阮小春，朱紅梅*，張 健，言 含

（1. 湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，湖南?長沙 410128；2. 湖南省新化縣畜牧水產局，湖南?新化 417600)

長沙市生態(tài)安全分區(qū)對比研究

阮小春1，朱紅梅1*，張 健2，言 含1

（1. 湖南農業(yè)大學資源環(huán)境學院，湖南?長沙 410128；2. 湖南省新化縣畜牧水產局，湖南?新化 417600)

運用改進型能值生態(tài)足跡模型計算出長沙市各區(qū)縣2006~2015年的人均生態(tài)承載力與人均生態(tài)足跡，并運用GM(1,1)模型得出2016~2025年的預測值。發(fā)現(xiàn)長沙市各區(qū)縣的人均生態(tài)赤字呈現(xiàn)三種變化趨勢：一是生態(tài)赤字逐漸加大，二是生態(tài)赤字處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，三是逐漸加大后出現(xiàn)拐點，轉變?yōu)橹饾u減少甚至出現(xiàn)生態(tài)盈余。根據人均生態(tài)赤字的這三種變化特征將長沙市劃分為生態(tài)紅區(qū)、生態(tài)黃區(qū)和生態(tài)藍區(qū)，對比分析其生態(tài)安全狀況，為經濟發(fā)展規(guī)劃提供參考。

生態(tài)安全評價；能值；生態(tài)足跡模型；生態(tài)承載力；可持續(xù)發(fā)展

隨著社會經濟的快速發(fā)展，人們對自然資源的過度利用和消耗，引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題，如耕地減少、森林破壞、水土流失、土地荒漠化等[1]，生態(tài)安全逐漸受到國際社會的重視[2,3]。我國人地矛盾日趨尖銳，新型城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展對城市生態(tài)環(huán)境提出了更高要求[4,5]。因此開展城市生態(tài)安全評價，協(xié)調好經濟發(fā)展與資源環(huán)境的關系，顯得尤為重要[6]。

運用改進型生態(tài)足跡模型評價區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，能夠克服傳統(tǒng)模型生態(tài)偏向性的弱點，逐漸成為生態(tài)安全研究的熱點。2014年顧康康等人運用社會經濟系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)改進傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型，對礦業(yè)城市淮南市的土地利用與生態(tài)承載力進行時空變化分析[7]。隨后，盛業(yè)旭等人通過引入人工投入指標與折標系數(shù)對能值生態(tài)足跡模型進行修正，并測算了南通市可持續(xù)發(fā)展水平[8]。曾曉霞等人通過引入社會經濟虛擬承載力賬戶對能值生態(tài)足跡模型進行改進，并對長沙市及湘江城市段的生態(tài)足跡及其驅動力進行分析研究[9,10]。2016年楊青等人采用生態(tài)足跡模型對東北老工業(yè)基地遼寧省的生態(tài)安全進行評價[11]。楊燦等人運用生態(tài)足跡改進模型對湖南省生態(tài)赤字進行了研究[12]。

目前結合經濟、科技與人力因素的生態(tài)承載力研究還處于起步階段，有關長沙市的類似研究多集中于整體的、靜態(tài)的現(xiàn)狀分析。本文將對能值生態(tài)足跡模型進行改進，計算承載力時引入人工生態(tài)承載力對生態(tài)承載力進行修正，采用湖南省平均能值密度代替全球平均能值密度，生態(tài)足跡計算采用生產量代替消費量。根據研究區(qū)域生態(tài)赤字的變化特征進行生態(tài)紅區(qū)、生態(tài)黃區(qū)及生態(tài)藍區(qū)的劃分，對比分析其生態(tài)安全狀況，分別提出可持續(xù)發(fā)展的相關建議，是本文的主要創(chuàng)新點。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據來源

1.1 研究區(qū)域概況

長沙市是中部崛起的重要戰(zhàn)略城市，是湖南省的政治、經濟、文化、交通、科教和商貿中心，同時是兩型社會試驗區(qū)，長株潭城市群的核心。長沙市位于湖南省東部偏北方向，湘江下游和長瀏盆地西緣，土地面積11819km2,城區(qū)面積2185km2。2015年末長沙市常住人口達到743.18萬人，地區(qū)生產總值達8510.13億元，形成了以工業(yè)機械、煙草制品、汽車零部件制造、非金屬制品及新材料等五大支撐行業(yè)。長沙市水系發(fā)達，水資源豐富，氣候溫和，雨熱同期，屬亞熱帶季風氣候，其土壤類型多樣，以紅壤、水稻土為主，適合種植多種農作物。

1.2 數(shù)據來源

本文基礎數(shù)據主要來源于2006~2015年《長沙統(tǒng)計年鑒》及2015年長沙市各區(qū)縣國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報，并通過調查走訪，從長沙市統(tǒng)計局、長沙市氣象等相關部門補充與核對部分數(shù)據。

2 能值生態(tài)足跡改進模型的計算方法

2.1 人均生態(tài)承載力計算

生態(tài)承載力是指在一定生活水平下，一個國家或地區(qū)所能提供給特定人口所需資源及吸納這些人口產生的廢棄物的生物生產性土地面積。本文人均生態(tài)承載力計算分為人均自然生態(tài)承載力與人均人工生態(tài)承載力兩部分?？紤]到社會的可持續(xù)發(fā)展，自然資源只計算可更新的太陽能、風能、雨水化學能、雨水勢能、地球旋轉能以及3%表層土壤有機能。根據能值理論，風能、雨水化學能和雨水勢能都是太陽能的轉化形式，只取四者中的最大值計入總能值。具體計算公式為：

式中：ECn為人均自然生態(tài)承載力，m2/人；E為可更新資源總能值，sej；P1為湖南省平均能值密度，數(shù)值為1.52×1011sej/m2[13,14]；N為常住人口數(shù)量，人；ei為第i種同類可更新資源的最大值，sej。

經濟發(fā)展與科技進步能夠提高對自然資源與能量的開發(fā)利用水平，綜合考慮社會經濟系統(tǒng)對生態(tài)承載力的影響，引入經濟、科技及人力資源因子對生態(tài)承載力進行修正[6~8]。計算公式為：

式中：ECe為人均人工生態(tài)承載力，m2/人；te為能值資本轉換率，sej/萬元[15~17]；Vt為高新技術產值，代表科學技術水平，萬元；Va為固定資產投資額代表經濟發(fā)展能力，萬元；Vs為勞務價值，代表人力資源規(guī)模，萬元；GDP為地區(qū)生產總值，萬元。

因此修正后的人均生態(tài)承載力為人均自然生態(tài)承載力與人均人工生態(tài)承載力之和，計算公式為：

式中：EC為人均生態(tài)承載力，m2/人。

2.2 人均生態(tài)足跡計算

根據生態(tài)足跡理論，生物生產性土地類型分為耕地、林地、草地、水域、化石能源用地及建筑用地六大類型。某一地區(qū)生產的產品無論是否被當?shù)叵M，都消耗了當?shù)氐纳鷳B(tài)資源，因此本文計算生態(tài)足跡采用生產量代替消費量。引入能量折算系數(shù)與能值轉換率，將不同類型的生物產量換算為太陽能值，再利用區(qū)域能值密度將太陽能值換算為生物生產性土地面積，即為當?shù)氐纳鷳B(tài)足跡。計算公式為：

式中：P2為區(qū)域能值密度，sej/m2；S為區(qū)域面積，m2；Ci為第i種資源的太陽能值，sej；Ti為第i種資源的產量，t；Mi為第i種資源的能量折算系數(shù)，J/t[15,16]；Ki為第i種資源的太陽能值轉換率，sej/J[17,18]；EF為人均生態(tài)足跡，m2/人；ai為第i種資源的人均生態(tài)足跡，m2/人。

3 生態(tài)安全評價指標

3.1 人均生態(tài)赤字

將計算出來的人均生態(tài)承載力與人均生態(tài)足跡進行對比，人均生態(tài)承載力大于人均生態(tài)足跡時，出現(xiàn)生態(tài)盈余，表明當?shù)厣鷳B(tài)處于安全狀態(tài)；反之，則出現(xiàn)生態(tài)赤字，表明生態(tài)安全存在隱患；當二者相等，則說明生態(tài)平衡。計算公式為：

式中：EB為人均生態(tài)赤字，m2/人。

3.2 生態(tài)壓力指數(shù)

生態(tài)壓力指數(shù)是指某個地區(qū)單位生態(tài)承載面積上的生態(tài)足跡，代表該區(qū)域生態(tài)環(huán)境所承受的壓力程度[18,19]。計算公式為：

式中：EFI為生態(tài)壓力指數(shù)。當01時，生態(tài)資源供小于求，生態(tài)壓力大。根據生態(tài)壓力指數(shù)范圍可以劃分生態(tài)安全等級[20]。

4 預測模型

灰色系統(tǒng)是指既含有已知信息又含有未知信息的系統(tǒng)，灰色系統(tǒng)模型是通過利用較少或不確切的表示灰色系統(tǒng)行為特征的原始數(shù)據通過累加或者累減生成新的數(shù)據序列，來描述灰色系統(tǒng)內部事物連續(xù)變化的預測模型。本文運用GM(1,1)模型，通過編程在MATLAB中計算預測值，其精度檢驗等級見表1。

表1 GM(1,1)模型精度等級及指標值Table 1 Accuracy class and the index value of GM(1,1) model

5 結果與分析

5.1 生態(tài)分區(qū)

根據改進型能值生態(tài)足跡模型計算出長沙市各區(qū)縣2006~2015年的人均生態(tài)承載力與生態(tài)足跡，并通過GM(1,1)模型得到2016~2025年的預測值，從而計算出人均生態(tài)赤字/盈余。預測值中精度達到一級的占71.67%，二級占26.11%，三級占2.22%，可見預測值比較理想。表2與圖1為2006、2010、2015、2020、2025的計算與預測結果。由表2可以看出長沙市各區(qū)縣的人均生態(tài)承載力與人均生態(tài)足跡呈現(xiàn)總體上升趨勢。由圖1可以看出長沙市各區(qū)縣的人均生態(tài)赤字呈現(xiàn)三種變化趨勢，芙蓉區(qū)、天心區(qū)、岳麓區(qū)、開福區(qū)及雨花區(qū)均呈現(xiàn)逐年加大的趨勢，而長沙縣每年的人均生態(tài)赤字比較均衡，沒有呈現(xiàn)明顯的變化趨勢，望城區(qū)、瀏陽市及寧鄉(xiāng)縣均呈現(xiàn)加大到一定程度后出現(xiàn)拐點轉為遞減，瀏陽市與寧鄉(xiāng)縣甚至出現(xiàn)生態(tài)盈余的現(xiàn)象。根據人均生態(tài)赤字的這三種變化趨勢將長沙市劃分為生態(tài)紅區(qū)（芙蓉區(qū)、天心區(qū)、岳麓區(qū)、開福區(qū)、雨花區(qū)）、生態(tài)黃區(qū)（長沙縣）及生態(tài)藍區(qū)（望城區(qū)、瀏陽市、寧鄉(xiāng)縣）。紅色帶有預警的意思，生態(tài)紅區(qū)意為生態(tài)壓力不斷加大，環(huán)境狀況不容樂觀；黃色為中性顏色，生態(tài)黃區(qū)意為生態(tài)環(huán)境比較穩(wěn)定，沒有明顯惡化或好轉趨勢；藍色代表明朗與潔凈，生態(tài)藍區(qū)意為生態(tài)環(huán)境比較樂觀，有好轉趨勢，具體分區(qū)見圖2。

表2 長沙市各區(qū)縣人均生態(tài)承載力與生態(tài)足跡計算結果Table 2 The calculation results of per person ecological carrying capacity and ecological footprint of all districts and counties in Changsha city

圖1 長沙市各區(qū)縣人均生態(tài)赤字Fig.1 The per person ecological deficit of all districts and counties in Changsha city

圖2 長沙市生態(tài)分區(qū)Fig.2 The ecological division of Changsha city

5.2 生態(tài)安全評價

（1）人均生態(tài)赤字

從計算結果與圖3可以看到長沙市生態(tài)紅區(qū)的人均生態(tài)赤字最大，且呈現(xiàn)不斷加大的趨勢，從2006年的9.35E+04m2/人增加到2025年的2.30E+05m2/人，年均增長率達到7%。2015年之前人均生態(tài)赤字呈現(xiàn)波動上升，2015年以后，呈現(xiàn)持續(xù)上升，說明其未來的生態(tài)狀況不容樂觀。生態(tài)黃區(qū)的生態(tài)赤字在研究期內沒有出現(xiàn)明顯遞增或遞減的趨勢，人均生態(tài)赤字在年平均值3.33E+04m2/人上下小幅波動，說明其生態(tài)環(huán)境處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，沒有改善也沒有惡化。生態(tài)藍區(qū)2006年的人均生態(tài)赤字為4.61E+04m2/人，后呈現(xiàn)小幅上升，在2009年達到最大值7.00E+04m2/人,后轉為逐漸下降，并在2022年出現(xiàn)人均生態(tài)盈余1.23E+04m2/人，并不斷增加，到2025年增加到8.07E+04m2/人。生態(tài)藍區(qū)出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因有三點，分別是：它本身的生態(tài)環(huán)境好，生態(tài)赤字較小；經濟發(fā)展相對落后因而生態(tài)足跡增加緩慢；生態(tài)環(huán)境的自我恢復能力強。

圖3 長沙市生態(tài)區(qū)劃人均生態(tài)赤字Fig.3 The per person ecological deficit of the three areas in Changsha city

（2）生態(tài)壓力指數(shù)

由表3可以看出2006~2025生態(tài)紅區(qū)的生態(tài)壓力指數(shù)明顯高于生態(tài)黃區(qū)與生態(tài)藍區(qū)，指數(shù)范圍為12.64~19.75。2006年生態(tài)紅區(qū)壓力指數(shù)為15.07，之后逐漸增加，2008年增幅最大，由15.33增加到19.49，增長率達到27%。2010年生態(tài)壓力指數(shù)達到最大值19.32，2011年出現(xiàn)下降，2011~2015年出現(xiàn)波動變化趨勢，2016年之后呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，到2025年生態(tài)壓力指數(shù)降到最低值12.64。生態(tài)黃區(qū)的生態(tài)壓力指數(shù)介于生態(tài)紅區(qū)與生態(tài)藍區(qū)之間，指數(shù)范圍為1.87~4.85。2006年生態(tài)黃區(qū)的壓力指數(shù)為4.48，之后出現(xiàn)小幅增加，到2009年達到最大值4.85，之后呈現(xiàn)持續(xù)遞減，到2025年降到1.87。生態(tài)藍區(qū)的生態(tài)壓力指數(shù)最小，指數(shù)范圍為0.72~3.25，在2008年之前呈現(xiàn)波動變化，2009年之后出現(xiàn)持續(xù)降低趨勢，到2025年降到最低值0.72。由此可以看出，2009年是長沙市生態(tài)環(huán)境變化的一個拐點，在此之前生態(tài)壓力指數(shù)不斷增加，而2009年以后呈現(xiàn)降低趨勢。造成這一現(xiàn)象的原因有兩個，其一是2006~2009年間長沙市社會經濟的發(fā)展增速不斷加大，而2009年之后社會經濟發(fā)展增速放緩，快速的經濟增長必然帶來生態(tài)足跡的大量增加，進而加大對生態(tài)環(huán)境的壓力。其二是一系列環(huán)境問題的出現(xiàn)，引起了政府和社會對生態(tài)的關注和重視，加大了對生態(tài)環(huán)境的保護。根據表4生態(tài)安全等級的劃分，可以判斷研究期內生態(tài)紅區(qū)的生態(tài)安全主要處于輕度不安全狀態(tài)，生態(tài)黃區(qū)與生態(tài)藍區(qū)主要處于生態(tài)較安全狀態(tài)。

6 結論與建議

（1）長沙市各區(qū)縣的人均生態(tài)承載力與人均生態(tài)足跡在研究期內均有所增加，人均自然生態(tài)承載力主要受降水量的影響，其變化幅度不大，說明人均生態(tài)承載力的提高主要來源于人均人工生態(tài)承載力的增加。由此可見經濟發(fā)展與科技進步不僅會加大生態(tài)足跡規(guī)模，也能提高生態(tài)承載力。

表3 長沙市各生態(tài)區(qū)劃生態(tài)壓力指數(shù)Table 3 The ecological pressure index of the three areas in Changsha city

表4 生態(tài)安全等級劃分Table 4 The division of ecological security level

（2）長沙市三大生態(tài)區(qū)的特點是，生態(tài)紅區(qū)經濟發(fā)展程度最高，經濟發(fā)展速度最快，其生態(tài)壓力指數(shù)也最大，研究期間生態(tài)壓力指數(shù)平均值達到15.75。生態(tài)黃區(qū)年平均生態(tài)壓力指數(shù)為3.17，其經濟發(fā)展情況與生態(tài)壓力指數(shù)均介于生態(tài)紅區(qū)與生態(tài)藍區(qū)之間。生態(tài)藍區(qū)經濟發(fā)展相對落后，其生態(tài)壓力指數(shù)也最小，年平均值為1.84。由此得知長沙市區(qū)域經濟發(fā)展程度與生態(tài)環(huán)境壓力指數(shù)呈現(xiàn)負相關關系。

（3）三大生態(tài)區(qū)的生態(tài)壓力指數(shù)均出現(xiàn)先遞增后遞減的趨勢。生態(tài)紅區(qū)的生態(tài)壓力指數(shù)從2006年的15.07提高到2009年的19.75，之后轉為遞減，到2025年生態(tài)壓力指數(shù)降到12.64。生態(tài)黃區(qū)的生態(tài)壓力指數(shù)從2006年的4.48提高到2009年的4.85，后轉為遞減，到2025年降到1.87。生態(tài)藍區(qū)的生態(tài)壓力指數(shù)從2006年的3.13提高到2007年的3.25后不斷減少，2025年降低到0.72。這說明經濟發(fā)展過程中，生態(tài)環(huán)境會出現(xiàn)先惡化后改善的規(guī)律性，這符合庫茲涅茲環(huán)境曲線。

（4）研究期內生態(tài)紅區(qū)處于輕度不安全狀態(tài)，其生態(tài)赤字呈現(xiàn)逐年加大趨勢。在今后的發(fā)展過程中要大力發(fā)展高興技術產業(yè)，提高資源利用效率，通過減緩生態(tài)足跡增加來減輕生態(tài)壓力，避免環(huán)境惡化。生態(tài)黃區(qū)處于較安全狀態(tài)，需要在維持現(xiàn)有狀態(tài)下，保持土地利用類型的多樣性，加強生態(tài)平衡，提高可持續(xù)發(fā)展能力。生態(tài)藍區(qū)處于安全狀態(tài)，其可持續(xù)發(fā)展能力最強，具有很大的發(fā)展?jié)摿?，需要招商引資，加大人才隊伍建設和政策支持，發(fā)展環(huán)保節(jié)能型產業(yè)，在保護好現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境的基礎上把握機會加速發(fā)展。

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Comparing ecological security in different areas of Changsha

RUAN Xiao-Chun1, ZHU Hong-Mei1, ZHANG Jian2, YAN Han1
(1. College of Resource and Environment, Hunan Agricultural University, Hunan Changsha 410128, China; 2. The Animal Husbandry Administration of Xinhua County, Hunan Xinhua 417600, China)

This study calculates the per capita ecological carrying capacity and ecological footprint for the years between 2006 and 2015 for all districts and counties in the city of Changsha. The study used a modified model of emergetic ecological footprint and predicted the results from the years between 2016 and 2025 using a GM(1,1) model. The results show that the per capita ecological deficit presents three change trends: one increased gradually, one was in a relatively stable state, and the third gradually increased to the inflection point, then reduced and even appeared as ecological surplus. According to these three characteristics, Changsha was divided into three ecological areas: red, yellow, and blue, and the ecological security of each area were analyzed to provide resources for economic development planning.

ecological security valuation; emergy; ecological footprint model; ecological carrying capacity; sustainable development

F293.22

A

2095-1329(2017)01-0070-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.01.016

2016-11-29

修回日期: 2017-01-16

阮小春(1990-),女,碩士生,主要研究方向為土地資源管理與規(guī)劃.

電子郵箱: 137925193@qq.com

聯(lián)系電話: 0731-84617714基金項目: 湖南省國土資源廳科研項目(湘財建指[2014]405)

*通訊作者: 朱紅梅(碩士/教授): zhuhm2004@126.com