渭河干流甘肃段生态足迹与承载力评价分析

温飞，邵月花，谈存峰*

1.甘肃省生态环境科学设计研究院 2.甘肃农业大学财经学院

渭河是黄河的第一大支流，具有较丰富的水资源，发挥着提供食物、养育生物、灌溉农田、净化环境等诸多服务功能，为区域经济社会发展提供强大的动力，在黄河流域生态保护和高质量发展中具有重要地位。随着区域社会经济的高速发展，以单一经济目标为主的资源开发利用模式对流域生态环境造成了严重破坏，影响了流域生态系统健康，水土流失、水体污染、植被退化和年均径流量持续下降的威胁不断扩大，严重影响了流域工农业生产和居民身体健康[1]。摸清流域生态需求和供给是制定流域生态治理和高质量发展政策的基础，学者们从不同角度开展了生态健康评价的研究。已有的生态健康评价主要包括指示物种评价、指标体系评价和生态足迹评价等模式。指示物种评价法是由Leopold[2]提出的采用一些指示类群来监测生态系统健康的方法，包括单物种生态系统健康评价和多物种生态系统健康评价[3]。指标体系评价法克服了指示物种评价法的主观性，将社会经济和人类健康指标在内的指标体系进行综合，有助于描述生态-社会过程的复杂特征。生态足迹模型由学者Rees[4]于1992年提出，是一种将人类经济活动生态需求和生态环境供给结合测量区域生态足迹(EC)和生态承载力(EF)的方法(图1)，是衡量区域生态供需平衡的重要基础和前提[5-6]。生态足迹的发展由一维向三维不断演进[4-9]：Wackernagel等[8]对生态足迹进行完善并形成二维生态足迹模型，其因操作简单得到广大学者的认同；随后Niccolueei等[9]引入生态足迹深度和生态足迹广度2个新指标，更好地对流量资本和存量资本进行区分，克服了以生物生产性土地这单一指标衡量人类需求的方法，强调由生态足迹深度和生态足迹广度表征人类活动对流量资本和存量资本的利用程度，使其成为表征体积的物理量[10]。以往研究大多运用单一的评价方法，研究内容为当前时段或一定时期内生态环境的现状评价，且研究单元主要以单一国家、省、市、行政区或自然区为主。

图1 生态足迹和生态承载力关系示意Fig.1 Schematic diagram of the relationship between ecological footprint and ecological carrying capacity

笔者在借鉴已有研究成果的基础上，运用改进三维生态足迹模型核算渭河干流甘肃段近11年(2009—2019年)的生态足迹和生态承载力。在当量单位选择上，对均衡因子和产量因子进行本地化修正，以省公顷为面积当量；在研究区域上，将县域行政区与渭河干流甘肃段自然区相结合，定量分析流域生物生产性土地的生态足迹动态变化特征。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

渭河干流甘肃段(104° 00′E～108°45′E，34°12′N～36°10′N)西起甘肃省中部，东汇牛头河入陕西省境内，全长270 km，总面积为5.96万km2[11]，占渭河总面积的44.2%。行政区包括定西、天水2市的渭源县、陇西县、武山县、甘谷县、秦州区(属渭河支流耤河流域，考虑到该区人口稠密、经济发达、种植面积较大，故将其纳入研究中)、麦积区6县(区)(图2)，人口为304.91万人，占甘肃省总人口的11.56%，GDP占甘肃省的7.58%。随着流域经济活动强度的不断增加，渭河干流甘肃段社会经济建设和城镇化迅速发展，建设用地面积持续增加，河流径流量逐年减少，地下水位不断下降，致使土地盐渍化面积不断扩大，湿地退化严重，生态服务价值整体下降，区域发展面临着现实及潜在的生态安全风险。

图2 研究区范围Fig.2 Scope of the study area

1.2 数据来源与处理

维持流域生态系统所需要的资源和能源消费主要包括生物资源消费和能源资源消费2个部分，考虑到数据的可获取性，选取粮食、蔬菜、油料、药材等17种生物资源消费项目以及焦炭、汽油、煤油、柴油和电力5种能源消费项目。2010年、2011年、2014年和2017年的能源消费数据统计不完全，为保证数据的完备性，利用平均值填充法填补缺失值，具体指标选取见表1。省公顷核算中需要的单位热值来自《技术经济手册(农业卷)》，个别没有单位热值的指标以近似指标的单位热值代替。

表1 渭河流域甘肃段各类土地的生物生产性账户构成Table 1 Bioproductive account composition of various types of land in Gansu section of Weihe River Basin

1.3 研究方法

1.3.1改进三维生态足迹

方恺等[12-13]提出的改进三维生态足迹模型仅用于计算生物资源消费和建筑用地消费2个核算账户中的生态足迹及其相对应的生态承载力，笔者将建筑用地消费和化石能源消费纳入到能源资源账户之中。具体计算公式如下：

EF=N×ef=N×∑eFi×(Cx/Px)

(1)

EC=N×ec=N×∑Si×eFi×yFi

(2)

ER(ED)=EC-EF

(3)

EFsize,region=∑min{EFi,ECi}

(4)

(5)

EF3D,region=EFsize,region×EFdepth,region

(6)

式中：EF为研究区的生态足迹，hm2；ef为研究区的人均生态足迹，hm2/人；N为研究区的总人口数，人；eFi为省域第i类土地的均衡因子；Cx为研究区第x类资源的总产出热量，103J；Px为省域第x类资源的单位面积平均生产力，103J/hm2；EC为研究区扣除12%的生物多样性保护面积后的生态承载力，hm2；ec为研究区的人均生态承载力，hm2/人；Si为第i类土地的总生物生产性面积，hm2；yFi为第i类土地的产出因子。

当EC>EF时，EC-EF=ER，表示生态盈余；当EC

1.3.2模型参数计算

借鉴张恒义等[14]的生态足迹模型参数计算方法，以省公顷为计量单位，计算研究区的均衡因子和产量因子，以更准确地反映区域的生态盈亏情况。由于林地和草地均能吸收一定量的CO2等气体，故将林地和草地作为化石能源用地的测算对象，以客观反映流域实际情况。2个因子的计算公式如下：

(7)

(8)

根据式(7)、式(8)计算得到的关于渭河干流甘肃段生态足迹模型的基本参数，结果如表2所示。

表2 2009—2019年渭河干流甘肃段生态足迹模型的基本参数Table 2 Basic parameters of ecological footprint model for the mainstream of Weihe River in Gansu Province from 2009 to 2019

2 结果与分析

2.1 渭河干流甘肃段生态足迹与生态承载力动态变化

2.1.1三维生态足迹组分分析

在生态足迹结构方面，2019年渭河干流甘肃段化石能源用地面积最大，达 62 290.58 hm2，其次是耕地(15 774.96 hm2)、草地(1 197.17 hm2)、建筑用地(531.51 hm2)、林地(264.03 hm2)和水域(23.59 hm2)。2009—2019年渭河干流甘肃段6类土地对生态足迹的贡献率如图3所示。由图3可知，2009—2019年化石能源用地和耕地对区域生态足迹贡献始终较大，且二者呈互补型趋势变化，即当化石能源用地贡献率下降时会引起耕地贡献率上升；林地和草地的贡献率小幅增长，但整体较小，均保持在0.97%～1.52%。化石能源用地对研究区生态足迹的贡献率最高，达64.26%～73.39%；水域的贡献率最小，仅为0.01%～0.05%。可见，化石能源用地和耕地是区域生态足迹的重要组成部分。

图3 2009—2019年渭河干流甘肃段6类土地对生态足迹的贡献率Fig.3 Contribution rate of six types of land to ecological footprint in the mainstream of Weihe River in Gansu Province from 2009 to 2019

2009—2019年渭河干流甘肃段改进三维生态足迹变化见表3。由表3可知，从时间上分析，2009—2019年渭河干流甘肃段改进三维生态足迹随时间推移波动变化，渭源县、甘谷县、秦州区和麦积区分别以每年2.94%、1.41%、0.15%和1.04%的速率波动上升，陇西县和武山县生态足迹不断下降，武山县以2.79%的速率持续下降，甘谷县的下降速率为2.1%。从区域上分析，甘谷县和秦州区生态足迹较大，而渭源县和陇西县生态足迹相对较小。定西市2县的平均生态足迹低于天水市4县(区)，推测是由于天水市经济发展较为迅速，人口活动频繁，对环境的影响更大。依据测算结果得出，2009年定西市2县均是耕地生态足迹最高，天水市4县(区)均是化石能源用地生态足迹最高，且天水市生态足迹远高于定西市，超出5.96倍；2010—2019年6县(区)生态足迹变化与2009年相似，依旧是天水市4县(区)生态足迹明显高于定西市2县，且都是以化石能源用地生态足迹为主。具体而言，渭河干流甘肃段以秦州区生态足迹为最高，且呈现以秦州区为中心依次向外围区域递减的特征。

表3 2009—2019年渭河干流甘肃段改进三维生态足迹变化Table 3 Changes of improved three-dimensional ecological footprint of the mainstream of Weihe River in Gansu Province from 2009 to 2019 hm2

2.1.2人均生态足迹与生态承载力分析

2009—2019年渭河干流甘肃段生态足迹和生态承载力均呈现波动变化趋势，2009—2015年生态足迹从 68 107.23 hm2波动上涨到 79 888.18 hm2，同时生态承载力自2009年的 9 479.412 hm2上升到2015年的 12 107.341 hm2，区域生态自然资源供给能力在区域消费能力中的占比也从13.92%升至15.16%，表明渭河干流甘肃段自然资源存量已无法满足人类需求。2016—2019年，研究区生态足迹和生态承载力均不断下降，且前者始终大于后者。

2009—2019年渭河干流甘肃段6类土地人均生态足迹(表4)波动下降，其中耕地年下降速率最大，为4.85%；其次是水域、草地、建筑用地和林地，化石能源用地下降最缓慢，年下降速率为3%，这说明11年间化石能源用地在研究区生态足迹中始终贡献最大。2009—2019年渭河干流甘肃段6类土地人均生态承载力(表5)变化趋势不明显，林地、水域和建筑用地分别以每年3.42%、0.41%和0.32%的速率不断上升，其余3类土地人均生态承载力都呈小幅度下降趋势，其中，耕地年人均生态承载力下降速率最大，为5.31%，其他2类土地的年人均生态承载力下降速率保持在1.61%。这表明除林地、水域和建筑用地以外的其他3类土地的生态承载力水平一般，同时也说明区域经济与资源环境协调性有待提高，可持续发展能力较弱。

表4 2009—2019年渭河干流甘肃段6类土地人均生态足迹变化Table 4 Changes of per capita ecological footprints of six types of land in the mainstream of Weihe River in Gansu Province from 2009 to 2019 hm2/人

表5 2009—2019年渭河干流甘肃段6类土地人均承载力变化Table 5 Changes of per capita carrying capacity of six types of land in the mainstream of Weihe River in Gansu Province from 2009 to 2019 hm2/人

2009—2019年渭河干流甘肃段6县(区)人均生态足迹和人均生态承载力时空变化趋势如图4所示。依据张星星等[15]根据生态足迹与生态承载力之间的差额对区域进行划分的方法，可将渭河干流甘肃段6个县(区)划分为3类区域：Ⅰ类区域(渭源县和陇西县)是生态足迹与生态承载力缺口最小的地区，11年间这2个县生态足迹和生态承载力几乎保持一致，且差值平均稳定在 0.008 5 和 0.007 5 hm2。渭源县生态足迹波动下降明显，尤其是2015—2016年降低了 0.003 5 hm2；陇西县2015年生态承载力较2014年增长3.82%，期间生态足迹仅增加了 0.001 6 hm2，说明陇西县的生态容量渐多，生态压力逐年减小。Ⅱ类区域(甘谷县和麦积区)是生态足迹和生态承载力缺口相对居于中游的地区，甘谷县二者差额不断缩小，说明甘谷县生态赤字情况得到缓解；麦积区2011—2017年生态足迹以2.6%的年速率递增，同期生态承载力以每年0.76%的速率递增，2017年后，二者均呈递减趋势。Ⅲ类区域(秦州区和武山县)是生态足迹和生态承载力缺口相对较大的区域，其中武山县生态足迹变化不明显，但生态承载力波动相对较大，二者均呈波动下降趋势。

注： 柱状图自左向右表示2009—2019年人均生态足迹(a)、人均生态承载力(b)变化。图4 2009—2019年渭河干流甘肃段6县(区)人均生态足迹和人均生态承载力时空变化趋势Fig.4 Spatiotemporal variation of per capita ecological footprint and per capita ecological carrying capacity in 6 counties (districts) of the mainstream of Weihe River in Gansu Province from 2009 to 2019

2.1.3人均生态盈余/赤字分析

根据表4、表5计算2009—2019年渭河干流甘肃段的人均生态盈余/赤字状况，结果表明，11年间渭河干流甘肃段均处于人均生态赤字状况，表明该地区的人类负荷超过了其生态容量。值得注意的是，由于化石能源用地的生态承载力为0，生态足迹即为生态赤字。利用变异系数对生态赤字的相对波动程度进行分析，结果如图5所示。由图5可知，2009—2019年渭河干流甘肃段人均生态赤字的变异系数均为负值，稳定于-0.669附近，转折于2010年，整体表现为先降后升再降，宛如W型曲线。2009—2010年以每年29.45%的速率下降，下降速率达到最大；2011—2015年基本呈上升趋势，平均年上升速率为2.54%，其中2012年后逐渐趋于平缓；2016—2018年则呈下降趋势，2018—2019年又呈上升趋势。这表明自2016年起，渭河干流甘肃段自然资源利用程度日渐规模化，该区域所包含的6县(区)的生态赤字也呈先扩大后缩小再扩大的趋势。可见，自2012年实施生态文明建设之后，地方政府发展战略和政策转变已取得了初步成效。

图5 2009—2019年渭河干流甘肃段 人均生态赤字的变异系数Fig.5 Variation coefficient of per capita deficit in the mainstream of Weihe River in Gansu Province from 2009 to 2019

2.2 渭河干流甘肃段生态足迹广度和深度分析

2009—2019年渭河干流甘肃段生态足迹广度和深度变化如图6所示。由图6可知，2009—2015年渭河干流甘肃段生态足迹广度整体呈波动上升趋势，7年间生态足迹广度以375.42 hm2/a速率增至 12 107.34 hm2，表明这7年渭河干流甘肃段在经济发展的同时，对区域内自然资源流量消耗不断增大，生态占用面积也在持续上涨；2016—2019年生态足迹广度下降趋势较明显，以888.57 hm2/a 的速率波动下降，2019年生态足迹广度为8 841.67 hm2，显然资源流量的消耗得到一定程度的改善。具体而言，研究区域流量资本占用值都较高，其中流量资本占用最高值为麦积区，其平均生态足迹广度为 4 189.54 hm2; 其次是秦州区、陇西县、甘谷县，平均生态足迹广度分别为 1 533.77、1 507.07、1 507.00 hm2；武山县和渭源县流量资本占用值仅609.54、247.58 hm2，远低于其他4县(区)，表明武山县和渭源县资源较少，资源消耗量较大。

图6 2009—2019年渭河干流甘肃段生态 足迹广度和深度变化Fig.6 Changes in the breadth and depth of ecological footprint of the mainstream of Weihe River in Gansu Province from 2009 to 2019

生态足迹深度越大，说明该县(区)的资源消耗量越大，供需不足严重，生态环境压力也相对较大。研究区域生态足迹深度呈先增后降再增的趋势。在2015年之前整体缓慢增加，之后快速增加，年变化幅度保持在3.60%～5.89%，说明渭河干流甘肃段资源消费结构不合理，自然资源消耗过大且呈现无法满足区域内人民日益增长的消费需求的趋势。研究区域的生态足迹深度均大于1，其中武山县的生态足迹深度为14.44，说明需要14.44倍自身土地面积才能够满足本县的资源消费，武山县的存量资本消耗较高。出现这种现象的原因可能是武山县的土地面积较小，自然资源相对于研究区域其他县(区)而言也较少，另外人口较多，对资源的需求量和消耗量较大，使其成为研究区域中生态足迹深度最大的县；其次，分别是渭源县(12.81)、甘谷县(12.55)、秦州区(12.28)、麦积区(3.47)和陇西县(2.86)。同时，生态足迹广度的线性斜率相仿于生态足迹深度的线性斜率，表明对存量资本消耗的不合理局面变化不显著。

3 结论与建议

3.1 结论

(1)2009—2019年渭河干流甘肃段生态足迹和生态承载力呈现先增加后减小趋势，生态环境压力同样先增加后减小，区域自然资本供给能力较弱；在生态足迹结构方面，化石能源用地和耕地始终对区域生态足迹贡献较大。以单个区域来看，经济水平发展较高的县(区)生态足迹一般较高，其中渭河干流甘肃段秦州区生态足迹最高。

(2)2009—2019年渭河干流甘肃段生态赤字差距较大但呈现出逐渐缩小的趋势，表现为生态赤字变异系数从2009年开始持续下降，主要原因在于2015年后区域自然资源利用程度日渐统一，不可持续发展状况得到改善。

(3)2009—2015年渭河干流甘肃段持续增加对当地自然资本的消耗，生态足迹广度在2015年达到最大值，为 12 107.34 hm2，资源消费结构不合理；之后生态足迹广度持续下降，2019年为 8 841.67 hm2，说明在2016年后资源消耗不合理局面得到缓和。

(4)2009—2019年生态足迹深度大致呈现先增后降再增的趋势，虽然生态足迹整体呈上升趋势，但自然资源供给波动明显，表明生态环境压力缓解趋势不明显。

3.2 建议

本研究将生产账户和消费账户相结合，从县域角度对如何实现渭河干流甘肃段资源合理利用和生态环境可持续发展进行了研究。在综合前人的研究成果基础上，将研究区域缩小至县域尺度，用省公顷为计量单位，选取的数据均来源于统计年鉴，使测算结果能够更加客观地反映当前区域资源合理利用程度及环境可持续发展状况。但在指标选取中，由于统计口径的不同而有一定偏差，考虑到数据的完整性及真实性，剔除了难以获取数据的指标，使指标选取在全面性上有一定的欠缺。因此，评价体系还需进一步完善。

为了促进渭河干流甘肃段形成生态可持续发展和资源合理消费的局面，应寻求生态发展和经济发展之间的平衡点，优化土地利用及资源消耗结构，提升生态承载力容量，积极促进循环工业健康绿色发展，开发利用清洁能源，促使能源消费结构向多元化发展。在生态发展方面，始终贯彻退耕还林还草政策，适当增加人工造林和人工种草的土地面积，增加生态用地面积；在经济发展方面，实现经济目标的多元化，调整产业结构，形成生态环境与社会经济之间的协调、可持续发展；同时，有序推进城镇化健康发展，提高人口素质并通过积极宣传改变居民的消费模式及消费观念，提高居民的生活质量。