1、第 卷 第 期 年 月水 资 源 与 水 工 程 学 报 ，收稿日期：；修回日期：基金项目：宁夏自然科学基金项目（）；宁夏高等学校一流学科（水利工程学科）项目（）；宁夏重点研发计划项目（）作者简介：刘子西（），女，宁夏银川人，博士研究生，研究方向为旱区水资源评价。通讯作者：唐 莲（），女，宁夏银川人，博士，教授，硕士生导师，研究方向为旱区水资源调控理论及技术。：宁夏沿黄城市带碳水足迹及其关联关系研究刘子西，席 睿，黑正军，路 畅，唐 莲，（宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川；宁夏大学 旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏 银川；西北土地退化与生态恢复省部共建国家重点实验室培
2、育基地，宁夏 银川 ）摘 要：减碳、节水是黄河流域可持续发展面临的重要问题。从水资源生态及碳足迹角度出发，将区域水碳关系进行耦合研究，有助于揭示水资源质量与碳排放之间的关系，为宁夏沿黄城市带实现生态环境保护可持续均衡发展提供指导。基于水资源生态足迹与碳足迹理论，从时空分布差异、水碳关联性特征入手，计算并分析了 年宁夏沿黄城市带 个中心城市的碳足迹、水资源生态足迹及其时空变化趋势。结果表明：区域内已经形成了以吴忠市银川市为重心的碳排放和水生态压力区，且与经济高度发展区域有空间重合，但不同地区由于产业结构及资源条件的不同，碳排放与水资源的关联性差异明显，其中水质生态足迹与碳足迹之间的关联性更显著，
3、呈现出水、碳、环境、产业等发展的区域不均衡性。关键词：水资源生态足迹；碳足迹；水碳关联性；时空特征；宁夏沿黄城市带中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，；，：；研究背景水资源短缺问题是社会发展的关键限制性因素之一，随着国家“碳达峰、碳中和”目标和“黄河流域生态保护和高质量发展先行区建设”的提出，减少碳排放已经成为与水资源节约同等重要的环境问题，从水资源角度入手，探索水资源短缺、水质污染与碳排放问题之间的关系是目前研究的重点。近几年国内外学者逐渐从水资源角度出发解决碳排放问题和生态问题，将碳足迹的研究与水资源问题进行耦合对不同地区的碳水足迹进行评价，寻找碳排放与水资源的内在关
4、联性及相互关系，以期同步解决区域水碳问题。目前对碳足迹与水足迹的综合分析主要包括碳水关联程度、碳水足迹空间分异情况以及二者之间相互影响等方面。国外学者 等利用生命周期法计算了意大利小麦生产的碳足迹与水足迹，明确了二者具有一定内在关联性，共同关注可提高小麦生产的可持续性；等通过分析碳水足迹相关性，发现通过降低碳足迹或水足迹强度均可实现环境改善的目的。国内学者近几年也开展了碳水关联性的研究。杨文娟等从不同产业角度出发，通过对河南省不同产业的碳水足迹进行分析，指出了产业之间碳水足迹的差异性和影响因素；贾利对吉林省玉米生产中的碳足迹与水足迹的时空关系进行了研究，并通过皮尔逊相关系数法计算玉米生产过程中
5、碳足迹与水足迹的相关性，分析了不同地区间两者关系的差异性。相关研究表明，不论是工业还是农业生产，碳水足迹之间均存在一定的联系，从节水减碳综合治理角度出发，关注二者的相互联系有助于全面实现生态环境改善。在“双碳”目标下进行碳排放控制过程中，水资源是重要的影响因素，通过调节水资源使用能够对碳足迹产生明显的影响，“节水优先”“清洁水能”“生态水利”等水利策略将有效推进节能减排目标的实现。在此背景下，有效评估碳水关系及其相互影响能够为碳水资源可持续开发利用提供决策依据。目前国内的研究大多以碳足迹与水足迹之间的关系为主，对于水资源生态足迹与碳足迹之间关系的关注较少，而水资源生态足迹通过量化水资源的消耗量
6、，将水资源消费转化为水域面积进行计算，不仅覆盖了地表水和地下水资源部分，同时从各产业用水、土地面积、人口和降水量等角度综合分析，将水资源的使用量转化为维持人们正常的生产生活、水资源消费以及消纳水污染所必须的生态生产性面积，由此可见水资源生态足迹对水资源的评价较为全面且更加注重水资源的作用，朱向梅等以黄河流域为研究对象，对碳足迹和水资源生态足迹的广度和深度进行关联度分析，将碳水关系分析实践拓展到了水资源及生态领域，取得了较好的效果。因此，本文以宁夏沿黄城市带为研究区，从碳水关联的角度出发在量化碳及水资源生态足迹的基础上，进一步分析碳足迹与水资源生态足迹的内在关联性和影响因素差异，明确宁夏沿黄城市
7、带不同区域发展过程中水、碳、生态之间的相互关系，为区域节水、碳减排、经济社会与生态环境保护平衡发展提供依据。研究区概况宁夏沿黄城市带位于宁夏回族自治区北部，是宁夏回族自治区为促进区域经济发展打造的一体化经济城市带，区域以银川市为中心，以石嘴山市、吴忠市和中卫市 个地级市为主干而组成。宁夏沿黄城市带因覆盖宁夏全省内整个黄河流域而得名，是宁夏地区的政治、经济和社会发展的重点区域，也是西部经济发展的重要区域和主要交通枢纽之一。本文以宁夏沿黄城市带银川市、石嘴山市、吴忠市和中卫市的重点区域为研究区域，分析各城市碳足迹和水资源生态足迹特征及两者的时空关联性。研究区范围如图 所示。数据来源与研究方法 数据
8、来源本研究中碳足迹模型所需要的能源消费量、不同地区降水量、不同类型土地面积以及经济社会发展状况等相关数据来自 年中国城市统计年鉴银川统计年鉴石嘴山市统计年鉴吴忠市统计年鉴中卫市统计年鉴宁夏统计年鉴等，部分年鉴中缺失数据来自各个地区统计局，另外水资源生态足迹模型中各领域用水数据来源于宁夏水资源公报及各个地市水务局。研究方法 碳足迹计算目前较为被认可的碳足迹理论有 种：投入产出法、生命周期法、（水 资 源 与 水 工 程 学 报 年 ）计算法和生态足迹法，其中生态足迹法是在生态足迹基础上发展而来的，该方法能够对区域间能源的消耗、碳排放的强度和生态空间的占用情况进行合理的解释和说明，对于反映区域间实
9、际碳足迹和碳排放具有较好的意义。图 研究区示意图本文的碳排放计算是参考生态足迹碳排放计算方法，将碳足迹排放转化为所占用的生态土地面积：在化石能源燃烧过程中会排放大量的，因此通过收集研究区内的各种能源消耗量，乘以对应的标准煤转化系数和碳排放系数即可从宏观上得到区域内的碳排放量。最后用净生态系统生产量量化为生态生产性土地面积，通过植被对碳的净吸收能力与能源消耗碳排放相转化，得到各个区域内的碳足迹（即区域内植被对碳吸收能力）。（）碳排放计算模型（）（）式中：为碳排放量，；为第 种能源消费量，；为第 种能源折算为标准煤参考系数；为各类能源对应的 排放系数，本文根据大部分学者的研究及本研究区实际情况，选
10、取原煤、焦炭、原油、燃料油、汽油、煤油、柴油、液化石油气和天然气共 种主要能源作为研究对象，各类能源系数取值均来自 碳排放计算给定值，如表 所示。表 主要能源类折算系数能源种类标准煤折算系数 排放系数 原煤 焦炭 原油 燃料油 汽油 煤油 柴油 液化石油汽 天然气 注：表中焦炭、原油、燃料油、汽油、煤油、柴油和液化石油汽的标准煤折算系数单位为 ；天然气的标准煤折算系数单位为 。（）碳汇计算模型 （）式中：为森林和草地的碳吸收量，；、分别为林地、草地、耕地的面积，；、分别为林地、草地、耕地的碳吸收系数，根据 等的研究，取 、，表征耕地的固碳能力，参考朱向梅等计算的黄河流域省份耕地固碳系数，取 。
11、（）碳足迹、碳生态承载力及碳生态盈余（赤字）计算模型根据碳排放和碳汇值可计算得到碳足迹强度、碳生态承载力以及碳生态盈亏情况。碳足迹计算公式如下：|（）式中：为碳足迹，；、则表示研究区内森林、草地、耕地所对应的碳吸收比例值，本文参考朱向梅等和谢鸿宇等的相关研究，分别取、。水资源生态足迹模型传统的生态足迹在水资源领域的内涵存在一定的缺失，因此为了弥补 等建立的生态足迹模型中水资源账户在经济社会发展和生态环境保护中的缺失，国内学者范晓秋在传统研究提出的生态足迹基础上进行了创新，将扩展后的水资源账户引入到生态足迹中，完善了水资源部分的生态足迹，被国内外学者广泛认可和使用。本文将水资源生态足迹划分为水量
12、生态足迹和水质生态足迹分别进行计算，水量生态足迹可以直接反映人类在从事生产消费生活中的水资源消耗第 期 刘子西，等：宁夏沿黄城市带碳水足迹及其关联关系研究量，水质生态足迹则更多是为了反映在稀释污水时用作生态的水资源消耗情况。水资源生态足迹模型计算公式如下：（）式中：为水资源生态足迹，；为水量生态足迹，；为水质生态足迹，。（）水量生态足迹计算模型 水水|（）式中：为水量生态足迹，；为区域人口数；为研究区域内的水资源类型数；为第类水资源类型的人均水资源生态足迹，；水为全球水资源均衡因子，参照黄林楠等和世界自然基金会（，）的计算结果，取值为 水 ；为第 类水资源的人均消耗量，；水为国家水资源平均生产
13、能力，本文根据全球多年统计数据得出全球产水模数取值为 。（）水质生态足迹模型水质生态足迹主要反映研究区域内主要水体污染物的排放情况并将其量化为消耗的水资源量后转化成生产性土地面积。目前在已有的水质生态足迹的研究中，学者们大多选择化学需氧量（）和氨氮（）作为主要的污染源进行计算，同时根据宁夏水资源公报 可知，和是研究区内主要的污染源，因此本文在计算水质生态足迹时选用 和 污染物作为量化对象。水体在稀释污染物时可以同时稀释多种污染物，因此本文选取的水质生态足迹计算公式如下：，|（）式中：为水质生态足迹，；、分别为 和的排放量，；和分别为单位水域对污染物 和 的吸纳能力，参考地表水质量环境标准（），
14、取 、。宁夏沿黄城市带碳足迹与水资源生态足迹时空特征分析 碳足迹时空特征分析根据碳足迹模型计算得到 年宁夏沿黄城市带 个城市的碳足迹如图 所示。由图 可知，宁夏沿黄城市带 市中，中卫市始终为碳足迹最小的城市，其他 市的碳足迹则发生了显著的变化，其中银川市增幅明显，石嘴山市则逐步减小，吴忠市呈现缓慢波动增大趋势。从经济方面来看，宁东能源化工基地属于银川市行政区划，其多年来的迅速发展使得能源碳足迹排放强度增幅明显，而石嘴山市碳足迹的减小则与老煤炭工业基地的萎缩息息相关。年各市的碳足迹略有减小，但 年各市的碳足迹又发生了小幅度的回弹，短期看有可能是“碳达峰”政策的初步响应。从碳足 迹 数 值 上 看
15、，年 石 嘴 山 市 碳 足 迹 为 ，约为银川市碳足迹的 倍，随着时间推移，银川市碳足迹明显增大，而石嘴山市则呈减小趋势，至 年，银川市碳足迹达到 ，是石嘴山市碳足迹的 倍、吴忠市碳足迹的 倍，而石嘴山市、吴忠市、中卫市之间碳足迹的差异性逐渐缩小。图 年宁夏沿黄城市带 个城市的碳足迹 水资源生态足迹时空特征分析根据模型计算结果可知，年研究区各市水资源生态足迹发生了明显的变化，故本文选择、及 年 个重点年份计算数据进行空间分类，分析研究区水资源的空间变化趋势。水量生态足迹 个重点年份各市水量生态足迹计算结果及构成变化如图 所示。由图 可以看出，宁夏沿黄城市带各市的水量生态足迹呈现先减小后增大的
16、趋势。水量生态足迹排放重心随着时间的推移逐渐从银川市转向吴忠市，即整体重心向东南方向偏移。石嘴山市水量生态足迹在研究时段内一直处于最低水平，年石嘴山市的水量生态足迹为 ，中卫市的水量生态足迹为 ，之后中卫市的水量生态足迹处于较明显的波动上升的趋势，至 年明显大于石嘴山市水量生态足迹；银川市 年水足迹为 ，之后年份水量生态足迹虽有所波动但相比于 年均明显减小；吴忠市 年水 水 资 源 与 水 工 程 学 报 年量生态足迹为 ，随后水量生态足迹处于波动上升的状态，年为波动的转折点。生产用水足迹在水量生态足迹中占比最大，其中吴忠市生产用水足迹占总水量生态足迹的比例最大，达到左右，银川市生产用水足迹占总水量生态足迹的比例最小，平均约为。生产用水足迹包括农业、工业以及服务业用水，而吴忠市作为 座城市中面积最大的城市，农业生产用水量较大，随着近几年经济的快速发展，服务业用水量也逐年上升；银川市作为省会城市，各个领域用水相比其他城市更加均衡，因此生产用水所占比例最小。生态用水代表区域范围内维持各类生态系统正常运转的水资源量，这部分水资源不作为社会和经济发展所用，仅用于区域间生态平衡，从区域水量生态足
