基于能值-生态足迹模型的辽河流域生态安全演变趋势
2014-03-26王嘉丽王彦双
王 耕 , 王嘉丽 , 王彦双
(1.辽宁师范大学 a.海洋经济与可持续发展中心， b.城市与环境学院，辽宁 大连 116029； 2.中国科学院 a.东北地理与农业生态研究所， b.湿地生态与环境重点实验室，长春 130102； 3.中国科学院大学，北京 100049)
0 引言
可持续发展与生态安全的终极诉求是追求人与自然环境和谐。生态安全是可持续发展的目标，同时又是实现可持续发展的保障，没有生态安全就没有可持续发展。因此，定量化度量人类活动对自然生态系统的压力及科学评价区域生态安全状况成为近年来地理学、生态学及相关学科的热点研究问题。
目前,许多学者无论是在理论方面，如指标体系与评价标准研究[1],还是在评价方法方面，如生态隐患与生态预警等都有广泛的研究，同时在遥感和GIS技术方法方面的研究也成效卓著[2-4]。然而，生态安全理论研究框架大多是基于联合国规划署和经济合作开发署联合提出的P-S-R(压力-状态-响应)模型，其评价方法大多为综合指数法、模糊数学法以及景观生态学方法等。另外，生态安全评价指标因子选取、指标体系构建等比较繁杂，指标权重的确定仍有很大的主观性，致使评价的结果很难准确反映地区实际情况。区域生态安全是一定区域内人类赖以生存和持续发展的、以环境资源为基础、以环保产业为救济手段的生态系统的综合平衡。可持续发展是生态安全的理论基础，生态安全是对可持续发展概念的补充和完善[5-7]。一些学者认为区域生态安全程度可以用可持续发展能力来衡量[8-11]，许多学者也应用可持续发展度量模型来测算生态安全[12-14]。生态足迹方法因其简明科学、易于理解和操作、便于地区间比较等特性，广泛应用于生态安全研究[15-16]。近年来不少学者将生态足迹模型与能值理论相结合，构建能值-生态足迹模型，为生态经济系统的可持续化定量研究开拓了新的途径[17-19]。已有研究多以省、市为研究尺度，将能值-生态足迹模型应用于流域尺度的生态安全研究较少,且大多数研究基本立足于以年度为时间尺度的静态研究来探索区域可持续发展状态，缺少从时空演变趋势来探讨区域生态足迹及生态安全状态变化。
在前人研究的基础上对能值-生态足迹模型进行改进，并将此模型应用于辽河流域的生态安全评价研究中。在生态足迹计算中，该模型在考虑生物资源、能源消费足迹的基础上，还分析了经济社会发展对水需求的水消费足迹和人类活动对环境影响的污染足迹。在生态承载力分析计算中主要研究了流域内自然承载力及本地产品产出的承载力。通过生态足迹压力指数构建生态安全评价模型，探索辽河流域2001—2012年生态安全时空演变趋势，以期为流域未来资源节约型、环境友好型社会的建设提供科学依据与决策支持。
1 研究方法
1.1 能值-生态足迹模型的理论基础
能值-生态足迹模型是以能值理论与生态足迹理论为基础来计算生态足迹与生态承载力，首先划分消费项目，引入能量折算系数，将项目消费与产出量折算成能量；然后以项目的能量乘以相应的能值转换率，将各种不同类型、不同种类的能量流换算为太阳能值，再通过能值密度，将各消费项目的太阳能值转换为相应的生物生产性土地面积，计算区域生态足迹与生态承载力，由此确定区域可持续发展程度[20]。
1.2 生态承载力
1.2.1自然生态承载力。自然资源包括可更新资源与不可更新资源。随着人类开发利用，不可更新资源会日益减少，甚至枯竭。只有利用可更新资源才能保持区域经济、社会发展的可持续性。因此，在计算区域自然生态承载力时只考虑可更新资源的能值。其计算公式为：Cr=e/ρ。式中：Cr为人均自然生态承载力(hm2)；e为区域人均可更新资源的能值(sej)；ρ为区域能值密度(sej/hm2)，ρ=区域可再生资源总能值/区域总面积。
1.3 生态足迹
1.4 生态盈亏
将计算所得人均生态足迹与人均生态承载力进行比较，计算出生态赤字或生态盈余，进而评价区域的可持续发展状况与生态安全状态。
1.5 生态安全评价模型
能值-生态足迹模型虽然在一定程度上克服了传统生态足迹理论的生态偏向性，但是单纯的生态赤字或生态盈余并不能准确反映区域生态经济系统的生态安全状况。因此，通过生态足迹压力指数构建生态安全评价模型以反映辽河流域各地区生态安全状况演变。
1.5.1生态安全指数。生态安全指数采用生态足迹压力指数反映，即区域生态环境的压力状况。计算公式为：I=F/C。式中：I为生态足迹压力指数；F为人均生态足迹；C为人均生态承载力。若0
1.5.2生态安全评价等级。生态足迹压力指数可以反映出区域生态环境面临的压力状况及区域环境的生态安全度。对生态足迹压力指数进行分级，以确定区域生态安全水平。在参考相关文献[22]的基础上，划分了生态安全等级标准，共5个等级(表1)。
表1 生态安全分级标准
2 研究区概况
辽河流域位于40°31′～45°17′N、 116°54′～125°32′E，南濒渤海，西接兴安岭之南端，并与内蒙古内陆河和河北海滦河流域相邻，北以松辽分水岭与松花江流域毗邻，东以长白山脉与第二松花江、鸭绿江流域为界，全流域21.96万km2，地跨河北、内蒙古、辽宁和吉林。流域内地势大体是自北向南、自东西两侧向中间倾斜,中下游地区形成广阔的辽河平原，大部分地区属于温带半湿润半干旱气候，年平均温度在4 ℃～9 ℃，降水变率大，东部地区年降水量约为西部地区的2.5倍，西辽河上游降水量仅为350～400 mm，且多降暴雨。
辽河中下游地区作为东北老工业基地的腹地对辽宁乃至全国的经济腾飞做出巨大贡献，但由于长期以煤炭、钢铁等重工业为主导，中下游地区面临着严重的资源短缺、环境污染问题。西辽河地区位于内蒙古高原、东北平原和华北平原的过渡地带，自身生态环境脆弱，同时不合理开发利用加剧了水土流失、荒漠化和草地退化等，而其经济落后又无力治理, 生态系统结构和功能受损及生态环境恶化已经成为当地经济发展的瓶颈。东辽河地区产业结构虽由矿业开采成功转型为新型农业，但是农业发展又带来土壤污染、水污染等新的问题。辽河流域是整个东北经济的命脉，确保流域生态安全对构建社会主义和谐社会至关重要。研究辽河流域生态安全状况及可持续发展程度对国家振兴东北老工业基地战略及辽宁省突破大西北战略的实施具有重大意义。
3 结果及分析
数据来自2001—2012年《辽宁统计年鉴》、《吉林统计年鉴》和《内蒙古统计年鉴》，能量折算系数参考陈阜等[23]的研究成果；太阳能值转换率主要参考现阶段研究惯例中采用的蓝盛芳等[24]、H. T. Odum[25]的研究成果，并参考其他相关资料进行转化。
3.1 生态承载力
3.1.1自然生态承载力。自然界中推动生物圈物质循环的能量投入主要有太阳辐射能、风能、雨水势能、雨水化学能和地球旋转能[26]，计算辽河流域自然生态承载力变化时主要考虑这几种类型。为避免重复计算，同一性质的能量取其最大值，所以辽河流域可更新资源的能值为风能与地球旋转能之和。因此，辽河流域人均自然生态承载力逐渐下降(图1a)是人口持续增长所致。
3.1.2本地产品产出承载力。主要考虑生物资源产品和工业产品产出承载力，生物资源产品包括农产品、畜产品，水产品等，工业产品主要包括煤、钢、水泥等。本地产品产出承载力(图1b)显示，2001—2012年人均本地产品产出承载力总体呈上升趋势，人均生态承载力由1.88 hm2/人上升到5.67 hm2/人。其中，2001—2004年人均生态承载力增速较缓，2004年之后呈直线增长态势。进一步分析表明，12年间生物资源产出的承载力在本地产品产出承载力中所占的份额较小，工业产品产出承载力所占的份额较大，2010年工业产品产出承载力占本地产品产出承载力的85%，体现了辽河流域以重工业为主导的经济结构体系。
图1 辽河流域2001—2012年人均自然生态承载力和人均产品产出承载力
3.2 生态足迹
3.2.1消费足迹。2001—2012年辽河流域资源消费足迹及其构成(图2a)显示，人均消费足迹呈现平稳增长的趋势，流域内人均总消费足迹的增加主要是由于能源资源消费引起的，进一步分析辽河流域能源利用结构，地区经济发展所需的电力和煤炭资源需求量呈现直线上升态势，对原油、天然气、柴油等的需求量也稳步上升，说明以化石能源为主导的重工业在辽河流域经济结构体系中所占的比例较大。人均生物资源消费足迹平稳波动上升，但是上升的幅度较小，说明社会发展对生物资源的需求稳定，生物资源消费结构中肉禽及制品在居民日常消费中所占的比例较大并且逐步增长，这体现了随着经济社会的发展，人民生活水平提高，对猪牛羊等肉类、蛋奶及水产品的需求量不断上升，饮食结构方面也发生了很大变化。2001—2012年，人均水资源消费足迹变化不大，在总生态足迹中所占的比例也较小，但是经济发展对水资源的需求量仍在增加。鉴于辽河流域水资源短缺的现状，发展节水农业、改进污水处理技术、培养节水观念意识等措施亟待实施。
3.2.2污染足迹。经济社会发展中排放的废水、废气等各种废弃物对环境造成的严重污染是辽河流域各地区面临的重要环境问题，通过计算2001—2012年辽河流域废气污染及废水污染来反映废弃物对流域生态环境的压力，结果(图2b)显示出流域人均污染足迹波动上升，特别是2005年之后污染日趋严重，这也是造成流域生态足迹明显上升的最主要原因。工业废气排放是辽河流域的主要污染源，废水污染对流域生态环境造成的压力较小，但生活污水排放量日益增长的严峻局面不容忽视。这表明实施环境污染治理措施及开展环境保护宣传工作使人们环保观念增强，科学发展观及人与自然和谐发展等政策的实施也取得了一定的成效，但走新型工业化道路、开发清洁能源、倡导节能减排仍是实现人地关系和谐的重要途径。
3.3 生态赤字(盈余)与生态安全分析
根据生态承载力与生态足迹各个账户分析结果，对2001—2012年辽河流域各项人均生态足迹与生态承载力进行汇总(表2)。按照世界环境与发展委员会(WCED)的报告建议，应留出12%的生物生产性土地来保护生物多样性，辽河流域实际可利用的自然生态承载力为人均自然生态承载力的88%。人均生态足迹远远大于人均自然生态承载力，说明辽河流域经济社会的发展是以牺牲流域生态环境为代价的。本地产品产出量虽能够满足当前经济社会发展的需要，但是污染足迹的不断上升使辽河流域整体生态足迹大于生态承载力，流域出现生态赤字现象。区域生态承载力不仅与本地资源储量有关，资源的开发利用程度也会影响区域经济社会可持续发展程度。辽河流域因其得天独厚的地理位置，拥有丰富的风能资源，但是长期以来风能资源并未得到良好开发利用，经济社会发展所需的大量的电力能源仍然是以煤电为主导。大量使用化石燃料使资源枯竭，也对自然生态环境造成巨大负荷，未来大力开发利用清洁的风能资源是流域实现可持续发展的重要途径。
图2 辽河流域2001—2012年人均资源消费足迹和人均污染生态足迹
表22001—2012年辽河流域各项指标计算结果汇总
Tab.2SummaryofthecomputationalresultsofLiaoheRiverBasinduring2001—2012
年份人均生态足迹/hm2人均生态承载力/hm2生物资源消费足迹能源消费足迹水消费足迹污染足迹自然生态承载力本地产品产出承载力人均生态赤字(盈余)/hm2生态安全指数20010．70560．42790．06141．23580．57461．87530．01920．992220020．79630．45350．06142．35180．57242．0273-1．06331．409020030．77330．54650．05932．70350．57122．2511-1．26031．446620040．78340．63160．05802．00190．57052．2995-0．60491．210820050．88620．66430．05852．86360．56922．8502-1．05331．308020060．87270．75430．06223．82400．56783．2434-1．70201．446620070．80670．84570．06223．39730．56583．9972-0．54891．120320080．85220．87540．06163．50100．56494．5287-0．19661．038620090．87190．91610．06213．77550．56415．06890．00740．998720100．89931．04560．06334．07320．56365．3248-0．19311．032820110．88321．07190．06254．32340．55975．6301-0．15131．024420120．89821．20040．06384．47510．55945．6669-0．41121．0660
根据改进后的模型理论，人均生态赤字(盈余)为生态承载力与生态足迹的差值。2001—2012年辽河流域生态赤字演变(图3)表明，人均生态承载力、人均生态足迹都呈显著增长的趋势，但生态足迹的增长幅度明显大于生态承载力，辽河流域持续出现生态赤字，这表明人类活动对生态经济系统的需求量已经超过自然环境的生态容量，区域供需不平衡，处于不可持续发展状态。2006年以来，科学技术大力发展，经济发展速度加快，流域内工农业产值显著增加引起本地产品产出承载力增加，同时由于建设“两型社会”及节能减排等多项政策实施，长期教育宣传活动也使公众节约资源和保护环境的意识增强，水资源消费足迹和污染足迹也略微减少，二者共同作用使辽河流域生态环境转好，2009年出现短暂的生态盈余，之后随着人均消费量显著增加特别是对肉蛋奶及其制品的需求量增加，导致生态足迹明显上升，引起流域生态环境恶化，经济处于不可持续发展状态。
图3 2001—2012辽河流域生态赤字演变
3.4 生态足迹结构分析
2001—2012辽河流域生态足迹组成结构(图4)表明，化石能源地和牧草地在总生态足迹中所占的比例较大，而耕地、水域和林地所占的比例较小，生态足迹组成结构呈现不均衡态势。化石能源地和牧草地所占比例急剧上升，建筑用地、水域、林地所占比例上升幅度较小，而耕地足迹在总生态足迹中所占比例在逐渐下降。化石能源地足迹的迅速增大是经济发展特别是工业化所致，牧草地足迹的变化是由居民生活水平提高、饮食结构变化引起的，这是经济社会发展的必然结果。但是化石能源地足迹的持续上升必然会带来资源枯竭、环境污染等问题。辽河流域生态经济系统中生态足迹分配越来越不平衡，今后应采取适当措施调整生态足迹的分配，协调经济活动与自然环境之间的关系。
图4 2001—2012辽河流域生态足迹组成结构
3.5 生态安全时间演变
为进一步研究人类活动对自然生态系统的影响程度及流域生态安全演变状况，对生态足迹压力指数做时间序列分析来反映生态安全演变趋势(图5)。总体来说，辽河流域生态安全形势比较严峻。2002—2006年间工农业发展迅速，对各种资源的消耗量持续增加，污染加剧，生态恶化，生态环境处于不安全状态。2007年以来，采取了一系列环境保护措施，落实节能减排、建设“两型社会”等政策，能耗量和污染量减少，生态状况好转，渐趋于安全等级。但2010年之后消费量的显著增加又导致生态压力明显增大，生态处于不安全状态。结合生态赤字演变图可以看出，生态赤字(盈余)状况与生态压力状况成高度相关态势。为保证流域生态安全，促进经济社会可持续发展，未来应该采取可行性措施，从本质上降低能耗，减少污染，降低生态足迹，合理利用土地，丰富生态足迹多样性，提高资源利用效率，开发利用风能等新型能源，提高自然生态承载力。
图5 2001—2012年辽河流域生态足迹压力指数动态演变
3.6 生态安全空间演变
将2001—2012年相关区域的统计年鉴数据整理、计算，分析得到2001，2006，2012年辽河流域15个地区生态安全状态演变和可持续发展度变化(图6,图7)。
图6 2001，2006，2012年辽河流域生态安全评价
辽阳和朝阳的生态安全状况较好，均处于安全状态，在研究时段内均呈现较大的生态盈余，说明两地区的生态容量可以满足社会经济发展对资源、环境的需求，处于可持续发展状态；阜新、通辽和锦州的生态环境恶化，其中阜新、通辽由很安全状态转为临界安全状态，锦州也由临界安全退化为较不安全，且在2012年出现生态赤字。四平的生态状况有所好转，由临界安全转化为较安全，同时生态盈余也增大；铁岭的生态环境状况经历小幅恶化，由很安全转为较安全，亟待采取调控措施，以防止生态持续退化。辽源在工业化与城市化进程中生态环境退化，2006年退化到很不安全等级，但随着产业结构转化升级、环保举措的实施，生态状况好转，2012年恢复为很安全等级。但沈阳、鞍山、盘锦、抚顺、营口和本溪的生态环境形势非常严峻，一直处于不安全状态，可持续发展评价显示，六市在3年内均出现生态赤字，生态承载力无法承担社会经济发展带来的沉重负荷，地区经济发展需要从外界进口资源，处于不可持续发展状态。对比生态安全评价与可持续发展评价发现，辽河流域生态安全状况与可持续发展状况呈正向相关性，安全等级较高的地区，出现生态盈余，而生态环境质量较差的地区出现生态赤字。
图7 2001，2006，2012年辽河流域可持续发展评价
从区域角度来看，辽河流域各地区生态安全状态差异较大，西辽河和东辽河地区生态安全状况较好，辽河中下游地区生态环境较差，不安全区大多分布在中下游地区，一方面这与辽河中下游地区大力发展能源等重工业导致环境污染严重密切相关，另一方面，在计算过程中主要考虑环境污染方面对生态环境造成的压力，由于受数据所限，对水土流失、荒漠化等生态破坏的因素考虑较少，实际中除中下游地区环境污染严重外，西辽河地区也面临日益加剧的生态破坏的局面。因此，实际辽河流域生态安全状况形势要比计算所得结果更加严峻。本研究计算结果与辽河流域水污染防治“十二五”规划中生态环境评价结果基本一致。
4 结论
(1)辽河流域人均生态足迹远远大于人均自然生态承载力，说明目前地区经济发展所需资源超过了环境的生态容量。本地产品产出能满足需求，但是污染量日益上升致使辽河流域整体生态足迹大于生态承载力，流域出现生态赤字现象。
(2)从空间的角度看，辽河流域各地区生态安全状态差异明显。东辽河地区和西辽河地区生态安全状况较好，而辽河中下游地区长期发展重工业，环境污染严重，生态状况不容乐观。西辽河和东辽河地区出现生态盈余，社会发展处于可持续发展状态，辽河中下游地区生态盈余较少，特别是沈阳、鞍山、本溪等重工业基地长期出现生态赤字，社会发展处于不可持续状态。
(3)能值-生态足迹模型将传统的生态足迹模型中自然的供给与人类活动的需求转化为能量流，弥补了传统生态足迹方法汇总以土地生产力为基础的不足。在综合考虑辽河流域生态经济系统的能量流、物质流基础上，扩展了生态承载力与生态足迹的内容，探索了人类活动对水资源的消费及废弃物排放对生态环境的压力。但是，本研究在计算承载力与生态足迹中并没有考虑到流域生产和消费的所有项目，只是采取主要项目进行简化，同时由于资料所限而未涉及到农业发展过程中化肥、农药等的使用量，另外也没有涉及到区域产品进出口贸易量的问题，所以计算的生态足迹和生态承载力都偏小，这些都是有待研究的重要问题。
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