镇江市丹徒区2000—2010年生态承载力动态分析

金霞，香宝，银山，方广玲，胡钰，4，张立坤

1．内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古呼和浩特 010022

2．中国环境科学研究院，北京 100012

3．国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，北京 100012

4．北京师范大学水科学研究院，北京 100875

镇江市丹徒区2000—2010年生态承载力动态分析

金霞1，2，3，香宝2，3*，银山1，方广玲2，3，胡钰2，3，4，张立坤2，3

1．内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古呼和浩特 010022

2．中国环境科学研究院，北京 100012

3．国家环境保护区域生态过程与功能评估重点实验室，北京 100012

4．北京师范大学水科学研究院，北京 100875

传统的生态足迹模型仅考虑了人类对资源的需求和土地的基本生产功能，忽视了土地生态系统的服务功能。利用生态系统服务功能理论改进了生态足迹模型，将生态系统服务功能价值当量因子引入到生态足迹模型均衡因子和产量因子的计算中，改进后的模型体现了生态系统功能的完整性;同时，以江苏省丹徒区统计年鉴数据为基础，应用改进模型计算其2000—2010年人均生态足迹、人均生态承载力、人均生态赤字，并对其万元GDP生态足迹进行了计算分析。结果表明，丹徒区人均生态足迹由2000年的6．870 2 hm2增至2010年的7．576 7 hm2，人均生态承载力由2000年的5．296 8 hm2减至2010年的4．998 3 hm2，存在生态赤字，且人均生态赤字逐年增大，由2000年的1．573 4 hm2增至2010年的2．578 3 hm2。区域发展处于不可持续状态。根据灰色GM(1，1)模型预测表明，2015年人均生态足迹为8．117 0 hm2，2020年将达到11．019 3 hm2;人均生态赤字在2015年扩大到4．671 4 hm2，2020年为7．567 5 hm2;万元GDP生态足迹2015年达到0．702 3 hm2，2020年为0．336 2 hm2。最后结合丹徒区实际情况，从生态承载力角度提出可持续发展对策。

生态足迹;生态系统服务功能;GM(1，1)模型;丹徒区

生态足迹模型是由加拿大生态经济学家William于1992年提出的一种度量可持续发展程度的方法，并在1996年由Wackernagel等加以完善［1］。生态足迹模型紧扣可持续发展，是涉及系统性、公平性和发展的一个综合指标，能反映出在一定的社会发展阶段和一定的技术条件下，人们的社会经济活动与当时生态供给能力之间的差距［2］。该方法是从需求方面计算生态足迹的大小，从供给方面计算生态承载力，通过二者的对比，评价研究区域的生态安全状况。生态足迹分析法简单易懂，并且是测度国际可持续发展状况的重要方法［3］，因而受到学术界的广泛关注，国内外学者就不同的地域空间尺度、社会领域、时间维度进行了模型方法的运用和实践，并促使其理论方法和计算模型不断地发展和完善［4］。如Karl［5］用地区(以奥地利为例)而不是全球公顷法计算了1926—2000年75年时间序列的生态足迹，其中林地的计算采用产品分析法与持续产量分析法2种手段;Kurt［6］把生态足迹与生态系统服务功能价值2种方法结合起来，从全球碳循环系统与能量价值角度出发，构建了生态价值附加的生态系统－经济投入产出复合模型，用于指示区域可持续发展状态;Gössling等［7］对Seychelles地区的旅游业进行了生态足迹评价;Richard［8］改进了生态足迹分析法，利用区域土地覆盖变化的方法，并且为了与传统的生态足迹计算结果相比较，其中能源与土地利用采用投入－产出分析模型;卢小丽［9］从生态系统服务价值功能的角度改进了生态足迹模型，并比较了改进的生态足迹模型与传统的生态足迹模型的异同;张军等［10|11］利用生态足迹模型分别研究了流域和城市层面的水资源利用的可持续状态。

笔者在已有研究的基础上，对生态足迹模型进行了改进。改进的生态足迹模型考虑了未利用土地生态系统这一单元，并基于生态服务价值对均衡因子和产量因子进行了调整。在运用改进生态足迹模型计算丹徒区2000—2010年的生态足迹和生态承载力的基础上添加了万元GDP指标，利用灰色理论中GM(1，1)模型预测丹徒区未来2015—2020年的生态足迹、生态承载力与万元GDP生态足迹。将生态足迹与经济发展状况联系起来，更确切地反映出在经济条件的背景下自然资源的供需变化以及发展的可持续性，以期为该地区的可持续发展提供定量化数据支撑。

1 研究区概况

丹徒区属于镇江市辖区，位于江苏省西南部镇江市中部，长江下游南岸，处于31°49'N～32°16'N、119°15'E～119°45'E，面积617．08 km2。全区地势西南高、东北低，四季分明，雨水丰沛，光照充足，温暖湿润，无霜期长，属于北亚热带南部季风气候区。常年太阳辐射量464．2～472．5 kJ/cm2，年均总日照2 025．7 h，常年平均温度为15．7℃，多年平均降水量约为1 106 mm。丹徒区辖6个镇(高桥镇、辛丰镇、谷阳镇、上党镇、宝堰镇、世业镇)，2个园区(江心洲生态农业园区、荣炳盐资源区)和2个街道(宜城街道、高资街道)。2011年，丹徒区总人口为28．67万，地区生产总值223亿元，城镇居民全年人均可支配收入26 771元，农民全年人均纯收入11 704元［12|14］。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

基于ArcGIS10．0软件平台，解译丹徒区2000—2010年的遥感影像获得土地利用图(图1)。由于时间和影像有限，只对2000年、2005年和2010年的遥感影像进行解译，获得各土地类型的面积数据。根据2000—2010年丹徒区统计年鉴［12|14］获取生物资源消费账户和能源消费账户的数据。

图1 2000年、2005年和2010年丹徒区土地利用Fig．1 Land use of Dantu district in 2000，2005 and 2010

2.2 研究方法

2.2.1 传统的生态足迹模型

生态足迹是指持续提供一个国家或地区人口的生存所需要的资源或消纳废物、具有生态生产力的土地面积。与之对应的生态承载力是指自然所能够提供的为人类所利用的生态生产性土地面积。传统的生态足迹模型的计算公式:

式中，EF为总的生态足迹;N为区域人口数;ef为人均生态足迹;rj和yj为第j种土地类型的均衡因子和产量因子;Ci和Pi分别为第i种物品的人均消费量和全球该消费品的平均产量;EC为总的生态容量;ec为人均生态容量;aj为区域内第j种土地人均面积。

如果区域生态足迹大于区域生态承载力，就出现生态赤字;如果小于生态承载力，则表现为生态盈余。生态赤字(生态盈余)反映了区域人口对自然资源的利用状况。

2.2.2 改进的生态足迹模型

2.2.2.1 生态系统单元的重新划分

传统的生态足迹模型将土地生态系统分为耕地、林地、草地、水域、化石燃料用地、建设用地六大类。参考郭文等［15］基于生态足迹改进模型研究，考虑各类土地的生态系统服务功能，各生态系统单元都可当作化石燃料的供给单元，即化石燃料单元不作为一个单独的生态系统单元;考虑到未利用地在生态系统平衡中具有良好的生态系统服务功能，包括沼泽、滩涂等，因此将其单独作为一个生态系统单元。综上，将土地生态系统重新分为耕地、林地、草地、水域、未利用土地等五大类。

2.2.2.2 均衡因子和产量因子调整

(1)均衡因子。传统的生态足迹模型有两点不足:只考虑土地的基本生物产出，没有考虑各类土地的生态价值;只考虑提供食物生产和原材料2种生态功能，没有考虑气候调节、养分循环、水源涵养、废物处理等功能。用生物生产性土地的综合生态功能取代提供食物生产和原材料的生态功能，相应的均衡因子由同类型生物生产性土地的综合生态系统服务功能的价值当量因子替代。传统生态足迹模型中建设用地的均衡因子等于耕地的均衡因子，结合研究区域土地管理和利用实际，考虑到建设用地增长的同时占用大部分耕地、林地等生态单元这一情况，按构成比例重新计算建设用地的均衡因子。因此，建设用地的均衡因子计算公式为:

(2)产量因子。产量因子主要用来反映我国不同区域单位面积生态系统服务功能价值的差异，其计算公式:

式中，yj为第j类生态系统单元的产量因子;Vj为区域第j类生态系统单元的单位面积生态系统服务功能价值;¯Vj为全国第j类生态系统单元的单位面积生态系统服务功能价值。建设用地的产量因子计算公式:

2.2.3 灰色GM(1，1)模型

灰色预测是一种对含有不确定因素的系统进行预测的方法。通过鉴别系统因素之间发展趋势的相异程度，对原始数据进行生成处理来寻找系统的变化规律，形成具有较强规律的序列，然后建立相应的微分方程模型，预测事物未来的发展趋势［16］。

GM(1，1)的一般形式:

设原始时间数据序列为

对原序列做一次累加生成处理

其中a，u为待辩识参数。辨别参数通过最小二乘法拟合得到，

得到生成数序列

其相应的GM(1，1)的微分方程为

式中，Y为列向量，Y=［x0(2)，x0(3)，x0(4)，…，x0(n)］T;B为构造数据矩阵。

求出预测模型

3 结果与分析

3.1 生态系统服务功能价值计算

通过丹徒区统计年鉴整理出粮食作物单产、原粮平均市场价格等数据。根据谢高地等［17］的研究成果“中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量因子表”，计算出丹徒区陆地生态系统服务功能价值(表1)。

表1 丹徒区陆地生态系统服务功能价值Table 1 The land ecosystem service function value of Dantu district

耕地、林地、草地、水域、未利用地的均衡因子分别采用具有综合生态系统服务功能的价值当量因子6．91、21．85、7．24、45．97、0．42［9］;根据式(4)得到其产量因子均为1．10。根据《镇江市丹徒区土地利用总体规划(1997—2010年)》［18］丹徒区新增建设用地中分别占耕地、林地、草地等的比例和表1计算的各生态系统单元的综合生态服务价值，利用式(3)，计算得到建设用地均衡因子为11．13;利用式(5)，计算得丹徒区建设用地产量因子为1．10。

3.2 生态足迹与生态承载力计算

在丹徒区生态足迹计算中，各种资源和能源消费项目数据均来自统计年鉴［12|14］。在生物资源生产面积折算中，全球平均年生产量采用《国际统计年鉴2001》中的数据［19］，均衡因子和产量因子采用3.1节的数值。计算得出的丹徒区2000—2010年人均生态足迹如表2所示。

表2 丹徒区2000—2010年人均生态足迹、生态承载力及生态赤字计算结果Table 2 The summary of the ecological footprints and the ecological capacity from 2000 to 2010 in Dantu district hm2

对比丹徒区人均生态足迹与生态承载力得到丹徒区人均生态赤字情况:2000年为1．573 4 hm2，2005年为2．131 2 hm2，2010年为2．578 3 hm2。

3.3 结果与分析

3.3.1 人均生态足迹、人均生态承载力

由表2可以看出，2000—2010年间，丹徒区人均生态足迹呈上升趋势，从2000年的6．870 2 hm2增至2010年的7．576 6 hm2，增幅10．28%。生态足迹各组分也都呈现出逐年上升的趋势:耕地人均生态足迹从2000年的1．890 0 hm2增至2010年的1．913 4 hm2，增长了1．24%;草地人均生态足迹从2000年的2．7671 hm2，增至2010年的2．798 6 hm2，增长了3．15%;林地人均生态足迹从2000年的0．066 1 hm2增至2010年的0．160 0 hm2，增长了142%;水域人均生态足迹从2000年的0．530 2 hm2增至2010年的0．718 8 hm2，增长了35．6%;化石能源用地人均生态足迹由2000年的1．597 0 hm2增至2010年的1．791 9 hm2，增长了12．2%;建设用地人均生态足迹由2000年的0．019 8 hm2增至2010年的0．193 9 hm2，增长了880%。其中，林地和建设用地的增幅相对较高，分别为142%和880%，但由于林地对人均生态足迹的贡献率相对较低，平均占有率分别为1．8%和1．6%，故对人均生态足迹的影响不大。耕地、草地和化石能源用地虽增幅相对较小，但考虑到所占人均生态足迹的比例较大，多年平均占有率分别为24．7%、39．1%和24．03%，所以对人均生态足迹的影响较大。2000—2010年丹徒区的人均生态承载力基本保持在5．0～5．3 hm2，呈减小趋势。各土地类型的生态承载力变化在研究时段内也相对较小，5类生态系统单元中林地的生态承载力的贡献率最大，年均贡献率达46%，其次为水域、耕地、草地、未利用土地。考虑到丹徒区2000—2010年间人均生态足迹持续增长而人均生态承载力变化较小，以及丹徒区人均生态足迹的需求大于供给的状况，丹徒区生态足迹一直处于赤字状态，且赤字数值不断增长，由2000年的1．573 4 hm2增至2010年的2．578 3 hm2，年均增长5．06%。表明2000—2010年丹徒区人类生产活动已经超出了自然生态系统的供给能力。

3.3.2 万元GDP生态足迹

万元GDP生态足迹是衡量区域对资源的利用效益的指标，万元GDP生态足迹越大，资源的利用效率越低;万元GDP生态足迹越小，资源的利用效率越高。计算方法为:

万元GDP生态足迹=总生态足迹/GDP

由表3可知，2000年万元 GDP生态足迹为4．554 2 hm2，2010年为0．973 9 hm2，减小了3．580 hm2。通过比较可以看出丹徒区在这段时期内，万元GDP生态足迹需求下降速度快于人均生态足迹上升速度，说明丹徒区在这10年间，单位资源消耗经济产出率提高，经济增长方式逐渐从粗放型向集约型转变，资源利用效率稳定提高。

表3 丹徒区万元GDP生态足迹Table 3 Ecological footprint per ten thousands Yuan GDP in Dantu district hm2

3.3.3 人均生态足迹、人均生态承载力与万元GDP生态足迹的预测

基于灰色预测方法，选用2000—2010年丹徒区人均生态足迹、人均生态承载力与万元GDP生态足迹作为原始数列进行预测，结果及误差检验见表4和表5。

表4 丹徒区2015年和2020年人均生态足迹、人均生态承载力与万元GDP生态足迹预测Table 4 Predicted results of the ecological footprint per capita，the ecological capacity per capita and the ecological footprint per ten thousands Yuan GDP of Dantu district in 2015 and 2020 hm2

表5 灰色GM(1，1)模型预测误差检验Table 5 The test of GM(1，1)prediction

由表4可以看出，2015年丹徒区人均生态足迹将达到8．117 0 hm2，2020年将达到11．019 3 hm2; 2015年人均生态承载力减少到3．445 6 hm2，2020年为3．451 8 hm2;人均生态赤字2015年扩大到4．671 4 hm2，2020年为7．567 5 hm2;万元GDP生态足迹2015年降为0．702 3 hm2，2020年降为0．336 2 hm2。

4 结论与建议

利用生态系统服务功能理论改进了生态足迹模型，将生态系统服务功能价值当量因子引入生态足迹模型均衡因子和产量因子的计算中。运用改进后的生态足迹模型计算了2000—2010年丹徒区的人均生态足迹及人均生态承载力，并对万元GDP生态足迹计算分析。结果表明，人均生态承载力小于人均生态足迹，说明居民自身的需求已超过本地生态承载能力，区域发展为不可持续。万元GDP生态足迹从2000年的4．554 2 hm2降至2010年的0．973 9 hm2，说明丹徒区资源利用效率逐渐提高，全区发展方式正逐步由粗放型向集约型转变。

通过灰色GM(1，1)模型对丹徒区人均生态足迹、生态承载力、生态赤字及万元GDP生态足迹进行预测，结果表明，2015—2020年丹徒区人均生态足迹呈上升趋势，其年均增长速度为6．7%，人均生态承载力和万元GDP生态足迹逐年减少，年均减少速度分别为6．3%和10．0%，人均生态赤字逐年增加，年均增长率为10．13%。模型预测的结果表明，丹徒区未来几年的生态足迹将进一步上升，生态赤字会进一步扩大，生态环境状况将继续恶化。主要原因是经济发展依赖于资源开发，导致生态承载力的降低。

鉴于上述结论，丹徒区在经济发展过程中应该从以下几个方面加以改进:1)要按照人口资源环境相平衡、经济社会生态效益相统一的原则，严格控制人口数量，控制开发强度，调整空间布局，促进土地集约利用。2)加快产业升级。丹徒区基础产业、资源消耗型产业份额仍较大，服务业增加值低于全国、全省平均水平，高新技术产业规模仍偏小。3)改变传统生活消费方式。适度消费，提倡节能，加强环保宣传，建立资源节约型消费体系。

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［3］ 刘红娇，常胜．基于生态足迹的土地利用可持续性评价［J］．湖北民族学院学报，2006，26(2):237|240．

［4］ 龚建文，张正栋．基于生态足迹模型的区域可持续发展定量评估:以东江流域东源县为例［J］．生态环境学报，2009，18 (5):1844|1849．

［5］ KARL H E．Actual land demand of Austria 1926|2000:a variation on ecological footprint assessments［J］．Land Use Policy，2004，21:247|259．

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［9］ 卢小丽．基于生态系统服务功能理论的生态足迹模型研究［J］．中国人口·资源与环境，2011，21(12):115|120．

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［13］ 丹徒县统计局．丹徒统计年鉴2006［M］．丹徒:丹徒县统计局，2006．

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［19］ 国家统计局．国际统计年鉴2001［M］．北京:中国统计出版社，2001．▷

Dynam ic Analysis on Ecological Carrying Capacity of Dantu District，Zhenjiang City in 2000|2010

JIN Xia1，2，3，XIANG Bao2，3，YIN Shan1，FANG Guang|ling2，3，HU Yu2，3，4，ZHANG Li|kun2，3
1．College of Geographical Science，Inner Mongolia Normal University，Hohhot010022，China
2．Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
3．State Environment Protection key Laboratory of Regional Eco|process and Function Assessment，Beijing 100012，China
4．College ofWater Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China

The traditional ecological footprintmodel only considers the demand of human to resources and the basic function of land and neglects the service function of land ecosystem．The ecosystem service function theory was referred to improve the ecological footprintmodel，and the value equivalent factor of ecosystem service function introduced in the calculation of equilibrium factor and yield factor in themodel，so as to embody the integrity of the ecosystem．The improved model was used to calculate the ecological footprint per capita，the ecological carrying capacity per capita and the ecological deficit per capita of Dantu district from 2000 to 2010 based on its statistic data，and to analyse the ecological footprint per unitGDP．Results showed that the ecological footprint per capita of the districtwas increased from 6．870 2 hm2in 2000 to 7．576 7 hm2in 2010，the ecological carrying capacity percapita was decreased from 5．296 8 hm2in 2000 to 4．998 3 hm2in 2010．There existed ecological deficit and it increased from 1．573 4 hm2in 2000 to 2．5783 hm2in 2010，which meant the regional developmental pattern was unsustainable．Besides，according to the GM(1，1)model，itwas predicted that the ecological footprint per capita would expand to 8．117 0 hm2in 2015 and 11．019 3 hm2in 2020，the ecological deficit per capita would be 4．671 4 hm2in 2015 and 7．567 5 hm2in 2020，the ecological footprint per ten thousands Yuan GDPwould be 0．702 3 hm2in 2015 and 0．336 2 hm2in 2020．Finally，the sustainable developmentmeasures were proposed from the viewpoint of ecological capacity and combined with the actual situation of Dantu district．

ecological footprint;ecosystem service function;GM(1，1)model;Dantu district

X171．1;Q149

A

10．3969/j．issn．1674－991X．2014．03．042

1674－991X(2014)03－0256－07

2013－10－28

国家环境保护公益性行业科研专项(201209032)

金霞(1989—)，女，硕士研究生，研究方向为环境变化与环境管理，842267639@qq．com

*责任作者:香宝(1965—)，男，研究员，博士，研究方向为生态学、面源污染、流域管理、遥感与GIS在资源环境领域的应用等，xiangbao@ craes．org．cn