基于改進(jìn)生態(tài)足跡模型的撫仙湖流域土地生態(tài)承載力評價(jià)

(玉溪師范學(xué)院 地理與國土工程學(xué)院,云南 玉溪 653100)

土地是人類生存的自然資源,也是城市發(fā)展的基本物質(zhì)保障,它承載著人們各種社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)[1].隨著人口的增長，城市化進(jìn)程的加快，生態(tài)足跡逐步上升，一定程度上帶來了生態(tài)環(huán)境的破壞，如耕地面積減少，水體、大氣的污染等，使得生態(tài)承載力呈現(xiàn)下降趨勢.自20世紀(jì)50年代以來，全球人-地耦合關(guān)系研究日漸深入，生態(tài)承載力作為聯(lián)系自然生態(tài)系統(tǒng)與人類系統(tǒng)的關(guān)鍵紐帶，其研究逐漸成為生態(tài)學(xué)、資源學(xué)、環(huán)境學(xué)和地理學(xué)等領(lǐng)域的交叉研究熱點(diǎn)和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要工作[2].當(dāng)今中國將生態(tài)文明提高到前所未有的高度，而生態(tài)承載力則是判斷社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與資源環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)協(xié)調(diào)與否的重要工具，也是生態(tài)系統(tǒng)整體文明的表征[4，5].要衡量一個(gè)地方是否處于可持續(xù)發(fā)展階段，需要對生態(tài)足跡進(jìn)行定量評價(jià)與分析，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展計(jì)算提供科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)人類在不破壞生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上合理的開發(fā)利用資源，減少自然災(zāi)害，保證土地生產(chǎn)力,因此它是協(xié)調(diào)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間關(guān)系、實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要手段[6].

目前，國內(nèi)學(xué)者對生態(tài)承載力進(jìn)行了大量的研究，采用的研究方法也是廣有涉及且各有優(yōu)缺點(diǎn).迄今為止,國內(nèi)外開展生態(tài)承載力研究的方法主要有：凈初級生產(chǎn)力方法[7]、能值分析法[8]、AHP綜合評價(jià)法[9]、生態(tài)足跡法[10,11]，其中以生態(tài)足跡法為基礎(chǔ)方法.國內(nèi)學(xué)者王家冀等人利用自然植被第一性生產(chǎn)力估測法對黑河流域生態(tài)承載力進(jìn)行了研究，但由于其調(diào)控模型較少，研究范圍較小，對區(qū)域生態(tài)承載力研究的準(zhǔn)確產(chǎn)生影響[12].王中根等人利用供需平衡法對西北進(jìn)行了研究，該方法簡單，對靜態(tài)研究有效果，但動(dòng)態(tài)分析存在不足，針對性不強(qiáng)[13].高吉喜利用綜合評價(jià)法對黑河流域進(jìn)行了研究，該方法的有點(diǎn)是具體針對性，簡單易于操作，但對比性不夠，不能對較復(fù)雜的問題進(jìn)行分析[9].國外學(xué)者William Ress和他的學(xué)生Wackenagel提出用足跡的方法對人類使用的可再生資源和生物生產(chǎn)性土地、水域面積建設(shè)用地等進(jìn)行計(jì)算[14].Wackamagel等還運(yùn)用生態(tài)足跡方法對國家、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)行了可持續(xù)評價(jià)[14].總體看,生態(tài)足跡計(jì)算簡單、明了、操作性強(qiáng),能夠更好的反映出自然環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系.本文中,為了彌補(bǔ)生態(tài)承載力靜態(tài)指標(biāo)的不足，同時(shí)因?yàn)楸疚牡难芯繀^(qū)域較小,所以產(chǎn)量因子根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況進(jìn)行了改進(jìn)，計(jì)算出來的生態(tài)足跡才更有說服力，更符合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況.

撫仙湖屬于高原斷陷湖泊，是水質(zhì)較好的大型淡水湖泊之一.近年來,由于水體污染嚴(yán)重，水體富營養(yǎng)化進(jìn)程加快，森林植被覆蓋率降低，水土流失嚴(yán)重，撫仙湖流域生態(tài)環(huán)境狀況堪憂[15].隨著國家對生態(tài)文明建設(shè)的重視，撫仙湖流域的保護(hù)成為玉溪市重中之重的工作.而撫仙湖流域的土地生態(tài)承載力的最大值是多少，生態(tài)經(jīng)濟(jì)是否可持續(xù)發(fā)展等都是需要研究的重要問題.為此，本研究基于改進(jìn)生態(tài)足跡模型對撫仙湖流域2005～2016年的生態(tài)足跡、生態(tài)承載力、生態(tài)赤字(盈余)，進(jìn)行計(jì)算，通過數(shù)據(jù)分析為撫仙湖流域協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論和實(shí)踐依據(jù)，為同類型尺度區(qū)域土地合理利用、國土空間規(guī)劃提供借鑒.

1 研究區(qū)概況

撫仙湖流域包含澄江縣、江川區(qū)及華寧縣，地理坐標(biāo)為北緯24°21′～24°38′、東經(jīng)102°49′～102°58′之間，位于云南高原中部的澄江盆地，屬于小江斷裂帶的西支，湖區(qū)地貌可分為以石灰?guī)r、砂礫巖和砂頁巖、玄武巖為主的山地構(gòu)造-剝蝕地貌和由湖積-沖擊平原、階地、沖積扇組成堆積地貌[16]；撫仙湖流域?qū)儆趤啛釒Ц咴瓭駶櫦撅L(fēng)氣候，具有干濕季分明，冬暖夏涼，雨熱同期，光照溫和充足，年均氣溫為15.5℃，最冷月的氣溫為8.3℃，最熱月的氣溫為20.5℃，適合農(nóng)作物生長，糧食是其主要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，烤煙為其主要的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè).近年來，撫仙湖流域的工業(yè)、旅游業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人口從2005年557 554人增加到2010年的571 586人，人均占用耕地面積增加，生態(tài)壓力增大.特別是近12年來，其人均GDP增長了近20倍，經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平提高，城鎮(zhèn)數(shù)量增加，導(dǎo)致建設(shè)用地占用耕地面積增加，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降，撫仙湖流域面臨極大的環(huán)境壓力.

2 研究方法和數(shù)據(jù)來源

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于2005～2016年《玉溪市統(tǒng)計(jì)年鑒》及歷年國民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，土地?cái)?shù)據(jù)來源于玉溪市自然資源局2005～2016年土地利用變更數(shù)據(jù).

撫仙湖流域生態(tài)足跡的計(jì)算包括兩部分：生物資源消費(fèi)和能源消費(fèi).生物資源消費(fèi)主要包括農(nóng)產(chǎn)品、林產(chǎn)品、水產(chǎn)品、畜產(chǎn)品；能源消費(fèi)包括原煤、焦炭、汽油、煤油、柴油、液化石油氣、電力等.在生物資源消費(fèi)計(jì)算中，生物資源面積折算借鑒參考文獻(xiàn)[17,18],采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)1993年計(jì)算的有關(guān)生物資源的世界平均產(chǎn)量資料,將撫仙湖流域不同時(shí)期的生物資源消費(fèi)量統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為提供這類消費(fèi)所需的生物生產(chǎn)性面積.計(jì)算能源消費(fèi)足跡時(shí)，以世界單位化石燃料生產(chǎn)土地面積的平均發(fā)熱量為標(biāo)準(zhǔn)[14]，將撫仙湖流域能源消費(fèi)所消耗的熱量折算成一定的化石燃料型生產(chǎn)面積,對撫仙湖流域不同年份各種生物生產(chǎn)土地面積進(jìn)行分類匯總.

2.2 研究方法

其一，對生態(tài)承載力進(jìn)行測算.

(1)

式中，EF為總的生態(tài)足跡，N為人口數(shù)，ef為人均生態(tài)足跡，ai為第i種商品人均占用的生物生產(chǎn)土地面積ci為第i種商品的人均消費(fèi)量，pi為i種商品的世界平均生產(chǎn)力(即全球平均產(chǎn)量)，n為物質(zhì)的數(shù)量.

(2)

公式中，ef為均衡后的人均生態(tài)足跡，rj為均衡因子，aaj為人均各類生物生產(chǎn)土地面積.j=1,2,3,…,6,表示6類生物生產(chǎn)土地.

BCa=∑Aak×EFk×YFk×Pa(k=Pa1,…,5)

(3)

公式中，BCa為區(qū)域a人均生態(tài)承載力，k為土地類型，Aak表示區(qū)域a擁有的k類土地面積，表示區(qū)域人口規(guī)模；EFk、YFk分別為均衡因子、產(chǎn)量因子.

其二,均衡因子確定.

國內(nèi)外已經(jīng)有許多關(guān)于均衡因子的研究，其中Mathiskemage、WWF的土地最大潛在農(nóng)作物產(chǎn)量的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算的各類土地均衡因子應(yīng)用廣泛和影響力較大[13]，本文采用的均衡因子是WackemageI均衡因子，先利用收集來的人均消費(fèi)量數(shù)據(jù)計(jì)算出人均各類生物生產(chǎn)性面積，把人居消費(fèi)量折算到各類用地上.采用WackemageI均衡因子，耕地是2.80、林地是1.10、草地是0.50、水域是0.20、建設(shè)用地是2.80 、能源用地是1.10，利用人均生物生產(chǎn)面積與均衡因子得到人均生態(tài)足跡，最后利用計(jì)算得到的人均生態(tài)足跡和改正后的產(chǎn)量因子得到人均生態(tài)承載力.不同研究計(jì)算的均衡因子見表1.

表1 不同研究計(jì)算的均衡因子

其三，產(chǎn)量因子確定.

產(chǎn)量因子是一個(gè)國家或地區(qū)某類生物生產(chǎn)土地的平均生產(chǎn)力與同類土地的世界平均生產(chǎn)力之間的比率.市公頃的產(chǎn)量因子描述的是市域范圍內(nèi)某類土地不同市域與省域的平均生產(chǎn)力差異[18,19]，本研究采用市公頃的產(chǎn)量因子的計(jì)算方法(市內(nèi)的生物生產(chǎn)面積與省內(nèi)各類生物生產(chǎn)面積的比)，對產(chǎn)量因子進(jìn)行了修正，其中耕地是1.4、建設(shè)用地是1.66、草地是1.0、林地是0.8、化石能源用地1.1、水域0.2.

2.3 生態(tài)赤字與生態(tài)盈余測算

當(dāng)一個(gè)地區(qū)的生態(tài)承載力小于生態(tài)足跡時(shí)，出現(xiàn)生態(tài)赤字，其大小等于生態(tài)承載力減去生態(tài)足跡的差數(shù)；生態(tài)承載力大于生態(tài)足跡時(shí)，則產(chǎn)生生態(tài)盈余，其大小等于生態(tài)承載力減去生態(tài)足跡.生態(tài)赤字/生態(tài)盈余的公式為：

生態(tài)赤字(盈余)=生態(tài)承載力-生態(tài)足跡

3 結(jié)果與分析

3.1 生物資源消費(fèi)人均生態(tài)足跡

根據(jù)《玉溪市統(tǒng)計(jì)年鑒》查找澄江縣、江川區(qū)及華寧縣3個(gè)地方的生物資源2005～2016年的消費(fèi)情況，依據(jù)公式(1)計(jì)算得出撫仙湖流域3個(gè)縣區(qū)人均生態(tài)足跡，結(jié)果如表2所示:

表2 撫仙湖流域2005 ～2016年生物資源消費(fèi)的人均生態(tài)足跡 (hm2、%)

從這12年平均生物資源消費(fèi)情況看，在各種生物資源消費(fèi)項(xiàng)目中，人均肉類消費(fèi)生態(tài)占用面積最大，其次是糧食、豆類、蔬菜、食油、蛋類、卷煙這五類，占到生態(tài)總消費(fèi)面積的49.9%(表2).蛋類、魚類、食糖、水果、茶葉這五類的人均占用生態(tài)消費(fèi)面積最小.由此可見，在撫仙湖流域人們的日常消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，肉類生產(chǎn)占用了較多的土地面積.從各種生物資源消費(fèi)項(xiàng)目變化趨勢看，撫仙湖流域的糧食、肉類消費(fèi)生態(tài)面積呈下降趨勢，而豆類、蔬菜、食油、卷煙、水果茶葉均呈上升趨勢，說明撫仙湖流域的人們生活質(zhì)量在不斷提高，從過去的要吃飽轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的營養(yǎng)搭配平衡的生活模式.

從表中可以看出糧食在2015年消費(fèi)出現(xiàn)在小值為0.060 9，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是2015年糧食產(chǎn)量的降低，建設(shè)用地占用了大量質(zhì)量較好的耕地，使得糧食減產(chǎn)；一部分農(nóng)民進(jìn)城務(wù)工，使得農(nóng)村部分優(yōu)質(zhì)土地出現(xiàn)沒人耕種撂荒現(xiàn)象.

3.2 能源消費(fèi)人均生態(tài)足跡

根據(jù)《玉溪市統(tǒng)計(jì)年鑒》查找到澄江縣、江川區(qū)及華寧縣3個(gè)地方的能源資源2005～2016年的消費(fèi)情況計(jì)算出人均生態(tài)足跡，結(jié)果如表3所示:

表3 表3撫仙湖流域2005～2016年能源消費(fèi)的人均生態(tài)足跡 (hm2*10-4、%)

從多年平均能源消費(fèi)看，在各種能源消費(fèi)項(xiàng)目中，電力(千瓦時(shí))消費(fèi)人均生態(tài)占用面積最大，占到人均能源消費(fèi)總生態(tài)面積的28.499%(表3).這與玉溪市以水力發(fā)電為主的能源結(jié)構(gòu)特征相一致.從變化趨勢看，原煤、電力、汽油能源消費(fèi)占生態(tài)面積呈上升趨勢，而焦炭、煤油、柴油、液化石油氣的消費(fèi)生態(tài)占用面積下降趨勢，這說明撫仙湖流域的能源消費(fèi)方式逐漸向清潔能源方式轉(zhuǎn)變.

2013年能源消費(fèi)量達(dá)到最大值為0.000 49，消費(fèi)量最小的年份是2016年為0.000 28主要是因?yàn)殡娏Φ南M(fèi)量減少，首先是把水力發(fā)電轉(zhuǎn)換為太陽能發(fā)電，其次是家庭用電器更多轉(zhuǎn)換為節(jié)能的家庭用電器，從2005～2016年從鎢絲燈轉(zhuǎn)換為LED燈，在一定程度上減少了用電量.

3.3 綜合人均生態(tài)足跡

首先計(jì)算出所選的18個(gè)因子，并且把所選因子歸于到相應(yīng)的用地類型上，如把糧食、豆類、蔬菜、石油、食糖和卷煙歸為耕地,把肉類和蛋類歸為草地,把魚類歸為水域，把水果和茶葉歸為林地，把原煤、焦炭、汽油、煤油、柴油、液化石油氣歸為化石能源用地，把電力歸為建設(shè)用地，最后，按照相應(yīng)年份把這些用地進(jìn)行相加就可得出各類用地面積，各類用地面積乘以均衡因子，結(jié)果如表4所示.

表4 撫仙湖流域2005～2016年的人均生態(tài)足跡 (hm2*10-4、%)

從人均生態(tài)足跡變化趨勢看(表4)，撫仙湖流域的耕地占用面積最大，達(dá)到49.978%，其次是草地的48.170%、林地的1.333%、水域的0.343%、化石能源用地的0.128%.從各種生態(tài)生產(chǎn)性土地面積的變化趨勢上看，撫仙湖流域的草地、林地、化石能源用地、建設(shè)用地等的用地面積在增加，其中化石燃料用地增加的幅度最大，草地在2005～2010年以前面積明顯增加，2010～2016年呈下降趨勢，耕地和林地有一定的變化趨勢，但變化幅度不明顯，草地、化石燃料用地、建設(shè)用地的面積在增加，說明撫仙湖流域周邊地區(qū)在向第二、三產(chǎn)業(yè)發(fā)展，特別是第三產(chǎn)業(yè).

由上表可知2009年各類用地所占用面積達(dá)到最大值為0.260 95，2015年各類用地面積達(dá)到最小值為0.187 94，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是2009年林地和水域占用面積較大，2015年耕地和草地用地面積在減少，建設(shè)用地面積在增加，但增加的幅度小于減少的幅度.

3.4 生態(tài)盈余/赤字分析

根據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算出生態(tài)足跡和生態(tài)承載力，用生態(tài)承載力減去生態(tài)足跡即可得出生態(tài)赤字/盈余，計(jì)算結(jié)果如表5所示.

表5 撫仙湖流域2005年～2016年的生態(tài)赤字/盈余分析 (hm2)

續(xù)表5

在生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的基礎(chǔ)上，利用生態(tài)足跡與生態(tài)承載力的比值計(jì)算出撫仙湖流域的生態(tài)赤字和生態(tài)壓力指數(shù)，計(jì)算出的人均生態(tài)壓力指數(shù) 如下附圖所示.

附圖 撫仙湖流域2005～2016年人均生態(tài)足跡和生態(tài)承載力變化趨勢

2005～2016年，撫仙湖流域人均生態(tài)足跡總體呈現(xiàn)下降趨勢，從0.233 40 hm2下降到0.187 88 hm2；2015～2016年從0.187 88 hm2上升到0.215 83 hm2.人均生態(tài)承載力總體呈現(xiàn)出下降趨勢,從2005年的0.359 56 hm2得到2014年的0.232 80 hm2，下降了0.126 76 hm2.生態(tài)壓力指數(shù)也呈現(xiàn)階段性變化，2005～2014年從0.649 12上升到0.951 71，2014～2016年的0.951 71下降到0.767 63，下降的原因是生態(tài)足跡在增加，生態(tài)承載力在減小，具體表現(xiàn)為耕地、林地、水域等利用面積的增加，從表5中可以看出人均生態(tài)赤字逐年在增大.

從2005～2016年的總的生態(tài)足跡、總的生態(tài)承載力和總的生態(tài)赤字盈余來看，生態(tài)足跡和生態(tài)赤字在逐年變小，總的生態(tài)承載力在逐年減小，從2005年的總的生態(tài)足跡為130 130.53 111 hm2和總的生態(tài)赤字70 343.226 78 hm2到2015年的總的生態(tài)足跡為76 233.471 10 hm2和總的生態(tài)赤字26 503.938 20 hm2，2005～2015年的總的生態(tài)承載力從200 473.757 88 hm2～102 737.409 0 hm2，生態(tài)承載力減小了97 736.348 59 hm2，建設(shè)用地面積、化石能源用地面積和水域面積在大幅度增加，形成此現(xiàn)象的主要原因首先是城市的發(fā)展需要基礎(chǔ)設(shè)施和房屋的建設(shè)，其次是私家車的增加對石油消費(fèi)的增加.

從人均生態(tài)足跡、總的生態(tài)足跡和生態(tài)壓力指數(shù)來看，撫仙湖流域出現(xiàn)的生態(tài)盈余、生態(tài)壓力指數(shù)都小于1，說明撫仙湖流域的生態(tài)環(huán)境處于一個(gè)安全狀態(tài)，但生態(tài)足跡呈現(xiàn)上升的情況，因此要加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，需要使經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益、社會(huì)效益三者達(dá)到統(tǒng)一.

4 結(jié)論與討論

從2005年到2015年，撫仙湖流域的人均生態(tài)足跡下降了0.187 88 hm2，生態(tài)承載力為0.253 19 hm2，出現(xiàn)生態(tài)盈余為0.065 32 hm2，生態(tài)壓力指數(shù)從2005年的0.649 12上升到2014年的0.951 71，這說明撫仙湖流域的發(fā)展模式處于階段不可持續(xù)狀態(tài).造成生態(tài)盈余下降的主要原因是耕地、林地、水域、化石能源用地和建設(shè)用地供需間矛盾在增加，自然供給是有限的，社會(huì)需求是無限的，只有在調(diào)整內(nèi)部土地利用類型的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，使水域面積、林地面積、草地面積減少，化石能源用地面積、耕地面積和建設(shè)用地面積的增加，最終才能使生態(tài)盈余逐漸減小.2014～2016年，情況有所好轉(zhuǎn)，生態(tài)足跡從2014～2016年下降到0.215 83 hm2，生態(tài)承載力從2009～2016年下降到0.281 17 hm2，生態(tài)壓力指數(shù)從2009～2016年下降到0.184 08，表明此階段撫仙湖流域的發(fā)展模式處于可持續(xù)狀態(tài).綜上可以得出,撫仙湖流域周邊的生態(tài)環(huán)境總體上處于一個(gè)良好的發(fā)展?fàn)顟B(tài),但在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中仍需要堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益、社會(huì)效益三者相統(tǒng)一的原則.

生態(tài)足跡是一種靜態(tài)性的指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果常常具有瞬時(shí)性的特點(diǎn)，同時(shí)生態(tài)足跡模型計(jì)算結(jié)果只反映經(jīng)濟(jì)決策對環(huán)境的影響，沒有涉及土地利用中其他的因素.所以雖然得出該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境處于可持續(xù)狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)向著環(huán)境友好型的方向發(fā)展，但在未來發(fā)展中,還應(yīng)發(fā)揮土地集約利用對城市化的反推作用，促進(jìn)城市化進(jìn)程，進(jìn)一步提高協(xié)調(diào)性，從而推動(dòng)城市可持續(xù)發(fā)展[20].

在利用生態(tài)足跡模型的計(jì)算過程中，仍然存在著許多不確定因素，第一是選取了一些主要的且連續(xù)的數(shù)據(jù)，第二因?yàn)閿?shù)據(jù)的可得性在選擇人均消費(fèi)量時(shí)只選用了農(nóng)村人均消費(fèi)量，第三是計(jì)算出來的撫仙湖流域的生態(tài)足跡為最大值，因此，其計(jì)算結(jié)果可能高估區(qū)域的生態(tài)狀況[21,22].雖然生態(tài)足跡模型本身存在一些不足，但仍不失為定量評價(jià)可持續(xù)發(fā)展程度，定量分析區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與生態(tài)承載力之間的差距的直觀研究方法與手段[23～25].