一種生態(tài)足跡的地理可視化方法
——以湖北省為例

張健航，周榮琪，趙雨馨

武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430070

隨著經(jīng)濟、社會的發(fā)展，環(huán)境污染、資源短缺等逐漸，成為世界性的生態(tài)環(huán)境問題，引起了社會各界的廣泛關注，各國學者也開展了深入的研究。1992年生態(tài)足跡理論被首次提出，作為一種非貨幣的生態(tài)系統(tǒng)評價工具，憑借其良好的可比性與人地理念，生態(tài)足跡理論迅速被大家所接受[1]。1999年生態(tài)足跡理論首次被引入國內，國內外學者結合實際情況，開展了大量的各層次的研究。研究主要在以下3 個方面進行：1）生態(tài)足跡中國化的過程。針對中國的國情，對產(chǎn)量因子、均衡因子進行改進[2，3]，提出了“國家公頃”“省公頃”等計量單位[4，5]，使生態(tài)足跡理論更加貼合中國的實際情況；2）生態(tài)足跡的研究方法，角度的擴展。提出了碳足跡等“足跡家族”概念[6-8]，引入能值理論，三維生態(tài)足跡等新的計算方法[2，9-11]；3）生態(tài)足跡的時空分析、預測、驅動力分析等。生態(tài)足跡的研究從原有對的靜態(tài)分析[12]，漸漸發(fā)展為時間趨勢分析[6，8，13-14]，使用相關分析、主成分分析等方法研究生態(tài)足跡的驅動因素[9-10，15-16]，結合“灰色模型”等預測方法對生態(tài)足跡的變化進行預測[17-19]。

作為一種生態(tài)經(jīng)濟學的研究方法，生態(tài)足跡理論提供了一整套完整的計算方法。但在生態(tài)足跡的空間分布方面研究較少，研究多以行政區(qū)為最小單元，進行生態(tài)足跡的空間格局研究，而忽略了行政單元內部的景觀的異質性。因此，本文在前人研究的基礎上，提出了一種生態(tài)足跡地理空間可視化的方法，可以為研究生態(tài)足跡空間分布與轉移支付提供一種新方法。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

湖北省位于中國中部腹地，長江橫貫東西，境內水網(wǎng)縱橫，湖泊密布。國土面積18.59 萬km2。2018年，湖北省實現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值39 366.55 億元，增長7.8%。近十年來的經(jīng)濟高速增長，消耗了大量的自然資源，其中很多是不可再生資源，也帶來了資源不合理利用，生態(tài)系統(tǒng)服務功能逐步下降等生態(tài)環(huán)境問題。如何測定并評價湖北省生態(tài)環(huán)境容量與生態(tài)占用，對湖北省完成“兩型社會”建設目標與制定合理的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有重要意義。

本研究中使用產(chǎn)量數(shù)據(jù)與能源消費數(shù)據(jù)來自《湖北統(tǒng)計年鑒》《中國能源年鑒》《中國城市統(tǒng)計年鑒》；均衡因子、產(chǎn)量因子指標來源于世界糧農(nóng)組織；遙感數(shù)據(jù)來源于NASA 發(fā)布的MODIS 產(chǎn)品（https://searthdata.nasa.gov/，MCD12Q1）；中國公里格網(wǎng)人口分布數(shù)據(jù)集來自中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn/）；夜光數(shù)據(jù)來源于美國國家海洋和大氣管理局（https://ngdc.noaa.gov/）。根據(jù)數(shù)據(jù)的可獲取性，選取了2010年進行生態(tài)足跡的空間可視化研究。

2 研究方法

2.1 生態(tài)足跡理論

生態(tài)足跡（Ecological Footprint，EF）指可供給區(qū)域內人口消耗的所有資源以及能夠吸納區(qū)域內所有廢棄物的生物生產(chǎn)力土地面積之和，計算方法如公式（1）所示：

式中，N為常住人口的總數(shù)；ef為人均生態(tài)足跡；γ為均衡因子；Ci為第i 項消費項目的年消費量；Pi為相應的世界年平均生產(chǎn)力。

生態(tài)承載力（Ecological Capacity，EC）是指生態(tài)系統(tǒng)對人類活動的支撐能力，主要表示生態(tài)系統(tǒng)所能承受的閾值，計算方法如公式（2）所示：

式中，ec為人均生態(tài)承載力；ai為第i 種生物生產(chǎn)面積；ri為均衡因子，yi為產(chǎn)量因子。均衡因子與產(chǎn)量因子見表1。

表1 均衡因子與產(chǎn)量因子Tab.1 Equivalent factors and yield factors

生態(tài)赤字（盈余）表示資源、能源消費和廢棄物排放所占用的生態(tài)系統(tǒng)規(guī)模同自己所擁有的生態(tài)容量之間的差額，通過公式（3）進行計算：

式中，ED為生態(tài)盈虧，若ED為正則表明出現(xiàn)生態(tài)盈余；若ED值為負則表明發(fā)生生態(tài)赤字。生態(tài)赤字表明該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展不可持續(xù)，反之生態(tài)盈余則表明生態(tài)還有包容社會經(jīng)濟發(fā)展的支撐能力。

2.2 生態(tài)足跡的可視化方法

由于遙感技術的發(fā)展，生態(tài)承載力中的各土地類型可以通過遙感影像判別，格網(wǎng)內的生態(tài)承載力可以使用MODIS 產(chǎn)品進行計算，計算方法如下：

式中，Eci表示第i 個格網(wǎng)內的生態(tài)承載力，aik表示格網(wǎng)內第i 個格網(wǎng)內第k 種生產(chǎn)性的土地面積。

“產(chǎn)出型”生態(tài)足跡：表征格網(wǎng)水平下，各用地類型上資源產(chǎn)出量的分布情況。在生態(tài)承載力的計算中，建設用地與耕地被認為有相同的生態(tài)承載力，但建設用地與耕地的資源產(chǎn)出情況存在很大差異，使用“產(chǎn)出型”生態(tài)足跡可以更好地描述不同用地類型下資源產(chǎn)出情況。其計算方法如下：

Efpi表示第i 個格網(wǎng)內“產(chǎn)出型”生態(tài)足跡，aij表示第i 個格網(wǎng)內第k 種用地類型的比例，EFk表示第k種用地類型對應的生態(tài)足跡，Ak表示第k種用地類型對應的實際面積。

“消費型”生態(tài)足跡：表征一個區(qū)域資源消費分布情況。生態(tài)足跡由人類活動產(chǎn)生，人類的每一次消費都會對應相應的生態(tài)足跡，可以通過計算格網(wǎng)內由人類活動而產(chǎn)生的生態(tài)足跡來描述其在地理空間的分布情況?！跋M型”生態(tài)足跡與人均生態(tài)足跡和格網(wǎng)內的人口數(shù)量有關。前人研究表明：生態(tài)足跡與居民消費水平、經(jīng)濟發(fā)展水平也有強相關性[15，20]；《中國生態(tài)足跡報告2010》指出，中國城鄉(xiāng)之間的人均生態(tài)足跡差異十分顯著，與農(nóng)村相比，城市需要更多的生物承載力來支持其生活模式[18]，這種差距可以使用城鄉(xiāng)間的消費水平差異進行體現(xiàn)。“消費型”生態(tài)足跡可以通過公式（6）進行計算：

Efi為“消費型”生態(tài)足跡，z為優(yōu)化變量，ri為第i 個格網(wǎng)內的居民消費水平，ri取值與格網(wǎng)屬于城鎮(zhèn)地區(qū)或農(nóng)村地區(qū)有關，li為居民平均消費水平。夜光影像常常被用來提取城市邊界，進而劃分出城鎮(zhèn)與農(nóng)村，這種方法在大范圍的提取城市時更加高效與便利[21]。在本文中，選用DMPS-OLS 夜光影像劃分城鎮(zhèn)地區(qū)與農(nóng)村地區(qū)，通過與《中國城市統(tǒng)計年鑒》城市建設面積比較，將亮度大于7 的地塊視為城鎮(zhèn)地區(qū)，其余地區(qū)視為農(nóng)村地區(qū)。

同樣的，在格網(wǎng)水平下也可以計算生態(tài)承載力與“產(chǎn)出型”生態(tài)足跡之間的差距，從而得到格網(wǎng)水平的生態(tài)盈虧，計算方法如公式（7）所示：

由于“消費型”生態(tài)足跡表征資源的消費分布情況，而“生產(chǎn)型”消費足跡表征資源的產(chǎn)出分布情況，計算其差值即可計算得到資源在區(qū)域內的流動情況，直觀地發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的資源供給量與消費量之間的差異，從而判斷某區(qū)域對外部資源的依賴程度，計算方法如公式（8）所示：

3 結果與分析

按照上述模型，首先計算根據(jù)生物賬戶與能源賬戶相應的生態(tài)足跡，再根據(jù)用地類型計算出相應的生態(tài)承載力，湖北省2010年生態(tài)足跡相關數(shù)據(jù)顯示（見表2）：2010年湖北省人均生態(tài)承載力0.3962 ghm2，人均生態(tài)足跡2.5655 ghm2，人均生態(tài)赤字2.1692 ghm2，生態(tài)赤字明顯，其中林地與建設用地存在少量的生態(tài)盈余；耕地、水域、草地與化石能源用地存在生態(tài)赤字?；茉从玫厣鷳B(tài)赤字達-1.0242 ghm2，幾乎占總生態(tài)赤字的一半。湖北省經(jīng)濟發(fā)展以資源大量消耗為代價，給生態(tài)環(huán)境帶來巨大的壓力。

表2 2010年湖北省各用地類型生態(tài)足跡計算結果Tab.2 Results of ecological footprints of different various land types in Hubei Province in 2010

使用ArcGIS 軟件對原始圖像進行分類計算，在對原始數(shù)據(jù)進行重采樣到1km 的基礎上進行柵格分析后，繪制2010年生態(tài)承載力與生態(tài)足跡空間分布圖（見圖1、圖2）。研究發(fā)現(xiàn)：

圖1 湖北省生態(tài)承載力空間分布Fig.1 Spatial distribution of ecological capacity in Hubei Province

1）生態(tài)承載力空間格局與地形地貌分布有關，呈現(xiàn)明顯的“東高西低”的空間格局（見圖1）。中東部地區(qū)地勢平坦，多被開發(fā)為耕地，生態(tài)承載力高；西部處于第二階梯，森林廣布，由于中國對森林的保護政策，西部大部分地區(qū)生態(tài)承載力不高，其中相對平緩的地區(qū)開發(fā)為耕地，具有較高的生態(tài)承載力；草地分布相對分散，多混雜在其他用地類型間，不易辨別，水域主要分布東南部地區(qū)，呈斑塊狀分布，生態(tài)承載力較低。不同類型的土地生產(chǎn)力不同，空間分布的差異，導致生態(tài)承載力的不均勻分布，這種差異的數(shù)量級在103。

2）“產(chǎn)出型”生態(tài)足跡與生態(tài)承載力的空間格局類似，但存在一些差異（見圖2（a））。位于第二階梯的西部林區(qū)“產(chǎn)出型”生態(tài)足跡較低；中部、東部的江漢平原的“產(chǎn)出型”生態(tài)足跡較高，提供了大量的資源。水域的“產(chǎn)出型”生態(tài)足跡最高，在2010年為湖北省提供了大量的水產(chǎn)品；建設用地“產(chǎn)出型”生態(tài)足跡較低，這與生態(tài)承載力的分布呈現(xiàn)出明顯差異。不同用地類型的資源產(chǎn)出量的不同，使“生產(chǎn)型”生態(tài)足跡的格局存在差異，這種差異達到104，相比于生態(tài)承載力，數(shù)量級的差異進一步增大，在部分地區(qū)，這種不對稱的“承載力-產(chǎn)出”加大了部分地區(qū)的生態(tài)壓力，這是導致生態(tài)承載力降低、生態(tài)惡化的主要原因。

3）“消費型”生態(tài)足跡的空間格局分布與行政區(qū)劃，經(jīng)濟發(fā)展水平高度有關。生態(tài)足跡最大值出現(xiàn)在武漢市，“武漢1+8 城市圈”與各地級市城市中心地帶為生態(tài)足跡高值區(qū)的主要分布地區(qū)；神農(nóng)架林區(qū)人口密度低，生態(tài)足跡最低；低值區(qū)分布在湖北省西部，荊門、宜昌、襄樊等地區(qū)，用地類型多為水體、林地、耕地，人口稀少，因此生態(tài)足跡相對較低?！跋M型”生態(tài)足跡出現(xiàn)了明顯的人口與經(jīng)濟的趨向性，經(jīng)濟發(fā)展水平越高地區(qū)，對人口的引力就越強，導致城市與農(nóng)村出現(xiàn)強烈的差異，這種差異的數(shù)量級達105。這也就表明：城鄉(xiāng)間發(fā)展不均衡與人口的聚集是導致區(qū)域生態(tài)足跡的生態(tài)格局出現(xiàn)差異的主要原因。

圖2 2010年湖北省生態(tài)足跡空間格局：（a）“產(chǎn)出型”生態(tài)足跡；（b）“消費型”生態(tài)足跡；（c）生態(tài)盈虧；（d）生態(tài)足跡轉移Fig.2 Spatial patterns of ecological footprints in Hubei Province in 2010: (a) "Output-type" ecological footprint； (b) "Consumer-type" ecological footprint； (c) Ecological profit and loss； (d) Ecological footprint transfer

4）生態(tài)赤字主要分布在東部與中部，用地類型表現(xiàn)為：水域、耕地、草地，其中水域，草地生態(tài)赤字巨大，存在生態(tài)惡化的風險；生態(tài)盈余主要分布在西部區(qū)、咸寧南部、黃岡東北部地區(qū)，用地類型表現(xiàn)為林地，還有可以開發(fā)利用的空間，在各地級市的城市中心地區(qū)有較高的生態(tài)盈余，城市建成區(qū)的實際土地生產(chǎn)價值并沒有完全開發(fā)，因而存在一定的生態(tài)盈余。

5）生態(tài)足跡流出地區(qū)分布在中部的荊門大部分地區(qū)、隨州的北部、襄陽與宜昌東部，少量零星分布于西部與東部等地區(qū)，用地類型表現(xiàn)為耕地、草地、水域，且多為農(nóng)村地區(qū)。由于人口、資源消費量較少，當?shù)禺a(chǎn)出的資源無法完全在本地消耗，成為資源的流出地區(qū)；生態(tài)足跡流入地區(qū)主要分布在東部“武漢1+8 城市圈”內、此外，在各地級市的城市建成區(qū)，也是生態(tài)足跡的主要流入地。東部地區(qū)與城市建成區(qū)由于人口數(shù)量大，城市居民的城市生活也需要消耗更多的資源，成為生態(tài)足跡最大的流入地區(qū)；西部地區(qū)耕地稀少，森林未完全開發(fā)，可以提供的資源量較少，人口數(shù)量也相對較少，但仍需依賴其他地區(qū)的資源，這也是導致湖北省西部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平被制約的原因之一。湖北省2010年人均生態(tài)赤字2.1692 ghm2，總體上需要其他地區(qū)的資源轉移來支持湖北省發(fā)展，觀察其空間格局，東部地區(qū)相對西部存在更大的資源缺口，這種東部與西部之間的差異，也是造成地區(qū)發(fā)展不平衡的主要原因。

4 結論與討論

4.1 結論

本文結合夜光數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)，研究了湖北省生態(tài)承載力與生態(tài)足跡的空間格局，并提出了“產(chǎn)出型”生態(tài)足跡與“消費型”生態(tài)足跡，并得出了以下結論：

1）2010年湖北省人均生態(tài)赤字2.1692 ghm2，生態(tài)足跡與生態(tài)承載力存在明顯差距，生態(tài)赤字明顯。水體，耕地，草地正面臨巨大的生態(tài)環(huán)境壓力。

2）湖北省生態(tài)承載力空間分布受地形地貌影響，空間格局表現(xiàn)為“東高西低”；“產(chǎn)出型”生態(tài)足跡總體上表現(xiàn)與生態(tài)承載力的空間格局表現(xiàn)一致，但受產(chǎn)量的影響，在建設用地與水域等用地類型上出現(xiàn)了與生承載力巨大的反差，這種反差加劇了地區(qū)間的差異；“消費型”生態(tài)足跡與人口分布和經(jīng)濟發(fā)展水平有關，總體上表現(xiàn)為“東高西低”，建設用地也有較高的分布，“消費型”生態(tài)足跡的地區(qū)差異進一步增大，地區(qū)發(fā)展不均衡與人口的聚集是導致生態(tài)足跡存在地區(qū)差異的主要原因。

3）空間生態(tài)盈虧的空間格局總體上表現(xiàn)為“東赤西盈”，西部的大范圍的林地與建設用地表現(xiàn)為盈余；其他用地類型表現(xiàn)為赤字，在水域草地等地赤字巨大，有生態(tài)惡化的風險；生態(tài)足跡轉移表明，資源在區(qū)域內流動存在方向性，大致從中部地區(qū)流向東部“武漢1+8 城市圈”、各城市建成區(qū)與西部地區(qū)，由于流出地區(qū)相對較小且轉移資源量少，實際上仍需要來自區(qū)域外的大量資源支撐湖北省的發(fā)展與建設。

4.2 討論

生態(tài)足跡起屬于生態(tài)經(jīng)濟學范疇，原有的研究方法多通過統(tǒng)計表圖的形式進行研究，而生態(tài)足跡實際上作用于實際的地表空間，統(tǒng)計圖表并不具備空間表達的能力，因此研究中往往會造成片面解讀，如在本文的水域的分析可以發(fā)現(xiàn)，統(tǒng)計指標與空間表達給出的生態(tài)赤字有很大差異，不同的統(tǒng)計口徑下往往可以得出不一樣的結果。本文提出的生態(tài)足跡的空間表示方法一定程度上緩解了這種問題。如將本文方法結合到生態(tài)足跡的時空角度研究中，可能會比行政單元作為最小研究單元有更好的分析與解釋效果。