基于能值生态足迹模型的青藏高原东部高寒牧区可持续发展研究

李文龙，余翠*，赵新来，梁天刚，张金林，许静(.草地农业生态系统国家重点实验室,兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 73000；.兰州财经大学农林经济管理学院，甘肃 兰州 73000)



基于能值生态足迹模型的青藏高原东部高寒牧区可持续发展研究

李文龙1，余翠1*，赵新来1，梁天刚1，张金林1，许静2
(1.草地农业生态系统国家重点实验室,兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020；2.兰州财经大学农林经济管理学院，甘肃 兰州 730020)

可持续发展已经成为世界各国普遍追求的目标，区域可持续性的评估也逐渐成为制定区域发展政策的重要理论依据。甘南藏族自治州是我国典型的高寒牧区之一，其可持续发展问题已成为当前发展畜牧业的关键。本研究基于能值理论，运用改进的能值生态足迹模型，对2005-2013年甘南藏族自治州(简称甘南州)各县、市可持续发展状态进行了定量研究。改进模型的关键在于采用区域能值密度计算生态承载力和生态足迹，能够更真实地反映研究区生态系统的供给能力和人类对资源的消耗状况。结果表明，1) 研究区生态足迹组成中，畜牧业产品所占比重最大，并保持稳定；电力和燃料煤比重逐年上升，而种植业产品和野柴草比重有所降低。2) 甘南州人均生态足迹不断增大，由2005年的4.77 hm2/人增加到2013年的7.09 hm2/人；人均生态承载力呈波动变化，保持在4.64～5.65 hm2/人之间。3) 甘南州生态足迹指数总体呈下降趋势，9年间整体处于不可持续发展状态。4) 甘南州万元GDP生态足迹由2005年的12.60 hm2/万元下降到2013年的4.86 hm2/万元，资源利用效率不断提高，其中合作市最高，迭部县次之，其他各县无明显区别。5) 甘南州以畜牧业为主的玛曲县、碌曲县、夏河县和合作市人均生态足迹和人均生态承载力总体均大于农牧交错区的临潭县、卓尼县、舟曲县和迭部县。9年间，迭部县、玛曲县和碌曲县处于可持续发展状态；夏河县、卓尼县和舟曲县处于不可持续发展状态；合作市和临潭县处于严重不可持续发展状态。基于以上研究结果，对研究区未来可持续发展进行了有益探讨。

可持续发展；能值生态足迹；生态承载力；资源利用效率

新世纪以来，人口、资源与环境的可持续发展成为了人类社会学、经济学与生态学交叉研究的学术前沿，同时成为全球各区域长期发展的指导方针。人类的所有生产、生活活动都依赖自然资源，要保持可持续发展状态，人类对资源的消耗必须在生态承载力范围之内。因此就需要有效的方法来衡量人类的需求消耗是否在生态承载力范围之内[1]。基于此，生态足迹方法应运而生。

1996年，Rees等[2]提出了生态足迹模型来定量评价可持续发展和人类活动对环境的影响。生态足迹是指任何一个已知人口和经济的系统对自然资源的需求，能够评估一个具有特定人口和经济的区域自然资源消耗和废物同化需求。理论上，生态足迹是通过确定生产所有供消费的产品以及吸收人类活动所产生的废物所需要的生物生产性土地面积来评估。同时，通过计算同一区域的生态承载力，可以将人类的需求和区域自然资源的提供能力进行比较，以评估该区域可持续发展状态。目前，生态足迹法已成为定量评估区域可持续发展状态的重要方法，在全球学术界以及实际应用中越来越被重视[3]，广泛应用于全球[1,4]、国家[5-6]、地区[7-8]、城市[9-11]、校园[12]以及草原牧区[13-14]、旅游业[15]、工业[16-17]、渔业[18]等的生态足迹和生态承载力研究，为政府和企业制定可持续发展对策提供了重要的理论依据。

但是利用传统的生态足迹模型对区域可持续发展状态进行评估时，采用的产量因子和均衡因子是基于全球平均生产力和国际统一标准，忽略了生态功能复杂性和区域自然环境的时空差异，且稳定性差[19-20]；此外，传统的生态足迹模型没有考虑可再生和不可再生土地利用的区别，也没有考虑低生物生产力的土地面积[21]。基于传统生态足迹模型的缺陷，Zhao等[22]2005年提出能值生态足迹模型，引入能值理论中的能值转化率和能值密度计算区域生态足迹和生态承载力，提供了一种通过追踪生态系统中能量流动的方法来评估资源消耗以及对环境造成的影响的新思路。

草地资源作为重要的陆地可再生自然资源，不仅能够为人类提供各种畜产品，还具有多种生态服务功能，是全球三大碳库之一；但同时草地生态系统也是受自然和人为因素影响最为敏感的生态系统。人类对草地资源的消耗日益加剧，草地生态系统出现严重退化[14]。高寒牧区草地是我国主要的四大草地资源之一，也是我国分布面积最广的天然草地。本研究利用改进的能值生态足迹模型，对甘南藏族自治州(简称甘南州)整体及其各县、市可持续发展状态进行评估，分析人类活动及产业发展对环境的影响，旨在为该地区及相似环境的广大高寒牧区生态环境保护及可持续发展对策提供有效的理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

甘南藏族自治州是全国十个藏族自治州之一，总面积4.5万km2，处于青藏高原东北边缘，甘肃省西南部，甘、青、川交界处，青藏高原和黄土高原过渡地带。地势西北部高，东南部低，境内海拔1100～4900 m，大部分地区在3000 m以上。全州分为3个自然类型区，南部为岷迭山区，山大沟深，气候比较温和，是全省重要林区之一；东部为丘陵山地，高寒阴湿，农林牧兼营；西北部为广阔的草甸草原，是全省主要牧区(图1)。全州共有耕地6.73万hm2，约占总面积的1.76%；共有草地约257.9万hm2，约占总面积的67.32%；林地面积约94.03万hm2，占全州总面积的24.55%。自治州成立于1953年，现辖7县1市，其中玛曲、碌曲、夏河、卓尼、临潭和合作6个县市是黄河重要水源补给生态功能区，土地总面积3.057万km2，占全州土地总面积的67.9%。舟曲和迭部两县位于长江支流白龙江上游，是长江上游“两江一水”流域水土保持与生物多样性生态功能区和长江上游重要的水源涵养林区。

图1 研究区示意图Fig.1 Schematic diagram of study area

2013年全州总人口74.57万人，州内有藏、汉、回、土、蒙等24个民族，其中：藏族人口40.81万人，占总人口的54.7%。全州常住人口69.78万人，其中城镇人口19.11万人，城镇化率27.39%。近年来，甘南州着力抓好高原特色畜牧业、特色畜产品加工龙头企业、旅游文化产业3个首位产业，使全州经济保持平稳较快发展的良好态势。2013年全州实现地区生产总值108.89亿元，比上年增长10%。

1.2 数据和研究方法

1.2.1 数据来源及处理 研究中计算生态足迹所用到的消费项目数据、生产总值(GDP)、人口、研究区面积等数据来源于2005-2013年的《甘南统计年鉴》等。各消费项目的能值折算系数和各种资源的太阳能值转化率数据来自参考文献[23-26]以及蓝盛芳等[27]主编的《生态经济系统能值分析》和赵桂慎[28]主编的《生态经济学》。统一能值基准为全球平均能值总量1.58×1025sej/yr。

太阳辐射能利用遥感数据进行估测，基于30 m分辨率数字高程数据产品(GDEM)。使用ESRI ArcGIS for Desktop 10.1 (ESRI, Redlands, C, USA)软件中的Area Solar Radiation工具计算研究区能够到达地表的太阳辐射能(即能够被人类利用的太阳能总量)，其方法使用的是Fu等[29]创立的半球视域算法中的方法。此外，研究区的平均海拔也来源于数字高程数据。

计算雨水化学能和雨水势能所用到的研究区降水量数据来源于2005-2013年的 《甘南统计年鉴》等。计算风能时，利用甘南州及周边省份(甘肃、青海、四川、陕西、宁夏)2005-2013年150个气象台站的风速数据进行插值，得到甘南州各县、市的平均风速数据。插值方法采用ArcGIS软件中的普通克里金(Kriging)插值[30]。

1.2.2 能值生态足迹模型 能值分析理论是20世纪80年代由Odum[31]提出并不断发展起来的，以热力学原理、系统理论和系统生态学为基础，为系统中不同类型的能量和物质流提供了一个新的分析工具。能值(emergy)是指某种流动或贮存的能量所包含的另一种能量的数量。通常以太阳能值来度量各种流动或贮存能量的能值，单位为太阳能焦耳(solar emjoules，缩写为sej)[22,32]。Zhao等[22]将能值理论与生态足迹相结合，提出了能值生态足迹模型。人类社会中的主要能量消耗都可归宗到太阳能，能值生态足迹模型将生态系统中各种产品的重量转换成太阳能值，使得所有的产品和服务能够基于一个相同的标准进行比较。再利用能值密度的概念，将自然资源的供给和人类的消耗转换成生物生产性土地面积[33]。

能值密度即为能值利用强度，指单位面积能值使用量。一个地区的经济活动越频繁，经济开发程度越大，则能值密度越大[34]。能值生态足迹模型中计算生态承载力时，采用地球能值密度；地球能值密度表征全球平均能值利用强度，因此用它来计算一个地区的生态承载力时，忽略了研究区域的特性，不足以反映研究区生态系统的真实供给能力[34-35]。因此本研究在计算生态足迹和生态承载力时均采用区域能值密度，不仅能够反映研究区生态系统的真实供给能力和人类对资源的消耗状况，而且这样计算得到的生态足迹和生态承载力结果更具有可比性。其中计算甘南州各县、市的生态足迹和生态承载力时采用甘南州平均能值密度 [7.69×1010sej/(m2·yr)]；计算整个甘南州的生态足迹和生态承载力时采用青藏高原东部地区的能值密度 [8.38×1010sej/(m2·yr)]。甘南州地处青藏高原东部，根据自然带、植被类型、海拔等划分，青藏高原东部地区能值密度能够代表甘南州的能值利用状况。甘南州平均能值密度是指甘南州2005-2013年区域能值密度的平均值，甘南州区域能值密度的计算方法见下文。青藏高原东部地区的能值密度计算方法同上。

1)能值生态足迹(emergy ecological footprint)的计算公式如下：

EF=N×ef=N×∑ai=N×∑(ci/p2)

式中：EF为总生态足迹；ef为人均生态足迹；N为区域总人口；ai为第i种资源的人均生态足迹；ci为第i种资源的人均能值 (sej)；p2为区域能值密度[sej/(m2·yr)]；区域能值密度p2=区域总能值/区域总面积。

计算区域总能值时，主要考虑5种可再生资源能值：太阳辐射能、雨水化学能、雨水势能、风能和地球旋转能。根据能值理论，同一来源的能量投入只取其最大值，而雨水化学能、雨水势能和风能都是太阳能的转化形式，因此前4种能量的本质是一样的，计算时只取其最大值；则区域总能值为前四者的最大值与地球旋转能之和[34]。

可再生资源的计算公式如下：

雨水化学能=研究区面积(m2)×年降雨量(m/yr)×雨水密度(kg/m3)×吉布斯自由能(J/kg)[36]

雨水势能=研究区面积(m2)×年降雨量(m/yr)×雨水密度(kg/m3)×
云层平均海拔高度差(m)×重力加速度(m/s2)[37]

风能=研究区面积(m2)×空气密度(kg/m3)×阻力系数×平均风速3(m/s)×(365.25×24×3600 s)[36]

地球旋转能=研究区面积×热通量[J/(m2·yr)][24]

表1列举出了2005-2013年甘南州上述5种可再生资源的能值量，由表中数据可知：在太阳辐射能、雨水化学能、雨水势能和风能中，雨水化学能始终最大。因此2005-2013年甘南州的区域总能值为雨水化学能与地球旋转能之和。

2)能值生态承载力计算。为了更好地理解生态承载力，将自然资源分为可再生资源和不可再生资源。生态承载力的计算中只考虑可再生资源[22]，还需扣除12%的生物多样性保护面积，具体计算公式如下：

ec=(e/p2)×0.88

式中：ec为人均生态承载力；e为人均可再生资源能值(sej)；p2为区域能值密度[sej/(m2·yr)]。这里的区域可再生资源能值即为上述计算区域能值密度中的区域总能值。

1.2.3 生态足迹指数 吴隆杰[5]提出用生态足迹指数评估一个区域的可持续发展状态。生态足迹指数(ecological footprint index, EFI)是指一定区域的生态承载力(EC)与生态足迹(EF)的差额占生态承载力的百分比，可视作区域为今后保留的可持续发展能力的百分比。具体计算公式为：

EFI=(EC-EF)/EC×100%

当EFI=0时，表明该区域处于可持续发展与不可持续发展的临界点；当0

表1 2005-2013年甘南州可再生资源能值Table 1 The emergy of Gannan renewable resources in 2005-2013 sej

注：表中5种可再生资源的能值转换率来源于参考文献[24]和[27]。

Note: The transformity of five kinds of renewable resources in the Table is from the references of [24] and [27].状态越强；当EFI<0时，表明该区域处于不可持续发展状态，即生态承载力不足以支持区域生态足迹的增长，其值越小，不可持续性越强。

1.2.4 万元GDP生态足迹 万元GDP生态足迹(WEF)是指一个特定区域每创造1万元GDP所需要的生态足迹数量，是一个反映资源利用效率的指标，其值越大表明生物生产性土地生产效率越低。区域现代化经济发展水平越低，越是倚重传统农牧业，对万元GDP生态足迹需求越大；区域自然资源越差，土地生产潜力相对低，对万元GDP生态足迹需求也越大[38-39]。具体计算公式如下：

WEF=区域人均生态足迹/区域人均生产总值(万元)

2 结果与分析

根据上述能值生态足迹模型，计算得出甘南州及其各县、市的生态足迹、生态承载力、生态足迹指数以及万元GDP生态足迹。其中计算生态足迹时所包含的消费项目如表2所示(以甘南州2008年为例)。

2.1 甘南州生态足迹组成及变化趋势分析

表2列举了各消费项目的人均生态足迹，由表可知，2008年对总生态足迹贡献较大的项目从大到小依次为：牛奶、燃料煤、牛肉、电力、油料、羊肉、野柴草、猪肉、谷物和豆类等。对2005-2013年各消费项目的人均生态足迹进行分析发现，9年中对总的人均生态足迹贡献较大的均为上述10种消费项目，并且这10种消费项目的总贡献率均达到90%以上(图2)。据此，分析了2005-2013年这10种消费项目对总的生态足迹贡献(一种项目对总生态足迹的贡献大小用该项目的人均生态足迹与总人均生态足迹的比例表示)的变化趋势。

如图2所示，9年间牛奶对生态足迹的贡献最大，但总体呈现下降趋势；而牛肉、羊肉和猪肉对生态足迹的贡献有所增加；表明该地区对肉产品的需求有所增加，对牛奶的需求有所减少，但牛奶仍然是需求比例最大的。电力和燃料煤对生态足迹的贡献明显增大，而野柴草对生态足迹的贡献不断减小，表明野柴草作为一种原始的以直接燃烧来获取能量的方式已经逐渐被电力和燃料煤取代。种植业中对生态足迹贡献较大的为油料、谷物和豆类，其中油料对生态足迹的贡献变化不大，而谷物和豆类对生态足迹的贡献不断减少，且油料的贡献明显比谷物和豆类大；表明种植业生产结构中油料作物比重大于粮食作物比重。

此外，还分析了所有种植业产品和畜牧业产品对总生态足迹贡献的变化趋势。如图3所示，畜牧业产品对总生态足迹的贡献达到50%左右，远大于种植业产品，表明畜牧业一直处于主导地位。种植业产品对总生态足迹的贡献呈下降趋势，从2005年的24.71%减小到2013年的16.79%，表明甘南州种植业在产业结构中的比重不断减小。

表2 2008年甘南州生态足迹计算Table 2 The calculation of Gannan ecological footprint in 2008

EF:Ecological footprint.

2.2 甘南州生态足迹和生态承载力动态分析

如图4所示，2005-2013年甘南州人均生态足迹总体呈上升趋势，由2005年的4.77 hm2/人增加到2013年的7.09 hm2/人；表明9年间人类对资源的消耗不断增加，对环境的压力日益加剧。其中2005-2010年人均生态足迹迅速增加，2010年之后增加趋势略有减缓。2005-2013年甘南州人均生态承载力呈波动变化，2005-2009年总体呈下降趋势，2009-2013年总体呈上升趋势。

图2 甘南州各消费项目生态足迹比例Fig.2 The proportion of Gannan various consumer items ecological footprint

图3 甘南州畜牧业和种植业生态足迹比例Fig.3 The proportion of Gannan animal husbandry and farming ecological footprint

图4 甘南州人均生态足迹和人均生态承载力Fig.4 Per capita ecological footprint and per capita ecological carrying capacity of Gannan

2.3 甘南州生态足迹指数动态分析

如图5所示，2005-2010年甘南州生态足迹指数总体呈下降趋势，说明甘南州生态环境不可持续性逐渐增强；2010-2013年生态足迹指数出现波动变化，表明在一定程度上可持续性状态开始趋于稳定。其中2005年生态足迹指数最大，为15.49%；2013年最小，为-43.14%。

2.4 甘南州万元GDP生态足迹动态分析

如图6所示，2005-2013年甘南州万元GDP生态足迹不断降低，2005年最大，为12.60 hm2/万元；2013年最低，为4.86 hm2/万元，表明甘南州资源利用效率不断提高。

图5 甘南州生态足迹指数Fig.5 Ecological footprint index of Gannan

图6 甘南州万元GDP生态足迹Fig.6 Ecological footprint of ten thousand yuan GDP in Gannan

2.5 甘南州各县市生态足迹和生态承载力动态分析

根据不同的自然景观和农林牧业发展形式，将甘南州七县一市分为以下两部分进行分析。如图7所示：1)以发展畜牧业为主的玛曲县、碌曲县、夏河县和合作市，其中玛曲县是甘肃省纯牧业县之一。玛曲县人均生态足迹最大，碌曲和夏河次之，合作市最小；2005-2013年这三县一市的人均生态足迹总体均呈上升趋势。其中玛曲人均生态足迹出现较大的波动，2005-2006年急剧增加，2007年又有所降低。2)农牧交错区的临潭县、卓尼县、舟曲县和迭部县。临潭县人均生态足迹总体呈上升趋势，2011年之后出现波动；卓尼县人均生态足迹变化趋势与临潭县相似；舟曲县人均生态足迹不断增加，但其值最小；2006-2012年迭部县人均生态足迹变化不大，相对稳定。总体来看，以发展畜牧业为主的三县一市人均生态足迹总体大于农牧交错区的4个县，且增加的趋势更明显。

相应的，甘南州各县市人均生态承载力变化趋势如图8所示：1)玛曲县人均生态承载力最大，碌曲县次之，夏河县和合作市人均生态承载力比玛曲和碌曲平均小3～4倍。2005-2013年玛曲和碌曲人均生态承载力总体呈下降趋势，但也出现波动。夏河县和合作市人均生态承载力变化相对较稳定。2)迭部县人均生态承载力在农牧交错区四县中为最大，其中2005-2009年呈降低趋势，2009-2013年呈增加趋势。卓尼县人均生态承载力相对稳定，2006-2008年出现波动，2010年之后有增加的趋势。舟曲县和临潭县人均生态承载力较小，变化也较稳定。

图7 甘南州各县市人均生态足迹Fig.7 Per capita ecological footprint of counties and cities in Gannan

图8 甘南州各县市人均生态承载力Fig.8 Per capita ecological carrying capacity of counties and cities in Gannan

2.6 甘南州各县市生态足迹指数动态分析

如图9所示：1)玛曲县和碌曲县生态足迹指数大小相当，表明玛曲和碌曲可持续发展状态相似。玛曲县生态足迹指数呈波动变化，2005-2012年生态足迹指数大于零，区域生态承载力能够支持生态足迹的增长；2013年生态足迹指数小于零，区域生态承载力不足以支持生态足迹的增长。碌曲县生态足迹指数在2005-2009年不断降低，2009-2012年略有回升。夏河县生态足迹指数小于玛曲和碌曲，总体呈下降趋势，2009年之后变化趋于稳定，除2005年外均小于零。合作市生态足迹指数在三县一市中最小，均小于-55.79%，2005-2009年迅速降低，2009年之后变化幅度明显减小，生态足迹增长已经严重超出生态承载力范围。2)甘南州七县一市中，临潭县生态足迹指数最小，均小于-200%，生态足迹增长与生态承载力严重不平衡。卓尼县生态足迹指数呈波动变化，2005-2011年总体呈下降趋势，2011年之后有所增大；2006年之后均小于零。舟曲县生态足迹指数在2005-2010年总体呈下降趋势，2010年之后有所回升；其值均小于零。总体来看，迭部县的生态足迹指数在七县一市中为最大，且较稳定，均大于零，生态承载力足以支持生态足迹的增长。

图9 甘南州各县市生态足迹指数Fig.9 Ecological footprint index of counties and cities in Gannan

2.7 甘南州各县市万元GDP生态足迹动态分析

如图10所示：1)玛曲、碌曲和夏河的万元GDP生态足迹大小相差不大，总体呈下降趋势，表明玛曲、碌曲和夏河三县资源利用效率和经济发展水平相当，且不断提高。合作市万元GDP生态足迹最低，总体呈下降趋势，表明合作市资源利用效率和经济发展水平比其他各县高，且在不断提高。2)总体来看，临潭、卓尼、舟曲和迭部四县的万元GDP生态足迹均呈下降趋势。其中迭部县的变化趋势最大，从2005年的23.26 hm2/万元下降到4.39 hm2/万元，表明迭部县资源利用效率迅速提高。

图10 甘南州各县市万元GDP生态足迹Fig.10 Ecological footprint of ten thousand yuan GDP of counties and cities in Gannan

2.8 甘南州各县、市各指标滑动平均处理结果分析

为了更好地比较甘南州各县、市各指标的差异，对甘南州七县一市2005-2013年的人均生态足迹、人均生态承载力、生态足迹指数和万元GDP生态足迹求滑动平均值(用来说明各指标的平均状态)，并将每个指标值都分为三级，结果如图11所示。9年间，玛曲和碌曲的人均生态足迹、人均生态承载力和生态足迹指数均最大，生态足迹指数大于零，处于可持续发展状态；而碌曲县的万元GDP生态足迹大于玛曲县，表明玛曲县的资源利用效率和经济发展水平高于碌曲县。舟曲、临潭和卓尼人均生态足迹较小，表明农牧交错区的资源消耗相对较小；舟曲、合作和临潭的人均生态承载力较小，表明其可再生资源储量小。合作市资源利用效率最高，但其生态足迹指数小，处于严重不可持续发展状态。除玛曲和碌曲外，迭部县生态足迹指数也较大，处于可持续发展状态；夏河、卓尼和舟曲处于不可持续发展状态。

图11 甘南州各县市各指标分级图Fig.11 Various indicators classification figure of counties and cities in Gannan ef: 人均生态足迹 Per capita ecological footprint; ec: 人均生态承载力Per capita ecological carrying capacity; EFI: 生态足迹指数Ecological footprint index; WEF: 万元GDP生态足迹Ecological footprint of per ten thousand yuan GDP.

3 讨论与结论

3.1 讨论

整体而言，研究区(甘南州)生态足迹组成中，畜牧业产品所占比重最大，并且一直保持稳定，电力和燃料煤比重逐年上升，而种植业产品比重有所降低。甘南州作为甘肃省主要的畜牧业生产基地，其产业发展中畜牧业的主导地位毋庸置疑。在国家的大力支持和帮助下，积极稳步地调整生产关系，改善畜牧业生产条件，进行草畜体制改革，大力推广科技，加大现代舍饲牧业投入，使得高原特色畜牧业得以迅速发展，因此在工业化快速发展的过程中，畜牧业仍保持着首位产业的地位。依托丰富的矿产资源和水电资源等，大力发展优势加工工业，促进了甘南州特色工业和城市化进程的快速发展，使得电力和燃料煤耗费逐年增加。甘南州已经逐渐由过去落后的一元经济结构走向多元开放的现代市场经济时代，巩固农牧业基础地位的同时大力发展工业和其他优势产业，产业结构趋于多样化和合理化。万元GDP生态足迹的降低表明随着科技创新和技术进步以及产业结构调整等措施的实施，甘南州资源利用效率不断提高，区域经济发展水平越来越高，增长点已不再仅倚重农牧业。但是与国内相对发达地区如：山西省[39]、福建省[40]乃至全国[38]的万元GDP生态足迹相比，甘南州万元GDP生态足迹仍处于较高水平，资源利用效率仍有待提高。

人口增长、大力发展畜牧业、城镇化进程不断加快以及经济社会和工业的发展导致对资源的需求和消耗不断加剧，是生态足迹增加的主要因素。人类对草地的过度利用(放牧、发展旅游业、道路建设等)导致草地植被覆盖度下降，草产量降低，土壤养分缺失，载畜量下降；此外，由于缺乏科学、有效的管理措施造成的草地病虫害等因素使得甘南州草地出现不同程度的退化，是甘南州生态承载力降低的主要因素[41-42]。2003年甘南州环保局正式挂牌运行，实施一系列环境保护工程，使得甘南州草地植被有所恢复，生态环境得以改善，2009年之后生态承载力有所增加。例如，2003年甘南州开始实施退牧还草政策，随后提出“农牧互补”发展战略，大力推进“一特四化”，实施草场围栏承包、休牧禁牧、减畜种草和草原灌溉，切实减轻草场载畜压力，使草原生态逐步得到恢复。截止2013年，甘南州草原围栏216.4万hm2，实施草原鼠害综合防治88.5 万hm2，2011年以来，甘南州落实国家草原生态保护补助奖励政策，要求牧民科学减少放养家畜、引进和培育优良牲畜和牧草品种、保护草场，建设牧民季节性草地居住区，并给予牧民相应的补助和奖励，共从草畜平衡区核减牲畜54.59万个羊单位[43]。这些政策的实施极大地保护了草原，促进草原生态环境的改善和生态承载力的提高。发展模式由过去掠夺粗放型向生态效益型、经济效益型转变。

图12 甘南州各县市人口密度Fig.12 The population density of counties and cities in Gannan

以畜牧业为主的玛曲县、碌曲县、夏河县和合作市中，玛曲和碌曲生态足迹指数较大且变化相对稳定，9年间(2005-2013年)，生态环境处于可持续发展状态，其生态承载力还能够支撑生态足迹的增长。依托丰富的草地资源，大力发展畜牧业以及城镇化进程不断加快，人类需求和消耗不断增加，使得人均生态足迹不断增加，虽然人类意识到环境不断恶化而采取各种保护措施，在一定程度上发挥了很大的作用，使得生态承载力在某些年份有所增加，但总体仍然呈现降低的趋势，若以此趋势发展下去，必将导致生态环境的恶化，因此必须采取相应的措施来维持生态承载力与生态足迹的相对平衡。夏河县和合作市从区域面积和草地资源来看，其可再生资源储量比玛曲和碌曲少，并且人口密度较大(图12)，因此人均生态承载力相对较小，人均生态足迹不断增大，使得生态足迹指数不断降低，9年间处于不可持续发展状态，其中合作市处于严重不可持续发展状态。合作市是甘南州州政府所在地，城市化水平不断提高，经济和社会迅速发展，随着全面建设小康社会进程的加快，为满足人类日益增长的消费需求，就需要消耗更多的资源来适应经济社会发展和人类需求，导致生态环境不断恶化。属于农牧交错区的临潭县、卓尼县、舟曲县和迭部县人均生态足迹总体小于以发展畜牧业为主的三县一市，且后者增加的趋势更明显，表明畜牧业发展迅速，在甘南州产业发展中占绝对优势，对资源的需求和消耗也更多。人均生态承载力的变化均较稳定，从大到小依次为迭部、卓尼、舟曲和临潭。其中临潭县9年间处于极严重的不可持续发展状态，临潭县以农业生产为主，人口密度最大(图12)、资源需求量大，是导致其生态环境恶化最主要的原因。迭部县生态足迹指数在七县一市中为最大，生态承载力足以支持生态足迹的增长，一方面由于其森林资源丰富，森林覆盖率60%以上，可储存大量的可再生资源，人均生态承载力大；另一方面其资源利用效率较高，这可能是迭部县在不断发展的过程中仍能保持可持续状态的重要原因。舟曲和卓尼虽处于不可持续发展状态，但在2010年之后有好转的趋势，这与其资源利用效率的不断提高和产业结构调整密切相关。

本研究对能值生态足迹模型进行了改进，在计算生态足迹和生态承载力时均采用能够反映研究区生态系统真实供给能力的区域能值密度，可比性更强，对区域可持续性的评估也更为合理。此外太阳辐射能利用研究区的数字高程数据产品进行估算，相比于利用平均太阳辐射量进行估算的方法[24]，该方法计算的太阳辐射能更能反映研究区的真实状况；但实际计算区域可再生资源时，这部分能值较小，因此没有计入。生态经济系统错综复杂，研究中对生态可持续性的评估将复杂多变的系统简单化，这在一定程度上忽略了很多难以得到数据资料，同时也会不可避免地造成研究结果与实际状况的少量偏差。虽然本研究在方法上的改进一定程度上增加了研究结果的可靠性，但仍有进一步完善的空间。

3.2 结论

1) 甘南州生态足迹组成中，畜牧业产品所占比重最大，并且一直保持稳定；甘南州已经逐渐由过去落后的一元经济结构走向多元开放的现代市场经济时代。

2) 2005-2013年，甘南州人均生态足迹不断增大，由2005年的4.77 hm2/人增加到2013年的7.09 hm2/人，而人均生态承载力呈波动式变化，人类对自然资源的消耗在不断增加，但一些保护措施的大力实施使得人均生态承载力有所增加。

3) 甘南州生态足迹指数总体呈下降趋势，不可持续性逐渐增强。

4) 万元GDP生态足迹的不断降低表明甘南州资源利用效率不断增加，但与其他相对发达地区相比仍有待提高。

5) 对甘南州各县、市的人均生态足迹和人均生态承载力分析可得：以畜牧业为主的三县一市人均生态足迹和人均生态承载力总体均大于农牧交错区的4个县，并且人均生态足迹的变化趋势也更为明显。表明畜牧业为主的地区生态承载力和资源需求消耗总体大于农牧交错区。

6) 对甘南州各县、市生态足迹指数分析可得：以畜牧业为主的三县一市中玛曲和碌曲生态足迹指数变化相对稳定，且9年间处于可持续发展状态；夏河和合作生态足迹指数总体呈下降趋势，9年间夏河县处于不可持续发展状态，合作市处于严重不可持续发展状态。农牧交错区的4个县中临潭县生态足迹指数最小，下降趋势也最明显，处于严重不可持续发展状态；迭部县的生态足迹指数在七县一市中为最大，且较稳定，处于可持续发展状态；卓尼和舟曲生态足迹指数变化趋势相似，处于不可持续发展状态。

7) 对甘南州各县、市万元GDP生态足迹分析可得：甘南州七县一市资源利用效率均不断提高；合作市资源利用效率最高，这与其城镇化进程和经济发展密切相关；迭部县2007年之后资源利用效率也较高，这可能是迭部县在不断发展的过程中仍能保持生态环境处于可持续性状态的重要原因。

综上所述，近年来甘南州的发展基本处于不可持续状态，且不可持续性不断增强。根据前文的相关分析以及甘南州的发展状况，如何减少资源消耗，促进生态承载力增加，是提高区域可持续性的关键。因此，在今后的发展中应该从以下几个方面进行努力：1) 提高资源利用效率。资源利用效率的提高使得生产相同数量的产品消耗更少的资源，能够有效地节约资源。2) 调整产业结构。畜牧业一直是甘南州的主导产业，但在大力发展畜牧业的同时，要协调好种植业、工业等的共同发展，发展低耗能产业。此外也要注重畜牧业和种植业内部结构的调整，实施“农牧互补”战略，提高生产力水平。3) 继续加大退牧(耕)还草(林)、农牧互补、草原生态保护补助奖励政策以及黄河上游水源补给区生态建设等一系列生态项目的实施力度。4) 发展健康生态经济服务业。如旅游业作为甘南州的优势产业正在蓬勃发展，但这些发展对生态环境造成的破坏也是毋庸置疑的。针对旅游业发展中存在的环境问题，应加强规范管理，进行文明宣传，打造舒适条件，及时处理投诉，提高经营与消费双方素质等，从而减少对资源的浪费，有效地保护环境以提高区域生态承载力。5) 合理开发资源。除畜牧资源外，甘南州还有丰富的矿产资源、水电资源、中藏药资源等，近年来，依托这些丰富的资源，甘南州大力发展优势产业。众多产业的发展造成资源的过度开发，生态环境恶化，因此我们不仅要合理开发资源，并且对于因资源开发不当而造成的植被破坏，应及时进行生态恢复，最大可能地减少对生态环境的破坏。

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Sustainable development of the alpine pastoral region in the eastern Tibetan Plateau based on the emergy ecological footprint model

LI Weng-Long1, YU Cui1*, ZHAO Xin-Lai1, LIANG Tian-Gang1, ZHANG Jin-Lin1, XU Jing2

1.StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-Ecosystem,CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,Lanzhou730020,China; 2.SchoolofAgricultureandForestryEconomicandManagement,LanzhouUniversityofFinanceandEconomics,Lanzhou730020,China

Sustainable development is a shared goal of all countries around the world. The assessment of regional sustainability is becoming an important theoretical basis for policy making. Gannan Tibetan Autonomous Prefecture is a typical alpine pastoral region in China. In this region, sustainable development has become a major issue with the ongoing development of animal husbandry. Therefore, we analyzed the sustainable development of counties and cities in Gannan from 2005 to 2013 based on a modified emergy ecological footprint model. Regional emergy densities are the key of the modified model, which was used to quantify the ecological carrying capacity and the ecological footprint. Therefore, this model can truly reflect the supply capacity of ecosystems and human resource consumption in these areas. The results indicated that livestock products accounted for the largest proportion of the ecological footprint in the study area, and remained stable during the study period. The percentage of electricity and coal consumption increased year by year, while the proportion of farming products and wild firewood decreased. The per capita ecological footprint in Gannan increased from 4.77 ha per capita in 2005 to 7.09 ha per capita in 2013. The per capita ecological carrying capacity fluctuated between 4.64 ha per capita and 5.65 ha per capita. The ecological footprint index of Gannan showed a decreasing trend, and its ecological environment had an unsustainable development status during the study period. The ecological footprint per ten thousand yuan GDP in Gannan dropped from 12.60 ha per ten thousand yuan in 2005 to 4.86 ha per ten thousand yuan in 2013, revealing that the resource utilization efficiency had improved. Among the counties and cities, Hezuo had the highest ecological footprint index, followed by Diebu. There were no significant differences among the other counties. In general, the per capita ecological footprint and ecological carrying capacity were higher in regions of animal husbandry development (Maqu, Luqu, Xiahe, and Hezuo) than in regions with a farming-pastoral ecotone (Lintan, Zhuoni, Zhouqu, and Diebu). During the 9 years, Diebu, Maqu, and Luqu had a sustainable development status while Xiahe, Zhuoni and Zhouqu had an unsustainable development status. Hezuo and Lintan had a seriously unsustainable development status. Based on these findings, we discuss the future sustainable development of Gannan.

sustainable development; emergy ecological footprint; ecological carrying capacity; resource utilization efficiency

10.11686/cyxb2016186

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-05-06；改回日期：2016-06-29

国家自然科学基金(31170430,41471450,31372367,31222053)，国家社会科学基金(14CJY010)，中央高校基本科研业务费专项(lzujbky-2016-br05)和中央高校自由探索优秀研究生创新项目(2022016zr0185)资助。

李文龙(1977-)，男，甘肃兰州人，教授，博导。E-mail:wllee@lzu.edu.cn*通信作者Corresponding author. E-mail: yuc14@lzu.edu.cn

李文龙, 余翠, 赵新来, 梁天刚, 张金林, 许静. 基于能值生态足迹模型的青藏高原东部高寒牧区可持续发展研究. 草业学报, 2017, 26(4): 1-14.

LI Weng-Long, YU Cui, ZHAO Xin-Lai, LIANG Tian-Gang, ZHANG Jin-Lin, XU Jing. Sustainable development of the alpine pastoral region in the eastern Tibetan Plateau based on the emergy ecological footprint model. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(4): 1-14.