基于生態足跡法的閩三角城市群生態安全評價

魏黎靈,李嵐彬,林 月,吳 儀,祁新華,*

1 福建師范大學地理科學學院, 福州 350007 2 福建農林大學藝術園林學院, 福州 350004

經濟快速發展與人口急劇增加,使人類對自然生態系統開發利用不斷接近甚至超過其承載閾值,由此引發的生態安全問題也成為了政府與學術界關注的熱點。國內外學者們對生態安全(Ecological Safety)進行了廣泛的探討并取得了豐碩的成果[1- 7],研究內容集中于生態安全概念以及評價指標體系研究[2- 4]、生態服務功能評價[5]、生態風險評價[6]等,研究方法有綜合指數法、景觀生態學方法、生態足跡法[7]等。其中,生態足跡法(Ecological Footprint)是由加拿大生態經濟學家William E Rees[8]于1992年提出,其學生Wackernagel[9-10]完善。生態足跡即指生產一定的人口消費的各種資源和吸納這些人口所產生的廢棄物所需要的生物土地面積總和[11],故該方法是通過對比區域自然資源的消費量(生態足跡)與實際的生態供給能力(生態承載力)來衡量區域可持續發展程度,反映區域生態安全狀態[8]。為了使不同生產力土地類型之間能夠進行對比,利用轉換系數將不同生物生產力的土地面積轉換為相同生產力的面積,即均衡因子,而能夠使不同區域進行對比的轉換系數為產量因子[12]。然而,由于各區域氣候條件不同,生物生產力水平也不同,機械套用通用的均衡因子與產量因子,無法直觀、準確地反映區域的真實情況與差異,致使傳統生態足跡法存在著明顯的缺陷。基于此,Venetoulis和Talberth[13]改進了傳統的生態足跡方法,提出基于凈初級生產力(Net Primary Productivity,NPP)的生態足跡法(Ecological Footprint Approach that Employs Net Primary Productivity,EF-NPP)。NPP是指綠色植物在單位時間和單位面積所生產的有機物數量[12],生態足跡中的資源消費其實就是占用NPP,將NPP數據與生態足跡法相結合,能夠比較準確、直觀地反映各土地類型的生產力情況。國內對生態足跡的研究基本上沿襲國際上的發展軌跡,但也體現出顯著的中國區域特點。自1999年徐中民[11]、張志強[14]等學者引入生態足跡理論以來,生態足跡便受到了國內學者的廣泛關注,并被頻繁運用于各區域生態足跡的測算與區域可持續發展的評價分析之中[15- 23]。EF-NPP方法被提出以后,國內學者也進行了大量的實證研究與比較分析,如劉某承等測算了中國均衡因子以及各省份的產量因子[12,24];杜加強等對比分析了EF-NPP與傳統方法的優劣,得到EF-NPP在均衡因子選取、CO2吸收等方面有了較大改進,能夠較好地反映不同生態系統在生產力上的差異[25]。總體來說,EF-NPP方法彌補了傳統方法的部分缺陷,更能夠反映人類對生態系統生產能力和供給能力的直接占用程度,更好地評估一個地區的生態安全狀態。

閩三角城市群為海灣型城市群,地處海上絲綢之路起點、國家生態文明先行示范區和海峽西岸經濟區,但由于就地城鎮化與工業化等多重脅迫使生態系統正面臨著多方面挑戰,生態安全問題已經成為區域亟需解決的重大問題。鑒于此,論文以海灣型城市群為典型研究區域,突破傳統生態足跡法,應用改良后的方法,以NPP數據體現現實生物量,以“國家公頃(National Hectare, nhm2)”實現產量因子區域化,探討閩三角城市群生態足跡、生態承載力動態變化,選取生態赤字與生態壓力指數作為生態安全評價指標對其生態安全狀態進行評估分析,以期豐富生態足跡與生態安全研究的案例,同時為城市群可持續發展提供科學依據和決策支撐。

1 研究方法

生態足跡的估算以兩個基本事實為依據:一是人類可以確定自身消費的絕大多數資源及其所產生的廢棄物的數量;二是這些資源和廢棄物能轉換成相應的生物生產性土地面積[11],故包括生態足跡需求與生態足跡供給(生態承載力)兩個方面。將資源消費轉化為生物生產性面積(如耕地、草地、林地、建設用地、水域和化石能源用地),應用均衡因子得到生態足跡來表示人類消費所需對區域生態空間的占用;生態承載力同樣以生物生產性面積(如耕、林、草、水域、建設用地以及未利用地)呈現,應用均衡因子與產量因子得到區域生態空間的真實生產力。因此將生態足跡與生態承載力進行對比可用來判斷人類對生態空間的利用情況[1],論文選取生態赤字與生態壓力指數作為生態安全評價指標,可以從某種角度共同反映區域生態安全狀態[26- 28](圖1)。

圖1 研究分析框架圖Fig.1 The analytical framework of this study

1.1 基于凈初級生產力生態足跡法

論文基于凈初級生產力的生態足跡是以“國家公頃(nhm2)”為單位,計算模型涉及耕地、草地、林地、建設用地、水域和化石能源用地6種類型的生物生產面積,計算公式如下[19,24]:

(1)

生態承載力指區域所能提供的資源利用率和能源消耗的上限,即區域所能提供的生物生產性面積的總和[11]。根據對現有生物多樣性的研究成果,若13.4%的陸地面積得到有效保護,則55%的瀕危物種得以存活[25],因此扣除13.4%的生態承載力來保護生物多樣性。因此基于凈初級生產力的生態承載力計算模型為通過耕、林、草、水域、建設用地以及未利用地來計算閩三角城市群生態承載力,公式為[19,25]:

(2)

均衡因子與產量因子是生態足跡模型中的重要轉換系數。為了體現區域真實生物量,均衡因子以NPP表示,即某一類土地的NPP值與所有土地平均NPP值的比值。而為了更好地體現區域承載力的真實情況與變化,則用“國家公頃”代替“全球公頃”,通過產量因子體現區域特性。由于能源消費面積是以森林與草地面積來表征,所以化石能源用地均衡因子與產量因子應以林地與草地代替,但區域林地面積約占全區面積的60%,草地面積不足1%,故而化石能源用地的均衡因子與產量因子由林地代替。由于建設用地一般是主要占用耕地,且難以具體計算其均衡因子與產量因子,故而建設用地的均衡因子與產量因子由耕地代替。通過計算模型得到的均衡因子、產量因子為空間分布圖,由于生態足跡計算需應用統計數據進行計算,故生態足跡計算中應用某土地類型均衡因子、產量因子的均值。

1.2 生態安全評價計算模型

1.2.1 生態赤字/盈余

生態赤字/生態盈余是生態足跡與生態承載力之間的差額,從某種程度上定量反映一個地區的可持續發展狀況,生態盈余表示占用資源量仍在生態承載力允許的范圍之內,生態赤字則反之[14],公式表達為:

ER/ED=EC-EF

(3)

式中,ER為生態盈余,ED為生態赤字,EC為區域生態承載力,EF為區域生態足跡。

1.2.2 生態壓力指數

生態壓力指數是指某一國家或地區可更新資源生態足跡與生態承載力的比率,反映了區域生態環境的承壓程度,生態壓力指數與生態環境安全性呈正相關關系[26]。根據前人的研究[26- 28]以及區域實況,生態壓力指數的等級劃分標準如表1,生態壓力指數模型為:

(4)

式中,ETI為區域的土地生態壓力指數,EF為區域土地資源的生態足跡,EC為區域生態承載力。

表1 生態壓力指數的等級劃分標準[28]

2 區域概況與數據來源

2.1 區域概況

閩三角城市群地處福建東南部沿海,與我國臺灣隔海相望,多優良港灣及島嶼,海洋生物資源豐富,屬于海灣型城市群。區域總面積約2.53萬km2,2016年總人口約1755萬人,人均GDP為7.72萬元,是福建乃至全國經濟最發達的地區之一,包括廈門、泉州、漳州三個城市,具有相同的地域文化特征,城市之間的互補性強,區內交通網絡日趨完善。該區域屬于亞熱帶季風氣候區,溫和多雨,年平均氣溫在21℃左右;森林覆蓋率約60%,全年空氣質量達到及優于Ⅱ級標準的天數>360d,空氣優良指數達98%左右。

2.2 數據來源與處理方法

2.2.1 數據來源

文中統計數據來源于2011年、2016年的《廈門統計年鑒》《漳州統計年鑒》《泉州統計年鑒》,國家平均生物生產力數據由2011年、2016年《中國統計年鑒》相關數據計算得到;NPP數據選取美國蒙大拿大學(Numerical Terradynamic Simulation Group(NTSG))提供的2010年與2015年陸地4級標準數據產品MOD17A3數據,空間分辨率為1 km,單位為kg C m-1a-1;土地分類數據通過監督分類與目視解譯的方法解譯2010年的Landsat5 TM影像和2015年的Landsat8 OLI影像數據所得,分辨率為30 m,土地利用類型分為耕地、草地、林地、水域、建設用地、未利用地六類。

2.2.2 處理方法

將1 km×1 km的Modis的NPP數據在ENVI 5.1軟件進行裁剪、鑲嵌等一系列處理得到真實NPP值,基于2010年與2015年的土地利用分類數據,應用均衡因子與產量因子計算模型得到2010年與2015年的閩三角城市群各土地類型的均衡因子和產量因子空間圖。將空間均衡因子與產量因子根據計算模型應用于生態足跡與生態承載力計算,最終得到閩三角城市群的生態足跡與生態承載力空間圖,并對生態赤字以及生態壓力指數進行空間化可視化表達。由于遙感數據均為1 km×1 km,故所得空間圖表示每平方公里的生態足跡、生態承載力、生態赤字與生態壓力指數。

3 結果分析

3.1 生態足跡結果分析

生態足跡的計算結果主要由3個部分組成:生物資源消費、能源資源消費和貿易調整。由于貿易數據的局限性且僅占很小的比例,論文不進行計算。

3.1.1 生物資源與能源資源消費足跡

如圖2所示,生物資源消費項目中耕地消費足跡納入糧食、蔬菜、豬肉、蛋類和茶葉的消費量,草地消費足跡選取牛羊肉、奶類為消費項,林地消費足跡由木材、水果產量來反映。水域消費足跡僅考慮淡水產品產量。生物資源中糧食、水果、茶葉的國家平均水平由當年統計數據計算所得,其余項目選取2012年國家各生物資源總產量與面積的比值[29]。

能源資源消費足跡選取電力、原煤、焦炭、液化天然氣、汽油、煤油、柴油、燃料油以及液化石油氣作為能源資源項目。其中,電力資源僅按當年比例計算水電生態足跡,表征為建設用地消費足跡,其余能源資源項目用來表征化學能源用地。由于化學能源用地是表示扣除海洋碳吸收后,吸收化石燃料燃燒排放二氧化碳所需的森林與草地面積,故化石能源消費量以林地與草地吸收單位體積的CO2量來換算[30]。

圖2 閩三角城市群生物資源與能源消費足跡(2010—2015年)/(104nhm2)Fig.2 The consumption footprints of biological resources and energy resources of UA-MD (2010—2015)nhm2表示國家公頃

由圖2可知,生物資源消費足跡增長快速,總消費足跡隨著產量的增加而相應增長,增長率為40%,區域人均生物資源消費足跡增長了33%。由于生物資源與人們的生產生活息息相關,故生物資源產量增加與人口增長有關。但是各土地類型消費足跡在數量與變化趨勢等方面差異較明顯。就數量而言,2010—2015年各土地類型總消費足跡呈現出林地>草地>耕地>水域的格局;就變化趨勢而言,除耕地消費足跡外,其他土地消費足跡均處于快速增長狀態。該時期內林地總消費足跡增長率高達60%,人均消費足跡增長也將近54%;草地總消費足跡增長了36%,人均消費足跡也增長了29%;從產量來看,草地產量最低,但與全國平均產量相比,區域草地的生物資源項目產量較為可觀,故草地總消費足跡較高增長較快;耕地總消費足跡下降18%,人均消費足跡也相應降低,由于區域城市持續擴張,建設用地占用耕地,使其面積減少導致減產,所以耕地消費足跡下降。水域總消費足跡增長29%,人均消費足跡也相應上升23%,可能是區域經濟實力增強,人口消費水平上升以及人工養殖技術提高的緣故。

能源資源消費足跡隨能源資源消費量的變化而變化(圖2)。2015年區域能源總消費足跡為2010年的1.35倍,人均消費足跡增長了29%。能源資源中原煤消費足跡最大,其次是燃料油,主要供給區域電力、熱力生產及供應業和制造業使用。同時電力消費量、消費足跡及人均消費足跡均處于快速增長中,增長率均超過35%。

3.1.2 城市群生態足跡結果分析

如表2所示,城市群生態足跡飛速增長。2010—2015年間城市群生態足跡總體呈上升趨勢,總生態足跡及每平方公里生態足跡均上升了36%,人均生態足跡上升了30%,說明人們對自然資源的需求程度不斷提高,對自然生態系統的依賴性逐漸變大。該時期內區域工業生產總值增長37.8%,二者增長趨勢與區域生態足跡增長趨勢相近,說明工業強度與生態足跡有較強的相關性,而區域人口增長率僅為5%,增速遠遠低于區域生態足跡增速,說明人口增長的影響較小。與2010年相比,2015年除耕地生態足跡下降18.6%外,其他土地類型的生態足跡呈快速上升趨勢,尤其是林地、建設用地和能源用地,分別增長了61.9%、53.2%與35.8%,林地消費量的增加主要是因為廈門、漳州木材的消耗量加大,而城市建設與擴張是建設用地消費增加,耕地減少的主要原因。

表2 閩三角城市群生態足跡(2010—2015)

nhm2表示國家公頃

從整體構成來看,2010年各類土地生態足跡從大到小排序為:能源用地>草地>林地>耕地>水域>建設用地;2015年的相應排序為:能源用地>林地>草地>耕地>水域>建設用地。能源用地生態足跡最大,均為當年城市群總生態足跡的40%左右;草地與林地次之,二者生態足跡總量均接近總生態足跡的1/2,說明能源用地、林地和草地是閩三角城市群生態足跡的主要部分。

各城市生態足跡差距正逐漸縮小(圖3)。2010—2015年期間廈門的每平方公里生態足跡最高,泉州次之,漳州最低;同時城市群內部差異逐漸縮小,城市水平逐漸接近。5年間廈門單位面積的生態足跡下降幅度為8%,由于化石能源用地生態足跡降低9%,2010年城市群總生態足跡的1/3由廈門能源消費足跡貢獻,至2015年下降至26.43%,說明近年來廈門在支持新能源的開發利用、減少對焦炭、汽油、柴油、液化石油氣等化石能源使用上取得一定的成效。2015年泉州單位面積生態足跡是2010年的1.37倍,能源用地的增加是其增長的主因,泉州工業基礎較好,該時期內第二產業比重始終產業總值的60%左右,使能源用地生態足跡占泉州生態足跡的比重始終超過50%。2010年漳州生態足跡為425.61 nhm2/km2,僅約為同年廈門生態足跡的1/2,至2015年增長近一倍,其中林地、草地及能源用地的生態足跡明顯增加,這與近年來漳州二、三產的大力發展以及林業工業企業的壯大有極大的關系。然而,與城市群每平方公里生態足跡結果不同的是,漳州人均生態足跡在3個城市中最高,泉州次之,廈門最末,這得因于城市人口密度的差異。

圖3 閩三角城市群各城市每平方公里生態足跡構成圖(2010—2015年)Fig.3 The components of ecological footprint of Urban Agglomeration on Min Delta (2010—2015)

3.2 生態承載力結果分析

3.2.1 土地利用變化情況

區域生態承載力是區域生物生產性土地面積的總和,故與區域各土地類型面積變化有著密切關系。如表3所示,2010—2015年城市群中六類土地面積從大到小排序為林地>耕地>建設用地>水域>草地>未利用地。該時期內耕地、草地、林地、未利用地面積呈下降趨勢,水域面積略有上升,建設用地面積則大幅上升了16%。其中,耕地轉化為其他用地的面積達420.16 km2,其中約70%轉化為建設用地,其他用地轉化為耕地的僅為255.72 km2,主要來源于林地與建設用地;林地主要轉化為耕地與建設用地,占總轉出面積的95%,轉入面積則以耕地、建設用地、未利用地為主;建設用地轉為林地與耕地的面積占總轉出面積的96%,說明耕地、林地以及建設用地之間并不是單向的轉化;草地、水域以及未利用地的面積變化較小;由于部分區域進行了圍海造陸與圍海養殖,使海域轉為水域、林地以及建設用地。

3.2.2 城市群生態承載力結果分析

城市群生態承載力呈現下降的趨勢(圖4)。區域大部分生態承載力低于300 nhm2/km2,大部分位于0—100 nhm2/km2之間,且2010—2015年間生態承載力呈現略微下降的趨勢,這與境內林地、耕地、草地以及未利用地面積減少有關。廈門市生態承載力趨勢變化不明顯,泉州市中西部與漳州市西北部地區明顯降低,使得城市群生態承載力在100—200 nhm2間的面積減少,主要原因為漳州、泉州近年未能及時有力地保護或者修復環境,使得部分林地生態承載力從2010年的100—200 nhm2間下降至100 nhm2以下。

城市群各土地類型的生態承載力有較大差異。水域與草地的生態承載力較高,建設用地、耕地以及林地次之,未利用地的生態承載力最低,與最高值相差400 nhm2以上。這歸因于水域與草地的產量因子較高的緣故,而建設用地呈現的生態承載力與耕地相近,未利用地則由于土地生產能力較低,生態承載力始終低于100 nhm2。

表3 閩三角城市群土地利用轉移矩陣表(2010—2015年)/km2

圖4 閩三角城市群生態承載力時空格局演變(2010—2015年) /nhm2Fig.4 Spatial-temporal evolution of carrying capacity of Urban Agglomeration on Min Delta (2010—2015)

3.3 生態安全評價結果

3.3.1 生態赤字/盈余結果

由圖5可知,城市群生態赤字嚴重。2010—2015年間區域均處于生態赤字狀態中。2010年廈門市赤字情況嚴重,漳州與泉州的赤字程度則相對較低,但是至2015年幾乎全部區域的生態赤字>300 nhm2,生態赤字問題愈發嚴重。僅有東部沿海部分水域呈現盈余,主要是水域生態承載力較高的緣故。

就各城市而言,2010—2015年間廈門的生態赤字最為嚴重,泉州次之,漳州生態赤字程度較輕,但也超出了土地本身的承受能力,該趨勢與生態足跡的結果總體相符。該時期內廈門的生態赤字嚴重且趨于固化,基本為>500 nhm2,泉州與漳州則飛速增長,從2010年的200—500 nhm2上升至2015年500 nhm2以上。城市群地處東南沿海,經濟發展程度較好,廈門作為經濟特區,經濟發展金融服務與旅游業最為發達,泉州工業發達,漳州第一產業比重較大,經濟發展程度相對低于其他兩市。近年來,福建省積極推進廈漳泉同城化,3個城市突破了行政區劃的界限,實現資源共享、產業優勢互補,基礎設施日益完善,經濟聯系更加緊密。整個閩三角城市群發展快速,然而,區域生態足跡也相應增加,生態承載力每況愈下,生態赤字也越發嚴重,維護城市群生態安全刻不容緩。

圖5 閩三角城市群生態赤字時空格局演變(2010—2015年)/nhm2Fig.5 Spatial-temporal evolution of ecological deficit of Urban Agglomeration on Min Delta (2010—2015)

3.3.2 生態壓力指數結果

城市群整體生態壓力指數較大。如圖6所示,2010—2015年總體生態壓力指數>2,且有不斷升高的趨勢,區域處于生態不安全狀態,表明區域生態與經濟的協調性仍然不足,生態不安全程度較大,生態安全體系亟需進一步完善,整體的可持續發展能力也尚待加強。

各城市生態壓力指數從大到小排序為廈門>泉州>漳州。廈門市2010—2015年間大部分區域生態壓力指數始終>2,說明該時期內廈門市一直處于生態不安全的狀態下。泉州市與漳州市大部分指數>2,但有部分林地的生態壓力指數由2010年的1—1.5之間上升至2015年的>2(第VI等級),不安全等級升高。這與前面得到生態赤字結果基本相吻合,說明區域生態不安全。

圖6 閩三角城市群生態壓力指數時空格局演變(2010—2015年)Fig.6 Spatial-temporal evolution of ecological tension index of Urban Agglomeration on Min Delta (2010—2015)

4 結論與討論

生態安全和人類生活緊密聯系,應用生態足跡法對閩三角城市群近5年生態安全進行評價,結論如下:(1)2010—2015年間,城市群生態足跡快速增長,由462.63 nhm2/km2上升至629.77 nhm2/km2,林地的降低速度較快;廈門生態足跡數值很高但略有降低,漳州與泉州則快速增長,不斷縮短與廈門的差距;區域的生態承載力則總體呈下降趨勢。(2)區域長期處于生態赤字且越發嚴重,生態壓力指數>2并呈增加趨勢,生態壓力持續增大,區域生態安全狀態并不樂觀。區域生態安全狀態是人口狀況、社會經濟、城市建設等多種因素共同作用的結果。人口和工業產值的增長是閩三角城市群生態足跡上升的主要原因,人口增長使對生物資源以及其他生態服務的需求增加,工業能耗增加,排放出的CO2所需草地和林地面積擴大,生活環境被破壞,生態系統壓力增大,甚至可能帶來氣候變化、資源污染等重大危害。由于城市擴張侵占了農業用地以及對原有的生態系統產生了負面影響,降低了生物生產力和生物多樣性,使耕地承載力下降,雖然區域林業資源豐富,但木材需求的增加使林地生態足跡上升,同時也使區域生態承載力下降,這從側面說明區域林地資源面臨巨大的壓力。未來需要優化產業結構,提高能源利用率,改變消費模式,倡導節約型消費,科學規劃建設用地;同時加強區域生態足跡、生態承載力與生態安全預警與監測。

論文以“國家公頃”作為計量單位,使產量因子體現區域特性,又以NPP設定均衡因子,使其體現真實的生物量,從而使計算結果更為準確地體現了區域發展對生態資源的需求和消耗以及對廢棄物的消納能力,也更為客觀地反映區域生態安全狀況。但是由于資料數據的限制,論文未對海水產品進行討論,對水域生態足跡結果有一定的影響;僅以水電數據表征建設用地生態足跡,建設用地生態足跡可能偏小;化石能源用地均衡因子僅以林地代替具有一定局限性。與此同時,論文采用的Modis數據分辨率為1 km×1 km,難免出現混合像元的負面效應問題,這些均是未來研究需要關注與克服的領域。