2000-2015年鄂爾多斯高原生態(tài)承載力時(shí)空變化特征

王瑞杰， 閆 峰， 張學(xué)良

(1.東北大學(xué)秦皇島分校 資源與材料學(xué)院, 河北 秦皇島 066004;2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 荒漠化研究所, 北京 100091; 3.青海省格爾木市園林管理處, 青海 格爾木 816000)

工業(yè)革命以來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步和人口激增，環(huán)境污染、土地退化、人口膨脹和資源枯竭等問題不斷出現(xiàn)，生態(tài)環(huán)境不斷惡化成為制約人類可持續(xù)發(fā)展的最嚴(yán)峻問題之一[1]。掌握生態(tài)環(huán)境承載力變化實(shí)況并提出科學(xué)發(fā)展之路具有強(qiáng)烈的必要性和迫切性。生態(tài)承載力是指生態(tài)系統(tǒng)的自我維持、自我調(diào)節(jié)能力，資源與環(huán)境子系統(tǒng)的供容能力及其可維育的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度和具有一定生活水平的人口數(shù)量，進(jìn)而體現(xiàn)在生物生產(chǎn)性土地的供需平衡方面[2-3]。隨著生態(tài)承載力研究的不斷深入，在研究方法方面主要發(fā)展出生態(tài)足跡法[4]、凈初級(jí)生產(chǎn)力估測(cè)法[5]、供需平衡法[6]、系統(tǒng)模型法[7]、綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)法[3]和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)消耗評(píng)價(jià)法[8]等，其中生態(tài)足跡法由于具有較完善、科學(xué)的理論基礎(chǔ)，并可用于定量分析可持續(xù)發(fā)展問題而被廣泛應(yīng)用。生態(tài)足跡分析法是由加拿大生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)家William Rees[4]提出的一種度量可持續(xù)發(fā)展程度的方法，對(duì)生態(tài)足跡的解釋是：一個(gè)國(guó)家范圍內(nèi)給定人口的消費(fèi)負(fù)荷，該辦法使人們知道自己對(duì)自然資產(chǎn)利用的狀況，對(duì)測(cè)量人類對(duì)自然生態(tài)服務(wù)的需求與自然所能提供的生態(tài)服務(wù)之間的差距具有重要的意義[9-10]。在基于生態(tài)足跡方法的生態(tài)承載力研究方面，1997年Wackernagel等[11]首先用生態(tài)足跡分析方法，對(duì)全球的生態(tài)足跡進(jìn)行了計(jì)算，研究結(jié)果表明全球絕大部分國(guó)家處于生態(tài)赤字狀態(tài)。Ewing等[12]提出了將碳足跡、水足跡和生態(tài)足跡整合在一起的多區(qū)域建模模型，使生態(tài)承載力評(píng)價(jià)得到進(jìn)一步提升。國(guó)內(nèi)生態(tài)足跡研究方面，徐中民等[13]對(duì)甘肅省1998年生態(tài)足跡進(jìn)行分析和計(jì)算，結(jié)果表明甘肅省1998年人均生態(tài)赤字為0.564 hm2。張志強(qiáng)等[14]以中國(guó)西部12個(gè)省(區(qū)市)2000年統(tǒng)計(jì)年鑒的數(shù)據(jù)為依據(jù)，對(duì)1999年的生態(tài)足跡進(jìn)行了計(jì)算和分析。田玲玲等[15]以2005，2010，2013年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用生態(tài)足跡分析法核算湖北省生態(tài)足跡與生態(tài)承載力動(dòng)態(tài)。潘洪義等[16]對(duì)成都市人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力空間分布差異進(jìn)行了研究，得出成都市人均生態(tài)足跡平均值呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)。已有基于生態(tài)足跡方法的生態(tài)承載力研究多使用靜態(tài)、統(tǒng)計(jì)的方法來進(jìn)行定量評(píng)估，在經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和科技進(jìn)步對(duì)區(qū)域生態(tài)承載力影響方面考慮較少，對(duì)于區(qū)域內(nèi)部的空間差異性體現(xiàn)方面也存在一定的問題。遙感技術(shù)在一定程度上可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)基于統(tǒng)計(jì)年鑒進(jìn)行生態(tài)足跡和生態(tài)承載力研究空間性方面的不足，針對(duì)傳統(tǒng)生態(tài)足跡方法研究存在的問題，采用多時(shí)段遙感影像并綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素定量分析生態(tài)足跡的動(dòng)態(tài)變化過程，對(duì)于拓展生態(tài)足跡應(yīng)用以及科學(xué)評(píng)價(jià)國(guó)家和地區(qū)的生態(tài)足跡動(dòng)態(tài)變化，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施具有重要意義。

鄂爾多斯高原地處中國(guó)農(nóng)牧交錯(cuò)帶上，是砒砂巖分布最典型地區(qū)，其砒砂巖區(qū)也是黃河粗泥沙主要來源，生態(tài)環(huán)境脆弱性問題十分突出。鄂爾多斯市處于鄂爾多斯高原的腹地，改革開放以來經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，特別是2001年撤盟改市以來，鄂爾多斯市經(jīng)濟(jì)社會(huì)創(chuàng)造了令人矚目的“鄂爾多斯速度”，成為內(nèi)蒙古自治區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度最快的地區(qū)，伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對(duì)當(dāng)?shù)氐乇砀脖坏母深A(yù)和資源利用也達(dá)到了一個(gè)新的水平[17]?？茖W(xué)評(píng)價(jià)鄂爾多斯高原生態(tài)承載力時(shí)空變化特征，并因地制宜地提出當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的科學(xué)發(fā)展之路具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，本研究采用2000—2015年鄂爾多斯市Landsat數(shù)據(jù)并結(jié)合經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)，對(duì)鄂爾多斯高原的生態(tài)承載力時(shí)空特征進(jìn)行研究，以期為地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)提供理論和技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況及研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯高原位于內(nèi)蒙古自治區(qū)南部，西、北、東三面被黃河環(huán)繞，東南部以古長(zhǎng)城為界和陜北黃土高原相接。位于37°20′—40°50′N, 106°24′—111°28′E，地勢(shì)中西部高，四周低，西部高于東南部。東部為準(zhǔn)格爾黃土丘陵溝壑區(qū)，西部為桌子山低山緩坡和鄂托克高地，北部為庫(kù)布其沙漠，南部為毛烏素沙漠和灘地。高原海拔大部為1 300～1 500 m，東部切割河谷部分可下降到1 000 m以下，高原頂面可達(dá)1 600 m以上。西北部桌子山自北向南伸延，東勝以西至杭錦旗以東一帶海拔較高(1 450～1 600 m)。鄂爾多斯市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西南部，地處鄂爾多斯高原腹地。東部、北部和西部分別與呼和浩特市、山西省、包頭、巴彥淖爾市，寧夏回族自治區(qū)、阿拉善盟隔河相望；南部與陜西省榆林市接壤。全市轄7旗1區(qū)和康巴什新區(qū)，總面積86 882 km2。氣候?yàn)榈湫偷谋睖貛О敫珊荡箨懶詺夂騾^(qū)，植被自東向西分別為溫暖型草原帶、暖溫型荒漠草原亞帶和暖溫型荒漠帶；土壤類型主要有栗鈣土、棕鈣土、灰鈣土、灰漠土和潮土等；2015年總?cè)丝?.57×106人。

1.2 研究數(shù)據(jù)

在生態(tài)承載力計(jì)算中，為客觀反映不同土地類型的空間分布差異，通過USGS訂購(gòu)下載了2000，2005，2010，2015年共40幅Landsat TM/ETM+/OIL影像，影像主要成像于6—9月。對(duì)下載的Landsat數(shù)據(jù)以2010年遙感影像為基準(zhǔn)對(duì)另外3期的遙感影像進(jìn)行了幾何校正，使遙感影像統(tǒng)一到相同的投影類型。采用決策樹、非監(jiān)督分類和專家知識(shí)相結(jié)合的方式進(jìn)行地物遙感分類，以2010年數(shù)據(jù)為例，首先采用TM5>150&TM7>100提取流動(dòng)沙地；其次，采用光譜間關(guān)系(TM2+TM3)>(TM4+TM5)提取水體；第三，對(duì)剩下的遙感信息采用非監(jiān)督分類ISODATA算法，指定最大分類數(shù)為20，最大迭代數(shù)為60次，迭代次數(shù)大于分類數(shù)1倍以上，形成1類所需的最少像元數(shù)為1，設(shè)定循環(huán)收斂閾值為0.998[18]。在此基礎(chǔ)上，參照生態(tài)足跡模型中土地利用類型分類方法，將4期的土地利用的分類結(jié)果進(jìn)行合并為耕地、林地、草地、水域、建筑用地和未利用地共6大類。采用2010年鄂爾多斯市烏審旗283個(gè)和2017年準(zhǔn)格爾旗68個(gè)野外地面覆被類型實(shí)測(cè)資料，分別對(duì)2010年和2015年地物分類結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明其總分類精度分別為89.40%(253/283)和91.18%(62/68)。

對(duì)2000年和2005年地物遙感分類結(jié)果進(jìn)行目視驗(yàn)證體現(xiàn)出了較高的總分類精度(>86.21%)。此外，研究中還選用了2000，2005，2010，2015年的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)主要來源于同期的《鄂爾多斯市統(tǒng)計(jì)年鑒》。

2 研究方法

生態(tài)足跡是指特定區(qū)域內(nèi)一定人口的自然資源消費(fèi)、能源消費(fèi)和吸納這些消費(fèi)產(chǎn)生的廢棄物所需要的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積，表明了人類社會(huì)發(fā)展對(duì)環(huán)境造成的生態(tài)負(fù)荷是用生產(chǎn)性土地面積來度量一個(gè)確定人口或經(jīng)濟(jì)規(guī)模的資源消費(fèi)和廢物吸收水平的賬戶工具。生態(tài)足跡模型的計(jì)算可以分為生態(tài)足跡和生態(tài)承載力兩個(gè)部分，其中生態(tài)足跡可表示為：

EF=N×ef=N×∑rj×(ci/pi)

(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；i為消費(fèi)商品和投入的類型；rj為均衡因子；j為生物生產(chǎn)性土地類型；ci為第i種商品的人均消費(fèi)量；pi為第i種消費(fèi)商品的全球平均生產(chǎn)能力。生態(tài)足跡模型作為一個(gè)靜態(tài)指標(biāo)，其得出的結(jié)論具有一定的瞬時(shí)性[19-20]，為了合理反映研究區(qū)2000—2015年經(jīng)濟(jì)社會(huì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，采用2000，2005，2010和2015年多個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)比研究的方法。

生態(tài)承載力表示該地區(qū)生態(tài)容量，是一個(gè)地區(qū)所能提供給人類的生態(tài)生產(chǎn)性土地的面積總和。隨著當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步，人類對(duì)當(dāng)?shù)刭Y源環(huán)境利用的廣度和深度發(fā)生較大程度的改變，本研究在生態(tài)承載力計(jì)算時(shí)采用綜合考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展的生態(tài)承載力修正模型[21]，表示為：

F=X×Y×Z

(2)

式中：F為社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)；X為技術(shù)指數(shù)，用高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占工業(yè)總產(chǎn)值比重表示；Y為人力資源指數(shù)，用勞動(dòng)力資源占總?cè)丝诒戎乇硎?；Z為經(jīng)濟(jì)能力指數(shù)，用當(dāng)年與前一年的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值比值表示，下同。

EC=N×ec=(1-12%)N(∑aj×rj×yj)×eF

(3)

式中：EC為總的生態(tài)承載力； ec為人均生態(tài)承載力；aj為人均生物生產(chǎn)性面積；yj為產(chǎn)量因子； eF為社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對(duì)生態(tài)承載力的影響。均衡因子是某類生物生產(chǎn)性土地的單位面積生物產(chǎn)量與具有世界平均生產(chǎn)力的生物生產(chǎn)性土地的單位面積生物產(chǎn)量之比。產(chǎn)量因子表示不同國(guó)家或地區(qū)的某類生物生產(chǎn)面積所代表的局部產(chǎn)量與世界平均產(chǎn)量的差異，是其平均生產(chǎn)力與世界同類土地的平均生產(chǎn)力的比值。

Wackernagel等[22]研究1961—1999年均衡因子變化表明全世界各類土地均衡因子變化較小，為了加強(qiáng)不同區(qū)域計(jì)算結(jié)果的可比性，本研究采用廣泛應(yīng)用的William等提出的均衡因子和產(chǎn)量因子。均衡因子為：耕地和建筑用地2.8，林地和化石能源地1.1，草地0.5，水域0.2；產(chǎn)量因子分別為：耕地和建筑用地1.66，林地0.91，草地0.19，水域1.00，化石能源地0，對(duì)于未利用土地類型，由于其產(chǎn)出比較低取0值，在計(jì)算中總面積中扣除12%生物多樣性保護(hù)面積[23]。

生態(tài)赤字是消費(fèi)所需的生物生產(chǎn)性土地面積超出生態(tài)承載力可提供的生態(tài)足跡量，表示為：

ED=EF-EC

(4)

式中：ED為生態(tài)赤字，如ED>0，說明生態(tài)足跡大于生態(tài)承載力，存在生態(tài)赤字。如果ED<0生態(tài)足跡小于生態(tài)承載力，存在生態(tài)盈余。

根據(jù)遙感解譯的2000，2005，2010，2015年4期的土地利用類型圖，分別計(jì)算2000—2005，2005—2010，2010—2015年的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣和各類土地生態(tài)承載力。生態(tài)足跡計(jì)算時(shí)按生物資源消耗和能源消耗分為兩類：生物資源主要生態(tài)產(chǎn)品為糧食、甜菜、蔬菜、油料、水果、奶類、蛋類、豬肉、牛肉、羊肉、山羊毛、綿羊毛、羊絨和水產(chǎn)；能源消耗主要包括原煤、焦炭、洗精煤、汽油、天然氣、熱力和電力。根據(jù)2000，2005，2010，2015年《鄂爾多斯市統(tǒng)計(jì)年鑒》數(shù)據(jù)，計(jì)算4個(gè)時(shí)期生物資源產(chǎn)量及能源消費(fèi)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地覆被變化

分析2000—2005，2005—2010，2010—2015年鄂爾多斯市3個(gè)時(shí)段的土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣(見表1—3)。2000年到2005年，鄂爾多斯市草地轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入的面積較大，轉(zhuǎn)出面積為11 782 km2，主要轉(zhuǎn)為未利用土地和耕地；轉(zhuǎn)入面積為12 931 km2，主要來自未利用土地和耕地，草地總面積不斷增大。未利用土地的轉(zhuǎn)換也比較明顯，具體表現(xiàn)為轉(zhuǎn)出面積9 988 km2，主要轉(zhuǎn)為草地、耕地和水域；轉(zhuǎn)入面積為9 149 km2，主要來自草地和耕地，總面積表現(xiàn)為轉(zhuǎn)出大于轉(zhuǎn)入。耕地面積相對(duì)穩(wěn)定，轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出的數(shù)據(jù)相差不大。

表1 2000-2005年鄂爾多斯市土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表2 2005-2010年鄂爾多斯市土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表3 2010-2015年鄂爾多斯市土地利用類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2005—2010年，土地覆被變化空間轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)角線處數(shù)值最大，其他數(shù)值相對(duì)較小，土地利用類型相對(duì)穩(wěn)定。轉(zhuǎn)出的土地利用類型中，未利用土地類型面積最大(157 km2)，主要轉(zhuǎn)為草地和水域；轉(zhuǎn)入面積為13 km2，主要來自水域，總面積增加。轉(zhuǎn)入的土地利用類型中，草地轉(zhuǎn)入面積最大，其中轉(zhuǎn)入155 km2，轉(zhuǎn)出為40 km2，面積相對(duì)增加。建筑用地面積增加相對(duì)較多，其他土地利用類型整體上變化不大。

2010—2015年，土地覆被變化空間轉(zhuǎn)移矩陣面積變化不大，其中草地轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)入的面積相對(duì)較多，分別為661 km2和962 km2，草地面積相對(duì)增加。未利用土地轉(zhuǎn)入為101 km2，轉(zhuǎn)出為1 176 km2，主要轉(zhuǎn)出為草地，其次是林地和建筑用地。建筑用地面積轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出分別為643 km2和19 km2，轉(zhuǎn)入部分主要來自草地和未利用土地。

3.2 生態(tài)足跡

根據(jù)生態(tài)足跡公式和鄂爾多斯市2000—2015年的統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，計(jì)算其生物資源和能源消費(fèi)的生態(tài)總足跡及人均足跡(見表4—5)。結(jié)果表明：2000，2005，2010和2015年生物資源總足跡分別為2.07×106，3.76×106，4.18×106，4.43×106hm2，人均生物資源足跡分別為1.579，2.727，2.744，2.816 hm2/人，2000—2015年鄂爾多斯市生物資源總足跡和人均足跡均呈不斷增加的趨勢(shì)。2000，2005，2010和2015年能源消費(fèi)總足跡分別為2.60×106，7.50×106，2.60×107，3.84×107hm2，人均能源消費(fèi)足跡分別為1.977，5.439，17.039，24.415 hm2/人，2000—2015年能源消費(fèi)總足跡和人均足跡也呈不斷增加的趨勢(shì)。

在能源消費(fèi)足跡中主要以原煤需求為主，2000年占總能源消費(fèi)足跡的94%，2005年占比下降為85%，2010和2015年所占的比例相同為82%。原煤的消費(fèi)量遠(yuǎn)高于其他能源品種，這一方面說明鄂爾多斯市是一個(gè)以工業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的地區(qū)，對(duì)原煤需求量較大，同時(shí)也表明鄂爾多斯市作為中國(guó)的能源富集區(qū)，是煤炭資源的主要供應(yīng)地之一。

表4 2000-2015年鄂爾多斯市生物資源消費(fèi)賬戶

表5 2000-2015年鄂爾多斯市能源消費(fèi)賬戶

生物生產(chǎn)性土地面積以化石能源用地所占的比例最大，其后依次是草地、耕地、水域和建筑用地，林地所占比例最小?？梢姸鯛柖嗨故械陌l(fā)展主要以消耗自然資源為主，屬于資源型城市，草地是當(dāng)?shù)刂饕恋乩妙愋?，生物資源消耗以草地產(chǎn)品為主。生物生產(chǎn)性土地面積生態(tài)足跡變化情況計(jì)算結(jié)果表明：耕地、林地、草地、水域、建筑用地和化石能源用地的總足跡和人均生態(tài)足跡均呈增加趨勢(shì)。2000—2015年總生態(tài)足跡表現(xiàn)為21世紀(jì)前10 a生態(tài)足跡增加十分迅速，2005年生態(tài)足跡是2000年的2.41倍，2010年則為2005年的2.68倍，2010年后生態(tài)足跡增加速度相對(duì)放緩，2015年生態(tài)足跡為2010年的1.42倍?？v觀2000—2015年鄂爾多斯市生態(tài)足跡變化，2015年生態(tài)足跡為2000年的9.18倍，2000—2015年生態(tài)足跡年平均按15.93%的速率遞增，其增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)高于當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展水平，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大壓力。

3.3 生態(tài)承載力時(shí)空特征

根據(jù)土地利用類型、均衡因子和產(chǎn)量因子計(jì)算鄂爾多斯市2000—2015年的生態(tài)承載力。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：2000，2005，2010和2015年總生態(tài)承載力分別為：1.140×107,2.349×107,1.168×107,和1.365×107hm2。在生態(tài)承載力時(shí)間變化方面，生態(tài)承載力表現(xiàn)為以2005年最大，2015年次之，再次為2010年和2000年，表現(xiàn)為先增加后降低，再緩慢升高的特征。生態(tài)承載力的變化較多地受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響，具體表現(xiàn)為：研究時(shí)段內(nèi)隨著時(shí)間的變化，人力資源指數(shù)由2000年的0.55增加到2015年的0.68，處于不斷增加的趨勢(shì)；技術(shù)指數(shù)在2005年最大(0.79)，之后開始下降，2010年之后開始上升，2015年達(dá)到0.13；經(jīng)濟(jì)因素對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)影響較大，經(jīng)濟(jì)能力指數(shù)則2005年達(dá)到最大(1.50)，2000年和2010年基本相同為1.22，2015年相對(duì)最低為1.04，說明2000—2015年初期經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度較快，隨著時(shí)間的推移其增長(zhǎng)速度相對(duì)變緩，與經(jīng)濟(jì)能力指數(shù)相對(duì)應(yīng)，鄂爾多斯市總生態(tài)承載力呈相對(duì)降低的趨勢(shì)。

生態(tài)承載力絕對(duì)值表示圖斑尺度上由于土地利用變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)區(qū)域空間上變化的影響。分析生態(tài)承載力絕對(duì)值分布(見封2附圖6—9)表明：2000—2015年，鄂爾多斯市生態(tài)承載力絕對(duì)值表現(xiàn)為整體上逐漸上升的趨勢(shì)，但其增加幅度存在一定的差異。2000—2005年整個(gè)區(qū)域范圍增加了近1倍，這主要是由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的發(fā)展而使其生態(tài)承載力提高，2010—2015年雖然社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素一直提高，但生態(tài)承載力絕對(duì)值反而降低。生態(tài)承載力絕對(duì)值在空間變化方面存在較大的差異，2000年生態(tài)承載力絕對(duì)值高值區(qū)主要分布在杭錦旗的東北、西北和東南部；達(dá)拉特旗北部分布面積較大，在西南和東南地區(qū)及準(zhǔn)格爾旗、東勝區(qū)和伊金霍洛旗也有零散分布。2005年生態(tài)承載力絕對(duì)值高值區(qū)主要分布在杭錦旗東北、西北和東南部、達(dá)拉特旗北部、西南和東南部、準(zhǔn)格爾旗西部、東南部、東勝區(qū)和伊金霍洛旗中部，在烏審旗東部和東南部地區(qū)及鄂托克前旗中部和東南部也有零星的分布。2010年杭錦旗東北部、達(dá)拉特旗北部、西南和東南部、東勝區(qū)和準(zhǔn)格爾旗南部地區(qū)、伊金霍洛旗中部地區(qū)為生態(tài)承載力絕對(duì)值高值區(qū)。2015年生態(tài)承載力絕對(duì)值高值區(qū)主要分布于杭錦旗東北、東南部和達(dá)拉特旗北部、東勝區(qū)、準(zhǔn)格爾旗和伊金霍洛旗中部地區(qū)。總之，2000—2015年生態(tài)承載力絕對(duì)值空間差異主要是基于土地利用類型差異的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積不同，具體表現(xiàn)為同一時(shí)期耕地和建設(shè)用地集中區(qū)生態(tài)承載力絕對(duì)值相對(duì)較高，其次是林地、水域和草地，未利用土地相對(duì)最低。2000—2015年，隨著時(shí)間的推移，建筑用地和草地面積逐漸增加，而未利用土地面積逐漸減少，對(duì)應(yīng)到空間分布上表現(xiàn)為草地在各個(gè)旗區(qū)分布較廣，其生態(tài)承載力絕對(duì)值相對(duì)較低，鄂爾多斯東北和北部地區(qū)由于耕地和林地分布相對(duì)較多，其生態(tài)承載力絕對(duì)值相對(duì)較高。

利用生態(tài)承載力絕對(duì)值、人均生態(tài)生產(chǎn)面積和人口數(shù)量等數(shù)據(jù)，計(jì)算鄂爾多斯市2000—2015年各旗區(qū)的人均生態(tài)承載力(見圖1)和總生態(tài)承載力(見圖2)。結(jié)果表明：2000年人均生態(tài)承載力以杭錦旗最高(15.41 hm2/人)，東勝區(qū)次之(12.74 hm2/人)，伊金霍洛旗相對(duì)最低(6.77 hm2/人)；2005年除東勝區(qū)外其他旗均有所增加，其中以烏審旗增加幅度最大(為2000年的2.13倍)，2005年人均生態(tài)承載力在數(shù)值差異方面以杭錦旗最高(29.63 hm2/人)，鄂托克旗次之(21.95 hm2/人)，東勝區(qū)最低為7.31 hm2/人；2010人均生態(tài)承載力和2005年相比均表現(xiàn)出大幅度下降，其中以準(zhǔn)格爾旗下降最大，人均生態(tài)承載力以杭錦旗最高(13.40 hm2/人)，鄂托克旗次之(10.42 hm2/人)，東勝區(qū)最低(3.23 hm2/人)；2015年各旗區(qū)人均生態(tài)承載力高于2010年，其中以伊金霍洛旗增加幅度最大(為2010年的1.30倍)，準(zhǔn)格爾旗增加幅度最小(為2010年的1.09倍)，人均生態(tài)承載力以杭錦旗最高(15.58 hm2/人)，鄂托克旗次之(12.27 hm2/人)，東勝區(qū)最低(3.76 hm2/人)。綜觀2000—2015年各旗區(qū)人均生態(tài)承載力變化，空間差異主要表現(xiàn)為杭錦旗相對(duì)最高，其次是鄂托克旗、準(zhǔn)格爾旗，時(shí)間變化表現(xiàn)為先增加、后減少、再增加的特征。鄂爾多斯市各旗區(qū)人均生態(tài)承載力的變化主要由不同利用類型土地面積和人口數(shù)量決定。不同土地利用類型中，耕地和建筑用地的均衡因子和產(chǎn)量因子相對(duì)較高，對(duì)應(yīng)到不同旗區(qū)，杭錦旗耕地和建筑用地約占鄂爾多斯市總面積的4.23%～4.52%，低于達(dá)拉特旗(6.62%～7.24%)和準(zhǔn)格爾旗(7.16%～7.83%)，但由于該旗人口密度較低(7～8 人/km2)，使其人均生態(tài)承載力相對(duì)較高；鄂托克旗雖然耕地和建筑用地面積占比僅大于鄂托克前旗，但由于其人口密度在全市相對(duì)最低(4～5 人/km2)，使其人均生態(tài)承載力次于杭錦旗，在全市處于較高的水平。東勝區(qū)耕地和建筑用地面積占比為2.11%～2.50%，是鄂爾多斯市經(jīng)濟(jì)、科技和文化中心，人口密度相對(duì)最高(75～111 人/km2)，人口密度高在一定程度上對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生壓力較大，使人均生態(tài)承載力相對(duì)最低。

圖1 2000-2015年鄂爾多斯市各旗(區(qū))人均生態(tài)承載力

圖2 2000-2015年鄂爾多斯市各旗(區(qū))總生態(tài)承載力

各旗區(qū)總生態(tài)承載力也存在較大差異，2000，2005，2010，2015年各旗區(qū)總生態(tài)承載力表現(xiàn)為：2005年總生態(tài)承載力相對(duì)最高、2015年次之，2005年明顯高于2010年和2000年；各旗區(qū)總生態(tài)承載力表現(xiàn)出升高—降低—升高的變化特征。2000年各旗區(qū)總生態(tài)承載力相對(duì)較低，其數(shù)值僅為2005年的48.93%，生態(tài)承載力提升潛力較大。在各旗區(qū)橫向比較方面，2000—2015年各旗區(qū)總生態(tài)承載力以準(zhǔn)格爾旗相對(duì)最高，達(dá)拉特旗次之，再次為杭錦旗，鄂托克旗、伊金霍洛旗和東勝區(qū)總生態(tài)承載力相差不大，烏審旗的總生態(tài)承載力較低，鄂托克前旗則相對(duì)最低(僅相當(dāng)于準(zhǔn)格爾旗的20.53%)。

3.4 生態(tài)盈虧

根據(jù)計(jì)算的生態(tài)足跡和總生態(tài)承載力，計(jì)算鄂爾多斯市2000-2015年生態(tài)盈虧情況(見表6)。結(jié)果表明：鄂爾多斯市2000年到2005年處于生態(tài)盈余狀態(tài)，2000年生態(tài)承載力為生態(tài)足跡的2.44倍；2005年到2015年由生態(tài)盈余轉(zhuǎn)為生態(tài)赤字，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展生態(tài)赤字逐漸增加，2015年生態(tài)足跡是生態(tài)承載力的3.12倍。在人均生態(tài)足跡方面，2000年人均足跡為3.556 hm2/人，2005，2010，2015年分別為8.166，19.783，27.23 hm2/人，2000，2005，2010，2015年對(duì)應(yīng)的人均生態(tài)承載力分別為8.686，17.046，7.687， 8.645 hm2/人。人均生態(tài)足跡快速增加但人均生態(tài)承載力卻呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，2005年后人口對(duì)環(huán)境的壓力遠(yuǎn)大于生態(tài)承載力，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的健康發(fā)展施加了較多的不利影響。對(duì)應(yīng)到當(dāng)?shù)厝丝诤徒?jīng)濟(jì)發(fā)展變化方面，2000—2015年鄂爾多斯市總?cè)丝谟?.31×106人增加到1.57×106人，人口增加率為19.85%； GDP從2000年1.50×1010元增加到2015年1.80×1012元，城鎮(zhèn)居民家庭平均每人每年消費(fèi)支出由4 499元增加到22 918元，分別增加了120.00倍和5.09倍，快速增加的人口以及經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、消費(fèi)水平持續(xù)提高所帶來的能耗和物耗增加可能是生態(tài)赤字產(chǎn)生的重要原因。

表6 2000-2015年鄂爾多斯市生態(tài)盈虧狀況 hm2

4 討論與結(jié)論

基于Landsat影像和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，采用生態(tài)足跡法對(duì)2000—2015年鄂爾多斯高原腹地鄂爾多斯市的生態(tài)承載力時(shí)空特征進(jìn)行研究，主要得出以下結(jié)論。

(1) 鄂爾多斯市土地利用類型中，以草地利用面積最大，其次是未利用土地和耕地。土地轉(zhuǎn)移矩陣分析表明：2000—2005年草地轉(zhuǎn)換面積較大，總面積不斷增加；未利用土地轉(zhuǎn)換面積次之，面積趨于減少；耕地面積相對(duì)穩(wěn)定。2005—2015年土地利用類型相對(duì)穩(wěn)定，土地類型轉(zhuǎn)換變化較小，主要為未利用土地轉(zhuǎn)出為草地和建筑用地。

(2) 2000—2010年生態(tài)足跡迅速增加，2010年后增加速度相對(duì)放緩，2000—2015年總足跡和人均足跡均呈增加的趨勢(shì)，總生態(tài)足跡多年平均遞增速率為15.93%；6類生產(chǎn)性土地面積生態(tài)足跡中，以化石能源用地所占的比例最大，其后依次是草地、耕地、水域、建筑用地和林地。

(3) 生態(tài)承載力時(shí)間變化方面，以2005年最大、2015年和2010年次之、2000年相對(duì)最小，生態(tài)承載力呈先增加，后降低，再升高的特征。生態(tài)承載力空間變化方面，以準(zhǔn)格爾旗總生態(tài)承載力最高，其次是達(dá)拉特旗和杭錦旗，鄂托克前旗相對(duì)最低。

(4) 2000—2005年處于生態(tài)盈余狀態(tài)，2000年和2005年生態(tài)承載力分別為生態(tài)足跡的2.44和2.08倍；2005—2015年由生態(tài)盈余轉(zhuǎn)為生態(tài)赤字，且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展生態(tài)赤字不斷增加，2010年和2015年生態(tài)足跡分別為生態(tài)承載力的2.57和3.12倍，生態(tài)承載力處于嚴(yán)重透支狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展面臨著較大的挑戰(zhàn)。

生態(tài)承載力變化是地球表層大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈綜合作用的結(jié)果，鄂爾多斯高原承載力的大小既受到耕地資源、森林資源、草地資源、水資源、礦產(chǎn)資源等因素綜合影響外，人口數(shù)量、社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、居民的消費(fèi)習(xí)慣、環(huán)保意識(shí)以及科技進(jìn)步等因素也會(huì)對(duì)生態(tài)承載力的變化起著重要作用。以社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)為例，2005年由于技術(shù)指數(shù)和經(jīng)濟(jì)能力指數(shù)相對(duì)較高，其經(jīng)濟(jì)發(fā)展指數(shù)對(duì)總生態(tài)承載力的影響增加了1.068倍，2000年和2010年受到經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和國(guó)際金融危機(jī)大環(huán)境的影響，經(jīng)濟(jì)發(fā)展指數(shù)對(duì)總生態(tài)承載力的影響增加較低，分別為0.023和0.024。本研究采用遙感數(shù)據(jù)結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)對(duì)鄂爾多斯高原生態(tài)承載力時(shí)空特征，比傳統(tǒng)僅依靠統(tǒng)計(jì)年鑒進(jìn)行基于生態(tài)足跡法的生態(tài)承載力評(píng)價(jià)具有一定的進(jìn)步性，生態(tài)足跡法雖然考慮了不同的土地利用類型之間的差異，但是相同的土地利用類型(如耕地)由于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整或者噴灌、滴灌等技術(shù)使用，其產(chǎn)出和消耗能力可能存在較大的差異。如何結(jié)合當(dāng)?shù)赝恋乩妙愋停瑥闹脖活愋?、氣候資源、水資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)進(jìn)步等多角度入手，進(jìn)一步驗(yàn)證和修正承載力計(jì)算的均衡因子和產(chǎn)量因子，進(jìn)而科學(xué)評(píng)價(jià)地區(qū)、國(guó)家乃至全球尺度水平的生態(tài)承載力將是本研究的進(jìn)一步研究?jī)?nèi)容。