基于資源流動與生態載體層面的生態安全研究

嚴 維, 劉艷中, 陳 勇, 張 祚, 朱曉南, 宋改鳳

(1.武漢科技大學 資源與環境工程學院, 武漢 430081; 2.武漢科技大學冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室, 武漢 430081; 3.華中師范大學 公共管理學院, 武漢 430079)

隨著構建生態安全型社會戰略部署的不斷升級，對區域生態安全狀態客觀、全面的評價顯得尤為重要[1]。在此背景下，國內學者開展了一系列生態安全理論和方法的研究，旨在識別區域生態安全是否存在問題，提出相關建議。在生態安全內涵的發展上，周鵬[2]、景永才[3]等從生態系統服務與人類獲取角度開展研究；姬翠梅[4]、楊京平[5]則從人類社會可持續發展以及“經濟—生態—社會”的和諧統一角度進行研究；陳國階[6]從人類所賴以生存的自然環境健康的角度進行研究；不同學者分別從不同的視角給出了關于對生態系統內涵的解釋。總結來說生態安全主要包括兩層含義：一是生態系統與人類系統間的資源供給與需求的安全性，即資源流動安全；二是生態系統載體自身狀態安全[7]。在生態安全評估模型方法上，有指標體系法，如“PSR”[8-9]、“DPSIR”[10]等，從社會、經濟和生態系統三者耦合的角度，識別判斷區域生態安全變化的相互聯系；景觀生態學方法[11]，通過人類活動區域變化對土地利用及結構的影響，分析得出生態安全格局，從而在空間角度分析生態安全狀態；生態系統模型方法，如生態足跡法[12-17]、能值分析[18-24]、資源承載力[25]等，通過量化生態系統服務供給變化，表征人類活動對生態環境帶來的壓力，評估生態安全狀態。綜合國內研究現狀可以看出，現有生態安全研究在生態系統與人類系統資源流動的生態安全層面上較為集中，如生態系統模型方法，但缺少對生態載體安全狀態的判斷，而區域生態安全狀態的全面評估結果是區域安全可持續發展方案制定的重要參考，因此有必要對生態載體安全狀態補充研究。

一般認為生態空間中的自然資源均以生態土地和水域為載體，人類對自然資源的開發利用離不開對土地和水域的利用[26]。2018年自然資源部部長陸昊在國土空間規劃會議中指出：國土空間中的生態載體作為保障生態資源流動安全的前置條件具有重要意義。結合上述觀點及已有研究，本文認為生態系統自身安全表現為生態載體的安全，研究生態載體的安全狀態，對掌握區域生態安全情況以及指導區域空間規劃都有重要意義。因此，本文結合能值法的理論基礎，提出生態載體能值產出指數，并據此建立生態載體安全狀態判斷標準，完成對生態載體安全狀態的研究判斷，綜合改進的生態足跡法得出的資源流動安全性結果，得出較為全面的生態安全結論，并對臨湘市進行實證分析。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

2018年臨湘市位于29°10″—29°52′N，113°15′—113°45′E，面積為1 718.60 km2，總人口為54.09萬人，城鎮人口為15萬人，鄉村人口為39.09萬人。地形地貌在分布上存在明顯差異，整體地勢南高北低，東南部存在連續的山峰，中部地形以丘陵為主，西北部多是平原及湖泊分布為主，土地利用類型豐富多樣。該市生物資源豐富，在內生性要素資源存儲方面，擁有豐富的林木資源和礦產資源，其中森林覆蓋率約為51.11%，林木蓄積量達到261.3萬m3。

2005—2018年全市GDP年均增速始終保持在8%以上，其中與生態資源相關的產出、加工產業為當地的發展提供了較大動力。高速的發展在提升經濟的同時，也給臨湘市生態環境帶來了巨大的壓力。為響應國家高質量發展，建設綠色生態中國，區域主體迫切需要掌握區域生態安全的綜合情況，包括資源流動及生態載體的安全狀態，為區域制定發展計劃提供可靠建議。

1.2 研究方法

在研究生態系統自身安全狀態時，本文參考能值理論中的能量折算標準和能值轉換率，將區域生態載體產出能值計算求和，并量化通過人類活動流向生態載體的能值量，分析計算除去人類活動影響后生態載體產出的變化情況，最終揭示生態系統自身安全狀態的變化情況。然后結合改進的生態足跡法，計算出消費性生態足跡、生產性生態足跡和生態承載力[16]，分析并揭示區域資源需求量及流量消耗安全狀態，從而直觀表示生態系統與人類系統資源流動的安全性。綜合上述兩個方面的判斷結果，得出關于區域生態安全的完整評價。為實現與生態足跡法研究的一致性，評價生態載體對能量的生產狀態，結合生態足跡法中的土地利用分類方式，選用具備生產能力的土地分類，本文中的生態載體對應為具有生態生產性能力的耕地、林地、草地和水域。

1.2.1 能值法理論結合 如圖1所示，依據Odum的能值方法的理論，并結合其研究所繪制的“能量系統語言”圖例[18]，繪制研究所用的區域生態系統能量流動圖。該圖從系統學的角度考慮繪制，將區域生態環境整體視作一個系統，該系統內部的環境生態子系統在與區域人口構成的人類子系統交互的過程中，核心是生態服務的產生和人類對生態服務的占用，即以生產活動和消費活動為主，從而形成相互作用。系統中的生態載體通過將外界能量經耕地、草地、森林、水域等生態生產用地封裝進生態產品服務，向人類活動提供消費所需產品。人類消費占用自然資本，并通過人類活動(化肥、農藥、廢氣等)作用于生態載體，影響載體的狀態，并改變其對能量的“封裝”能力[21]。

圖1 區域生態系統能量流動

1.2.2 改進的生態足跡模型 在傳統生態足跡模型的基礎上，將生態足跡擴展劃分為消費性生態足跡(EFc)和生產性生態足跡(EFp)計算，并計算出對應的消費性生態盈余/赤字(EDc)以及生產性生態盈余/赤字(EDp)[16]。計算消費性生態足跡用以反映區域人口對資源的消耗情況，以及區域人口對域內以外的生態環境的壓力情況。計算生產性生態足跡則可以表征區域人口活動作用于區域內生態系統的強度，并計算生產性生態盈余/赤字，來反映區域生態環境安全可持續性的真實狀態。就同一區域而言，可同時分析消費性生態足跡和生產性生態足跡得出區域資源消耗的可持續性，完成對區域資源流動情況的狀態描述[16]。具體算式[12]如下：

(1)

(2)

(3)

ED=EC-EF

(4)

式中：N為人口數；j為生產性土地的類型；i為各類生產性用地產出物的類型；cij為j類生產性土地產出物i的人均消費量；pij為j類生產性土地產出物的人均產出量；Pij為產出物i在j類生產性土地的平均生產能力；Aj為j類型土地的實際面積；rj，yj分別為結構因子和修正的產量因子。保留12%的生態承載面積用于保護生物多樣性，EC僅計算去除保留面積后的88%生態生產性面積。

1.2.3 生態載體安全等級的能值計算方法 能值計算方法中，研究區域的各種能量被統一為同一太陽能值標準，更為真實準確地反映了研究區生態載體產出狀態。其中，能值方法中的能值轉換率相比傳統價值評價中價值的波動更具有穩定性[27]。將區域內的人類活動對生態載體造成的影響量化為能值，計算出除去人類活動影響后，生態載體的能值產出量(EPA)，以及定義的生態載體能值產出指數(IEPA)。計算如下：

(5)

EPA′=(EPAy+1-EPAy)/EPAy

(6)

IEPA=EPAy/max(EPA)

(7)

式中：EPAj為j類生產性生態載體實際的生產對應的能值(不考慮人類活動附加)；n取值為4，為4小類生產性生態載體；αi為出產物i對應的能值轉換率；Ukj為在j類生產性土地中投入物質k的物質量；βk為物質k對應的能值轉換率；EPA′為EPA的求導，表示其變化率；y為對應的年份。根據計算結果,將生態載體安全狀態依據表1完成分級，歸納出其安全狀態。

參考土地安全評價[28]和生態安全評價、預警[29]中等級劃分的方法，本文構建生態載體產出狀態評價標準，分正負兩個方向共8個級別。將正負方向的前3級別等距0.1劃分，后1級非等距劃分，并依據研究對各個等級做出狀態解釋。

表1 生態載體產出狀態分級標準

1.2.4 數據來源與參數選取 人口、各類項目的生產及消費數據來源于2005—2018年《臨湘市統計年鑒》，土地利用數據、土地結構數據取自《臨湘市土地利用總體規劃數據庫》和《土地利用變更數據》。生態足跡法計算中用到的產量因子和均衡因子參考已有的關于臨湘市的研究結果[12-16]。

消費、生產和人類活動中能值相關數據來自朱玉林等[22]的研究及喻鋒等[24]基于中國能值生態系統生產總值核算研究中的相關能值指標(表2)。按照足跡法假設，將臨湘市足跡項目折算成6大類生態生產性土地面積。將數據中包含稻谷、玉米、油料、薯類等在內的項目劃分到耕地中，將茶葉、竹材和木材等項目歸為林地中，將肉類和禽蛋等項目歸為牧草地中，水域對應項目以水產品為主，將有電力項目數據歸為建設用地中，將包含有液化石油氣、煤炭和汽油等的能源數據納入到化石能源用地中。

表2 能量折算與能值轉換標準

2 結果與分析

2.1 生態足跡計算結果與分析

對于區域整體的生態足跡和生態承載變化而言(圖2)，2012年之前，消費足跡總體小于生態承載力，表現出消費盈余，從2012年開始，消費足跡持續超過承載力，表現出赤字狀態，并在2012年之后呈現出赤字逐漸擴大的趨勢。2005—2017年期間，臨湘市整體的生產性生態足跡大于其消費性生態足跡和生態承載力，表明臨湘市整體的生產活動實際從區域生態系統獲取了超過區域人口總體消費的生態生產面積，且資源量的獲得水平超過當前的平均生產資源量，但從生態系統和人類系統間的資源流動分析，臨湘市整體處于安全狀態。

分析臨湘市各地類的足跡構成(圖2—4)可知，生產性生態足跡構成中，耕地、草地和水域提供了90%以上的足跡構成，且耕地、草地和水域都處于生產性生態赤字狀態。消費性生態足跡中，化石能源、水域及草地一直處于赤字狀態，耕地足跡在逐年增加的消費需求下也出現了赤字狀態。化石能源用地和建設用地的消費足跡處于不安全狀態，但從區域生態載體的土地和水域中超額獲取的生態生產面積在滿足消費足跡的同時，為區域同外界進行生態生產性面積互換提供支持，保證了區域人口系統和生態系統在資源流動中處于安全狀態。

圖2 2005-2017年臨湘市足跡、承載變化

圖3 臨湘市各類型土地人均足跡和承載變化

2.2 生態載體產出結果及狀態分析

結合能值理論，土地和水域兩大載體產出能值總量通過能量折算標準和能值轉化率計算得出。如圖4—5所示，2005年產出總能值為3.81×1021sej，其中土地載體產出占比為90.29%，水域載體產出占比為9.71%；2017年產出總能值為4.94×1021sej，其中土地載體產出占比有所下降，為87.65%，水域載體產出占比為12.35%，較之前有所上升。臨湘市能值產出總量總體上呈現波動上升趨勢，且波動變化趨勢與其生產性生態足跡變化趨勢大體一致。區域人口在消費與發展的需求下，通過人類活動作用于區域生態載體，使得生態載體的能值總量呈現上升趨勢。

圖4 臨湘市各地類能值產出量情況

圖5 臨湘市各地類能值產出指數情況

在生態載體承受壓力及載體安全狀態方面，結合圖5和表3可知，生態載體中耕地、草地和水域的生產性生態赤字從2005—2017年都處于逐年擴大的態勢，區域人口一直是超額獲取區域內耕地、草地、水域生態生產性土地面積，載體處于持續壓力狀態，耕地、水域能值產出分級經歷了Ⅱ-U到Ⅰ-D再到Ⅱ-D的變化，草地則是從Ⅲ-U到Ⅱ-U再到Ⅰ-D的變化，結合分析可知，在持續壓力狀態下，耕地、水域和草地載體的產出能力經歷了先提升后出現下降的狀態。持續的壓力狀態首先是促使作用于載體的科學方法和技術的提升和人類活動的增強，在一定程度上提升了耕地、草地和水域載體的能值轉換效率，但伴隨壓力的逐步增大，過度的人類活動使得其載體的狀態下降，耕地和水域的安全性出現退化，草地的安全性出現波動。林地載體一直處于盈余狀態，其能值轉換相對穩定，載體狀態安全，2017年林地的能值產出分級為Ⅳ-D，由于育林保護措施，減少了對區域內林地資源的獲取，所以產出指數較低，但其狀態安全。

對鄉鎮分析可知，城南、五里牌、乘風和黃蓋的生態載體出現明顯退化，現實是隨著逐年上升的人口以及對生態系統服務需求的不斷增加，就如圖6中生態足跡和承載力的變化情況，區域生態載體過度承載，導致其安全狀態下降。就整體分析，臨湘市在2010年前對區域內的生態載體的使用率已達到較高水平，2005年其能值產出分級處于Ⅱ-U級，說明區域內的人類活動作用提升且對生態載體產生正向作用，生產能力逐步提升即將達到最優水平，此時生態載體狀態安全，2010年處于Ⅰ-D級，說明臨湘市人類活動作用增強，使當前時間節點生產能力最優狀態波動，生態載體狀態出現波動，2017年處于Ⅱ-D級，說明區域人類活動作用輕微過度，使當前時間節點載體生產能力出現退化，狀態不穩定。

表3 臨湘市各地類生態安全等級劃分

注：2017年由于鄉鎮合并，部分地區數據為0，部分地區數據被平均。

3 討 論

(1) 通過比較消費性生態足跡與生產性生態足跡分析得出臨湘市在資源流動層面上的安全性。依據改進的生態足跡模型計算結果可知，2006—2017年臨湘市整體的生產性生態足跡和消費性生態足跡的差值始終為正，這表明研究期內臨湘市始終存在剩余的生產性生態面積，資源流動層面狀態安全；除長安辦、詹橋鎮和忠防鎮存在生態資源供給不足的問題外，臨湘市其余鄉鎮的生產性生態足跡和消費性生態足跡的差值始終為正，生態系統和人類系統在資源流動層面表現為安全狀態。

(2) 在生態載體安全狀態的判斷中，2006—2017年臨湘市內的生態載體一直處于壓力狀態。在壓力狀態下，臨湘市內部分生態載體狀態先是波動上升，后又出現下降的過程。臨湘市整體生態載體等級為Ⅰ-D，雖然處于安全狀態，但結合各鄉鎮分析可以發現，江南鎮、聶市鎮和坦渡鄉的生態載體在與區域人口消費活動交互中，其土地及水域載體承受著巨大壓力，部分鄉鎮如聶市鎮和江南鎮載體等級更是降為Ⅲ-D，區域生態載體處于不安全狀態。對不同生態載體類型而言，注意對部分地區耕地和水域的保護，避免粗放式生產及一味追求產量而忽視邊際效益的過度化的化肥、農藥的使用，導致生態載體自身轉換能值能力的退化，從而避免需要更多外部投入來使其維持產出狀態，形成惡性循環，最終導致生態環境退化和經濟效益降低。

(3) 使用綜合資源流動與生態載體層面下的生態安全研究方法，開展對臨湘市的實證分析，分別得出了關于其生態安全內涵兩個方面的結論，避免了僅考慮資源流動層面安全性而導致的結果的片面性。就臨湘市而言，一方面其現階段對生態系統的開發利用雖然滿足了自身發展的需求，但另一方面其整體的能值產出安全等級出現下降，生態載體處于壓力狀態，不利于生態安全狀態的持續穩定，應引導對部分鄉鎮耕地和水域的合理使用，減輕開發強度，使其恢復安全狀態。

4 結 論

(1) 在生態足跡方法評價的基礎上，將能值方法用于對區域生態載體生態安全狀態的判斷，較同類研究更注重對生態載體安全狀態的判斷，更加切合生態安全內涵的釋意，對生態安全研究具有一定意義。但在選取人類活動與生態載體相互作用的指標時，由于存在數據可得性問題，例如隨著區域間的物質與人口流動的日漸頻繁，外來人口活動對本地生態系統及載體的影響也日益增大，而相關數據缺失對流動人口造成的資源與環境壓力的統計，因此模型中的實際消費量偏小，對于人口流動性較大的區域，需要將缺失的部分納入考慮。所以評價模型對實際的擬合程度還可隨未來數據統計精度的提高而提高。

(2) 根據基礎數據研究了區域生態安全在資源消耗層面和生態載體層面上的發展過程，針對研究結果而言，按照土地類型和行政分區劃分進行的研究，能在宏觀層面上對把握區域安全狀態，對指導性規劃方案的制定具備引導作用。后續研究在此基礎上結合地理空間數據補充對安全狀態的成因分析，將評價結果落實于實際對應的地理單元上，用以實施性規劃方案制定的參考。