疏勒河流域生态承载力时空演变特征及驱动力研究

辛永君，周冬梅，金银丽，马静，张军，3

(1.甘肃农业大学 管理学院，兰州 730070；2.甘肃农业大学 资源与环境学院，兰州 730070；3.甘肃省节水农业工程技术研究中心，兰州 730070)

0 引言

生态环境是人类生存和社会发展的基础。随着工业化和城市化进程加快，人类对自然资源的消耗和对生态环境的威胁也进一步加大。目前，可持续发展作为一种理想的发展模式，已经成为世界各国普遍认同的一项政策目标[1]。2015年9月25日，联合国可持续发展峰会通过的可持续发展目标包括保护、恢复和促进可持续利用陆地生态系统、可持续森林管理、防治荒漠化、制止和扭转土地退化现象、遏制生物多样性丧失在内的17个目标[2]。生态承载力研究成为当前生态学、地学等领域的热点和前沿之一[3-6]。关于生态承载力研究，生态足迹法已广泛应用于其中[7-9]。该方法以土地生产能力作为区域生态承载力，而土地生产能力跟经济社会发展和技术进步有密切联系，所以该方法在一定程度上反映了自然和经济社会系统两方面对生态承载力的影响。目前国内以生态承载力模型改进[10-14]、时空变化[15-17]及其驱动力分析[18-21]研究为主。此外，生态承载力的研究领域也从生态方面向其他领域进行拓展[22-25]。大多数生态承载力研究往往忽略了人类社会投入对生态承载力的影响[26-28]，区域生态承载力的变化规律也不能够被精确反映。由于不同区域之间的气候、土地生产能力都存在有较大的差异，如果直接引用其他区域的均衡因子与产量因子，并不能实际反映当地生态承载力变化规律。因此只有结合当地的实际情况进行生态承载力关键参数(均衡因子与产量因子)的核算，才能够准确反映区域生态承载力[29-30]。干旱内陆河流域生态环境本身较为脆弱，人类活动相对集中于中下游的绿洲区，而整体流域尺度上的生态承载力研究相对较少[31]。从系统论角度上来说，以相对独立的流域尺度作为研究对象，既考虑了流域的完整性又考虑了系统内的相对开放性[32]，因此本文以典型干旱内陆河流域疏勒河流域为研究对象，基于生态足迹法、遥感数据和GIS技术，研究流域生态承载力时空演变特征及其驱动因素，可以较为准确地了解该流域的生态承载力状况，研究流域生态承载力的时空演变特征以及分析其驱动因素，以期为该区域可持续发展提供决策依据。

1 研究区概况

疏勒河流域(38°00′N～42°48′N，92°11′E～98°30′E)地处于河西走廊西端，是我国河西地区三大内陆河流域之一。流域内包括玉门市、敦煌市、瓜州县以及肃北蒙古族自治县四个行政区；东部与内蒙古接壤，西部与新疆毗邻，南部紧邻青海省，北部则与蒙古国接壤[33]。地势总体呈南北高、中间低，南部为阿尔金山及祁连山脉，北部为马鬃山，中部地势相对平缓，海拔介于798～5 569 m。流域北部为阿拉善高原半荒漠生态区，中部为河西走廊绿洲农业生态区，西南和南部为柴达木盆地荒漠-盐壳生态区，东南部为祁连山针叶林-高寒草甸生态区[34]。疏勒河流域内有世界著名的莫高窟、月牙泉、阳关和玉门关遗址等世界文化遗产，维持其生态环境和经济社会的可持续发展，对国家中长期发展规划具有极其重要的战略意义。

图1 研究区位置

2 研究数据来源

2.1 土地利用数据

土地利用数据通过解译1990、1995、2000、2005、2010、2015、2018年7—9月的Landsat TM+OLI遥感影像获得，遥感影像来源于地理空间数据云(www.gscloud.cn)，分辨率为30 m。利用ENVI 5.3软件对影像进行辐射定标、大气校正、图像融合、镶嵌、裁剪等预处理，通过人机交互解译获得疏勒河流域土地利用变化数据。参照《土地利用现状分类》标准，根据研究区土地利用结构特征和生态足迹模型特点，将流域土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地六类，通过实地验证以及借助高分辨率影像等辅助资料来选取样本进行精度验证，七期分类结果总体精度达到90%以上，Kappa系数超过0.85。

利用遥感影像解译结果作为基础数据计算流域生态承载力。生态足迹的核算内容及社会统计基础数据来源见表1。

表1 疏勒河流域生态足迹账户类型及数据来源

2.2 其他数据

行政边界数据来源于中国科学院资源与环境数据中心(http：//www.resdc.cn/data)，经过提取得到疏勒河流域矢量数据。

气温、降水以及植被指数(NDVI)数据(2000、2005、2010、2015年)也来源于中国科学院资源与环境数据中心(http：//www.resdc.cn/data)，分辨率为1 km。

人口密度数据(2000、2005、2010、2015年)来源于全球高分辨率人口计划项目(https：//www.worldpop.org/)，分辨率为300 m。

建成区面积数据(2000、2005、2010、2015年)使用 Google 地球引擎平台的多源和多时态遥感数据集开发全球 30 m不透水层表面地图(https：//doi.org/10.5281/zenodo.3505079)得到，分辨率为30 m。

城镇化率源于《甘肃发展年鉴》(2001、2006、2011、2016年)数据计算得到。

3 研究方法

3.1 生态承载力

通过生态足迹评判区域可持续发展状况，主要是从生态供给和生态需求两个方面进行。按照世界环境与发展委员会的建议[35]，在生态承载力计算过程当中，为了保证地球生物的公平发展，需扣除12%的生物多样性保护面积。其计算模型如式(1)所示。

(1)

式中：EC表示生态承载力；N为人口数量；ai为实际人均占有的第i类生物生产土地面积；efi为第i种土地类型的均衡因子，即将全球某类生物生产性土地的平均生态生产力除以全球各类生物生产性土地的平均生态生产力；yfi为第i种土地类型的产量因子，某个国家或地区的某种生物生产性土地的平均生产力与全球同类土地的平均生产力之间的比率。

3.2 模型参数

本文借鉴何爱红等的研究方法[36]，将所有生物产品通过热值的形式进行换算，均衡因子的计算方法如式(2)所示。

(2)

通过“热值法”计算产量因子，即采用热量单位来衡量各项土地的生产力，如式(3)所示。

(3)

计算得出流域各类生物生产性土地的产量因子与均衡因子，其中，建设用地的均衡因子与产量因子与耕地的相同。最终计算出疏勒河流域生态足迹模型中的均衡因子(表2)和产量因子(表3)。

表2 疏勒河流域1990—2018年生态承载力账户均衡因子

表3 疏勒河流域1990—2018年生态承载力账户产量因子

3.3 主成分分析法

主成分分析法通过降维思想，利用统计学原理处理复杂、多维的数据，去除数据相互重叠部分，得到少数几个综合指标[37]。通过主成分分析选取的因子可以包含所有因子的大部分信息，而且包含的信息不会互相重复。

4 结果与分析

4.1 疏勒河流域生态足迹与生态承载力动态特征

利用式(1)生态承载力模型计算近30年疏勒河流域生态承载力。由表4可知，疏勒河流域生态足迹呈现不断上升的趋势，流域生态足迹由1990年的819.76×103hm2增加到2018年的1 889.89×103hm2。就生态足迹成分而言，草地(79%)、耕地(14%)的比重较大，建设用地(4%)、林地(2.1%)和水域(0.9%)相对较小。

疏勒河流域近30年的生态承载力整体呈上升趋势，1990—2000年相对稳定，2000—2010年稳步上升，在2010—2018年，轻微下降之后快速上升；流域的生态承载力从1990年的525.28×103hm2增加到2018年的1 899.03×103hm2。整个流域不同土地利用类型的生态承载力差异较为明显。林地和耕地生态承载力变化趋势小，较为平稳；建设用地、草地和水域的生态承载力与流域整体生态承载力变化趋于一致，变化较为强烈；这与文献[33]和文献[38]的研究成果一致。就生态承载力成分而言，草地(66.03%)和耕地(23.1%)比重较大，林地(7.03%)、建设用地(3.46%)和水域(0.36%)比重相对较小。

虽然疏勒河流域的生态足迹和生态承载力都呈上升趋势，但生态承载力的增加不及生态足迹，生态赤字现象相对严重，但各时间阶段生态赤字变化也不相同，在1990—2000年之间，流域的生态赤字呈减小趋势；在2000—2005年，流域的生态赤字不断扩大；在2005—2018年，流域的生态赤字不断减少，且在2018年流域的生态承载力高于生态足迹，出现生态盈余，说明在2018后，流域的生态压力呈现减小趋势。

表4 疏勒河流域1990—2018年生态承载力 hm2

表5 疏勒河流域1990—2018年生态足迹 hm2

4.2 疏勒河流域生态承载力空间分布特征

利用ArcGIS 10.6软件，将七期流域各类土地利用数据属性表与各土地类型的均衡因子和产量因子相关联，产生新的土地利用属性表，该表的每条记录对应于土地利用图的每个图斑。将此属性表按因子数据项制图，由于每个图斑包含土地类型及其对应的均衡因子和产量因子属性，再利用SPSS 25.0软件中的K均值聚类分析，将疏勒河流域的生态承载力划分为高承载力、中承载力和低承载力三类(图2)。如图2所示，近30年来疏勒河流域生态承载力呈现出极不均匀的分布状态，整体呈南北高中间低，由上游向下游递增的空间分布格局。

图2 1990—2018年疏勒河流域生态承载力空间分布图

表6 疏勒河流域1990—2018年生态承载力变化 %

1990—2000年，流域南部和北部区域生态承载力相对稳定，在南部的河流上游地区，由于地处于祁连山脉北麓，冰雪融水补给充足，同时由于人类活动在此区域较弱，所以生态承载力比较高，连片分布，而且降低幅度较小，空间格局变化不大；在流域的北部地区，由于人类活动的影响较少，生态承载力的变化幅度也比较小。但是在流域中部区域生态承载力降低的范围开始扩大，高承载力区域下降，由20.2%下降到18.6%；中承载力区域增加，由0.7%上升到2.2%，主要是建设用地和部分草地的生态承载力从高级转为了中级。

2005年整个流域的生态承载力发生了剧烈的变化，流域大部分高级承载力区域由18.6%下降到1.8%，发生变化的土地类型以草地为主。

2005—2018年，整个流域的生态承载力空间分布状况已经恢复到了2005年之前的状态。主要原因有两个方面：第一，随着退耕还林还草政策的推进[39-41]，林地、草地面积开始恢复，生态承载力也随之上升；第二，随着经济社会发展，科技进步、人口素质提高、人口结构转变、农村人口减少以及土地集约利用度提高都会对区域生态承载力起到积极的促进作用，流域的生态承载力开始上升，流域的南部和北部区域生态承载力已经恢复到了高级状态。

4.3 驱动力分析

自20世纪90年代起，疏勒河流域陆续接收“两西建设移民”“疏勒河农业开发暨移民安置工程移民”“引洮工程九甸峡库区移民”以及自发性移民10多万人[42]，人口规模快速增加、城市化进程加快，以及全球气候变化等因素对生态承载力产生影响。根据研究区域实际情况，选取温度、降水、植被指数、人口密度、城镇化率、建成区面积六项指标，利用主成分分析法评价驱动因子与生态承载力之间的定量关系(表7)。

表7 疏勒河流域生态承载力评价指标体系

借助SPSS 25.0软件对生态承载力与驱动因子做主成分分析。首先，将不同单位的数据进行标准化处理；然后，通过软件计算选取指标的特征值、贡献率及累积贡献率，并以特征值>1为标准得到两个主成分。由表8可以看出：主成分1的特征值为3.845，包含的信息为64.091%；主成分2的特征值为1.609，包含的信息为26.811%；得到的两个主成分可以反映原数据90.902%的信息，超过80%，原始数据大部分信息都被包含在内，符合要求。综合上述，确定主成分的个数为两个。由表9可知：主成分1与人口密度、建成区面积、城镇化率呈显著正相关关系，相关系数均高于0.8，与温度呈负相关；而主成分2与降水和植被指数呈正相关，与其他的指标关系不显著。

表8 特征值及贡献率和累计贡献率

表9 主成分荷载矩阵

为进一步分析各驱动因素与疏勒河流域生态承载力之间的定量关系，本文以疏勒河流域生态承载力时间序列作为因变量，以各项指标作为自变量，拟合它们之间的定量关系(图3)。由图3可知，人口密度和建成区面积与疏勒河流域生态承载力具有高的相关性，具有明显的正相关，随着人口密度和建成区面积的增加，疏勒河流域的生态承载力也随之上升。

图3 疏勒河流域生态承载力与驱动因素之间的关系

5 讨论

本研究结果表明，疏勒河流域1990—2018年生态足迹和生态承载力整体呈上升趋势，与前人研究中疏勒河流域生态足迹和生态承载力呈现增长的趋势一致，也与干旱区其他内流河流域的生态足迹和生态承载力变化趋势基本一致，同时疏勒河流域生态赤字呈现逐渐减小的趋势也与前人研究成果一致。生态足迹由1990年的819.76×103hm2增加到2018年的1 889.89×103hm2，从生态足迹构成来看，草地和水域生态足迹的涨幅较大，说明随着社会的发展，居民生活水平提高，人们的饮食结构也发生了变化，对鱼类产品、牛羊肉和奶制品的需求也越来越大，从而使得草地和水域的生态足迹涨幅较大，故对生态环境的压力也越来越大。

生态承载力从1990年的525.28×103hm2增加到2018年的1 899.03×103hm2。从生态承载力构成可以看出，林地、草地和水域的涨幅最大，林地和草地的生态承载力在2005年之后涨幅比较大。一方面，与甘肃省持续推进生态保护政策密切相关。甘肃省1999年率先试点国家关于退耕还林还草的政策工程，2003年，甘肃省出台了《甘肃省草原条例》，首次制定了草原植被恢复收费标准。一系列退耕还林还草政策使得林地和草地面积开始恢复，在一定程度上缓解了生态足迹所带来的压力。为了进一步提高疏勒河流域生态承载力和营建良好的生态环境，应当继续实施严格的生态环境保护政策，推进生态文明建设是促进流域可持续发展的关键之处。另一方面，人口密度是影响疏勒河流域生态承载力的主要因素之一，疏勒河流域生态承载力与人口密度有高的相关性(图3)，人口密度增加，即在疏勒河流域内的人口数量不断增加且相对集中，说明流域可供养人口的能力也在不断上升。在社会发展过程中，由于科学技术进步导致社会生产力提高，从而可以满足人类对自然环境的需求，供养更多的人口。随着社会进步的同时，人口素质提高和人口结构转变也会对区域生态承载力提升起到促进作用，如受教育程度提高会使得人类对生态环境问题更加重视，减少对自然环境的索取与破坏，从而提升区域生态承载力。建成区面积也是影响疏勒河流域生态承载力的主要因素，疏勒河生态承载力与建成区面积也有高的相关性(图3)。随着建成区面积的增加，人们开始在城镇大规模集聚，活动范围随之减小，有助于对农村居民点整理，提升土地集约利用度，进一步促进区域生态承载力提高。由此可以得出，随着社会经济发展，通过有序的提升人口密度和增加建成区面积来提升区域生态承载能力，是促进区域可持续发展的可行之路。

本文研究疏勒河流域近30年来生态承载力时空演变特征及其驱动因素分析，所得值为静态值，具有瞬时性，即使难以反映在时间节点当中区域生态承载力的变化状况，但在长时间序列上能够体现流域的生态承载力变化趋势。

6 结束语

本文通过研究疏勒河流域生态承载力时空演变过程并对其驱动因素进行分析，得出以下结论。

1)近30年来，疏勒河流域的生态足迹和生态承载力都呈上升趋势，但生态承载力的增加不及生态足迹，且绝大部分时间生态足迹高于生态承载力，长期处于生态赤字。

2)各个时间阶段的生态赤字表现也不相同。在1990—2000年之间，流域的生态赤字呈减小趋势；在2000—2005年，流域的生态赤字不断扩大；在2005—2018年，流域的生态赤字不断减少，且在2018年流域的生态承载力高于生态足迹，出现生态盈余。这些说明流域的生态压力有缓和的趋势。

3)在1990—2018年间，疏勒河流域的生态承载力呈现出先降低后上升的趋势，2005年为变化的转折点。在2005年之前，生态承载力开始下降并在2005年降到了最低值，在2005年之后，生态承载力开始上升并且在2015—2018年上升速度最快。就生态承载力成分而言，发生变化的主要以建设用地、草地和水域的生态承载力为主，耕地和林地的生态承载力变化相对稳定。

4)在空间分布上，疏勒河流域的生态承载力分布极不均匀，呈现出南北高、中间低的分布格局。在流域的南部，靠近祁连山脉，海拔较高，生态环境较好，再加上受到人类活动的干扰比较少，因此流域的南部区域一直是疏勒河流域生态承载力较高的地区。与流域的南部相比较，流域北部区域的生态承载力虽然不如南部区域的高，但也基本上处于稳定状态。疏勒河流域的中部区域，也就是人类活动最为集中、开发力度最为强烈的区域，区域的生态承载力受到了人类活动严重的干扰，导致区域生态承载力变化较为强烈。

5)疏勒河流域生态承载力在时空上的变化与转移，受自然环境因素和社会经济因素的共同制约。选取疏勒河流域的自然指标和人类活动指标，通过主成分分析法拟合其线性关系并对2000—2015年疏勒河流域生态承载力时空演变驱动因素进行探讨，结果显示，人口密度和建成区面积呈显著正相关，在人口密度和建成区面积增加时，流域生态承载力也得到提升。由此得出，随着社会经济发展和进步，通过有序的人类活动可以使得区域生态承载力朝着可持续方向发展。