基于生態(tài)足跡的琿春市生態(tài)承載力分析

焉恒琦,金日,朱衛(wèi)紅*,王宗明,,毛德華

(1.延邊大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院 濕地生態(tài)功能與生態(tài)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 延吉 133002；2.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130102)

0 引言

近年來(lái)，隨著城市化與工業(yè)化進(jìn)程不斷地加快，土地的生態(tài)問題日益突出，因此土地生態(tài)安全問題受到人們的關(guān)注.生態(tài)足跡(ecological footprint)理論最早由W.E.Rees[1]提出，該理論可對(duì)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行定量測(cè)算，且計(jì)算簡(jiǎn)單，因此該理論常被學(xué)者用以預(yù)測(cè)某一國(guó)家或地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展程度.2000年，張志強(qiáng)等[2]首次將生態(tài)足跡的概念引入國(guó)內(nèi)，并隨后利用該理論對(duì)2000年中國(guó)西部12省(區(qū)市)的生態(tài)足跡[3]和甘肅省1998年的生態(tài)足跡[4]進(jìn)行了研究.隨著生態(tài)足跡理論的不斷應(yīng)用，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)利用生態(tài)足跡理論研究土地生態(tài)承載力時(shí)會(huì)存在一些問題，如生物生產(chǎn)性面積的確定以及均衡因子和產(chǎn)量因子的選取等.為此，研究者對(duì)生態(tài)足跡理論的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化.例如：熊德國(guó)等[5]利用生產(chǎn)性生態(tài)足跡測(cè)算了區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，并明確區(qū)分了生產(chǎn)性與消費(fèi)性的生態(tài)足跡；顧曉薇等[6]利用國(guó)家公頃代替全球公頃對(duì)沈陽(yáng)市的生態(tài)足跡進(jìn)行了計(jì)算與分析；劉某承等[7-8]利用凈初級(jí)生產(chǎn)力計(jì)算了我國(guó)的均衡因子和產(chǎn)量因子等.上述優(yōu)化方法不僅完善了生態(tài)足跡理論，也使得該方法的評(píng)價(jià)結(jié)果更為客觀合理.

2006年，趙先貴等[9]首次提出了生態(tài)壓力這一概念，該概念可以很好地反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境的承壓程度.2013年，黃海等[10]依據(jù)生態(tài)足跡理論并結(jié)合生態(tài)壓力指數(shù)對(duì)重慶市合川區(qū)的土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明采用生態(tài)足跡理論進(jìn)行區(qū)域土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)是科學(xué)有效的.基于此，本文以琿春市為研究對(duì)象，利用生態(tài)足跡模型并結(jié)合RS與GIS，定量計(jì)算2006年和2017年琿春市的生態(tài)足跡與生態(tài)承載力，并對(duì)其土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為琿春市的可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù).

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

琿春市位于吉林省東部(東經(jīng)130°03′～131°18′，北緯42°25′～ 43°30′)，地處中、朝、俄三國(guó)交界，如圖1所示.琿春市的地貌主要包括山地、丘陵、盆地3個(gè)梯度[11]，其東、南和北部以山地為主，主要分布的是針葉林和針闊混交林，西部是琿春河沖積平原[12].琿春市作為我國(guó)唯一處在中、朝、俄交界的邊境城市，目前已成為東北亞地區(qū)合作的重要平臺(tái).

圖1 研究區(qū)的地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

研究數(shù)據(jù)通過以下方式獲取:①選取2006年和2017年的Landsat TM/OLI遙感影像(表1)作為本研究中土地覆被信息提取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，影像在美國(guó)地質(zhì)勘探局(USGS)官方網(wǎng)站(http：//glovis.usgs.gov/)下載獲得.遙感解譯所選用的影像均為所對(duì)應(yīng)的年份(5月下旬到9月).②通過琿春市統(tǒng)計(jì)年鑒、統(tǒng)計(jì)公報(bào)和中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒獲取生物資源和能源資源消費(fèi)數(shù)據(jù)以及人口等數(shù)據(jù).③均衡因子和產(chǎn)量因子均參考相關(guān)文獻(xiàn)獲取.

表1 所用遙感影像的信息

獲得遙感影像數(shù)據(jù)后，首先對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，包括輻射校正、大氣校正.預(yù)處理通過ENVI 5.3的Radiometric Calibration工具和FLAASH工具實(shí)現(xiàn).完成預(yù)處理后以1∶5萬(wàn)地形圖為基準(zhǔn)，對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何糾正，并將誤差控制在1個(gè)像元以內(nèi).最后根據(jù)研究區(qū)的范圍對(duì)影像進(jìn)行拼接和裁剪.參照國(guó)家土地覆被圖集的分類系統(tǒng)[13]并結(jié)合本研究目的，確定本研究區(qū)的土地覆被分類系統(tǒng).確定的系統(tǒng)包括林地、草地、耕地(旱地和水田)、建設(shè)用地(居住地和交通用地)、水域(河流、湖泊、水庫(kù)、坑塘、運(yùn)河與水渠)、化石能源用地與其他用地共7種類型.因其他土地類型包含的是沒有生產(chǎn)能力的土地，如沙地、裸土等，因此本文在研究中不考慮該土地類型.

2 研究方法

2.1 分類方法與驗(yàn)證

分類土地覆被數(shù)據(jù)時(shí)，首先運(yùn)用e Cognition Developer 9.0軟件中的面向?qū)ο蠊δ芤约澳恳暯庾g的分類方法，并結(jié)合NDVI、NDWI和NDBI等指數(shù)，得到2017年琿春市土地覆被的初步結(jié)果；然后通過對(duì)初步結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和修改，得到最終的2017年琿春市的土地覆被數(shù)據(jù)；最后對(duì)照2006年琿春市Landsat TM遙感影像修改最終的2017年琿春市的土地覆被數(shù)據(jù)，以此得到最終的2006年琿春市的土地覆被數(shù)據(jù).本文采用實(shí)地考察得到的GPS驗(yàn)證點(diǎn)和采樣點(diǎn)分別對(duì)2006年和2017年的最終土地覆被數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢驗(yàn).

2.2 生態(tài)足跡模型

生態(tài)足跡模型包括生態(tài)足跡和生態(tài)承載力兩部分.其中生態(tài)足跡能較好地揭示地區(qū)人口、資源、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系，還可判斷城市可持續(xù)發(fā)展的程度.計(jì)算生態(tài)足跡時(shí)，需確定絕大多數(shù)消費(fèi)資源及其產(chǎn)生廢棄物的量，然后將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的生物生產(chǎn)性面積[14].生態(tài)足跡的計(jì)算公式[15]為

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，ct為第t種消費(fèi)品的消費(fèi)量，pt為第t種消費(fèi)品全國(guó)年平均生產(chǎn)量，t為消費(fèi)品和所投入的類型，rk為第k類生物生產(chǎn)性土地的均衡因子.

2.3 生態(tài)承載力模型

生態(tài)承載力是指一個(gè)地區(qū)所能提供給人類的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積的總和，即一個(gè)地區(qū)環(huán)境所能承受來(lái)自人類生活壓力的閾值，是生態(tài)足跡理論的核心內(nèi)容之一[16].依據(jù)世界環(huán)境與發(fā)展委員會(huì)報(bào)告，計(jì)算生態(tài)承載力時(shí)，需至少要留出12%的生物生產(chǎn)性土地面積來(lái)保護(hù)生物多樣性.生態(tài)承載力的計(jì)算公式為

EC=(1-12%)×N×ec=

式中:EC為生態(tài)承載力，N為人口數(shù)，ec為人均生態(tài)承載力，ai為第i類生物生產(chǎn)性人均土地面積，yk為第k類生物生產(chǎn)性土地的產(chǎn)量因子.

2.4 生態(tài)壓力指數(shù)模型

生態(tài)壓力指數(shù)(ecological tension index)是某一國(guó)家或地區(qū)可更新資源的人均生態(tài)足跡與人均生態(tài)承載力的比值，表示生態(tài)環(huán)境承載壓力的程度[17].因化石能源屬于不可再生能源，所以本文不將化石能源列入計(jì)算生態(tài)壓力指數(shù)范圍內(nèi).生態(tài)壓力指數(shù)的計(jì)算公式為

ETI=ef/ec.

式中:ETI表示生態(tài)壓力指數(shù)，ef表示人均生態(tài)足跡，ec表示人均生態(tài)承載力.ETI指數(shù)越大，表明該地區(qū)的土地生態(tài)壓力越大，土地生態(tài)安全性越差；反之，表明土地生態(tài)安全性越好.本文根據(jù)文獻(xiàn)[18]對(duì)生態(tài)壓力指數(shù)進(jìn)行等級(jí)劃分，如表2所示.

表2 生態(tài)壓力指數(shù)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 土地覆被分類結(jié)果

利用GPS驗(yàn)證點(diǎn)和采樣點(diǎn)等數(shù)據(jù)分別對(duì)2006年和2017年的土地覆被數(shù)據(jù)進(jìn)行混淆矩陣檢驗(yàn)顯示，2期的土地覆被數(shù)據(jù)的總體精度、用戶精度和生產(chǎn)者精度均在85%以上，且kappa系數(shù)為0.88.上述結(jié)果表明，本文所用的土地覆被數(shù)據(jù)的精度可以滿足研究需要.2006年和2017年的琿春市土地覆被空間格局如圖2所示.

圖2 2006年和2017年的琿春市土地覆被空間格局

3.2 琿春市土地生態(tài)承載力評(píng)價(jià)

3.2.1均衡因子與產(chǎn)量因子的確定 由于不同生產(chǎn)性土地的生產(chǎn)力不同，因此計(jì)算生態(tài)足跡時(shí)，需將不同生產(chǎn)性土地的生產(chǎn)力轉(zhuǎn)換為有可比性的生物生產(chǎn)性的土地面積，轉(zhuǎn)換過程中使用的參數(shù)即為均衡因子[19].根據(jù)琿春市的土地生產(chǎn)狀況，本文采用劉某承等[7]提出的中國(guó)均衡因子計(jì)算琿春市的生態(tài)足跡.

由于區(qū)域內(nèi)各土地類型與消費(fèi)項(xiàng)目的生產(chǎn)能力不同，為保持生產(chǎn)能力與供給能力測(cè)算的一致性，本文利用均衡因子和產(chǎn)量因子將其轉(zhuǎn)化為生態(tài)承載力,其中產(chǎn)量因子采用劉某承等[7]根據(jù)全國(guó)不同生態(tài)系統(tǒng)NPP 測(cè)算出的產(chǎn)量因子.

3.2.2生態(tài)足跡的計(jì)算結(jié)果及分析 生態(tài)足跡主要包括生物資源消費(fèi)、能源消費(fèi)和貿(mào)易調(diào)整3個(gè)部分，但因進(jìn)出口所占生態(tài)足跡的比例較小，且數(shù)據(jù)存在缺失，所以本文不考慮貿(mào)易調(diào)整部分.根據(jù)琿春市的統(tǒng)計(jì)年鑒和統(tǒng)計(jì)公報(bào)，琿春市的生物資源消費(fèi)主要有農(nóng)產(chǎn)品、動(dòng)物產(chǎn)品、林產(chǎn)品和水產(chǎn)品，其中每一部分又包括不同的消費(fèi)項(xiàng)目，結(jié)果如表3和表4所示.為減少誤差，計(jì)算生態(tài)足跡時(shí)本文采用全國(guó)平均產(chǎn)量，并以世界上單位化石能源土地面積的平均發(fā)熱量為標(biāo)準(zhǔn)，將能源消費(fèi)(原煤和發(fā)電)折算成相應(yīng)的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積，結(jié)果如表3和表4所示.將計(jì)算得出的生物能源消費(fèi)的生態(tài)足跡和能源消費(fèi)的生態(tài)足跡進(jìn)行匯總，得到琿春市2006年和2017年的人均生態(tài)足跡，如表5所示.

由表3和表4可知：在耕地類型中，禽蛋的消費(fèi)最多，其人均生態(tài)足跡在2006年和2017年分別為1.907 7 hm2/人和0.633 0 hm2/人；其次為豬肉，分別為0.560 5 hm2/人和0.300 5 hm2/人.在草地類型中，牛肉的消費(fèi)最多，2006年和2017年的人均生態(tài)足跡分別為0.745 9 hm2/人和0.505 1 hm2/人；其次是羊肉，分別為0.044 6 hm2/人和0.031 3 hm2/人.原煤為琿春市人均生態(tài)足跡中最大的消費(fèi)項(xiàng)目，2006年和2017年分別為6.575 3 hm2/人和9.934 2 hm2/人.其原因一是冬季供暖需要消耗大量煤炭，二是工業(yè)對(duì)原煤的需求量較大.

表3 2006年琿春市生物資源與能源資源的消費(fèi)情況

表4 2017年琿春市的生物資源與能源資源的消費(fèi)情況

表5顯示，2006—2017年琿春市的人均生態(tài)足跡需求呈增加的趨勢(shì)，即從2006年的10.116 hm2/人增加到2017年的11.667 hm2/人(年均增加0.141 hm2/人)，提高了13.29%，增速約為1.21%.該結(jié)果表明琿春市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)足跡需求呈正相關(guān).在6種生態(tài)生產(chǎn)性土地類型中，增幅最大的為化石能源用地與建筑用地，其原因是城市化進(jìn)程增加了對(duì)化石能源用地和建筑用地的需求；其次是水域和林地，但增幅不大.耕地與草地的人均生態(tài)足跡呈下降趨勢(shì)，其中耕地的人均生態(tài)足跡由2006年的2.665 hm2/人，降到2017年的1.119 hm2/人，降幅達(dá)到58.01%，該結(jié)果可能與2017年一些農(nóng)作物的減產(chǎn)有關(guān)；草地的人均生態(tài)足跡由2006年的0.817 hm2/人降到2017年的0.538 hm2/人，降幅達(dá)到34.15%，該結(jié)果可能與政府實(shí)施的生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策相關(guān).

表5 2006年和2017年琿春市的生態(tài)足跡

3.2.3生態(tài)承載力的計(jì)算分析 由表6和表7可以看出，琿春市的土地生態(tài)承載力由2006年的2.89 hm2/人下降到2017年的2.76 hm2/人，降幅為4.50%(年均降幅為0.41%).從各土地類型占生態(tài)承載力的比例來(lái)看，11年間琿春市林地與耕地的人均生態(tài)承載力的所占比例略呈下降趨勢(shì)(年平均分別下降為0.009 hm2/人和0.003 hm2/人)，但林地和耕地一直占琿春市生態(tài)承載力的95%以上；建設(shè)用地和草地在11年間呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增加的不明顯.11年間琿春市的水域呈下降趨勢(shì)，但下降趨勢(shì)較弱.以上數(shù)據(jù)表明琿春市的人均生態(tài)承載力系統(tǒng)呈略微下降趨勢(shì)，但仍處于可控狀態(tài).琿春市人均生態(tài)承載力系統(tǒng)下降的原因主要是由建筑用地和人口增加所致.

表6 2006年琿春市的生態(tài)承載力

表7 2017年琿春市的生態(tài)承載力

3.3 生態(tài)壓力指數(shù)的分析

利用琿春市人均生態(tài)足跡與生態(tài)承載力的數(shù)據(jù)，計(jì)算琿春市的生態(tài)壓力指數(shù).計(jì)算結(jié)果顯示，2006年的生態(tài)壓力指數(shù)為1.23，2017年的生態(tài)壓力指數(shù)為0.63.由表2可知，琿春市的土地生態(tài)安全已從2006年的較為不安全轉(zhuǎn)變?yōu)?017年的較為安全.琿春市的土地生態(tài)安全轉(zhuǎn)好的原因與琿春市政府近年來(lái)實(shí)施的環(huán)境保護(hù)政策及2017東北虎豹國(guó)家公園的建立密切相關(guān).

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明：①琿春市2006年和2017年的人均生態(tài)足跡分別為10.116 hm2/人和11.667 hm2/人，人均生態(tài)承載力分別為2.89 hm2/人和2.76 hm2/人，這表明琿春市的土地利用處于透支狀態(tài).②剔除化石能源用地生態(tài)足跡的影響后，琿春市2006年和2017年的生態(tài)壓力指數(shù)分別為1.23和0.63，表明琿春市的土地生態(tài)安全已由不安全轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為安全，即土地生態(tài)安全呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì).本文研究結(jié)果可為琿春市今后的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)提供參考.本文在研究中未能考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展與科技進(jìn)步對(duì)生態(tài)承載力的影響，以及缺少對(duì)研究區(qū)域空間變化的分析等，因此在今后的研究中我們將結(jié)合更多的影響因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)，以此建立更為完善的評(píng)價(jià)體系和評(píng)價(jià)方法.