县域尺度生态承载力供需平衡研究

县域尺度生态承载力供需平衡研究

人类的生存和发展取决于生态环境的生产功能和支持功能，人类社会如何发展不能脱离生态环境的支持和控制。人类社会要取得可持续发展,必须生存于生态系统的承载力范围之内,生态承载力是人与自然相互依赖关系的重要度量。中国是人口大国,并处于经济高速发展的阶段,人口基数大,人均资源少,资源环境面临巨大压力已成为不容回避的现实国情,在这种国情下,中国生态承载力供需状况如何?生态承载能否支撑中国社会经济的快速发展?这不仅是中国社会关注的课题,同时也是国际社会关注的重要课题。生态承载力研究包括资源承载力和环境承载力两类。然而,生态系统中资源与环境的区分并不是绝对的,单独基于资源供给或环境纳污的生态承载力研究均是不完整的。生态足迹(ecologicalfootprint)在一定程度上弥补了这种缺陷。自提出以来,生态足迹方法便吸引了众多学者的广泛关注与实践,已成为重要的生态承载力需求模型之一,并为衡量生态承载力供需平衡状况提供了方法依据。生态足迹研究涉及方面较多,但纵观已有研究,其结果往往只是表达了简单的生态盈亏关系,生态足迹、生态承载力构成变化,或者只针对某单一研究对象,没有体现生态供需平衡状况程度或水平;且其研究空间尺度也多集中于国家或分省区等大中尺度,而对分县等小空间尺度研究较为少见。县级区域是我国基本行政单元,也是政策实施的基本最小单元,对县域生态环境的深入分析与评价无疑对政府制定及实施有针对性的政策具有重要的现实意义。基于此,本文以生态承载力供需关系为切入点,应用生态足迹模型和GIS方法,从县域尺度核算和评价2007年我国生态承载力供给量与需求量,并构建生态承载力供需平衡指数(ECCI),系统评价我国县域生态承载力的供需平衡状况,以揭示人类社会经济需求与生态供给间的关系,以期为我国主体功能区、人口发展功能区以及生态安全区划提供科学信息和决策参考。1生态承载平衡模型1.1生态痕迹的时空差异生态足迹是指能够持续地提供人口消费的资源及消纳其产生的废物的、具有生物生产力的地域空间(包括陆地和水域生态系统),最早由加拿大生态经济学家William等在1992年提出。其基本思想是指消费的每一种物质或能量都需要一定数量的一种或几种生物生产性空间来提供这些资源流和吸纳排放的废弃物。因此,任何已知人口的生态足迹是生产其消耗的资源和吸纳其消费引起的废弃物所需的生产性空间的总面积。它通过跟踪人类利用的大多数消费品和产生的大部分废弃物,估算生产和维持这些消费品和资源以及同化废弃物所需要的生物生产性土地面积(耕地、草地、水域、林地、建筑用地、化石燃料用地等6类),并利用均衡因子将之转化为相应的生物生产性空间,来测度不同研究主体消费自然资本的压力。这一概念援引了生态承载力的内涵,是生态承载力的倒置表达。计算公式如下:其中:i为消费商品和投入的类型;j为生产性空间的类型;ef为人均生态足迹,ci为i种消费项目的年平均消费量;EF为总生态足迹;N为人口数;这里需要指出的是,因本文反映的是我国分县生态足迹空间差异,不需与国外进行对比,为充分反映分县生态足迹空间差异,本文将原先公式中的全球平均产量与国家平均产量,分别以全国平均产量和分县平均产量替代,即nPi和cPi分别为第i种消费项目单位面积的全国平均产量和分县平均产量;YFi为产量因子,即cPi和nPi的比值;wj为第j类土地利用的均衡因子,根据世界自然基金会(WWF)2008年公布的《生存星球报告2006》,本文取耕地与建设用地为2.21,草地为0.49,林地为1.34,水域为0.36,能源用地为1.34。1.2生态承载力与生态足迹生态承载力是指区域内真正拥有的生物生产性空间的面积,是一种真实土地面积,反映了生态系统对人类活动的供给程度。在核算生态承载力时,借助于产量因子和均衡因子进行调整核算,使不同种类生产性土地转化为具有同一生产力水平的土地面积。公式如下:其中:ec为人均生态承载力,EC为生态总承载力;ayi为第i类消费项目的区域年总产量;i、j、wj、nPi、cPi、YFi、N则同式(1)、(2)。理论上,生态承载力组分与生态足迹组分是一一对应的,即包括耕地、草地、林地、水域、建设用地和化石燃料用地等6类,其中:耕地主要是提供粮食及其他主要农产品;牧草地主要提供畜牧业产品,包括牛羊肉类、奶类等;林地主要是为人类提供林产品及木材;水域主要提供渔业产品(包括淡水和海洋产品);建筑用地包括各类人居设施及道路所占用的土地。一般这类土地大都建在肥沃的土地上,主要为耕地;化石燃料用地理论上是指专门用于吸收化石燃料燃放排放的CO2的土地,但目前事实上并未留出这类土地,所以参考相关研究,本文化石燃料用地面积取值为零。最后,按世界环境与发展委员会《我们共同的未来》建议,在总生物生产性面积中扣除12%作为生物多样性保护地。1.3平衡区的划分在对中国生态供给与需求状况进行评价的基础上,本文引入生态承载力供需平衡指数(ECCI)对区域生态供需平衡关系进行分析。ECCI是指区域人均生态足迹与人均生态承载力的比值,反映了生态资源供给与需求的关系。公式如下:当ef小于ec时,人类对生态系统需求小于生态系统供给,区域表现为生态盈余;当ef大于ec时,人类对生态系统需求大于生态系统供给,区域表现为生态赤字;当ef等于ec时,人类对生态系统需求等于生态系统供给,则区域表现为生态平衡。因此,根据ECCI的大小关系,可以将我国生态承载力供需平衡划分为生态盈余区、生态平衡区和生态赤字区3种类型区。理论上,当ECCI等于1时,区域表现为生态平衡,但考虑到现实中此情景较少,因此,本文将范围上下浮动10%做为平衡区,即ECCI介于0.9~1.1为生态平衡区,ECCI低于0.9和高于1.1则分别为生态盈余区和生态赤字区。随后,分别根据生态盈余区、平衡区和赤字区ECCI值的范围,根据与其平均值关系作为判定盈余或赤字的程度差异(如生态赤字区ECCI均值为2.53,则将ECCI>2.5划定为严重超载),将生态承载力供需平衡进一步续分为8个级别,基于ECCI的中国生态承载力供需平衡分类(级)评价标准如表1所示。2生态足迹及中国县域区划图人口数据是本文计算所用到的重要数据之一,其直接关系到人均生态足迹、人均生态承载力的结果。本文所采用的人口数据为分县常住人口,主要来源于各分省(市、区)统计年鉴(2008)。常住人口是指实际居住在某地区一定时间(半年以上)的人口。按人口普查和抽样调查规定,常住人口中已包括除离开本地半年以上的全部常住本地的户籍人口、户口在外地但在本地居住半年以上或离开户口地半年以上而调查时在本地居住的人口等流动人口。因此,无需考虑流动人口对数据的影响。分县生态足迹核算数据主要来源于各省(市、区)统计年鉴(2008年)、农业统计年鉴(2008年)、能源统计年鉴(2008年)等;生态足迹组分繁多,各省(市、区)统计年鉴统计项目不尽相同,在县域小尺度范围内获取全部所需数据具有一定的难度。因此,在通览全国分省(市、区)统计年鉴的基础上,根据数据的可得性,本文对分县生态足迹计算所需数据进行了遴选(详见表2),这些数据涵盖了生态足迹核算所需的大部分组分,因此可较全面反映全国分县生态足迹的状况。能源消费计算以世界上单位化石燃料生产土地面积的平均发热量为标准,将能源消费所消耗的热量折算成一定的化石燃料土地面积和建筑用地面积。全球平均能源足迹和折算系数见表3。中国县域行政区划图来源于中国科学院资源环境科学数据中心,在研究过程中,根据最新的行政区划地图对图件进行处理,通过必要的整合,具体将中国划分为2326个县域(除港澳台)单元进行研究。由于第三次土地调查统计公布数据未公布,分县生态承载力核算采用第二次土地调查统计公布的数据。由于年际间行政区划的变动,需要对生态承载力组分数据(如林地、草地等)与最新行政区划相对应。在研究过程中,根据行政区划的变迁,通过合理的合并、减除等来进行一一匹配。如原A县已归于2007年的B市辖区,那么原A县生态承载力组分数据便合并到2007年B市辖区内;若A县已单列为2007年的A市,则原A县数据则成为2007年A市数据。3结果分析3.1生态足迹和均非生态痕迹空间分布不匹配2007年中国分县总生态足迹和人均生态足迹均值分别为137.42hm2和2.46hm2/人。根据与全国均值的比值大小,本文将分县总生态足迹和人均生态足迹分为8类(图1)。结果表明,我国分县总生态足迹和人均生态足迹均为低值区占主体,总生态足迹高值区[图1(a)红色区域]主要集中在东北平原、辽东半岛、京津冀、山东半岛、华北平原、长江中下游、珠江三角洲、福建东南沿海、四川盆地等地区;而人均生态足迹高值区[图1(b)红色区域]则主要分布在内蒙古高原、大兴安岭南北麓、天山南北麓、祁连山脉等西部地区。分县人口分布的差异性是造成总生态足迹和人均生态足迹空间分布不匹配的主要原因。总生态足迹高值区(如东部的长三角、珠三角)往往居住着较多人口,导致其人均分摊结果较小,而总生态足迹相对偏低地区(如西北高原地区),因其人口较少,使得人均分摊较大,从而使其人均生态足迹相对较大。从表4中可看出,我国东部地区总生态足迹较中、西部大,但由于人口较多,从而使东部地区平均人均生态足迹较中、西部小。3.2总生态承载力高值区2007年中国分县总生态承载力和人均生态承载力平均值分别为27.74hm2和1.10hm2/人。同样,根据与全国均值比值大小,分8类对其空间分布格局进行展示(图2)。总生态承载力高值区[图2(a)红色区域]主要分布在大小兴安岭、东北平原、河套地区、长江中下游、天山北麓及青藏高原西北部等地区;人均生态承载力小于1.10hm2/人(即≤全国人均生态承载力均值)的县域占绝对主体,约占县域总数的80%;由图2(b)可见,分县人均生态承载力空间上表现出明显的地区异质性,大体以“大兴安岭东麓—辽河中、上游—阴山山脉—鄂尔多斯高原东缘—祁连山—青藏高原东缘”这一我国北方农牧交错带为交界线,其西北部人均生态承载力明显高于东南部。3.3国内生态严重击穿区的时空分布在对中国生态供需平衡进行分析的基础上,根据生态承载供需平衡指数及分类(级)标准,对中国分县生态承载状况进行评价,结果见图3和表5。根据我国县域人均生态供需平衡比反映的区域生态盈亏空间分布来看(表5、图3),就县域个数和所容纳的人口数而言,生态赤字区最多,共有县域1436个,容纳人口约10.53×108人,约占全国县域总数和人口总数的61.7%和81.2%,分别是生态盈余区、生态平衡区的近2倍、9倍和6倍、16倍;而就土地面积而言,生态盈余区最大,约594.46×104km2,约占国土总面积的62.4%,其次是生态赤字区,约占国土总面积的31.7%,生态平衡区面积最小,仅占国土总面积的6.0%。具体而言:(1)生态盈余地区:共有728个县域,人口、土地面积分别约占全国总人口、国土总面积的13.7%和62.4%。其中:富富有余区,包括362个县域,人口约0.58×108人,占全国总人口的4.5%,面积约占国土总面积的45.4%,主要分布在大小兴安岭、内蒙古高原、西部干旱区、青藏高原、云贵高原等人口密度较低的地区;富裕区,包括县域179个,人口约0.53×108人,占全国总人口的4.1%,面积约占国土总面积的9.0%,主要分布在富富有余区的周边,东北山地、大兴安岭东麓及四川盆地北部相对集中,西北绿洲地区也有零星分布;盈余区,包括县域187个,人口约0.66×108人,占全国总人口的5.1%,面积约占国土总面积的8.0%,较为集聚地分布在东北部的大兴安岭、东北平原、西北部的内蒙古高原、黄土高原以及西南部的云贵高原,其他则零星分布于东南部分地区以及西北绿洲地区。(2)生态平衡地区:共有162个县域,人口、土地面积分别约占全国总人口、国土总面积的5.2%和6.0%。其中:平衡有余区,包括县域90个,人口约0.36×108人,占全国总人口的2.8%,面积约占国土总面积的4.1%。其分布较为零散,主要位于盈余区的周边地区;临界超载区,包括县域72个,人口约0.31×108人,占全国总人口的2.4%,面积约占国土总面积的1.9%,多分布在东南沿海及西南部分地区。(3)生态赤字地区:共有1436个县域,人口、土地面积分别约占全国总人口、国土总面积的81.2%和31.7%。超载区,包括县域335个,人口约1.66×108人,占全国总人口的12.8%,面积约占国土总面积的9.9%,广泛分布于长白山、华北平原、长江中下游、贵州高原、两广丘陵及北部湾地区,天山南北麓等西北地区也有少量县域分布;过载区,包括县域581个,人口约3.92×108人,占全国总人口的30.3%,面积约占国土总面积的13.4%,集中分布在黄淮海平原、长江中下游平原、两广丘陵以及东南沿海地区;严重超载区,包括县域520个,人口约4.95×108人,占全国总人口的38.1%,面积约占国土总面积的8.4%,较为明显地集聚在京津冀、东北平原腹地、渤海湾、长江三角洲、珠江三角洲、浙闽粤沿海、四川盆地、江南丘陵、华北平原石家庄、济南等省会城市周边等地区,另外还包括如乌鲁木齐、兰州、昆明等西部省区省会城市市辖区及其周边地区。从空间分布来看,生态严重超载区与我国大城市或城市群分布有较好的吻合性。这些城市地区人口密度大,工业化程度高,能源消耗量大,因此,生态足迹远远大于生态承载力而使其生态系统严重超载。总体来讲,我国生态承载力供需空间分布呈现较为明显的不平衡性,大体从东南到西北呈现从严重超载到富富有余的分布态势。可以清楚地看出,生态平衡区(平衡有余、临界超载)和生态盈余区(富富有余、富裕、盈余)人口约占全国总人口的18.9%,土地面积却约占国土总面积的68.4%,覆盖了中国2/3以上的国土面积;而生态赤字区(超载、过载、严重超载)占国土总面积的31.7%,却承载着全国81.2%的人口。换句话说,从生态承载力角度看,中国仅不足1/5的人口分布在约2/3表现为生态平衡或盈余的国土面积上,而4/5的人口集中分布在不足1/3表现为生态赤字的国土面积上。从这一点来讲,我国生态承载力失衡已相当严重。同时,生态赤字区主要分布于京津冀、环渤海湾、黄淮海平原、长江三角洲、珠江三角洲、浙闽粤沿海等城市群较为密集的沿海地区,这些地区人口密度大,且流动人口迁入较为集中。随着城市化进程的不断加快,近期内这种人口流动的趋势不会有大的改变,照此发展,有限的生态空间容纳更多的人口,势必会加剧这些地区的生态赤字,进一步恶化生态环境的不可持续性。同时,我国西高东低的地势决定了河流自西向东流入大海,从流域功能来看,河流上游是重要的生态屏障区,发挥着土壤保持、水源涵养、环境净化、气候调节和生物多样性保育等重要生态功能,对中下游生产和生活具有决定性影响。因此,在制定国家主体功能区规划及人口发展功能区规划政策、满足经济社会发展的同时,要妥善处理上中下游间的关系,把对生态环境的影响及生态环境保护摆在重要位置,并有必要将生态承载力状况作为决策制定与实施的重要依据。4流域生态格局生态承载力是自然体系自我发展能力与调节能力的客观反映,是在确保生态环境良性发展的条件下,生态系统可持续承载社会经济代谢的能力。本文以生态承载力供需关系为切入点,应用生态足迹模型,以2007年为例,从县域尺度核算和评价我国生态承载力的供给量与需求量,构建生态承载供需平衡指数(ECCI),对我国分县生态承载力供需平衡进行了评价。主要结论有:(1)我国以生态赤字区为主,其次是生态盈余区和生态平衡区。就土地面积而言,生态盈余区最大,其次是生态赤字区,生态平衡区面积最小。总体而言,中国仅不足1/5的人口分布在约2/3表现为生态平衡或盈余的国土面积上,而4/5的人口集中分布在不足1/3表现为生态赤字的国土面积上。(2)我国生态承载力空间分布呈明显的不平衡性,大体由东南到西北呈从严重超载到富富有余的分布态势。从空间分布来看,我国生态承载力供需之间已严重失衡,且生态严重超载区与我国大城市或城市群分布有较好的吻合性,尤其是京津冀、渤海湾、黄淮海平原、长江三角洲、珠江三角洲、浙闽粤沿海等城市群较为密集的沿海地区表现尤为突出。从流域功能来看,应妥善处理上中下游间的关系,把对生态环境的影响以及生态环境的保护摆在重要位置。(3)生态足迹可用来衡量人类对自然资源利用程度以及持续发展状况,与实际的生态承载力进行对比,可确定研究区生态状况是生态赤字还是生态盈余,这是评价区域生态状态应用较为广泛的方法。但涉及分县等小空间尺度的生态供需平衡研究尚不多见,针对于此,本文做出了较为有效的尝试,实证结果也较好地表达了中国县域生态承载力供需平衡状态的空间格局与地域特征。2007年我国颁布了《全国生态功能区划》(以下简称《生态区划》),将我国内地31个省(市、区)划分为3类一级生态区、9类二级生态区和216个三级生态区。按照《生态区划》,生态调节区主要分布于我国西北部(如呼伦贝尔典型草原防风固沙区、黄土高原西部土壤保持区、三江平原湿地生物多样性保护区等),人居保障区主要集中在我国东南部(如京津冀、长三角、珠三角大都市群、辽中南、胶东半岛、武汉、重庆、兰州、乌鲁木齐城镇群等)。结合本文结果,不难看出,宏观尺度上这些地区与本文结果具有较好的空间分布一致性,