基于NPP的青海省草地生態足跡以及生態承載力估算
——以海晏縣為例

趙彤 劉潔 孫瑋婕

（1 青海省氣象科學研究所，西寧 810001；2 青海省防災減災重點實驗室，西寧 810001；3 青海省海北牧業氣象試驗站，海北 812200）

0 引言

自1987年以來，可持續發展作為一種新的發展理念和模式已經從定性的描述逐漸走向定量的測定和評價。定量研究可持續發展的程度、人類對資源的利用情況以及人類對生態環境產生的影響以及壓力已經成為目前研究的重要內容[1-4]。生態足跡（ecological footprint，EF）概念是生態學教授William Rees在20世紀90年代提出的，并同Mathis Wackernagel一起將生態足跡概念發展為生態足跡模型[4]。所謂生態足跡就是能夠持續地提供資源或消納廢物的、具有生物生產力的地域空間，其含義就是要維持一個人、地區、國家的生存所需要的或者指能夠容納人類所排放的廢物的、具有生物生產力的地域面積。該值的大小反映著區域人口對環境的破壞程度[5-8]。隨著生態模型的不斷研究與廣泛應用，生態承載力評價是生態足跡模型應用的重要方面[9-11]。生態承載力則是指在某一特定環境條件下（主要指生存空間、營養物質、陽光等生態因子的組合），某種個體存在數量的最高極限[12-13]。生態盈余或赤字是用來表征區域生態承載力情況的兩個要素，是生態承載力與生態足跡兩者之間做差值后所得，若兩者之間的差值＜0，則被定義為生態赤字，即該區域社會經濟發展處于不可持續狀態；差值＞0則被定義為生態盈余，即該區域生產消費活動未超出生態系統承載力[14-17]。

在探索生態足跡模型前期，國內學者主要針對部分省份或區域進行基于生態足跡的生態承載力評價研究。張志強等[18]對中國西部12個省份的生態足跡進行研究計算，進而評價當地的可持續發展狀況，研究表明，除云南和西藏2個省（區）生態足跡較小外，其余10個省（區、市）生態足跡均出現赤字，表明區域的生活強度超過了生態系統的承載能力。徐中民等[19]對國內部分省（區、市）1999年的生態足跡進行了計算，大部分省（區、市）的生態足跡超過了當地的生態承載力，區域經濟社會發展處于一種不可持續的發展狀態。隨著生態足跡模型的不斷應用，針對區域的某一類土地利用類型的生態足跡以及生態承載力的測算研究不斷增多，具體在草地以及耕地兩類土地類型的研究比較突出。任彩鳳等[20]從人均足跡廣度和人均足跡深度著手，定量分析了淮北市的生態系統發展能力，結果顯示，在7 a間，人均生態足跡整體呈增加趨勢，人均生態承載力保持在0.2100 hm2·cap–1的水平，7 a間一直消耗資本存量，生態系統處于極不安全狀態。王瑞杰等[21]利用土地利用數據結合生態足跡模型計算鄂爾多斯高原覆被的生態承載力，2000—2005年鄂爾多斯高原處于生態盈余狀態，2005年以后區域由生態盈余轉為生態赤字，生態承載力處于嚴重透支狀態。楊榮榮[22]對祁連山南坡草地的生態足跡與生態承載力進行了評估，發現2001—2018年祁連山南坡草地人均生態赤字/生態盈余的時間分布呈現逐年降低的趨勢。

青海省海晏縣作為全省的畜牧業重點發展區域，定量的評價區域可持續發展程度對合理利用草地、改善草地生態有著重要的意義。本文以植被凈初級生產力為基礎，對海晏縣草地人均生態足跡與人均生態承載力進行估算與研究，同時揭示其時空變化特征，為區域生態環境健康發展提供一定的科學支撐。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

海晏縣（圖1）位于青海省東北部，湟水河的發源地，北接祁連縣、門源縣，東鄰大通縣、湟中縣，南接湟源縣、共和縣，西鄰剛察縣。全縣總面積4853 km2。區域平均海拔在3000～3400 m；海晏縣屬于高原亞干旱氣候，年平均氣溫為1.5 ℃，年日照時數在2750～2580 h，年降水量在270～500 mm。海晏縣草地資源豐富，是青海省重要的生態畜牧業示范區域，區域有草場362.5萬畝（1畝＝666.7 m2），夏秋草場153.2萬畝，畜均占有草場9.8畝， 主要的草地類型為高寒草地。2020年，海晏縣人口為37729人。

圖1 研究區概況Fig. 1 Location of the study area

1.2 數據來源與預處理

本文的源數據包括用于計算植被凈初級生產力的MODIS NDVI數據（MOD13A1）、氣象數據、植被類型數據以及用于評估CASA模型估算NPP結果精度的MODIS NPP數據（MOD17A3）。

遙感數據來自于NASA，其中MOD13A1數據空間分辨率為500 m，時間分辨率為16 d；MOD17A3空間分辨率為500 m，時間分辨率為1 a。氣象數據來自于國家青藏高原科學數據中心研發的中國區域地面氣象要素驅動數據集（CMFD），該數據集以Princeton、GLDAS、GEWEX-SRB與TRMM作為數據基礎，融合了中國氣象局常規氣象觀測數據制作而成，其精度優于國際上已有的再分析數據[23-24]；數據空間分辨率為1 km，時間分辨率為3 h。植被類型數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心，數據空間分辨率為1 km。綜合利用上述數據，結合CASA模型計算插件計算海晏縣草地NPP，插件中的靜態參數文件引用了以往研究結果，配置9類植被類型的參數[25-27]。

2000—2020年的統計數據主要來源于青海省統計年鑒、中國縣域統計年鑒、青海省海晏縣人民政府官方網站。DEM數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺。

1.3 研究方法

1.3.1 CASA模型計算NPP

CASA模型是由遙感數據、溫度、降水、太陽輻射以及植被類型和土壤類型共同驅動的光能利用率模型，主要通過光合有效輻射（APAR）和光能轉化率（ε）來計算NPP，計算公式為：

光合有效輻射計算公式如下：

式中，SOL為太陽總輻射量（MJ?m–2）；FPAR為植被冠層對入射光合有效輻射的吸收；常數0.5表示植被所能利用的太陽有效輻射占太陽總輻射的比例。SOL、FPAR具體計算方法見參考文獻[28]。

利用2000—2020年計算的NPP數據，結合海晏縣草地分類結果，裁剪出海晏縣草地NPP數據，經過計算輸出相應的統計數據，裁剪與統計方法均采用ArcGIS軟件實現。草地NPP年際變化采用線性趨勢斜率方法[29]計算。

1.3.2 生態足跡模型

基于NPP，對海晏縣草地人均生態足跡進行計算，計算公式為[30]：

式中，ef為海晏縣草地人均生態足跡；ri為海晏縣草地的均衡因子，為研究區某類土地的年平均生產力與所有土地類型總年平均生產力之比，根據文獻[31]，ri=0.49；aai為海晏縣草地人均生物生產面積；ci為海晏縣草地的人均消費量，Yi為海晏縣年產草量 ，Pi為海晏縣年人口數，年產草量和年人口數均由統計年鑒獲取；pi為海晏縣草地的年均NPP；i代表特定的土地類型，在研究中代表草地。

1.3.3 生態承載力計算模型

基于草地均衡因子與產量因子，對研究區域的草地人均生態承載力進行計算，計算公式為：

1.3.4 生態赤字/盈余計算模型

生態赤字/盈余（es）利用生態承載力與生態足跡之間的差值表征，差值＜0 表征區域處于不可持續發展的生態赤字階段，反之表征區域處于可持續發展的生態盈余階段[31]：

2 結果與分析

2.1 海晏縣草地NPP估算及時空變化

2.1.1 MOD17A3產品與CASA模型估算NPP精度評估

利用MOD17A3產品，與CASA模型計算得到的NPP結果進行精度檢驗，利用ArcGIS按點提取值工具分別提取了兩套柵格數據上1000個檢驗樣本值，從兩套數據的精度檢驗結果可以看出兩套產品之間的相關性較高（圖2），且兩套數據之間的偏差較小。

圖2 2015年海晏縣MOD17A3產品與CASA模型NPP（單位：g·m-2·a-1）對比Fig. 2 Comparison of NPP (unit: g·m-2·a-1) between MOD17A3 and CASA model in Haiyan County in 2015

2.1.2 海晏縣草地NPP時間分布格局

2000—2020年海晏縣草地NPP多年平均值為368.96 g·m-2?a-1。整體來看，草地NPP值呈波動上升趨勢，波動范圍在271.06～418.55 g·m-2?a-1。其中，草地NPP的峰值出現在2017年，為418.55 g·m-2?a-1；谷值出現在2000年，為271.06 g·m-2?a-1。2000—2005年，海晏縣草地NPP均低于平均值，且呈逐年上升趨勢；2005年后大部分年份草地NPP高于平均值，除部分年份（2008、2011、2015年）低于平均值以外，其余年份均呈波動上升的趨勢。多年平均值結果表明，自2005年后，海晏縣草地的生產力逐年增強，草地生態環境整體趨好。

2000—2020年海晏縣草地的NPP值呈逐年緩慢增加的趨勢，增加速率為5.50 g·m-2?a-1（圖3）。根據多年變化趨勢結合顯著性檢驗結果，研究區域草地NPP大部表現出顯著增加趨勢，且通過0.05水平的顯著性檢驗，只有部分地區呈略微減少的趨勢。其中，草地NPP減少的區域主要集中在環湖地區以北以及縣域北部零星地區，NPP平均減少0.50 g·m-2?a-1；其余地區NPP由北至南呈增加的趨勢，趨勢斜率范圍在3.0～7.8（圖4）。

圖4 2000—2020年海晏縣草地NPP年際變化趨勢（a）和顯著性檢驗結果（b）Fig. 4 Interannual variation trend (a) of grassland NPP in Haiyan County from 2000 to 2020 and its significance analysis (b)

2.1.3 海晏縣草地NPP空間分布格局

海晏縣草地NPP多年平均值的空間分布特征為中部向西部以及北部高山地區逐漸減少的趨勢，且高值區和低值區的分布界限比較明顯。其中，中部低海拔地區的青海湖鄉、三角城金灘鄉以及哈勒景的草地生產力較強，區域草地的NPP值在400～450 g·m-2?a-1。環湖以北沙地區域以及北部海拔較高的青海湖鄉以及甘子河等區域的草地整體NPP值較低，在200～300 g·m-2?a-1。從分布結果來看，海晏縣草地NPP的分布具有一定的垂直地帶性，具體表現為隨海拔升高，NPP逐漸降低（圖5）。

圖5 2000—2020年海晏縣草地年均NPP空間分布Fig. 5 Spatial distribution of the annual grassland NPP in Haiyan County from 2000 to 2020

2.2 海晏縣草地生態足跡估算及時空變化

2.2.1 海晏縣草地生態足跡時間分布

在草地NPP計算結果的基礎上，根據式（3）對2000—2020年的草地人均生態足跡進行定量化估算。由于文章中只涉及草地一種土地利用類型，因此生態足跡模型中的均衡因子為草地均衡因子，取0.49[31]。最終海晏縣草地人均生態足跡估算結果如圖6所示：21 a間，海晏縣草地人均生態足跡呈緩慢上升的趨勢，平均生態足跡為0.24 hm2·cap-1，同時在2007、2009和2017年出現了3次下降。2020年海晏縣草地生態足跡為0.34 hm2·cap-1，相較于2000年增長了0.16 hm2·cap-1。整體來看，2000—2013年草地人均生態足跡均低于平均值，表明該時段草地生態系統態勢趨穩，未出現較大的生態環境危機。

圖6 2000—2020年海晏縣草地人均生態足跡時間分布特征Fig. 6 Temporal distribution of ecological footprint per capita in Haiyan County from 2000 to 2020

2000—2020年海晏縣人均草地生態足跡年際變化趨勢平均值為0.010 hm2·cap-1，表現出顯著增加的趨勢（P<0.05），僅部分地區呈略微減少的趨勢。其中，中部大部區域生態足跡每年增長速率在0.008～0.011 hm2·cap-1；甘子河鄉南部以及東北部、青海湖鄉南部以及北部部分地區和西海鎮生態足跡每年增長速率在0.015～0.018 hm2·cap-1。可以看出，增長速率較大區域也是草地長勢較差退化嚴重、以及海拔偏高區域，區域整體情況對有限的草地資源的負面影響較大（圖7）。

圖7 2000—2020年海晏縣草地人均生態足跡年際變化趨勢（a）和顯著性檢驗結果（b）Fig. 7 Interannual variation trend (a) of grassland ecological footprint per capita from 2000 to 2020 in Haiyan County and its significance analysis (b)

2.2.2 海晏縣草地生態足跡空間分布

圖8為草地人均生態足跡空間分布結果，分布特征為中部偏低環湖以北以及北部高山地區偏高。其中，草地人均生態足跡最小的區域分布在草地生產力較強的中部區域，區域值范圍為0.17～0.21 hm2·cap-1，面積占整個研究區草地面積的42.85%；草地生態足跡最小的區域分布在草地生產力較強的中部大部以及北部和東南部部分區域，其值范圍為0.17～0.21 hm2·cap-1，面積占比約為42.85%；草地人均生態足跡最大的區域主要分布于環湖北部以及研究區北部高海拔的部分區域，其值范圍為0.44～1.06 hm2·cap-1，面積占比約為8.09%。

2.3 海晏縣草地生態承載力估算及時空分布

2.3.1 海晏縣草地生態承載力時間分布

根據生態承載力計算模型，結合確定的草地均衡因子、產量因子、海晏縣草地面積以及人口數量等要素，對海晏縣2000—2020年草地人均生態承載力進行估算。由于文章主要涉及草地一種土地利用類型，所以產量因子主要以草地為主，產量因子是根據海晏縣草地NPP與全國草地NPP平均值的比值計算得出。2000—2020年海晏縣草地人均生態承載力呈微弱降低的趨勢，最高值出現在2005年，為3.57 hm2?cap-1，最低值出現在2015年，為2.77 hm2·cap-1（圖9）。圖10為海晏縣21 a間草地人均生態承載力年際變化趨勢與顯著性檢驗結果（P<0.05），空間分布特征表現為北部以及中部顯著減少，西南以及東南部顯著增加的趨勢。其中減少的區域主要集中在甘子河鄉中北部、三角城以及哈勒景大部，其變化范圍在－0.037～0.041 hm2·cap-1；草地人均生態承載力增加的區域主要集中在環湖以北的甘子河鄉、青海湖鄉以及西海鎮，生態承載力增加范圍在0.135～0.561 hm2·cap-1。

圖9 2000—2020年海晏縣草地人均生態承載力時間分布特征Fig. 9 Temporal distribution of grassland ecological carrying capacity per capita in Haiyan County from 2000 to 2020

圖10 2000—2020年海晏縣草地人均生態承載力年際變化趨勢（a）和顯著性檢驗結果（b）Fig. 10 Interannual variation trend (a) of grassland ecological carrying capacity per capita in Haiyan County from 2000 to 2020 and its significance analysis (b)

2.3.2 海晏縣草地生態承載力空間分布

海晏縣2000—2020年草地人均生態承載力空間分布結果如圖11所示。草地人均生態承載力空間分布呈由四周向中部逐漸增大的趨勢。其中，草地生態承載力最小的區域分布于研究區中海拔較高區域以及存在土地沙化的區域，區域值范圍為1.5～2.5 hm2·cap-1，約占整個研究區草地面積的32.07%；草地生態承載力較大的區域分布于研究區的中部地帶，其值范圍在2.9～4.1 hm2·cap-1，在甘子河鄉、金灘鄉以及青海湖鄉分布比較多，面積占比約為67.93%。結果顯示，海晏縣草地人均生態承載力與區域的草地生產力以及畜牧業的發展存在著密切的關系，青海湖鄉北部以及甘子河鄉等地區海拔較高，草地的生產能力較弱，牛羊等牲畜的數量較少，進而草地生態承載力偏低。

圖11 2000—2020年海晏縣草地人均生態承載力空間分布Fig. 11 Spatial distribution of grassland ecological carrying capacity per capita in Haiyan County from 2000 to 2020

2.4 海晏縣草地生態赤字/盈余時空分布

基于生態承載力與生態足跡的計算結果，對海晏縣2000—2020年草地人均生態赤字/盈余的年際變化情況進行估算，結果如表1所示。2000—2020年海晏縣草地人均生態赤字/盈余的年際變化呈現逐年波動降低的趨勢，總體上每年的數值均＞0，草地生態系統處于生態盈余的狀態，未出現較大環境危機。21 a間草地人均生態赤字/盈余的平均值約為2.87 hm2·cap-1，其中，低于平均值的年份有9個，最低值出現在2020年，為2.51 hm2·cap-1，這是由于2020年的草地生產力較低且生態承載力較低的原因。在2005年海晏縣草地生態赤字/盈余達到了2000—2020年的峰值，為3.39 hm2·cap-1，主要是2005年海晏縣草地NPP較大且人均生態足跡較低，使得該年份的草地生態環境狀況較好。

表1 2000—2020年海晏縣人均生態足跡、人均生態承載力以及生態赤字/盈余情況Table 1 Per capita ecological footprint, ecological carrying capacity and ecological deficit/surplus in Haiyan County from 2000 to 2020

從多年平均的空間分布情況來看，2000—2020年全縣草地生態赤字/盈余呈由四周向中部逐漸增加的分布格局。其中生態赤字/盈余較低的區域仍處于環湖以北以及海晏縣北部高海拔地區，區域的生態赤字/盈余值范圍在1.0～2.5 hm2·cap-1；高值區在研究區中部，中部地區處于生態盈余的狀態，區域值的范圍在3.0～4.0 hm2·cap-1（圖12）。

圖12 2000—2020年海晏縣草地生態赤字/盈余空間分布Fig. 12 Spatial distribution of grassland ecological deficit/surplus in Haiyan County from 2000 to 2020

3 結論

本文基于NPP數據，結合生態足跡以及生態承載力計算模型，對2000—2020年海晏縣草地生態足跡以及生態承載力進行了估算，同時揭示其時空分布特征。最終得出以下結論。

1）海晏縣2000—2020年草地NPP多年平均值為368.96 gC?m-2?a-1。草地NPP值呈波動上升趨勢，波動范圍在271.06～418.55 gC?m-2?a-1。其中，草地NPP的峰值出現在2017年，為418.55 gC?m-2?a-1，谷值出現在2000年，值為271.06 gC?m-2?a-1。同時，海晏縣草地NPP的分布具有一定的垂直地帶性，具體表現為隨海拔升高，NPP逐漸降低。

2）21 a間海晏縣草地人均生態足跡呈緩慢上升的趨勢，平均生態足跡為0.24 hm2·cap-1。2020年海晏縣草地生態足跡為0.34 hm2·cap-1，相較于2000年增長了0.16 hm2·cap-1。草地人均生態足跡最小的區域分布于草地生產力較強的中部區域，面積占整個研究區草地面積的42.85%；草地人均生態足跡最大的區域主要分布于環湖北部以及研究區北部高海拔的部分區域，其值范圍為0.44～1.06 hm2·cap-1，約占整個研究區面積的8.09%。

3）2000—2020年海晏縣草地人均生態承載力呈微弱降低的趨勢，最高值出現在2005年，為3.57 hm2?cap-1，最低值出現在2015年，為2.77 hm2?cap-1。空間分布特征表現為北部以及中部減少，西南以及東南部增加。其中，草地生態承載力最小的區域分布于研究區中海拔較高區域以及存在土地沙化的區域，約占整個研究區草地面積的32.07%；草地生態承載力較大的區域分布于研究區甘子河鄉、金灘鄉以及青海湖鄉，面積占比約為67.93%。

4）2000—2020年全縣草地生態赤字/盈余的平均值為2.87 hm2?cap-1，呈由四周向中部逐漸增加的分布格局。總體上每年的數值均＞0，草地生態系統處于生態盈余的狀態，未出現較大環境危機。