福建省2009—2018年人均生态足迹和人均生态承载力的时空动态

柯志成, 连海峰, 陈 奕, 陈双梅, 林夏莹

(1.福建农林大学计算机与信息学院，福建 福州 350002；2.生态与资源统计福建省高校重点实验室，福建 福州 350002；3.福建省资源环境空间信息统计研究中心，福建 福州 350002)

随着经济的发展，人口、环境和资源等问题日益突出，基于不同需求和侧重点的承载力[1]研究应运而生，例如从畜牧、种群、人口、资源、植被承载等角度进行研究.当前，生态承载力已成为生态学、经济学等领域的研究热点，生态足迹法是常用的研究方法之一[2-3].生态足迹法是William[4]提出的，1999年被引入中国[5].近年来，我国众多学者利用生态足迹法对生态承载力进行研究.陈晓杰等[6]、王业宁等[7]、刘家旗等[8]、张翠娟[9]、丁枫华等[10]对不同区域的生态承载力进行研究，发现这些研究区都呈现生态赤字状态，即人均生态承载力低于人均生态足迹，生态环境超负荷.为了进一步分析研究区的可持续发展能力，许多学者还引入了生态压力指数、生态效率测度、生态承载强度和生态协调系数等指标，通过这些指标从横向和纵向两个方面分析研究区的生态环境状况[11-13].

当前，国内外学者对生态承载力的研究主要体现在3个方面，即理论方法研究、不同对象和尺度的研究以及相关应用领域的扩展研究[14].但从空间尺度与格局分异角度对研究区域进行研究的生态足迹文献相对较少.鉴于此，本文以福建省为研究区域，利用生态足迹法核算2009—2018年福建省人均生态足迹和人均生态承载力，基于文献[15-16]更新了生物资源账户系统指标，引入生态盈亏、生态压力指数和生态协调系数等概念；并基于ArcGIS和Stata统计分析软件，结合探索性空间数据分析方法(ESDA)分析福建省人均生态承载力的演化特征、时空格局特征以及空间关联特征，进一步研究不同尺度下福建省人均生态承载力的时空变化特征及空间分异，旨在为福建省经济、社会和生态的协调发展提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

福建省地处我国东南部，陆地位于东经115°51′—120°52′，北纬23°32′—28°19′[16]，包括福州市、厦门市、莆田市、三明市、泉州市、漳州市、南平市、龙岩市和宁德市9个地级市85个县(市、区)(图1).福建省地跨中亚热带和南亚热带两个自然带，属亚热带季风气候.福建省地形主要以山地丘陵为主(占全省总面积的80%以上)，地势总体上呈西北高、东南低的地貌特征，森林覆盖率达65.95%.2018年，福建省常住人口为3 941万人，地区生产总值高达35 804.04亿元.

图1 福建省各地市位置分布Fig.1 Distribution of main cities in Fujian Province

1.2 数据来源与处理

本文数据主要来源于2009—2018年《福建省统计年鉴》、《福州市统计年鉴》、《厦门经济特区年鉴》、《莆田市统计年鉴》、《三明市统计年鉴》、《泉州市统计年鉴》、《漳州市统计年鉴》、《南平市统计年鉴》、《龙岩市统计年鉴》、《宁德市统计年鉴》[17-26].福建省及其九大地市生态足迹的计算总体上分为生物资源账户和能源资源账户，生物资源账户由农产品、林产品、水产品、畜产品等13项组成，世界平均产量来源于联合国粮农组织(FAO)[27].福建省能源资源系统由煤炭、焦炭、原油、燃炼油、汽油、柴油、液化石油气、天然气、电力、煤油组成，能值换算根据文献[28].福建各地市缺乏能源消费结构数据，因此消费量数据根据其单位GDP能耗数据与地区生产总值的乘积计算获取，采用福建省各地市的作物产量替代农产品消费量[29].福建省各地市的耕地、林地、草地和建设用地的面积数据主要来源于文献[30-31].内陆水域面积主要来源于文献[32-33].其中，部分缺失值数据采用移动平均法和年均增长量替代的方法进行插补.

1.3 研究方法

1.3.1 生态足迹和生态承载力的核算 生态足迹的核算是通过将各种资源和能源消费折算为土地面积来判断生态系统是否处于可载状态，其本质是对研究区土地资源生产能力的估测，即用于生态区域人口消费的所有资源和吸纳区域产生的所有废弃物所需要的生物生产性土地总面积[34]，表示如下：

(1)

式中，ef表示人均生态足迹；EF表示总生态足迹；N表示总人口数量；Ci表示第i种物品的人均消费量；Pi表示第i种物品的世界平均产量；ri表示第i中物品对应土地类型的均衡因子.

生态承载力是指区域实际提供给人类的所有生物生产性土地面积的总和，即现有的耕地、林地、草地、水域、建设用地、化石能源等物理空间的面积乘以相应的均衡因子和当地的产量因子,得到世界平均生态空间面积[35-36]，表示如下：

(2)

式中，ec表示人均生态承载力；EC表示总生态承载力；N表示总人口数量；ai表示人均生物生产面积；ri表示均衡因子；fi表示产量因子.其中，均衡因子是六类生物生产性土地的单位面积生物生产量与具有世界平均生产力的生物生产性土地单位面积生物产量的比值[37].产量因子是福建省六类生产性土地的平均生产力与世界同类平均生产力的比值[38].在国际通用均衡因子的基础上结合田玲玲等[14]、杨屹等[34]学者的研究成果，将福建省耕地、林地、草地、水域、建设用地、化石燃料的均衡因子分别定为2.57、1.37、0.49、0.26、2.57、1.37，耕地、林地、草地、水域、建筑用地的产量因子分别为1.66、0.91、0.19、1.00、1.66(表1).

表1 各土地类型消费项目及其均衡因子、产量因子Table 1 Main consumption item, equilibrium factor and yield factor of each land type

1.3.2 生态盈亏、生态协调系数和压力指数的核算 生态盈亏(ed)是指生态足迹与生态承载力之间的差值.当ed<0时表现为生态赤字，说明生态环境超负荷，反之则为生态盈余[39].

ed=ec-ef

(3)

生态压力指数(Epi)反映人类活动对生态系统的干扰强度.当Epi<1时表明生态安全仍然有保障，反之则影响生态系统平衡.生态压力指数越大，干扰生态平衡的强度越大，对生态的威胁也越大[40].

Epi=ef/ec

(4)

生态协调系数(Ds)反映人均生态足迹与地区资源之间的关系.1≤Ds≤1.414，Ds越接近于1，其协调性越差；越接近于1.414，生态需求和供给越趋于平衡[41].

(5)

1.3.3 空间关联分析 空间自相关[42-44]是指同一个变量在不同位置上的相关性，是检验某一要素的属性值是否显著地与其相邻空间点上的属性值相关的重要指标.本文选取常用的全局Moran′sⅠ指数对福建省人均生态承载力的空间关联性进行全局空间自相关分析，表示如下：

(6)

(7)

式中，Wij为空间权重矩阵，表示福建省各地市之间的空间关系；xi和xj表示各地市的属性值.全局Moran′sⅠ指数介于[-1,1]，在给定的显著性水平下若为正值，那么说明区域之间的空间呈正相关；如果是负值则说明其空间呈负相关；接近于零则表示区域空间随机分布.

1.3.4 空间变异系数 借助变异系数对福建省人均生态承载力的空间差异演变过程进行测度.变异系数表示地理数据在空间上的相对差异和变化程度[43]，表示如下：

(8)

2 结果与分析

2.1 时序动态

2.1.1 人均生态足迹和人均生态承载力的时序分析 从表2和图2可以看出，2009—2018年福建省总人均生态足迹总体上呈现上升趋势，从2009年的2.630 hm2·人-1增长至2018年的3.336 hm2·人-1，年均增长量为0.071 hm2·人-1.在六类生产性土地中，水域和化石能源用地的人均生态足迹占比较高，年平均人均生态足迹分别为1.246和1.263 hm2·人-1，占年均总人均生态承载力的82%；水域类人均生态足迹呈现“增—减—增”的变化趋势，由2009年的1.051 hm2·人-1增加至2015年的1.389 hm2·人-1，2015—2017年下降至1.331 hm2·人-1，2018年又上升至1.387 hm2·人-1；化石能源类消耗量从2009年的1.061 hm2·人-1波动上升到2018年的1.398 hm2·人-1，增长量为0.337 hm2·人-1，是六类中增长最多的；建设用地类的人均生态足迹对福建总人均生态足迹的影响最小，但其增长趋势较为明显，从2009年的0.011 hm2·人-1增长到2018年的0.210 hm2·人-1，增长率高达91%，在六类生产性土地中位居第一.草地类人均生态足迹变化不大，基本在0.030 hm2·人-1上下波动；而林地类人均生态足迹总体上表现为波动上升的走势，由2009年的0.234 hm2·人-1增长至2010年的0.297 hm2·人-1，2011年降至0.267 hm2·人-1，随后一直上升到2014年的0.311 hm2·人-1，之后呈现波动下降趋势，2018年为0.279 hm2·人-1；耕地类人均生态足迹总体上呈现下降的趋势，由2009年的0.188 hm2·人-1降至2018年的0.152 hm2·人-1.

从表3可以看出，福建省的人均生态承载力基本维持在0.625 hm2·人-1左右，扣除掉12%的生物多样性用地后，人均生态承载力仅为0.550 hm2·人-1，总体上呈现递减的趋势.其中，草地类、水域类和建设用地类2009—2018年的人均生态承载力变化较小；耕地类和林地类的人均生态承载力占福建省总人均生态承载力比重为72.5%，二者的人均生态承载力呈现微弱的下降趋势.各类型的土地面积虽没有发生较大的波动，但总体的人均生态承载力远小于人均生态足迹.

表2 2009—2018年福建省人均生态足迹Table 2 Ecological footprint per capita in Fujian from 2009 to 2018 hm2·人-1

2.1.2 生态赤字、生态协调系数与生态压力指数 从表4可看出，生态赤字情况和生态压力指数都呈现“增—减—增”的变化态势，总体上保持上升的趋势.福建省生态赤字情况从2009年的2.064 hm2·人-1增加至2018年的2.802 hm2·人-1，提高了35.8%；2015—2017年总体上生态赤字稍有缓解.而生态压力指数从2009年的4.648增长到2018年6.243，提高了34.3%，大大超出生态承载力，生态压力显著增大.在六类生产性土地中，生态亏损最为严重的是草地类和水域类.其主要原因是随着科技的进步，人民生活水平提高，消费结构发生改变，逐渐从粮食转向肉类、奶类和禽蛋类，从而导致草地类的人均生态足迹增加，造成生态亏损；不合理的围垦、城市扩张、生物资源过度利用等因素对水域类生态压力造成一定的影响.总的生态协调系数整体上呈现下降的趋势，其中生态协调最差的是草地类和化石能源类，最好的是林地类和耕地类，表明福建省在林地和耕地的保护上有明显的成效，但在草地保护和新能源开发使用上还需要加强.

图2 2009—2018年福建省各土地类别人均生态足迹Fig.2 Ecological footprint per capita of various land types in Fujian from 2009 to 2018

表3 2009—2018年福建省人均生态承载力Table 3 Ecological carrying capacity per capita in Fujian from 2009 to 2018 hm2·人-1

2.2 空间动态

2.2.1 人均生态足迹与人均生态承载力 取2010年、2015年和2018年3个时间节点，对福建省各地市的人均生态足迹和人均生态承载力进行空间动态分析，利用ArcGIS将数值自然划分为低、较低、中等、较高、高5个等级.从图3、4可看出人均生态足迹和人均生态承载在空间上呈现一定的特征，分布不均衡，并且在这3个时间点上的空间变化也较为突出.

图3 福建省各地市人均生态足迹空间分布Fig.3 Spatial distribution of ecological footprint per capita in various cities in Fujian

表4 福建省各生产性土地生态赤字、生态协调系数和生态压力指数Table 4 Ecological deficit, ecological coordination coefficient and ecological pressure index of each productive land in Fujian hm2·人-1

2009—2018年人均生态足迹的空间格局有较明显的变化，总体上来看，各地市的人均生态足迹都呈现上升的趋势.三明市人均生态足迹一直维持在高水平等级，近10年平均值为6.346 hm2·人-1；2010—2015年，除厦门市外，其余地市的等级均有所上升，其中最为明显的是宁德市，由较低水平变成较高水平，上升2个等级；2018年部分地市在等级上发生了变化，福州市和漳州市由中等水平升至较高水平.

图4 福建省各地市人均生态承载力空间分布图Fig.4 Spatial distribution of ecological carrying capacity per capita in various cities in Fujian

2009—2018年人均生态承载力在空间上均呈现西北部高、东南部低的格局.从纵向上看，福建省各地市人均生态承载力的空间等级几乎没有发生变化，仅莆田市下降了一个等级水平；总体上福建省各地市的人均生态承载力还是呈现下降的趋势，但南平市和三明市较高；从横向上看，福建省各地市人均生态承载力有较明显的空间分布，沿海地市的人均生态承载能力比内陆地市低，呈现出内陆高于沿海的分布情况.对2009—2018年各地市的人均生态足迹指数和人均生态承载力指数做双因素方差分析，分析年份和地市对二者的影响情况，结果见表5、6.从表5、6可以看出，在给定显著性水平为α=0.05的前提下，方差齐性检验的P值均小于0.05，年份的F值均小于Fα(9,72)=2.013，地区的F值也小于Fα(8,72)=2.070.由此可知，年份和地市对人均生态足迹指数和人均生态承载力指数均有显著影响.

表5 人均生态足迹双因素方差分析Table 5 Two-factor analysis of variance of ecological footprint per capita

表6 人均生态承载力双因素方差分析Table 6 Two-factor analysis of variance of ecological carrying capacity per capita

2.2.2 生态盈亏 如图5所示，从横向上看，2009—2018年福建省生态亏损主要集中在三明、漳州、福州和莆田这4个城市，其中，三明市的生态赤字最为严重，厦门市保持最低的生态赤字；从纵向上看，除厦门市外，各地市的水平等级均有所上升.

2.2.3 人均生态承载力的空间关联特征 从表7可以看出，2009—2018年全局Moran′sⅠ指数均为正值，且P值均小于0.05，都通过了显著性检验，表明福建省人均生态承载力存在显著的空间正相关.地市人均生态足迹的空间分布并非表现出完全随机性，该人均生态承载力在空间上呈现出空间聚集(高高集聚或低低集聚)的现象，即人均生态承载力指数较高水平的地市相邻，较低水平的地市也相邻.从整体上看，各年份的这种空间集聚程度是比较稳定的.sd值的变化幅度不大，表明近10年福建省人均生态承载力的空间总体格局没有发生较大变动，只是在原有格局上略有调整和集聚.全局Moran′sⅠ指数极差仅为0.012，基本围绕某一偏低聚集度出现小范围波动，但全局Moran′sⅠ指数存在下降趋势.由此可见福建省各地市人均生态承载力趋于集聚的趋势在略微减弱，各地市间的空间差异有扩大的趋势，需加强各地市之间的联系与合作，在多方面提升人均生态承载力指数.

图5 福建省各地市生态赤字空间分布Fig.5 Spatial distribution of ecological deficits in various cities in Fujian

表7 人均生态承载力全局Moran′sⅠ指数Table 7 Global Moran’s I index of ecological carrying capacity per capita

图6 福建省人均生态承载力的变异系数Fig.6 Coefficient of variation of ecological carrying capacity per capita in Fujian

2.2.4 人均生态承载力空间差异的演变特征 空间差异演变在一定程度上反映出地理事物与现象的相对差异及其变化趋势.从图6可以看出，福建省人均生态承载力的变异系数呈现上升的趋势，2009—2010年上升趋势较为明显，2010—2018年保持着较平稳的上升趋势，浮动不是很大.这说明2010年前福建省人均生态承载力的空间差异较大，而2010后福建省人均生态承载力空间差异呈现小幅度波动上升，空间差异随时间的变化逐渐增大.

3 小结

通过对福建省2009—2018年的人均生态足迹和人均生态承载力进行研究，得出以下结论：(1)福建省处于生态赤字状态，赤字指数持续升高，人均生态足迹呈上升趋势，人均生态承载力呈下降的趋势，生态协调系数呈下降趋势.各地市人均生态足迹和人均生态承载力有明显差异，且不同年份和地市的人均生态足迹和人均生态承载力均有差异.(2)福建省人均生态承载力存在显著的全局空间正相关，各地市呈现出高—高集聚或低—低集聚的特征，在空间上呈现西北高—东南低的格局，空间相对差异呈扩大趋势.(3)耕地和林地的生态赤字、生态协调系数、生态压力指数均维持在一个较稳定的水平，总体上两个领域的生态环境较好，而草地、水域和化石能源用地所能提供的生产性土地面积已经承载不了人类能源的消耗量.政府在保护耕地和林地的基础上，需要注重草地的保护与规划，还需增加水域的利用效益, 将旅游业和鱼类养殖相结合发展，推进清洁能源的开发利用，从而有效控制化石能源的消耗，从多方面抑制生态环境的恶化.