基于“省公頃”生態足跡的寧夏中部干旱帶承載力研究

劉亞亞, 朱志玲, 賈國平

(寧夏大學 資源環境學院, 銀川 750021 )

基于“省公頃”生態足跡的寧夏中部干旱帶承載力研究

劉亞亞, 朱志玲, 賈國平

(寧夏大學 資源環境學院, 銀川 750021 )

人口承載力是區域可持續發展的重要因素。選取寧夏中部干旱帶鹽池縣、紅寺堡區、同心縣、海原縣為研究區，運用“省公頃”生態足跡模型測算研究區各縣(區)的人口承載力，即在生態承載標準下研究區所能容納的人口數量。研究表明：鹽池縣處于生態盈余狀態，有4.1萬生態人口承載空間。紅寺堡區、同心縣、海原縣均處于不同程度的生態超載狀態。其中海原縣生態超載最嚴重，超載人口達5.1萬人，同心縣次之，超載人口3.84萬人，紅寺堡區的生態超載最小，超載人口僅2.12萬。從生態人口承載力來看，在該區域人口數量保持不變的情況下，影響研究區域生態人口承載力的因素主要為人均的消費水平和耕地的生產能力，在當前的科學技術水平下，耕地的生產能力主要受水資源的限制。因此，在水資源有限的條件下，要緩解該區域的生態壓力，只能從改進生產技術，減少區域人口數量方面進行。

“省公頃”生態足跡; 人口承載力; 寧夏中部干旱帶

隨著全球人口的不斷增長，人類對自然資源的需求已超過了地球的持續供給能力，因此引發了環境污染、土地退化、生態破壞、生物多樣性減少、氣候惡化等一系列問題。面對不斷出現的生態和環境問題，人類必須與周圍的生態環境建立一種新型的人地關系，保持協調發展。為了綜合定量評價人口與周圍生態環境的關系，20世紀90年代初加拿大生態學家Willian E. Rees和其博士生提出了一種度量方法——生態足跡法，生態足跡通過測定生態環境的承載能力與人類活動產生的壓力之間的差值來表征區域發展狀態。它是把土地、水域等生物生產性空間作為衡量生態系統限制人類社會發展的因子，測算在一定時間內，在人類生產水平與需求條件的限制下，生態系統對人類活動支撐能力的極限值和人類活動對生態系統的影響[1]。在全球范圍內，生態足跡已被廣泛用來衡量人類對大自然的需求。世界自然基金會每兩年出版一次的《地球生命力報告》測算全球生態足跡總量，以計算地球的生物承載力總量及全球人均生物承載力。在研究初期大部分以全球公頃為標準，多對國家或地區的生態足跡進行測算及橫向比較。1999年生態足跡法引入我國后，在生態承載力的測算、生態安全評價、生態補償、生態適宜性評價等多個領域得到了應用與發展。在發展的過程中，學者們根據實際需求，對生態足跡算法提出了許多改進方法。如2007年曹淑艷等[2]利用投入產出分析對中國生態足跡模型的改進；2010年劉某承等[3]根據植被凈初級生產力對中國各地生態足跡的均衡因子進行測算；2011年盧小麗[4]以生態生產性土地的生態服務功能價值評估為基礎，改進傳統生態足跡模型中均衡因子和產量因子的計算方法。2015年曾曉霞等[5]利用能值定理，引入社會經濟虛擬承載力對生態足跡模型進行修正。雖然以全球公頃來計算的生態足跡可以在全球范圍內進行橫向比較，但是一些小尺度的區域，比如省域、縣域等生態足跡的計算中，全球公頃并不能反映區域的真實情況。因此，在研究過程中學者們相繼提出了“國家公頃”、“省公頃”等概念對轉換因子進行修正以期能更準確反映區域生態足跡大小。了解區域生態足跡的大小，對區域可持續發展具有重要指導意義。由于研究區域涉及到縣域層次，因此選擇“省公頃”模型能更準確反映研究區真實的生態承載力水平。

1 研究區概況

寧夏中部干旱帶地處寧夏回族自治區中部，區域范圍包括鹽池縣、紅寺堡區、同心縣、海原縣、原州區北部、西吉縣西部以及中寧縣和沙坡頭區的山區部分，國土面積2.94萬km2，占全區的44.3%[6]。本研究為了數據的可獲得性以行政區域為基本單元，選取中部干旱帶的主體區域鹽池縣、紅寺堡區、同心縣、海原縣作為研究區，總面積2.01萬km2，占整個中部干旱帶的68.4%。寧夏中部干旱帶位于半干旱黃土高原向干旱風沙區過渡的地帶，區域內部地形起伏不大，但地貌形態各異，整體可分為兩大區域，以鹽池縣南部到同心縣中部、海原縣北部為界，以北以干旱風沙區為主，以南以黃土丘陵溝壑區為主。區域內年降水量200～350 mm，蒸發量2 201.9 mm，蒸發量是降水量的6～10倍，干旱少雨，土地貧瘠，是典型的生態脆弱區。

2013年末，寧夏中部干旱帶鹽池、同心、紅寺堡、海原總人口104.99萬人，年人口自然增長率為10.35‰，城鎮化率為27.29%，鄉村人口占總人口的比重72.7%，人口主要以鄉村人口為主。各縣區中鹽池縣總常住人口15.09萬人，回族人口占2.18%，紅寺堡區總常住人口17.94萬人，回族人口占61.31%，同心縣總常住人口32.58萬人，回族人口占88.88%，海原縣總常住人口39.38萬人，回族人口占73.58%，這四個縣區的年人口自然增長率分別為6.52‰，9.72‰，12.15‰，13.01‰，其中經濟水平較低，回族人口比重大的同心縣、海原縣的人口自然增長較快。

2 研究方法

2.1 轉換因子計算

基于“省公頃”的生態足跡模型，就是以省域內單位省公頃的平均生物生產力為標準，對均衡因子和產量因子這兩個轉化因子進行計算。“省公頃”生態足跡模型將生物生產性土地分為耕地、林地、牧草地、水域、建設用地、化石能源用地這6種類型，并且認為這6種土地類型相互獨立地為人類提供生態產品及服務[7]。就寧夏區內，由于不同地域自然地理條件和社會經濟條件存在很大差異，不同類型土地的平均生產力相差很大，各地市各種生物生產面積的產出也存在很大差異，為了使計算結果具有可比標準，因此采用均衡因子將各類生物生產性土地面積轉化成標準面積。在本文中，均衡因子是指整個寧夏各類生物生產性土地生產力與寧夏生物生產性土地的平均生產力之比，產量因子為各研究區土地的平均生產力除以整個寧夏同類土地的平均生產力[8]。省域內生物生產性土地的平均生產力就是一年內產出的全部生物量與該省份所擁有的全部生物生產性土地面積之比。

(1) 均衡因子計算公式：

(2) 產量因子計算公式：

2.2 生態足跡的計算

不同生物生產能力的土地面積與它們各自的均衡因子加權求和并乘以當年區域的人口總量即為生態足跡。具體計算公式為：

(3)

式中：EF為生態足跡；N為實際人口數；ef為人均生態足跡；Ai為第i類土地生物生產性土地面積；eFi為第i類土地的均衡因子。

2.3 生態承載力的計算

生態承載力計算是與標準的“省公頃”相應的均衡因子和產量因子以及各類具有生物生產性土地的面積相乘。具體計算公式為：

(4)

式中：EC為生態承載力；N為實際人口數；ec為人均生態承載力；Si為人均實際占有的第i類生物生產性土地面積；eFi為省域第i類土地的均衡因子；yFi為第i類土地的產量因子。

2.4 基于生態足跡的人口承載力的計算

根據生態足跡模型，一定時期內的人口承載力，即生態人口承載力是由人均生態承載力和生態足跡的比值決定的。基于生態足跡的人口承載力公式為[9]：

(5)

式中：P為區域的人口承載力；N為實際人口數；ec為人均生態承載力；ef為人均生態足跡。

3 結果與分析

3.1 省公頃模型中的轉換因子

根據生態足跡模型中6大類生物生產性土地類型的劃分，寧夏的生物生產性土地類型主要有耕地、林地、牧草地和水域。由于國土資源數據來源于年鑒統計數據，因此需根據實際情況將土地面積的分類進行適當的整合，將園地劃歸為林地，將交通運輸用地與城鎮村及工礦用地劃歸為建設用地。根據均衡因子計算公式(1)，利用寧夏各類土地生物生產情況數據計算可得2013年寧夏各類生產土地類型的平均生產力及“省公頃”中相應的均衡因子，見表1。其中建設用地的均衡因子等于耕地均衡因子，值為3.07 s-nhm2/hm2，化石能源用地均衡因子等于林地均衡因子，值為0.14 s-nhm2/hm2。

表1 寧夏各類土地的生產力及均衡因子

從均衡因子的計算結果中可以看出，耕地是寧夏最具生物生產能力的土地類型，而牧草地是生物生產力相對最低的土地類型，寧夏每1 hm2耕地的生產能力相當于3.07單位省公頃土地的生產能力，是牧草地的26倍，這種情況與寧夏的實際密切相關。寧夏雖然草地面積所占比重較大，但是由于草地多為干旱、半干旱荒漠草地和干草地，生產條件低下，而且寧夏長期實行封山禁牧政策，草地上提供的畜牧產品有限，從而使得寧夏牧草地生物生產能力低下。

研究區四縣區2013年各類土地產量因子的計算根據全寧夏生物生產量與各類土地面積相比，得到各縣區各類土地的平均生產力，見表2。最后根據產量因子計算公式(2)，用各縣區各類土地的平均生產力除以寧夏相應各類土地平均生產力，即可得到研究區各縣區各類土地的產量因子，見表3。其中建設用地的產量因子等于耕地的產量因子，化石能源的產量因子為0。

表2 研究區各縣各類土地平均生產力109 J/hm2

表3 研究區各縣各類土地產量因子

3.2 研究區各縣生態足跡和生態承載力結果與分析

在生態足跡的計算過程中生物資源類產品主要來源于耕地、林地、牧草地和水域，這類土地的生態足跡是依據消費產品量轉化而來，計算公式如(3) 所示。寧夏及研究區各縣的人均年消費量是以年總生物產量做貿易調整后計算人均量而來的。由于研究區四縣區均為經濟發展較慢的內陸縣域單元，年進口量和出口量都較小，可相互抵消，忽略這種方法帶來的誤差。建設用地生態足跡的計算與它的生態承載力的計算方法相同，其均衡因子和產量因子都用耕地的相應值。化石能源類土地的生態足跡反映的是人類社會經濟活動所消耗的化石燃料對環境產生的壓力，其足跡根據張恒義等[10]的研究用碳匯法計算，碳匯法計算能源足跡公式如下：

(6)

式中：efc為吸收化石能源排放的CO2的人均土地足跡；f為人均CO2排放量；ω為每1 hm2森林每年可吸納的CO2量；m為年人均標準煤消耗量，0.982是有效氧化系數，0.732 57是每噸煤標準煤的含碳量。由于大氣中的CO2有1/3是被海洋吸收的，因此每1 hm2森林每年平均吸收的CO2是3.67 t。

在生態承載力的計算過程中耕地、林地、牧草地、水域、建設用地這5類土地是將各縣區的各類土地實際面積利用公式(4)轉化成省公頃面積。化石能源用地實際是算吸收CO2的土地，這是“假想”出來實際中并不存在的一種土地面積，因此，化石能源用地的生態承載力面積為0。在整個區域生態承載力計算過程中，根據生態需要扣除12%來保留生物多樣性。

研究區各縣(區)2013年生態足跡和生態承載力計算結果見表4。

表4 研究區各縣各類土地生態足跡和生態承載力

注：表中的“—”表示該區域相應數據缺失。

根據生態足跡和生態承載力的對比關系，就可知某一區域現有生態系統承載能力能否滿足該地生產消費活動，若生態承載力大于生態足跡，則處于生態盈余狀態，若生態承載力小于生態足跡，則處于生態赤字狀態。利用某一區域人均生態足跡和人均生態承載力的比值關系可計算出該區域生態人口承載力。研究區四縣(區)生態人口承載力計算結果見表5。

表5 研究區各縣生態人口承載力

(1) 中部干旱帶四縣(區)中，鹽池縣處于生態盈余狀態，有4.1萬生態人口承載空間。紅寺堡區、同心縣、海原縣均處于不同程度的生態超載狀態。其中海原縣生態超載最嚴重，超載人口達5.1萬人，同心縣次之，超載人口3.84萬人，紅寺堡區生態超載最小，超載人口只有2.12萬。鹽池縣的人均生態承載力最高，但其人均生態足跡排在四縣(區)中第三位，有人均0.235 3 hm2的生態盈余量。海原縣人均生態承載力和生態足跡都最低，人均生態赤字量也最低，為0.087 9 hm2，由于其人口眾多，生態人口承載量遠低于其實際人口。同心縣的人均生態足跡最高，但其人均生態承載力排在第三位，有人均0.115 4 hm2的生態赤字量。紅寺堡區人均生態足跡、人均生態承載力、人均生態赤字量都僅次于同心縣，但其人口數量較少，因此其生態人口承載量略低于實際人口。

(2) 各縣區各種類型的生物生產性土地面積供需基本平衡，但生態足跡與生態承載力構成不協調。研究區四縣區中化石能源用地都沒有專門的供給面積，但各種類型的土地面積都具有吸納化石能源燃燒廢物的功能，而且化石能源足跡在總足跡中的比重都較小，供需矛盾并不明顯。鹽池縣生物生產性面積供需構成中，牧草地和林地的供給量大于需求量，其中牧草地供需比最大，達到了8.4∶1，盈余量最大，而耕地、水域和建設用地供需平衡量基本平衡。生態足跡構成以耕地為主，其占總足跡比重的67%，而生態承載力構成中以耕地和牧草地為主，這兩類土地生態承載力占總生態足跡的90%以上。這主要是因為鹽池縣牧草地實際面積所占比重較大，草地資源豐富。

紅寺堡區生物生產性面積供需構成從各種土地類型來看，只有牧草地供給不足，供需比為0.99∶1，其余土地類型供給基本平衡。生態足跡構成以耕地和建設用地為主，其足跡分別占總足跡的69%，26%，生態承載力構成中耕地和建設用地所占比重分別為70%和26%，在供需基本平衡的情況下出現生態赤字，主要是因為扣除了12%的生物多樣性保護面積。同心縣生物生產性面積只有林地供給不足，其供需比為0.97∶1，其余土地供需平衡。生態足跡和生態承載力構成都以耕地為主，占其總量的84%，其生態赤字也是由12%的生物多樣性保護面積扣除產生的。海原縣各種類型的生物生產性土地的供需矛盾突顯，耕地、林地、牧草地都存在供給不足的情況，其供需比分別為0.99∶1，0.97∶1，0.99∶1，生態足跡和生態承載力構成也主要以耕地為主，分別占其總量的82%和84%。

圖1 研究區各縣實際人口和生態承載人口

綜合以上分析可知，出現生態赤字的三個縣(區)其生態承載力構成均以耕地為主，其他類型的生物生產性土地對生態承載力的貢獻都很小，在供需能維持基本平衡的情況下，扣除12%的生物多樣性保護面積以后，都會出現生態赤字。

4 結論與討論

4.1 結 論

寧夏中部干旱帶處于干旱半干旱、農墾區和牧區的過渡地帶，生態環境脆弱，基于“省公頃”生態足跡的區域內人口與生態環境的關系主要呈現以下特征：

(1) 基于“省公頃”生態足跡的寧夏各類生物生產性土地的均衡因子分別為耕地3.07 s-nhm2/hm2，林地0.14 s-nhm2/hm2，牧草地0.13 s-nhm2/hm2，水域0.28 s-nhm2/hm2，其中建設用地均衡因子等于耕地均衡因子，化石能源用地均衡因子等于林地均衡因子。

(2) 就各縣生態人口承載力而言，鹽池縣處于生態盈余狀態，有4.1萬生態人口承載空間。紅寺堡區、同心縣、海原縣均處于不同程度生態超載狀態。其中海原縣生態超載最嚴重，超載人口達5.1萬人，同心縣次之，超載人口3.84萬人，紅寺堡區的生態超載最小，超載人口僅2.12萬。

(3) 各縣區各種類型的生物生產性土地面積供需基本平衡，但生態足跡與生態承載力構成不協調。出現生態赤字的三個縣(區)其生態承載力構成均以耕地為主，其他類型的生物生產性土地對生態承載力的貢獻都很小，在供需能維持基本平衡的情況下，扣除12%的生物多樣性保護面積以后，都會出現生態赤字。

(4) 從生態人口承載力來看，在該區域人口數量保持不變的情況下，影響研究區域生態人口承載力的因素主要為人均的消費水平和耕地的生產能力，在當前的科學技術水平下，耕地的生產能力主要受水資源的限制。因此，在水資源有限的條件下，要緩解該區域的生態壓力，只能從改進生產技術，減少區域人口數量方面進行。

4.2 討 論

在以寧夏為“省公頃”的生態足跡研究中，均衡因子的計算結果與程淑杰等[8]2011年在其基于“省公頃”足跡變化的涇源縣生態補償定量評價的研究中寧夏的均衡因子(耕地3.20，林地0.37，牧草地0.12，水域0.54)比較接近，林地的均衡因子差異較大，主要由于寧夏回族自治區實行退耕還林和封山育林的生態保護政策，而林地面積主要以封山育林面積為主，因此本文在計算林地生物生產量時只計算了水果的熱值，沒有計算木材的熱值。因此該研究中寧夏的均衡因子計算結果比較合理。在生態承載力計算過程中，由于收集的資料有限，紅寺堡區和同心縣的化石能源用地足跡由于數據資料的缺失而未能計算，使其總人均足跡略低于實際值，這會影響結果的精確性。但由于其經濟發展較緩慢，工業化水平低，規模以上的能源消耗量很低，主要的能源消耗以居民生活和農業生產能耗為主，因此其化石能源足跡較小。能源足跡對紅寺堡區和同心縣生態足跡的影響較小，即使在計入能源足跡的情況下，這兩縣區仍處于生態赤字狀態。

[1] 謝高地,曹淑艷,魯春霞,等.中國生態資源承載力研究[M].北京:科學出版社,2011.

[2] 曹淑艷,謝高地.基于投入產出分析的中國生態足跡模型[J].生態學報,2007,27(4):1499-1507.

[3] 劉某承,李文華.基于凈初級生產力的中國各地生態足跡均衡因子測算[J].生態與農村環境學報,2010(5):401-406.

[4] 盧小麗.基于生態系統服務功能理論的生態足跡模型研究[J].中國人口·資源與環境,2011(12):115-120.

[5] 曾曉霞,劉云國,黃磊,等.基于能值定理的生態足跡模型修正研究:以長沙市為例[J].中國環境科學,2015(1):312-320.

[6] 賈科利,張俊華.生態脆弱區土地利用時空格局變化分析:以寧夏中部干旱帶為例[J].干旱地區農業研究,2011,29(3):98-102.

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[10] 張恒義,劉衛東,林育欣,等.基于改進生態足跡模型的浙江省域生態足跡分析[J].生態學報,2009，29(5):2738-2748.

StudyonCarryingCapacityofAridZoneinCentralNingxiaBasedontheSub-NationalHectareEcologicalFootprint

LIU Yaya, ZHU Zhiling, JIA Guoping

(SchoolofResourcesandEnvironment,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China)

Population carrying capacity is an important factor of regional sustainable development. Yanchi, Hongsibu, Tongxin and Haiyuan County in central Ningxia were selected as research area.We used the ecological footprint model of sub-national hectare to measure population carrying capacity of the various counties (districts) in the study area. Result shows that Yanchi County in the ecological surplus state, has the population of 41 000 ecological carrying space. Hongsibu area, Tongxin and Haiyuan County are in different degrees of ecological overload condition. Haiyuan County has the worst ecological overload, overload population is 51 000, overload population of Tongxin County is about 38 400, Hongsibu area is the minimum ecological overload, overload population is only 21 200. From the point of ecological population carrying capacity, if the population is unchanged in the area, the factors that influence the regional ecological population capacity are the per capita consumption level and production capacity of cultivated land, under the current level of science and technology, the production capacity of cultivated land is mainly restricted by water resources. Therefore, under the condition of limited water resources, improving production technology and reducing population of the area can alleviate the pressure of the ecology of the region.

sub-national hectare ecological footprint； population carrying capacity； arid zone in central Ningxia

2016-09-25

：2016-10-26

國家自然科學基金項目“寧夏中部干旱帶生態移民與生態建設互動關系研究”(41161078)

劉亞亞(1989—),女,寧夏固原人,碩士研究生,主要從事城市與區域發展規劃研究。E-mail:15296903150@163.com

朱志玲(1969—),女,寧夏平羅人,教授,碩士生導師,主要從事城市與區域發展規劃研究。E-mail:zhuzlnxdx@163.com

X171.1

：A

：1005-3409(2017)05-0357-06