基于生态足迹的桑植县土地生态承载力研究

贺碧湖，邓明蓉，董贤斌，刘雅菲，朱深海

（吉首大学土木工程与建筑学院，湖南 张家界 427000）

生态承载力研究是可持续发展科学领域关注的热点问题，是判定可持续发展的重要分析手段[1]。在土地资源合理利用、生态环境良性循环条件下，生态承载力确保了土地资源承载人类活动规模和强度的限度[2]，反映了区域生态环境的安危状况和可持续发展程度，对人类社会经济发展以及生态环境变化起到预警作用[3]。随着经济社会的快速发展，人们对旅游开发、城市建设以及基础设施建设的需求更加迫切。然而，不合理的开发威胁着区域的生态环境和土地资源的可持续发展。因此，如何发掘土地生产潜力，有效规划开发力度，提高土地资源承载力，对促进生态环境可持续发展具有重要的现实意义。

土地承载力研究始于1812 年马尔萨斯时代，他提出人口与食物、土地保持相对平衡的思想[4-5]。1921年，Park 和Burgess 在生态学杂志提出了承载力的概念，指出在生存环境、物质营养、空间等生态因子的特定组合环境条件下，某种生物个体生存的最大阈值即为承载力[6]。随着土地资源短缺、生态环境污染以及人口快速增长等问题的出现，土地承载力研究逐渐变成热点课题，其研究结果广泛应用于生态学相关领域。近年来，有关城市生态承载力的研究日渐增多，以计算生产性土地和能源消耗为主的土地承载力研究体系也日趋完善[1,7-9]。例如尹勇平等[10]利用生态足迹的原理和模型计算了长株潭城市群2006 年的生态足迹和土地生态承载力；宋戈等[11]对齐齐哈尔市的生态足迹、生态承载力和生态赤字/盈余进行定量计算和分析；何文举等[12]用国家生态足迹账户计算方法，对湖南省2012 年的各项生物生产性土地类型进行了生态足迹和土地承载力的测算；周智聪等[13]运用生态足迹模型在时间维度上对郑州市生态承载力进行分析并提出问题与相应对策；杨一旸等[7]分析了区域生态足迹、生态承载力的时空变化特征，并提出对应补偿方案，以期为长江中游城市群生态建设和管理提供决策依据。

笔者以张家界市桑植县为研究区域，利用2000、2005、2010、2015、2020 年的土地利用和生产性土地数据，结合生态足迹、土地生态承载力相关理论和方法，定量计算分析上述5 个时期研究区域内生态足迹和土地生态承载力的差距及变化规律，判断区域经济发展资源消耗是否处于生产性土地承载力的范围内，从而确定桑植县现阶段的生态盈余或赤字，通过变化规律预测该区域生态环境是否安全，为区域生态环境保护、土地资源可持续开发利用以及社会经济可持续发展提供依据和指导。

1 研究区概况

桑植县隶属张家界市，位于湖南西北边界，东临石门县、慈利县，南毗永定区和永顺县，北界湖北宣恩，处于东经109°41′～110°46′，北纬29°17′～29°84′之间，属于中亚内陆季风气候，总面积3 474 km2，主要水域河流为澧水和溇水。桑植县管辖12 个镇以及11 个乡，拥有峰峦溪国家森林公园以及国家级八大公山自然保护区，被评为全球生物多样性保护地区以及重要生态区之一。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

土地利用基础数据来源于中科院资源环境科学数据中心（http://www.resdc.cn/），精度达90%以上。经济社会、农作物产量数据等来源于同期《湖南统计年鉴》《张家界统计年鉴》和《湖南农村统计年鉴》。

2.2 研究方法

（1）生态足迹和生态承载力的计算。生态足迹是指能够持续地提供资源或消纳废弃物的、具有生物生产力的地域空间。借鉴刘某承等[14]计算的湖南省各种土地类型的均衡因子，即农地、林地、畜牧地、渔业水域、建筑用地、能源用地分别取值1.32、0.82、0.71、0.56、1.32、0.82。用公式（1）计算区域的总生态足迹（EF）。

式中：N为人口数；ef为区域人均生态足迹；Ai为各类消费帐户的人均生态足迹；i为消费项目的类型；Yi为食物生产性土地第i种消费项目的世界平均产量；Pi为第i种消费项目的年生产量；ri为均衡因子。

（2）生态承载力是将生物生产性土地面积分别乘相应的产量因子和均衡因子。用公式（2）计算区域总生态承载力（EC）。

式中：N为人口数；ec为区域人均生态承载力；Cj为第j种消费项目的人均生态承载力分量；aj为人均生物生产面积；rj和yj分别为均衡因子和产量因子。根据刘某承等[15]的研究成果，即湖南省耕地、草地、林地、建筑用地、水域、CO2吸收的产量因子分别取值1.43、3.00、1.10、1.43、3.00、0.00。再结合申海建等[16]研究得出的张家界市耕地产量因子为1.241 1。同时以耕地调整系数（1.020 7）为基准，类比将张家界市市域内草地、林地、建筑用地、水域、CO2吸收的产量因子同步修正为2.603 7、0.954 7、1.241 1、2.603 7、0.000 0。

（3）生态安全度评价模型的建立。生态安全度评价模型是利用生态足迹和承载力的数值，结合生态赤字/盈余和生态压力指数的方法，用以判断区域安全性的评价模型[17]。生态赤字/盈余（ED）可判断区域的生态安全状态，生态压力指数（N）用以表示区域安全程度，分别用公式（3）和（4）计算。

3 结果与分析

3.1 研究区域土地承载力分析

利用各年鉴所统计的数据，根据公式（1）计算桑植县2000—2020 年的生态足迹。由表1 可知，桑植县总生态足迹由2000 年的302 369 hm2到2010年的471 692 hm2，增加了169 323 hm2，到2020 年的265 982 hm2，减少了36 387 hm2，由图1 可知，桑植县人均生态足迹由2000 年的0.709 8 hm2/人增加到2010年的1.241 3 hm2/人，再减少2020 年的0.683 2 hm2/人，平均值为0.817 4 hm2/人。耕地和草地的年平均生态足迹值分别达到79 544.6 hm2和205 445.6 hm2，人均生态足迹占比分别是24.31%和62.79%，在各类用地中居前两位，说明居民的肉质消费增加，生活水平提高；水域年平均生态足迹为36 819.2 hm2，仅次于耕地和草地。2000—2010 年是旅游业快速发展时期，桑植县确定了“以旅游业为龙头，以农业为基础”的基本方针[18]，大力开发旅游景区以及服务设施，由于生态建设思想认识滞后、林业生态经济发展落后，导致逐步出现农村林业生态环境质量不高、生态保护经费欠缺、政策引导不够、机制不全等问题[19]。2010 年的人均生态足迹增长至2000 年的1.75 倍，耕地、林地、草地、水域呈上升趋势，这段时间桑植县对生态系统的物质能源索取超过生物性能源生产土地提供的能源。2010 年到2020 年，根据《全国主体功能区规划》和《湖南省主体功能区规划》，桑植县被划定为重点生态功能区，是保障湖南生态安全的重要区域，是实现可持续发展的重要生态功能区[20]，加上旅游绿色产业发展、污染工业的转型以及国家发布政策对生态环境进行保护与整改，桑植县的总体人均生态足迹慢慢呈下降恢复状态。

图1 2000—2020 年桑植县人均生态足迹

表1 2000—2020 年张家界桑植县生态足迹

3.2 研究区域土地承载力变化分析

由表2 可知，桑植县总人口的生态承载力由2000年385 150.06 hm2增加到2020年386 972.42 hm2，阶段均值为385 196.75 hm2；2000 年的人均生态承载力为0.904 1 hm2/人，增加至2010 年最高值1.009 8 hm2/人，再减少至2020 年0.827 7 hm2/人。2000—2020 年的平均人均生态承载力0.795 7 hm2/人。总的来看，2000—2020 年桑植县的生态承载力基本保持一个水平状态，扣除12%的生物多样性保护面积，它的人均生态土地承载力也基本保持稳定，但是人均生态承载力呈现波动态势。这是因为桑植县的主导产业之一为旅游产业，是湖南省主要的旅游基地和重点生态保护地区，其建筑用地和水域用地保护建设相对较好，总体土地生态承载力略有提升；但土地资源短缺，随着城市发展建设的需求，生物生产性土地减少，使得区域土地承载力增加幅度较小。

由表2 可知，耕地、林地、水域和建设用地的生态承载力在2000—2020 年总体呈上升趋势。林地的生态承载力从2000 年的183 589.75 hm2到2020 年的183 962.78 hm2，增加了373.03 hm2；水域的生态承载力从2000 年的3 846.27 hm2到2020 年的7 351.11 hm2，增加了近一倍；建筑用地的生态承载力从2000 年的597.43 hm2到2020 年的1 421.70 hm2，增加了824.27 hm2。草地的生态承载力从2000 年的69 602.20 hm2到2020年的61 439.82 hm2，减少了8 162.38 hm2呈下降趋势。但土地总体生态承载力呈上升趋势，说明2000—2020年研究区承载力处于安全范围内。

表2 2000—2020 年桑植县土地生态承载力

3.3 研究区域生态安全度分析

根据上述生态足迹和生态承载力计算结果，结合公式（3）（4）计算出桑植县各年的生态赤字/盈余和生态压力指数，生态赤字越大、生态压力指数越高，表示该地区生态安全度越低；反之，生态赤字越小、生态压力指数越低，表明该地区的生态安全度越高[11]。由图2 可知，研究区域的生态赤字从2000 年到2010 年，经历了由0.194 3 增至0.235 5 再降至-0.231 5的变化过程，在2005—2015 年，生态足迹大于土地生态承载力，处于赤字阶段，2010 年达到最低峰值为-0.231 5，随后开始回升，到2015 年升至0.194 8，到2020 年有所回落，2000—2020 年的人均生态赤字均值为0.105 1；2005—2015 年人均生态压力指数大于1，平均生态压力指数为0.877 9，表明这一时期桑植县自然生态环境系统处于危险状态；2015—2020 年，生态压力指数指标恢复到安全数值内。

4 讨论与结论

4.1 讨 论

桑植县属于重点生态保护区，是保障湖南生态安全的重要区域，也是重要旅游开发区[19]。学者们就如何建设生态桑植提出了创新观念、健全机制、规划领先、强化保护、经济转型、政策引导等具体思路和对策[20]；从森林资源和林业重点工程与项目建设2 个方面简述了桑植县林业生态建设现状[21]；结合桑植县生态保护与发展现状以及建设背景分析了发展建设面临的挑战，提出了基本发展策略和建设方案[19]。笔者采用了生态足迹法对桑植县土地生态承载力进行了研究，虽然生态足迹法在理论和计算方面也有一些不足之处[22]，但优点在于它可以反映出研究区域的生态生产水平和能源流动过程，能从供给方面测算研究区域的生态承载量[23]。依据研究区域2000—2020 年共5 期的数据进行生态足迹和土地生态承载力计算和分析，时间周期较长，可以更好地对桑植县的每类土地生态足迹与承载力进行动态观测分析。通过桑植县居民资源消耗是否超出生产性土地产出，判断区域生态是否处于平衡状态，同时还可以判断生态赤字或盈余状态。结合压力指数可以分析桑植县的生态是否处于安全状态，让结果更具指导意义。

随着旅游业的快速发展，旅游人口不断上升，桑植县旅游产业迅速发展，旅游开发和基础设施建设逐渐满足不了需求。土地资源缺乏等诸多因素的限制使得发展用地与生态环境之间的矛盾越来越激烈，环境压力越来越大。因此，如何提高区域土地利用效率、合理规划经济建设与生态保护是该区域可持续发展需重点关注的问题。

4.2 结 论

（1）2000—2020 年期间内，桑植县总生态足迹由2000 年 的302 369 hm2到2010 年 的471 692 hm2，增加了169 323 hm2，再到2020 年的265 982 hm2，减少了36 387 hm2，人均生态足迹由2000 年的0.709 8 hm2增加到2010 年的1.241 3 hm2，再减少到2020 年的0.683 2 hm2。人均生态足迹由升到降，说明桑植在2000—2010 年对生态环境的索取超出了生产性土地资源的供给，而在2010—2020 年人均生态足迹得到一定恢复，生产性土地资源的供给有所过剩，说明生态环境保护发挥了一定作用。

（2）耕地和草地的年平均生态足迹值分别达到79 544.60 和205 445.60 hm2，人均生态足迹占比分别是24.310%和62.787%。草地是肉制品和奶制品的主要生产原料，其利用占据了人均生态足迹的一半以上，说明居民的肉质消费增加，生活水平大幅提升。

（3）桑植县总人口的生态承载力由2000 年385 150.06 hm2增加到2020 年386 972.42 hm2，阶段均值为385 196.75 hm2；2000 年的人均土地生态承载力为0.904 1 hm2/人，增加至2010 年最高值1.009 8 hm2/人，再减少至2020 年0.827 7 hm2/人。耕地、草地和林地土地承载力处于下降趋势。因此，需要调整用地结构以缓解承载力的下降。

（4）桑植县的生态赤字指数从2000 年到2010 年，由0.1943 减至-0.2315，出现赤字现象，再到2010 年到2020 年期间从-0.231 5 升至0.144 5，出现盈余现象，平均指数为-0.105 1，平均生态压力指数为0.877 9。这表明桑植县的生态安全由安全转为不安全再转为安全，但2020 年土地生态盈余现象呈现持续下降趋势。

以上结论可为桑植县今后的经济发展与生态保护提供参考。在研究中由于能源消费数据的缺失，未能考虑能源消费因素以及经济、科技发展等对生态承载力的影响。因此，在今后的研究中应该结合更多的评价指标，建立更完善的评价体系和方法。