ArcGIS 下基于三维生态足迹模型的土地利用分析——以青海省东部城市为例

伍 芮，李成英

（青海大学，青海 西宁810016）

引言

我国自然资源分布不均匀，自然资源在区域之间不具有流动性，而不同发展水平的区域对自然资源有不同的需求量，这使得区域发展不平衡。如何解决区域自然资源分配不均的矛盾，在有限的资源下追求可持续发展已成为当代人的目标[1]。1992年，加拿大经济学家William Rees 提出生态足迹的概念[2]。生态足迹法是指把一个区域内人们所消耗的生物资源转化为生物生产性土地面积，再与该区域实际面积的差值来判断该区域是否处于可持续状态，这是一种量化人类对物资的需求与定量分析可持续发展程度的方法。

目前为止，生态足迹已经不单是一种分析环境状况的方法，它被应用在多个领域，而且研究尺度也越来越微观。国外，Andersson 从贸易生态足迹中发现，发达国家从发展中国家进口资源以提高发达国家的生态承载力，使发展中国家的生态赤字逐渐增加[3]。国内，徐中民测算了中国1999年的生态足迹，结果表明中国1999年生态赤字为1.326 hm2，超过生态承载力的94%[4]，这是国内首次将生态足迹应用在国家尺度上。随后，徐中民将生态足迹模型用于甘肃省，计算甘肃省的生态足迹与生态承载力，测得生态赤字为0.564 hm2[5]，开启区域尺度的研究。王中航测算了2005～2012 大连、成都、杭州、天津、上海、北京五大城市的交通生态足迹，得出五大城市交通生态足迹逐年增长，处于不可持续发展态势的结果[6]，进一步从小尺度领域进行研究。除了对区域可持续发展进行研究以为，研究领域逐渐延伸到城镇、学校、个人等微观尺度，也应用到旅游业、农业、化工等行业中。有些学者对该方法不断的修正与完善，例如：针对“全球公顷”会扩大生态足迹的核算误差问题，高中良对使用“国家公顷”代替“全球公顷”[7]对重庆市生态足迹进行测算；张衡义以“省公顷”为计算基础，对浙江省均衡因子与产量因子进行计算[8]。从目前的研究现状可以看出传统的生态足迹模型未能充分突出恒定资本存量在维持可持续发展和生态系统平衡方面的关键作用，因为特定类型的自然资本没有分割，因此，Niccolucci等提出了三维生态足迹模型[9]。

青海东部城市是青海省的经济中心，青海城市建设集中区域。近年来随着经济快速发展，城市化进程加快，出现了人地关系紧张、资源供求矛盾增大、生态环境恶化等系列问题。为合理利用区域自然资源，促进青海东部城市经济增长、生活水平提高，科学制定“十四五”规划，同时，青海省实施生态立省战略，把“绿起来”与“富起来”结合，使经济效益、社会效益与生态效益统一，使得经济飞速发展。本文采用三维生态足迹对青海东部城市2010～2017年的生态足迹深度和足迹广度进行测算，结合ArcGIS 软件评估青海东部城市土地利用状况，提出该地区可持续发展的对策，为青海东部城市相关部门提供科学的决策依据。

1 研究区域简介

青海东部城市包括西宁市与海东市，境内是以回、藏、土、撒拉、蒙古族等少数民族为主体，是典型的多民族城市。常住人口约为385万人，占青海省总人数的64.4%，人口较为集中。2017年西宁市国内生产总值1285 亿元，海东市国内生产总值436 亿元，占青海省总量的60%，经济发展中农牧业经济区和乡镇企业较为发达，工农业经济总量少，主要农产品为小麦、青稞、玉米、薯类。西宁市别名“夏都”，不仅是青海省省会，更是经济、文化、政治、科教、交通的中心，海东市则是青海省地级市。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 三维生态足迹模型。生态足迹从提出至今的研究中，经历了三个历程：一维、二维和三维。一维生态足迹，是指把一个研究区域内居民消费的生物资源转化为生态生产性土地面积。二维生态足迹主要用于测量人类自然资源消耗对自然资源流量的占用情况，是对一维生态足迹模型的拓展。二维生态足迹模型作为一种衡量生态环境压力大小的工具，由于其未考虑资源消耗程度大小的影响，很容易得出“地区经济越不发达，其生态环境越可持续”这一错误的结论。为了克服二维生态足迹存在的问题，Niccolucci 等人引入生态足迹深度与生态足迹广度两个指标构建了三维生态足迹，赋予生态足迹模型空间与时间兼具的属性。生态足迹模型由二维向三维的演变如图1 所示[10]。假设把三维生态足迹看作是一个圆柱体：那么足迹深度为圆柱的高，表示人们对资本存量的消耗，即生态足迹与承载力的比值，可理解为人类对这一地区一年内再生资源消耗所用的时间，反应了承载力的限度；而足迹广度为圆柱体的底面积，表示人们对自然资源流量的占用，测算人们实际上占用了多少生物生产性土地的面积。

三维模型的生态足迹为足迹深度与足迹广度的乘积。计算公式为：

其中：EF、EC（BC）、ED 分别表示二维足迹模型中的生态足迹、生态承载力和生态赤字。EF3D代表三维生态足迹，EFsize代表三维生态足迹广度，EFdepth代表三维生态足迹深度。当EF＞EC 时，EFdepth＞1；当EF＜EC 时，EFdepth=1，为原长。从计算公式可知，生态赤字越大，足迹深度越大，自然资本消耗的速度越快；若为生态盈余状态，则足迹深度的值为1，足迹广度的取值为生态承载力。

图1 二维生态足迹向三维生态足迹演变图

2.1.2 三维生态足迹模型的修正。早期有学者指出生态盈余是实际多出来的土地面积，具有物理性质。因为土地面积不可能为负，所以生态赤字这个指标不具有物理性质，在某种意义上它就是一个数字，数字则不能和具有物理性质的土地直接线性相加[10-12]。如果把三维生态足迹模型中的研究区域的总生态赤字和总生态盈余相加，可能出现不同土地类型生态足迹与生态盈余相互抵消[13]的现象，则导致计算结果偏大或者偏小，不能准确反映研究区域自然资源利用的真实情况。因此，本文对模型进行了两方面的修正，一是对“均衡因子”和“当量因子”两个核心关键指标进行修正，此时模型的计量单位为“省公顷”，修正后的模型更加适合市级及以下尺度生态足迹的计算，同时也更加能够客观地反映区域对自然资源的使用状态；二是对生态足迹广度计算方法进行了修正，主要是通过将生态承载力与生态足迹值较小的一方作为不同类型生物生产性土地的足迹广度，修正后的足迹广度表示每种土地生态供给的最大值，表明流量资本与存量资本的核算不再限制于区域尺度，而是把每种土地类型的资本存量与流量先核算后再汇总，这样不同土地类型的赤字不存在转移。修正后的计算公式为：

改进后的三维生态足迹模型对流量资本与存量资本的核算不再限制于区域尺度，而是把每种土地类型的资本存量与流量先核算后再汇总，这样不同土地类型的赤字不存在转移，因此对比原模型，足迹广度稍小，足迹深度偏大。

2.2 数据来源

本文所用数据来源于2011～2018年《青海省统计年鉴》、《西宁市统计年鉴》和《海东市统计年鉴》[14-16]，计算了西宁市与海东市耕地、林地、牧草地、水域、建设用地5 种生态生产性面积的生态足迹与承载力。

3 青海省东部城市三维生态足迹的计算与分析

3.1 均衡因子与产量因子

三维生态足迹的计算中，由于各地环境差异明显，且土地生产力不同，各类土地数据不能相加，需要通过“均衡因子”与“产量因子”两个关键指标将不同类型的土地进行转化，标准化后的各类生态生产性土地面积才可以直接相加。 本文修正为“省公顷”的青海省均衡因子结果见表1，西宁市和海东市的产量因子见表2、表3。

表1 2010～2017年青海省均衡因子单位：snhm2/hm2

表2 2010～2017年西宁市产量因子单位：snhm2/hm2

表3 2010～2017年海东市产量因子单位：snhm2/hm2

从均衡因子结果可以看出，青海省地处高原，生态环境极为脆弱，牧草地林地产品产出量有限，主要粮食来源以耕地为主。耕地作为青海省生物生产力最强的土地，约是牧草地的40 倍。与此同时，建设用地占用的是最好的耕地，通常取值与耕地一致。在青海省生态足迹的研究上，前期有学者是以“全球公顷”的均衡因子为计算基础，取值为耕地2.83、林地1.17、牧草地0.44、水域0.06、建设用地2.83（2010）[17]。也有以“国家公顷”均衡因子为计算基础的：耕地3.982、林地0.184、牧草地0.067、水域0.375、建设用地3.982（2010）[18]。 而本文以“省公顷”为计算基础的均衡因子与“全球公顷”和“国家公顷”下的均衡因子还是存在十分明显的差异。从产量因子结果看，青海东部城市耕地与建设用地产量因子几乎维持在1 左右，基本能够满足粮食资源与住房、交通出行的需求。但是牧草地、林地、水域的产量因子始终小于1，尤其是水域与林地，需从周边县大量进口资源才能维持物资消耗平衡。西宁市与海东市作为青海省人口最多的两个城市，人多地少，生物生产性土地的生产力必须尽可能高才能满足两市人口对自然资源的需求。

3.2 生态足迹与生态承载力计算与分析

根据西宁市与海东市生物生产性土地的总产出量与土地人均占有量，计算出2010～2017年青海省东部城市人均生态足迹和生态承载力（计算中已扣除12%生物多样性保护面积）。计算结果见表4、图2、图3、图4。

表4 2010～2017年青海东部城市人均生态足迹与人均生态承载力单位：snhm2/person

图2 2010～2017年青海东部城市人均生态足迹

图3 西宁市人均生态承载力

图4 海东市人均生态承载力

由计算结果和图2 可看出，青海东部城市人均生态足迹呈现持续增长趋势，但每类土地人均生态足迹变化趋势都不同。耕地、牧草地、水域、建设用地都呈现逐年持续增长趋势，其中牧草地增长最快，2010 至2017年增加了0.318 snhm2，增幅达到148%。5 类土地生态足迹上升幅度为牧草地＞建设用地＞耕地＞水域，仅林地足迹呈递减状态。这是由于人们生活水平的提高，消费结构发生变化，不再满足于杂粮、薯类、蔬菜等耕地产品，对牛肉、羊肉、牛奶等牧草地产品需求增加，再加上青海东部为农业区非牧区，供给量远远不能满足人们的需求，导致牧草地生态足迹偏大。林地产品与水产品产量对比耕地产品与牧草地产品较低，因此生态足迹占比较小。

行政当局已订好合同，要铺设人行道，就在她父亲去世的那年夏天开始动工。建筑公司带着一批黑人、骡子和机器来了，工头是个北方佬，名叫荷默·伯隆，个子高大，皮肤黝黑，精明强干，声音宏亮，双眼比脸色浅淡。一群群孩子跟在他身后听他用不堪入耳的话责骂黑人，而黑人则随着铁镐的上下起落有节奏地哼着劳动号子。没有多少时候，全镇的人他都认识了。随便什么时候人们要是在广场上的什么地方听见呵呵大笑的声音，荷默·伯隆肯定是在人群的中心。过了不久，逢到礼拜天的下午我们就看到他和爱米丽小姐一齐驾着轻便马车出游了。那辆黄轮车配上从马房中挑出的栗色辕马，十分相称。

本文将计算的西宁市2000～2008年“省公顷”生态足迹与前期研究学者“国家公顷”生态足迹[18]生态足迹相比，省公顷生态足迹结果会略高于国家公顷生态足迹，这是由于“国家公顷”是以全国平均生产力作为衡量标准，计算出的均衡因子与产量因子只能反映出各个省之间的地理、社会经济发展水平。全省一致的当量因子难以区分西宁市与其他市的发展的经济特征，这就使得与“省公顷”下的计算结果发生较大偏差。

从图3 与图4 的生态承载力结构来看，耕地、牧草地是提供区域经济发展的主力，所以对青海东部城市而言耕地和牧草地的生态保护就显得尤为重要。青海省东部2010～2017年间虽然耕地面积减少1.03万hm2，但是耕地产品产量却一直没有大幅度减少，这与耕地产出效率的提升有着直接的关系，另一方面也反映出承载力的逐年增长。青海东部牧草地面积大，导致人均承载力的值偏大，可事实是绝大多数为荒草地没有实际的经济产出。青海省东部2010～2017年间交通建设用地增加1.6万hm2，承载力有所提高，但建设用地足迹虽然在2012、2014、2017年比上一年略微下降，建设用地足迹总体依旧持续上升。林地足迹每年呈现递减趋势，8年间减少0.05 snhm2。青海作为林木稀少的高寒地带，林地与水域面积不足青海东部的十分之一，并非是影响生态承载力的主要土地类型。

由图5 可看出，青海东部城市2010～2017年呈现生态赤字状态，反映出东部城市的居民对物资的消耗与产生的废弃物已超出了生态承载力的范围，面临不可持续发展的局面。青海东部城市生态承载力平缓增长，但增长幅度小于青海东部城市的生态足迹的增长幅度，因此呈现生态赤字状态，并且赤字有逐年上涨的趋势。海东地区的生态赤字小于西宁市，这是因为海东地区近年来通过提高农耕技术，增加单位面积农产品产量，不断提高生态承载力，使得其生态承载力高于西宁市，并且很好地缓解了赤字的增长。西宁市生态承载力原本小于海东市，又因城市建设大量占用耕地，导致耕地承载力增长缓慢，使得生态赤字得不到缓解，并且逐年上涨，生态环境压力进一步加大。

图5 青海东部城市人均生态承载力与人均生态赤字

3.3 生态足迹广度与足迹深度计算与分析

结合图2、图3 的数据，使用改进后的三维生态足迹模型对青海东部城市2010～2017年人均生态足迹广度做测算，计算结果如表5、图6、图7 所示。

由计算结果和图6、图7 可看出，随着青海东部城市耕地、牧草地、水域的生态足迹不断增大、存量资本会被迅速消耗。若西宁市与海东市存量资本被长期过度消费，流量资本则也会消耗殆尽，并且会对资本流量更新产生严重影响，给生态环境造成巨大压力，则生态承载力会越来越低，导致生态赤字逐渐增大，形成恶性循环。

表5 青海东部城市人均足迹广度单位：snhm2/person

图6 西宁市人均足迹广度

图7 海东市人均足迹广度

西宁市在2010年耕地与建设用地足迹广度为生态足迹；在2011～2015年，耕地与建设用地的足迹广度为生态承载力，流量资本并未被完全占用；但到了2016、2017年，足迹广度的值分别为0.489 snhm2、0.456 snhm2，等于生态足迹的值，又转变到了资本流量被完全占用地状态。牧草地、林地的足迹广度在2010～2017年间一直为生态足迹。海东市除2010年，在2011～2017年间，耕地与建设用地足迹广度为生态承载力，但牧草地、林地、水域的足迹广度为生态足迹，并且动用存量资本，才能满足海东市居民的消费需求。

表6 青海东部城市人均生态足迹深度

但从2016年后，西宁市足迹深度大于1，并且有增加的趋势。2010～2017年间，西宁市耕地面积减少6025 hm2，建设用地增加8088 hm2，这是由于西宁城市建设迅速扩张，交通、建设用地占用了一部分耕地，使得耕地总体承载力降低，耕地人均足迹广度减小导致足迹深度大于1。西宁市牧草地、林地与水域在2010～2017年间长期处于生态赤字，足迹深度偏大，为一直大于1。这表明牧草地、林地、水产品长期过度消耗，需要近3 倍牧草地面积，5～8 倍林地面积才能支撑目前的资源消耗量。西宁市林地足迹深度2010～2013年从6.845下降至3.641，但在2014年又猛增，最高达到了8.166，在随后两年由年鉴得知，西宁市木材砍伐量降低，因此足迹深度稳定在4.5 左右。海东市近几年来，重视“三农”政策，努力推进农业创新体制，海东市扶持力度大，效果显著，加之城市建设加快，耕地与建设用地足迹深度自2010年后始终保持在原长。海东市牧草地足迹深度在8年间增长了70%。因为牧区草地长期处于低生产力状态，跟不上居民的消费力度。其经济结构调整缓慢，单一牧区放牧，畜牧业现代机械化水平相对落后，也是导致海东市牧草地足迹深度陡增的主要原因。海东市林地稀疏，均衡因子处于全国较低水平，林地生态承载力过低，居民林产品需求过高，仅药材需求量在8年间就增加了1.6万吨，过度消耗资源存量，使得海东市林地人均生态足迹深度持续上升。

图8 西宁市人均生态足迹深度

图9 海东市人均生态足迹深度

4 ArcGIS 下青海东部城市生态足迹与土地利用分析

为研究青海省东部城市土地利用情况，对青海东部城市西宁市与海东市进行生态足迹分析，并且在ArcGIS 的辅助下绘制青海东部城市的生态足迹变化时间序列图。ArcGIS 能对土地的变化、统计分析提供有效平台，可视化青海东部城市的土地利用情况，从而制定该地区土地利用发展的有效方案。将青海东部城市的土地划分为耕地、林地、牧草地、水域、建设用地5种类型，在ArcGIS 下将5 种土地类型的区域矢量图转化为栅格图，生成的栅格图为该研究区域的生态足迹图，Value 值为青海东部城市的生态足迹值。人均生态足迹值可分为三个档次：大于0.6 snhm2为第一档；0.3 snhm2～0.6 snhm2为第二档；小于0.3 snhm2为第三档。

选取生态足迹视图变化最显著的年份，分别为2010年、2014年与2017年。结合图2 与图10～12 可以看出，青海东部城市除了林地生态足迹在减小外，其余四种类型土地生态足迹均在增大。使人均生态足迹增加的主要土地类型为牧草地、耕地与建设用地。牧草地人均生态足迹在2010～2017年间始终大于0.6 snhm2，属于第一档；耕地长期以来处于0.3 snhm2～0.6 snhm2之间，归于第二档；建设用地人均生态足迹值逐年上涨，在2016年时超过0.3 shnm2，由第三档转变为第二档；水域与林地同属第三档。

图10 2010年青海东部城市人均生态足迹

图11 2014年青海东部城市人均生态足迹

青海东部为高海拔地带，牧草地与林地生态脆弱，但由于畜牧业发达，对于牧草地的利用程度远远大于林地，因此牧草地生态足迹远高于林地。耕地面积虽然每年减少，但农产品产量并没有减产，这是由于对耕地利用度的提高，使得单位产量提高，因此也直接导致生态足迹值的升高。建设用地占用耕地，但生态足迹值不断攀升，是因为青海省政府在2014年开始严格执行《工业项目建设用地控制指标》，并且加大闲置土地处理力度，加强了建设用地的使用，落实严格节约集约建设用地制度，使建设用地利用强度增大。青海东部城市的居民对水产品需求量虽然逐渐上涨，但水产品更多的是依赖进口，因此对本地水域利用程度不高，生态足迹值偏小。

图12 2017年青海东部城市人均生态足迹

5 结论与讨论

5.1 结论

从计算结果可以看出，青海东部城市处于不可持续发展态势。从生态足迹指标看，不论是西宁市还是海东市在经济发展过程中对资源的需求都呈现出上涨的趋势远远大于其生态系统对自然资源的供给能力，导致区域出现生态赤字，并且还有进一步扩大的趋势。从土地类型中可以看出，耕地、牧草地是区域经济发展的主力，西宁市从2016年开始耕地呈现出赤字，因为耕地一方面不仅要满足农业生产，另一方面城镇扩张对耕地进行了大量占用，导致承载力降低。牧草地的不可持续发展与区域当地居民的消费习惯有直接的联系，尤其是随着经济的发展，居民生活水平不断提高，对牛羊肉等产品的需求量不断增大，导致了牧草地生态足迹的不断上升，但是牧草地自身生态承载力恢复又需要较长的周期。此外，这也与青海东部的现状有关，青海东部为农业区非牧区，大量牧草地产品需从青海省西部进口，导致了供需矛盾的进一步深化。

从自然资本存量和流量角度看，青海省东部城市耕地与建设用地和牧草地相比，为高流量资本低存量资本，因为流量资本占用较多，因此对存量资本的消耗减少。青海东部城市牧草地自然资本利用强度为最高，这是由于牧草地产品本身产量不高，再加上居民对牧草地自然资本需求不断增加，导致资本存量与资本流量偏大。林地有着较低的生态足迹广度但足迹深度偏大，属于流量资本的极度缺乏需要耗费存量资本来填补。自然资本的利用是依靠社会经济与自然资源共同决定，因此可以发现，青海东部城市的社会经济发展与自然资源的供应属于较高水平。

对比生态可持续发展、土地利用等已有的相关研究，与三维生态足迹模型计算与分析得出的结果基本一致。二维生态足迹模型并不能测度出每种土地利用、资源消耗程度，因此，加入足迹广度与足迹深度两项指标有效地弥补了模型的不足。但同时需要指出，二维模型本身具有的生态偏向性、评价指标单一、忽略社会人文因素等缺陷到三维模型中依旧未解决。这就需要借助其他指标与模型与三维生态足迹模型结合分析。

5.2 讨论

青海省不仅是多元民族文化交融的热土，也是“新丝绸之路经济带”上的一颗明珠。“一带一路”战略的实施必定会给青海的发展带来新机遇。加之青海省政府因青海省独特的生态环境，提出“生态立省”战略，维护环境稳定，减小生态压力。青海省脆弱的生态环境在区域经济社会发展过程中呈现出区域不平衡性，因此如何找准经济的发展路径，解决发展中的不平衡不充分问题，对于青海实现新时代的新发展、新作为意义重大。基于上述分析和讨论，依据“一带一路”与“生态立省”战略的实施，从如何保护土地绿色发展、新能源的研发与使用、建立资源节约型社会、对国土空间规划与人居环境四个方面提出提高生态承载力的建议。

5.2.1 绿色发展是提高区域生态承载力的有效途径。为减小耕地压力，减少存量资本占用，提高耕地效率，可以发展精准农业技术。可以由GIS 根据空间变化，定时、定位、定量实施现代化农业操作与管理，实现高效利用农业资源与改善耕地环境这一可持续发展目标。为降低牧草地资本存量的占用，应治理河流湖泊等水体污染，稳定草场生长环境后，大力发展人工草种植，减小荒草地的面积，最后确保禁牧和草地平衡，建成生态作用突出、绿色有机无污染的天然畜产品生产区。进一步落实退耕还林政策促进青海东部城市林地面积增加，提高林地生态承载力。最后降低废渣废水对水体污染，优化水资源，改变传统的水产养殖模式，或改变鱼种的投放结构，屯养成鱼，增强水域的承载力。

5.2.2 对新能源产业的研发与扶持是减少环境压力的有效措施。青海东部城市地处2300 米海拔的高原地带，日照丰富，一方面，政府可大力支持《高效、低成本、低污染太阳能级多晶硅生产工艺研究》、《青海省GW 级太阳能光伏系统应用及产业发展规划研究》等科研项目，加大对新能源产业的扶持，发展太阳能，减少煤炭、天然气的使用，减少碳排放量，把对环境的污染降到最低；另一方面，鼓励居民使用可再生能源、更清洁的能源。

5.2.3 建立资源节约型社会区域可持续发展的有效模式。人口增长也是导致生态足迹增加的原因，因此，要确定适合城市发展的人口数量，做好环境保护宣传，倡导资源节约，形成低碳、绿色、健康发展的全民消费理念。同时，市政府应加强用地调控，严格控制建设用地扩张，执行耕地占补平衡措施，提高土地集约利用水平。

5.2.4 国土空间规划与人居生态环境的指导。按照党的十九大报告中提出进一步健全国土空间管制制度，青海省东部城市应适应高质量发展要求的指标体系、标准体系等，加快土地供给侧结构性改革，强化空间治理建设能力。首先，可采用遥感影像与GIS 技术对青海东部城市各类土地的分布进行记录，分析各类土地的承载力水平与生态安全程度，再对每类土地的生态价值与开发适宜性进行评估，最后构建以生活空间、生态空间、生产空间为基础并且符合青海东部城市的“三生”空间体系。对于今后几年的人居环境建设，建议启动园博园规划建设；继续实施天然草地、林地资源保护、公益林草地建设；持续改造提升城市园林，建设以道路河流为骨架，公园广场为支点的青海东部城市湟水河百里生态廊道。