甘南藏族自治州生态足迹与生态承载力分析

张佩佩, 董锁成, 李泽红, 马蓓蓓, 李飞



甘南藏族自治州生态足迹与生态承载力分析

张佩佩1,2, 董锁成2,*, 李泽红2, 马蓓蓓1, 李飞2

1. 陕西师范大学旅游与环境学院, 陕西西安 710062 2. 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101

运用生态足迹的各种计算模型和评价指数, 对甘南藏族自治州2000—2015年的生态足迹、生态承载力情况进行动态测算, 并且利用回归分析对2016—2025年的生态足迹与生态承载力变化趋势进行预测。研究表明: 2000—2015年甘南州人均生态足迹由1.2 hm2·cap–1上升到2.2 hm2·cap–1, 万元GDP生态足迹逐年下降, 人均生态承载力变化较小, 呈微减趋势; 整体上处于生态盈余状态, 但盈余在逐年递减; 生态足迹多样性指数在0.63—0.71之间平稳波动, 生态经济系统发展能力指数呈快速上升趋势; 生态环境由2000年的生态很安全强可持续性状态逐渐变为2015年的较安全弱可持续性状态; 预测显示甘南州自2018年开始出现生态赤字, 未来发展趋势不容乐观。若不采取有效措施, 其生态可持续发展状况将面临严峻的挑战。

生态足迹; 生态承载力; 甘南藏族自治州

1 前言

区域经济社会发展与生态环境关系密切, 实现区域的可持续发展需要考虑将发展保持在生态环境承载力的限度以内, 实现经济社会发展与生态环境和谐共生。目前评测生态环境承载力的方法主要有自然植被净第一性生产力估测法[1]、 综合评价法[2]、状态空间法[3]、系统模型法[4]、生态足迹法[5–18]等, 其中生态足迹法在国外相关研究中应用较为广泛[5–22], 既有对生态足迹方法本身进行的定性研究[5–6], 也有利用生态足迹模型对某一特定区域[7–9]的某个行业[10–11]或者某种资源[12]及其与其他变量的关系[9]进行实证测算的定量分析, 但是利用生态足迹模型对生态环境脆弱的高寒地区的研究并不鲜见。本研究以青藏高原生态服务价值高、功能多的战略性生态区域——甘南藏族自治州为研究区域, 充分利用生态足迹等模型定量测算并探讨甘南州生态足迹和生态承载力的纵向变化过程和特征, 分析该区域生态系统对经济社会发展的影响, 综合评价其生态容量, 以期为甘南州及其类似地区正确处理人口、资源、环境与经济社会发展之间的关系, 建设和发展生态城镇提供可持续性机制。

2 研究模型

2.1 生态足迹计算模型

生态足迹是指特定区域内一定数量的人群在一定时期内所消费的自然生态系统提供的资源与服务, 以及吸纳这些人群产生的废弃物所需要的生物生产性土地总面积[13]。在生态足迹计算账户中, 主要考虑耕地、林地、草地、水域、建设用地和化石能源用地等6种生物生产土地类型(表1)。其计算模型[13]为:

式中:为总生态足迹;为区域总人口数;为人均生态足迹; 为将生产能力各异的各类生态生产性土地面积均衡化, 用均衡因子r将其转换为具有等价生产力的土地面积, 其值采用WWF计算的数据(见表1);aa为第种消费项目的人均生态足迹量;c为第种消费项目的年人均消费量;p为第种消费项目的世界平均生产能力。

表1 甘南州生态足迹计算账户中的土地类型及其均衡因子与产量因子[19,23]

资源利用效率的高低对区域经济社会的可持续利用有重要影响, 有必要通过计算万元GDP生态足迹来衡量区域资源的利用水平和使用强度。万元GDP生态足迹越大表明区域生态资源利用效率越低, 反之, 利用效率越高[14]。计算公式为:

2.2 生态承载力计算模型

生态承载力的概念与生态足迹相对应, 是指特定区域所能提供的各种生物生产性土地面积的总和。为保护生物多样性, 需按照世界环境与发展委员会的建议, 扣除12%的生态承载力后计算出有效生态承载力。计算模型[13]为:

式中:为总生态承载力;为人均生态承载力;a为第种人均生态生产性面积;y为产量因子, 表示某地区某种土地的平均生态生产力与世界同种土地平均生态生产力的比例关系, 用以弥补土地单位面积生产能力的差异, 考虑到甘南州各年份的产量因子变化较小, 故采用同一产量因子进行计算(表1)。

2.3 生态赤字/盈余

生态承载力与生态足迹的差额为生态赤字, 用以判断区域生产消费活动对自然生态系统的压力是否在其承载力范围之内[15]。计算公式为:

式中:为生态赤字, 表明生态承载力与生态足迹之差为负, 区域人类生产消费活动超出了其生态环境容量;为生态盈余, 表明二者之差为正数, 区域自然生态系统供给能够满足人类生产消费需求, 生态承载力有富余。

2.4 生态足迹多样性指数和生态经济系统发展能力指数

生态足迹多样性指数用以反映整个生态系统的稳定性, 体现丰裕度和公平度, 用Shannon -Weaver公式计算[16]:

式中:为生态足迹多样性指数;P为第种土地类型占总的生态足迹的比例指数。各类土地的生态足迹在生态系统中的分配接近均衡, 生态系统的多样性越多, 稳定性越高。

假设特定区域的生态足迹是恒定的, 则这一区域的值越大, 其生态经济系统发展能力越强, 其值可通过Ulanowicz的公式[17]计算求得:

式中:为生态经济系统的发展能力指数, 可以很好地反映生态经济系统发展状况。

2.5 生态压力指数和生态足迹指数

生态压力指数是指特定区域内人均可更新资源生态足迹(即人均生物生态足迹)与人均生态承载力的比率, 用以反映区域生态环境的承压程度[18]。计算公式为:

式中:为生态压力指数, 可将其分为6个等级[18](表2);为可更新资源的人均生态足迹。

生态足迹指数是衡量区域生态可持续发展程度的指标, 可表述为净生物承载力占生物总承载力的比率[19]。其计算模型为:

式中:为生态足迹指数, 取值范围为<≤100%或≤, 各指数值对应的等级状态也大不相同[19](表2)。

3 甘南州生态足迹与生态承载力计算结果与分析

依据2000—2015年《甘肃省统计年鉴》、《甘南州统计年鉴》、《甘南州土地统计台帐》的统计数据, 利用生态足迹、生态承载力、生态赤字、生态足迹多样性指数、生态压力指数、生态足迹指数等多种计算模型对甘南州的生态承载力进行测算和分析, 得出如下结果:

3.1 生态需求不断增加, 需求结构差异较大。

随着甘南州经济的快速发展, 人们的消费水平和消费结构不断改变, 引发人均生态足迹也发生了明显变化(图1), 由2000年的1.2 hm2·cap–1上升到2015年的2.2 hm2·cap–1, 年均增长率为4.1%, 最小值1.15 hm2·cap–1出现在2002年, 且以2004年为界线, 2000—2004年变化幅度微小, 2004—2015年上升幅度明显。与生态足迹呈明显“分叉”趋势的万元GDP生态足迹由2000年的5.68 hm2下降到2015年的1.23 hm2, 以年均9.72%的速率快速下降, 表明甘南州的资源利用效率在逐年提高, 由粗放型、能耗型发展模式逐步向集约型、节约型转变。

除生态足迹总量发生变化外, 甘南州的各类生态生产性土地生态足迹也有所变动(图1)。其中, 草地的变化趋势与总趋势相一致, 由2000年的0.94 hm2·cap–1增长到2015年的1.73 hm2·cap–1, 最小值0.87 hm2·cap–1同样出现在2002年, 其多年人均生态足迹平均值是水域的3015倍, 土地类型总和的3.62倍, 占总生态需求的78%, 呈现出“一地独大”的局面, 表明草地空间足迹对总生态足迹的变化趋势影响最大, 这与甘南州畜牧业发达, 是全州国民经济的支柱产业和特色产业的实际相符, 在今后生态足迹的发展中属于控制的重点。整体看来, 除对水域的生态需求量呈下降趋势外, 对其他生态生产性土地的需求量均呈上升趋势, 但具体情况各不相同, 年均增长速度从快到慢依次为: 化石能源用地>建设用地>草地>耕地>林地>水域, 可见, 随着城镇化进程的不断推进, 甘南州的产业结构有所改变,对基础设施建设的投入也处于持续增长态势, 从而对化石能源用地和建设用地的需求不断增大; 人均生态足迹平均值由高到低依次为: 草地>化石能源用地>耕地>林地>建设用地>水域, 其中, 水域的变化特点与甘南湿地萎缩, 河流水量锐减有关。

表2 生态压力指数和生态足迹指数等级划分标准

3.2 供给面积变化微小, 构成要素的贡献率各异。

相对于人均生态足迹的增长趋势, 甘南州人均生态承载力的时间序列数据波动较小, 有微减趋势(图2), 由2000年的2.88 hm2·cap–1下降到2015年的2.71 hm2·cap–1, 年均降幅0.42%。各种资源的生态承载力变化趋势也各不相同: 耕地和草地呈平稳下降趋势, 分别由2000年的0.93 hm2·cap–1、1.06 hm2·cap–1下降到2015年的0.72 hm2·cap–1、0.99 hm2·cap–1, 究其原由为改造地势较平稳的耕地、草地为建设用地造成的; 林地和建设用地的变化趋势相似, 整体呈上升趋势, 年均增长率分别为0.2%和2.23%, 分别在2010年、2008年出现了研究区间的最大值1.23 hm2·cap–1、0.18 hm2·cap–1, 这与近年来甘南州积极开展全民义务植树造林和为扩大城镇规模增强城镇基础设施建设有关, 而建设用地的增多表面上增长了生态承载力, 实际上却增加了更多的生态足迹需求, 从而降低了区域的总供给; 水域的人均生态承载力呈波动下降态势, 变化幅度较小, 年均降幅仅为0.3%。

从甘南州2000—2015年人均生态承载力的构成(图3)来看, 林地和草地的贡献最大, 占人均生态承载力的70%, 水域和建设用地的贡献率较小, 尤其是水域的贡献率近乎为0。因此, 在今后的发展中要协调好土地资源的供需平衡, 加强林地、草地和耕地的保护, 增强城镇建设控制与保护基本农田相结合, 提升各类土地资源的生产能力, 从而提高整个生态系统的生态承载能力。

3.3 生态盈余逐年递减

总体上看, 2000—2015年甘南州的人均生态承载力大于人均生态足迹, 处于生态盈余状态(图4), 生态系统承受的压力较小, 但呈现出生态盈余逐年递减的趋势, 由2000年的1.68 hm2·cap–1下降到2015年的0.51 hm2·cap–1, 有出现生态赤字的风险, 表明人类活动对资源环境的消耗在不断增加, 这对于地处高寒、生态系统极其脆弱的甘南来说, 是一个巨大的挑战。

从结构上来看, 各生态生产性土地的生态盈余变化趋势也不尽相同(图5)。在6类土地类型中, 除草地和化石能源用地处于生态赤字状态外, 其他土地类型都表现为生态盈余, 且除耕地外皆呈增长趋势, 产物产量目前尚能满足人们的需求。草地是构成人均生态赤字最主要的部分, 且呈现出生态赤字急剧增长的趋势, 2015年的人均生态赤字0.8617 hm2·cap–1是2000年的0.0089 hm2·cap–1的96.32倍, 并正以年均35.6%的增速继续蔓延, 这表明以畜牧业为主的甘南州对区域草地资源的过度使用超出了其生态承载力的阈值, 对生态系统构成了巨大的威胁, 如若不阻止必将给城市的发展带来更大的负面影响。因此, 要关注该区域生态环境恶化的风险, 优化主体功能空间布局, 加强生态保护空间管制, 走以循环经济支撑的节约型集约型发展模式, 缓解生态环境建设与经济社会发展的矛盾, 减少人类活动对自然生态的过度干扰。

3.4 生态经济系统发展水平受生态足迹影响快速提升

2000—2015年甘南州的生态足迹多样性指数在0.63—0.71之间平稳波动(图6), 年均增速0.19%, 增幅较小, 虽然甘南州的经济结构在不断完善, 生态足迹构成逐渐趋于合理化, 但优化步伐较为缓慢。与生态足迹多样性指数变化趋势大不相同的生态经济系统发展能力指数则呈快速上升趋势, 由2000年的0.77上升至2015年的1.45, 增长了88.03%。已知H值的变化趋于平缓, 因此C值的变化主要受人均生态足迹的影响, 二者呈正相关, 即生态经济系统的发展主要依靠生态足迹的消耗。要扭转这种不利的局面, 只能在加快生态经济发展的同时, 提高生态足迹的多样性, 均衡各类土地资源的合理利用。

3.5 生态环境压力不断增大

甘南州的生态压力指数和生态足迹指数的变化趋势大致以0.5为中线分别对称性上升和下降(图7), 分别由2000年的0.4和0.58变化为2015年的0.77和0.19, 年均变化率为4.38%和﹣7.26%, 2006年后生态压力指数超过生态足迹指数继续上升。根据生态压力指数和生态足迹指数等级划分标准(表2), 甘南州由2000年的生态很安全强可持续性状态逐渐变为2015年的较安全弱可持续性状态, 生态环境压力不断增大, 生态安全逐渐恶化, 且有继续加剧的趋势, 主要原因是人口的急剧增长和城镇化的发展消耗了大量的可更新资源, 使人地矛盾不断加剧, 生态环境承压能力减弱, 生态系统可持续性也面临挑战。

4 甘南州生态足迹与生态承载力发展趋势预测

对甘南州2000—2015年人均生态足迹、人均生态承载力分别与时间之间的关系进行回归分析[21], 设2000年为1, 2001年为2, ……x, 依次类推, 得出人均生态足迹y和人均生态承载力y的预测模型:

假设甘南州的人口增长率、经济消费模式、对外贸易情况等在未来的10年内与2000—2015年间的发展态势大致相同, 则根据人均生态足迹与生态承载力的预测模型, 2016年和2025年甘南州的人均生态足迹分别为2.3702 hm2·cap–1和3.7463 hm2·cap–1, 人均生态承载力分别为2.6818 hm2·cap–1和1.2814 hm2·cap–1, 其生态状况逐渐由2016年的生态盈余0.3116 hm2·cap–1变为2025年的生态赤字2.4649 hm2·cap–1(表3), 自2018年开始就出现了生态赤字, 未来发展趋势不容乐观, 若不采取有效措施, 转变现有的城镇发展模式, 甘南州的生态可持续发展状况将面临严峻的挑战。

5 结论与讨论

运用生态足迹模型对甘南州2000—2015年生态需求和供给状况进行测度和分析, 结果表明: (1) 甘南州生态总需求不断增大, 由1.2 hm2·cap–1增长到2.2 hm2·cap–1, 主要受草地空间足迹的影响, 而生态供给变化微弱, 年均降幅为0.42%, 表明生态系统的发展主要依赖消耗生态资本存量, 尤其是草地资源来弥补供给的不足; (2)甘南州整体上处于生态盈余状态, 表明社会经济发展对自然系统的需求还未超出生态的供给能力, 但盈余数量在不断减少, 有转变为生态赤字的趋势, 而且草地和化石能源用地已处于生态赤字状态; (3)根据预测模型, 预计自2018年开始整体出现生态赤字现象, 生态足迹与生态承载力之间的矛盾加剧, 生态环境存在恶化的风险; (4)甘南州2000—2015年的生态经济系统发展能力依赖生态足迹的增长, 呈快速上升趋势, 生态足迹多样性指数变化平稳, 在不断完善生态经济结构的同时, 还需提高生态足迹多样性; (5)研究期间生态环境压力不断增大, 由生态很安全强可持续发展状态逐渐转变为较安全弱可持续状态, 表明人地矛盾不断加剧, 生态环境承压能力减弱, 生态系统可持续性面临挑战。对于地处高寒、生态脆弱的甘南来说, 生态系统一旦被破坏就很难恢复, 因此, 在未来的发展中要采取有效措施防御该区域生态环境继续恶化, 优化主体功能空间布局, 加强生态保护空间管制, 走以循环经济支撑的节约型集约型发展模式, 缓解生态环境建设与经济社会发展的矛盾, 减少人类活动对自然生态的过度干扰。

表3 甘南州2016—2030年人均生态足迹与人均生态承载力预测值(hm2·cap–1)

虽然运用生态足迹模型通过定量测度简洁明了地反映出了甘南州的生态环境状况, 但在测算区域生态可持续发展方面多侧重于计算人类活动对自然资源的直接消费, 未考虑经济、社会、技术等方面的间接消费, 并且在产量因子和均衡因子的选取上也存在一定的局限性[21]。此外, 考虑到数据的有限性, 没有对生态足迹与生态承载力变化的驱动因子进行具体分析, 因此不能针对驱动机制提出合理的、具体的发展对策, 这些都是在今后的研究中尚待进一步补充和完善的方面。

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Ecological footprint and ecological carrying capacity analysis in Gannan Tibetan Autonomous Prefecture

ZHANG Peipei1,2, DONG Suocheng2,*, LI Zehong2, MA Beibei1, LI Fei2

1. Institute of Tourism and Environment, Shannxi Normal University, Shanxi Xi'an 710062, China 2. Institute of Geographic Sciences and Natural Resource, CAS, Beijing 100101, China

Using various calculation model and evaluation index of ecological footprint, this paper estimated the ecological footprint and carrying capacity dynamically of Gannan Tibetan Autonomous Prefecture during 2000-2015, and predicted the change of the ecological footprint and ecological capacity by using the regression analysis from 2016 to 2025. The results showed that the ecological footprint per capita increased from 1.2 hm2to 2.2 hm2, and the ecological footprint per ten thousand yuan GDP decreased year by year, and the per capita ecological carrying capacity had a decrease trend slightly from 2000 to 2015 in Gannan. It was in the ecological surplus, but the surplus was decreasing year by year. The index of ecological footprint diversity fluctuated smoothly between 0.63 and 0.71. The index of ecological economic system development capability had an increase trend. The ecological environment gradually transferred from very safe and strong sustainable status in 2000 to relatively safe and weak sustainable status in 2015. The prediction results show that Gannan will begin to appear ecological deficit in 2018, and the future development trend is not optimistic. The ecological sustainable development of Gannan would face severe challenges if without effective measures.

ecological footprint; ecological carrying capacity; Gannan Tibetan Autonomous Prefecture

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.02.025

F205

A

1008-8873(2017)02-171-08

2016-10-15;

2016-11-13

国家自然科学基金项目“宁蒙沿黄地带城市化与环境耦合机理与调控研究”(编号: 41271556); 国家自然科学基金项目“资源型城市发展的碳排放效应及其影响机制研究”(编号: 41101117);国家自然科学基金项目“我国东部沿海地区农业污染与经济增长作用机理及调控研究”(编号: 41301642) ; 国家自然科学基金青年项目“中国省际碳排放空间转移规律、机理及区域协调性碳减排政策模拟研究”(编号: 41301637)

张佩佩(1990—), 女, 山东滨州人, 硕士, 主要从事生态城市与区域生态经济研究, E-mail:571146385@qq.com

董锁成, 男, 博士, 研究员, 主要从事资源经济与区域生态经济研究, E-mail: dongsc@igsnrr.ac.cn

张佩佩, 董锁成, 李泽红, 等. 甘南藏族自治州生态足迹与生态承载力分析[J]. 生态科学, 2017, 36(2): 171-178.

ZHANG Peipei, DONG Suocheng, LI Zehong, et al. Ecological footprint and ecological carrying capacity analysis in Gannan Tibetan Autonomous Prefecture[J]. Ecological Science, 2017, 36(2): 171-178.