进行分析，通过LMDI分解模型对其变化的影响因素分解分析，以期为辽宁省水资源可持续利用与管理提供参考。

2 研究区概况

辽宁省位于我国东北部，整体为温带大陆性季风气候，年降水量为60～1 100 mm；省内面积为14.8万km2，以山地丘陵和平原地貌为主；省内河流水域众多，河流含沙量大且河道平缓；辽宁省处于中国东北农业和工业发展的核心区域，然而省内的人均水资源拥有量却始终低于全国水平，其水资源生态发展的可持续性将直接影响到我国东北部地区经济发展的可持续性和生态环境安全[10]。

3 研究方法与数据来源

3.1 水资源生态足迹分析

区域内的水资源消耗在生态上可以表现为水资源生态足迹[11]，也可以通过多种的水资源消耗账户反映具体情况。据此，结合辽宁省的实际情况，建立农业、工业、生活和生态环境用水四类子账户[12]，计算模型为

WEF=Nwef=Nγw(W/Pw) 。

(1)

式中：WEF为水资源生态足迹(hm2·104)；N表示人口总数(104cap)；wef为人均水资源生态足迹(hm2/cap)；γw为水资源的全球均衡因子；W为人均水资源消耗量；Pw为水资源全球平均生产能力。参考已有研究[13]，确定γw为5.19，Pw为3 140 m3/hm2。

水资源生态承载力[14]表示水资源利用的某一阶段，水资源的最大供给量可供支撑某区域生产、生活和生态的能力[15]，一般在水资源生态承载力的计算中要扣除60%用于维持当地生态环境，保持生态平衡，具体模型为

WEC=Nwec=0.4φγwQ/Pw。

(2)

式中：WEC为水资源生态承载力(hm2·104)；wec为人均水资源生态承载力(hm2/cap)；φ为区域水资源产量因子；Q为水资源总量(m3)。

将区域水资源生态足迹和生态承载力进行比较得出水资源生态盈亏指数[16]，该指数可以客观反映区域水资源供需状况，表达式为

WED=WEC-WEF。

(3)

3.2 基于LMDI模型的水资源生态足迹影响因素分析

拉氏(Laspeyres)指数因素分解法与迪氏(Divisia)指数因素分解法[17]在指数因素分解法中应用较广泛，其中对数平均迪氏指数分解法[18](LMDI)可以有效地解决分解过程中出现的“0”值和残差情况[19]，具体为：

Δeft=eft-ef0=Δefl+ΔefR+ΔefP。

(5)

式中：efit为t年第i类(农业、工业、生活 、生态环境)水资源生态足迹(万hm2)；eft为t年水资源生态足迹(万hm2)；yt为t年的地区生产总值GDP(亿元)；Pt为t年的常住人口数(万人)；ef0为辽宁省2010年(基准年)的水资源生态足迹(万hm2)；ΔefS、ΔefI、ΔefR、ΔefP分别为结构、技术、经济和人口因素[17]引起的水资源生态足迹变化量(万hm2)。

(6)

(7)

(8)

(9)

3.3 数据来源

水资源利用数据参考自2010—2019年《辽宁省水资源公报》[20]，GDP与人口数据来自2011—2019年《辽宁统计年鉴》[21]及2019年《辽宁省国民经济和社会发展统计公报》[22]的相关数据。

4 结果与分析

4.1 人均水资源生态足迹的时空变化分析

2010—2019年辽宁省人均水资源生态足迹如图1所示。辽宁省2010—2015年人均水资源生态足迹呈现较小的浮动，2015年以后呈下降趋势，到2019年的降幅为0.056 hm2。辽宁省内各行政区的人均水资源生态足迹差异较大，朝阳市、葫芦岛市人均水资源生态足迹较小，辽阳市、盘锦市人均水资源生态足迹较高。各行政区的人均水资源生态足迹年际变化主要有3类(图1)：①先平稳后下降型，包括沈阳市和本溪市，两市2010—2015年趋于平稳，2016—2019年显著下降，沈阳市降幅为0.061 hm2，本溪市降幅为0.045 hm2；②基本稳定型，主要是大连市、锦州市和葫芦岛市；③先上升后下降的倒“U”型，包括抚顺市、丹东市、营口市、阜新市、盘锦市；④波动下降型，包括朝阳市、鞍山市、辽阳市、铁岭市，年均下降率分别为2.485%、1.527%、1.293%、1.059%。

图1 辽宁省2010—2019年人均水资源生态足迹

2010—2019年辽宁省人均水资源生态足迹的均值为0.509 hm2/人，与辽宁省相比，6个行政区的资源生态足迹平均值高于全省，分别是：盘锦市1.595 hm2/人，辽阳市0.910 hm2/人，丹东市0.659 hm2/人，沈阳市0.584 hm2/人，营口市0.547 hm2/人，铁岭市0.538 hm2/人。低于平均值的有8个，分别是：朝阳市0.233 hm2/人，葫芦岛市0.245 hm2/人，阜新市0.318 hm2/人，本溪市0.390 hm2/人，大连市0.408 hm2/人，锦州市0.440 hm2/人，鞍山市0.465 hm2/人，抚顺市0.503 hm2/人。据上述分析得出：盘锦市人均源生态足迹年均值为省内最高，而朝阳市最低，两者相差高达6.85倍，其中经济发展水平对人均水资源生态足迹的变化有一定的影响，盘锦市位于辽宁省中部地区，是辽宁省的重要枢纽，也是辽河三角洲中心地带，地区工业发展迅速，用水量随之增长，在辽宁省内人均水资源生态足迹较大；朝阳市位于辽宁西部，以山地丘陵为主，经济发展水平较缓，没有突出产业活动拉动经济增长，地区人均水资源生态足迹较小。

4.2 人均水资源生态足迹的构成变化

图2展示了辽宁省人均水资源生态足迹的构成情况。由图2(a)可知，2010年占比最高的为人均农业用水(65.4%)，其次为人均工业用水(18.2%)；人均生活用水占比13.9%，人均生态环境用水占比最小，为2.5%。图2(b)为2019年辽宁省人均水资源生态足迹的构成情况，与2010年相比，2019年农业用水占比小幅增长，占比为65.9%，生态环境用水占比增长较为突出为4.9%，工业用水和生活用水占比下降为15.0%和13.2%。从构成及其变化情况看，农业用水生态足迹占水资源生态足迹的比例最大，整体占比较稳定，表明辽宁省水资源生态足迹以农业用水为主，并保持多年稳定的态势；工业用水生态足迹占水资源生态足迹的比例仅次于农业用水，并且工业用水生态足迹占比的减小与辽宁省发展绿色经济、优化产业结构的政策不断深入相符；生态环境用水生态足迹占比增大表明辽宁省在加强对生态环境的保护与修复，预测未来的生态用水将持续增加。

图2 辽宁省人均水资源生态足迹构成

2010年，仅本溪市的首要组成账户为人均工业用水占比最高，其他行政区均为人均农业用水占比最高；其中，盘锦市人均农业用水占比为90.3%，铁岭市86.8%，丹东市79.8%；人均工业用水占比相对较高的城市依次为：本溪市(55%)、抚顺市(30.7%)、大连市(30%)；葫芦岛市人均生活用水占比最高，而人均生态用水中沈阳市最高。2019年，辽宁省内包括11个行政区的人均农业用水生态足迹占比降低，阜新市降幅最高为10.9%；12个行政区的人均工业用水占比降低，鞍山市降幅最高为9.9%；相较于上述两项账户，人均生活和生态环境用水虽然占比小，但各市年际间均呈现增加趋势，表明各市在实施产业转型，优化产业结构上取得成效，提高了水资源利用效率，突出了对生态环境的改善。

4.3 人均水资源生态承载力动态变化分析

辽宁省及各行政区2010—2019年人均水资源生态承载力的动态变化如图3所示。由图3可知，辽宁省2010—2019年人均水资源生态承载力年际变化波动大，总体呈下降趋势，2010年最大值为1.23 hm2/人，最小值出现在2014年，为0.071 hm2/人，相差1.159 hm2/人。在辽宁省各行政区内，本溪市和丹东市人均水资源生态承载力较大，其中，2010年丹东市人均水资源生态承载力达到11.311 hm2/人，本溪市5.376 hm2/人；而朝阳市和阜新市的人均水资源生态承载力较小，2014年鞍山市人均水资源生态足迹为最小值0.021 hm2/人，2015年阜新市人均水资源生态足迹为0.020 hm2/人。年际降水量决定了各地的水资源总量，换言之，年降水量的变化对人均水资源生态承载力具有关键的影响作用，因此辽宁省及各行政区的人均水资源生态承载力年际波动也较大。

图3 辽宁省2010—2019年人均水资源生态承载力

2010—2019年辽宁省人均水资源生态承载力的平均值为0.431 hm2/人，其中鞍山市、抚顺市、丹东市、本溪市、铁岭市和辽阳市人均水资源生态承载力平均值高于全省，其余8个行政区均低于全省年平均值。人均水资源生态承载力最大的为丹东市，最小的为朝阳市，差值为3.971 hm2/人，表明辽宁省人均水资源生态承载力呈现明显的地区差异，据水资源相关数据(源于《辽宁省水资源公报》[20])得出辽宁省的水文状况在空间分布上呈现较大差异；丹东市沿海的地理位置与其以山地为主的地貌类型使其降水充沛，水资源状况较好，而其他各市也因不同的自然与人文条件而显示出空间上的大分异，东部的山地地形使逐渐爬升的海洋水汽形成较多降水，总体水量充沛，中部和西部地区居于内陆，其降水量与东部沿海地区相比明显偏低，人均水资源生态承载力呈现由丹东市向中部和西部地区递减的趋势[23]。

4.4 水资源生态盈亏指数

为更好地展示辽宁省水资源生态盈亏分布特征，本文对辽宁省14个地级市2010—2019年平均水资源生态盈亏情况进行空间展布。据图4得出，丹东、铁岭、鞍山、葫芦岛和本溪市的盈亏指数>0，说明水资源处在盈余状态，丹东市盈余较高为3.351 hm2/人，是辽宁省内水资源较为富足的地区，水资源生态状况良好，水资源开发潜力较大；大连、朝阳和铁岭市的盈亏指数与0相近，表明这些地区的水资源补充与消耗相对平衡；沈阳市、抚顺市、辽阳市、鞍山市、营口市、盘锦市的盈亏指数<0，表明这些地市的水资源生态发生赤字，盘锦市最为严重，水资源生态状况较差，承载潜力很小。

图4 辽宁省各行政区多年平均水资源生态盈亏指数

4.5 辽宁省水资源生态足迹影响因素

水资源生态足迹的动态变化受到所种因素的影响，据式(4)—式(9)对辽宁省2010—2019年的水生态足迹影响因素进行分析(2010年为基准年)，结果如图5所示。由图5可知，经济因素和技术因素对水资源生态足迹增长有主要的影响作用；在本次研究年份范围内，经济因素一致为正数，显现了经济因素对水资源生态足迹增长的正向促进作用；而技术因素则与之相反，在研究年限内均呈现为负数状态，显示了技术手段的应用对水资源生态足迹增长的限制作用；对比经济和技术因素，人口和结构因素则更接近于0，表明其对辽宁省水资源生态足迹的影响程度较低。

图5 辽宁省水资源生态足迹影响因素

结构因素整体较稳定，在辽宁省水资源生态足迹的增长过程中影响较小，累积贡献度为-4.38%，产生了极小的抑制作用。随着辽宁省政府推出经济发展新政策，积极的产业转型加之结构性矛盾发生转变，也使得结构效应对水资源生态足迹的影响小幅增长，说明辽宁省采取了产业结构的调整政策，将会在一定程度上显示出结构因素的不断优化对水资源的可持续利用起到重要作用。

技术因素在研究年限中均呈现为负数，说明技术手段的改进已逐步限制水资源生态足迹的增长，在一定程度上提高了水资源的使用效率，对辽宁省水资源的可持续利用与发展起到积极作用。从整体的变化分析，技术因素分解值在2010—2019年呈现逐渐降低的态势，反映出技术因素对水资源生态足迹的动态增长的限制不断提高，表现为辽宁省对污水治理和水资源再利用等方面的技术投入产生了一定的效果。

经济因素是影响水资源生态足迹增长的主导因素，2010—2015年间经济因素整体呈现高速增长模式，2015年达到历年最大值977.51万hm2，年均增长率达到723.4%，其主要原因是辽宁省通过实施振兴东北地区等老工业基地战略，取得了一定的成效，摆脱了经济增长相对衰退的困境，实现了经济的持续高效的增长[24]；2016—2019年呈现波动式回落态势，这对辽宁省水资源生态足迹的减小产生不容忽视的作用。

人口因素对辽宁省的水资源生态足迹的增长产生较小的推动作用，2010—2018年，人口因素呈现下降趋势，到2019年大幅上升，这也与辽宁省的人口增长率之间高度相关，其相关系数为0.92；2010—2018年辽宁省人口增长率为负，所以人口因素也为负，而2019年人口出现正向增长，人口因素则为正。总体来看，人口因素对水资源生态足迹的影响不明显，其对水资源生态足迹的平均贡献率为8.61%，但近年新型人口政策的实施对于人口数量的变化影响较大，因此人口因素带来的生态问题仍需重视。

5 结 论

利用生态足迹模型对辽宁省水资源利用进行分析，显示出辽宁省和各市人均水资源生态足迹总体呈现降低趋势，而多个行政区水资源生态处于不可承载状态；在人均水资源生态足迹构成中，以农业用水为首要组成账户，而本溪市以工业用水为主，生活和生态环境用水则平稳增长。水资源生态足迹的动态变化是以经济因素为主导方向，以技术因素为关键，分别起到促进水资源生态足迹增长和限制水资源生态足迹增长的作用。

辽宁省现阶段水资源短缺程度较严重，为改善水资源生态状况，可以采取有效的科学技术手段，利用多种形式的水资源供给来确保水资源总量的相对稳定；提高政府、企业以及公民自身的节水意识，严格规范污水合理排放与循环利用；从源头调整产业结构，循序渐进，促进水资源优化配置，减少水资源的非必要损耗，实现水资源供需平衡。