干旱區(qū)內(nèi)陸河流域三維生態(tài)足跡時(shí)空變化分析
——以瑪納斯河流域?yàn)槔?/h1>
2020-11-14 07:06:46李鵬輝徐麗萍張軍民金夢婷張茹倩
生態(tài)學(xué)報(bào) 2020年19期
李鵬輝,徐麗萍, *,張軍民,金夢婷,張茹倩
1 石河子大學(xué)理學(xué)院, 石河子 832000 2 廣西師范大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 桂林 541001
自然資本和生態(tài)服務(wù)是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展,人類對自然資本的消耗和生態(tài)系統(tǒng)的占用強(qiáng)度越來越大,通過綠色生產(chǎn)和消費(fèi)以優(yōu)化土地資源利用效率,提高自然資源承載和生態(tài)服務(wù)價(jià)值成為亟待解決的熱點(diǎn)[2]。生態(tài)足跡巧妙地用生物生產(chǎn)性土地面積來表征人類對自然環(huán)境的真實(shí)占用,實(shí)現(xiàn)了自然資本占用和經(jīng)濟(jì)外部性成本的統(tǒng)一性核算,為研究生態(tài)安全及可持續(xù)發(fā)展提供了有效方法[3]。目前國內(nèi)生態(tài)足跡的研究主要集中在足跡模型的改進(jìn)[4-6]、研究領(lǐng)域的擴(kuò)展[7-10]、時(shí)空變化的探討[11-13]、驅(qū)動(dòng)力的分析[14-16]等4個(gè)方面。生態(tài)足跡研究在理論框架探索、生態(tài)價(jià)值估算、生態(tài)供求關(guān)系及時(shí)空格局分異等方面取得了明顯進(jìn)展,逐漸明晰了生態(tài)足跡評價(jià)需要集成人地關(guān)系地域系統(tǒng)理論和地球系統(tǒng)科學(xué)研究方法,揭示基于系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值流動(dòng)規(guī)律的生態(tài)足跡供求關(guān)系及平衡機(jī)理,探索社會經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與生態(tài)服務(wù)功能之耦合關(guān)聯(lián)機(jī)制[17-19]。但仍難以精準(zhǔn)追蹤生態(tài)服務(wù)價(jià)值流動(dòng)過程,缺少定量模擬生態(tài)足跡變化格局及路徑的技術(shù)手段,基于特定區(qū)域人地關(guān)系模式的多學(xué)科綜合研究能力相對薄弱,往往忽略了人類社會投入對生態(tài)足跡的影響,評價(jià)理論及方法都很難精確反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化規(guī)律[20-22]。當(dāng)前,如何精確測算基于統(tǒng)一性認(rèn)識的區(qū)域生態(tài)資本消耗強(qiáng)度和供給能力,不斷改進(jìn)生態(tài)足跡評價(jià)方法是提高生態(tài)足跡評價(jià)可靠性和有效性的關(guān)鍵[23]。具體表現(xiàn)在：(1)經(jīng)濟(jì)全球化愈演愈烈,資源跨區(qū)占用問題逐漸突出,區(qū)域尺度的生態(tài)足跡研究難以真實(shí)反映本地的生態(tài)壓力[24]。(2)作為生態(tài)足跡模型的關(guān)鍵參數(shù),產(chǎn)量因子和均衡因子是不同區(qū)域不同生產(chǎn)性土地類型之間進(jìn)行對比轉(zhuǎn)換的橋梁。由于區(qū)域氣候、地形、生物生產(chǎn)力等不同,直接借用全球或全國的因子難以真實(shí)反映小尺度(特定區(qū)域)的生態(tài)狀況[25-26]。(3)考慮到森林為主要的碳匯用地,能源消費(fèi)足跡多用吸收能源消費(fèi)產(chǎn)生的CO2所需的林地面積來表示,忽視了土地的多功能性,不夠科學(xué)。且能源用地缺乏相應(yīng)的產(chǎn)量因子,容易造成總足跡虛高的現(xiàn)象[27-28]。(4)在進(jìn)行生態(tài)足跡測算時(shí),大多以行政區(qū)域作為研究單元,忽略了系統(tǒng)的開放性,作為衡量生態(tài)狀況的重要手段,以生態(tài)單元作為研究邊界更有意義[29]。
干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,其建設(shè)發(fā)展倍受學(xué)界關(guān)注,相關(guān)研究主要集中在承載力計(jì)算、生態(tài)安全評價(jià)、水資源管理等方面[30-32],尺度上多以行政單元為主,而內(nèi)陸河流域作為干旱區(qū)人工活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、水土開發(fā)最密集的區(qū)域,在該尺度上的研究相對較少。因此,以生態(tài)單元完整、經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速而潛在生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)巨大,且相對獨(dú)立的干旱區(qū)內(nèi)陸河流域——新疆瑪納斯河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域,運(yùn)用本土因子修正其生態(tài)足跡當(dāng)量因子,并完善能源足跡的計(jì)算方法,為豐富干旱區(qū)內(nèi)陸河流域生態(tài)足跡的研究提供了實(shí)證案例。
1 研究區(qū)概況
瑪納斯河流域(以下簡稱“瑪河流域”)位于43°05′—45°58′N,85°01′—86°32′E之間,自南向北依次經(jīng)過山地、綠洲、荒漠,行政上包括石河子市、瑪納斯縣、沙灣縣、新湖總場以及克拉瑪依市的小拐鄉(xiāng)等,是“天山北坡經(jīng)濟(jì)帶”和“絲綢之路”經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)的重要組成部分(圖1)。21世紀(jì)以來,瑪河流域社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)入快速階段,大規(guī)模的水土開發(fā)和人口經(jīng)濟(jì)增長,使綠洲及其周邊環(huán)境發(fā)生了深刻變化。流域經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度不斷增加,人工綠洲持續(xù)擴(kuò)張,耕地、建設(shè)用地大量增加[33],農(nóng)業(yè)用水嚴(yán)重?cái)D占工業(yè)、生活、生態(tài)用水[34],地下水位持續(xù)下降,人類干擾活動(dòng)強(qiáng)烈,致使?jié)竦赝嘶瘒?yán)重,鹽漬化面積擴(kuò)大,生態(tài)服務(wù)價(jià)值整體下降[35],區(qū)域發(fā)展面臨著現(xiàn)實(shí)及潛在的生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)。
圖1 瑪納斯河流域示意圖Fig.1 Sketch map of the Manas River Basin
2 數(shù)據(jù)與方法
2.1 數(shù)據(jù)來源及處理
基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于2000、2005、2010、2015和2018年6—8月的五期Landsat影像(行列號為144/28、144/29、144/30,下載網(wǎng)址：www.gscloud.cn),利用ENVI 5.3軟件對影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像融合等預(yù)處理,通過人機(jī)交互解譯獲得近18年5期瑪河流域土地利用/覆蓋變化數(shù)據(jù)。參照國土資源部發(fā)布的《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)特征和生態(tài)足跡模型特點(diǎn),將流域土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6類,并結(jié)合Google Earth和野外實(shí)地考察數(shù)據(jù)對解譯結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和修正。利用遙感影像解譯結(jié)果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算流域生態(tài)承載力。生態(tài)足跡的核算內(nèi)容及社會統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源見表1。
表1 瑪納斯河流域生態(tài)足跡賬戶類型及數(shù)據(jù)來源Table 1 Manas River Basin ecological footprint account type and data source
2.2 研究方法
2.2.1模型參數(shù)計(jì)算
借鑒張恒義等[36]提供的生態(tài)足跡模型參數(shù)計(jì)算方法,以“省公頃”為面積當(dāng)量,計(jì)算瑪河流域的均衡因子和產(chǎn)量因子的多年平均值(表2)。由于林地、草地、耕地均能吸收一定的CO2,且瑪河流域草地和耕地面積所占比例較大,林地面積相對較小。若僅以林地為測算對象,難以反映流域?qū)嶋H情況。因此依據(jù)瑪河流域?qū)嶋H情況,對能源足跡計(jì)算做如下調(diào)整：首先用各類能源的消耗量乘以碳排放系數(shù),得到碳排放總量(公式1)；其次用碳排放總量除以林地-草地-耕地的綜合碳吸收系數(shù)得到轉(zhuǎn)化的能源用地面積(公式2)。能源用地的均衡因子也做相應(yīng)調(diào)整(公式4)。計(jì)算過程如下：
表2 瑪納斯河流域生態(tài)足跡模型的本土參數(shù)Table 2 Native parameters of the Manas River Basin ecological footprint model
設(shè)流域的林地面積為ai,草地面積為bi,耕地面積為ci,其中i代表年份,分別取2000、2005、2010、2015、2018。
Q=∑AjMj
(1)
(2)
(3)
(4)
式中,Aj為第j種能源類型的消耗量,Mj為第j種能源類型的碳排放系數(shù),Q表示碳排放總量,Vwood-grass-crop表示林地-草地-耕地的綜合碳吸收系數(shù),6.44為林地的碳吸收系數(shù),0.39為草地的碳吸收系數(shù),0.46為耕地的碳吸收系數(shù),rwoodland為林地的均衡因子,rgrassland為草地的均衡因子,rcropland為耕地的均衡因子。不同能源種類的碳排放系數(shù)和不同地表類型的碳吸收系數(shù)借鑒唐洪松等[37]的研究成果。
2.2.2生態(tài)足跡計(jì)算
生態(tài)足跡分析法從供需兩側(cè)來評判區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r。為保證地球生物的公平發(fā)展,依據(jù)世界環(huán)境與發(fā)展委員會的建議[38],生態(tài)承載力需扣除12%的生物多樣性保護(hù)面積。三維生態(tài)足跡通過足跡廣度和足跡深度兩項(xiàng)指標(biāo),實(shí)現(xiàn)了對資本流量占用和資本存量消耗的表征,使其具有了空間屬性和時(shí)間屬性[4]。足跡廣度表征人類在生態(tài)承載力限度內(nèi)對于生物生產(chǎn)性土地面積的真實(shí)占用,體現(xiàn)了人類對資本流量的占用水平,能夠反映區(qū)域資源的開發(fā)規(guī)模；足跡深度表征人類對超出生態(tài)承載力部分資源消耗的累積程度,體現(xiàn)了人類對資本存量的消耗程度,能夠反映出區(qū)域所面臨的真實(shí)壓力[39]。
EF=N×ef=N×∑ri(aai)EC=N×ec=0.88×N×∑airiyi
ED=EC-EFEF3D=EFsize×EFdepth
式中,EF表示生態(tài)足跡,N為人口數(shù)量,ef為人均生態(tài)足跡,ri為i種土地類型的均衡因子,aai為人均占用交易商品折算后的第i類生物生產(chǎn)土地面積,EC表示生態(tài)承載力,ec為人均生態(tài)承載力,ai為實(shí)際人均占有的第i類生物生產(chǎn)土地面積,yi為i種土地類型的產(chǎn)量因子,ED表示生態(tài)赤字。EF3D表示區(qū)域的三維生態(tài)足跡,數(shù)值上與傳統(tǒng)模型的EF相同；EFsize表示足跡廣度,其上限由區(qū)域資源稟賦決定,取值范圍為0EC時(shí),EFdepth>1,表示資本虧損,其中1為足跡深度的自然原長。
2.3 評價(jià)指數(shù)
2.3.1自然資源利用效率
自然資源利用效率可以用單位生態(tài)足跡所能創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值測度[40]。EE值越大,說明單位面積的生物生產(chǎn)性土地生產(chǎn)的生物產(chǎn)品量較大,區(qū)域資源的利用效率較高。計(jì)算公式如下：
2.3.2生態(tài)適度人口
一個(gè)區(qū)域的生態(tài)適度人口由該區(qū)域的生態(tài)承載能力和人口對生態(tài)資源的需求共同決定。計(jì)算公式為[41]：
3 結(jié)果與分析
3.1 瑪河流域生態(tài)足跡與承載力動(dòng)態(tài)變化
3.1.1瑪河流域生態(tài)赤字不斷擴(kuò)大
近18年瑪河流域的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力均不斷增加,且前者始終大于后者,生態(tài)赤字呈擴(kuò)大趨勢(圖2)。流域的生態(tài)足跡由2000年的249.57×104hm2增加到2018年的544.12×104hm2,18年內(nèi)增加了1.18倍,增長速度為16.36×104hm2/a；流域的生態(tài)承載力也由2000年的210.42×104hm2增加到2018年的334.39×104hm2,18年內(nèi)增加了0.59倍,增長速度為6.89×104hm2/a,二者增長速度比約為2.37:1。從人均水平來看,瑪河流域的人均生態(tài)足跡穩(wěn)定增長,由2000年的3.63 hm2/人增加到2018年的6.09 hm2/人,18年內(nèi)增加了2.46 hm2/人,增長速度為0.14 hm2人-1a-1；人均生態(tài)承載力在2015和2018年略有降低,由2000年的3.06 hm2/人增加到2018年的3.74 hm2/人,18年內(nèi)增加了0.68 hm2/人,增長速度為0.04 hm2人-1a-1,二者增長速度比約為3.5∶1。對比黑河流域發(fā)現(xiàn),同一時(shí)段內(nèi)兩流域的人均生態(tài)足跡基本持平,但瑪河流域的人均生態(tài)承載力卻低于黑河流域[42],表明干旱區(qū)內(nèi)陸河流域自然本底的差異是導(dǎo)致其生態(tài)赤字差異的一個(gè)重要因素。
圖2 瑪納斯河流域生態(tài)足跡與生態(tài)承載力狀況Fig.2 Ecological footprint and ecological capacity of the Manas River Basin
3.1.2瑪河流域生態(tài)足跡呈不均衡增長
瑪河流域生態(tài)足跡和承載力增長不均衡,能源用地和耕地對生態(tài)足跡的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他類型,其生態(tài)足跡的增長速度也明顯快于其他類型(表3)。就足跡成分而言,占比重較大的是能源用地(46.51%)、耕地(38.96%),其次是草地(9.71%)、建設(shè)用地(4.72%),相對較小的是林地(0.08%)、水域(0.02%)。除林地、能源用地在2010年有所下降隨后上升之外,其余類型的生態(tài)足跡均呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢。其中年增長速度最快的是能源用地(7.66×104hm2/a),其次是耕地(5.23×104hm2/a)、草地(2.98×104hm2/a)、建設(shè)用地(0.47×104hm2/a),相對較慢的是林地(93.91 hm2/a)、水域(34.98 hm2/a)。單一地類的資源消費(fèi)結(jié)構(gòu)也不均衡,以2018年為例,耕地賬戶內(nèi)各資源所占比例由大到小依次是：棉花(66.53%)、糧食(14.41%)、其他(8.99%)、豬肉(6.66%)、禽蛋(2.87%)、甜菜(0.30%)、油料(0.24%)。
表3 瑪納斯河流域生態(tài)足跡與生態(tài)承載力計(jì)算結(jié)果Table 3 The calculation results of the ecological footprint and ecological capacity of the Manas River Basin
就承載力成分而言,耕地、建設(shè)用地呈增加趨勢,林地呈先減少后增加趨勢,草地和水域呈明顯的逐年下降趨勢。這與李菊榮[43]、彭麗媛[44]、楊愛民等[33]對瑪河流域土地利用變化研究的成果基本吻合。對比發(fā)現(xiàn),流域生態(tài)足跡各成分普遍增加,而生態(tài)承載力的增加主要依賴于耕地、建設(shè)用地面積的擴(kuò)大。
3.1.3瑪河流域生態(tài)足跡空間分異明顯
瑪河流域內(nèi)部各行政單元的人均生態(tài)足跡存在明顯的空間分異(表4)。2000—2018年間,瑪納斯的人均生態(tài)足跡由2.99 hm2/人增加到5.43 hm2/人,增長速度為0.14 hm2人-1a-1；石河子的人均生態(tài)足跡由4.29 hm2/人增加到6.15 hm2/人,增長速度為0.10 hm2人-1a-1；沙灣的人均生態(tài)足跡由3.35 hm2/人增加到6.75 hm2/人,增長速度為0.19 hm2人-1a-1；流域整體的人均生態(tài)足跡也穩(wěn)定增長,由3.63 hm2/人增加到6.09 hm2/人,增長速度為0.14 hm2人-1a-1。對比發(fā)現(xiàn),流域各行政單元人均生態(tài)足跡的增長速度差異性明顯,由大到小依次是沙灣>瑪納斯>石河子,其中沙灣的增長速度明顯高于流域整體水平,瑪納斯的增長速度與流域整體水平持平,石河子的增長速度略低于流域整體水平。從各行政單元對流域生態(tài)足跡的貢獻(xiàn)能力來看,石河子>沙灣>瑪納斯；而生產(chǎn)總值的貢獻(xiàn)率也是石河子>沙灣>瑪納斯,體現(xiàn)出干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展引起資源大量消耗的顯著后效作用。
表4 瑪納斯河流域人均生態(tài)足跡變化Table 4 Changes in the per capita ecological footprint of the Manas River Basin
3.2 瑪河流域生態(tài)足跡廣度與深度變化
以三維生態(tài)足跡的概念模型為參考作出表達(dá)圖,表明瑪河流域生態(tài)足跡廣度和足跡深度均不斷增加(圖3)。在2000—2018年間,瑪河流域生態(tài)足跡廣度由210.4×104hm2增加到334.4×104hm2,增加了124.0×104hm2,增長速度為6.89×104hm2/a；生態(tài)足跡深度由1.19增加到1.63,增加了0.44,增長速度為0.025/a。表明瑪河流域流量資本占用持續(xù)增加,存量資本開始不斷下降,流域資源過度消費(fèi)的累積效應(yīng)日益突出,生態(tài)壓力不斷增大。
圖3 瑪納斯河流域生態(tài)足跡廣度、深度變化Fig.3 The size and depth of the ecological footprint of the Manas River Basin
流域各地類的生態(tài)足跡廣度增加迅速,18年內(nèi)耕地增加了97.22%,水域增加了72.96%,建設(shè)用地增加了62.05%,林地增加了44.42%,草地減少了11.28%；生態(tài)足跡深度除耕地和建設(shè)用地穩(wěn)定在1.00之外,其余各成分也均呈增加趨勢,其中草地由1.00增加到8.42,林地由0.80增加到1.33后有所下降并逐漸穩(wěn)定,水域由1.00增加到1.54。值得關(guān)注的是,流域生態(tài)足跡賬戶各成分的足跡深度變化不一：耕地和建設(shè)用地的足跡深度雖均處于自然原長,但借助資本流量占用率可以發(fā)現(xiàn)耕地由0.52增加至0.70而后略有下降,建設(shè)用地趨于0.88,表明流域?qū)τ诟睾徒ㄔO(shè)用地占用程度加重；草地的足跡深度在2000年后開始大于1,且增速迅猛(0.42/a)；林地的足跡深度在2000年后開始大于1,并在2010年后趨于穩(wěn)定；水域的足跡深度在2010年后開始大于1。表明流域各類資源的開發(fā)規(guī)模都在擴(kuò)大,且開發(fā)規(guī)模由大到小依次是耕地>建設(shè)用地>草地>林地>水域,自然資本虧損程度也不斷加大,虧損的嚴(yán)重程度依次是草地>水域>林地>建設(shè)用地>耕地。耕地大幅擴(kuò)張,卻仍能滿足目前發(fā)展,主要得益于草地的轉(zhuǎn)入和大量未利用地的開墾,草地的嚴(yán)重虧損主要在于承載面積的減少和牧草質(zhì)量的下降。
3.3 瑪河流域生態(tài)利用效率變化
3.3.1瑪河流域面臨較大的人口壓力
瑪河流域人口不斷增長,過剩人口帶來的資源環(huán)境壓力與日俱增(圖4)。流域總?cè)丝谟?000年的68.69×104人增加到2018年的89.35×104人,18年內(nèi)增加了20.66×104人。而生態(tài)適度人口呈波動(dòng)變化,在2000—2005年和2010—2015年略有下降,在2005—2010年和2015—2018年小幅上升。整體而言,呈現(xiàn)出略有下降趨勢,由2000年的57.92×104人減少到2018年的54.91×104人,18年內(nèi)減少了3.01×104人。結(jié)合計(jì)算公式發(fā)現(xiàn),這是由于人均生態(tài)赤字的波動(dòng)增長造成的,當(dāng)人均生態(tài)赤字增加時(shí),人均生活的資源需求量也隨之增加,而流域的資源總量相對有限,因此導(dǎo)致生態(tài)適度人口下降。流域總?cè)丝诓粩嘣黾?而生態(tài)適度人口卻略有下降,導(dǎo)致超載人數(shù)不斷增加,從2000年的10.77×104人增加到了2018年的34.44×104人,增長速度為1.31×104人/年。而瑪河流域人口主要集中在山麓綠洲地帶,北鄰荒漠,南靠山地,生態(tài)系統(tǒng)脆弱,資源相對緊缺,過剩人口的不斷增加進(jìn)一步加劇了流域面臨的生態(tài)挑戰(zhàn)。
圖4 瑪納斯河流域生態(tài)適度人口 Fig.4 The ecologically moderate population of the Manas River Basin
3.3.2瑪河流域資源利用效率明顯提高
瑪河流域的自然資源利用效率顯著提高,三次產(chǎn)業(yè)的資源利用效率和提高速度均是第三產(chǎn)業(yè)>第二產(chǎn)業(yè)>第一產(chǎn)業(yè)(圖5)。2000—2018年間,瑪河流域單位生態(tài)足跡所能創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益由0.22萬元/hm2增加到1.26萬元/hm2,在18年內(nèi)增加了4.73倍,增長速度為0.058萬元 hm-2a-1。其中第一產(chǎn)業(yè)由0.056萬元/hm2增加到0.316萬元/hm2,增加了4.68倍,增長速度為0.014萬元 hm-2a-1； 第二產(chǎn)業(yè)由0.080萬元/hm2增加到0.453萬元/hm2,增加了4.68倍,增長速度為0.021萬元 hm-2a-1；第三產(chǎn)業(yè)由0.085萬元/hm2增加到0.492萬元/hm2,增加了4.81倍,增長速度為0.023萬元 hm-2a-1。表明瑪河流域資源利用效率正逐步提高,經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿^大。
圖5 瑪納斯河流域生態(tài)利用效率變化Fig.5 Ecological utilization efficiency of the Manas River Basin
4 討論
4.1 本土參數(shù)與省域參數(shù)和國家參數(shù)的比較
本研究測算的瑪河流域本土參數(shù)與省域參數(shù)和國家參數(shù)相比,能較好地反映流域?qū)嶋H狀況。同其他生態(tài)足跡的模型參數(shù)研究一樣,本文能源用地的產(chǎn)量因子取0,建設(shè)用地的均衡因子和產(chǎn)量因子均與耕地相同。其中,耕地和建設(shè)用地的均衡因子明顯高于省域參數(shù)和國家參數(shù),草地、林地和水域的均衡因子明顯低于省域參數(shù)和國家參數(shù),能源用地的均衡因子低于省域參數(shù),但與國家參數(shù)近似；耕地、建設(shè)用地和草地的產(chǎn)量因子高于省域參數(shù),但低于國家參數(shù),林地的產(chǎn)量因子明顯低于省域參數(shù)和國家參數(shù),水域的產(chǎn)量因子高于省域參數(shù),與國家參數(shù)近似(表5)。該結(jié)果主要與研究區(qū)特點(diǎn)和面積當(dāng)量有關(guān),省域參數(shù)的面積當(dāng)量是“國家公頃”,國家參數(shù)的面積當(dāng)量是“全球公頃”,而本土參數(shù)的面積當(dāng)量是“省公頃”。瑪河流域是新疆重要的商品棉和糧食生產(chǎn)基地,棉花和糧食對流域農(nóng)業(yè)用地的資源占用超過80%,生產(chǎn)能力較高,耕地的均衡因子和產(chǎn)量因子較高。林地面積僅占流域總面積的4%左右,且多為生態(tài)林,生產(chǎn)能力較低,其均衡因子和產(chǎn)量因子較低。草地和水域面積占流域總面積的近50%和2%,二者的生產(chǎn)能力在全疆范圍內(nèi)較高,但與其他地類相比較低,因此其產(chǎn)量因子較高,均衡因子較低。此外本文考慮到流域能源消耗量大且草地與耕地均有碳吸收能力的現(xiàn)實(shí),對能源用地的均衡因子進(jìn)行調(diào)整,其值為1.29。
表5 不同尺度下生態(tài)足跡模型因子對比Table 5 Comparison of ecological footprint model factors at different scales
測算結(jié)果上與本土參數(shù)相比,省域參數(shù)的測算結(jié)果高估了生態(tài)足跡,低估了生態(tài)承載力,夸大了生態(tài)赤字；國家參數(shù)的測算結(jié)果同時(shí)高估了生態(tài)足跡和生態(tài)承載力,在2000、2005、2010年低估了生態(tài)赤字,在2015和2018年夸大了生態(tài)赤字。省域參數(shù)和國家參數(shù)測算的生態(tài)足跡約是本土參數(shù)的1.50倍、1.15倍,生態(tài)承載力約是本土參數(shù)的0.61倍、1.31倍,生態(tài)赤字約是本土參數(shù)的4.40倍和0.87倍(圖6)。主要原因在于瑪河流域是天山北坡經(jīng)濟(jì)帶最為活躍的區(qū)域之一,重化工業(yè)集中,能源消耗量較大,省域參數(shù)中能源用地的均衡因子與林地一致,而林地面積僅占流域總面積的4%左右,難以反映流域碳排放的實(shí)際吸收情況,致使總足跡虛高。同時(shí)耕地的產(chǎn)量因子高于省域參數(shù),致使其低估了生態(tài)承載力,從而夸大了流域的生態(tài)赤字狀況?，敽恿饔虻乃蚝透禺a(chǎn)量因子與國家參數(shù)接近(實(shí)際上略低于),而草地和林地的產(chǎn)量因子明顯低于國家參數(shù),致使其高估了生態(tài)承載力。
圖6 不同參數(shù)下瑪納斯河流域生態(tài)足跡測算結(jié)果對比Fig.6 Comparison of ecological footprint calculation results of Manas River Basin under different parameters
4.2 干旱區(qū)生態(tài)承載力測算的優(yōu)化展望
據(jù)IPBES全球評估報(bào)告,受氣候變化和人類活動(dòng)共同影響,全球正面臨自然衰退“史無前例”和物種滅絕率“加速”的局面,同時(shí)我國生物多樣性保護(hù)功能有所下降[48]。新疆的生物資源種類繁多、品種獨(dú)特、特性優(yōu)良,開發(fā)潛力較大,新疆野生動(dòng)植物達(dá)4000多種,但目前生物多樣性保護(hù)形勢嚴(yán)峻,面臨著物種滅絕速度加快、珍稀瀕危物種增多、生存環(huán)境喪失、生態(tài)系統(tǒng)多樣性降低等主要威脅。目前新疆已建成國家級自然保護(hù)區(qū)15個(gè),面積達(dá)41.2萬km2,占新疆總面積的24.8%。在生態(tài)承載力的測算過程中,出于生物多樣性保護(hù)目的,已有研究多以扣除12%為最終結(jié)果。然而干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱,動(dòng)植物生存受到威脅較大,其發(fā)展過程中所需預(yù)留的生物多樣性保護(hù)面積應(yīng)該更多(理論上應(yīng)大于12%),因此本文的承載力計(jì)算結(jié)果可能高于實(shí)際情況。未來對干旱區(qū)的研究,預(yù)留多少的生物多樣性保護(hù)面積是一個(gè)值得思考的問題。
4.3 瑪河流域可持續(xù)發(fā)展的建議
干旱區(qū)的自然地理?xiàng)l件特殊,發(fā)展受自然本底影響較大,對比呂偉[49]、韋良煥[50]等的研究成果發(fā)現(xiàn),研究時(shí)段內(nèi)瑪河流域的人均生態(tài)足跡及其增長速度均小于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)和新疆整體水平。瑪河流域發(fā)育了干旱區(qū)典型的“山區(qū)-綠洲-荒漠”生態(tài)系統(tǒng),社會-生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定是流域可持續(xù)發(fā)展的前提。依據(jù)自然資本利用現(xiàn)狀,為促進(jìn)流域的可持續(xù)發(fā)展提出以下建議：(1)打破行政壁壘,統(tǒng)籌流域資源?，敽恿饔騼?nèi)部經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡,生態(tài)占用也差異性突出,作為一個(gè)完整的生態(tài)單元,系統(tǒng)內(nèi)部要素緊密相連,打破行政壁壘,統(tǒng)籌規(guī)劃,合理配置流域資源,資本高消耗、低產(chǎn)出的區(qū)域(沙灣縣、瑪納斯縣)多向資源轉(zhuǎn)化較高區(qū)域(石河子市)借鑒區(qū)域資源利用方式,促進(jìn)各行政單元之間綠色、協(xié)調(diào)發(fā)展。(2)提高資源利用效率,調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),突出“優(yōu)棉、強(qiáng)畜、精果”,加大技術(shù)投入,積極推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化,建設(shè)優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地；同時(shí)應(yīng)充分利用自身的地緣優(yōu)勢和資源優(yōu)勢,在“一帶一路”倡議中找準(zhǔn)定位,大力發(fā)展交通運(yùn)輸、物流倉儲、生態(tài)旅游以及食品加工等產(chǎn)業(yè),降低生態(tài)消耗和浪費(fèi)[51]。(3)優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),加大清潔能源利用力度。電力和煤炭是流域主要的兩大能耗類型,流域應(yīng)大力發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù),提高煤炭能源轉(zhuǎn)換率和利用率。此外,瑪河流域太陽能、風(fēng)能、水能等清潔可再生能源豐富,開發(fā)潛力巨大,應(yīng)加大清潔能源的開發(fā)利用力度,實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的多元化。(4)合理推進(jìn)城鎮(zhèn)化進(jìn)程,適度控制人口規(guī)模。應(yīng)結(jié)合綠洲適度規(guī)模,“量”、“質(zhì)”兼顧,有序推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程,同時(shí)還應(yīng)控制人口數(shù)量,改善人口結(jié)構(gòu),提高人口素質(zhì),促進(jìn)社會生產(chǎn)力發(fā)展,享受人才紅利,從而有效緩解人口增長對生態(tài)環(huán)境的壓力。(5)構(gòu)建合理消費(fèi)模式,加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)。鼓勵(lì)低碳綠色消費(fèi),提高居民資源節(jié)約意識,同時(shí)完善流域主體功能區(qū)劃,優(yōu)化生產(chǎn)建設(shè)布局,在對流域三生空間識別的基礎(chǔ)上,明確區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)。對于重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域,實(shí)施高效、綠色的發(fā)展策略；對于限制開發(fā)區(qū)域,保持謹(jǐn)慎、適度發(fā)展的態(tài)度；對于禁止開發(fā)區(qū)域,采取嚴(yán)格的保護(hù)策略。
5 結(jié)論
本文以生態(tài)足跡理論為指導(dǎo)思想,以“省公頃”為面積當(dāng)量,針對當(dāng)前生態(tài)足跡計(jì)算過程中存在的問題,選取瑪河流域?yàn)檠芯繂卧?并對能源足跡計(jì)算作出相應(yīng)調(diào)整,利用本土參數(shù)對研究區(qū)域2000、2005、2010、2015和2018年的生態(tài)足跡進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明：
(1)瑪河流域生態(tài)赤字不斷擴(kuò)張,生態(tài)足跡呈明顯的不均衡增長,生態(tài)安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。其中流域生態(tài)赤字年均增速達(dá)-9.48×104hm2/a,人均年增速達(dá)-0.10 hm2人-1a-1。各類土地對流域生態(tài)足跡的影響程度由大到小依次是：能源用地、耕地、草地、建設(shè)用地、林地、水域。
(2)瑪河流域的發(fā)展對流量資源占用持續(xù)擴(kuò)大,存量資源消耗的累積效應(yīng)日益突出,流域內(nèi)部各行政單元的生態(tài)占用差異性突出,賬戶內(nèi)各類型消費(fèi)對存量資源的消耗程度也差異懸殊。打破行政壁壘,統(tǒng)籌規(guī)劃,合理配置資源,是流域未來發(fā)展亟需解決的問題。
(3)干旱區(qū)內(nèi)陸河流域生態(tài)環(huán)境脆弱,但同時(shí)也是資源開發(fā)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿薮蟮膮^(qū)域?，敽恿饔?8年內(nèi)單位足跡創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值增加了4.73倍,增長速度為0.058萬元 hm-2a-1。
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李鵬輝,徐麗萍, *,張軍民,金夢婷,張茹倩
1 石河子大學(xué)理學(xué)院, 石河子 832000 2 廣西師范大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 桂林 541001
自然資本和生態(tài)服務(wù)是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展,人類對自然資本的消耗和生態(tài)系統(tǒng)的占用強(qiáng)度越來越大,通過綠色生產(chǎn)和消費(fèi)以優(yōu)化土地資源利用效率,提高自然資源承載和生態(tài)服務(wù)價(jià)值成為亟待解決的熱點(diǎn)[2]。生態(tài)足跡巧妙地用生物生產(chǎn)性土地面積來表征人類對自然環(huán)境的真實(shí)占用,實(shí)現(xiàn)了自然資本占用和經(jīng)濟(jì)外部性成本的統(tǒng)一性核算,為研究生態(tài)安全及可持續(xù)發(fā)展提供了有效方法[3]。目前國內(nèi)生態(tài)足跡的研究主要集中在足跡模型的改進(jìn)[4-6]、研究領(lǐng)域的擴(kuò)展[7-10]、時(shí)空變化的探討[11-13]、驅(qū)動(dòng)力的分析[14-16]等4個(gè)方面。生態(tài)足跡研究在理論框架探索、生態(tài)價(jià)值估算、生態(tài)供求關(guān)系及時(shí)空格局分異等方面取得了明顯進(jìn)展,逐漸明晰了生態(tài)足跡評價(jià)需要集成人地關(guān)系地域系統(tǒng)理論和地球系統(tǒng)科學(xué)研究方法,揭示基于系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值流動(dòng)規(guī)律的生態(tài)足跡供求關(guān)系及平衡機(jī)理,探索社會經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與生態(tài)服務(wù)功能之耦合關(guān)聯(lián)機(jī)制[17-19]。但仍難以精準(zhǔn)追蹤生態(tài)服務(wù)價(jià)值流動(dòng)過程,缺少定量模擬生態(tài)足跡變化格局及路徑的技術(shù)手段,基于特定區(qū)域人地關(guān)系模式的多學(xué)科綜合研究能力相對薄弱,往往忽略了人類社會投入對生態(tài)足跡的影響,評價(jià)理論及方法都很難精確反映生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化規(guī)律[20-22]。當(dāng)前,如何精確測算基于統(tǒng)一性認(rèn)識的區(qū)域生態(tài)資本消耗強(qiáng)度和供給能力,不斷改進(jìn)生態(tài)足跡評價(jià)方法是提高生態(tài)足跡評價(jià)可靠性和有效性的關(guān)鍵[23]。具體表現(xiàn)在：(1)經(jīng)濟(jì)全球化愈演愈烈,資源跨區(qū)占用問題逐漸突出,區(qū)域尺度的生態(tài)足跡研究難以真實(shí)反映本地的生態(tài)壓力[24]。(2)作為生態(tài)足跡模型的關(guān)鍵參數(shù),產(chǎn)量因子和均衡因子是不同區(qū)域不同生產(chǎn)性土地類型之間進(jìn)行對比轉(zhuǎn)換的橋梁。由于區(qū)域氣候、地形、生物生產(chǎn)力等不同,直接借用全球或全國的因子難以真實(shí)反映小尺度(特定區(qū)域)的生態(tài)狀況[25-26]。(3)考慮到森林為主要的碳匯用地,能源消費(fèi)足跡多用吸收能源消費(fèi)產(chǎn)生的CO2所需的林地面積來表示,忽視了土地的多功能性,不夠科學(xué)。且能源用地缺乏相應(yīng)的產(chǎn)量因子,容易造成總足跡虛高的現(xiàn)象[27-28]。(4)在進(jìn)行生態(tài)足跡測算時(shí),大多以行政區(qū)域作為研究單元,忽略了系統(tǒng)的開放性,作為衡量生態(tài)狀況的重要手段,以生態(tài)單元作為研究邊界更有意義[29]。
干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,其建設(shè)發(fā)展倍受學(xué)界關(guān)注,相關(guān)研究主要集中在承載力計(jì)算、生態(tài)安全評價(jià)、水資源管理等方面[30-32],尺度上多以行政單元為主,而內(nèi)陸河流域作為干旱區(qū)人工活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、水土開發(fā)最密集的區(qū)域,在該尺度上的研究相對較少。因此,以生態(tài)單元完整、經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速而潛在生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)巨大,且相對獨(dú)立的干旱區(qū)內(nèi)陸河流域——新疆瑪納斯河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域,運(yùn)用本土因子修正其生態(tài)足跡當(dāng)量因子,并完善能源足跡的計(jì)算方法,為豐富干旱區(qū)內(nèi)陸河流域生態(tài)足跡的研究提供了實(shí)證案例。
1 研究區(qū)概況
瑪納斯河流域(以下簡稱“瑪河流域”)位于43°05′—45°58′N,85°01′—86°32′E之間,自南向北依次經(jīng)過山地、綠洲、荒漠,行政上包括石河子市、瑪納斯縣、沙灣縣、新湖總場以及克拉瑪依市的小拐鄉(xiāng)等,是“天山北坡經(jīng)濟(jì)帶”和“絲綢之路”經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)的重要組成部分(圖1)。21世紀(jì)以來,瑪河流域社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)入快速階段,大規(guī)模的水土開發(fā)和人口經(jīng)濟(jì)增長,使綠洲及其周邊環(huán)境發(fā)生了深刻變化。流域經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度不斷增加,人工綠洲持續(xù)擴(kuò)張,耕地、建設(shè)用地大量增加[33],農(nóng)業(yè)用水嚴(yán)重?cái)D占工業(yè)、生活、生態(tài)用水[34],地下水位持續(xù)下降,人類干擾活動(dòng)強(qiáng)烈,致使?jié)竦赝嘶瘒?yán)重,鹽漬化面積擴(kuò)大,生態(tài)服務(wù)價(jià)值整體下降[35],區(qū)域發(fā)展面臨著現(xiàn)實(shí)及潛在的生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)。
圖1 瑪納斯河流域示意圖Fig.1 Sketch map of the Manas River Basin
2 數(shù)據(jù)與方法
2.1 數(shù)據(jù)來源及處理
基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于2000、2005、2010、2015和2018年6—8月的五期Landsat影像(行列號為144/28、144/29、144/30,下載網(wǎng)址：www.gscloud.cn),利用ENVI 5.3軟件對影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像融合等預(yù)處理,通過人機(jī)交互解譯獲得近18年5期瑪河流域土地利用/覆蓋變化數(shù)據(jù)。參照國土資源部發(fā)布的《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)特征和生態(tài)足跡模型特點(diǎn),將流域土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地6類,并結(jié)合Google Earth和野外實(shí)地考察數(shù)據(jù)對解譯結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和修正。利用遙感影像解譯結(jié)果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算流域生態(tài)承載力。生態(tài)足跡的核算內(nèi)容及社會統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源見表1。
表1 瑪納斯河流域生態(tài)足跡賬戶類型及數(shù)據(jù)來源Table 1 Manas River Basin ecological footprint account type and data source
2.2 研究方法
2.2.1模型參數(shù)計(jì)算
借鑒張恒義等[36]提供的生態(tài)足跡模型參數(shù)計(jì)算方法,以“省公頃”為面積當(dāng)量,計(jì)算瑪河流域的均衡因子和產(chǎn)量因子的多年平均值(表2)。由于林地、草地、耕地均能吸收一定的CO2,且瑪河流域草地和耕地面積所占比例較大,林地面積相對較小。若僅以林地為測算對象,難以反映流域?qū)嶋H情況。因此依據(jù)瑪河流域?qū)嶋H情況,對能源足跡計(jì)算做如下調(diào)整：首先用各類能源的消耗量乘以碳排放系數(shù),得到碳排放總量(公式1)；其次用碳排放總量除以林地-草地-耕地的綜合碳吸收系數(shù)得到轉(zhuǎn)化的能源用地面積(公式2)。能源用地的均衡因子也做相應(yīng)調(diào)整(公式4)。計(jì)算過程如下：
表2 瑪納斯河流域生態(tài)足跡模型的本土參數(shù)Table 2 Native parameters of the Manas River Basin ecological footprint model
設(shè)流域的林地面積為ai,草地面積為bi,耕地面積為ci,其中i代表年份,分別取2000、2005、2010、2015、2018。
Q=∑AjMj
(1)
(2)
(3)
(4)
式中,Aj為第j種能源類型的消耗量,Mj為第j種能源類型的碳排放系數(shù),Q表示碳排放總量,Vwood-grass-crop表示林地-草地-耕地的綜合碳吸收系數(shù),6.44為林地的碳吸收系數(shù),0.39為草地的碳吸收系數(shù),0.46為耕地的碳吸收系數(shù),rwoodland為林地的均衡因子,rgrassland為草地的均衡因子,rcropland為耕地的均衡因子。不同能源種類的碳排放系數(shù)和不同地表類型的碳吸收系數(shù)借鑒唐洪松等[37]的研究成果。
2.2.2生態(tài)足跡計(jì)算
生態(tài)足跡分析法從供需兩側(cè)來評判區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r。為保證地球生物的公平發(fā)展,依據(jù)世界環(huán)境與發(fā)展委員會的建議[38],生態(tài)承載力需扣除12%的生物多樣性保護(hù)面積。三維生態(tài)足跡通過足跡廣度和足跡深度兩項(xiàng)指標(biāo),實(shí)現(xiàn)了對資本流量占用和資本存量消耗的表征,使其具有了空間屬性和時(shí)間屬性[4]。足跡廣度表征人類在生態(tài)承載力限度內(nèi)對于生物生產(chǎn)性土地面積的真實(shí)占用,體現(xiàn)了人類對資本流量的占用水平,能夠反映區(qū)域資源的開發(fā)規(guī)模；足跡深度表征人類對超出生態(tài)承載力部分資源消耗的累積程度,體現(xiàn)了人類對資本存量的消耗程度,能夠反映出區(qū)域所面臨的真實(shí)壓力[39]。
EF=N×ef=N×∑ri(aai)EC=N×ec=0.88×N×∑airiyi
ED=EC-EFEF3D=EFsize×EFdepth
式中,EF表示生態(tài)足跡,N為人口數(shù)量,ef為人均生態(tài)足跡,ri為i種土地類型的均衡因子,aai為人均占用交易商品折算后的第i類生物生產(chǎn)土地面積,EC表示生態(tài)承載力,ec為人均生態(tài)承載力,ai為實(shí)際人均占有的第i類生物生產(chǎn)土地面積,yi為i種土地類型的產(chǎn)量因子,ED表示生態(tài)赤字。EF3D表示區(qū)域的三維生態(tài)足跡,數(shù)值上與傳統(tǒng)模型的EF相同；EFsize表示足跡廣度,其上限由區(qū)域資源稟賦決定,取值范圍為0
2.3 評價(jià)指數(shù)
2.3.1自然資源利用效率
自然資源利用效率可以用單位生態(tài)足跡所能創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值測度[40]。EE值越大,說明單位面積的生物生產(chǎn)性土地生產(chǎn)的生物產(chǎn)品量較大,區(qū)域資源的利用效率較高。計(jì)算公式如下：
2.3.2生態(tài)適度人口
一個(gè)區(qū)域的生態(tài)適度人口由該區(qū)域的生態(tài)承載能力和人口對生態(tài)資源的需求共同決定。計(jì)算公式為[41]：
3 結(jié)果與分析
3.1 瑪河流域生態(tài)足跡與承載力動(dòng)態(tài)變化
3.1.1瑪河流域生態(tài)赤字不斷擴(kuò)大
近18年瑪河流域的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力均不斷增加,且前者始終大于后者,生態(tài)赤字呈擴(kuò)大趨勢(圖2)。流域的生態(tài)足跡由2000年的249.57×104hm2增加到2018年的544.12×104hm2,18年內(nèi)增加了1.18倍,增長速度為16.36×104hm2/a；流域的生態(tài)承載力也由2000年的210.42×104hm2增加到2018年的334.39×104hm2,18年內(nèi)增加了0.59倍,增長速度為6.89×104hm2/a,二者增長速度比約為2.37:1。從人均水平來看,瑪河流域的人均生態(tài)足跡穩(wěn)定增長,由2000年的3.63 hm2/人增加到2018年的6.09 hm2/人,18年內(nèi)增加了2.46 hm2/人,增長速度為0.14 hm2人-1a-1；人均生態(tài)承載力在2015和2018年略有降低,由2000年的3.06 hm2/人增加到2018年的3.74 hm2/人,18年內(nèi)增加了0.68 hm2/人,增長速度為0.04 hm2人-1a-1,二者增長速度比約為3.5∶1。對比黑河流域發(fā)現(xiàn),同一時(shí)段內(nèi)兩流域的人均生態(tài)足跡基本持平,但瑪河流域的人均生態(tài)承載力卻低于黑河流域[42],表明干旱區(qū)內(nèi)陸河流域自然本底的差異是導(dǎo)致其生態(tài)赤字差異的一個(gè)重要因素。
圖2 瑪納斯河流域生態(tài)足跡與生態(tài)承載力狀況Fig.2 Ecological footprint and ecological capacity of the Manas River Basin
3.1.2瑪河流域生態(tài)足跡呈不均衡增長
瑪河流域生態(tài)足跡和承載力增長不均衡,能源用地和耕地對生態(tài)足跡的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他類型,其生態(tài)足跡的增長速度也明顯快于其他類型(表3)。就足跡成分而言,占比重較大的是能源用地(46.51%)、耕地(38.96%),其次是草地(9.71%)、建設(shè)用地(4.72%),相對較小的是林地(0.08%)、水域(0.02%)。除林地、能源用地在2010年有所下降隨后上升之外,其余類型的生態(tài)足跡均呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢。其中年增長速度最快的是能源用地(7.66×104hm2/a),其次是耕地(5.23×104hm2/a)、草地(2.98×104hm2/a)、建設(shè)用地(0.47×104hm2/a),相對較慢的是林地(93.91 hm2/a)、水域(34.98 hm2/a)。單一地類的資源消費(fèi)結(jié)構(gòu)也不均衡,以2018年為例,耕地賬戶內(nèi)各資源所占比例由大到小依次是：棉花(66.53%)、糧食(14.41%)、其他(8.99%)、豬肉(6.66%)、禽蛋(2.87%)、甜菜(0.30%)、油料(0.24%)。
表3 瑪納斯河流域生態(tài)足跡與生態(tài)承載力計(jì)算結(jié)果Table 3 The calculation results of the ecological footprint and ecological capacity of the Manas River Basin
就承載力成分而言,耕地、建設(shè)用地呈增加趨勢,林地呈先減少后增加趨勢,草地和水域呈明顯的逐年下降趨勢。這與李菊榮[43]、彭麗媛[44]、楊愛民等[33]對瑪河流域土地利用變化研究的成果基本吻合。對比發(fā)現(xiàn),流域生態(tài)足跡各成分普遍增加,而生態(tài)承載力的增加主要依賴于耕地、建設(shè)用地面積的擴(kuò)大。
3.1.3瑪河流域生態(tài)足跡空間分異明顯
瑪河流域內(nèi)部各行政單元的人均生態(tài)足跡存在明顯的空間分異(表4)。2000—2018年間,瑪納斯的人均生態(tài)足跡由2.99 hm2/人增加到5.43 hm2/人,增長速度為0.14 hm2人-1a-1；石河子的人均生態(tài)足跡由4.29 hm2/人增加到6.15 hm2/人,增長速度為0.10 hm2人-1a-1；沙灣的人均生態(tài)足跡由3.35 hm2/人增加到6.75 hm2/人,增長速度為0.19 hm2人-1a-1；流域整體的人均生態(tài)足跡也穩(wěn)定增長,由3.63 hm2/人增加到6.09 hm2/人,增長速度為0.14 hm2人-1a-1。對比發(fā)現(xiàn),流域各行政單元人均生態(tài)足跡的增長速度差異性明顯,由大到小依次是沙灣>瑪納斯>石河子,其中沙灣的增長速度明顯高于流域整體水平,瑪納斯的增長速度與流域整體水平持平,石河子的增長速度略低于流域整體水平。從各行政單元對流域生態(tài)足跡的貢獻(xiàn)能力來看,石河子>沙灣>瑪納斯；而生產(chǎn)總值的貢獻(xiàn)率也是石河子>沙灣>瑪納斯,體現(xiàn)出干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展引起資源大量消耗的顯著后效作用。
表4 瑪納斯河流域人均生態(tài)足跡變化Table 4 Changes in the per capita ecological footprint of the Manas River Basin
3.2 瑪河流域生態(tài)足跡廣度與深度變化
以三維生態(tài)足跡的概念模型為參考作出表達(dá)圖,表明瑪河流域生態(tài)足跡廣度和足跡深度均不斷增加(圖3)。在2000—2018年間,瑪河流域生態(tài)足跡廣度由210.4×104hm2增加到334.4×104hm2,增加了124.0×104hm2,增長速度為6.89×104hm2/a；生態(tài)足跡深度由1.19增加到1.63,增加了0.44,增長速度為0.025/a。表明瑪河流域流量資本占用持續(xù)增加,存量資本開始不斷下降,流域資源過度消費(fèi)的累積效應(yīng)日益突出,生態(tài)壓力不斷增大。
圖3 瑪納斯河流域生態(tài)足跡廣度、深度變化Fig.3 The size and depth of the ecological footprint of the Manas River Basin
流域各地類的生態(tài)足跡廣度增加迅速,18年內(nèi)耕地增加了97.22%,水域增加了72.96%,建設(shè)用地增加了62.05%,林地增加了44.42%,草地減少了11.28%；生態(tài)足跡深度除耕地和建設(shè)用地穩(wěn)定在1.00之外,其余各成分也均呈增加趨勢,其中草地由1.00增加到8.42,林地由0.80增加到1.33后有所下降并逐漸穩(wěn)定,水域由1.00增加到1.54。值得關(guān)注的是,流域生態(tài)足跡賬戶各成分的足跡深度變化不一：耕地和建設(shè)用地的足跡深度雖均處于自然原長,但借助資本流量占用率可以發(fā)現(xiàn)耕地由0.52增加至0.70而后略有下降,建設(shè)用地趨于0.88,表明流域?qū)τ诟睾徒ㄔO(shè)用地占用程度加重；草地的足跡深度在2000年后開始大于1,且增速迅猛(0.42/a)；林地的足跡深度在2000年后開始大于1,并在2010年后趨于穩(wěn)定；水域的足跡深度在2010年后開始大于1。表明流域各類資源的開發(fā)規(guī)模都在擴(kuò)大,且開發(fā)規(guī)模由大到小依次是耕地>建設(shè)用地>草地>林地>水域,自然資本虧損程度也不斷加大,虧損的嚴(yán)重程度依次是草地>水域>林地>建設(shè)用地>耕地。耕地大幅擴(kuò)張,卻仍能滿足目前發(fā)展,主要得益于草地的轉(zhuǎn)入和大量未利用地的開墾,草地的嚴(yán)重虧損主要在于承載面積的減少和牧草質(zhì)量的下降。
3.3 瑪河流域生態(tài)利用效率變化
3.3.1瑪河流域面臨較大的人口壓力
瑪河流域人口不斷增長,過剩人口帶來的資源環(huán)境壓力與日俱增(圖4)。流域總?cè)丝谟?000年的68.69×104人增加到2018年的89.35×104人,18年內(nèi)增加了20.66×104人。而生態(tài)適度人口呈波動(dòng)變化,在2000—2005年和2010—2015年略有下降,在2005—2010年和2015—2018年小幅上升。整體而言,呈現(xiàn)出略有下降趨勢,由2000年的57.92×104人減少到2018年的54.91×104人,18年內(nèi)減少了3.01×104人。結(jié)合計(jì)算公式發(fā)現(xiàn),這是由于人均生態(tài)赤字的波動(dòng)增長造成的,當(dāng)人均生態(tài)赤字增加時(shí),人均生活的資源需求量也隨之增加,而流域的資源總量相對有限,因此導(dǎo)致生態(tài)適度人口下降。流域總?cè)丝诓粩嘣黾?而生態(tài)適度人口卻略有下降,導(dǎo)致超載人數(shù)不斷增加,從2000年的10.77×104人增加到了2018年的34.44×104人,增長速度為1.31×104人/年。而瑪河流域人口主要集中在山麓綠洲地帶,北鄰荒漠,南靠山地,生態(tài)系統(tǒng)脆弱,資源相對緊缺,過剩人口的不斷增加進(jìn)一步加劇了流域面臨的生態(tài)挑戰(zhàn)。
圖4 瑪納斯河流域生態(tài)適度人口 Fig.4 The ecologically moderate population of the Manas River Basin
3.3.2瑪河流域資源利用效率明顯提高
瑪河流域的自然資源利用效率顯著提高,三次產(chǎn)業(yè)的資源利用效率和提高速度均是第三產(chǎn)業(yè)>第二產(chǎn)業(yè)>第一產(chǎn)業(yè)(圖5)。2000—2018年間,瑪河流域單位生態(tài)足跡所能創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益由0.22萬元/hm2增加到1.26萬元/hm2,在18年內(nèi)增加了4.73倍,增長速度為0.058萬元 hm-2a-1。其中第一產(chǎn)業(yè)由0.056萬元/hm2增加到0.316萬元/hm2,增加了4.68倍,增長速度為0.014萬元 hm-2a-1； 第二產(chǎn)業(yè)由0.080萬元/hm2增加到0.453萬元/hm2,增加了4.68倍,增長速度為0.021萬元 hm-2a-1；第三產(chǎn)業(yè)由0.085萬元/hm2增加到0.492萬元/hm2,增加了4.81倍,增長速度為0.023萬元 hm-2a-1。表明瑪河流域資源利用效率正逐步提高,經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿^大。
圖5 瑪納斯河流域生態(tài)利用效率變化Fig.5 Ecological utilization efficiency of the Manas River Basin
4 討論
4.1 本土參數(shù)與省域參數(shù)和國家參數(shù)的比較
本研究測算的瑪河流域本土參數(shù)與省域參數(shù)和國家參數(shù)相比,能較好地反映流域?qū)嶋H狀況。同其他生態(tài)足跡的模型參數(shù)研究一樣,本文能源用地的產(chǎn)量因子取0,建設(shè)用地的均衡因子和產(chǎn)量因子均與耕地相同。其中,耕地和建設(shè)用地的均衡因子明顯高于省域參數(shù)和國家參數(shù),草地、林地和水域的均衡因子明顯低于省域參數(shù)和國家參數(shù),能源用地的均衡因子低于省域參數(shù),但與國家參數(shù)近似；耕地、建設(shè)用地和草地的產(chǎn)量因子高于省域參數(shù),但低于國家參數(shù),林地的產(chǎn)量因子明顯低于省域參數(shù)和國家參數(shù),水域的產(chǎn)量因子高于省域參數(shù),與國家參數(shù)近似(表5)。該結(jié)果主要與研究區(qū)特點(diǎn)和面積當(dāng)量有關(guān),省域參數(shù)的面積當(dāng)量是“國家公頃”,國家參數(shù)的面積當(dāng)量是“全球公頃”,而本土參數(shù)的面積當(dāng)量是“省公頃”。瑪河流域是新疆重要的商品棉和糧食生產(chǎn)基地,棉花和糧食對流域農(nóng)業(yè)用地的資源占用超過80%,生產(chǎn)能力較高,耕地的均衡因子和產(chǎn)量因子較高。林地面積僅占流域總面積的4%左右,且多為生態(tài)林,生產(chǎn)能力較低,其均衡因子和產(chǎn)量因子較低。草地和水域面積占流域總面積的近50%和2%,二者的生產(chǎn)能力在全疆范圍內(nèi)較高,但與其他地類相比較低,因此其產(chǎn)量因子較高,均衡因子較低。此外本文考慮到流域能源消耗量大且草地與耕地均有碳吸收能力的現(xiàn)實(shí),對能源用地的均衡因子進(jìn)行調(diào)整,其值為1.29。
表5 不同尺度下生態(tài)足跡模型因子對比Table 5 Comparison of ecological footprint model factors at different scales
測算結(jié)果上與本土參數(shù)相比,省域參數(shù)的測算結(jié)果高估了生態(tài)足跡,低估了生態(tài)承載力,夸大了生態(tài)赤字；國家參數(shù)的測算結(jié)果同時(shí)高估了生態(tài)足跡和生態(tài)承載力,在2000、2005、2010年低估了生態(tài)赤字,在2015和2018年夸大了生態(tài)赤字。省域參數(shù)和國家參數(shù)測算的生態(tài)足跡約是本土參數(shù)的1.50倍、1.15倍,生態(tài)承載力約是本土參數(shù)的0.61倍、1.31倍,生態(tài)赤字約是本土參數(shù)的4.40倍和0.87倍(圖6)。主要原因在于瑪河流域是天山北坡經(jīng)濟(jì)帶最為活躍的區(qū)域之一,重化工業(yè)集中,能源消耗量較大,省域參數(shù)中能源用地的均衡因子與林地一致,而林地面積僅占流域總面積的4%左右,難以反映流域碳排放的實(shí)際吸收情況,致使總足跡虛高。同時(shí)耕地的產(chǎn)量因子高于省域參數(shù),致使其低估了生態(tài)承載力,從而夸大了流域的生態(tài)赤字狀況?，敽恿饔虻乃蚝透禺a(chǎn)量因子與國家參數(shù)接近(實(shí)際上略低于),而草地和林地的產(chǎn)量因子明顯低于國家參數(shù),致使其高估了生態(tài)承載力。
圖6 不同參數(shù)下瑪納斯河流域生態(tài)足跡測算結(jié)果對比Fig.6 Comparison of ecological footprint calculation results of Manas River Basin under different parameters
4.2 干旱區(qū)生態(tài)承載力測算的優(yōu)化展望
據(jù)IPBES全球評估報(bào)告,受氣候變化和人類活動(dòng)共同影響,全球正面臨自然衰退“史無前例”和物種滅絕率“加速”的局面,同時(shí)我國生物多樣性保護(hù)功能有所下降[48]。新疆的生物資源種類繁多、品種獨(dú)特、特性優(yōu)良,開發(fā)潛力較大,新疆野生動(dòng)植物達(dá)4000多種,但目前生物多樣性保護(hù)形勢嚴(yán)峻,面臨著物種滅絕速度加快、珍稀瀕危物種增多、生存環(huán)境喪失、生態(tài)系統(tǒng)多樣性降低等主要威脅。目前新疆已建成國家級自然保護(hù)區(qū)15個(gè),面積達(dá)41.2萬km2,占新疆總面積的24.8%。在生態(tài)承載力的測算過程中,出于生物多樣性保護(hù)目的,已有研究多以扣除12%為最終結(jié)果。然而干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱,動(dòng)植物生存受到威脅較大,其發(fā)展過程中所需預(yù)留的生物多樣性保護(hù)面積應(yīng)該更多(理論上應(yīng)大于12%),因此本文的承載力計(jì)算結(jié)果可能高于實(shí)際情況。未來對干旱區(qū)的研究,預(yù)留多少的生物多樣性保護(hù)面積是一個(gè)值得思考的問題。
4.3 瑪河流域可持續(xù)發(fā)展的建議
干旱區(qū)的自然地理?xiàng)l件特殊,發(fā)展受自然本底影響較大,對比呂偉[49]、韋良煥[50]等的研究成果發(fā)現(xiàn),研究時(shí)段內(nèi)瑪河流域的人均生態(tài)足跡及其增長速度均小于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)和新疆整體水平。瑪河流域發(fā)育了干旱區(qū)典型的“山區(qū)-綠洲-荒漠”生態(tài)系統(tǒng),社會-生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定是流域可持續(xù)發(fā)展的前提。依據(jù)自然資本利用現(xiàn)狀,為促進(jìn)流域的可持續(xù)發(fā)展提出以下建議：(1)打破行政壁壘,統(tǒng)籌流域資源?，敽恿饔騼?nèi)部經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡,生態(tài)占用也差異性突出,作為一個(gè)完整的生態(tài)單元,系統(tǒng)內(nèi)部要素緊密相連,打破行政壁壘,統(tǒng)籌規(guī)劃,合理配置流域資源,資本高消耗、低產(chǎn)出的區(qū)域(沙灣縣、瑪納斯縣)多向資源轉(zhuǎn)化較高區(qū)域(石河子市)借鑒區(qū)域資源利用方式,促進(jìn)各行政單元之間綠色、協(xié)調(diào)發(fā)展。(2)提高資源利用效率,調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),突出“優(yōu)棉、強(qiáng)畜、精果”,加大技術(shù)投入,積極推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化,建設(shè)優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地；同時(shí)應(yīng)充分利用自身的地緣優(yōu)勢和資源優(yōu)勢,在“一帶一路”倡議中找準(zhǔn)定位,大力發(fā)展交通運(yùn)輸、物流倉儲、生態(tài)旅游以及食品加工等產(chǎn)業(yè),降低生態(tài)消耗和浪費(fèi)[51]。(3)優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),加大清潔能源利用力度。電力和煤炭是流域主要的兩大能耗類型,流域應(yīng)大力發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù),提高煤炭能源轉(zhuǎn)換率和利用率。此外,瑪河流域太陽能、風(fēng)能、水能等清潔可再生能源豐富,開發(fā)潛力巨大,應(yīng)加大清潔能源的開發(fā)利用力度,實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的多元化。(4)合理推進(jìn)城鎮(zhèn)化進(jìn)程,適度控制人口規(guī)模。應(yīng)結(jié)合綠洲適度規(guī)模,“量”、“質(zhì)”兼顧,有序推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程,同時(shí)還應(yīng)控制人口數(shù)量,改善人口結(jié)構(gòu),提高人口素質(zhì),促進(jìn)社會生產(chǎn)力發(fā)展,享受人才紅利,從而有效緩解人口增長對生態(tài)環(huán)境的壓力。(5)構(gòu)建合理消費(fèi)模式,加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)。鼓勵(lì)低碳綠色消費(fèi),提高居民資源節(jié)約意識,同時(shí)完善流域主體功能區(qū)劃,優(yōu)化生產(chǎn)建設(shè)布局,在對流域三生空間識別的基礎(chǔ)上,明確區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)。對于重點(diǎn)開發(fā)區(qū)域,實(shí)施高效、綠色的發(fā)展策略；對于限制開發(fā)區(qū)域,保持謹(jǐn)慎、適度發(fā)展的態(tài)度；對于禁止開發(fā)區(qū)域,采取嚴(yán)格的保護(hù)策略。
5 結(jié)論
本文以生態(tài)足跡理論為指導(dǎo)思想,以“省公頃”為面積當(dāng)量,針對當(dāng)前生態(tài)足跡計(jì)算過程中存在的問題,選取瑪河流域?yàn)檠芯繂卧?并對能源足跡計(jì)算作出相應(yīng)調(diào)整,利用本土參數(shù)對研究區(qū)域2000、2005、2010、2015和2018年的生態(tài)足跡進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明：
(1)瑪河流域生態(tài)赤字不斷擴(kuò)張,生態(tài)足跡呈明顯的不均衡增長,生態(tài)安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。其中流域生態(tài)赤字年均增速達(dá)-9.48×104hm2/a,人均年增速達(dá)-0.10 hm2人-1a-1。各類土地對流域生態(tài)足跡的影響程度由大到小依次是：能源用地、耕地、草地、建設(shè)用地、林地、水域。
(2)瑪河流域的發(fā)展對流量資源占用持續(xù)擴(kuò)大,存量資源消耗的累積效應(yīng)日益突出,流域內(nèi)部各行政單元的生態(tài)占用差異性突出,賬戶內(nèi)各類型消費(fèi)對存量資源的消耗程度也差異懸殊。打破行政壁壘,統(tǒng)籌規(guī)劃,合理配置資源,是流域未來發(fā)展亟需解決的問題。
(3)干旱區(qū)內(nèi)陸河流域生態(tài)環(huán)境脆弱,但同時(shí)也是資源開發(fā)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿薮蟮膮^(qū)域?，敽恿饔?8年內(nèi)單位足跡創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值增加了4.73倍,增長速度為0.058萬元 hm-2a-1。
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