甘肅省生態安全時空演變特征及影響因素解析

楊雪荻,白永平,*,車 磊,喬富偉,周 亮

1 西北師范大學地理與環境科學學院, 蘭州 730070

2 南京大學建筑與城市規劃學院, 南京 210093

3 蘭州交通大學測繪與地理信息學院, 蘭州 730070

生態安全是國家安全體系的重要基石。黃河流域是我國重要的生態屏障和經濟地帶,其河源流域位于西北生態脆弱地區。因此,西北地區的生態安全狀態將對我國主要河流及流經省份的生態與經濟發展產生巨大影響[1]。西北地區尤其是西北干旱內陸地區在追逐城市化和工業化帶來經濟利益的同時,逐漸加重了生態安全的壓力。由于自然資源開采消耗導致的一系列環境污染問題不斷威脅著人類生存空間和人體健康,因此,如何防止生態環境惡化,減少自然資源消耗,平衡生態保護—經濟發展成為了生態安全的關注重點。

生態安全是基于“土地健康”的概念延伸出來的評價指標[2]。隨著生態安全研究的不斷深入,其研究方法在結合相關學科的研究成果上日益完善,已從簡單的定性描述,發展到現在的定量評價[3]。傳統上研究學者往往基于生態系統結構變化進行生態安全評價,通過建立景觀生態模型評價生態脆弱性[4- 6],利用遙感手段檢測生態系統變化[7- 8]。然而,關注生態變化割裂了人與自然的耦合關系,生態文明建設是關系人民福祉的長遠大計,應以人為本考慮生態安全問題。近年來,一些研究開始將人類活動納入生態安全評價體系中,基于人地關系的分析逐漸受到關注。有學者從經濟學角度量化生態產品價值,并基于人類福祉角度建立生態系統服務模型,刻畫生態安全空間異質性[9- 10],也有學者構建PSR模型識別引起生態安全變化的驅動因素[11- 13]。但較少學者考慮生態空間供給與生態系統服務需求之間的聯系及其在區域生態安全中的作用,基于此,本文旨在通過資源供給能力和人類消耗總量分析,有機鏈接生態脆弱區和人類需求空間,直觀分析生產生活對生態壓力狀況的影響。

目前,基于供需視角評價生態安全應用最廣泛的是生態足跡法[14-17],該方法側重于研究自然資源供給與利用問題產生的資源性短缺,以及由此帶來的生態安全問題。甘肅省地處我國西北干旱內陸地區,且位于長江、黃河上游地區[18],不僅是《全國主體功能區規劃》確定的“兩屏三帶”區,在全國生態安全戰略格局中又是“青藏高原生態屏障”、“黃土高原—川滇生態屏障”和“北方防沙帶”的重要組成部分,也是國家重要生態功能區,在西北乃至全國有非常重要位置。由于特殊的地理位置導致的資源稀缺和資源利用不當導致的生態脆弱,使得甘肅省成為生態足跡研究最早的區域,已有了大量研究結果：包括基于能值足跡的可持續研究、基于水足跡的植被研究、基于碳足跡的農業發展研究[19- 22]等。與已有研究不同的是,本文基于傳統生態足跡對甘肅省的產量因子和均衡因子進行了本地化修正,以“省公頃”為計量單位,立足于區域生態足跡的時空演變特征,建立生態安全評價體系,進而把握影響區域生態安全的因素,從理論上補充、完善生態足跡在大尺度、時空分析方面的不足。以期為甘肅省生態安全提供決策支撐,對干旱區生態可持續發展提供科學借鑒與理論指導。

1 數據來源及研究方法

1.1 數據來源

本文涉及甘肅省86個縣(市、區)生物資源消費和能源資源消費共選取小麥、玉米、油料等21種生物資源消費項目以及原煤、石油、天然氣、電力4種能源消費項目,數據均來自《甘肅省統計年鑒》(2006、2011、2016年)和《中國統計年鑒》(2006、2011、2016年)。由于使用“省公頃”需要對因子重新計算,涉及生物產品單位熱值均來自《農業技術經濟手冊(修訂本)》,個別沒有的生物產品單位熱值以近似生物產品的熱值代替。影響機制中涉及的數據均來源于《中國城市統計年鑒》(2006、2011、2016年)。

1.2 研究方法

本文基于“省公頃”對傳統的生態足跡方法進行改進,重新計算研究區的產量因子和均衡因子,能更準確地反映生態盈虧情況[23- 24]。對甘肅省2005年、2010年和2015年的計算結果進行空間分析和空間統計分析,得到生態壓力標準差橢圓,并對研究區壓力中心的空間動態變化進行分析,并結合地理探測器[25]解析甘肅省生態安全變化的驅動力。甘肅省生態安全的測度方法包括：人均生態足跡、人均生態承載力、生態盈虧、生態可持續(Ecological sustainability index,ESI)、生態壓力指數(Ecological tension index,ETI)這5個指標 。具體計算方法如表1所示。

表1 生態安全計算方法

j為所消費商品的生產土地類型,cj第j類產品人均年消費量,pj為i種消費商品平均生產力,aj為人均某類生產性土地面積,pi為全國第i類生物生產性土地的平均生產能力,p為全國生產性土地的生產力,-pi為地區第i類生產性土地生產力

采用上述均衡因子和產量因子的計算方法,對“省公頃”生態足跡法中的兩個關鍵參數均衡因子和產量因子進行本地化處理,最終得到甘肅省耕地、林地、草地、水域、建設用地和化石能源用地的修正結果,詳見表2。

表2 省公頃生態足跡均衡因子和產量因子

根據本文計算結果并參考以往資料文獻將安全等級T分為7個級別[26]：很安全(<0.50)、安全(0.51—1.00)、較安全(1.01—1.50)、稍不安全(1.51—2.00)、不安全(2.01—2.50)、很不安全(2.51—3.00)、惡劣(>3.01)六個等級。

2 結果與分析

2.1 人均生態足跡

甘肅省人均生態足跡變化較顯著。從生態足跡構成上來看(圖1),2005—2015年化石能源及建筑用地比重逐漸上升,分別從9.6%和11.13%上升至13.87%和15.62%。生態用地比重總體呈下降趨勢,其中林地降幅最大(3.11%),草地次之(2.1%),耕地降幅最小(1.8%)。從生態足跡總體變化趨勢來看(圖2),2005—2010年全省人均生態足跡由0.51hm2/人上升至0.62 hm2/人,漲幅21.5%。2010—2015年人均生態足跡漲幅11.4%,上漲至0.69hm2/人。從區域來看,2005—2010年,四大區域生態足跡漲幅大小依此為“高原邊緣地區>隴中地區>隴東南地區>河西地區”,其中僅河西地區呈下降趨勢,下降至0.32 hm2；2010—2015年各區域人均生態足跡中高值區整體增多,漲幅變化明顯,呈現出“河西地區>隴東南地區>隴中地區>高原邊緣地區”的特征。

圖1 甘肅省生態足跡構成

圖2 2005—2015年人均生態足跡和人均生態承載力變化

2.2 人均生態承載力

甘肅省人均生態承載力變化整體也呈線性增長趨勢(圖2)。2005—2010年甘肅省人均生態承載力由0.29 hm2/人上升至0.38 hm2/人,漲幅31.8%。2010—2015年人均生態承載力漲幅23.7%,上升至0.47hm2/人。四大區域人均生態承載力差異明顯。2005—2010年,生態承載力漲幅大小依次為“隴東南地區>隴中地區>高原邊緣地區>河西地區”,與生態足跡變化相同,僅河西地區呈下降狀態；2010—2015年各區域生態人均承載力整體呈上升趨勢,漲幅變化依次為“高原邊緣地區>河西地區>隴東南地區>隴中地區”。2010年以后,可更新資源提高,導致人均生態承載力有所上升且在一定時間內逐漸恢復。

2.3 生態安全評價2.3.1 時空分布特征

利用生態盈虧狀況和生態壓力可以共同反映出生態安全狀況。研究期內,甘肅省生態盈虧狀態一直呈赤字,較不安全狀態且時空變化明顯(圖3)。具體表現為：2005—2010年甘肅省生態赤字從-0.20變至-0.23,2010—2015年全省生態赤字程度進一步加深至-0.33。這表明隨著城市化的發展,研究區能源消耗速度較快,可利用資源減少,生態恢復較慢,造成生態需求和供給不平衡。這一現象也可從甘肅省生態足跡的構成比重得到印證,即能源化石用地、建設用地比重不斷上升,生物資源用地比重不斷下降。2005—2015年,甘肅省建設用地增加較多,增幅高達1.59倍,遠遠高于全國平均增幅(1.48)。研究區年均人口增長3.85%,低于全國增長水平(4.99%),空間的城市化速度快于人口的城市化,大量建筑用地占用生態用地,導致生態生產性土地生產力直接損失。能源化石用地比重在研究期間上漲了42.3%,人均生態足跡從人均生態承載力的1.16倍增加到3.12倍,而人均生態承載力變化較小,導致生態赤字加劇。可見化石能源大幅增長是導致生態赤字增加的主要原因。特別是河西地區的酒泉市和隴中大部分地區生態赤字均呈較快上漲趨勢,生態赤字逐年加深,主要是由于其作為工業發展的核心區域,煤炭、天然氣、石油等能源的消耗都會向自然環境排放CO2,而這需要大量相應的化石能源用地來“吸收”。同時,工業化程度的不斷加深導致占用生態用地不斷減少,依靠能源消耗和工業化的經濟發展模式也嚴重破壞了生態環境,且區域內環境承載力與開發強度的矛盾十分突出。

圖3 2005—2015年生態盈余和生態壓力變化

為了直觀反映生態安全狀態,利用生態壓力對甘肅省生態安全進行評價。對比分析2005—2010年甘肅省生態壓力指數,可知全省生態壓力雖然區域性明顯(圖3),分布不均但整體呈上升趨勢,生態壓力從1.27升至1.40,生態安全等級仍為不安全；2010—2015年生態壓力變化至1.64,處于很不安全狀態。即人類活動超過了自然環境的承載能力,其中高原邊緣地區影響顯著,生態壓力從1.42升至1.97,屬于快速增長,高原邊緣地區雖然有太子山自然保護區、祁連山自然保護區、尕海—則岔自然保護區等14個自然保護區,但是保護區周圍的生態壓力相反高于其他地區,生態安全較差。主要由于保護區周圍人口密集程度高于其他地區,傳統放牧業導致草場退化嚴重,生產生活對自然生態資源依賴較大,自然保護區就成為了當地居民的“生態銀行”。

2.3.2 時空轉移特征

利用安全重心對2005、2010和2015年甘肅省生態變化軌跡進行空間分布制圖(圖4)。由此可知,安全重心在空間分布上較集中,總體呈現“西南—東北”走向的空間分布格局,重心轉移距離12.9 km。受人類活動的影響,重心逐漸向西北方轉移,2010—2015年標準差橢圓的短軸與長軸均有所增加,且短軸增長幅度大于長軸,這表明研究區生態安全范圍在東西方向和南北方向延伸,橫向延伸趨勢強于縱向延伸趨勢。生態安全重心在2010—2015年向西南轉移了7.2 km,這種轉移趨勢說明生態安全后期變化程度比前期明顯。由于2005—2010年研究區西南部遭到大量開墾,耕林地面積明顯減少,農田和建筑面積逐漸增加,同時隨著機械化程度的提高與交通條件的發展,生態壓力和人為活動成正相關關系,人類活動頻繁導致生態壓力不斷增高,從而致使生態安全等級降低。2010—2015年研究區西南部圍繞建設環境友好型社會,開展了一系列節約生態資源,保護生態環境,抓好生態文明等措施,西南部生態得到了極大恢復。相比于此,研究區西北部自然生態環境問題本就突出,外加長期過度開采,使得西北部人地環境破壞嚴重,生態環境問題顯著,生態安全等級降低。因此造成甘肅省西北部的生態壓力指數超過東南部,生態安全重心向西北移動。

圖4 甘肅省生態安全重心移動軌跡

2.3.3 驅動因素

生態安全變化不僅是生態問題,經濟社會因素也是其動態演變的深層驅動因素。同時,由于自然因素的變化具有剛性,短期內影響生態足跡變化的主要是經濟社會因素,因此,本文從經濟社會角度對生態安全的驅動因素進行研究。自變量選取考慮了以下三個方面：首先,由于經濟發展對生態環境有很強的依賴性,從而會對生態安全變化產生重要影響。基于此,選取城鎮化率和人均GDP,分別表示經濟發展水平和經濟狀況。其次,人口數量決定了生態需求的高低[27],故選取人口密度作為代表。最后,“資源—生產—消費—廢物—資源”不僅是生態足跡的研究視角還是一個連鎖反應,會對區域內生態系統產生較大影響[28]。選取第二產業占GDP比重,科教支出占總支出比和人均能源消費,分別代表產業結構變化,高新技術產業的發展水平[29]和消費結構變化。地理探測器的結果顯示,各因子的決定力有明顯差異,由高到低依次為：人均GDP(0.62)、人均能源消費(0.60)、第二產業占GDP比重(0.55)、城鎮化率(0.51)、人口密度(0.35)、科教支出占總支出比(0.31)。

經濟發展(GDP)是影響生態安全的主要因素,經濟增長導致建設用地需求增加,引起大規模土地開發。同時,甘肅省經濟發展主要依靠傳統化工企業,以隴中地區為例,作為經濟發展的核心區,蘭石、蘭化等企業2018年底帶動經濟環比增長5.4%,成為經濟總量擴張的龍頭企業。傳統化工企業資源回收利用程度很低,污染物生產量和排放量較多,對生態環境影響較大。能源消費對生態安全影響次之,原因主要體現兩方面,一方面是甘肅省重利用輕建設的生產方式,作為傳統的資源型工業發展地區,高能耗產業是經濟發展的基礎。另一方面是居民消費結構也逐漸向高耗能方向發展,各種家用電器、私人交通工具數量大幅增長都使能源消耗增加,生態壓力不斷加深。產業結構轉變可以體現自然資源的利用程度。第二產業會排放大量CO2、廢水和消耗一定數量的不可再生能源,因此第二產業結構比重的變化,特別是重化工行業的發展可以直接導致化石能源用地和污染物排放量增加,進而影響生態環境,威脅生態安全。

甘肅省城鎮化率從2005年的28.61%增長至2015年的43.19%,建筑業總產值增加7%。隨著城市化規模持續擴大,人類對自然資源空間占用增多,再加上甘肅省前期以占用犧牲自然資源為代價推動城鎮化發展,都促使了生態環境惡化,這也與甘肅省生態壓力研究結果相一致。人口密度對甘肅省生態安全影響較小,主要是由于人口密度不是直接影響區域生態安全的因素,多以農業生產、工業發展等間接對區域產生影響。科教支出占比屬于“軟產業”主要依靠技術信息,對生態安全影響最小。但研究期內甘肅省對產業技術創新扶持力度較小,對生態產業重視程度較弱,總體成果較不顯著。

3 討論

3.1 生態可持續發展狀態

實現可持續發展是21世紀全球發展的共識,也是全球需要面臨的重要挑戰之一。可持續發展意味著自然資本存量不能減少,因此為了進一步刻畫甘肅省全省資源利用狀況,本文運用可持續指數(Ecological sustainability index,ESI)進一步分析地區生態可持續利用程度,并對可持續程度進行劃分[29- 31],其結果如表3所示。2005—2010年甘肅省4個地區生態可持續程度不同：隴東南地區上漲幅度最大,上升24%,呈不可持續狀態；其次是隴中地區上升幅度較大,上升14%,呈弱不可持續狀態；河西地區上升幅度最小同樣也處于弱不可持續狀態；高原邊緣地區不增反降,下降6%,呈中等不可持續狀態。2010—2015年甘肅省部分地區生態可持續性趨好,隴中地區和隴東南地區略有上升,但仍處于弱不可持續狀態；河西地區和高原邊緣地區則均有下降,呈中等不可持續狀態。這表明甘肅省在2005—2010年的城市化發展對生態系統造成了較大壓力,即城市或城鎮擴大侵占了大量的綠色生態空間,但資源和能源消耗持續增加,自然環境很難代謝掉工業化、城市化產生污染導致生態不可持續。而2010—2015年,隨著“堅持人與自然和諧共生”這一科學自然觀的不斷深化,城市化發展中對生態環境的關注不斷提升,自然資源的承載壓力有所減輕,生態可持續度逐漸提高。

表3 生態可持續性等級劃分標準

3.2 不確定性和局限性

從生態足跡法的視角探討生態安全問題,在自然資源需求與供給兩方面評估區域內生態系統結構、功能和過程,可以從宏觀上對西北干旱區整體生態狀況進行了解。因此,進一步的研究應集中在以下三個方面。首先,基于“省公頃”的生態足跡相比傳統的生態足跡已經在算法上有所提升,但是由于資料限制以及甘肅省原本的產業情況,對水產品的討論較少,使得生態足跡的水域部分有一定影響；另外,生態足跡中建設用地的部分僅用電力數據代表,建設用地部分數值可能偏小。其次,生態足跡可以揭示自然資源的消耗和供給,有利于加深對生態安全狀況的認識。但研究方法側重于地球陸地生物生產量而忽略了地下水資源、全球氣候變化、臭氧層破壞等一系列其他生態效應對生態安全的影響,應加入水足跡、能源足跡等全面量化分析,以表征人類活動對不同自然資源的影響。最后,論文采用地理探測器探尋生態安全,由于影響因子的可獲取性,對驅動力分析不夠全面。此外,通過模擬未來生態狀況有效預防和保證生態安全、在不同環境政策視角下制定多樣的生態保護工程、以生態可持續為前提尋求經濟和社會發展的新方案等均是未來研究需要關注與克服的領域。

4 結論

生態安全和人類生活聯系緊密,在改善傳統生態足跡的基礎上對甘肅省15年生態安全進行評估,并引入地理探測器定量探究不同經濟社會因素和自然基底要素對生態安全的影響,對比不同區域差異,深入解析其驅動機理。研究結論如下：1)2005—2015年,甘肅省生態壓力指數從1.18升至1.54,變化幅度較大,生態安全形勢呈現惡化趨勢,生態安全問題亟待解決；2010—2015年生態壓力指數下降為1.44,雖得到了緩解,但生態安全等級依舊屬于較不安全狀態,生態安全問題依然突出,不容樂觀。2)隨著“一體兩翼”發展工業空間布局發展,生態不安全區域從甘肅省的南部邊緣地區,逐漸擴展至西北部邊緣地區,15年間生態安全重心也呈“西北—東南”分布。因此,應堅持生態優先,做好河西和高原邊緣地區的生態建設工作,提高生態安全程度。3)研究期內,除了GDP增長引起的生態安全隱患外,能源消費、第二產業占GDP比重、城鎮化率、人口密度、科技支出占總支出的比重等也不同程度的影響了生態安全,為了有效的改善甘肅省生態環境,進而減少生態隱患,加快甘肅省經濟和生態共同發展,可以建立多樣的生態工程系統,差別化制定管理措施。