基于生态足迹模型的邕河流域生态状况分析

王国重，李中原，程焕玲，张继宇，杨 柳，刘占欣

（1.黄河水文水资源科学研究院，郑州 450004；2.河南省水文水资源局，郑州 450003；3.河南省水土保持监测总站，郑州 450008；4.河南黄河河务局，郑州 450003；5.南阳市水土保持监督监测站，河南 南阳 473000）

生态安全是维护区域、国家乃至全球生态环境不受威胁的状态，是生态系统整体健康性和完整性水平的反映［1，2］。作为区域、国家或其他安全的基础和载体，生态环境一旦受到污染或者退化，就破坏了人与自然的和谐，从而危及区域、国家的可持续发展。因此，科学地评估区域生态安全、测度人类活动对自然环境的影响就成为学术界和政府部门研究的热点。

目前，许多学者在多个方面对生态安全进行了有益的探索，但主要理论性研究还是局限于国际通用的“压力-状态-响应（PSR）”［3-5］及其改进版“驱动力-压力-状态-影响-响应（DPSIR）”［6-8］模型，通过选取评估指标因子来构建评估指标体系，然后采用模糊数学、综合指数等方法进行评估。由于评估因子的选择、指标权重的确定具有很大的主观性，使得评估结果与当地实际情况难免有所偏差［9］。随着生态足迹模型的提出与不断完善，逐渐走向成熟，不少学者将其应用于生态安全领域，陈世发［10］采用该模型评估了福州市经济技术开发区1998—2007年的生态安全状况，认为由于不断增加的人类活动使其生态环境处于不安全状态，需采取相应的措施；黄世光［11］测算了福建省古田县2006、2011、2016年的人均生态足迹和生态赤字，以分析其生态与可持续发展状况；王金荣［12］根据1991—2005年的统计数据，应用生态足迹模型对内蒙古各地市的生态安全进行了评估；韩韦笑［13］将该模型与GIS技术相结合对禄丰县的土地生态安全状况进行分析，认为该县当前的土地生态安全形势严峻，亟需采用新的发展模式以保证经济社会的可持续发展。

由以上分析和文献搜索可知，生态足迹模型用于研究国家、区域层面生态安全的报道较多，但针对小流域方面的研究还比较少见。邕河小流域位于南阳市市区，2016年被河南省评为生态型清洁小流域，本研究尝试采用生态足迹模型对其2016年的生态状况进行评估。

1 研究区概况

邕河发源于南阳市郊紫山的东南部，流经独山风景区和达士营、邢营、白塔、沙岗店、钓鱼台等村，在周寨附近注入白河，河长18.61 km，流域面积34.5 km2［14］。流域为狭长型、属北亚热带大陆季风气候，四季分明。年均气温14.9℃，多年平均降雨量805.6 mm、多年平均径流深230 mm，降雨年内分布不均，6—8月降雨较为集中、约占全年的64%。流域土壤类型主要为黄棕壤、水稻土、沙壤土，平均土壤侵蚀模数为380 t/（km2·年），属微度侵蚀；加之地形平坦、耕地采用小麦和玉米轮作方式并在周边修建了农田防护林，有效地遏制了水土流失、改善了流域农业生产条件和生态环境，促进了当地经济、社会与环境的协调发展［15］。

邕河流域跨越南阳市的宛城、卧龙两区，按照《南阳统计年鉴2017》，2016年末流域总人口189.12万，占全省总人口的1.98%；国民生产总值536.351 5亿元。

2 研究方法

2.1 生态足迹模型

生态足迹模型是加拿大学者William于1992年率先提出，并经不断完善而逐渐发展起来的定量测度人类对自然利用程度的新方法［16，17］，该模型将人类的各种消费转换为相应的资源消耗量，再将资源消耗与收纳人类产生的废弃物归结为具有生态生产力的耕地、林地、草地、建筑用地、水域和化石能源等6类用地的面积，可由公式表示如下。

式中，Sj为各类生态用地的面积（j=1，2，…，6）；Epi表示流域平均产量；CRi表示资源消耗量；i表示资源类型；Pi表示资源生产量；Ii表示资源进口量；Ei表示资源出口量。

各类生态用地具有不同的生产力，将各类用地面积赋以相应的均衡因子然后相加汇总就得到了区域的生态足迹，其计算如式（2）所示。均衡因子是在比较不同生态类型生物生产量的基础上得到，国际上通用的耕地、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别为2.8、0.5、1.1、2.8、0.2、1.1［18］。

式中，EF为区域生态足迹；Si为各类生态用地的面积（i=1，2，…，6）；Qi为均衡因子。

2.2 生态承载力与生态盈余

生态承载力是指区域内能够供给人类的生态生产性土地总和，也称生态总供给。不同国家与地区的资源禀赋不同，其各类用地单位面积上的生态生产能力相差很大，即便同种类型的生态用地，单位面积上的生产能力也有很大差别。为此引入产量因子以利于比较，各类用地面积乘以相应的产量因子、均衡因子即为生态承载力，其计算公式如下。

式中，EC为区域总生态承载力；Gi为i类生态用地的产量因子，这里采用被广泛应用的Wackernagel等［19］的计算值；Si为各类生态用地的面积（i=1，2，…，6）；Qi为均衡因子。

生态盈余（ES）为生态承载力与生态足迹之差，如果ES＞0，代表区域生态可持续；ES＜0则说明其生态不可持续。

2.3 人均生态协调系数

人均生态协调系数能够反映区域资源的禀赋状况，可以弥补生态盈余的缺陷，公式表示如下。

式中，ds为人均生态协调系数；ec表示人均生态承载力；ef是人均生态足迹。由于ec、ef＞0，显然有1≤ds≤1.414，若ds越接近1说明协调性越差，反之，越接近1.414意味着其协调性越好［20，21］。

2.4 安全评估标准

以人均生态盈余与人均生态足迹的比值（安全指数）作为评估依据，依据文献［17］将区域生态安全状况划分为病态、不安全、较安全、安全、极安全5个等级，如表1所示。

表1 生态安全分级标准

式中，B为安全指数；es为人均生态盈余；其他符号意义同前。

3 结果与分析

3.1 生态足迹需求

邕河流域生态足迹需求包括生物资源消费的生态足迹和能源消费的生态足迹两部分，前者主要为农产品、林产品、动物产品，后者则为煤炭、汽油、柴油、液化气、天然气、电力等，各类能源足迹面积转换系数由文献［22］确定。邕河流域生物资源消费的生态足迹如表2所示，流域农产品消费类型主要是小麦、玉米、稻谷、红薯、大豆、花生、蔬菜、芝麻、西瓜，相应的生态类型为耕地；林产品类型是苹果、梨、桃、柿子、枣、葡萄、木材等，其生态类型为林地；动物产品以猪肉、羊肉、牛肉、奶类、禽肉、禽蛋为主，生态类型为草地；水产品主要是各种鱼类、虾类、水生植物的消费，对应生态类型为水域。能源消费的生态足迹如表3所示，流域能源消费类型主要是煤炭、汽油、柴油、液化气、天然气、电力等，其中，煤炭的人均消费量最高，其次是电力、天然气，汽油的消费量最低。

表2 邕河流域2016年生物资源消费的生态足迹

表3 邕河流域2016年能源消费的生态足迹

3.2 生态足迹测算

邕河流域2016年生态足迹和生态承载力的计算结果见表4。按照世界环境与发展委员会（WCED）要求［23］，应将12%的生态生产用地用于生物多样性保护，生态承载力计算时考虑了这部分面积。由表4可知，2016年邕河流域人均生态足迹为0.499 12 hm2，而实际的生物承载力是0.265 96 hm2，人均生态盈余为-0.233 16 hm2。

表4 邕河流域2016年生态足迹和生态承载力

3.3 生态安全评估

通过对邕河流域2016年人均生态足迹、人均生态承载力、人均生态盈余的分析比较，并结合式（5）可知，该流域2016年的安全指数为-0.467 14，处于不安全等级（表5）。

表5 邕河流域2016年人均生态足迹及其盈余

3.4 讨论

ES＜0表明该流域从自然界获取的资源量高于其生态供给量，由于其人均生态盈余大于-0.995 hm2，参照可持续发展程度分级标准［24，25］，其发展程度为弱不可持续状态，原因在于其发展模式是依靠自身的资源存量，难以持续；其人均生态协调系数为1.352 78，即ds＜1.414，表明流域的生态处于不协调状态。邕河流域人均生态足迹最多的是化石燃料，达0.388 08 hm2，其次是耕地、建筑用地、林地、水域、草地；耕地的生态供给面积最多，达0.256 66 hm2/人，为需求的2.91倍；草地的供需矛盾最为突出，究其原因，一是邕河流域牧草地资源匮乏，二是由于生活水准的提升群众对动物产品的消费量也随之增加。

4 小结

基于生态足迹模型，结合邕河流域的实际对其2016年的生态安全状况进行了评估，结果表明，其生态系统是不协调的，生态处于不安全状态，影响经济社会的可持续发展。

由于资料原因，未能将流域水资源利用足迹纳入模型；在能源足迹中只考虑了吸收CO2所需用地面积，未考虑消纳废弃物所需的生态面积，故上述结果只能是一种乐观的保守估计。在生态不协调、生态负盈余的情况下，针对邕河流域未来的发展而言，首先，需要改变当地群众的生活习惯和消费方式，重视对自然资源的节约与保护；其次，要控制人口数量，提升人口质量、依靠科技进步，提高单位面积自然资源的产量；最后，要善于发挥当地资源优势，高效利用现有资源存量。