基于生態(tài)足跡模型的邕河流域生態(tài)狀況分析

王國重，李中原，程煥玲，張繼宇，楊 柳，劉占欣

（1.黃河水文水資源科學(xué)研究院，鄭州 450004；2.河南省水文水資源局，鄭州 450003；3.河南省水土保持監(jiān)測總站，鄭州 450008；4.河南黃河河務(wù)局，鄭州 450003；5.南陽市水土保持監(jiān)督監(jiān)測站，河南 南陽 473000）

生態(tài)安全是維護(hù)區(qū)域、國家乃至全球生態(tài)環(huán)境不受威脅的狀態(tài)，是生態(tài)系統(tǒng)整體健康性和完整性水平的反映［1，2］。作為區(qū)域、國家或其他安全的基礎(chǔ)和載體，生態(tài)環(huán)境一旦受到污染或者退化，就破壞了人與自然的和諧，從而危及區(qū)域、國家的可持續(xù)發(fā)展。因此，科學(xué)地評(píng)估區(qū)域生態(tài)安全、測度人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的影響就成為學(xué)術(shù)界和政府部門研究的熱點(diǎn)。

目前，許多學(xué)者在多個(gè)方面對(duì)生態(tài)安全進(jìn)行了有益的探索，但主要理論性研究還是局限于國際通用的“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）”［3-5］及其改進(jìn)版“驅(qū)動(dòng)力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)（DPSIR）”［6-8］模型，通過選取評(píng)估指標(biāo)因子來構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)體系，然后采用模糊數(shù)學(xué)、綜合指數(shù)等方法進(jìn)行評(píng)估。由于評(píng)估因子的選擇、指標(biāo)權(quán)重的確定具有很大的主觀性，使得評(píng)估結(jié)果與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況難免有所偏差［9］。隨著生態(tài)足跡模型的提出與不斷完善，逐漸走向成熟，不少學(xué)者將其應(yīng)用于生態(tài)安全領(lǐng)域，陳世發(fā)［10］采用該模型評(píng)估了福州市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)1998—2007年的生態(tài)安全狀況，認(rèn)為由于不斷增加的人類活動(dòng)使其生態(tài)環(huán)境處于不安全狀態(tài)，需采取相應(yīng)的措施；黃世光［11］測算了福建省古田縣2006、2011、2016年的人均生態(tài)足跡和生態(tài)赤字，以分析其生態(tài)與可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r；王金榮［12］根據(jù)1991—2005年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，應(yīng)用生態(tài)足跡模型對(duì)內(nèi)蒙古各地市的生態(tài)安全進(jìn)行了評(píng)估；韓韋笑［13］將該模型與GIS技術(shù)相結(jié)合對(duì)祿豐縣的土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行分析，認(rèn)為該縣當(dāng)前的土地生態(tài)安全形勢嚴(yán)峻，亟需采用新的發(fā)展模式以保證經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

由以上分析和文獻(xiàn)搜索可知，生態(tài)足跡模型用于研究國家、區(qū)域?qū)用嫔鷳B(tài)安全的報(bào)道較多，但針對(duì)小流域方面的研究還比較少見。邕河小流域位于南陽市市區(qū)，2016年被河南省評(píng)為生態(tài)型清潔小流域，本研究嘗試采用生態(tài)足跡模型對(duì)其2016年的生態(tài)狀況進(jìn)行評(píng)估。

1 研究區(qū)概況

邕河發(fā)源于南陽市郊紫山的東南部，流經(jīng)獨(dú)山風(fēng)景區(qū)和達(dá)士營、邢營、白塔、沙崗店、釣魚臺(tái)等村，在周寨附近注入白河，河長18.61 km，流域面積34.5 km2［14］。流域?yàn)楠M長型、屬北亞熱帶大陸季風(fēng)氣候，四季分明。年均氣溫14.9℃，多年平均降雨量805.6 mm、多年平均徑流深230 mm，降雨年內(nèi)分布不均，6—8月降雨較為集中、約占全年的64%。流域土壤類型主要為黃棕壤、水稻土、沙壤土，平均土壤侵蝕模數(shù)為380 t/（km2·年），屬微度侵蝕；加之地形平坦、耕地采用小麥和玉米輪作方式并在周邊修建了農(nóng)田防護(hù)林，有效地遏制了水土流失、改善了流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展［15］。

邕河流域跨越南陽市的宛城、臥龍兩區(qū)，按照《南陽統(tǒng)計(jì)年鑒2017》，2016年末流域總?cè)丝?89.12萬，占全省總?cè)丝诘?.98%；國民生產(chǎn)總值536.351 5億元。

2 研究方法

2.1 生態(tài)足跡模型

生態(tài)足跡模型是加拿大學(xué)者William于1992年率先提出，并經(jīng)不斷完善而逐漸發(fā)展起來的定量測度人類對(duì)自然利用程度的新方法［16，17］，該模型將人類的各種消費(fèi)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的資源消耗量，再將資源消耗與收納人類產(chǎn)生的廢棄物歸結(jié)為具有生態(tài)生產(chǎn)力的耕地、林地、草地、建筑用地、水域和化石能源等6類用地的面積，可由公式表示如下。

式中，Sj為各類生態(tài)用地的面積（j=1，2，…，6）；Epi表示流域平均產(chǎn)量；CRi表示資源消耗量；i表示資源類型；Pi表示資源生產(chǎn)量；Ii表示資源進(jìn)口量；Ei表示資源出口量。

各類生態(tài)用地具有不同的生產(chǎn)力，將各類用地面積賦以相應(yīng)的均衡因子然后相加匯總就得到了區(qū)域的生態(tài)足跡，其計(jì)算如式（2）所示。均衡因子是在比較不同生態(tài)類型生物生產(chǎn)量的基礎(chǔ)上得到，國際上通用的耕地、草地、林地、建筑用地、水域、化石能源等用地均衡因子的取值分別為2.8、0.5、1.1、2.8、0.2、1.1［18］。

式中，EF為區(qū)域生態(tài)足跡；Si為各類生態(tài)用地的面積（i=1，2，…，6）；Qi為均衡因子。

2.2 生態(tài)承載力與生態(tài)盈余

生態(tài)承載力是指區(qū)域內(nèi)能夠供給人類的生態(tài)生產(chǎn)性土地總和，也稱生態(tài)總供給。不同國家與地區(qū)的資源稟賦不同，其各類用地單位面積上的生態(tài)生產(chǎn)能力相差很大，即便同種類型的生態(tài)用地，單位面積上的生產(chǎn)能力也有很大差別。為此引入產(chǎn)量因子以利于比較，各類用地面積乘以相應(yīng)的產(chǎn)量因子、均衡因子即為生態(tài)承載力，其計(jì)算公式如下。

式中，EC為區(qū)域總生態(tài)承載力；Gi為i類生態(tài)用地的產(chǎn)量因子，這里采用被廣泛應(yīng)用的Wackernagel等［19］的計(jì)算值；Si為各類生態(tài)用地的面積（i=1，2，…，6）；Qi為均衡因子。

生態(tài)盈余（ES）為生態(tài)承載力與生態(tài)足跡之差，如果ES＞0，代表區(qū)域生態(tài)可持續(xù)；ES＜0則說明其生態(tài)不可持續(xù)。

2.3 人均生態(tài)協(xié)調(diào)系數(shù)

人均生態(tài)協(xié)調(diào)系數(shù)能夠反映區(qū)域資源的稟賦狀況，可以彌補(bǔ)生態(tài)盈余的缺陷，公式表示如下。

式中，ds為人均生態(tài)協(xié)調(diào)系數(shù)；ec表示人均生態(tài)承載力；ef是人均生態(tài)足跡。由于ec、ef＞0，顯然有1≤ds≤1.414，若ds越接近1說明協(xié)調(diào)性越差，反之，越接近1.414意味著其協(xié)調(diào)性越好［20，21］。

2.4 安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

以人均生態(tài)盈余與人均生態(tài)足跡的比值（安全指數(shù)）作為評(píng)估依據(jù)，依據(jù)文獻(xiàn)［17］將區(qū)域生態(tài)安全狀況劃分為病態(tài)、不安全、較安全、安全、極安全5個(gè)等級(jí)，如表1所示。

表1 生態(tài)安全分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

式中，B為安全指數(shù)；es為人均生態(tài)盈余；其他符號(hào)意義同前。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)足跡需求

邕河流域生態(tài)足跡需求包括生物資源消費(fèi)的生態(tài)足跡和能源消費(fèi)的生態(tài)足跡兩部分，前者主要為農(nóng)產(chǎn)品、林產(chǎn)品、動(dòng)物產(chǎn)品，后者則為煤炭、汽油、柴油、液化氣、天然氣、電力等，各類能源足跡面積轉(zhuǎn)換系數(shù)由文獻(xiàn)［22］確定。邕河流域生物資源消費(fèi)的生態(tài)足跡如表2所示，流域農(nóng)產(chǎn)品消費(fèi)類型主要是小麥、玉米、稻谷、紅薯、大豆、花生、蔬菜、芝麻、西瓜，相應(yīng)的生態(tài)類型為耕地；林產(chǎn)品類型是蘋果、梨、桃、柿子、棗、葡萄、木材等，其生態(tài)類型為林地；動(dòng)物產(chǎn)品以豬肉、羊肉、牛肉、奶類、禽肉、禽蛋為主，生態(tài)類型為草地；水產(chǎn)品主要是各種魚類、蝦類、水生植物的消費(fèi)，對(duì)應(yīng)生態(tài)類型為水域。能源消費(fèi)的生態(tài)足跡如表3所示，流域能源消費(fèi)類型主要是煤炭、汽油、柴油、液化氣、天然氣、電力等，其中，煤炭的人均消費(fèi)量最高，其次是電力、天然氣，汽油的消費(fèi)量最低。

表2 邕河流域2016年生物資源消費(fèi)的生態(tài)足跡

表3 邕河流域2016年能源消費(fèi)的生態(tài)足跡

3.2 生態(tài)足跡測算

邕河流域2016年生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的計(jì)算結(jié)果見表4。按照世界環(huán)境與發(fā)展委員會(huì)（WCED）要求［23］，應(yīng)將12%的生態(tài)生產(chǎn)用地用于生物多樣性保護(hù)，生態(tài)承載力計(jì)算時(shí)考慮了這部分面積。由表4可知，2016年邕河流域人均生態(tài)足跡為0.499 12 hm2，而實(shí)際的生物承載力是0.265 96 hm2，人均生態(tài)盈余為-0.233 16 hm2。

表4 邕河流域2016年生態(tài)足跡和生態(tài)承載力

3.3 生態(tài)安全評(píng)估

通過對(duì)邕河流域2016年人均生態(tài)足跡、人均生態(tài)承載力、人均生態(tài)盈余的分析比較，并結(jié)合式（5）可知，該流域2016年的安全指數(shù)為-0.467 14，處于不安全等級(jí)（表5）。

表5 邕河流域2016年人均生態(tài)足跡及其盈余

3.4 討論

ES＜0表明該流域從自然界獲取的資源量高于其生態(tài)供給量，由于其人均生態(tài)盈余大于-0.995 hm2，參照可持續(xù)發(fā)展程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［24，25］，其發(fā)展程度為弱不可持續(xù)狀態(tài)，原因在于其發(fā)展模式是依靠自身的資源存量，難以持續(xù)；其人均生態(tài)協(xié)調(diào)系數(shù)為1.352 78，即ds＜1.414，表明流域的生態(tài)處于不協(xié)調(diào)狀態(tài)。邕河流域人均生態(tài)足跡最多的是化石燃料，達(dá)0.388 08 hm2，其次是耕地、建筑用地、林地、水域、草地；耕地的生態(tài)供給面積最多，達(dá)0.256 66 hm2/人，為需求的2.91倍；草地的供需矛盾最為突出，究其原因，一是邕河流域牧草地資源匱乏，二是由于生活水準(zhǔn)的提升群眾對(duì)動(dòng)物產(chǎn)品的消費(fèi)量也隨之增加。

4 小結(jié)

基于生態(tài)足跡模型，結(jié)合邕河流域的實(shí)際對(duì)其2016年的生態(tài)安全狀況進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明，其生態(tài)系統(tǒng)是不協(xié)調(diào)的，生態(tài)處于不安全狀態(tài)，影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

由于資料原因，未能將流域水資源利用足跡納入模型；在能源足跡中只考慮了吸收CO2所需用地面積，未考慮消納廢棄物所需的生態(tài)面積，故上述結(jié)果只能是一種樂觀的保守估計(jì)。在生態(tài)不協(xié)調(diào)、生態(tài)負(fù)盈余的情況下，針對(duì)邕河流域未來的發(fā)展而言，首先，需要改變當(dāng)?shù)厝罕姷纳盍?xí)慣和消費(fèi)方式，重視對(duì)自然資源的節(jié)約與保護(hù)；其次，要控制人口數(shù)量，提升人口質(zhì)量、依靠科技進(jìn)步，提高單位面積自然資源的產(chǎn)量；最后，要善于發(fā)揮當(dāng)?shù)刭Y源優(yōu)勢，高效利用現(xiàn)有資源存量。