西北生态脆弱地区甘肃的生态安全时空演化格局

胡晓芬, 陈兴鹏, 逯承鹏, , 庞家幸, 张子龙, 赵林, 薛冰



西北生态脆弱地区甘肃的生态安全时空演化格局

胡晓芬1, 陈兴鹏1, 逯承鹏2,3,1, 庞家幸1, 张子龙1, 赵林4, 薛冰2,3

1. 兰州大学资源环境学院/兰州大学中国西部循环经济研究中心, 兰州 730000 2. 中国科学院沈阳应用生态研究所污染生态与环境工程重点实验室, 沈阳 110016 3. 辽宁省环境计算与可持续发展重点实验室, 沈阳 110016 4. 辽宁省大石桥市高级中学, 营口 115100

基于区域能值密度改进的能值-生态足迹模型, 结合GIS以甘肃省为例分析了西北生态脆弱地区生态安全时空演化格局。结果表明: 甘肃省的人均生态赤字呈现波动上升趋势, 人均生态赤字从1980年的0.42 hm2·cap-1增加到2015年的4.00 hm2·cap-1, 且以年均6.70%的速度增长, 生态赤字状态在空间上呈现出由中心向两极扩散的演变格局。生态压力指数不断增大, 生态安全等级逐渐升高, 近年来生态安全状况出现恶化趋势, 生态安全问题亟待解决。基于上述结论从降低人类环境负荷和减少化石能源使用量等方面提出了提升生态安全状况的对策措施。

生态安全; 时空格局; 能值-生态足迹模型; 甘肃省

1 前言

格局与过程是理解和研究地理现象的重要方法, 格局是认识世界的表观, 过程是理解事物变化的机理, 对不同时空尺度下的地理格局与过程进行耦合研究是地理学综合研究的重要途径和方法[1]。当前, 生态安全正在成为可持续发展学科研究的热点问题[2-3]。国内外许多学者从内容和方法上对生态安全问题进行了广泛的研究, 其内容研究集中在生态风险评价、生态系统健康评价及生态系统服务功能评价等方面[4], 研究方法主要包括数学模型法、生态模型法、景观模型法、数学地面模型法、生态足迹模型等[5]。而基于能值理论改进的生态足迹模型弥补了传统生态足迹模型的不稳定性, 计算结果更加精确可靠, 更能真实地反映出区域生态安全状况[6]。甘肃省作为国家“两屏三带”生态安全屏障的重要组成部分, 在维护国家生态安全中具有重要地位, 特殊的地理位置决定了甘肃省生态环境具有原生脆弱性[7], 其生态安全状况不仅影响到西部大开发战略的实施, 而且影响着黄河下游的安全问题[8]。因此, 本文从能值密度着手进一步改进能值-生态模型, 对现有生态安全评价指标中的生态赤字指标进行完善, 提出生态软赤字和生态硬赤字指标, 并将生态压力指数指标根据计算方法不同分为生态压力指数和生物质压力指数, 拟定两种相应的生态压力等级, 结合GIS软件, 开展甘肃省生态安全时空演化格局研究, 以期为西北生态脆弱地区生态文明建设及区域可持续发展提供理论依据。

2 研究方法

2.1 能值-生态足迹模型

2.1.1 能值分析与生态足迹理论

传统生态足迹方法将一个地区或国家人类社会经济活动对环境的需求根据全球平均产量转化为相应的面积需求[9], 并与该地区自己所拥有的生态能力(生态承载力)进行比较, 进而判断该国家或地区的发展是否处于生态承载力的范围内。但由于传统生态足迹方法所采用的全球平均生产能力、产量因子等参数忽视了土地功能复杂性与区域功能差异性, 导致计算结果与实际情况产生较大误差[10]。能值分析方法是以能值为量纲, 把生态系统中不同种类、不可比较的能量、物质、商品、劳务和服务等通过能值转换率转换成同一标准的太阳能值来衡量和分析, 从而可以架起定量分析自然和人类社会经济系统、资源与环境的真实价值以及它们之间的关系桥梁[11-13]。能值-生态足迹模型是将传统的生态足迹方法与能值分析方法相结合, 可以有效弥补传统生态足迹计算中所采用的标准不够统一、不同研究结果缺乏可比性等缺陷, 使计算结果能更客观真实地反映研究区域生态安全状况[14]。

2.1.2 能值分析与生态足迹结合的桥梁: 能值密度

能值生态足迹方法与传统生态足迹方法不同点在于它开始于系统的能量流[15], 通过能量流和能值分析, 将能量需求转化为相应的生物生产性土地面积, 能值密度则成为其沟通结合的桥梁, 通过计算能值密度使能量需求转化成生物生产性土地面积, Zhao[16]最初将生态足迹计算中能值密度用区域能值密度表示, 生态承载力计算中能值密度用全球平均能值密度表示。区域能值密度为区域可更新资源能值密度, 即为区域可更新资源能值/区域土地面积, 全球平均能值密度为全球可更新资源能值密度, 即为全球可更新资源能值/全球土地面积。可更新资源能值的计算包括以下几部分: 太阳能、风能、雨水化学能、雨水势能和地球旋转能中人类直接或间接利用量。为了避免重复计算, 根据能值理论, 在同一性质的能量中, 只选取其中的最大值。本文中能值密度的计算包括生态承载力计算部分区域能值密度(P)和生态足迹计算部分区域能值密度(P)两种能值密度。

2.1.3 生态足迹与生态承载力计算

基于提供人类使用的可更新资源的生物生产性土地面积与吸收二氧化碳废弃物的需求将资源产品年消耗项目划分为生物质资源和化石能源两大类, 相对应的计算得出生物质能值足迹和化石能源能值足迹。生物质能值足迹包括耕地足迹、牧草地足迹、林地足迹、水域足迹和建筑用地足迹等, 其中, 耕地足迹由农产品(稻谷、小麦、玉米、薯类、油料、甜菜、棉花、中药材)消耗项目计算组成, 牧草地足迹由动物产品(猪肉、牛肉、羊肉、牛奶和羊毛)消耗项目计算组成, 林地足迹由林产品(木材、水果)消耗项目计算组成, 水域足迹由水产品消耗项目计算组成, 建筑用地足迹由电力消耗项目计算组成。化石能源用地足迹包括化石燃料用地, 主要由煤炭、原油、天然气、焦炭、汽油、煤油、柴油、燃料油[25]等消耗项目计算组成。改进后的能值生态足迹的计算公式为:

式中,为能值生态足迹(hm2),为人口数(cap),ef为人均生物质能值生态足迹(hm2·cap-1),ef为人均化石能源能值生态足迹(hm2·cap-1);c为第种生物质资源的人均能值(单位: sej·cap-1),c为第种化石能源资源的人均能值(单位: sej·cap-1);P为区域可更新资源能值密度(单位: sej·hm-2), 即P=区域总能值/区域面积;P为区域自然资源能值密度(单位: sej·hm-2), 即P=区域总能值/区域面积。可更新资源的计算包括太阳辐射能、风能、雨水化学能、雨水势能和地球旋转能这5种可更新资源的能值。为避免重复计算, 取可更新资源能值中的太阳能、风能、雨水化学能和雨水势能中最大的一项与地球旋转能相加作为可更新资源能值, 计算区域可更新资源能值密度。

能值生态承载力主要考虑可更新资源对人类活动的支撑能力, 改进后的能值生态承载力的计算公式为:

2.2 生态安全评价指标

2.2.1 生态赤字(盈余)

(1)生态赤字/盈余。能值生态足迹和能值生态承载力的比较结果反映的是社会发展所耗费的自然资源与自然生态系统可提供资源的定量关系。当一个地区<, 表明该地区处于生态赤字状态; 反之, 则处于生态盈余状态。具体计算公式为:

式中,为能值生态赤字/盈余(hm2),为人均能值生态承载力(hm2·cap-1),为人均能值生态足迹(hm2·cap-1)。当为负时, 表示人均能值生态承载力供给小于需求, 称之为生态赤字;为正时, 表示人均能值生态承载力的供给大于需求, 即为生态盈余。为零时, 表示人均能值生态承载力供给等于需求, 处于生态平衡状态。

(2)生物质赤字/盈余。生物质赤字/盈余为生物质足迹和生态承载力的比较结果, 当一个地区<Eef, 表明该地区处于生物质赤字; 反之, 则处于生物质盈余状态。具体计算公式为:

式中,′为生物质赤字/盈余(hm2),为人均能值生态承载力(hm2·cap-1),ef为人均生物质足迹(hm2·cap-1)。当′为负时, 表示为生物质赤字;为正时, 表示为生物质盈余。

(3)生态软赤字及生态硬赤字。根据区域可更新资源的承载能力, 生态赤字被细分为生态软赤字与生态硬赤字。生态软赤字是指生态承载力大于其生物质足迹, 即是生物质盈余的, 但生物质盈余幅度不足以完全吸纳二氧化碳排放的情形, 即<0, 且′>0。生态硬赤字是指生物承载力不仅不能满足二氧化碳吸纳的需求, 甚至不能满足生物质资源消费, 存在生物质足迹赤字的情形, 即<0, 且′<0。

2.2.2 生态压力指数

生态压力指数, 又称为生态足迹强度指数, 指一个国家或地区单位生态承载面积上的生态足迹[26-27], 该指数代表了一个区域环境所承受压力的程度。其计算公式为:

式中,为生态压力指数,为能值生态足迹,为能值生态承载力。由于>0且>0, 当0＜＜1, 即＜时, 生态资源的供给大于需求, 区域承受的压力小; 当＞1, 即＞时, 区域生态资源供给小于需求, 则该地区的生态安全受到威胁, 且与1相差越大, 生态不安全程度就越大。

2.2.3 生态安全评价指标等级划分

为了更好的体现生态压力指数指标在生态安全上的应用, 需要对生态压力指数指标范围进行等级划分。显然, 生态压力越大, 生态安全程度越低, 但其阈值的确定具有一定的难度。根据甘肃省生态压力指数频率分布规律(图1), 确定甘肃省主要生态安全区间, 并制定生态安全评价指标与等级划分标准(表1)。

3 结果与分析

3.1 人均能值生态足迹与生态承载力分析

3.1.1 人均能值生态足迹分析

为便于结果更客观的与其他地区进行比较, 本文主要针对人均指标进行分析。由图 2可知, 研究期内甘肃省人均能值生态足迹总体上呈波动上升趋势, 最低值为1981年的1.81 hm2·cap-1, 最高值为2015年的5.58 hm2·cap-1, 年均增长率为2.95%, 其中出现3个峰值, 分别为1997年的3.4 hm2·cap-1,2009年的4.98 hm2·cap-1和2015年的5.58 hm2·cap-1,其原因主要是与这3年出现降雨量低值造成可更新资源能值密度的变化、人口变化及资源消耗量的变化有关。从人均能值生态足迹构成上来看(图3), 化石能源能值足迹的比重逐渐降低, 生物质能值足迹的比重则快速上升, 其中, 各类消费项目人均能值足迹构成大小顺序从1980年的化石能源用地>牧草地>耕地>建筑用地>林地>水域到2015年的牧草地>建筑用地>化石能源用地>耕地>林地>水域。反应出甘肃省多年来产业结构优化与节能减排有明显的效果。

3.1.2 人均能值生态承载力分析

由图4可知, 1980—2015年间甘肃省人均能值生态承载力在一定范围内呈现波动变化的状态, 其平均人均承载力为1.69 hm2·cap-1, 最大值为1983年的2.13 hm2·cap-1, 最小值为1997年的1.18 hm2·cap-1, 1997年为最小峰值。从人均能值生态承载力线性趋势可以看出, 总体呈现下降趋势, 变化趋势不明显。甘肃省近年来通过积极实施生态环境保护与建设取得了一定的成效, 如培育森林、治理草原、恢复荒漠、保护湿地、改良农田及防治水土流失等, 在人口不断增长情况下, 保持人均生态承载力基本稳定。

3.2 生态安全时空格局演化分析

3.2.1 人均生态赤字/盈余分析

从时间序列来看(图5), 除1981年和1983年略有盈余, 甘肃省的人均生态赤字呈现波动上升趋势, 人均赤字从1980年的0.42 hm2·cap-1增加到2015年的4.00 hm2·cap-1, 且以年均6.70%的速度增长。其中, 2000—2015年增幅较大, 达到10.44%。1991年之前和1993年, 甘肃省处于生物质盈余状态, 其他年份处于生物质赤字状态。总体来看, 人均生物质赤字呈现波动上升趋势, 1995—2015年增幅较大, 年均增速达到26.73%。1980、1982、1984—1990及1993年甘肃省处于生态软赤字状态, 说明区域生态承载力能够供给区域社会经济发展所需的可再生资源, 但不足以吸纳人类活动所产生的二氧化碳; 1992及1994—2015年, 甘肃省处于生态硬赤字状态, 说明区域生态承载力不能够满足区域社会经济发展所需的再生能源也不能吸纳人类活动所排放的二氧化碳, 生态环境严重超载, 生态系统呈现不安全状态。

图1 甘肃省生态压力指数频率分布直方图

表1 生态安全等级和生态安全预警等级划分

从空间格局来看(图6), 1980—2015年甘肃省生态赤字状态严峻程度呈现从中间向两极扩散的趋势, 生态盈余城市逐渐减少, 生态硬赤字城市逐渐增多。其中, 2015年生态赤字形势最为严峻, 兰州、白银、临夏、武威、金昌、平凉及嘉峪关处于生态硬赤字状态, 张掖、定西、天水和庆阳处于生态软赤字状态, 与甘肃省“一体两翼”的工业空间布局基本吻合。甘肃省的生态赤字主要是由于生态足迹的增加所引起的, 而生态足迹的增加又主要是由化石能源消耗量的增加和人口增长所导致的, 必要从降低人类负荷和减少化石能源的使用量采取相应的措施。

3.2.2 生态压力指数分析

由图7可知, 1980—2015年, 甘肃省生态压力指数呈波动上升趋势, 从1981年的0.93增加到2015年的3.52, 年均增速为3.99%, 生态压力持续增大。根据表1, 1981、1983—1985年生态等级为较安全(生态安全2级, 无警), 1980、1982和1986—2000年生态等级稍不安全(生态安全3级, 轻警), 2001—2013年生态等级为较不安全(生态安全4级, 中警), 2014和2015两年生态安全等级最高, 生态预警达到重警等级(1997年与2009年数值波动较大, 为误差导致, 此处不予考虑)。上述研究结果表明甘肃省生态安全状态呈不断恶化趋势, 生态安全亟待解决。

图2 甘肃省1980—2015年各消费项目的人均能值生态足迹

图3 甘肃省1980年、2015年各消费项目的人均能值生态足迹构成图

图4 甘肃省1980—2015年人均能值生态承载力

图5 甘肃省1980—2015年人均生态赤字/盈余

4 结论与讨论

本研究基于能值理论改进后的生态足迹模型, 以甘肃省为例, 深入研究西北生态脆弱地区生态安全状态及其时空格局演化过程与特征, 能够为西北生态脆弱地区生态文明建设与可持续发展提供决策依据。主要结论: 1)从演变过程来看, 研究期内甘肃省人均能值生态足迹总体上呈波动上升趋势, 而人均能值生态承载力总体呈现缓慢下降趋势, 总体来看, 甘肃省处于人均生态赤字状态, 并且呈现波动上升趋势。2)从空间格局来看, 甘肃省生态安全呈现从中间向两极扩散的演变格局, 生态盈余城市逐渐减少, 生态硬赤字城市逐渐增多, 并且与甘肃省“一体两翼”的工业空间布局基本吻合。3)甘肃省生态压力指数不断增大, 生态安全等级不断提高, 生态安全形势呈现恶化趋势, 生态安全问题亟待解决。

从总体上看, 基于能值生态足迹改进模型更客观地体现了区域的生态足迹和生态承载力, 更真实地反映了区域发展模式下对资源的需求和消耗及对废弃物的消纳能力, 从而能更好地反映区域生态安全状况, 可为生态文明建设与区域可持续发展决策提供参考。但是, 不足之处在于现有能值生态足迹模型中可更新资源能值和能值密度的计算没有统一的标准, 导致区域生态足迹和生态承载力的计算结果出现差距。生态安全评价指标中, 对评价指标等级划分的研究较少, 现有的指标等级不能反映区域生态安全状态真实水平, 本文提出根据区域指标频率分布直方图划分指标等级的方法具有一定的参考性。

图6 甘肃省生态赤字/盈余空间格局演变

图7 甘肃省1980—2015年生态压力指数

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HU Xiaofen, CHEN Xingpeng, LU Chengpeng, et al. Spatial and temporal evolution of ecological security in northwest ecologically fragile areas in Gansu province[J]. Ecological Science, 2017, 36(6): 165-172.

Spatial and temporal evolution of ecological security in northwest ecologically fragile areasin Gansu province

HU Xiaofen1, CHEN Xingpeng1, LU Chengpeng2,3,*, PANG Jiaxing1, ZHANG Zilong1, ZHAO Lin4, XUE Bing2,3

1. College of Earth and Environmental Sciences/Institute for Circular Economy in Western China, Lanzhou University, Lan­zhou 730000, China 2. Key Laboratory of Pollution Ecology and Environmental Engineering, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China 3. Key Lab for Environment Computation and Sustainability of Liaoning Province, Shenyang, 10016, China 4. Dashiqiao Senior High School of Liaoning, Yinkou 115100, China

Based on the improved emergy-ecological footprint model by regional energy densitythe paper analyzed the spatial and temporal evolution of ecological security in northwest ecologically fragile areas by taking Gansu province as an example using the GIS. The results show thatthe per capita ecological deficit appeared a rising trend in Gansu province, with the average annual growth rate of 6.70%, and it increased from 0.42 hm2·cap-1in 1980 to 4.00 hm2·cap-1in 2015, which showedthe evolution pattern from the middle to the two poles in space. The ecological tension index increased gradually, and the ecological security levels kept raising. The ecological security situation became worse, so the ecological security issues needed to be solved. Finally, some countermeasures to improve the ecological security were put forward from the aspects of reducing human environmental load and reducing the use of fossil energy.

ecological security; space-time pattern; emergy-ecological footprint model; Gansu province

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.06.023

Q948.1, X835

A

1008-8873(2017)06-165-08

2016-11-15;

2017-11-02

国家自然科学基金(41701142, 41471462, 41471116); 中国科学院青年创新促进会(2016181); 辽宁省自然科学基金(201602743, 20170540898)

胡晓芬(1985—), 女, 博士研究生, 主要研究方向为循环经济与区域可持续发展, E-mail:hxfzx@163.com

逯承鹏(1984—), 男, 博士, 助理研究员, 主要从事产业生态与可持续发展研究, E-mail: luchp@iae.ac.cn