基于生態(tài)足跡改進(jìn)模型的葉爾羌河平原綠洲生態(tài)安全評(píng)價(jià)

張雪琪,滿蘇爾·沙比提,馬國(guó)飛

(新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830054)

生態(tài)安全指自然生態(tài)安全、社會(huì)生態(tài)安全、經(jīng)濟(jì)生態(tài)安全在內(nèi)的復(fù)合人工生態(tài)安全系統(tǒng),包括人的生活、健康、必要資源、基本權(quán)利、社會(huì)秩序等方面不受或少受威脅的狀態(tài)(IIASA,1989)[1-2]。生態(tài)安全已上升到國(guó)家安全層面,成為社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展的重要內(nèi)容[2]。開(kāi)展生態(tài)安全評(píng)價(jià)工作可以更清楚地了解國(guó)家或地區(qū)的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及生態(tài)壓力,更好地揭示人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系[3]。國(guó)外生態(tài)安全研究工作已由注重環(huán)境變化與安全之間的經(jīng)驗(yàn)性、綜合性研究轉(zhuǎn)為更注重兩者之間的內(nèi)在關(guān)系,強(qiáng)調(diào)生態(tài)環(huán)境壓力與生態(tài)安全之間是相互共存的[3-4]。目前生態(tài)安全評(píng)價(jià)方法包括數(shù)學(xué)模型、生態(tài)模型、景觀生態(tài)模型和數(shù)字地面模型等。國(guó)內(nèi)研究更偏向采用數(shù)學(xué)模型,即通過(guò)選擇評(píng)價(jià)因子、構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、確定權(quán)重等步驟綜合評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)安全,其中權(quán)重賦值尤為關(guān)鍵?？陀^賦權(quán)法不受主觀因素影響，但有時(shí)結(jié)果與實(shí)際情況相差較大,難以解釋；而主觀賦權(quán)法雖能更好地反映區(qū)域?qū)嶋H狀況，但難免存在主觀隨意性[5]。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注生態(tài)模型,即通過(guò)把人類消費(fèi)的資源量折算成各類生態(tài)生產(chǎn)性土地面積,并將其與生態(tài)系統(tǒng)能提供的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積進(jìn)行比較,判斷區(qū)域生產(chǎn)消費(fèi)模式是否處于可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài),從而衡量區(qū)域生態(tài)安全狀況[6]。生態(tài)模型極大地簡(jiǎn)化了自然資本的核算,迅速成為評(píng)價(jià)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展及生態(tài)安全的熱點(diǎn)方法[7]。

張志強(qiáng)等[8-9]詳細(xì)介紹了生態(tài)足跡模型的概念和計(jì)算過(guò)程,并核算了1999年我國(guó)西北12省(區(qū)、市)的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力。隨著學(xué)者研究的不斷深入,生態(tài)足跡模型在不斷改進(jìn)。時(shí)間上從研究靜止年份的生態(tài)足跡[9]到劉宇輝等[10]研究我國(guó)1961—2001年生態(tài)足跡動(dòng)態(tài)變化;空間上從研究全國(guó)生態(tài)足跡[10]到浙江省[11]、西北地區(qū)[9]、寧夏回族自治區(qū)[12]、鹽池縣[13]、艾比湖[14]等區(qū)域生態(tài)足跡。但這些研究在選擇均衡因子和產(chǎn)量因子時(shí)多直接采用世界自然基金會(huì)報(bào)告[15]或WACKERNAGEL等[16]的相關(guān)結(jié)果,再以全球平均生產(chǎn)力水平為折算標(biāo)準(zhǔn),未能真實(shí)反映區(qū)域?qū)嶋H生態(tài)負(fù)荷狀況。以往對(duì)平原綠洲區(qū)的研究多集中在氣候變化[17]、水資源配置[18-19]等方面,有關(guān)生態(tài)安全方面的研究較少?；诖?筆者參照盧小麗[20]對(duì)生態(tài)足跡模型的改進(jìn)方法,選擇“國(guó)家公頃”為計(jì)量單位,結(jié)合葉爾羌河平原綠洲生物量狀況、支付意愿修訂均衡因子和產(chǎn)量因子,較真實(shí)地核算研究區(qū)生態(tài)足跡和生態(tài)承載力,并通過(guò)比較生態(tài)供需間關(guān)系,判定區(qū)域生產(chǎn)消費(fèi)模式,同時(shí)借助生態(tài)壓力指數(shù),定量評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)安全狀態(tài),以及運(yùn)用GM(1,1)模型預(yù)測(cè)其變化趨勢(shì),以期為維護(hù)葉爾羌河平原綠洲區(qū)域生態(tài)安全提供合理建議。

1 研究區(qū)概況

葉爾羌河流域南倚喀喇昆侖山,北迄天山南麓,與阿克蘇地區(qū)毗鄰,東靠塔克拉瑪干沙漠,西接布古里托乎拉克沙漠,與喀什噶爾河相鄰,流域面積約為10.81×104km2[18],流域內(nèi)主要包括葉爾羌河、提孜那甫河、烏魯克河和克柯亞河。葉爾羌河流量最大,流程最長(zhǎng),且是塔里木河源流之一,全長(zhǎng)1 097 km,屬于典型的冰雪補(bǔ)給型內(nèi)陸河,水資源年內(nèi)分配極不均勻,4—10月來(lái)水量約占全年徑流量的85.80%[17]。葉爾羌河平原綠洲位于流域中下游,包括莎車、葉城、巴楚、麥蓋提和澤普5縣,2015年葉爾羌河平原綠洲區(qū)人口約為葉爾羌河流域總?cè)丝诘?8.24%。劇烈的人為活動(dòng)使區(qū)域土地利用/覆被發(fā)生了明顯變化,綠洲外圍荒漠區(qū)地下水位不斷下降,荒漠區(qū)面積不斷擴(kuò)大。2016年研究區(qū)未利用土地面積占總面積的74.74%,成為區(qū)域景觀面積最大、連通程度最高的地類。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

研究區(qū)人口數(shù)、人均年消費(fèi)量(生物資源和能源資源)和GDP數(shù)據(jù)來(lái)自1990—2017年《喀什地區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》,全國(guó)相應(yīng)消費(fèi)項(xiàng)目的平均產(chǎn)量數(shù)據(jù)采用劉智慧[21]的計(jì)算結(jié)果。該研究中生物資源消費(fèi)項(xiàng)目包括稻谷、玉米、小麥、棉花、蔬菜、瓜果、蘋(píng)果、梨、葡萄、豬肉、牛肉、羊肉、禽肉和水產(chǎn)品,能源消費(fèi)項(xiàng)目包括原煤、焦炭、原油、燃料油、汽油、煤油、柴油、天然氣和電力,分別隸屬耕地、林地、草地、水域、化石能源用地和建設(shè)用地。考慮研究區(qū)實(shí)際情況并參照謝鴻宇等[22]研究結(jié)果,確定研究區(qū)86%的牛肉產(chǎn)自耕地,14%產(chǎn)自草地;57%的羊肉產(chǎn)自耕地,43%產(chǎn)自草地。耕地、林地、草地、水域、未利用土地和建設(shè)用地6類生態(tài)生產(chǎn)性土地面積來(lái)自遙感影像解譯數(shù)據(jù),影像成像時(shí)間分別為1991、2005和2016年8—9月(每期共5景,條代號(hào)/行編號(hào)分別為147/32、147/33、148/32、148/33、148/34),云量均小于10%。經(jīng)實(shí)地考察、相關(guān)圖件驗(yàn)證,Kappa系數(shù)達(dá)0.80,解譯結(jié)果符合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況。遙感影像解譯過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[23]。

2.2 研究方法

2.2.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值核算

參照謝高地等[24]研究結(jié)果,并結(jié)合研究區(qū)特點(diǎn),得到耕地、林地、草地、水域、未利用土地和建設(shè)用地6類生態(tài)生產(chǎn)性土地的價(jià)值當(dāng)量因子。價(jià)值當(dāng)量因子指不同生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生生態(tài)服務(wù)的相對(duì)貢獻(xiàn)的潛在能力,定義為1 hm2全國(guó)平均產(chǎn)量的農(nóng)田每年自然糧食產(chǎn)量的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[25]。基于基礎(chǔ)價(jià)值當(dāng)量因子表[24],并根據(jù)研究區(qū)生物量狀況和支付意愿系數(shù)調(diào)整,得到研究區(qū)1 hm2平均產(chǎn)量農(nóng)田的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,即研究區(qū)的價(jià)值當(dāng)量因子。謝高地等[25]研究結(jié)果表明,1個(gè)價(jià)值當(dāng)量因子的經(jīng)濟(jì)價(jià)值等于平均1 hm2農(nóng)田糧食產(chǎn)量市場(chǎng)價(jià)值的1/7,可將價(jià)值當(dāng)量因子表轉(zhuǎn)換為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)單價(jià)表,即單位面積生態(tài)生產(chǎn)性土地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。通過(guò)查詢研究區(qū)近10 a 1 hm2農(nóng)田平均糧食產(chǎn)量和市場(chǎng)平均收購(gòu)價(jià)格,計(jì)算得到各類土地單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值(表1)。計(jì)算過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[23]。

表1各類生態(tài)生產(chǎn)性土地單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值

Table1Ecosystemservicevalueofdifferenttypesoflanduseinunitarea

元·hm-2·a-1

2.2.2生態(tài)足跡模型的構(gòu)建

生態(tài)足跡指支持一定人口消費(fèi)所需的資源及吸納這些人口消費(fèi)時(shí)產(chǎn)生的廢棄物共需的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積[11,20],計(jì)算公式為

(1)

式(1)中,EF為生態(tài)足跡(EF),hm2;N為人口數(shù);ef為人均生態(tài)足跡(ef),hm2;aai為人均第i種消費(fèi)項(xiàng)目占用的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積,hm2;rj為第j類生態(tài)生產(chǎn)性土地的均衡因子;ci為第i種消費(fèi)項(xiàng)目的人均年消費(fèi)量,kg;pi為我國(guó)第i種消費(fèi)項(xiàng)目的平均生產(chǎn)力,kg·hm-2。生態(tài)足跡生態(tài)生產(chǎn)性土地包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和化石能源用地6種。化石能源用地的生態(tài)足跡以國(guó)家平均能源足跡為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行核算,不再乘以均衡因子。

生態(tài)承載力即生態(tài)系統(tǒng)的承載能力,指在不危害生態(tài)系統(tǒng)的前提下,一個(gè)地區(qū)能為人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)提供的最大資源消費(fèi)量和廢物吸納率[12],計(jì)算公式為

EC=N×ec=N×Aj×rj×yj。

(2)

式(2)中,EC為生態(tài)承載力(EC),hm2;N為人口數(shù);ec為人均生態(tài)承載力(ec),hm2;Aj為人均第j類生態(tài)生產(chǎn)性土地面積,hm2;rj為第j類生態(tài)生產(chǎn)性土地的均衡因子;yj為第j類生態(tài)生產(chǎn)性土地的產(chǎn)量因子。由于未利用土地也具有良好的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,且研究區(qū)超過(guò)76%區(qū)域?yàn)槲蠢猛恋?因此改進(jìn)的生態(tài)足跡模型在計(jì)算生態(tài)承載力時(shí)加入未利用土地,一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型未考慮未利用土地造成生態(tài)供給不足的缺陷[20]。生態(tài)承載力生態(tài)生產(chǎn)性土地包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6種。

均衡因子在傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型中為全球第j類土地生產(chǎn)能力除以全球所有地類生產(chǎn)力,僅考慮生態(tài)系統(tǒng)的食物和原材料生產(chǎn),忽視了生態(tài)系統(tǒng)的其他功能。因此改進(jìn)的生態(tài)足跡模型選用各類土地價(jià)值當(dāng)量因子總和代表均衡因子。該研究中建設(shè)用地總價(jià)值當(dāng)量因子為1991—2016年新增建設(shè)用地占各地類的比例與相應(yīng)地類價(jià)值當(dāng)量因子乘積的累和(1991—2016年新增建設(shè)用地占各地類的比例來(lái)自同期土地利用轉(zhuǎn)移矩陣結(jié)果)。根據(jù)1991、2005和2016年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算得到耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地均衡因子分別為3.34、15.20、5.04、123.39、6.42和1.10。

產(chǎn)量因子在傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型中為區(qū)域第j類生態(tài)生產(chǎn)性土地的平均生產(chǎn)力與全球第j類生態(tài)生產(chǎn)性土地的平均生產(chǎn)力之比。改進(jìn)模型的產(chǎn)量因子等于研究區(qū)某類生態(tài)生產(chǎn)性土地的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值除以全國(guó)該類生態(tài)生產(chǎn)性土地的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值。通過(guò)2006—2016年《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》得到全國(guó)近10 a糧食單產(chǎn)為5 100 kg·hm-2,平均收購(gòu)價(jià)格為2.64元·kg-1,結(jié)合謝高地等[24]研究結(jié)果,核算出全國(guó)耕地、林地、草地、水體和未利用土地單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值分別為7 712.96、29 274.60、9 751.79、241 602.04和2 115.77 元·hm-2。建設(shè)用地產(chǎn)量因子為1991—2016年新增建設(shè)用地占各地類比例與相應(yīng)地類產(chǎn)量因子乘積的累和。由改進(jìn)模型的產(chǎn)量因子計(jì)算公式[20]得到耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地產(chǎn)量因子分別為0.91、1.09、1.09、1.08、1.05和1.09。

2.2.3生態(tài)安全評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)

生態(tài)赤字/盈余的計(jì)算公式為

ED/ES=EF-EC。

(3)

式(3)中,ED為生態(tài)赤字(ED),hm2;ES為生態(tài)盈余(ES),hm2。若EF>EC,則為生態(tài)赤字,表明區(qū)域人類負(fù)荷超過(guò)生態(tài)承載力,消費(fèi)和生產(chǎn)模式處于不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài),反之,處于可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)[13]。

萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡即區(qū)域生態(tài)足跡與萬(wàn)元GDP的比值,反映了區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源利用效率之間的關(guān)系[13,21],計(jì)算公式為

f=EF/GDP。

(4)

式(4)中,f為萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡,hm2·萬(wàn)元-1;GDP為區(qū)域生產(chǎn)總值(GDP),萬(wàn)元。f值越大,表明每萬(wàn)元GDP需要的生態(tài)足跡越大,即區(qū)域資源利用效率越低。

生態(tài)壓力指數(shù)用區(qū)域可更新資源的生態(tài)足跡與生態(tài)承載力的比值表示,反映了一個(gè)地區(qū)生態(tài)環(huán)境的承壓程度[26],計(jì)算公式為

ETI=EF′/EC。

(5)

式(5)中,ETI為生態(tài)壓力指數(shù)(ETI);EF′為可更新資源(生物資源)的生態(tài)足跡,hm2。生態(tài)安全等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

采用GM(1,1)模型進(jìn)行生態(tài)安全預(yù)測(cè),該模型是灰色預(yù)測(cè)模型中廣泛應(yīng)用的一種預(yù)測(cè)方法,可通過(guò)一定方式將無(wú)序的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為較有規(guī)律的新數(shù)據(jù),利用新數(shù)據(jù)構(gòu)建模型進(jìn)行預(yù)測(cè),被廣泛應(yīng)用于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)等領(lǐng)域[27]。建模采用DPS 9.01軟件。以1991—2016年EF和EC計(jì)算結(jié)果為原始數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)1～3次殘差序列建模,選擇誤差較小的模型進(jìn)行預(yù)測(cè),得到區(qū)域生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的GM(1,1)模型,計(jì)算公式分別為

EF(t+1)=1 685.64×e0.36×t-1 373.07,

(6)

EC(t+1)=-44 997.07×e-0.05×t+47 206.59。

(7)

生態(tài)足跡GM(1,1)預(yù)測(cè)模型均方差比為0.058 1,小誤差概率為1.000 0,生態(tài)承載力GM(1,1)預(yù)測(cè)模型均方差比為0.062 9,小誤差概率為1.000 0,模型精度均很好。2個(gè)模型發(fā)展系數(shù)均小于0.3,因此構(gòu)建的模型可以進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)測(cè)[27]。

表2生態(tài)安全劃分標(biāo)準(zhǔn)

Table2Theclassificationofecologicalsecurity

等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)表征狀態(tài)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)表征狀態(tài) 1ETI<0.50很安全41.002.00極不安全

ETI為生態(tài)壓力指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)足跡供需變化分析

3.1.1供需趨勢(shì)分析

圖1為1991—2016年葉爾羌河平原綠洲土地利用情況,表3為生態(tài)足跡模型計(jì)算結(jié)果。

由表3可知,1991—2016年研究區(qū)生態(tài)足跡不斷增長(zhǎng),由1991年的3 125.75×103hm2增大到2016年15 201.33×103hm2,凈增長(zhǎng)12 075.58×103hm2,年均增長(zhǎng)率達(dá)15.45%。生物資源EF由3 032.62×103hm2增加到14 486.87×103hm2,年增長(zhǎng)率為15.11%,其中草地EF增長(zhǎng)幅度最大,為8 102.18×103hm2,占生物資源EF增長(zhǎng)幅度的70.74%,占總EF增幅的67.10%。這表明研究時(shí)段內(nèi)當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)生物資源的需求在不斷增加,尤其對(duì)高營(yíng)養(yǎng)、高能量的動(dòng)物產(chǎn)品需求更大。若能依靠科學(xué)技術(shù)提高單位面積草地生產(chǎn)力或通過(guò)進(jìn)口肉食品減小對(duì)草地的需求,可在一定程度上降低研究區(qū)生態(tài)足跡。能源資源EF也由93.13×103hm2增加到714.46×103hm2,但增幅僅為生物資源EF增幅的5.43%,這表明研究區(qū)人口對(duì)生物資源的消費(fèi)遠(yuǎn)超過(guò)能源資源。能源資源消費(fèi)中化石能源用地消費(fèi)高,其中以煤炭、原油消費(fèi)為主,兩者生態(tài)足跡之和占化石能源用地EF的83.76%。若能調(diào)整能源結(jié)構(gòu),減少煤炭、原油消費(fèi)量,將大幅度降低化石能源用地EF。

圖1 1991—2016年葉爾羌河平原綠洲土地利用變化

表31991—2016年生態(tài)足跡模型計(jì)算結(jié)果

Table3Calculationresultsofecologicalfootprintmodelin1991-2016

年份生態(tài)足跡(EF)生態(tài)承載力(EC)土地類型需求面積/103 hm2均衡因子足跡/103 hm2土地類型本地面積/103 hm2均衡因子產(chǎn)量因子容量/103 hm2 1991耕地332.413.341 110.25耕地301.363.340.91915.94 2005534.333.341 784.67547.553.340.911 664.23 2016968.043.343 233.25651.313.340.911 979.59 1991林地3.3915.2051.54林地190.4915.201.093 156.04 20059.5715.20145.41163.1815.201.092 703.63 201615.1515.20230.30100.7315.201.091 668.831991草地342.225.041 724.80草地416.545.041.092 288.32 20051 490.615.047 512.65414.125.041.092 274.98 20161 949.805.049 826.98378.775.041.092 080.791991水域1.18123.93146.02水域81.33123.931.0810 886.10 20054.31123.93534.5089.32123.931.0811 954.98 20169.65123.931 196.3378.23123.931.0810 470.381991建設(shè)用地0.036.420.19建設(shè)用地18.886.421.05127.24 20050.126.420.7620.316.421.05136.91 20160.846.425.4028.186.421.05189.931991化石能源用地92.95-92.95未利用土地3 937.931.101.094 721.57 2005220.93-220.933 709.291.101.094 447.44 2016709.07-709.073 709.811.101.094 448.061991合計(jì)3 125.75合計(jì)22 095.20 200510 198.9323 182.18 201615 201.3320 837.58

生態(tài)承載力經(jīng)歷了先增加后減小的變化,總體呈減小趨勢(shì),由22 095.20×103hm2減小到20 837.58×103hm2。除耕地、建設(shè)用地EC增加外,其余生態(tài)生產(chǎn)性土地EC均減小,其中林地減小幅度最大,為1 487.21×103hm2,占EC變化量的42.37%。目前研究區(qū)生態(tài)承載力仍大于生態(tài)足跡,總體表現(xiàn)為生態(tài)盈余,但生態(tài)盈余已由1991年18 969.45×103hm2減小為2016年5 636.25×103hm2,減小率高達(dá)70.29%。人們必須提高意識(shí),積極轉(zhuǎn)變消費(fèi)觀念,提高生態(tài)生產(chǎn)性土地生產(chǎn)力,遏制生態(tài)承載力減小趨勢(shì),維持當(dāng)?shù)厣a(chǎn)消費(fèi)間的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)[26]。

3.1.2供需結(jié)構(gòu)分析

圖2為1991—2016年人均生態(tài)足跡供需情況。1991年ef和ec分別為2.13和15.07 hm2,生態(tài)供給與生態(tài)需求相比有85.85%盈余;2005年ef增至5.33 hm2,ec減至12.11 hm2,盈余減至56.00%;2016年ef繼續(xù)增至6.76 hm2,ec繼續(xù)減至9.26 hm2,盈余降至27.05%(圖2)。從人均生態(tài)足跡結(jié)構(gòu)看,草地、耕地和水域是人均生態(tài)足跡主要組成部分,3者之和約占ef的95.19%,這與巴烏龍等[28]和孔維巍等[29]研究結(jié)果一致。1991年人均草地生態(tài)足跡占ef總量的55.18%,耕地占35.52%,水域占4.67%;2005年分別為73.66%、17.50%和5.24%;2016年變?yōu)?4.65%、21.27%和7.87%。近25 a草地ef由1.18 hm2迅速增至4.37 hm2,增長(zhǎng)量占ef增長(zhǎng)總量的69.01%,是研究區(qū)ef增長(zhǎng)的主要因素。我國(guó)畜牧業(yè)發(fā)展不同于發(fā)達(dá)國(guó)家的大農(nóng)場(chǎng)經(jīng)營(yíng)模式,以小型圈養(yǎng)為主,草地生產(chǎn)力水平不高[22]。若能通過(guò)進(jìn)口方式減少本地動(dòng)物產(chǎn)品生產(chǎn),可在一定程度上遏制區(qū)域ef增長(zhǎng)。從ec看,人均占有生產(chǎn)性土地面積從多到少依次為未利用土地、耕地、草地、林地、水域和建設(shè)用地,但水域、林地具有較高生物生產(chǎn)能力,故水域、未利用土地和林地為ec的主要組成部分,3者之和約占ec總量的82.31%,是研究區(qū)維持生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要組成部分。1991年人均水域承載力占ef總量的49.27%,未利用土地占21.37%,林地占14.28%;2005年分別為51.57%、19.18%和11.66%;2016年分別為50.25%、21.35%和8.01%,這主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化[10]。近25 a研究區(qū)除耕地、建設(shè)用地面積增加外,其他生產(chǎn)性土地面積均減小,直接導(dǎo)致ec減小。

圖2 1991—2016年人均生態(tài)足跡供需結(jié)構(gòu)變化

3.2 萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡變化分析

由表4可知,1991—2016年萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡呈減小趨勢(shì),尤以2005—2016年減小趨勢(shì)更明顯,表明近25 a研究區(qū)資源利用效率不斷提高,而近10 a成效更明顯。從各生產(chǎn)性土地類型看,除建設(shè)用地外,其他類型1991—2016年萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡總趨勢(shì)均呈減小趨勢(shì),其中耕地、林地和草地變化率較大,分別為84.31%、75.92%和69.30%。1991年研究區(qū)萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡為17.59 hm2·萬(wàn)元-1,草地、耕地和水域萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡達(dá)16.77 hm2·萬(wàn)元-1,占總?cè)f元GDP生態(tài)足跡的95.37%,說(shuō)明這3類生物生產(chǎn)性土地的資源利用效率過(guò)低,是影響區(qū)域萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡的關(guān)鍵地類。

表4各類生態(tài)生產(chǎn)性土地萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡變化

Table4Thechangeofecologicalfootprintofper10000yuanGDPonallkindsofecologicallyproductiveland

hm2·萬(wàn)元-1

與1991年相比,2005年研究區(qū)萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡略微上升,為17.88 hm2·萬(wàn)元-1,這主要由于草地、水域和建設(shè)用地的貢獻(xiàn),3者萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡增加量為3.58 hm2·萬(wàn)元-1,占變化量的52.11%。與2005年相比,2016年研究區(qū)萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡迅速降低到4.61 hm2·萬(wàn)元-1,表明隨技術(shù)水平不斷提高,區(qū)域資源利用效率顯著提高,這主要由于草地、耕地和水域的貢獻(xiàn),3者萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡減小量為12.91 hm2·萬(wàn)元-1,占總變化量的97.30%。草地、耕地和水域在維持區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和資源高效率利用中起到關(guān)鍵作用。

3.3 生態(tài)壓力指數(shù)變化分析

研究區(qū)1991、2005和2016年ETI值分別為0.14、0.43和0.70,均小于0.80,表明當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的消費(fèi)仍在生態(tài)系統(tǒng)承壓范圍內(nèi),生態(tài)系統(tǒng)整體處于安全狀態(tài),目前經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展仍處于可持續(xù)發(fā)展。但是ETI值在不斷增大,生態(tài)環(huán)境狀態(tài)已由很安全轉(zhuǎn)向較安全,且空間分布上各縣安全狀態(tài)亦不同。1991年,除澤普縣表現(xiàn)為較安全外,莎車、葉城、巴楚和麥蓋提4縣均為很安全狀態(tài);2005年,澤普和葉城縣生態(tài)安全狀態(tài)轉(zhuǎn)為很不安全,其余3縣狀態(tài)不變;2016年,澤普和葉城縣生態(tài)安全繼續(xù)惡化,呈極不安全狀態(tài),莎車和麥蓋提縣由很安全轉(zhuǎn)為較安全狀態(tài),巴楚縣仍為很安全狀態(tài)(圖3)?？傮w來(lái)看,澤普和葉城縣生態(tài)安全問(wèn)題較其他縣更嚴(yán)重,這主要與各縣人口數(shù)、生產(chǎn)性土地面積和資源消費(fèi)量有關(guān)。以2016年為例,各縣生物資源的生態(tài)足跡由大到小依次為葉城、莎車、巴楚、麥蓋提和澤普,人口數(shù)由多到少依次為莎車、葉城、巴楚、麥蓋提和澤普,所以人均可更新生態(tài)足跡由大到小依次為巴楚、葉城、麥蓋提、澤普和莎車。在生態(tài)承載力上,因?yàn)閱挝幻娣e水域和林地生產(chǎn)力更高,所以巴楚縣生態(tài)承載力最大,莎車、麥蓋提、葉城和澤普次之,且各縣人口數(shù)差異使人均生態(tài)承載力由大到小依次為巴楚、麥蓋提、莎車、葉城和澤普。因此澤普縣ETI值最大,為2.93,生態(tài)系統(tǒng)處于極不安全狀態(tài);葉城次之,為2.10;莎車和麥蓋提ETI值分別為0.74和0.64,生態(tài)系統(tǒng)較安全;巴楚ETI值為0.32,小于0.50,生態(tài)系統(tǒng)處于很安全狀態(tài)。

圖3 1991—2016年生態(tài)壓力指數(shù)空間變化

3.4 生態(tài)安全預(yù)測(cè)

表5為2021—2048年生態(tài)安全預(yù)測(cè)結(jié)果。

表52021—2048年葉爾羌河平原綠洲生態(tài)安全預(yù)測(cè)結(jié)果

Table5PredictiveresultsofecologicalsecurityofYarkantriverplainoasisfrom2021to2048

年份EF/103 hm2EC/103 hm2ES/103 hm2萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡/(hm2·萬(wàn)元-1)ETI草地ETI耕地ETI水域ETI 200510 327.4122 414.6312 087.2217.290.443.301.060.05 201614 755.7921 236.116 480.324.850.694.731.640.10 202121 083.0620 119.56-963.508.220.867.122.940.29 203230 123.4619 061.72-11 061.748.541.1410.915.100.86 203743 040.3818 059.49-24 980.8910.451.5217.688.833.21 204861 496.0617 109.96-44 386.1014.042.0331.1615.2914.02

EF為生態(tài)足跡,EC為生態(tài)承載力,ES為生態(tài)盈余,ETI為生態(tài)壓力指數(shù)。

由表5可知,在不改變消費(fèi)生產(chǎn)模式的前提下,未來(lái)30 a研究區(qū)EF持續(xù)增大,EC不斷減小,生態(tài)盈余將轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)赤字,且赤字程度不斷增大。萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡亦不斷增加,表明未來(lái)每萬(wàn)元GDP需要更多的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積,即區(qū)域資源利用效率在降低。從生態(tài)壓力指數(shù)看,未來(lái)30 a研究區(qū)ETI值越來(lái)越大,至2048年ETI值將升至2.03,安全等級(jí)降到6級(jí),生態(tài)系統(tǒng)處于極不安全狀態(tài)。草地、耕地和水域是EF的主要貢獻(xiàn)者,也是維持區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵地類,從3者的生態(tài)壓力指數(shù)看,2048年草地、耕地和水域生態(tài)系統(tǒng)安全程度也惡化為極不安全狀態(tài)。

4 討論

傳統(tǒng)的生態(tài)足跡模型多以“全球公頃”為計(jì)算單位,雖便于同全球生態(tài)供需作比較,但針對(duì)性欠佳,筆者以“國(guó)家公頃”為計(jì)算單位,不僅便于同國(guó)內(nèi)其他地區(qū)相比,而且針對(duì)性、適用性更強(qiáng)[20,30]。在均衡因子和產(chǎn)量因子選擇上,考慮到生態(tài)系統(tǒng)不但具有食物生產(chǎn)功能,而且具有服務(wù)功能,故沒(méi)有直接采用世界自然基金會(huì)公布的數(shù)值,而是選擇基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論改進(jìn)的傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型。在生態(tài)承載力的計(jì)算上,考慮到未利用土地面積占研究區(qū)總面積比例很高,故將其單獨(dú)列為1種生態(tài)系統(tǒng)考慮其承載力。由于在均衡因子選擇上已考慮各類生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能,故無(wú)需再減去12%的生產(chǎn)性面積用于生態(tài)多樣性保護(hù),所以用改進(jìn)的生態(tài)足跡模型計(jì)算得到的承載力數(shù)值較傳統(tǒng)模型更大，更真實(shí)[20-21,30]。

盧小麗[20]和郭文等[30]采用相同方法分別核算了大連市和江蘇省生態(tài)足跡,結(jié)果表明,2005年大連市ef和ec分別為7.77和3.75 hm2;2010年江蘇省ef和ec分別為7.02和2.82 hm2;該研究中葉爾羌河平原綠洲2005年ef和ec分別為5.33和12.11 hm2,2016年ef和ec分別為6.76和9.26 hm2,研究區(qū)人均生態(tài)足跡小于東部地區(qū),但承載力遠(yuǎn)大于東部地區(qū)。區(qū)域近25 a生產(chǎn)消費(fèi)雖處于可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài),但生態(tài)盈余已從85.85%減至27.05%。為降低研究區(qū)生態(tài)足跡,維持生態(tài)系統(tǒng)供需處于盈余狀態(tài),提出以下建議:(1)研究區(qū)生物資源足跡占總生態(tài)足跡的96.72%,生物資源消費(fèi)遠(yuǎn)大于能源資源,表明經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要依靠農(nóng)牧業(yè),工業(yè)相對(duì)滯后,建議調(diào)整區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),依靠“一帶一路”重大倡議帶動(dòng)區(qū)域產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)多元化發(fā)展[22-23]。(2)草地和耕地是研究區(qū)生態(tài)足跡的主要貢獻(xiàn)者,約占總足跡的88.31%,且草地和耕地生態(tài)已處于赤字狀態(tài),建議依靠科學(xué)技術(shù)提高草地和耕地的單位面積生產(chǎn)力,或進(jìn)口相關(guān)農(nóng)牧產(chǎn)品,減少本地足跡。(3)從全國(guó)能源平均生態(tài)足跡看,汽油為0.34 hm2·t-1,煤炭為0.23 hm2·t-1,天然氣為0.19 hm2·t-1[31],消耗同等質(zhì)量能源,天然氣產(chǎn)生的足跡僅為汽油的55.88%，煤炭的82.61%,建議調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),如對(duì)汽車等實(shí)行油改氣,可大幅降低能源生態(tài)足跡。(4)研究區(qū)生態(tài)承載力有限,建議通過(guò)控制人口數(shù)量以減小消費(fèi)量,從而保證區(qū)域生產(chǎn)消費(fèi)的可持續(xù)發(fā)展。

從生態(tài)供需角度出發(fā),通過(guò)比較人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的壓力與生態(tài)系統(tǒng)自身承載力之間的大小關(guān)系,評(píng)判區(qū)域生態(tài)是否安全。雖然該方法可直觀反映人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響程度,但忽略了其他因素對(duì)生態(tài)安全的影響。如由于生產(chǎn)性土地面積較大,人均生態(tài)承載力較需求而言較富余,從供需角度看,生產(chǎn)消費(fèi)處于可持續(xù)發(fā)展模式,生態(tài)系統(tǒng)是安全的。但由于年內(nèi)降水極不均勻,汛期常伴有冰川突發(fā)性洪水,人民生產(chǎn)生活及社會(huì)秩序等受到一定威脅,生態(tài)系統(tǒng)也不安全。影響區(qū)域生態(tài)安全的因素較多,簡(jiǎn)單從某一方面評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)是否安全是不全面的,在今后生態(tài)安全評(píng)價(jià)工作中需構(gòu)建更全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,以期更好地評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)安全狀況。

5 結(jié)論

(1)近25 a研究區(qū)生態(tài)足跡不斷增大,其中生物資源生態(tài)足跡占比達(dá)到96.72%,遠(yuǎn)大于能源資源消費(fèi)足跡;生態(tài)承載力總體呈減小趨勢(shì),其中林地承載力減小量最大;區(qū)域目前生產(chǎn)消費(fèi)仍處于可持續(xù)發(fā)展模式,但生態(tài)盈余在不斷減小。

(2)從人均生態(tài)供需看,草地、耕地和水域是人均生態(tài)足跡的主要貢獻(xiàn)者。近25 a人均生態(tài)足跡不斷增加，人均生態(tài)承載力不斷減小,生態(tài)盈余從85.85%減至27.05%。為了遏制生態(tài)盈余進(jìn)一步減小,建議依靠科學(xué)技術(shù)提高草地和耕地的單位面積生產(chǎn)力,或依靠進(jìn)口貿(mào)易降低區(qū)域草地、耕地的生態(tài)足跡。

(3)近25 a研究區(qū)資源利用效率總體呈提高趨勢(shì),尤以近10 a效果更明顯,萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡從17.88 hm2·萬(wàn)元-1減至4.61 hm2·萬(wàn)元-1。這主要?dú)w于草地、耕地和水域的貢獻(xiàn)。

(4)研究區(qū)目前生態(tài)環(huán)境仍處于安全狀態(tài),但安全等級(jí)已由1級(jí)降為2級(jí)。各縣域生態(tài)安全狀況差別較大,其中澤普和葉城縣生態(tài)問(wèn)題最嚴(yán)重。

(5)若不改變目前的生產(chǎn)消費(fèi)模式,未來(lái)30 a研究區(qū)生態(tài)盈余將轉(zhuǎn)為生態(tài)赤字,資源利用效率不斷降低,至2048年生態(tài)壓力指數(shù)達(dá)2.03,區(qū)域生態(tài)安全已惡化為極不安全。建議依靠“一帶一路”重大倡議帶動(dòng)區(qū)域產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)多元化發(fā)展,防止過(guò)分依賴農(nóng)牧業(yè),緩解區(qū)域目前草地和耕地的生態(tài)赤字狀態(tài)，同時(shí)應(yīng)注重水域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù),有效阻止區(qū)域生態(tài)承載力減小。