基于生态足迹模型的西安市生态承载力评价

蔡菲 张思佳 黄颖 张欣铭 刘兴诏

(福建农林大学园林学院 福建福州 350002)

0 引言

随着城市化的深入，现代经济的发展促进区域间的发展交流，在创造大量就业机会的同时，也致使城市人口增长迅速、生存压力变大。我国西北地区矿产资源丰富[1]，重工业发达，是国民经济发展的重要构成部分，但西北地区生态环境较为脆弱，易受破坏。资源环境的日渐匮乏危及着城市的可持续发展[2]，在满足当前社会发展需求的同时，必须谋求人类未来的福祉。

人类从自然环境中获取生产生活所需的资源同时，排放废物，吸纳人类消费所产生的废弃物所需的生物生产性土地面积，被定义为生态足迹，而自然所能支持的生态足迹供给可视为生态承载力。所有项目的消费量可追溯至不同的生态生产性土地面积，通过土地的供求关系，评估自然生态系统发展状态。

西安市是一带一路[3-4]的重要节点，也是西北地区重要的重工业中心，城市工业的崛起和自然资源的过度开发，导致西安市生态环境恶化，资源和环境矛盾愈发突出，因此对西安市生态承载力[5-6]进行评价十分必要。本文基于生态足迹模型，将西安市生态足迹与生态承载力进行对比分析，探究其变化趋势与原因，对西安市生态环境进行总结评价，以期为西安城市生态建设和可持续发展[7]提供新思路与方法。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

西安市地处渭河冲积平原，地势平坦，北临渭河，南依秦岭，自然资源丰富；位于关中——天水经济区核心地带，对外交通便利，拥有浓厚的历史文化底蕴，是我国西部大开发战略的重要枢纽。城市总面积约10752 km2，常住人口1020.35万人，地均GDP约1256.57万元/km2，居全省首位。

1.2 数据来源

西安市2010年～2018年生物资源和能源消费、人口数量等数据，主要源于《西安市统计年鉴》《西安市国民经济和社会发展统计公报》，各类生态生产性土地面积，主要来源于国家自然资源部官网关于陕西省的土地调查成果。

1.3 生态足迹与生态承载力评价方法

1.3.1 生态足迹的计算模型

基于加拿大生态经济学家Willian及其博士生Wackernagel的生态足迹分析法[8-10]，将土地资源划为6类：耕地、林地、草地、水域、建筑用地、化石能源用地进行计算[11]。不同生态生产力的生物生产面积需乘以均衡因子，转化为具相同生态生产力的面积，本文中各土地类型的均衡因子采用国际标准：耕地、建筑用地为2.8，林地、化石能源土地为1.1,草地为0.5，水域为0.2[7]。

生产足迹的计算步骤及公式如下：

(1)计算各类消费所占用的面积

Si=Ci/Yi(i=1 , 2 , …… , 6)

式中：i为消费项目类型；Si为各类消费所耗的生物生产面积；Ci为i项消费总量；Yi为i项的土地生产力，体现为全球平均产量(kg/hm2)。其中在计算能源足迹时，通过能源折算系数与全球平均能源足迹(Gj/hm2)，将各项能源消费所消耗的热量转化为化石能源用地面积。

(2)计算总土地占用的面积

Sj=∑Sij

式中：i为消费项目；j为土地类型。

(3)土地利用类型面积均衡化

EF(人均生态足迹)=∑(Sj×fj)/p

式中：fj为各类土地的均衡因子；Sj为各类土地利用类型面积；p为总人口。

1.3.2 生态承载力的计算模型

由于地理环境悬殊，自然资源时空分配不均衡，各个地区生态环境所能提供的生物资源水平有所差异即生产力上的差异，需通过产量因子，将各区域同类生态生产性土地的面积转化为具有可比性的面积。本文采用我国目前的产量因子：耕地、建筑用地为1.66，林地为0.91，草地为0.19，水域为1.00[12]。

将耕地、草地、林地、水域、建筑用地的面积乘以相应的均衡因子和产量因子，即可得出区域生态承载力。计算公式如下：

EC=∑aj×rj×yj(j=1 , 2 , …… , 6)[13]

EC——区域人均生态承载力；aj——人均生物生产面积；rj——均衡因子；yj——产量因子。

1.3.3 生态赤字与生态盈余

区域生态赤字和生态盈余，反映了这一时空下人口与自然资源的关系，以及生态环境的剩余价值。将计算所得的生态足迹与生态承载力进行对比，对西安市生态资源与环境现状做出评价，判断生态系统是否能支持该地区的可持续发展，合理预判，从而协调区域经济发展与生态建设。若EF>EC，则西安市人民的生态足迹需求超出生态环境所能供给的范畴，呈现生态赤字；若EF

2 西安市生态承载力综合分析

2.1 生态足迹的年际变化分析

将人类生存发展所需的消费分为生物资源的消费及能源的消费，对西安市人民消费项目进行筛选统计，其中生物消费分为粮食、食用植物油、鲜肉、猪肉等，能源消费主要分为电、煤炭、管道天燃气等，通过生态足迹模型计算得出最终结果(图1)。2010年～2018年，西安市人均生态足迹呈总体上升的趋势，由2010年的0.2873 hm2上升到0.4139 hm2，提高了44%(图1)。期间内仅2010年～2012年人均生态足迹呈下降趋势，下滑至0.2090 hm2，主要在于农村人口锐减，农村人均消费总量减少。

图1 2010-2018年西安市生态足迹变化

在构成生态足迹的六类土地利用类型中，耕地、草地占据生态足迹的主导地位。2010年～2018年耕地人均生态足迹由0.1348 hm2波动上升至0.1775 hm2，涨幅为24.05%；草地人均生态足迹由0.0990 hm2波动上升至0.1279 hm2，增加了22.60%，可见西安市人口对粮食、禽肉等的消费需求量增加迅速。林地人均生态足迹由0.0005 hm2增长至0.0035 hm2，水域人均生态足迹由0.0104 hm2增长至0.0192 hm2，主要源于西安市瓜果、水产品消费量的增加。此外，西安市的开发建设促进了基础设施条件的改善和出行方式的改变，使得西安市对能源的消费需求与日俱增，建筑用地人均生态足迹由0.0135 hm2增长至0.0264 hm2，化石能源用地人均生态足迹由0.0291 hm2增长至0.0593 hm2，涨幅分别高达48.86%、50.93%，在西安市经济发展中占据重要地位。

据统计2018年西安市常住人口城镇化率达74.01%，社会人口结构发生变化，农村人口进一步减少。而随着西安市经济的发展，人民的消费水平和生活质量不断提高，同时社会的发展吸引劳动力市场聚集，城市人口规模不断扩张，未来西安市生态足迹仍会不断攀升[15]。

2.2 生态承载力的年际变化分析

通过前文构建的生态承载力模型计算(图2)，对西安市生态承载力[16]进行评价。2010年～2018年，西安市人均生态承载力逐年下降，由0.2843 hm2下降至0.2603 hm2，减少了8.44%，说明西安市自然资源环境不断恶化。至2018年，西安市各土地利用类型人均生态承载力由大到小为：耕地、建筑用地、林地、水域、草地。

图2 2010年～2018年西安市生态承载力变化

据统计2010年～2018年，西安市耕地面积由299150 hm2减少至292771 hm2；林地面积先减后增，由482758 hm2至483122 hm2；建筑用地面积由113939 hm2扩张至162140 hm2；草地面积由23668 hm2增加至23787 hm2；水域面积由20068 hm2锐减至16389 hm2。耕地、水域面积的锐减直接导致其人均生态承载力骤减，耕地人均生态承载力由0.1641 hm2减少至0.1360 hm2，减少了17.12%；水域人均承载力则由0.0005 hm2减少至0.0003 hm2，减少了40%。林地、草地面积不断增加，但其生态承载力却逐年递减，林地人均生态承载力由0.0570 hm2降低至0.0483 hm2，草地人均生态承载力由0.0003 hm2降低至0.0002 hm2，这与当地水土流失、乱砍滥伐等生态问题密切相关。而建筑用地人均生态承载力由0.0625 hm2迅速增长至0.0753 hm2，增幅为17%，约为其人均生态足迹的2.7～4.6倍，说明西安市城市建设规模不断扩大，同时产生了许多剩余用地，与社会经济发展不适配，西安处于消极型城市化状态。

2.3 生态赤字的年际变化分析

将生态足迹与生态承载力进行对比发现，2010年～2018年，西安市人均生态足迹约为人均生态承载力的0.7-1.6倍，生态足迹不断增加，增长速率远超生态承载力，生态赤字整体呈波动上升趋势(图3)。

图3 2010年～2018年西安市生态系统变化趋势

2010年～2012年，西安市生态赤字呈下降趋势，至2012年出现生态盈余(图3)，主要源于当年生态足迹的骤减(图1)，总体生态承载力超出生态足迹约0.0738 hm2/人，其中耕地、林地、建筑用地是支撑生态承载力的重要部分。

此后，生态赤字不断攀升，由0.003 hm2/人增长至0.1536 hm2/人，且2012年～2016年生态赤字的攀升速率大于2016年～2018年的增加速率(图3)，一定程度上是后来西安市水土流失、土地损毁现象有所改善，生态系统组织力、活力得到恢复。在赤字年份中，生态承载力不足的土地类型有耕地、草地、水域，主要是农转用、生态退耕等措施，以及灾毁等生态威胁造成其生产性面积减少，导致总体生态支持力相对较低。侧面说明西安市土地利用结构的不合理，无法促进农业、工业等产业健康协调地发展，使部分资源的消耗速度大于其产业的生产速度。自然供给与人类消费需求产生的缺口，将持续给西安市生态建设带来巨大压力。

3 结论与建议

3.1 结论与不足

城市是人口的聚集地，城市中人们进行各种各样的生产生活活动，不仅关乎社会经济的发展，而且关联着生态环境的稳态，对城市发展的影响不言而喻。本研究基于生态足迹模型，对西安市生态承载力进行评价，主要得到以下结论：

(1)2010年～2018年西安市生态足迹波动由0.2873 hm2/人上升至0.4139 hm2/人，人均消费需求不断扩大。各土地类型人均生态足迹：耕地>草地>化石能源用地>建设用地>水域>林地，耕地生态足迹在西安市生态足迹中占主导地位，约为足迹总量的30%～53%，耕地问题突出。

(2)2010年～2018年西安市生态赤字不断扩大，生态承载力由0.2843 hm2持续下降至0.2603 hm2，降幅为8.44%，资源环境可持续发展形式严峻。人均生态承载力：建筑用地>耕地>林地>水域>草地，与生态足迹需求不匹配，西安市生态环境恶化现象加速。

本文中与生态足迹相关的消费项目数据获取并不全面，一定程度上影响了生态足迹模型的精确性，因此，在决策过程中，依据各类生物生产性面积的需求确定用地结构与开发规模时，宜结合当地实际情况进行。

3.2 建议

生态承载力是调整城市发展方向的重要依据。结合西安市总体规划，本文对西安市城市可持续发展及生态建设提出两点建议：

(1)倡导低碳生活理念，建设集约节约型生态城市。控制用地规模，整合分散、闲置土地；日常生活中在有限范围内合理利用自然资源，降低能耗同时减少对周边地区造成的生态压力，促进区域协调发展。

(2)调整土地利用结构，优化西安市产业布局，协调经济与生态发展[17-18]。根据生态足迹需求，控制建设用地开发速度，重视耕地保护，开发草地、水域促进畜牧业、渔业等产业发展。