基于模型参数本地化修正的河...迹演化特征及可持续发展分析_王锦.pdf

第 37 卷第 2 期干旱区资源与环境Vol 37No 22023 年 2 月Journal of Arid Land esources and EnvironmentFeb 2023文章编号:1003 7578(2023)02 042 08doi:1013448/j cnki jalre2023033基于模型参数本地化修正的河北省生态足迹演化特征及可持续发展分析*王锦1，韩阳媚2，丛林1，贾丽凤1，李玉灵2(1 河北农业大学人文社会科学学院，保定 071000;2 河北农业大学林学院，保定 071000)提要:以河北省及其11 个地级市为研究对象，以“省公顷”参数本地化修正后的生态足迹模型测算20092019 年间河北省及各市人均生态足迹与人均生态承载力，并对其时空演化特征和可持续发展能力进行分析。结果表明:1)参数修正后获取的河北省耕地均衡因子最大，耕地生态足迹最大。2)以 2015 年为时间节点，2009 2019 年河北省人均生态足迹呈现先上升后下降的趋势，人均生态承载力变幅不明显，全省处于生态赤字状态。3)生态足迹、生态赤字和生态压力均呈现“北高南低”空间分布格局，南部生态足迹多样性大，生态承载力高于北部，可持续发展能力也强于北部。4)2009 2019 年河北省人均 GDP 不断攀升，但各市万元 GDP 生态足迹降幅明显，中南部降幅达到 50%以上，资源利用效率明显提升。关键词:参数修正;生态足迹;演化特征;可持续发展;河北省中图分类号:X171 1文献标识码:A摸清地域生态足迹分布特征，掌握地区生态承载力，是达到资源需求和供给相平衡，促进地区可持续发展的根本保障。生态足迹法被广泛用于研究资源供需关系。为了更为准确反映生态足迹时空异质性，研究者先后在国家1、省域2、市域3、以及县域4 5 等空间尺度下开展生态足迹的时空动态研究。生态足迹模型本身就是一个与空间尺度密切相关的模型6，传统生态足迹模型主要以全球公顷为标准进行生态足迹核算，更适于国家层面的分析和比较，有学者7 研究发现中小尺度下生态足迹的计算不能简单的套用全球统一的因子，在省、市生态足迹计算时，采用单位省公顷土地的平均生物生产力为标准，更能精确反映各省、市的实际生产力状况和区域发展特征，这就需要对均衡因子和产量因子进行标准化和本地化修正。张恒义等8 将不同类型的生物产品转换成性质统一的热值形式，计算平均产量，进而修正计算均衡因子和产量因子，提高不同区域生态足迹的可比性。河北省资源禀赋时空差异大，掌握其生态足迹及其承载力时空分布差异性是制定区域可持续发展战略的基础。为此，文中在传统生态足迹模型的基础上，结合河北省 2009 2019 年的生物资源消费、能源消费、人口和各项经济指标等数据，使用“省公顷”作为计量单位，对均衡因子和产量因子进行本地化修正，在定量计算和分析河北省的生态足迹和生态承载力时空演化特征的基础上，更准确全面的评价地区发展状况，为提高地区可持续发展提供有益的参考。1材料与研究方法1 1研究区概况河北省环抱京津，紧邻渤海，地势由西北向东南倾斜，地形多样，兼有山地、丘陵、湖泊、高原、平原和海湾，生态系统类型丰富，生态功能重大。河北省总面积 18 85 万 km2，2019 年河北省耕地面积 603 417 万hm29，至 2019 年末总人口 7591 97 万人，全年地区生产总值 35104 5 亿元。1 2数据来源*收稿日期:2022 6 23;修回日期:2022 9 1。基金项目:河北省人力资源与社会保障厅高层次人才课题资助。作者简介:王锦(1988 )，女，汉族，硕士，讲师，主要从事生态管理、林业经济管理研究。E mail:wangjinjyj126 com文中的生物资源消费和能源消费、人口和地区生产总值数据源自 河北经济年鉴(2010 2019)、河北统计年鉴(2020)和 河北农村统计年鉴(2010 2020);2009 2019 年河北省生产性土地面积数据源于地方统计数据和中华人民共和国自然资源部官网(http:/tddc mlr gov cn)。使用“省公顷”对因子重新计算涉及的各类生物产品单位热值来自 农业技术经济手册(修订本)，个别缺失数据以近似生物产品的热值代替。1 3研究方法1 3 1均衡因子和产量因子的修正生态足迹模型将地球上的生物生产性土地分为 6 类(表 1):耕地、牧草地、林地、水域、建设用地和化石能源地，并且认为这 6 类土地类型相互独立地为人类提供生态产品及服务10。由于各类生态生产性土地的生产力之间存在差异，故乘以一个均衡因子，使各类土地转化为统一、可比较的生态生产性土地面积。而同类生物生产性土地的生产力在不同区域提供的潜在的生物生产空间是不同的11，因此需要乘以一个转换系数 产量因子12，方可比较各地同类生物生产性土地的实际面积，借鉴张恒义等的生态足迹模型参数计算方法13，以省公顷为计量单位，对均衡因子和产量因子进行本地化修正，计算公式如下:qi=?PiP=QiSi/QiSi=KPik rikSi/iKPik rikSi(1)式中 qi为省域第 i 类土地的均衡因子(s nhm2);?Pi为第 i 类土地的平均生产力(109J/hm2);?P 为省域内全部土地的平均生产力(109J/hm2);Qi为第 i 类土地的总生物产量(109J);Si为第 i 类土地的生物生产面积(hm2);Pik为第 i 类土地的第 k 种生物产品产量(kg);rik为第 i 类土地的总产出类土地上第 k 种生物产品的单位热值(103J/kg)。yji=PjiPi=QjiSji/QiSi=k(pik)j rikSji/kPik rikSi(2)式中 yji是 j 市第 i 类土地的产量因子;Pji是 j 市第 i 类土地的平均生产力(109J/hm2);Pi是第 i 类土地的平均生产力(109J/hm2);Qji是 j 市第 i 类土地的总产出(109J);Sji是 j 市第 i 类土地的总面积(hm2);Qi是省域内所有第 i 类土地的总产出(109J);Si是省域内所有第 i 类土地的总面积(hm2);(pik)j指 j 市第 i类土地的第 k 种产品的年产量(kg);其它参数含义同上。需要指出的是，建设用地占用之前一律视为耕地，故其均衡因子与耕地一样。化石能源消费足迹是通过吸收能源消费产生的 CO2所需要的林地面积来表征的，所以其均衡因子与林地相同14。一般认为，化石能源地是人类应该留出用于吸收 CO2的土地，但目前事实上人类并未留出这类土地，因此对化石能源地产量因子取 0，后续承载力也计为 0。1 3 2生态足迹与生态承载力计算生态足迹方法从需求侧定量测算人类对自然利用的程度，对生态系统是否处于可持续的状态进行评判15。其计算公式为:EF=N ef=N kaik qi=N kcikpik qi(3)式中:EF 为总生态足迹;N 为年末总人口数;ef 为人均生态足迹;aik为第 i 类土地上的第 k 种生物产品转化的土地面积;cik为第 i 类土地上的第 k 种生物产品的人均消费量(包括贸易调整部分);pik为第 i 类土地上的第 k 种生物产品的平均单位产量;qi为均衡因子。生态承载力是从供给层面定量测算生态资源可持续利用的程度。如公式(4)所示。考虑到生物多样性保护的需要，参考其他专家学者的研究以及根据世界环境与发展委员会(WCED)的建议，扣除了 12%的生物多样性保护面积16 以进一步修正生态承载力。EC=N ec=N 6i(ai qi yi)(4)式中:EC 为总生态承载力;N 为年末总人口数;ec 为人均生态承载力;i 为 6 种生物生产性土地类型;ai为实际人均占有的第 i 类生物生产土地面积;qi为均衡因子，yi为产量因子。1 3 3生态赤字(盈余)34第 2 期王锦等基于模型参数本地化修正的河北省生态足迹演化特征及可持续发展分析生态赤字(盈余)的计算公式为:f=EF EC 或 f=ef ec(5)式中:EF、ef、EC、ec 含义同上。当 f 0 时，表现为生态赤字，预示了当前生态系统的不安全性。反之为生态盈余，此时生态系统处于安全状态11。表 1 生态足迹账户Table 1 Classification of ecological footprint accounts资源账户生产性土地类型选取指标生物耕地谷物、豆类、薯类、油料作物、棉花、麻类、甜菜、烟叶、蔬菜、瓜果类、猪肉、家禽肉、禽蛋、蜂蜜资源林地经济林果、木材采伐量消费牧草地牛肉、马肉、驴肉、骡肉、羊肉、兔肉、奶类、山羊毛、绵羊毛、羊绒水域海水水产品产量、淡水水域水产品能源消费化石能源地煤炭、石油、天然气建设用地一次电力1 3 4生态压力指数生态压力指数模型为:PI=ef/ec(6)其中:PI 为生态压力指数;ef、ec 含义同上。当 PI 1 时表明生态安全仍然有保障，反之则影响生态系统平衡。生态压力指数越大，人类干扰生态平衡的强度越大，对生态系统的威胁也越大16。1 3 5万元 GDP 生态足迹万元 GDP 生态足迹反映经济发展对土地资源利用率、经济增长和技术进步对可持续发展的影响17。计算公式为:万元 GDP 生态足迹=EF/GDP(7)一个地区的万元 GDP 生态足迹、生态赤字、生态压力与该地区的可持续发展能力是负相关的18。1 3 6生态足迹多样性和发展能力指数生态足迹多样性指数通过 Shannon Weaver 公式计算:H=6j=1(pj lnpj)(8)式中，H 表示生态足迹多样性指数，pj和 ln pj分别表示第 j 类土地类型在生态足迹中的比例和分配状况。H 值越大，表明区域内生态足迹分配越平均，反之则表明区域内生物生产性土地类型单一或面积比例失调，生态系统处于不稳定状态12。Ulanowicz 将生态经济发展能力指数 C 的计算公式定义为19:C=ef H=ef 6j=1(pj lnpj)(9)式中，C 为生态经济发展能力指数，其余指数含义同上。当生态足迹一定时，生态足迹多样性越大，生态经济发展能力指数就越大，可持续发展能力越强;当生态足迹多样性一定时，生态足迹越大，虽然发展能力指数增大，但可持续发展能力较差20。2结果与分析2 1模型参数调整及分析2 1 1均衡因子2009 2019 年河北省各类土地的均衡因子(表 2)。总体上呈现耕地 牧草地 林地 水域的趋势。耕地的均衡因子最大，表明河北生物资源消费产品主要来源于耕地。林地因包含生态公益林，生产力较低。化石能源地和建设用地基本呈现逐年上升趋势。表 2 2009 2019 年河北省各类生产性土地均衡因子Table 2 Equilibrium factors of various types of ecologically productive lands across Hebei province from 2009 to 2019年份20092010201120122013201420152016201720182019耕地2 222 222 21221222221220220220220227林地0 120 120 12012011012012013013014015牧草地0 160 150 15015014016016014014014015水域0 110 120 11010010011011012013012011化石能源地0 120 120 12012011012012013013014015建设用地2 222 222 212212222212202202202202272 1 2产量因子44干旱区资源与环境第 37 卷取 2010 年、2015 年、2019 年三个时间节点，计算河北省 11 市的各类生产性土地产量因子(表 3)，发现各市耕地产量因子总体均呈现缓慢下降趋势。张家口、承德的耕地产量因子都远低于其他城市和全省平均水平。各市林地产量因子在 2015 年后呈现降低趋势。各市牧草地和水域产量因子均存在两级分化的现象。衡水、廊坊等地因其畜牧养