基于改进生态足迹模型的抚仙湖流域土地生态承载力评价

(玉溪师范学院 地理与国土工程学院,云南 玉溪 653100)

土地是人类生存的自然资源,也是城市发展的基本物质保障,它承载着人们各种社会、经济活动[1].随着人口的增长，城市化进程的加快，生态足迹逐步上升，一定程度上带来了生态环境的破坏，如耕地面积减少，水体、大气的污染等，使得生态承载力呈现下降趋势.自20世纪50年代以来，全球人-地耦合关系研究日渐深入，生态承载力作为联系自然生态系统与人类系统的关键纽带，其研究逐渐成为生态学、资源学、环境学和地理学等领域的交叉研究热点和区域可持续发展的重要工作[2].当今中国将生态文明提高到前所未有的高度，而生态承载力则是判断社会经济活动与资源环境、生态系统协调与否的重要工具，也是生态系统整体文明的表征[4，5].要衡量一个地方是否处于可持续发展阶段，需要对生态足迹进行定量评价与分析，为区域生态环境可持续发展计算提供科学依据，指导人类在不破坏生态环境的基础上合理的开发利用资源，减少自然灾害，保证土地生产力,因此它是协调区域经济发展与环境保护之间关系、实现区域可持续发展的重要手段[6].

目前，国内学者对生态承载力进行了大量的研究，采用的研究方法也是广有涉及且各有优缺点.迄今为止,国内外开展生态承载力研究的方法主要有：净初级生产力方法[7]、能值分析法[8]、AHP综合评价法[9]、生态足迹法[10,11]，其中以生态足迹法为基础方法.国内学者王家冀等人利用自然植被第一性生产力估测法对黑河流域生态承载力进行了研究，但由于其调控模型较少，研究范围较小，对区域生态承载力研究的准确产生影响[12].王中根等人利用供需平衡法对西北进行了研究，该方法简单，对静态研究有效果，但动态分析存在不足，针对性不强[13].高吉喜利用综合评价法对黑河流域进行了研究，该方法的有点是具体针对性，简单易于操作，但对比性不够，不能对较复杂的问题进行分析[9].国外学者William Ress和他的学生Wackenagel提出用足迹的方法对人类使用的可再生资源和生物生产性土地、水域面积建设用地等进行计算[14].Wackamagel等还运用生态足迹方法对国家、区域经济发展进行了可持续评价[14].总体看,生态足迹计算简单、明了、操作性强,能够更好的反映出自然环境与经济发展之间的关系.本文中,为了弥补生态承载力静态指标的不足，同时因为本文的研究区域较小,所以产量因子根据当地的实际情况进行了改进，计算出来的生态足迹才更有说服力，更符合当地的实际情况.

抚仙湖属于高原断陷湖泊，是水质较好的大型淡水湖泊之一.近年来,由于水体污染严重，水体富营养化进程加快，森林植被覆盖率降低，水土流失严重，抚仙湖流域生态环境状况堪忧[15].随着国家对生态文明建设的重视，抚仙湖流域的保护成为玉溪市重中之重的工作.而抚仙湖流域的土地生态承载力的最大值是多少，生态经济是否可持续发展等都是需要研究的重要问题.为此，本研究基于改进生态足迹模型对抚仙湖流域2005～2016年的生态足迹、生态承载力、生态赤字(盈余)，进行计算，通过数据分析为抚仙湖流域协调经济、社会、生态建设的可持续发展提供理论和实践依据，为同类型尺度区域土地合理利用、国土空间规划提供借鉴.

1 研究区概况

抚仙湖流域包含澄江县、江川区及华宁县，地理坐标为北纬24°21′～24°38′、东经102°49′～102°58′之间，位于云南高原中部的澄江盆地，属于小江断裂带的西支，湖区地貌可分为以石灰岩、砂砾岩和砂页岩、玄武岩为主的山地构造-剥蚀地貌和由湖积-冲击平原、阶地、冲积扇组成堆积地貌[16]；抚仙湖流域属于亚热带高原湿润季风气候，具有干湿季分明，冬暖夏凉，雨热同期，光照温和充足，年均气温为15.5℃，最冷月的气温为8.3℃，最热月的气温为20.5℃，适合农作物生长，粮食是其主要的农业产业，烤烟为其主要的经济产业.近年来，抚仙湖流域的工业、旅游业和社会经济快速发展，人口从2005年557 554人增加到2010年的571 586人，人均占用耕地面积增加，生态压力增大.特别是近12年来，其人均GDP增长了近20倍，经济发展，城镇化水平提高，城镇数量增加，导致建设用地占用耕地面积增加，生态环境质量下降，抚仙湖流域面临极大的环境压力.

2 研究方法和数据来源

2.1 数据来源与处理

社会经济数据来源于2005～2016年《玉溪市统计年鉴》及历年国民经济与社会发展统计公报，土地数据来源于玉溪市自然资源局2005～2016年土地利用变更数据.

抚仙湖流域生态足迹的计算包括两部分：生物资源消费和能源消费.生物资源消费主要包括农产品、林产品、水产品、畜产品；能源消费包括原煤、焦炭、汽油、煤油、柴油、液化石油气、电力等.在生物资源消费计算中，生物资源面积折算借鉴参考文献[17,18],采用联合国粮农组织(FAO)1993年计算的有关生物资源的世界平均产量资料,将抚仙湖流域不同时期的生物资源消费量统一转化为提供这类消费所需的生物生产性面积.计算能源消费足迹时，以世界单位化石燃料生产土地面积的平均发热量为标准[14]，将抚仙湖流域能源消费所消耗的热量折算成一定的化石燃料型生产面积,对抚仙湖流域不同年份各种生物生产土地面积进行分类汇总.

2.2 研究方法

其一，对生态承载力进行测算.

(1)

式中，EF为总的生态足迹，N为人口数，ef为人均生态足迹，ai为第i种商品人均占用的生物生产土地面积ci为第i种商品的人均消费量，pi为i种商品的世界平均生产力(即全球平均产量)，n为物质的数量.

(2)

公式中，ef为均衡后的人均生态足迹，rj为均衡因子，aaj为人均各类生物生产土地面积.j=1,2,3,…,6,表示6类生物生产土地.

BCa=∑Aak×EFk×YFk×Pa(k=Pa1,…,5)

(3)

公式中，BCa为区域a人均生态承载力，k为土地类型，Aak表示区域a拥有的k类土地面积，表示区域人口规模；EFk、YFk分别为均衡因子、产量因子.

其二,均衡因子确定.

国内外已经有许多关于均衡因子的研究，其中Mathiskemage、WWF的土地最大潜在农作物产量的相关数据计算的各类土地均衡因子应用广泛和影响力较大[13]，本文采用的均衡因子是WackemageI均衡因子，先利用收集来的人均消费量数据计算出人均各类生物生产性面积，把人居消费量折算到各类用地上.采用WackemageI均衡因子，耕地是2.80、林地是1.10、草地是0.50、水域是0.20、建设用地是2.80 、能源用地是1.10，利用人均生物生产面积与均衡因子得到人均生态足迹，最后利用计算得到的人均生态足迹和改正后的产量因子得到人均生态承载力.不同研究计算的均衡因子见表1.

表1 不同研究计算的均衡因子

其三，产量因子确定.

产量因子是一个国家或地区某类生物生产土地的平均生产力与同类土地的世界平均生产力之间的比率.市公顷的产量因子描述的是市域范围内某类土地不同市域与省域的平均生产力差异[18,19]，本研究采用市公顷的产量因子的计算方法(市内的生物生产面积与省内各类生物生产面积的比)，对产量因子进行了修正，其中耕地是1.4、建设用地是1.66、草地是1.0、林地是0.8、化石能源用地1.1、水域0.2.

2.3 生态赤字与生态盈余测算

当一个地区的生态承载力小于生态足迹时，出现生态赤字，其大小等于生态承载力减去生态足迹的差数；生态承载力大于生态足迹时，则产生生态盈余，其大小等于生态承载力减去生态足迹.生态赤字/生态盈余的公式为：

生态赤字(盈余)=生态承载力-生态足迹

3 结果与分析

3.1 生物资源消费人均生态足迹

根据《玉溪市统计年鉴》查找澄江县、江川区及华宁县3个地方的生物资源2005～2016年的消费情况，依据公式(1)计算得出抚仙湖流域3个县区人均生态足迹，结果如表2所示:

表2 抚仙湖流域2005 ～2016年生物资源消费的人均生态足迹 (hm2、%)

从这12年平均生物资源消费情况看，在各种生物资源消费项目中，人均肉类消费生态占用面积最大，其次是粮食、豆类、蔬菜、食油、蛋类、卷烟这五类，占到生态总消费面积的49.9%(表2).蛋类、鱼类、食糖、水果、茶叶这五类的人均占用生态消费面积最小.由此可见，在抚仙湖流域人们的日常消费结构中，肉类生产占用了较多的土地面积.从各种生物资源消费项目变化趋势看，抚仙湖流域的粮食、肉类消费生态面积呈下降趋势，而豆类、蔬菜、食油、卷烟、水果茶叶均呈上升趋势，说明抚仙湖流域的人们生活质量在不断提高，从过去的要吃饱转变为现在的营养搭配平衡的生活模式.

从表中可以看出粮食在2015年消费出现在小值为0.060 9，出现这种现象的原因是2015年粮食产量的降低，建设用地占用了大量质量较好的耕地，使得粮食减产；一部分农民进城务工，使得农村部分优质土地出现没人耕种撂荒现象.

3.2 能源消费人均生态足迹

根据《玉溪市统计年鉴》查找到澄江县、江川区及华宁县3个地方的能源资源2005～2016年的消费情况计算出人均生态足迹，结果如表3所示:

表3 表3抚仙湖流域2005～2016年能源消费的人均生态足迹 (hm2*10-4、%)

从多年平均能源消费看，在各种能源消费项目中，电力(千瓦时)消费人均生态占用面积最大，占到人均能源消费总生态面积的28.499%(表3).这与玉溪市以水力发电为主的能源结构特征相一致.从变化趋势看，原煤、电力、汽油能源消费占生态面积呈上升趋势，而焦炭、煤油、柴油、液化石油气的消费生态占用面积下降趋势，这说明抚仙湖流域的能源消费方式逐渐向清洁能源方式转变.

2013年能源消费量达到最大值为0.000 49，消费量最小的年份是2016年为0.000 28主要是因为电力的消费量减少，首先是把水力发电转换为太阳能发电，其次是家庭用电器更多转换为节能的家庭用电器，从2005～2016年从钨丝灯转换为LED灯，在一定程度上减少了用电量.

3.3 综合人均生态足迹

首先计算出所选的18个因子，并且把所选因子归于到相应的用地类型上，如把粮食、豆类、蔬菜、石油、食糖和卷烟归为耕地,把肉类和蛋类归为草地,把鱼类归为水域，把水果和茶叶归为林地，把原煤、焦炭、汽油、煤油、柴油、液化石油气归为化石能源用地，把电力归为建设用地，最后，按照相应年份把这些用地进行相加就可得出各类用地面积，各类用地面积乘以均衡因子，结果如表4所示.

表4 抚仙湖流域2005～2016年的人均生态足迹 (hm2*10-4、%)

从人均生态足迹变化趋势看(表4)，抚仙湖流域的耕地占用面积最大，达到49.978%，其次是草地的48.170%、林地的1.333%、水域的0.343%、化石能源用地的0.128%.从各种生态生产性土地面积的变化趋势上看，抚仙湖流域的草地、林地、化石能源用地、建设用地等的用地面积在增加，其中化石燃料用地增加的幅度最大，草地在2005～2010年以前面积明显增加，2010～2016年呈下降趋势，耕地和林地有一定的变化趋势，但变化幅度不明显，草地、化石燃料用地、建设用地的面积在增加，说明抚仙湖流域周边地区在向第二、三产业发展，特别是第三产业.

由上表可知2009年各类用地所占用面积达到最大值为0.260 95，2015年各类用地面积达到最小值为0.187 94，出现这种现象的原因主要是2009年林地和水域占用面积较大，2015年耕地和草地用地面积在减少，建设用地面积在增加，但增加的幅度小于减少的幅度.

3.4 生态盈余/赤字分析

根据公式(1)和(2)计算出生态足迹和生态承载力，用生态承载力减去生态足迹即可得出生态赤字/盈余，计算结果如表5所示.

表5 抚仙湖流域2005年～2016年的生态赤字/盈余分析 (hm2)

续表5

在生态足迹和生态承载力的基础上，利用生态足迹与生态承载力的比值计算出抚仙湖流域的生态赤字和生态压力指数，计算出的人均生态压力指数 如下附图所示.

附图 抚仙湖流域2005～2016年人均生态足迹和生态承载力变化趋势

2005～2016年，抚仙湖流域人均生态足迹总体呈现下降趋势，从0.233 40 hm2下降到0.187 88 hm2；2015～2016年从0.187 88 hm2上升到0.215 83 hm2.人均生态承载力总体呈现出下降趋势,从2005年的0.359 56 hm2得到2014年的0.232 80 hm2，下降了0.126 76 hm2.生态压力指数也呈现阶段性变化，2005～2014年从0.649 12上升到0.951 71，2014～2016年的0.951 71下降到0.767 63，下降的原因是生态足迹在增加，生态承载力在减小，具体表现为耕地、林地、水域等利用面积的增加，从表5中可以看出人均生态赤字逐年在增大.

从2005～2016年的总的生态足迹、总的生态承载力和总的生态赤字盈余来看，生态足迹和生态赤字在逐年变小，总的生态承载力在逐年减小，从2005年的总的生态足迹为130 130.53 111 hm2和总的生态赤字70 343.226 78 hm2到2015年的总的生态足迹为76 233.471 10 hm2和总的生态赤字26 503.938 20 hm2，2005～2015年的总的生态承载力从200 473.757 88 hm2～102 737.409 0 hm2，生态承载力减小了97 736.348 59 hm2，建设用地面积、化石能源用地面积和水域面积在大幅度增加，形成此现象的主要原因首先是城市的发展需要基础设施和房屋的建设，其次是私家车的增加对石油消费的增加.

从人均生态足迹、总的生态足迹和生态压力指数来看，抚仙湖流域出现的生态盈余、生态压力指数都小于1，说明抚仙湖流域的生态环境处于一个安全状态，但生态足迹呈现上升的情况，因此要加强生态环境的可持续发展，需要使经济效益、生态效益、社会效益三者达到统一.

4 结论与讨论

从2005年到2015年，抚仙湖流域的人均生态足迹下降了0.187 88 hm2，生态承载力为0.253 19 hm2，出现生态盈余为0.065 32 hm2，生态压力指数从2005年的0.649 12上升到2014年的0.951 71，这说明抚仙湖流域的发展模式处于阶段不可持续状态.造成生态盈余下降的主要原因是耕地、林地、水域、化石能源用地和建设用地供需间矛盾在增加，自然供给是有限的，社会需求是无限的，只有在调整内部土地利用类型的基础上进行调整，使水域面积、林地面积、草地面积减少，化石能源用地面积、耕地面积和建设用地面积的增加，最终才能使生态盈余逐渐减小.2014～2016年，情况有所好转，生态足迹从2014～2016年下降到0.215 83 hm2，生态承载力从2009～2016年下降到0.281 17 hm2，生态压力指数从2009～2016年下降到0.184 08，表明此阶段抚仙湖流域的发展模式处于可持续状态.综上可以得出,抚仙湖流域周边的生态环境总体上处于一个良好的发展状态,但在经济发展中仍需要坚持经济效益、生态效益、社会效益三者相统一的原则.

生态足迹是一种静态性的指标，计算结果常常具有瞬时性的特点，同时生态足迹模型计算结果只反映经济决策对环境的影响，没有涉及土地利用中其他的因素.所以虽然得出该区域的生态环境处于可持续状态，经济向着环境友好型的方向发展，但在未来发展中,还应发挥土地集约利用对城市化的反推作用，促进城市化进程，进一步提高协调性，从而推动城市可持续发展[20].

在利用生态足迹模型的计算过程中，仍然存在着许多不确定因素，第一是选取了一些主要的且连续的数据，第二因为数据的可得性在选择人均消费量时只选用了农村人均消费量，第三是计算出来的抚仙湖流域的生态足迹为最大值，因此，其计算结果可能高估区域的生态状况[21,22].虽然生态足迹模型本身存在一些不足，但仍不失为定量评价可持续发展程度，定量分析区域社会经济活动与生态承载力之间的差距的直观研究方法与手段[23～25].