基于生态发展动态模拟的河南省城镇化发展生态安全研究

(1.黄河水利职业技术学院 河南 开封 475004；2.河南理工大学测绘与国土信息工程学院 河南 焦作 454003)

引言

新中国成立以来，河南省一直被放置于“中原粮仓”的战略地位，人口数量和密度也在中国省份中排名前列。随着2012年国务院对《中原经济区》正式批复，中原经济区建设逐步推进，河南省作为中原经济区建设的主体，重要性更加凸显。中原经济区，其核心是郑州都市区，其支撑城市群为中原城市群，且全面覆盖河南全省并扩展至周边范围地区的经济区域，为全国主体功能区规划的重点开发区域。河南省依托新兴的经济区，伴随着城市建设的发展步伐加快，经济建设与生态建设中存在的问题日益明显。

生态安全研究日益成为各界学者研究的重视范畴，本文采取生态足迹和生态赤字/盈余的生态安全评价模型，采用系统动力学以及神经网络方法对河南省进行生态承载力的动态模拟，进一步对模拟结果分析评价，提取影响因素，提出对河南省永续发展有用的对策与建议。

一、研究对象概述及生态安全评价模型

(一)研究对象概述

河南省位于中国中东部、黄河中下游。共下辖17个地级市、1个省直辖县级行政单位，面积16.7万平方千米，位于中国大陆中心区域，是地质地貌、气候类型的过渡带，生态环境变化多样且相对脆弱，生态承载力水平不高。在全省植树造林绿化的工作下，水土保持成效显著；在开展农村卫生运动以来，农村农田保护工作成绩明显，部分地区生态质量突出提升，全省总体生态环境向好转变，永续发展建设有一定成效。总体来看，河南省生态问题仍然存在问题：森林生态系统生态功能有待进一步提升，矿产资源开发造成的区域性生态破坏没有进行根本恢复与改善，农村卫生治理需要进一步针对性加强，没有对污水、垃圾、种植养殖废弃物进行根本性制度性治理，农村生态改善有较大提升空间。笔者以郑州为中心城市区域，围绕中心选取郑州、开封、许昌、洛阳、漯河、焦作六个城市作为具体研究对象。

(二)生态安全评价模型

生态足迹(Ecological Footprint,EF)理论模型最初是取自1992年生态学家William Ress的关于评价城市可持续程度的研究。生态足迹理论优势在于可以定量化分析，操作性与结果有效性较强。生态足迹模型被业内学者广泛应用于不同尺度区域(国家尺度、区域尺度等)的生态足迹分析[1][2]

除此之外，也有学者运用到其他领域，例如梁勇等运用生态足迹方法分析城市交通环境影响，王菲凤等研究的福州大学城校园生态足迹，章锦河等用生态足迹研究九寨沟旅游发展，李凤全等研究水生态足迹[3][4][5][6]。针对该模型的局限性[7]，也有学者提出了改进，采用了更合理的计算方法，提出了新的生态足迹计算方法。

本文采用生态足迹和生态赤字/盈余的生态安全评价模型，并分别进行系统动力学和神经网络模拟预测。生态足迹(Ecological Footprint,EF)是指支持特定人口或经济体的资源消费和废弃物吸收所需要的具有一定生态生产力的土地面积，代表生态消耗量。生态承载力是区域当前所能够提供的生态生产性土地面积，代表生态供给量。当生态足迹大于生态承载力时表示区域生态生产性土地的生产力不足，称之为生态赤字，反之则是生态盈余[8]。本文基于生态赤字/盈余状况判断生态环境的现状并进行未来预测。

二、河南省城镇研究样区生态足迹研究及分析

(一)生态足迹计算结果

用生态安全研究方法计算，得到郑州市2018年生态足迹需求和供给的计算结果如表1:

表1 郑州市生态足迹需求计算结果(2018年)

郑州市等6个市(研究区域)的生态足迹需求与生态足迹供给，见图1、图2、图3：

图1 河南省2018年各市人均需求足迹(hm2)

图2 河南省2018年各市人均供给足迹(hm2)

图3 河南省2018年各市人均生态赤字(hm2)

(二)生态足迹分析

从以上图分析可以看出，2018年焦作市由于森林覆盖率较高，生态赤字不太高，为0.039 hm2，除此之外的生态赤字洛阳、开封、漯河、郑州、许昌依次增大，最高的许昌高达0.847 hm2，人均生态赤字为0.6350 hm2。河南主要城市整体生态需求大于生态供给。从更大区域范围来看，该研究区要维持生态平衡需要从周边进行大量生态索取，会进一步影响自身和周边的生态永续发展。

河南省区内植被覆盖率较高，自然环境情况较好，生态足迹供给相对较高；然而相对低端的经济发展阶段和社会经济水平导致生态足迹需求很大，总体仍会造成不小的生态赤字。参考其他区域的发展阶段可以预测，伴随经济发展阶段的提升，经济发展增长，生态足迹需求会渐渐上升，随之区域内生态赤字会逐步增大，对本区域内及周边的生态环境会进一步增加生态索取[9]。先一步发展区域往往是在造成较为严重的生态赤字和生态问题之后进行补救，亡羊补牢的成本很高；中原经济区目前正在稳步发展，应该在最初把经济和生态永续发展放到同等重要的位置，正如习近平总书记所说，绿水青山就是金山银山，河南省应该及早意识到生态恶化的现状，及时调整措施，发展绿色产业和可持续产业，引导地区生产、生活、消费均向生态环境永续发展的要求靠近。

总体来看，河南省目前生态环境处于良好状态，本区域的优秀自然资源、较高的植被覆盖率和优良的水体是资源优势。按照用地分类来看，建筑用地与林地提供了较高的生态足迹供给，有较高生态盈余，为区域的经济发展提供了生态空间；从空间角度来看，从西向东生态赤字增大；从时间角度来看，随着近年的发展，生态赤字逐步增大。

三、河南省城镇生态发展动态模拟及预测分析

(一)生态发展动态模拟

用生态安全研究方法计算，得到河南省2012-2018年的生态足迹和生态承载力。河南省(研究区域)2012-2018年生态足迹需求、生态足迹供给和生态赤字如图4所示。

从2012年到2018年，7年来随着中原经济区的发展，总体生态足迹需求提升，生态环境条件日益脆弱，生态足迹供给不增反降，本区域内生态赤字持续上升。按照用地分类来看，建筑用地与林地提供了较高的生态足迹供给，有较高生态盈余，但人均盈余持续减少；耕地生态足迹赤字不断增加。

图 4 河南省2012-2018年生态足迹、生态承载力和生态赤字

1.系统动力学模拟

区域内生态系统的特性有三点：整体性、非线性和自组织性。因此区域生态系统的承载力也是一个系统问题。采用系统动力学方法对复杂系统进行仿真模拟，对复杂系统中的问题具有较好的判断和预测效果。在系统动力学模型中，通过选择模型参数和相关政策参数，结合区域生态环境，选取水资源利用率、各产业在国民经济中的投资率、科技贡献率等参数。同时,根据相关数据的分析,河南省6个样本城市的土地资源可以满足开发预测期期间人口的需求,并没有成为发展的约束条件,而水资源对区域发展的影响有很大的限制,所以未来可以采用区域外调水。根据参数水平的不同，进行低、中、高三个不同类型的解决方案(计划方案A、计划方案B、计划方案C)进行模拟。

计划方案A：在现状的基础上，投资以现在的速度,任其自然发展的生态环境。该方案可作为土地承载力的基本参考方案。

计划方案B：中等水平的输入下,水资源利用率50%,科技贡献率的提高到40%,在一定程度上治理和改善生态环境。

计划方案C：高水平的输入下,利用水资源效率提升到70%,科技贡献率增加到60%,高度重视治理和改善生态环境。

表2 河南省城镇化发展(研究区域)生态承载力系统动力学模拟结果

三种方案仿真得到的河南省研究区6个城市的模拟结果如表2所示，根据这三个规划，在低规划中，河南省(研究区)6个城市的人口规模从2011年到2018年发展迅速，2025年后逐渐趋于平稳。在中等方案中，随着资源利用率和投入的提高，生产系统的产量大幅度提高，承载能力也随之提高。然而，由于生态环境没有得到充分的管理和改善，承载力的提高仍然在一定程度上受到限制。在高规划中，由于资源利用效率的提高，生态环境的改善，人、社会、环境的协调发展，区域生态承载力得到了较大程度的提高。

2.神经网络预测

将研究区域2011-2018年各城市的数据分别代入水资源承载能力模型网络进行培训练学习。主要参数为:初始权值为-0.3-0.3，初始学习系数为0.1，动量因子为0.02;单一隐含层，隐层节点数为5个。通过网络的学习和训练，将学习后得到的权值作为网络确定的最终权值，得到神经网络模型[10]。

按照该地区生产、生活、生态用水量和水资源利用效率的不同，确定了低、中、高三种方案，相应的水资源承载力模拟预测结果如表3所示。通过对比实际统计值与模拟值从2010年到2018年,拟合误差在水资源承载能力研究区域都是0.64%,这表明该方法模拟和预测这一地区水资源承载能力，利用神经网络技术和模型构造是可行的。

表3 河南省(研究区域)中城市水资源生态载力神经网络模拟结果

(二)预测结果分析

我们可以从生态足迹的预测结果推断，如果目前的生产生活方式持续下去，到2050年，资源将会枯竭，生态系统将几近崩溃。如果按照生态系统的规律进行被动变化，虽然变化趋势会减缓，但生态赤字数值仍会增加，生态承载力仍会下降[11][12]。长期的赤字状况将导致生态环境不断恶化，甚至造成不可逆转的影响。从长远看，确保中原经济区的可持续发展，必须减少和消除生态赤字，把握水资源这一重要制约因素。在河南省城镇化发展的实践研究中，得出以下结论:

1.河南省乃至中原经济区已然处于生态赤字状态。8年来(2011-2018年)，生态足迹持续增加，生态承载力持续下降，导致生态赤字持续扩大。中原经济区正处于经济发展的崛起阶段，随着经济的起飞，可以预见生态足迹的压力将进一步加大，生态足迹与生态承载力之间的矛盾将日趋严峻。

2.经济转型和消费转型迫在眉睫。如果继续目前的发展和消费模式，在不久的未来(2050年之前)，资源将会枯竭，生态承载力将会丧失，生态系统将会趋于崩溃。如果按照生态系统的调节功能被动地进行资源节约和效率的变化，会减缓生态承载力的下降和生态赤字的增加，但仍然存在问题。只有积极改变当前资源利用与消费格局，改变人们的消费意识和结构，才能逐步扭转生态赤字，使生态系统回到健康发展的轨道。

3.要走人与自然和谐的永续发展道路。生态足迹的概念形象地反映了个体行为与区域(全球)环境承载力之间的关系。河南省和中原经济区的生态过程不是孤立的，经济个体和个人的行为也不是孤立的。每个个体都不是一个生态孤岛，生态超支都会影响到整体的生态赤字[13]，影响到整体的生态承载力，进而反作用影响到个体的生存和发展。

4.河南省水体资源较为丰富，但时空分布不均，对区域发展仍有较大制约。水资源和生物栖息地是该地区生态环境保护中最重要的问题。生态自然保护区、湿地、水源保护区等野生动物栖息地和水系资源是生态敏感区的重点敏感区域，同时也是生态承载力最脆弱地区，要政策上和实际上禁止或严格限制发展，加强保护。

四、结论与启示

本文中,应用生态足迹理论探索河南省研究区域的生态承载力，将时空动态变化仿真模拟应用于城镇集群的区域，进行了生态承载力的基本理论和应用方法在城市集群规划中的初步讨论,形成基本观点和初步结果。影响生态承载力的因素包括自然因素、经济因素和社会经济因素，且其间结构对生态承载力也影响重大。

生态足迹是评价区域生态状况和生态承载力的指标且具有区域可比性。利用系统动力学和神经网络对区域生态承载力进行了仿真模拟，得到了未来的人口承载能力。这些对区域永续发展现状的判定和区域永续发展策略的制定具有重要的参考作用。