西北生態脆弱地區甘肅的生態安全時空演化格局

胡曉芬, 陳興鵬, 逯承鵬, , 龐家幸, 張子龍, 趙林, 薛冰

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西北生態脆弱地區甘肅的生態安全時空演化格局

胡曉芬1, 陳興鵬1, 逯承鵬2,3,1, 龐家幸1, 張子龍1, 趙林4, 薛冰2,3

1. 蘭州大學資源環境學院/蘭州大學中國西部循環經濟研究中心, 蘭州 730000 2. 中國科學院沈陽應用生態研究所污染生態與環境工程重點實驗室, 沈陽 110016 3. 遼寧省環境計算與可持續發展重點實驗室, 沈陽 110016 4. 遼寧省大石橋市高級中學, 營口 115100

基于區域能值密度改進的能值-生態足跡模型, 結合GIS以甘肅省為例分析了西北生態脆弱地區生態安全時空演化格局。結果表明: 甘肅省的人均生態赤字呈現波動上升趨勢, 人均生態赤字從1980年的0.42 hm2·cap-1增加到2015年的4.00 hm2·cap-1, 且以年均6.70%的速度增長, 生態赤字狀態在空間上呈現出由中心向兩極擴散的演變格局。生態壓力指數不斷增大, 生態安全等級逐漸升高, 近年來生態安全狀況出現惡化趨勢, 生態安全問題亟待解決。基于上述結論從降低人類環境負荷和減少化石能源使用量等方面提出了提升生態安全狀況的對策措施。

生態安全; 時空格局; 能值-生態足跡模型; 甘肅省

1 前言

格局與過程是理解和研究地理現象的重要方法, 格局是認識世界的表觀, 過程是理解事物變化的機理, 對不同時空尺度下的地理格局與過程進行耦合研究是地理學綜合研究的重要途徑和方法[1]。當前, 生態安全正在成為可持續發展學科研究的熱點問題[2-3]。國內外許多學者從內容和方法上對生態安全問題進行了廣泛的研究, 其內容研究集中在生態風險評價、生態系統健康評價及生態系統服務功能評價等方面[4], 研究方法主要包括數學模型法、生態模型法、景觀模型法、數學地面模型法、生態足跡模型等[5]。而基于能值理論改進的生態足跡模型彌補了傳統生態足跡模型的不穩定性, 計算結果更加精確可靠, 更能真實地反映出區域生態安全狀況[6]。甘肅省作為國家“兩屏三帶”生態安全屏障的重要組成部分, 在維護國家生態安全中具有重要地位, 特殊的地理位置決定了甘肅省生態環境具有原生脆弱性[7], 其生態安全狀況不僅影響到西部大開發戰略的實施, 而且影響著黃河下游的安全問題[8]。因此, 本文從能值密度著手進一步改進能值-生態模型, 對現有生態安全評價指標中的生態赤字指標進行完善, 提出生態軟赤字和生態硬赤字指標, 并將生態壓力指數指標根據計算方法不同分為生態壓力指數和生物質壓力指數, 擬定兩種相應的生態壓力等級, 結合GIS軟件, 開展甘肅省生態安全時空演化格局研究, 以期為西北生態脆弱地區生態文明建設及區域可持續發展提供理論依據。

2 研究方法

2.1 能值-生態足跡模型

2.1.1 能值分析與生態足跡理論

傳統生態足跡方法將一個地區或國家人類社會經濟活動對環境的需求根據全球平均產量轉化為相應的面積需求[9], 并與該地區自己所擁有的生態能力(生態承載力)進行比較, 進而判斷該國家或地區的發展是否處于生態承載力的范圍內。但由于傳統生態足跡方法所采用的全球平均生產能力、產量因子等參數忽視了土地功能復雜性與區域功能差異性, 導致計算結果與實際情況產生較大誤差[10]。能值分析方法是以能值為量綱, 把生態系統中不同種類、不可比較的能量、物質、商品、勞務和服務等通過能值轉換率轉換成同一標準的太陽能值來衡量和分析, 從而可以架起定量分析自然和人類社會經濟系統、資源與環境的真實價值以及它們之間的關系橋梁[11-13]。能值-生態足跡模型是將傳統的生態足跡方法與能值分析方法相結合, 可以有效彌補傳統生態足跡計算中所采用的標準不夠統一、不同研究結果缺乏可比性等缺陷, 使計算結果能更客觀真實地反映研究區域生態安全狀況[14]。

2.1.2 能值分析與生態足跡結合的橋梁: 能值密度

能值生態足跡方法與傳統生態足跡方法不同點在于它開始于系統的能量流[15], 通過能量流和能值分析, 將能量需求轉化為相應的生物生產性土地面積, 能值密度則成為其溝通結合的橋梁, 通過計算能值密度使能量需求轉化成生物生產性土地面積, Zhao[16]最初將生態足跡計算中能值密度用區域能值密度表示, 生態承載力計算中能值密度用全球平均能值密度表示。區域能值密度為區域可更新資源能值密度, 即為區域可更新資源能值/區域土地面積, 全球平均能值密度為全球可更新資源能值密度, 即為全球可更新資源能值/全球土地面積。可更新資源能值的計算包括以下幾部分: 太陽能、風能、雨水化學能、雨水勢能和地球旋轉能中人類直接或間接利用量。為了避免重復計算, 根據能值理論, 在同一性質的能量中, 只選取其中的最大值。本文中能值密度的計算包括生態承載力計算部分區域能值密度(P)和生態足跡計算部分區域能值密度(P)兩種能值密度。

2.1.3 生態足跡與生態承載力計算

基于提供人類使用的可更新資源的生物生產性土地面積與吸收二氧化碳廢棄物的需求將資源產品年消耗項目劃分為生物質資源和化石能源兩大類, 相對應的計算得出生物質能值足跡和化石能源能值足跡。生物質能值足跡包括耕地足跡、牧草地足跡、林地足跡、水域足跡和建筑用地足跡等, 其中, 耕地足跡由農產品(稻谷、小麥、玉米、薯類、油料、甜菜、棉花、中藥材)消耗項目計算組成, 牧草地足跡由動物產品(豬肉、牛肉、羊肉、牛奶和羊毛)消耗項目計算組成, 林地足跡由林產品(木材、水果)消耗項目計算組成, 水域足跡由水產品消耗項目計算組成, 建筑用地足跡由電力消耗項目計算組成。化石能源用地足跡包括化石燃料用地, 主要由煤炭、原油、天然氣、焦炭、汽油、煤油、柴油、燃料油[25]等消耗項目計算組成。改進后的能值生態足跡的計算公式為:

式中,為能值生態足跡(hm2),為人口數(cap),ef為人均生物質能值生態足跡(hm2·cap-1),ef為人均化石能源能值生態足跡(hm2·cap-1);c為第種生物質資源的人均能值(單位: sej·cap-1),c為第種化石能源資源的人均能值(單位: sej·cap-1);P為區域可更新資源能值密度(單位: sej·hm-2), 即P=區域總能值/區域面積;P為區域自然資源能值密度(單位: sej·hm-2), 即P=區域總能值/區域面積。可更新資源的計算包括太陽輻射能、風能、雨水化學能、雨水勢能和地球旋轉能這5種可更新資源的能值。為避免重復計算, 取可更新資源能值中的太陽能、風能、雨水化學能和雨水勢能中最大的一項與地球旋轉能相加作為可更新資源能值, 計算區域可更新資源能值密度。

能值生態承載力主要考慮可更新資源對人類活動的支撐能力, 改進后的能值生態承載力的計算公式為:

2.2 生態安全評價指標

2.2.1 生態赤字(盈余)

(1)生態赤字/盈余。能值生態足跡和能值生態承載力的比較結果反映的是社會發展所耗費的自然資源與自然生態系統可提供資源的定量關系。當一個地區<, 表明該地區處于生態赤字狀態; 反之, 則處于生態盈余狀態。具體計算公式為:

式中,為能值生態赤字/盈余(hm2),為人均能值生態承載力(hm2·cap-1),為人均能值生態足跡(hm2·cap-1)。當為負時, 表示人均能值生態承載力供給小于需求, 稱之為生態赤字;為正時, 表示人均能值生態承載力的供給大于需求, 即為生態盈余。為零時, 表示人均能值生態承載力供給等于需求, 處于生態平衡狀態。

(2)生物質赤字/盈余。生物質赤字/盈余為生物質足跡和生態承載力的比較結果, 當一個地區<Eef, 表明該地區處于生物質赤字; 反之, 則處于生物質盈余狀態。具體計算公式為:

式中,′為生物質赤字/盈余(hm2),為人均能值生態承載力(hm2·cap-1),ef為人均生物質足跡(hm2·cap-1)。當′為負時, 表示為生物質赤字;為正時, 表示為生物質盈余。

(3)生態軟赤字及生態硬赤字。根據區域可更新資源的承載能力, 生態赤字被細分為生態軟赤字與生態硬赤字。生態軟赤字是指生態承載力大于其生物質足跡, 即是生物質盈余的, 但生物質盈余幅度不足以完全吸納二氧化碳排放的情形, 即<0, 且′>0。生態硬赤字是指生物承載力不僅不能滿足二氧化碳吸納的需求, 甚至不能滿足生物質資源消費, 存在生物質足跡赤字的情形, 即<0, 且′<0。

2.2.2 生態壓力指數

生態壓力指數, 又稱為生態足跡強度指數, 指一個國家或地區單位生態承載面積上的生態足跡[26-27], 該指數代表了一個區域環境所承受壓力的程度。其計算公式為:

式中,為生態壓力指數,為能值生態足跡,為能值生態承載力。由于>0且>0, 當0＜＜1, 即＜時, 生態資源的供給大于需求, 區域承受的壓力小; 當＞1, 即＞時, 區域生態資源供給小于需求, 則該地區的生態安全受到威脅, 且與1相差越大, 生態不安全程度就越大。

2.2.3 生態安全評價指標等級劃分

為了更好的體現生態壓力指數指標在生態安全上的應用, 需要對生態壓力指數指標范圍進行等級劃分。顯然, 生態壓力越大, 生態安全程度越低, 但其閾值的確定具有一定的難度。根據甘肅省生態壓力指數頻率分布規律(圖1), 確定甘肅省主要生態安全區間, 并制定生態安全評價指標與等級劃分標準(表1)。

3 結果與分析

3.1 人均能值生態足跡與生態承載力分析

3.1.1 人均能值生態足跡分析

為便于結果更客觀的與其他地區進行比較, 本文主要針對人均指標進行分析。由圖 2可知, 研究期內甘肅省人均能值生態足跡總體上呈波動上升趨勢, 最低值為1981年的1.81 hm2·cap-1, 最高值為2015年的5.58 hm2·cap-1, 年均增長率為2.95%, 其中出現3個峰值, 分別為1997年的3.4 hm2·cap-1,2009年的4.98 hm2·cap-1和2015年的5.58 hm2·cap-1,其原因主要是與這3年出現降雨量低值造成可更新資源能值密度的變化、人口變化及資源消耗量的變化有關。從人均能值生態足跡構成上來看(圖3), 化石能源能值足跡的比重逐漸降低, 生物質能值足跡的比重則快速上升, 其中, 各類消費項目人均能值足跡構成大小順序從1980年的化石能源用地>牧草地>耕地>建筑用地>林地>水域到2015年的牧草地>建筑用地>化石能源用地>耕地>林地>水域。反應出甘肅省多年來產業結構優化與節能減排有明顯的效果。

3.1.2 人均能值生態承載力分析

由圖4可知, 1980—2015年間甘肅省人均能值生態承載力在一定范圍內呈現波動變化的狀態, 其平均人均承載力為1.69 hm2·cap-1, 最大值為1983年的2.13 hm2·cap-1, 最小值為1997年的1.18 hm2·cap-1, 1997年為最小峰值。從人均能值生態承載力線性趨勢可以看出, 總體呈現下降趨勢, 變化趨勢不明顯。甘肅省近年來通過積極實施生態環境保護與建設取得了一定的成效, 如培育森林、治理草原、恢復荒漠、保護濕地、改良農田及防治水土流失等, 在人口不斷增長情況下, 保持人均生態承載力基本穩定。

3.2 生態安全時空格局演化分析

3.2.1 人均生態赤字/盈余分析

從時間序列來看(圖5), 除1981年和1983年略有盈余, 甘肅省的人均生態赤字呈現波動上升趨勢, 人均赤字從1980年的0.42 hm2·cap-1增加到2015年的4.00 hm2·cap-1, 且以年均6.70%的速度增長。其中, 2000—2015年增幅較大, 達到10.44%。1991年之前和1993年, 甘肅省處于生物質盈余狀態, 其他年份處于生物質赤字狀態。總體來看, 人均生物質赤字呈現波動上升趨勢, 1995—2015年增幅較大, 年均增速達到26.73%。1980、1982、1984—1990及1993年甘肅省處于生態軟赤字狀態, 說明區域生態承載力能夠供給區域社會經濟發展所需的可再生資源, 但不足以吸納人類活動所產生的二氧化碳; 1992及1994—2015年, 甘肅省處于生態硬赤字狀態, 說明區域生態承載力不能夠滿足區域社會經濟發展所需的再生能源也不能吸納人類活動所排放的二氧化碳, 生態環境嚴重超載, 生態系統呈現不安全狀態。

圖1 甘肅省生態壓力指數頻率分布直方圖

表1 生態安全等級和生態安全預警等級劃分

從空間格局來看(圖6), 1980—2015年甘肅省生態赤字狀態嚴峻程度呈現從中間向兩極擴散的趨勢, 生態盈余城市逐漸減少, 生態硬赤字城市逐漸增多。其中, 2015年生態赤字形勢最為嚴峻, 蘭州、白銀、臨夏、武威、金昌、平涼及嘉峪關處于生態硬赤字狀態, 張掖、定西、天水和慶陽處于生態軟赤字狀態, 與甘肅省“一體兩翼”的工業空間布局基本吻合。甘肅省的生態赤字主要是由于生態足跡的增加所引起的, 而生態足跡的增加又主要是由化石能源消耗量的增加和人口增長所導致的, 必要從降低人類負荷和減少化石能源的使用量采取相應的措施。

3.2.2 生態壓力指數分析

由圖7可知, 1980—2015年, 甘肅省生態壓力指數呈波動上升趨勢, 從1981年的0.93增加到2015年的3.52, 年均增速為3.99%, 生態壓力持續增大。根據表1, 1981、1983—1985年生態等級為較安全(生態安全2級, 無警), 1980、1982和1986—2000年生態等級稍不安全(生態安全3級, 輕警), 2001—2013年生態等級為較不安全(生態安全4級, 中警), 2014和2015兩年生態安全等級最高, 生態預警達到重警等級(1997年與2009年數值波動較大, 為誤差導致, 此處不予考慮)。上述研究結果表明甘肅省生態安全狀態呈不斷惡化趨勢, 生態安全亟待解決。

圖2 甘肅省1980—2015年各消費項目的人均能值生態足跡

圖3 甘肅省1980年、2015年各消費項目的人均能值生態足跡構成圖

圖4 甘肅省1980—2015年人均能值生態承載力

圖5 甘肅省1980—2015年人均生態赤字/盈余

4 結論與討論

本研究基于能值理論改進后的生態足跡模型, 以甘肅省為例, 深入研究西北生態脆弱地區生態安全狀態及其時空格局演化過程與特征, 能夠為西北生態脆弱地區生態文明建設與可持續發展提供決策依據。主要結論: 1)從演變過程來看, 研究期內甘肅省人均能值生態足跡總體上呈波動上升趨勢, 而人均能值生態承載力總體呈現緩慢下降趨勢, 總體來看, 甘肅省處于人均生態赤字狀態, 并且呈現波動上升趨勢。2)從空間格局來看, 甘肅省生態安全呈現從中間向兩極擴散的演變格局, 生態盈余城市逐漸減少, 生態硬赤字城市逐漸增多, 并且與甘肅省“一體兩翼”的工業空間布局基本吻合。3)甘肅省生態壓力指數不斷增大, 生態安全等級不斷提高, 生態安全形勢呈現惡化趨勢, 生態安全問題亟待解決。

從總體上看, 基于能值生態足跡改進模型更客觀地體現了區域的生態足跡和生態承載力, 更真實地反映了區域發展模式下對資源的需求和消耗及對廢棄物的消納能力, 從而能更好地反映區域生態安全狀況, 可為生態文明建設與區域可持續發展決策提供參考。但是, 不足之處在于現有能值生態足跡模型中可更新資源能值和能值密度的計算沒有統一的標準, 導致區域生態足跡和生態承載力的計算結果出現差距。生態安全評價指標中, 對評價指標等級劃分的研究較少, 現有的指標等級不能反映區域生態安全狀態真實水平, 本文提出根據區域指標頻率分布直方圖劃分指標等級的方法具有一定的參考性。

圖6 甘肅省生態赤字/盈余空間格局演變

圖7 甘肅省1980—2015年生態壓力指數

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HU Xiaofen, CHEN Xingpeng, LU Chengpeng, et al. Spatial and temporal evolution of ecological security in northwest ecologically fragile areas in Gansu province[J]. Ecological Science, 2017, 36(6): 165-172.

Spatial and temporal evolution of ecological security in northwest ecologically fragile areasin Gansu province

HU Xiaofen1, CHEN Xingpeng1, LU Chengpeng2,3,*, PANG Jiaxing1, ZHANG Zilong1, ZHAO Lin4, XUE Bing2,3

1. College of Earth and Environmental Sciences/Institute for Circular Economy in Western China, Lanzhou University, Lan-zhou 730000, China 2. Key Laboratory of Pollution Ecology and Environmental Engineering, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China 3. Key Lab for Environment Computation and Sustainability of Liaoning Province, Shenyang, 10016, China 4. Dashiqiao Senior High School of Liaoning, Yinkou 115100, China

Based on the improved emergy-ecological footprint model by regional energy densitythe paper analyzed the spatial and temporal evolution of ecological security in northwest ecologically fragile areas by taking Gansu province as an example using the GIS. The results show thatthe per capita ecological deficit appeared a rising trend in Gansu province, with the average annual growth rate of 6.70%, and it increased from 0.42 hm2·cap-1in 1980 to 4.00 hm2·cap-1in 2015, which showedthe evolution pattern from the middle to the two poles in space. The ecological tension index increased gradually, and the ecological security levels kept raising. The ecological security situation became worse, so the ecological security issues needed to be solved. Finally, some countermeasures to improve the ecological security were put forward from the aspects of reducing human environmental load and reducing the use of fossil energy.

ecological security; space-time pattern; emergy-ecological footprint model; Gansu province

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.06.023

Q948.1, X835

A

1008-8873(2017)06-165-08

2016-11-15;

2017-11-02

國家自然科學基金(41701142, 41471462, 41471116); 中國科學院青年創新促進會(2016181); 遼寧省自然科學基金(201602743, 20170540898)

胡曉芬(1985—), 女, 博士研究生, 主要研究方向為循環經濟與區域可持續發展, E-mail:hxfzx@163.com

逯承鵬(1984—), 男, 博士, 助理研究員, 主要從事產業生態與可持續發展研究, E-mail: luchp@iae.ac.cn