中原城市群生态足迹与生态承载力时空变化分析

王 昕，张杏梅

(山西师范大学 地理科学学院， 山西 太原 030000)

随着《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》和《中共中央 国务院关于新时代推动中部地区高质量发展的意见》等政策的相继出台，中原城市群作为黄河流域三大城市群的中心，是东西部联系的关键纽带，具有得天独厚的区位优势。同时，中原城市群自身拥有较好的资源、环境、产业、交通等基础条件，从各方面来看，极具较强的发展潜力，有望成为促进中部崛起乃至国家经济发展的又一增长极[1]。但目前来看，中原城市群中近一半的城市仍始终以资源能源作为经济发展的主要动力，第二产业的比重大，单位GDP能耗高，这样的发展方式在带来经济效益的同时也造成了资源浪费、生态环境恶化等一系列的负面影响，严重制约了区域可持续发展。

生态足迹模型可以基于对区域内消费与废弃物排放时所需要的生物生产性土地面积的计算[2]，对研究区的可持续发展水平做出评价[3]，最初于1992年由William Rees提出，1996年Wackernagel又在此基础上进行了修正及完善[4]。自1999年来受到国内学者的广泛关注，且主要集中于3个方面：其一，对生态足迹进行了理论研究与方法改进[5-7]。其二，在对研究区生态足迹进行测算的基础上，对其动态变化展开了研究，诸如：周宁等[8]、党小虎等[9]、吕洁华等[10]、王业宁等[11]、柯志成等[12]和肖宜等[13]均对不同区域的生态足迹与生态承载力进行了研究，发现这些地区均处在了不同程度的生态赤字状态。此外，还有不少学者在此基础上引入了万元GDP生态足迹、生态压力指数和生态可持续指数等有关指标对区域的生态安全状态[14-15]和可持续发展水平进行了评价[16-17]。其三，对生态足迹方法进行了创新，并广泛运用到了各个领域,例如旅游[18-19]、水资源[20-22]、能源[23]等领域，且均对各领域的生态状况做出了评价。在此基础上，本研究以中原城市群及所涵盖的30个地级市作为研究对象，对生态足迹、生态承载力及有关指标做出测算，并通过Arcgis、Origin等软件从时空角度进行可视化分析，旨在剖析该地区生态供需状况，为区域的可持续发展提供理论支撑。

1 研究区概况

中原城市群(31°52′N—36°50′N，110°15′E—118°10′E)位于中国的中东部，是一个以河南省为主体，郑州市和洛阳市为中心与副中心的国家级城市群，一共包括了河南省、河北省、山西省、安徽省和山东省在内的5省30个地级市，总土地面积达到了2.870×105km2，约占全国土地面积的3%。在2019年，中原城市群年末总人口为7474.46 万人，地区生产总值达4.29 万亿元，人均生产总值约为5.47 万元/人[24]。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 生态足迹的计算

生态足迹是指把特定时间内人类对各种类型资源的消耗转换成的生物生产性土地面积。数值越大，说明消耗量也越大，生态足迹越高。计算公式如

(1)

式中EF为总生态足迹，i为消费品的种类，pi为第i种消费品的平均生产能力,ci为第i种消费品的人均消费量，ri为均衡因子，N为人口总数，ef为人均生态足迹。

2.1.2 生态承载力的计算

生态承载力是指研究区里能提供给人类的全部生物生产性土地面积之和。反映区域的生态容量[5]。面积越大，则数值越大，该种土地类型的生态承载力也越大。计算公式如

(2)

式中EC为生态承载力总量，ai为人均生物生产性土地面积，ri为均衡因子，yi为产量因子，N为人口数，ec为人均生态承载力。

2.1.3 生态盈亏的计算

生态盈亏是将生态承载力和生态足迹相减，反映区域的生态供需状况。计算公式

ED=EC-EF=N×(ec-ef),

(3)

式中ED为生态盈亏。当ED<0时，该地为生态赤字；当ED>0时，该地为生态盈余。

2.2 数据来源

研究所使用的数据均来源于《中国城市统计年鉴》《河南省统计年鉴》《河北省统计年鉴》《山东省统计年鉴》《山西省统计年鉴》《安徽省统计年鉴》以及中原城市群30个地级市的统计年鉴与资料，并选取了2005、2010、2015、2018年作为本次研究的时间节点，采用线性内插法与移动平均法相结合的方法以此来补全个别数据的缺失。

在对生态足迹的计算中，生物生产性土地包括了耕地、草地、林地、水域、化石能源用地和建设用地六种土地利用类型[3,25],见表1。

为统一计算的口径，在生物资源账户中，用产量来替代消费量。在计算过程中，使用的全球平均产量的数据均来自1993年联合国粮食及农业组织统计数据库与杨屹等[26]的研究结果。由于类型不同的生物生产性土地所产生的生态生产力不同，所以要利用均衡因子，才可以进行相加与比较。杨屹等[26]曾在研究中得出，六种类型的生物生产性土地的均衡因子从1996年之后就基本未发生改变，因此在本次计算里用均值，耕地和建设用地2.34，草地0.48，水域0.32，林地和化石能源用地1.64。

表1 生态足迹选取指标及土地类型

研究使用的土地利用数据均来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(https://www.resdc.cn)。在对不同类型生物生产性土地的生态承载力进行测算时，同样也不可以直接进行相加与比较，要通过均衡因子和产量因子进行转换。本研究中所使用的产量因子是1997年Wackernagel在计算中国生态足迹时所用到的，即耕地与建设用地是1.66，林地0.91，草地0.19，水域1，化石燃料用地0。同时，依据联合国环境特别委员会所提出的，要减掉12%的面积运用到对生物多样性的保护中。

3 结果与分析

3.1 中原城市群生态足迹时间变化分析

3.1.1 人均生态足迹时间变化分析

2005—2018年，中原城市群人均生态足迹的变化较为显著。从生态足迹的构成中可以看出(见图1)，各土地类型所占的比例处于一个极不平衡的状态，其中化石能源用地的生态足迹所占比例最大，在2005年达到了53.19%，2018年上升到了63.24%，已经远大于同时间段内全球范围化石能源用地的生态足迹，其次是耕地和草地所占比例较大，其他三种土地类型即林地、水域与建设用地，所占比例的总和小于总体的5%。在2005—2018年，建设用地、化石能源地和林地分别呈2.33%、1.34%和1.27%的年均增长率逐步增长，而草地、耕地和水域分别呈5.42%、1.37%和0.56%的年平均下降率下降。

(a)生态足迹构成 (b)生态承载力构成图1 中原城市群生态足迹与生态承载力构成

从人均生态足迹总体的变化趋势中来看(见图2)，大致可以分为两个阶段，第一个阶段是人均生态足迹持续增长阶段，从2005年的2.538 hm2/人增长到了2015年的3.597 hm2/人，年平均增长率达到了3.550%，从增长态势来看，2010年之前的增长速度较快，2010年之后速度有所减缓。分析其原因，主要与中原城市群自身的产业结构有关，第二产业所占比重较大，随着中部崛起战略的实施，经济水平的快速发展，工业化进程逐渐加快，对能源资源的消耗也逐渐增加。第二个阶段是人均生态足迹下降阶段，2015—2018年人均生态足迹以1.472%的年平均下降率开始下降，在2018年下降至了3.441 hm2/人，这主要是源于国家政策的影响，随着2016年《中原城市群发展规划》等一系列文件的发布，提出要将中原城市群建设成绿色生态发展示范区的战略定位，绿色发展逐渐受到重视，大力整顿了以第二产业为主的重污染企业，并加大了治污力度。同时，各地区在发展的过程中也越来越注重生态环境的保护。因此，通过发展理念的转变和政策机制的制定，区域发展中更加注重资源、环境与经济的协调。总体来看，中原城市群人均生态足迹的变化趋势呈现出了先上升后下降的倒“U”型变化趋势，这与倒“U”型的环境库兹涅茨曲线相一致。说明虽然中原城市群所面临的生态压力较大，但从整体的发展趋势来看，情况有所好转。

3.1.2 人均生态承载力时间变化分析

2005—2018年，中原城市群人均生态承载力呈现出逐渐下降的趋势,如图2所示，由2005年的0.493 hm2/人，一直降低到了2018年的0.440 hm2/人，年平均下降率为0.877%，与人均生态足迹相比，变化较不显著，相对稳定。从生态承载力的构成中可以看出(见图1)，耕地的面积最大，生态承载力最高，年平均所占的比例最大，约为78%，其次是建设用地，年平均所占比例为15.18%，林地的年平均占比也到达了6.44%，而水域与草地的年平均所占比例最小，均不足3%。从各土地类型生态承载力的变化来看，建设用地是唯一一种生态承载力呈增长趋势的土地类型，年平均增长率为0.78%，其余4种土地类型的生态承载力均呈现不断降低的态势，其中下降速度最快的是草地，年平均下降率为1.32%。因为WWF发布的《Living Planet Report 2012》中指出化石能源地“专门用来吸收化石能源消耗中所产生CO2的土地类型”，但在现实的规划中并未预留此种土地类型，所以生态承载力为0[27]。

3.1.3 人均生态赤字时间变化分析

在对中原城市群的生态足迹与生态承载力进行测算的基础上，得出了在2005—2018年间，中原城市群始终处在了生态赤字的状态，而由于人均生态承载力的变化较小，相对稳定，所以人均生态赤字的时间变化趋势与人均生态足迹的变化趋势基本一致，呈倒“U”型变化趋势(见图2)。总体来看，也大致可以分成两个阶段：第一阶段是2005—2015年，人均生态赤字不断扩大，由2.045 hm2/人扩大到了3.149 hm2/人，年平均增长率为4.413%，增长幅度较大，变化显著，且在2005—2010年人均生态赤字的增长速度远大于2010—2015年。表明生态环境的消耗在不断增加，生态供需矛盾逐渐加剧，但速度有所减缓；第二阶段是2015—2018年，人均生态赤字出现了下降的趋势，年平均下降率为1.592%，在2018年下降到了3.001 hm2/人。从总体变化趋势来看，虽然中原城市群的生态赤字严重，但已经逐渐出现了赤字不断缩小的局面。从生态足迹和生态承载力的构成上能够看出，化石能源地的人均生态足迹与人均生态承载力差距最大，是造成人均生态赤字的主要原因。

图2 2005—2018年中原城市群各指标变化图

3.2 中原城市群生态足迹空间变化分析

3.2.1 人均生态足迹空间变化分析

中原城市群人均生态足迹在空间上存在着较大的不均衡性和差异性，总体呈“西北高，东南低”的空间分布格局。按照自然断裂法将人均生态足迹分为5个等级(见图3)。

(a)2005年 (b)2018年图3 中原城市群人均生态足迹空间分布图

2005年中原城市群人均生态足迹第一等级的地级市为长治、济源、淮北，呈点状分布，第二等级的地级市是邯郸、鹤壁、晋城、运城、焦作、平顶山，占中原城市群数的20%，主要分布在城市群的西北部和北部；第三等级的地级市是邢台、聊城、安阳、郑州、三门峡、洛阳、许昌、商丘，沿第二等级的地级市向中部地区逐渐扩展，占比26.67%；第四等级的地级市是新乡、开封、宿州、漯河、南阳、驻马店、蚌埠，占比23.33%；第五等级的地级市是濮阳、菏泽、周口、亳州、阜阳、信阳，主要分布在城市群的中部、南部与西南部。2018年，30个地级市之间的极差逐渐扩大，由2005年的5.257 hm2/人扩大到了16.713 hm2/人，第一等级的地级市新增了晋城市；第二等级有运城、三门峡、平顶山和鹤壁市；第三等级有邯郸、安阳、聊城和焦作市；第四等级所占比例最大，占到了40%，包括邢台、新乡、郑州、洛阳、开封、许昌、漯河、驻马店、商丘、菏泽、宿州与蚌埠市；第五等级有濮阳、南阳、周口、亳州、阜阳和信阳市。

整体来看，各地级市的人均生态足迹均有不同程度的增加，这与各地经济发展水平、人们生活水平和消费结构等各方面都有较大的关系。且中原城市群西部地区多山区，东部地区多平原，而西部地区拥有着大量的煤炭、有色金属等能源资源，因此，西部的城市大多数是资源型城市，主导产业是高能耗的资源型产业，而东部地区则多以发展农业为主。这就导致了整体上西北部的人均生态足迹高于东南部地区。尤其是长治、晋城、济源和淮北市，是人均生态足迹最高的地区。主要是由于晋城市是典型的资源型城市，产业结构不平衡，且煤炭产业一枝独秀，经济的增长过度依赖资源，再加上节能减排工作困难重重，导致了人均生态足迹高。而长治市属于老工业基地，以煤、焦、铁、电等传统产业为主，经济发展后劲不足，环境污染严重。济源市由于自身能源资源匮乏，对外依赖度高，能源消费较高。淮北市作为我国13大煤炭生产基地之一，能源资源消费量巨大，是造成该地区人均生态足迹较高的主要原因。

3.2.2 人均生态承载力空间变化分析

中原城市群的人均生态承载力的空间差异小，且整体上呈“四周高，中间低”的空间分布格局。同样，按照自然断裂点法将人均生态承载力分为5个等级(见图4)。

(a)2005年 (b)2018年图4 中原城市群人均生态承载力空间分布图

2005年中原城市群人均生态承载力第一等级的地级市包括长治、晋城、三门峡和运城，人均生态承载力分别为0.887、0.870、0.823、0.718 hm2/人，主要分布在城市群的西北部地区；第二等级的地级市是洛阳、南阳、信阳等10市，占整个地区的33.33%；第三等级的地级市有开封、商丘、新乡、平顶山、鹤壁、菏泽和淮北，共7个地级市，占到23.33%；第四等级所包含的地级市则较少，仅有安阳、周口和濮阳；第五等级则包括郑州、许昌、焦作、漯河和阜阳市，主要集中在中部地区。2018年中原城市群各地级市人均生态承载力的极差保持着缩小的态势，由2005年0.564 hm2/人缩小到了0.548 hm2/人。与2005年相比，第一等级少了运城市，第二等级少了邢台、聊城等6个地级市，第三等级地级市的数量没有发生改变，第四等级增加了鹤壁、新乡等5个地级市，第五等级新增了邯郸市和周口市。相比于人均生态足迹来说，中原城市群人均生态承载力的空间变化较小。

对各地级市人均生态承载力进行分析，可以得出人均生态承载力的变化是由耕地与建设用地所主导的，其中80%以上的地级市，其耕地对人均生态承载力的贡献力超过了70%。同样又有超过80%的地级市其化石能源用地的贡献力超过了10%。因此可以得出，在提高生态效率时可以着重提高耕地和化石能源用地的利用效率，以此来缓解生态压力。

3.2.3 人均生态赤字空间变化分析

中原城市群人均生态赤字的空间分布格局呈“西北高，东南低”(见图5)。与2005年相比，2018年人均生态赤字均有所提高，且30个地级市人均生态赤字的差距由2005年的6.942 hm2/人扩大到了2018年的18.118 hm2/人。可见，中原城市群各地级市之间存在着明显的差异，同时差异有着扩大的态势。其中，长治、晋城、济源和淮北市人均生态赤字最高，阜阳、周口、亳州的人均生态赤字最低，这与人均生态足迹的空间分布格局相一致，这主要是由于人均生态承载力的空间变化较小，所以人均生态赤字的空间变化是由人均生态足迹所决定的。

(a)2005年 (b)2018年图5 中原城市群人均生态赤字空间分布图

4 结论与建议

4.1 结论

利用生态足迹模型，计算了中原城市群2005—2018年的生态足迹、生态承载力及相关指标，并进行了时空变化分析，得出：

(1)2005—2018年中原城市群人均生态足迹的变化趋势呈倒“U”型曲线，年平均增长率由6.0%下降到了-1.5%，这与倒“U”型的环境库兹涅茨曲线相一致；人均生态承载力的变化幅度未超过0.1 hm2/人，相对稳定，并保持着缓慢下降的态势；在研究时间段内，中原城市群始终处在生态赤字的状态，并从2005年的2.045 hm2/人扩大到2015年的3.149 hm2/人，2018年又缩小至3.001 hm2/人，呈倒“U”型的变化趋势。

(2)在空间上，人均生态足迹的差异显著，“西北高，东南低”；相对而言，人均生态承载力的空间差异较小，总体呈“四周高，中间低”的分布格局；30个地级市均处于生态赤字的状态，以长治、晋城、平顶山、淮北、济源等一系列资源型城市的生态赤字最为严重，空间差距逐渐扩大，空间分布格局与人均生态足迹的空间分布格局具有一致性，“西北高，东南低”。

在本研究中，基于生态足迹模型对中原城市群的生态供需状态进行了剖析。虽然，人均生态足迹的变化趋势与环境库兹涅茨曲线相一致，逐渐出现了转好的态势，但是生态供需仍处于“求大于供”的状态，生态赤字严重，甚至已经威胁到了该地区的生态安全与可持续发展。

4.2 建议

(1)降低人均生态足迹。从中原城市群生态足迹的计算结果可以看出，化石能源消耗产生的生态足迹在总生态足迹中的占比较大，而能源的消耗主要集中在第二产业。第二产业作为中原城市群经济发展的主要动力，不能单纯的通过完全限制第二产业的发展来减少生态足迹。因此，对于人均生态足迹较高的地区，如：长治、晋城、济源和淮北市等，要因地制宜，提高资源的利用效率，推动产业向生态化的方向升级。

(2)提高人均生态承载力。中原城市群中部地区的人均生态承载力较低，如郑州、焦作、许昌等。这些地区可以通过鼓励人口向周围人均生态承载力较高的地区转移，还可以通过对老城区改造以及盘活农村闲置的土地，以此来扩大建成区面积。

(3)加强城市联系，发挥空间溢出效益。郑州市作为中心城市，聚集了城市群中大部分的优质资源，在各个方面的发展中均处于优势地位。因此，郑州市要发挥辐射带动作用，带头引导重点产业转型升级，并促进信息、人才等要素流动，促进城市间的不均衡性逐渐缩小。