基于生態發展動態模擬的河南省城鎮化發展生態安全研究

(1.黃河水利職業技術學院 河南 開封 475004；2.河南理工大學測繪與國土信息工程學院 河南 焦作 454003)

引言

新中國成立以來，河南省一直被放置于“中原糧倉”的戰略地位，人口數量和密度也在中國省份中排名前列。隨著2012年國務院對《中原經濟區》正式批復，中原經濟區建設逐步推進，河南省作為中原經濟區建設的主體，重要性更加凸顯。中原經濟區，其核心是鄭州都市區，其支撐城市群為中原城市群，且全面覆蓋河南全省并擴展至周邊范圍地區的經濟區域，為全國主體功能區規劃的重點開發區域。河南省依托新興的經濟區，伴隨著城市建設的發展步伐加快，經濟建設與生態建設中存在的問題日益明顯。

生態安全研究日益成為各界學者研究的重視范疇，本文采取生態足跡和生態赤字/盈余的生態安全評價模型，采用系統動力學以及神經網絡方法對河南省進行生態承載力的動態模擬，進一步對模擬結果分析評價，提取影響因素，提出對河南省永續發展有用的對策與建議。

一、研究對象概述及生態安全評價模型

(一)研究對象概述

河南省位于中國中東部、黃河中下游。共下轄17個地級市、1個省直轄縣級行政單位，面積16.7萬平方千米，位于中國大陸中心區域，是地質地貌、氣候類型的過渡帶，生態環境變化多樣且相對脆弱，生態承載力水平不高。在全省植樹造林綠化的工作下，水土保持成效顯著；在開展農村衛生運動以來，農村農田保護工作成績明顯，部分地區生態質量突出提升，全省總體生態環境向好轉變，永續發展建設有一定成效。總體來看，河南省生態問題仍然存在問題：森林生態系統生態功能有待進一步提升，礦產資源開發造成的區域性生態破壞沒有進行根本恢復與改善，農村衛生治理需要進一步針對性加強，沒有對污水、垃圾、種植養殖廢棄物進行根本性制度性治理，農村生態改善有較大提升空間。筆者以鄭州為中心城市區域，圍繞中心選取鄭州、開封、許昌、洛陽、漯河、焦作六個城市作為具體研究對象。

(二)生態安全評價模型

生態足跡(Ecological Footprint,EF)理論模型最初是取自1992年生態學家William Ress的關于評價城市可持續程度的研究。生態足跡理論優勢在于可以定量化分析，操作性與結果有效性較強。生態足跡模型被業內學者廣泛應用于不同尺度區域(國家尺度、區域尺度等)的生態足跡分析[1][2]

除此之外，也有學者運用到其他領域，例如梁勇等運用生態足跡方法分析城市交通環境影響，王菲鳳等研究的福州大學城校園生態足跡，章錦河等用生態足跡研究九寨溝旅游發展，李鳳全等研究水生態足跡[3][4][5][6]。針對該模型的局限性[7]，也有學者提出了改進，采用了更合理的計算方法，提出了新的生態足跡計算方法。

本文采用生態足跡和生態赤字/盈余的生態安全評價模型，并分別進行系統動力學和神經網絡模擬預測。生態足跡(Ecological Footprint,EF)是指支持特定人口或經濟體的資源消費和廢棄物吸收所需要的具有一定生態生產力的土地面積，代表生態消耗量。生態承載力是區域當前所能夠提供的生態生產性土地面積，代表生態供給量。當生態足跡大于生態承載力時表示區域生態生產性土地的生產力不足，稱之為生態赤字，反之則是生態盈余[8]。本文基于生態赤字/盈余狀況判斷生態環境的現狀并進行未來預測。

二、河南省城鎮研究樣區生態足跡研究及分析

(一)生態足跡計算結果

用生態安全研究方法計算，得到鄭州市2018年生態足跡需求和供給的計算結果如表1:

表1 鄭州市生態足跡需求計算結果(2018年)

鄭州市等6個市(研究區域)的生態足跡需求與生態足跡供給，見圖1、圖2、圖3：

圖1 河南省2018年各市人均需求足跡(hm2)

圖2 河南省2018年各市人均供給足跡(hm2)

圖3 河南省2018年各市人均生態赤字(hm2)

(二)生態足跡分析

從以上圖分析可以看出，2018年焦作市由于森林覆蓋率較高，生態赤字不太高，為0.039 hm2，除此之外的生態赤字洛陽、開封、漯河、鄭州、許昌依次增大，最高的許昌高達0.847 hm2，人均生態赤字為0.6350 hm2。河南主要城市整體生態需求大于生態供給。從更大區域范圍來看，該研究區要維持生態平衡需要從周邊進行大量生態索取，會進一步影響自身和周邊的生態永續發展。

河南省區內植被覆蓋率較高，自然環境情況較好，生態足跡供給相對較高；然而相對低端的經濟發展階段和社會經濟水平導致生態足跡需求很大，總體仍會造成不小的生態赤字。參考其他區域的發展階段可以預測，伴隨經濟發展階段的提升，經濟發展增長，生態足跡需求會漸漸上升，隨之區域內生態赤字會逐步增大，對本區域內及周邊的生態環境會進一步增加生態索取[9]。先一步發展區域往往是在造成較為嚴重的生態赤字和生態問題之后進行補救，亡羊補牢的成本很高；中原經濟區目前正在穩步發展，應該在最初把經濟和生態永續發展放到同等重要的位置，正如習近平總書記所說，綠水青山就是金山銀山，河南省應該及早意識到生態惡化的現狀，及時調整措施，發展綠色產業和可持續產業，引導地區生產、生活、消費均向生態環境永續發展的要求靠近。

總體來看，河南省目前生態環境處于良好狀態，本區域的優秀自然資源、較高的植被覆蓋率和優良的水體是資源優勢。按照用地分類來看，建筑用地與林地提供了較高的生態足跡供給，有較高生態盈余，為區域的經濟發展提供了生態空間；從空間角度來看，從西向東生態赤字增大；從時間角度來看，隨著近年的發展，生態赤字逐步增大。

三、河南省城鎮生態發展動態模擬及預測分析

(一)生態發展動態模擬

用生態安全研究方法計算，得到河南省2012-2018年的生態足跡和生態承載力。河南省(研究區域)2012-2018年生態足跡需求、生態足跡供給和生態赤字如圖4所示。

從2012年到2018年，7年來隨著中原經濟區的發展，總體生態足跡需求提升，生態環境條件日益脆弱，生態足跡供給不增反降，本區域內生態赤字持續上升。按照用地分類來看，建筑用地與林地提供了較高的生態足跡供給，有較高生態盈余，但人均盈余持續減少；耕地生態足跡赤字不斷增加。

圖 4 河南省2012-2018年生態足跡、生態承載力和生態赤字

1.系統動力學模擬

區域內生態系統的特性有三點：整體性、非線性和自組織性。因此區域生態系統的承載力也是一個系統問題。采用系統動力學方法對復雜系統進行仿真模擬，對復雜系統中的問題具有較好的判斷和預測效果。在系統動力學模型中，通過選擇模型參數和相關政策參數，結合區域生態環境，選取水資源利用率、各產業在國民經濟中的投資率、科技貢獻率等參數。同時,根據相關數據的分析,河南省6個樣本城市的土地資源可以滿足開發預測期期間人口的需求,并沒有成為發展的約束條件,而水資源對區域發展的影響有很大的限制,所以未來可以采用區域外調水。根據參數水平的不同，進行低、中、高三個不同類型的解決方案(計劃方案A、計劃方案B、計劃方案C)進行模擬。

計劃方案A：在現狀的基礎上，投資以現在的速度,任其自然發展的生態環境。該方案可作為土地承載力的基本參考方案。

計劃方案B：中等水平的輸入下,水資源利用率50%,科技貢獻率的提高到40%,在一定程度上治理和改善生態環境。

計劃方案C：高水平的輸入下,利用水資源效率提升到70%,科技貢獻率增加到60%,高度重視治理和改善生態環境。

表2 河南省城鎮化發展(研究區域)生態承載力系統動力學模擬結果

三種方案仿真得到的河南省研究區6個城市的模擬結果如表2所示，根據這三個規劃，在低規劃中，河南省(研究區)6個城市的人口規模從2011年到2018年發展迅速，2025年后逐漸趨于平穩。在中等方案中，隨著資源利用率和投入的提高，生產系統的產量大幅度提高，承載能力也隨之提高。然而，由于生態環境沒有得到充分的管理和改善，承載力的提高仍然在一定程度上受到限制。在高規劃中，由于資源利用效率的提高，生態環境的改善，人、社會、環境的協調發展，區域生態承載力得到了較大程度的提高。

2.神經網絡預測

將研究區域2011-2018年各城市的數據分別代入水資源承載能力模型網絡進行培訓練學習。主要參數為:初始權值為-0.3-0.3，初始學習系數為0.1，動量因子為0.02;單一隱含層，隱層節點數為5個。通過網絡的學習和訓練，將學習后得到的權值作為網絡確定的最終權值，得到神經網絡模型[10]。

按照該地區生產、生活、生態用水量和水資源利用效率的不同，確定了低、中、高三種方案，相應的水資源承載力模擬預測結果如表3所示。通過對比實際統計值與模擬值從2010年到2018年,擬合誤差在水資源承載能力研究區域都是0.64%,這表明該方法模擬和預測這一地區水資源承載能力，利用神經網絡技術和模型構造是可行的。

表3 河南省(研究區域)中城市水資源生態載力神經網絡模擬結果

(二)預測結果分析

我們可以從生態足跡的預測結果推斷，如果目前的生產生活方式持續下去，到2050年，資源將會枯竭，生態系統將幾近崩潰。如果按照生態系統的規律進行被動變化，雖然變化趨勢會減緩，但生態赤字數值仍會增加，生態承載力仍會下降[11][12]。長期的赤字狀況將導致生態環境不斷惡化，甚至造成不可逆轉的影響。從長遠看，確保中原經濟區的可持續發展，必須減少和消除生態赤字，把握水資源這一重要制約因素。在河南省城鎮化發展的實踐研究中，得出以下結論:

1.河南省乃至中原經濟區已然處于生態赤字狀態。8年來(2011-2018年)，生態足跡持續增加，生態承載力持續下降，導致生態赤字持續擴大。中原經濟區正處于經濟發展的崛起階段，隨著經濟的起飛，可以預見生態足跡的壓力將進一步加大，生態足跡與生態承載力之間的矛盾將日趨嚴峻。

2.經濟轉型和消費轉型迫在眉睫。如果繼續目前的發展和消費模式，在不久的未來(2050年之前)，資源將會枯竭，生態承載力將會喪失，生態系統將會趨于崩潰。如果按照生態系統的調節功能被動地進行資源節約和效率的變化，會減緩生態承載力的下降和生態赤字的增加，但仍然存在問題。只有積極改變當前資源利用與消費格局，改變人們的消費意識和結構，才能逐步扭轉生態赤字，使生態系統回到健康發展的軌道。

3.要走人與自然和諧的永續發展道路。生態足跡的概念形象地反映了個體行為與區域(全球)環境承載力之間的關系。河南省和中原經濟區的生態過程不是孤立的，經濟個體和個人的行為也不是孤立的。每個個體都不是一個生態孤島，生態超支都會影響到整體的生態赤字[13]，影響到整體的生態承載力，進而反作用影響到個體的生存和發展。

4.河南省水體資源較為豐富，但時空分布不均，對區域發展仍有較大制約。水資源和生物棲息地是該地區生態環境保護中最重要的問題。生態自然保護區、濕地、水源保護區等野生動物棲息地和水系資源是生態敏感區的重點敏感區域，同時也是生態承載力最脆弱地區，要政策上和實際上禁止或嚴格限制發展，加強保護。

四、結論與啟示

本文中,應用生態足跡理論探索河南省研究區域的生態承載力，將時空動態變化仿真模擬應用于城鎮集群的區域，進行了生態承載力的基本理論和應用方法在城市集群規劃中的初步討論,形成基本觀點和初步結果。影響生態承載力的因素包括自然因素、經濟因素和社會經濟因素，且其間結構對生態承載力也影響重大。

生態足跡是評價區域生態狀況和生態承載力的指標且具有區域可比性。利用系統動力學和神經網絡對區域生態承載力進行了仿真模擬，得到了未來的人口承載能力。這些對區域永續發展現狀的判定和區域永續發展策略的制定具有重要的參考作用。