基于能值生態足跡模型的青藏高原東部高寒牧區可持續發展研究

李文龍，余翠*，趙新來，梁天剛，張金林，許靜(.草地農業生態系統國家重點實驗室,蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州 73000；.蘭州財經大學農林經濟管理學院，甘肅 蘭州 73000)

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基于能值生態足跡模型的青藏高原東部高寒牧區可持續發展研究

李文龍1，余翠1*，趙新來1，梁天剛1，張金林1，許靜2
(1.草地農業生態系統國家重點實驗室,蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州 730020；2.蘭州財經大學農林經濟管理學院，甘肅 蘭州 730020)

可持續發展已經成為世界各國普遍追求的目標，區域可持續性的評估也逐漸成為制定區域發展政策的重要理論依據。甘南藏族自治州是我國典型的高寒牧區之一，其可持續發展問題已成為當前發展畜牧業的關鍵。本研究基于能值理論，運用改進的能值生態足跡模型，對2005-2013年甘南藏族自治州(簡稱甘南州)各縣、市可持續發展狀態進行了定量研究。改進模型的關鍵在于采用區域能值密度計算生態承載力和生態足跡，能夠更真實地反映研究區生態系統的供給能力和人類對資源的消耗狀況。結果表明，1) 研究區生態足跡組成中，畜牧業產品所占比重最大，并保持穩定；電力和燃料煤比重逐年上升，而種植業產品和野柴草比重有所降低。2) 甘南州人均生態足跡不斷增大，由2005年的4.77 hm2/人增加到2013年的7.09 hm2/人；人均生態承載力呈波動變化，保持在4.64～5.65 hm2/人之間。3) 甘南州生態足跡指數總體呈下降趨勢，9年間整體處于不可持續發展狀態。4) 甘南州萬元GDP生態足跡由2005年的12.60 hm2/萬元下降到2013年的4.86 hm2/萬元，資源利用效率不斷提高，其中合作市最高，迭部縣次之，其他各縣無明顯區別。5) 甘南州以畜牧業為主的瑪曲縣、碌曲縣、夏河縣和合作市人均生態足跡和人均生態承載力總體均大于農牧交錯區的臨潭縣、卓尼縣、舟曲縣和迭部縣。9年間，迭部縣、瑪曲縣和碌曲縣處于可持續發展狀態；夏河縣、卓尼縣和舟曲縣處于不可持續發展狀態；合作市和臨潭縣處于嚴重不可持續發展狀態。基于以上研究結果，對研究區未來可持續發展進行了有益探討。

可持續發展；能值生態足跡；生態承載力；資源利用效率

新世紀以來，人口、資源與環境的可持續發展成為了人類社會學、經濟學與生態學交叉研究的學術前沿，同時成為全球各區域長期發展的指導方針。人類的所有生產、生活活動都依賴自然資源，要保持可持續發展狀態，人類對資源的消耗必須在生態承載力范圍之內。因此就需要有效的方法來衡量人類的需求消耗是否在生態承載力范圍之內[1]。基于此，生態足跡方法應運而生。

1996年，Rees等[2]提出了生態足跡模型來定量評價可持續發展和人類活動對環境的影響。生態足跡是指任何一個已知人口和經濟的系統對自然資源的需求，能夠評估一個具有特定人口和經濟的區域自然資源消耗和廢物同化需求。理論上，生態足跡是通過確定生產所有供消費的產品以及吸收人類活動所產生的廢物所需要的生物生產性土地面積來評估。同時，通過計算同一區域的生態承載力，可以將人類的需求和區域自然資源的提供能力進行比較，以評估該區域可持續發展狀態。目前，生態足跡法已成為定量評估區域可持續發展狀態的重要方法，在全球學術界以及實際應用中越來越被重視[3]，廣泛應用于全球[1,4]、國家[5-6]、地區[7-8]、城市[9-11]、校園[12]以及草原牧區[13-14]、旅游業[15]、工業[16-17]、漁業[18]等的生態足跡和生態承載力研究，為政府和企業制定可持續發展對策提供了重要的理論依據。

但是利用傳統的生態足跡模型對區域可持續發展狀態進行評估時，采用的產量因子和均衡因子是基于全球平均生產力和國際統一標準，忽略了生態功能復雜性和區域自然環境的時空差異，且穩定性差[19-20]；此外，傳統的生態足跡模型沒有考慮可再生和不可再生土地利用的區別，也沒有考慮低生物生產力的土地面積[21]。基于傳統生態足跡模型的缺陷，Zhao等[22]2005年提出能值生態足跡模型，引入能值理論中的能值轉化率和能值密度計算區域生態足跡和生態承載力，提供了一種通過追蹤生態系統中能量流動的方法來評估資源消耗以及對環境造成的影響的新思路。

草地資源作為重要的陸地可再生自然資源，不僅能夠為人類提供各種畜產品，還具有多種生態服務功能，是全球三大碳庫之一；但同時草地生態系統也是受自然和人為因素影響最為敏感的生態系統。人類對草地資源的消耗日益加劇，草地生態系統出現嚴重退化[14]。高寒牧區草地是我國主要的四大草地資源之一，也是我國分布面積最廣的天然草地。本研究利用改進的能值生態足跡模型，對甘南藏族自治州(簡稱甘南州)整體及其各縣、市可持續發展狀態進行評估，分析人類活動及產業發展對環境的影響，旨在為該地區及相似環境的廣大高寒牧區生態環境保護及可持續發展對策提供有效的理論依據和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

甘南藏族自治州是全國十個藏族自治州之一，總面積4.5萬km2，處于青藏高原東北邊緣，甘肅省西南部，甘、青、川交界處，青藏高原和黃土高原過渡地帶。地勢西北部高，東南部低，境內海拔1100～4900 m，大部分地區在3000 m以上。全州分為3個自然類型區，南部為岷迭山區，山大溝深，氣候比較溫和，是全省重要林區之一；東部為丘陵山地，高寒陰濕，農林牧兼營；西北部為廣闊的草甸草原，是全省主要牧區(圖1)。全州共有耕地6.73萬hm2，約占總面積的1.76%；共有草地約257.9萬hm2，約占總面積的67.32%；林地面積約94.03萬hm2，占全州總面積的24.55%。自治州成立于1953年，現轄7縣1市，其中瑪曲、碌曲、夏河、卓尼、臨潭和合作6個縣市是黃河重要水源補給生態功能區，土地總面積3.057萬km2，占全州土地總面積的67.9%。舟曲和迭部兩縣位于長江支流白龍江上游，是長江上游“兩江一水”流域水土保持與生物多樣性生態功能區和長江上游重要的水源涵養林區。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Schematic diagram of study area

2013年全州總人口74.57萬人，州內有藏、漢、回、土、蒙等24個民族，其中：藏族人口40.81萬人，占總人口的54.7%。全州常住人口69.78萬人，其中城鎮人口19.11萬人，城鎮化率27.39%。近年來，甘南州著力抓好高原特色畜牧業、特色畜產品加工龍頭企業、旅游文化產業3個首位產業，使全州經濟保持平穩較快發展的良好態勢。2013年全州實現地區生產總值108.89億元，比上年增長10%。

1.2 數據和研究方法

1.2.1 數據來源及處理 研究中計算生態足跡所用到的消費項目數據、生產總值(GDP)、人口、研究區面積等數據來源于2005-2013年的《甘南統計年鑒》等。各消費項目的能值折算系數和各種資源的太陽能值轉化率數據來自參考文獻[23-26]以及藍盛芳等[27]主編的《生態經濟系統能值分析》和趙桂慎[28]主編的《生態經濟學》。統一能值基準為全球平均能值總量1.58×1025sej/yr。

太陽輻射能利用遙感數據進行估測，基于30 m分辨率數字高程數據產品(GDEM)。使用ESRI ArcGIS for Desktop 10.1 (ESRI, Redlands, C, USA)軟件中的Area Solar Radiation工具計算研究區能夠到達地表的太陽輻射能(即能夠被人類利用的太陽能總量)，其方法使用的是Fu等[29]創立的半球視域算法中的方法。此外，研究區的平均海拔也來源于數字高程數據。

計算雨水化學能和雨水勢能所用到的研究區降水量數據來源于2005-2013年的 《甘南統計年鑒》等。計算風能時，利用甘南州及周邊省份(甘肅、青海、四川、陜西、寧夏)2005-2013年150個氣象臺站的風速數據進行插值，得到甘南州各縣、市的平均風速數據。插值方法采用ArcGIS軟件中的普通克里金(Kriging)插值[30]。

1.2.2 能值生態足跡模型 能值分析理論是20世紀80年代由Odum[31]提出并不斷發展起來的，以熱力學原理、系統理論和系統生態學為基礎，為系統中不同類型的能量和物質流提供了一個新的分析工具。能值(emergy)是指某種流動或貯存的能量所包含的另一種能量的數量。通常以太陽能值來度量各種流動或貯存能量的能值，單位為太陽能焦耳(solar emjoules，縮寫為sej)[22,32]。Zhao等[22]將能值理論與生態足跡相結合，提出了能值生態足跡模型。人類社會中的主要能量消耗都可歸宗到太陽能，能值生態足跡模型將生態系統中各種產品的重量轉換成太陽能值，使得所有的產品和服務能夠基于一個相同的標準進行比較。再利用能值密度的概念，將自然資源的供給和人類的消耗轉換成生物生產性土地面積[33]。

能值密度即為能值利用強度，指單位面積能值使用量。一個地區的經濟活動越頻繁，經濟開發程度越大，則能值密度越大[34]。能值生態足跡模型中計算生態承載力時，采用地球能值密度；地球能值密度表征全球平均能值利用強度，因此用它來計算一個地區的生態承載力時，忽略了研究區域的特性，不足以反映研究區生態系統的真實供給能力[34-35]。因此本研究在計算生態足跡和生態承載力時均采用區域能值密度，不僅能夠反映研究區生態系統的真實供給能力和人類對資源的消耗狀況，而且這樣計算得到的生態足跡和生態承載力結果更具有可比性。其中計算甘南州各縣、市的生態足跡和生態承載力時采用甘南州平均能值密度 [7.69×1010sej/(m2·yr)]；計算整個甘南州的生態足跡和生態承載力時采用青藏高原東部地區的能值密度 [8.38×1010sej/(m2·yr)]。甘南州地處青藏高原東部，根據自然帶、植被類型、海拔等劃分，青藏高原東部地區能值密度能夠代表甘南州的能值利用狀況。甘南州平均能值密度是指甘南州2005-2013年區域能值密度的平均值，甘南州區域能值密度的計算方法見下文。青藏高原東部地區的能值密度計算方法同上。

1)能值生態足跡(emergy ecological footprint)的計算公式如下：

EF=N×ef=N×∑ai=N×∑(ci/p2)

式中：EF為總生態足跡；ef為人均生態足跡；N為區域總人口；ai為第i種資源的人均生態足跡；ci為第i種資源的人均能值 (sej)；p2為區域能值密度[sej/(m2·yr)]；區域能值密度p2=區域總能值/區域總面積。

計算區域總能值時，主要考慮5種可再生資源能值：太陽輻射能、雨水化學能、雨水勢能、風能和地球旋轉能。根據能值理論，同一來源的能量投入只取其最大值，而雨水化學能、雨水勢能和風能都是太陽能的轉化形式，因此前4種能量的本質是一樣的，計算時只取其最大值；則區域總能值為前四者的最大值與地球旋轉能之和[34]。

可再生資源的計算公式如下：

雨水化學能=研究區面積(m2)×年降雨量(m/yr)×雨水密度(kg/m3)×吉布斯自由能(J/kg)[36]

雨水勢能=研究區面積(m2)×年降雨量(m/yr)×雨水密度(kg/m3)×
云層平均海拔高度差(m)×重力加速度(m/s2)[37]

風能=研究區面積(m2)×空氣密度(kg/m3)×阻力系數×平均風速3(m/s)×(365.25×24×3600 s)[36]

地球旋轉能=研究區面積×熱通量[J/(m2·yr)][24]

表1列舉出了2005-2013年甘南州上述5種可再生資源的能值量，由表中數據可知：在太陽輻射能、雨水化學能、雨水勢能和風能中，雨水化學能始終最大。因此2005-2013年甘南州的區域總能值為雨水化學能與地球旋轉能之和。

2)能值生態承載力計算。為了更好地理解生態承載力，將自然資源分為可再生資源和不可再生資源。生態承載力的計算中只考慮可再生資源[22]，還需扣除12%的生物多樣性保護面積，具體計算公式如下：

ec=(e/p2)×0.88

式中：ec為人均生態承載力；e為人均可再生資源能值(sej)；p2為區域能值密度[sej/(m2·yr)]。這里的區域可再生資源能值即為上述計算區域能值密度中的區域總能值。

1.2.3 生態足跡指數 吳隆杰[5]提出用生態足跡指數評估一個區域的可持續發展狀態。生態足跡指數(ecological footprint index, EFI)是指一定區域的生態承載力(EC)與生態足跡(EF)的差額占生態承載力的百分比，可視作區域為今后保留的可持續發展能力的百分比。具體計算公式為：

EFI=(EC-EF)/EC×100%

當EFI=0時，表明該區域處于可持續發展與不可持續發展的臨界點；當0

表1 2005-2013年甘南州可再生資源能值Table 1 The emergy of Gannan renewable resources in 2005-2013 sej

注：表中5種可再生資源的能值轉換率來源于參考文獻[24]和[27]。

Note: The transformity of five kinds of renewable resources in the Table is from the references of [24] and [27].狀態越強；當EFI<0時，表明該區域處于不可持續發展狀態，即生態承載力不足以支持區域生態足跡的增長，其值越小，不可持續性越強。

1.2.4 萬元GDP生態足跡 萬元GDP生態足跡(WEF)是指一個特定區域每創造1萬元GDP所需要的生態足跡數量，是一個反映資源利用效率的指標，其值越大表明生物生產性土地生產效率越低。區域現代化經濟發展水平越低，越是倚重傳統農牧業，對萬元GDP生態足跡需求越大；區域自然資源越差，土地生產潛力相對低，對萬元GDP生態足跡需求也越大[38-39]。具體計算公式如下：

WEF=區域人均生態足跡/區域人均生產總值(萬元)

2 結果與分析

根據上述能值生態足跡模型，計算得出甘南州及其各縣、市的生態足跡、生態承載力、生態足跡指數以及萬元GDP生態足跡。其中計算生態足跡時所包含的消費項目如表2所示(以甘南州2008年為例)。

2.1 甘南州生態足跡組成及變化趨勢分析

表2列舉了各消費項目的人均生態足跡，由表可知，2008年對總生態足跡貢獻較大的項目從大到小依次為：牛奶、燃料煤、牛肉、電力、油料、羊肉、野柴草、豬肉、谷物和豆類等。對2005-2013年各消費項目的人均生態足跡進行分析發現，9年中對總的人均生態足跡貢獻較大的均為上述10種消費項目，并且這10種消費項目的總貢獻率均達到90%以上(圖2)。據此，分析了2005-2013年這10種消費項目對總的生態足跡貢獻(一種項目對總生態足跡的貢獻大小用該項目的人均生態足跡與總人均生態足跡的比例表示)的變化趨勢。

如圖2所示，9年間牛奶對生態足跡的貢獻最大，但總體呈現下降趨勢；而牛肉、羊肉和豬肉對生態足跡的貢獻有所增加；表明該地區對肉產品的需求有所增加，對牛奶的需求有所減少，但牛奶仍然是需求比例最大的。電力和燃料煤對生態足跡的貢獻明顯增大，而野柴草對生態足跡的貢獻不斷減小，表明野柴草作為一種原始的以直接燃燒來獲取能量的方式已經逐漸被電力和燃料煤取代。種植業中對生態足跡貢獻較大的為油料、谷物和豆類，其中油料對生態足跡的貢獻變化不大，而谷物和豆類對生態足跡的貢獻不斷減少，且油料的貢獻明顯比谷物和豆類大；表明種植業生產結構中油料作物比重大于糧食作物比重。

此外，還分析了所有種植業產品和畜牧業產品對總生態足跡貢獻的變化趨勢。如圖3所示，畜牧業產品對總生態足跡的貢獻達到50%左右，遠大于種植業產品，表明畜牧業一直處于主導地位。種植業產品對總生態足跡的貢獻呈下降趨勢，從2005年的24.71%減小到2013年的16.79%，表明甘南州種植業在產業結構中的比重不斷減小。

表2 2008年甘南州生態足跡計算Table 2 The calculation of Gannan ecological footprint in 2008

EF:Ecological footprint.

2.2 甘南州生態足跡和生態承載力動態分析

如圖4所示，2005-2013年甘南州人均生態足跡總體呈上升趨勢，由2005年的4.77 hm2/人增加到2013年的7.09 hm2/人；表明9年間人類對資源的消耗不斷增加，對環境的壓力日益加劇。其中2005-2010年人均生態足跡迅速增加，2010年之后增加趨勢略有減緩。2005-2013年甘南州人均生態承載力呈波動變化，2005-2009年總體呈下降趨勢，2009-2013年總體呈上升趨勢。

圖2 甘南州各消費項目生態足跡比例Fig.2 The proportion of Gannan various consumer items ecological footprint

圖3 甘南州畜牧業和種植業生態足跡比例Fig.3 The proportion of Gannan animal husbandry and farming ecological footprint

圖4 甘南州人均生態足跡和人均生態承載力Fig.4 Per capita ecological footprint and per capita ecological carrying capacity of Gannan

2.3 甘南州生態足跡指數動態分析

如圖5所示，2005-2010年甘南州生態足跡指數總體呈下降趨勢，說明甘南州生態環境不可持續性逐漸增強；2010-2013年生態足跡指數出現波動變化，表明在一定程度上可持續性狀態開始趨于穩定。其中2005年生態足跡指數最大，為15.49%；2013年最小，為-43.14%。

2.4 甘南州萬元GDP生態足跡動態分析

如圖6所示，2005-2013年甘南州萬元GDP生態足跡不斷降低，2005年最大，為12.60 hm2/萬元；2013年最低，為4.86 hm2/萬元，表明甘南州資源利用效率不斷提高。

圖5 甘南州生態足跡指數Fig.5 Ecological footprint index of Gannan

圖6 甘南州萬元GDP生態足跡Fig.6 Ecological footprint of ten thousand yuan GDP in Gannan

2.5 甘南州各縣市生態足跡和生態承載力動態分析

根據不同的自然景觀和農林牧業發展形式，將甘南州七縣一市分為以下兩部分進行分析。如圖7所示：1)以發展畜牧業為主的瑪曲縣、碌曲縣、夏河縣和合作市，其中瑪曲縣是甘肅省純牧業縣之一。瑪曲縣人均生態足跡最大，碌曲和夏河次之，合作市最小；2005-2013年這三縣一市的人均生態足跡總體均呈上升趨勢。其中瑪曲人均生態足跡出現較大的波動，2005-2006年急劇增加，2007年又有所降低。2)農牧交錯區的臨潭縣、卓尼縣、舟曲縣和迭部縣。臨潭縣人均生態足跡總體呈上升趨勢，2011年之后出現波動；卓尼縣人均生態足跡變化趨勢與臨潭縣相似；舟曲縣人均生態足跡不斷增加，但其值最小；2006-2012年迭部縣人均生態足跡變化不大，相對穩定。總體來看，以發展畜牧業為主的三縣一市人均生態足跡總體大于農牧交錯區的4個縣，且增加的趨勢更明顯。

相應的，甘南州各縣市人均生態承載力變化趨勢如圖8所示：1)瑪曲縣人均生態承載力最大，碌曲縣次之，夏河縣和合作市人均生態承載力比瑪曲和碌曲平均小3～4倍。2005-2013年瑪曲和碌曲人均生態承載力總體呈下降趨勢，但也出現波動。夏河縣和合作市人均生態承載力變化相對較穩定。2)迭部縣人均生態承載力在農牧交錯區四縣中為最大，其中2005-2009年呈降低趨勢，2009-2013年呈增加趨勢。卓尼縣人均生態承載力相對穩定，2006-2008年出現波動，2010年之后有增加的趨勢。舟曲縣和臨潭縣人均生態承載力較小，變化也較穩定。

圖7 甘南州各縣市人均生態足跡Fig.7 Per capita ecological footprint of counties and cities in Gannan

圖8 甘南州各縣市人均生態承載力Fig.8 Per capita ecological carrying capacity of counties and cities in Gannan

2.6 甘南州各縣市生態足跡指數動態分析

如圖9所示：1)瑪曲縣和碌曲縣生態足跡指數大小相當，表明瑪曲和碌曲可持續發展狀態相似。瑪曲縣生態足跡指數呈波動變化，2005-2012年生態足跡指數大于零，區域生態承載力能夠支持生態足跡的增長；2013年生態足跡指數小于零，區域生態承載力不足以支持生態足跡的增長。碌曲縣生態足跡指數在2005-2009年不斷降低，2009-2012年略有回升。夏河縣生態足跡指數小于瑪曲和碌曲，總體呈下降趨勢，2009年之后變化趨于穩定，除2005年外均小于零。合作市生態足跡指數在三縣一市中最小，均小于-55.79%，2005-2009年迅速降低，2009年之后變化幅度明顯減小，生態足跡增長已經嚴重超出生態承載力范圍。2)甘南州七縣一市中，臨潭縣生態足跡指數最小，均小于-200%，生態足跡增長與生態承載力嚴重不平衡。卓尼縣生態足跡指數呈波動變化，2005-2011年總體呈下降趨勢，2011年之后有所增大；2006年之后均小于零。舟曲縣生態足跡指數在2005-2010年總體呈下降趨勢，2010年之后有所回升；其值均小于零。總體來看，迭部縣的生態足跡指數在七縣一市中為最大，且較穩定，均大于零，生態承載力足以支持生態足跡的增長。

圖9 甘南州各縣市生態足跡指數Fig.9 Ecological footprint index of counties and cities in Gannan

2.7 甘南州各縣市萬元GDP生態足跡動態分析

如圖10所示：1)瑪曲、碌曲和夏河的萬元GDP生態足跡大小相差不大，總體呈下降趨勢，表明瑪曲、碌曲和夏河三縣資源利用效率和經濟發展水平相當，且不斷提高。合作市萬元GDP生態足跡最低，總體呈下降趨勢，表明合作市資源利用效率和經濟發展水平比其他各縣高，且在不斷提高。2)總體來看，臨潭、卓尼、舟曲和迭部四縣的萬元GDP生態足跡均呈下降趨勢。其中迭部縣的變化趨勢最大，從2005年的23.26 hm2/萬元下降到4.39 hm2/萬元，表明迭部縣資源利用效率迅速提高。

圖10 甘南州各縣市萬元GDP生態足跡Fig.10 Ecological footprint of ten thousand yuan GDP of counties and cities in Gannan

2.8 甘南州各縣、市各指標滑動平均處理結果分析

為了更好地比較甘南州各縣、市各指標的差異，對甘南州七縣一市2005-2013年的人均生態足跡、人均生態承載力、生態足跡指數和萬元GDP生態足跡求滑動平均值(用來說明各指標的平均狀態)，并將每個指標值都分為三級，結果如圖11所示。9年間，瑪曲和碌曲的人均生態足跡、人均生態承載力和生態足跡指數均最大，生態足跡指數大于零，處于可持續發展狀態；而碌曲縣的萬元GDP生態足跡大于瑪曲縣，表明瑪曲縣的資源利用效率和經濟發展水平高于碌曲縣。舟曲、臨潭和卓尼人均生態足跡較小，表明農牧交錯區的資源消耗相對較小；舟曲、合作和臨潭的人均生態承載力較小，表明其可再生資源儲量小。合作市資源利用效率最高，但其生態足跡指數小，處于嚴重不可持續發展狀態。除瑪曲和碌曲外，迭部縣生態足跡指數也較大，處于可持續發展狀態；夏河、卓尼和舟曲處于不可持續發展狀態。

圖11 甘南州各縣市各指標分級圖Fig.11 Various indicators classification figure of counties and cities in Gannan ef: 人均生態足跡 Per capita ecological footprint; ec: 人均生態承載力Per capita ecological carrying capacity; EFI: 生態足跡指數Ecological footprint index; WEF: 萬元GDP生態足跡Ecological footprint of per ten thousand yuan GDP.

3 討論與結論

3.1 討論

整體而言，研究區(甘南州)生態足跡組成中，畜牧業產品所占比重最大，并且一直保持穩定，電力和燃料煤比重逐年上升，而種植業產品比重有所降低。甘南州作為甘肅省主要的畜牧業生產基地，其產業發展中畜牧業的主導地位毋庸置疑。在國家的大力支持和幫助下，積極穩步地調整生產關系，改善畜牧業生產條件，進行草畜體制改革，大力推廣科技，加大現代舍飼牧業投入，使得高原特色畜牧業得以迅速發展，因此在工業化快速發展的過程中，畜牧業仍保持著首位產業的地位。依托豐富的礦產資源和水電資源等，大力發展優勢加工工業，促進了甘南州特色工業和城市化進程的快速發展，使得電力和燃料煤耗費逐年增加。甘南州已經逐漸由過去落后的一元經濟結構走向多元開放的現代市場經濟時代，鞏固農牧業基礎地位的同時大力發展工業和其他優勢產業，產業結構趨于多樣化和合理化。萬元GDP生態足跡的降低表明隨著科技創新和技術進步以及產業結構調整等措施的實施，甘南州資源利用效率不斷提高，區域經濟發展水平越來越高，增長點已不再僅倚重農牧業。但是與國內相對發達地區如：山西省[39]、福建省[40]乃至全國[38]的萬元GDP生態足跡相比，甘南州萬元GDP生態足跡仍處于較高水平，資源利用效率仍有待提高。

人口增長、大力發展畜牧業、城鎮化進程不斷加快以及經濟社會和工業的發展導致對資源的需求和消耗不斷加劇，是生態足跡增加的主要因素。人類對草地的過度利用(放牧、發展旅游業、道路建設等)導致草地植被覆蓋度下降，草產量降低，土壤養分缺失，載畜量下降；此外，由于缺乏科學、有效的管理措施造成的草地病蟲害等因素使得甘南州草地出現不同程度的退化，是甘南州生態承載力降低的主要因素[41-42]。2003年甘南州環保局正式掛牌運行，實施一系列環境保護工程，使得甘南州草地植被有所恢復，生態環境得以改善，2009年之后生態承載力有所增加。例如，2003年甘南州開始實施退牧還草政策，隨后提出“農牧互補”發展戰略，大力推進“一特四化”，實施草場圍欄承包、休牧禁牧、減畜種草和草原灌溉，切實減輕草場載畜壓力，使草原生態逐步得到恢復。截止2013年，甘南州草原圍欄216.4萬hm2，實施草原鼠害綜合防治88.5 萬hm2，2011年以來，甘南州落實國家草原生態保護補助獎勵政策，要求牧民科學減少放養家畜、引進和培育優良牲畜和牧草品種、保護草場，建設牧民季節性草地居住區，并給予牧民相應的補助和獎勵，共從草畜平衡區核減牲畜54.59萬個羊單位[43]。這些政策的實施極大地保護了草原，促進草原生態環境的改善和生態承載力的提高。發展模式由過去掠奪粗放型向生態效益型、經濟效益型轉變。

圖12 甘南州各縣市人口密度Fig.12 The population density of counties and cities in Gannan

以畜牧業為主的瑪曲縣、碌曲縣、夏河縣和合作市中，瑪曲和碌曲生態足跡指數較大且變化相對穩定，9年間(2005-2013年)，生態環境處于可持續發展狀態，其生態承載力還能夠支撐生態足跡的增長。依托豐富的草地資源，大力發展畜牧業以及城鎮化進程不斷加快，人類需求和消耗不斷增加，使得人均生態足跡不斷增加，雖然人類意識到環境不斷惡化而采取各種保護措施，在一定程度上發揮了很大的作用，使得生態承載力在某些年份有所增加，但總體仍然呈現降低的趨勢，若以此趨勢發展下去，必將導致生態環境的惡化，因此必須采取相應的措施來維持生態承載力與生態足跡的相對平衡。夏河縣和合作市從區域面積和草地資源來看，其可再生資源儲量比瑪曲和碌曲少，并且人口密度較大(圖12)，因此人均生態承載力相對較小，人均生態足跡不斷增大，使得生態足跡指數不斷降低，9年間處于不可持續發展狀態，其中合作市處于嚴重不可持續發展狀態。合作市是甘南州州政府所在地，城市化水平不斷提高，經濟和社會迅速發展，隨著全面建設小康社會進程的加快，為滿足人類日益增長的消費需求，就需要消耗更多的資源來適應經濟社會發展和人類需求，導致生態環境不斷惡化。屬于農牧交錯區的臨潭縣、卓尼縣、舟曲縣和迭部縣人均生態足跡總體小于以發展畜牧業為主的三縣一市，且后者增加的趨勢更明顯，表明畜牧業發展迅速，在甘南州產業發展中占絕對優勢，對資源的需求和消耗也更多。人均生態承載力的變化均較穩定，從大到小依次為迭部、卓尼、舟曲和臨潭。其中臨潭縣9年間處于極嚴重的不可持續發展狀態，臨潭縣以農業生產為主，人口密度最大(圖12)、資源需求量大，是導致其生態環境惡化最主要的原因。迭部縣生態足跡指數在七縣一市中為最大，生態承載力足以支持生態足跡的增長，一方面由于其森林資源豐富，森林覆蓋率60%以上，可儲存大量的可再生資源，人均生態承載力大；另一方面其資源利用效率較高，這可能是迭部縣在不斷發展的過程中仍能保持可持續狀態的重要原因。舟曲和卓尼雖處于不可持續發展狀態，但在2010年之后有好轉的趨勢，這與其資源利用效率的不斷提高和產業結構調整密切相關。

本研究對能值生態足跡模型進行了改進，在計算生態足跡和生態承載力時均采用能夠反映研究區生態系統真實供給能力的區域能值密度，可比性更強，對區域可持續性的評估也更為合理。此外太陽輻射能利用研究區的數字高程數據產品進行估算，相比于利用平均太陽輻射量進行估算的方法[24]，該方法計算的太陽輻射能更能反映研究區的真實狀況；但實際計算區域可再生資源時，這部分能值較小，因此沒有計入。生態經濟系統錯綜復雜，研究中對生態可持續性的評估將復雜多變的系統簡單化，這在一定程度上忽略了很多難以得到數據資料，同時也會不可避免地造成研究結果與實際狀況的少量偏差。雖然本研究在方法上的改進一定程度上增加了研究結果的可靠性，但仍有進一步完善的空間。

3.2 結論

1) 甘南州生態足跡組成中，畜牧業產品所占比重最大，并且一直保持穩定；甘南州已經逐漸由過去落后的一元經濟結構走向多元開放的現代市場經濟時代。

2) 2005-2013年，甘南州人均生態足跡不斷增大，由2005年的4.77 hm2/人增加到2013年的7.09 hm2/人，而人均生態承載力呈波動式變化，人類對自然資源的消耗在不斷增加，但一些保護措施的大力實施使得人均生態承載力有所增加。

3) 甘南州生態足跡指數總體呈下降趨勢，不可持續性逐漸增強。

4) 萬元GDP生態足跡的不斷降低表明甘南州資源利用效率不斷增加，但與其他相對發達地區相比仍有待提高。

5) 對甘南州各縣、市的人均生態足跡和人均生態承載力分析可得：以畜牧業為主的三縣一市人均生態足跡和人均生態承載力總體均大于農牧交錯區的4個縣，并且人均生態足跡的變化趨勢也更為明顯。表明畜牧業為主的地區生態承載力和資源需求消耗總體大于農牧交錯區。

6) 對甘南州各縣、市生態足跡指數分析可得：以畜牧業為主的三縣一市中瑪曲和碌曲生態足跡指數變化相對穩定，且9年間處于可持續發展狀態；夏河和合作生態足跡指數總體呈下降趨勢，9年間夏河縣處于不可持續發展狀態，合作市處于嚴重不可持續發展狀態。農牧交錯區的4個縣中臨潭縣生態足跡指數最小，下降趨勢也最明顯，處于嚴重不可持續發展狀態；迭部縣的生態足跡指數在七縣一市中為最大，且較穩定，處于可持續發展狀態；卓尼和舟曲生態足跡指數變化趨勢相似，處于不可持續發展狀態。

7) 對甘南州各縣、市萬元GDP生態足跡分析可得：甘南州七縣一市資源利用效率均不斷提高；合作市資源利用效率最高，這與其城鎮化進程和經濟發展密切相關；迭部縣2007年之后資源利用效率也較高，這可能是迭部縣在不斷發展的過程中仍能保持生態環境處于可持續性狀態的重要原因。

綜上所述，近年來甘南州的發展基本處于不可持續狀態，且不可持續性不斷增強。根據前文的相關分析以及甘南州的發展狀況，如何減少資源消耗，促進生態承載力增加，是提高區域可持續性的關鍵。因此，在今后的發展中應該從以下幾個方面進行努力：1) 提高資源利用效率。資源利用效率的提高使得生產相同數量的產品消耗更少的資源，能夠有效地節約資源。2) 調整產業結構。畜牧業一直是甘南州的主導產業，但在大力發展畜牧業的同時，要協調好種植業、工業等的共同發展，發展低耗能產業。此外也要注重畜牧業和種植業內部結構的調整，實施“農牧互補”戰略，提高生產力水平。3) 繼續加大退牧(耕)還草(林)、農牧互補、草原生態保護補助獎勵政策以及黃河上游水源補給區生態建設等一系列生態項目的實施力度。4) 發展健康生態經濟服務業。如旅游業作為甘南州的優勢產業正在蓬勃發展，但這些發展對生態環境造成的破壞也是毋庸置疑的。針對旅游業發展中存在的環境問題，應加強規范管理，進行文明宣傳，打造舒適條件，及時處理投訴，提高經營與消費雙方素質等，從而減少對資源的浪費，有效地保護環境以提高區域生態承載力。5) 合理開發資源。除畜牧資源外，甘南州還有豐富的礦產資源、水電資源、中藏藥資源等，近年來，依托這些豐富的資源，甘南州大力發展優勢產業。眾多產業的發展造成資源的過度開發，生態環境惡化，因此我們不僅要合理開發資源，并且對于因資源開發不當而造成的植被破壞，應及時進行生態恢復，最大可能地減少對生態環境的破壞。

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Sustainable development of the alpine pastoral region in the eastern Tibetan Plateau based on the emergy ecological footprint model

LI Weng-Long1, YU Cui1*, ZHAO Xin-Lai1, LIANG Tian-Gang1, ZHANG Jin-Lin1, XU Jing2

1.StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-Ecosystem,CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,Lanzhou730020,China; 2.SchoolofAgricultureandForestryEconomicandManagement,LanzhouUniversityofFinanceandEconomics,Lanzhou730020,China

Sustainable development is a shared goal of all countries around the world. The assessment of regional sustainability is becoming an important theoretical basis for policy making. Gannan Tibetan Autonomous Prefecture is a typical alpine pastoral region in China. In this region, sustainable development has become a major issue with the ongoing development of animal husbandry. Therefore, we analyzed the sustainable development of counties and cities in Gannan from 2005 to 2013 based on a modified emergy ecological footprint model. Regional emergy densities are the key of the modified model, which was used to quantify the ecological carrying capacity and the ecological footprint. Therefore, this model can truly reflect the supply capacity of ecosystems and human resource consumption in these areas. The results indicated that livestock products accounted for the largest proportion of the ecological footprint in the study area, and remained stable during the study period. The percentage of electricity and coal consumption increased year by year, while the proportion of farming products and wild firewood decreased. The per capita ecological footprint in Gannan increased from 4.77 ha per capita in 2005 to 7.09 ha per capita in 2013. The per capita ecological carrying capacity fluctuated between 4.64 ha per capita and 5.65 ha per capita. The ecological footprint index of Gannan showed a decreasing trend, and its ecological environment had an unsustainable development status during the study period. The ecological footprint per ten thousand yuan GDP in Gannan dropped from 12.60 ha per ten thousand yuan in 2005 to 4.86 ha per ten thousand yuan in 2013, revealing that the resource utilization efficiency had improved. Among the counties and cities, Hezuo had the highest ecological footprint index, followed by Diebu. There were no significant differences among the other counties. In general, the per capita ecological footprint and ecological carrying capacity were higher in regions of animal husbandry development (Maqu, Luqu, Xiahe, and Hezuo) than in regions with a farming-pastoral ecotone (Lintan, Zhuoni, Zhouqu, and Diebu). During the 9 years, Diebu, Maqu, and Luqu had a sustainable development status while Xiahe, Zhuoni and Zhouqu had an unsustainable development status. Hezuo and Lintan had a seriously unsustainable development status. Based on these findings, we discuss the future sustainable development of Gannan.

sustainable development; emergy ecological footprint; ecological carrying capacity; resource utilization efficiency

10.11686/cyxb2016186

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-05-06；改回日期：2016-06-29

國家自然科學基金(31170430,41471450,31372367,31222053)，國家社會科學基金(14CJY010)，中央高校基本科研業務費專項(lzujbky-2016-br05)和中央高校自由探索優秀研究生創新項目(2022016zr0185)資助。

李文龍(1977-)，男，甘肅蘭州人，教授，博導。E-mail:wllee@lzu.edu.cn*通信作者Corresponding author. E-mail: yuc14@lzu.edu.cn

李文龍, 余翠, 趙新來, 梁天剛, 張金林, 許靜. 基于能值生態足跡模型的青藏高原東部高寒牧區可持續發展研究. 草業學報, 2017, 26(4): 1-14.

LI Weng-Long, YU Cui, ZHAO Xin-Lai, LIANG Tian-Gang, ZHANG Jin-Lin, XU Jing. Sustainable development of the alpine pastoral region in the eastern Tibetan Plateau based on the emergy ecological footprint model. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(4): 1-14.