王 昕，張杏梅

(山西師范大學 地理科學學院， 山西 太原 030000)

隨著《黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》和《中共中央 國務院關于新時代推動中部地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展的意見》等政策的相繼出臺，中原城市群作為黃河流域三大城市群的中心，是東西部聯(lián)系的關鍵紐帶，具有得天獨厚的區(qū)位優(yōu)勢。同時，中原城市群自身擁有較好的資源、環(huán)境、產(chǎn)業(yè)、交通等基礎條件，從各方面來看，極具較強的發(fā)展?jié)摿Γ型蔀榇龠M中部崛起乃至國家經(jīng)濟發(fā)展的又一增長極[1]。但目前來看，中原城市群中近一半的城市仍始終以資源能源作為經(jīng)濟發(fā)展的主要動力，第二產(chǎn)業(yè)的比重大，單位GDP能耗高，這樣的發(fā)展方式在帶來經(jīng)濟效益的同時也造成了資源浪費、生態(tài)環(huán)境惡化等一系列的負面影響，嚴重制約了區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

生態(tài)足跡模型可以基于對區(qū)域內(nèi)消費與廢棄物排放時所需要的生物生產(chǎn)性土地面積的計算[2]，對研究區(qū)的可持續(xù)發(fā)展水平做出評價[3]，最初于1992年由William Rees提出，1996年Wackernagel又在此基礎上進行了修正及完善[4]。自1999年來受到國內(nèi)學者的廣泛關注，且主要集中于3個方面：其一，對生態(tài)足跡進行了理論研究與方法改進[5-7]。其二，在對研究區(qū)生態(tài)足跡進行測算的基礎上，對其動態(tài)變化展開了研究，諸如：周寧等[8]、黨小虎等[9]、呂潔華等[10]、王業(yè)寧等[11]、柯志成等[12]和肖宜等[13]均對不同區(qū)域的生態(tài)足跡與生態(tài)承載力進行了研究，發(fā)現(xiàn)這些地區(qū)均處在了不同程度的生態(tài)赤字狀態(tài)。此外，還有不少學者在此基礎上引入了萬元GDP生態(tài)足跡、生態(tài)壓力指數(shù)和生態(tài)可持續(xù)指數(shù)等有關指標對區(qū)域的生態(tài)安全狀態(tài)[14-15]和可持續(xù)發(fā)展水平進行了評價[16-17]。其三，對生態(tài)足跡方法進行了創(chuàng)新，并廣泛運用到了各個領域,例如旅游[18-19]、水資源[20-22]、能源[23]等領域，且均對各領域的生態(tài)狀況做出了評價。在此基礎上，本研究以中原城市群及所涵蓋的30個地級市作為研究對象，對生態(tài)足跡、生態(tài)承載力及有關指標做出測算，并通過Arcgis、Origin等軟件從時空角度進行可視化分析，旨在剖析該地區(qū)生態(tài)供需狀況，為區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

中原城市群(31°52′N—36°50′N，110°15′E—118°10′E)位于中國的中東部，是一個以河南省為主體，鄭州市和洛陽市為中心與副中心的國家級城市群，一共包括了河南省、河北省、山西省、安徽省和山東省在內(nèi)的5省30個地級市，總土地面積達到了2.870×105km2，約占全國土地面積的3%。在2019年，中原城市群年末總?cè)丝跒?474.46 萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值達4.29 萬億元，人均生產(chǎn)總值約為5.47 萬元/人[24]。

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究方法

2.1.1 生態(tài)足跡的計算

生態(tài)足跡是指把特定時間內(nèi)人類對各種類型資源的消耗轉(zhuǎn)換成的生物生產(chǎn)性土地面積。數(shù)值越大，說明消耗量也越大，生態(tài)足跡越高。計算公式如

(1)

式中EF為總生態(tài)足跡，i為消費品的種類，pi為第i種消費品的平均生產(chǎn)能力,ci為第i種消費品的人均消費量，ri為均衡因子，N為人口總數(shù)，ef為人均生態(tài)足跡。

2.1.2 生態(tài)承載力的計算

生態(tài)承載力是指研究區(qū)里能提供給人類的全部生物生產(chǎn)性土地面積之和。反映區(qū)域的生態(tài)容量[5]。面積越大，則數(shù)值越大，該種土地類型的生態(tài)承載力也越大。計算公式如

(2)

式中EC為生態(tài)承載力總量，ai為人均生物生產(chǎn)性土地面積，ri為均衡因子，yi為產(chǎn)量因子，N為人口數(shù)，ec為人均生態(tài)承載力。

2.1.3 生態(tài)盈虧的計算

生態(tài)盈虧是將生態(tài)承載力和生態(tài)足跡相減，反映區(qū)域的生態(tài)供需狀況。計算公式

ED=EC-EF=N×(ec-ef),

(3)

式中ED為生態(tài)盈虧。當ED<0時，該地為生態(tài)赤字；當ED>0時，該地為生態(tài)盈余。

2.2 數(shù)據(jù)來源

研究所使用的數(shù)據(jù)均來源于《中國城市統(tǒng)計年鑒》《河南省統(tǒng)計年鑒》《河北省統(tǒng)計年鑒》《山東省統(tǒng)計年鑒》《山西省統(tǒng)計年鑒》《安徽省統(tǒng)計年鑒》以及中原城市群30個地級市的統(tǒng)計年鑒與資料，并選取了2005、2010、2015、2018年作為本次研究的時間節(jié)點，采用線性內(nèi)插法與移動平均法相結合的方法以此來補全個別數(shù)據(jù)的缺失。

在對生態(tài)足跡的計算中，生物生產(chǎn)性土地包括了耕地、草地、林地、水域、化石能源用地和建設用地六種土地利用類型[3,25],見表1。

為統(tǒng)一計算的口徑，在生物資源賬戶中，用產(chǎn)量來替代消費量。在計算過程中，使用的全球平均產(chǎn)量的數(shù)據(jù)均來自1993年聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫與楊屹等[26]的研究結果。由于類型不同的生物生產(chǎn)性土地所產(chǎn)生的生態(tài)生產(chǎn)力不同，所以要利用均衡因子，才可以進行相加與比較。楊屹等[26]曾在研究中得出，六種類型的生物生產(chǎn)性土地的均衡因子從1996年之后就基本未發(fā)生改變，因此在本次計算里用均值，耕地和建設用地2.34，草地0.48，水域0.32，林地和化石能源用地1.64。

表1 生態(tài)足跡選取指標及土地類型

研究使用的土地利用數(shù)據(jù)均來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn)。在對不同類型生物生產(chǎn)性土地的生態(tài)承載力進行測算時，同樣也不可以直接進行相加與比較，要通過均衡因子和產(chǎn)量因子進行轉(zhuǎn)換。本研究中所使用的產(chǎn)量因子是1997年Wackernagel在計算中國生態(tài)足跡時所用到的，即耕地與建設用地是1.66，林地0.91，草地0.19，水域1，化石燃料用地0。同時，依據(jù)聯(lián)合國環(huán)境特別委員會所提出的，要減掉12%的面積運用到對生物多樣性的保護中。

3 結果與分析

3.1 中原城市群生態(tài)足跡時間變化分析

3.1.1 人均生態(tài)足跡時間變化分析

2005—2018年，中原城市群人均生態(tài)足跡的變化較為顯著。從生態(tài)足跡的構成中可以看出(見圖1)，各土地類型所占的比例處于一個極不平衡的狀態(tài)，其中化石能源用地的生態(tài)足跡所占比例最大，在2005年達到了53.19%，2018年上升到了63.24%，已經(jīng)遠大于同時間段內(nèi)全球范圍化石能源用地的生態(tài)足跡，其次是耕地和草地所占比例較大，其他三種土地類型即林地、水域與建設用地，所占比例的總和小于總體的5%。在2005—2018年，建設用地、化石能源地和林地分別呈2.33%、1.34%和1.27%的年均增長率逐步增長，而草地、耕地和水域分別呈5.42%、1.37%和0.56%的年平均下降率下降。

(a)生態(tài)足跡構成 (b)生態(tài)承載力構成圖1 中原城市群生態(tài)足跡與生態(tài)承載力構成

從人均生態(tài)足跡總體的變化趨勢中來看(見圖2)，大致可以分為兩個階段，第一個階段是人均生態(tài)足跡持續(xù)增長階段，從2005年的2.538 hm2/人增長到了2015年的3.597 hm2/人，年平均增長率達到了3.550%，從增長態(tài)勢來看，2010年之前的增長速度較快，2010年之后速度有所減緩。分析其原因，主要與中原城市群自身的產(chǎn)業(yè)結構有關，第二產(chǎn)業(yè)所占比重較大，隨著中部崛起戰(zhàn)略的實施，經(jīng)濟水平的快速發(fā)展，工業(yè)化進程逐漸加快，對能源資源的消耗也逐漸增加。第二個階段是人均生態(tài)足跡下降階段，2015—2018年人均生態(tài)足跡以1.472%的年平均下降率開始下降，在2018年下降至了3.441 hm2/人，這主要是源于國家政策的影響，隨著2016年《中原城市群發(fā)展規(guī)劃》等一系列文件的發(fā)布，提出要將中原城市群建設成綠色生態(tài)發(fā)展示范區(qū)的戰(zhàn)略定位，綠色發(fā)展逐漸受到重視，大力整頓了以第二產(chǎn)業(yè)為主的重污染企業(yè)，并加大了治污力度。同時，各地區(qū)在發(fā)展的過程中也越來越注重生態(tài)環(huán)境的保護。因此，通過發(fā)展理念的轉(zhuǎn)變和政策機制的制定，區(qū)域發(fā)展中更加注重資源、環(huán)境與經(jīng)濟的協(xié)調(diào)?？傮w來看，中原城市群人均生態(tài)足跡的變化趨勢呈現(xiàn)出了先上升后下降的倒“U”型變化趨勢，這與倒“U”型的環(huán)境庫茲涅茨曲線相一致。說明雖然中原城市群所面臨的生態(tài)壓力較大，但從整體的發(fā)展趨勢來看，情況有所好轉(zhuǎn)。

3.1.2 人均生態(tài)承載力時間變化分析

2005—2018年，中原城市群人均生態(tài)承載力呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢,如圖2所示，由2005年的0.493 hm2/人，一直降低到了2018年的0.440 hm2/人，年平均下降率為0.877%，與人均生態(tài)足跡相比，變化較不顯著，相對穩(wěn)定。從生態(tài)承載力的構成中可以看出(見圖1)，耕地的面積最大，生態(tài)承載力最高，年平均所占的比例最大，約為78%，其次是建設用地，年平均所占比例為15.18%，林地的年平均占比也到達了6.44%，而水域與草地的年平均所占比例最小，均不足3%。從各土地類型生態(tài)承載力的變化來看，建設用地是唯一一種生態(tài)承載力呈增長趨勢的土地類型，年平均增長率為0.78%，其余4種土地類型的生態(tài)承載力均呈現(xiàn)不斷降低的態(tài)勢，其中下降速度最快的是草地，年平均下降率為1.32%。因為WWF發(fā)布的《Living Planet Report 2012》中指出化石能源地“專門用來吸收化石能源消耗中所產(chǎn)生CO2的土地類型”，但在現(xiàn)實的規(guī)劃中并未預留此種土地類型，所以生態(tài)承載力為0[27]。

3.1.3 人均生態(tài)赤字時間變化分析

在對中原城市群的生態(tài)足跡與生態(tài)承載力進行測算的基礎上，得出了在2005—2018年間，中原城市群始終處在了生態(tài)赤字的狀態(tài)，而由于人均生態(tài)承載力的變化較小，相對穩(wěn)定，所以人均生態(tài)赤字的時間變化趨勢與人均生態(tài)足跡的變化趨勢基本一致，呈倒“U”型變化趨勢(見圖2)。總體來看，也大致可以分成兩個階段：第一階段是2005—2015年，人均生態(tài)赤字不斷擴大，由2.045 hm2/人擴大到了3.149 hm2/人，年平均增長率為4.413%，增長幅度較大，變化顯著，且在2005—2010年人均生態(tài)赤字的增長速度遠大于2010—2015年。表明生態(tài)環(huán)境的消耗在不斷增加，生態(tài)供需矛盾逐漸加劇，但速度有所減緩；第二階段是2015—2018年，人均生態(tài)赤字出現(xiàn)了下降的趨勢，年平均下降率為1.592%，在2018年下降到了3.001 hm2/人。從總體變化趨勢來看，雖然中原城市群的生態(tài)赤字嚴重，但已經(jīng)逐漸出現(xiàn)了赤字不斷縮小的局面。從生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的構成上能夠看出，化石能源地的人均生態(tài)足跡與人均生態(tài)承載力差距最大，是造成人均生態(tài)赤字的主要原因。

圖2 2005—2018年中原城市群各指標變化圖

3.2 中原城市群生態(tài)足跡空間變化分析

3.2.1 人均生態(tài)足跡空間變化分析

中原城市群人均生態(tài)足跡在空間上存在著較大的不均衡性和差異性，總體呈“西北高，東南低”的空間分布格局。按照自然斷裂法將人均生態(tài)足跡分為5個等級(見圖3)。

(a)2005年 (b)2018年圖3 中原城市群人均生態(tài)足跡空間分布圖

2005年中原城市群人均生態(tài)足跡第一等級的地級市為長治、濟源、淮北，呈點狀分布，第二等級的地級市是邯鄲、鶴壁、晉城、運城、焦作、平頂山，占中原城市群數(shù)的20%，主要分布在城市群的西北部和北部；第三等級的地級市是邢臺、聊城、安陽、鄭州、三門峽、洛陽、許昌、商丘，沿第二等級的地級市向中部地區(qū)逐漸擴展，占比26.67%；第四等級的地級市是新鄉(xiāng)、開封、宿州、漯河、南陽、駐馬店、蚌埠，占比23.33%；第五等級的地級市是濮陽、菏澤、周口、亳州、阜陽、信陽，主要分布在城市群的中部、南部與西南部。2018年，30個地級市之間的極差逐漸擴大，由2005年的5.257 hm2/人擴大到了16.713 hm2/人，第一等級的地級市新增了晉城市；第二等級有運城、三門峽、平頂山和鶴壁市；第三等級有邯鄲、安陽、聊城和焦作市；第四等級所占比例最大，占到了40%，包括邢臺、新鄉(xiāng)、鄭州、洛陽、開封、許昌、漯河、駐馬店、商丘、菏澤、宿州與蚌埠市；第五等級有濮陽、南陽、周口、亳州、阜陽和信陽市。

整體來看，各地級市的人均生態(tài)足跡均有不同程度的增加，這與各地經(jīng)濟發(fā)展水平、人們生活水平和消費結構等各方面都有較大的關系。且中原城市群西部地區(qū)多山區(qū)，東部地區(qū)多平原，而西部地區(qū)擁有著大量的煤炭、有色金屬等能源資源，因此，西部的城市大多數(shù)是資源型城市，主導產(chǎn)業(yè)是高能耗的資源型產(chǎn)業(yè)，而東部地區(qū)則多以發(fā)展農(nóng)業(yè)為主。這就導致了整體上西北部的人均生態(tài)足跡高于東南部地區(qū)。尤其是長治、晉城、濟源和淮北市，是人均生態(tài)足跡最高的地區(qū)。主要是由于晉城市是典型的資源型城市，產(chǎn)業(yè)結構不平衡，且煤炭產(chǎn)業(yè)一枝獨秀，經(jīng)濟的增長過度依賴資源，再加上節(jié)能減排工作困難重重，導致了人均生態(tài)足跡高。而長治市屬于老工業(yè)基地，以煤、焦、鐵、電等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)為主，經(jīng)濟發(fā)展后勁不足，環(huán)境污染嚴重。濟源市由于自身能源資源匱乏，對外依賴度高，能源消費較高?；幢笔凶鳛槲覈?3大煤炭生產(chǎn)基地之一，能源資源消費量巨大，是造成該地區(qū)人均生態(tài)足跡較高的主要原因。

3.2.2 人均生態(tài)承載力空間變化分析

中原城市群的人均生態(tài)承載力的空間差異小，且整體上呈“四周高，中間低”的空間分布格局。同樣，按照自然斷裂點法將人均生態(tài)承載力分為5個等級(見圖4)。

(a)2005年 (b)2018年圖4 中原城市群人均生態(tài)承載力空間分布圖

2005年中原城市群人均生態(tài)承載力第一等級的地級市包括長治、晉城、三門峽和運城，人均生態(tài)承載力分別為0.887、0.870、0.823、0.718 hm2/人，主要分布在城市群的西北部地區(qū)；第二等級的地級市是洛陽、南陽、信陽等10市，占整個地區(qū)的33.33%；第三等級的地級市有開封、商丘、新鄉(xiāng)、平頂山、鶴壁、菏澤和淮北，共7個地級市，占到23.33%；第四等級所包含的地級市則較少，僅有安陽、周口和濮陽；第五等級則包括鄭州、許昌、焦作、漯河和阜陽市，主要集中在中部地區(qū)。2018年中原城市群各地級市人均生態(tài)承載力的極差保持著縮小的態(tài)勢，由2005年0.564 hm2/人縮小到了0.548 hm2/人。與2005年相比，第一等級少了運城市，第二等級少了邢臺、聊城等6個地級市，第三等級地級市的數(shù)量沒有發(fā)生改變，第四等級增加了鶴壁、新鄉(xiāng)等5個地級市，第五等級新增了邯鄲市和周口市。相比于人均生態(tài)足跡來說，中原城市群人均生態(tài)承載力的空間變化較小。

對各地級市人均生態(tài)承載力進行分析，可以得出人均生態(tài)承載力的變化是由耕地與建設用地所主導的，其中80%以上的地級市，其耕地對人均生態(tài)承載力的貢獻力超過了70%。同樣又有超過80%的地級市其化石能源用地的貢獻力超過了10%。因此可以得出，在提高生態(tài)效率時可以著重提高耕地和化石能源用地的利用效率，以此來緩解生態(tài)壓力。

3.2.3 人均生態(tài)赤字空間變化分析

中原城市群人均生態(tài)赤字的空間分布格局呈“西北高，東南低”(見圖5)。與2005年相比，2018年人均生態(tài)赤字均有所提高，且30個地級市人均生態(tài)赤字的差距由2005年的6.942 hm2/人擴大到了2018年的18.118 hm2/人?？梢?，中原城市群各地級市之間存在著明顯的差異，同時差異有著擴大的態(tài)勢。其中，長治、晉城、濟源和淮北市人均生態(tài)赤字最高，阜陽、周口、亳州的人均生態(tài)赤字最低，這與人均生態(tài)足跡的空間分布格局相一致，這主要是由于人均生態(tài)承載力的空間變化較小，所以人均生態(tài)赤字的空間變化是由人均生態(tài)足跡所決定的。

(a)2005年 (b)2018年圖5 中原城市群人均生態(tài)赤字空間分布圖

4 結論與建議

4.1 結論

利用生態(tài)足跡模型，計算了中原城市群2005—2018年的生態(tài)足跡、生態(tài)承載力及相關指標，并進行了時空變化分析，得出：

(1)2005—2018年中原城市群人均生態(tài)足跡的變化趨勢呈倒“U”型曲線，年平均增長率由6.0%下降到了-1.5%，這與倒“U”型的環(huán)境庫茲涅茨曲線相一致；人均生態(tài)承載力的變化幅度未超過0.1 hm2/人，相對穩(wěn)定，并保持著緩慢下降的態(tài)勢；在研究時間段內(nèi)，中原城市群始終處在生態(tài)赤字的狀態(tài)，并從2005年的2.045 hm2/人擴大到2015年的3.149 hm2/人，2018年又縮小至3.001 hm2/人，呈倒“U”型的變化趨勢。

(2)在空間上，人均生態(tài)足跡的差異顯著，“西北高，東南低”；相對而言，人均生態(tài)承載力的空間差異較小，總體呈“四周高，中間低”的分布格局；30個地級市均處于生態(tài)赤字的狀態(tài)，以長治、晉城、平頂山、淮北、濟源等一系列資源型城市的生態(tài)赤字最為嚴重，空間差距逐漸擴大，空間分布格局與人均生態(tài)足跡的空間分布格局具有一致性，“西北高，東南低”。

在本研究中，基于生態(tài)足跡模型對中原城市群的生態(tài)供需狀態(tài)進行了剖析。雖然，人均生態(tài)足跡的變化趨勢與環(huán)境庫茲涅茨曲線相一致，逐漸出現(xiàn)了轉(zhuǎn)好的態(tài)勢，但是生態(tài)供需仍處于“求大于供”的狀態(tài)，生態(tài)赤字嚴重，甚至已經(jīng)威脅到了該地區(qū)的生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展。

4.2 建議

(1)降低人均生態(tài)足跡。從中原城市群生態(tài)足跡的計算結果可以看出，化石能源消耗產(chǎn)生的生態(tài)足跡在總生態(tài)足跡中的占比較大，而能源的消耗主要集中在第二產(chǎn)業(yè)。第二產(chǎn)業(yè)作為中原城市群經(jīng)濟發(fā)展的主要動力，不能單純的通過完全限制第二產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來減少生態(tài)足跡。因此，對于人均生態(tài)足跡較高的地區(qū)，如：長治、晉城、濟源和淮北市等，要因地制宜，提高資源的利用效率，推動產(chǎn)業(yè)向生態(tài)化的方向升級。

(2)提高人均生態(tài)承載力。中原城市群中部地區(qū)的人均生態(tài)承載力較低，如鄭州、焦作、許昌等。這些地區(qū)可以通過鼓勵人口向周圍人均生態(tài)承載力較高的地區(qū)轉(zhuǎn)移，還可以通過對老城區(qū)改造以及盤活農(nóng)村閑置的土地，以此來擴大建成區(qū)面積。

(3)加強城市聯(lián)系，發(fā)揮空間溢出效益。鄭州市作為中心城市，聚集了城市群中大部分的優(yōu)質(zhì)資源，在各個方面的發(fā)展中均處于優(yōu)勢地位。因此，鄭州市要發(fā)揮輻射帶動作用，帶頭引導重點產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，并促進信息、人才等要素流動，促進城市間的不均衡性逐漸縮小。