生态足迹模型下的三峡库区生态承载力研究*

王福海， 焦　欢， 周启刚

(1.重庆工商大学 融智学院, 重庆 400033；2.重庆工商大学 旅游与国土资源学院，重庆 400067)



生态足迹模型下的三峡库区生态承载力研究*

王福海1， 焦欢2， 周启刚2

(1.重庆工商大学 融智学院, 重庆 400033；2.重庆工商大学 旅游与国土资源学院，重庆 400067)

摘要：选取三峡库区2000、2004、2008和2012年4期Landsat-TM数据及相应年限的社会经济人口统计数据为数据源，采用生态足迹模型对库区内的生态消费、生态承载力以及因子结构和时间序列上的变化进行研究；结果表明：2000—2012年间，三峡区内人均生态足迹呈现明显的增长趋势，其中各资源消费性因子总体上都表现为增长的趋势但差异性明显；人均生态承载力表现出持续的下降趋势，并且各生产性土地生态承载力差异性明显，差异性与各生产性土地面积比呈明显的正相关；库区内生态赤字现象严重，随着社会经济的发展，生态赤字程度也逐年加重。

生态承载力是在生态系统保持可持续发展前提下最大限度的承载力[1]。近年来，随着经济的飞速发展和人口的不断增长，资源短缺、生态平衡被打破、地质灾害频发及生物多样性丧失等问题突出，对人们的正常生活带来危机。通过对生态承载力进行研究对于保持“人-社会-自然”这一复杂的复合生态系统保持可持续发展有着重要意义[2]。三峡库区位于长江流域的中上游地区，它的生态可持续发展状况对于长江下游的自然经济环境影响重大，战略位置重要[3]。

当前，对于生态承载力的研究正处蓬勃发展的阶段，大多都是从群生态学角度出发，主要通过理论和量化方法[4]，但在量化方法的研究还不够成熟，国内外常用的量化研究方法有：自然植被第一性生产力法、供需平衡法、指标体系法和生态足迹法等[5-7]。目前，国内外学者通过生态足迹法对于生态承载力研究有了一定的成果[8-10]，但方法在时间序列的动态度上还有一定缺陷，同时方法对三峡库区生态承载力的研究还比较薄弱。选取三峡库区2000—2012年的多期土地利用数据及相应年限的社会经济环境数据，采用生态足迹模型对三峡库区生态足迹、生态承载力在时间序列及其影响因子在结构上的变化进行研究，研究拟通过因子选择的修正对方法在时间动态度上的描述起到一定的弥补作用，以期为相关研究提供重要的理论依据，且现实意义重大。

1研究区概况

三峡库区位于东经 106°00′～111°59′、北纬29°16′～31°25′，地处四川盆地与长江中下游平原的相交处，横跨越渝、鄂中山区峡谷以及川东岭谷地带。三峡库区西起重庆市江津区，东至湖北省宜昌县，范围涉及26个县(区、市)，土地总面积576.68万hm2，拟到2020年规划总人口1 589.6万人。三峡库区地势起伏大，地形特征复杂，属于典型的喀什特地貌。三峡库区地属亚热带季风气候，位于南温带和亚热带过渡地带，有着丰富的自然资源，特别是水、渔业、农业资源，且库区自然环境优美，旅游资源丰富，长江横贯整个库区，有400多条支流，其中嘉陵江和乌江是最大的两条支流。近年来随社会经济的不断发展、土地利用结构的变化和不断增加的人口数量，生态环境面临沉重的压力，一系列生态环境问题随之而来，诸如人地矛盾突出，生态功能退化、生物多样性锐减等。

三峡库区作为世界最大的水利工程(三峡工程)最直接的辐射区域，其生态环境问题影响区域大，受国家关注度高，是我国社会经济发展的一个重要环节，同时对实施西部大开发战略、促进长江经济带的发展有着重要战略意义，因此选择三峡库区作为研究区具有显著的典型性。同时通过对三峡库区生态环境进行研究对于大型库区建设所带来生态环境保护治理的研究具有重要的借鉴作用。

2数据源与研究方法

2.1数据源与数据预处理

研究选取2000、2004、2008和2012年的4期夏季三峡库区Landsat-TM遥感数据及相应年份的人口、经济、消费数据作为研究的数据源，所有影像数据均采用Albers投影，中央经线采用东经105°，双标准纬线采用分别为北纬25°和47°。首先分别对2000、2004、2008和2012年的Landsat TM遥感数据进行几何校正，在通过图像采取辐射增强处理和空间滤波的方法来改善图像的质量，提高图像的可解译性，达到从图像中提取更有用的定量化信息，最终通过图像的融合和光谱增强处理达到图像增强的目的。再通过目视解译的方法获取生物生产性土地类型数据，其类型分为：耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地六类，其土地利用结构如表1所示。

表1　2000—2012年三峡库区土地利用结构表

2.2研究方法

生态足迹就是能够持续的提供人们所需求的各种资源且能够吸纳所产生废物的具有生物生产力的地理空间。

2.2.1生态足迹模型计算方法

生态足迹的计算主要基于两个前提：一是人类可以确定自身消费的绝大多数资源及其所产生的废弃物的数量；二是这些资源和废弃物流能转换成相应的生物生产面积。生态足迹模型的计算分为生态足迹和生态承载力两部分。

(1) 生态足迹。生态足迹的计算步骤与公式为[12]

EF=N×ef=N∑ri(aai)=

(1)

式(1)中：EF为区域总的生态足迹，N为区域的总人口数，ef为人均生态足迹，i为所消费的商品类型，aai为人均第i种交易商品折算的生物生产面积，ri为不同类型生物生产性土地的均衡因子。Ci为第i种消费项目的人均消费量；Yi为生态型生产面积上生产第i种消费项目的年平均产量。

(2) 生态承载力。即区域内部的生物生产性土地数量，计算公式为

EC=Nec=N∑(ajrjyj)

(2)

REC=(1-12%)EC

式(2)中：EC为区域生态承载力，REC为有效生态承载力，aj为人均第j种生物生产性土地面积；yj为不同类型土地的产量因子，以区域单位面积生物生产力与全国平均生物生产力比值表示(表2)。

表2　各土地类型的均衡因子及产量因子

(3) 生态赤字与生态盈余。生态盈余表示自然生态系统所能提供的生态承载力能够满足人类的生产生活对自然的索求且能够保持可持续发展的状态。生态赤字表示自然生态系统所能提供的生态承载力不能够承受人类的过度开发对自然造成的压力，生态系统安全不能够得到保障并不能够保持继续发展的持续性。生态赤字和生态盈余主要表现出区域自然生态系统与人类的需求对比情况。计算公式为

ED=EC-EF

(3)

式(3)中：ED为生态赤字，生态赤字即该地区人类对自然资源的消耗超过了生态承载力，生态安全备受压力。

2.2.2生态足迹模型因子

(1) 生物资源消费因子。主要包括农产品、动物产品、水产品等。根据三峡库区其独特的地理经济作物特征，选取生物资源消费因子如下：粮食、油料、糖类、烟叶、茶叶、水果、蔬菜、肉类及水产品。

(2) 能源消费因子。主要包括煤炭、原油、天然气和电力的消耗量。根据我国能源折算系数，把能源的消耗量换算为统一的单位，再以世界化石能源平均足迹为标准，计算出化石能源用地和建设用地大小(表3)。

表3　各种能源转化参数

3生态承载力分析

3.1生态足迹动态分析

根据2000—2012年间重庆市、湖北省统计年鉴，依据式(1)，计算人均生态足迹，其结果如表4、表5和表6所示。

表5　2000—2012年三峡库区能源资源消费人均生态足迹

表6　2000—2012年三峡库区人均生态足迹

由表4可知，总体上三峡库区各生物资源消费人均生态足迹都发生了明显的变化。在各种消费的结构上，肉类人均消费生态面积占2000—2012年中是各种生物资源人均消费面积比例最大，其次是粮食消费和水产品消费，而糖类、烟叶和茶叶所占比例最小。在各种消费的变化趋势上，库区内粮食人均消费生态面积呈下降的趋势，而油料、蔬菜、水果和水产品人均消费的生态面积呈上升趋势，烟叶、茶叶、糖类和肉类则呈现波动式变化；其中在2008—2012年间，水果、蔬菜和水产品消费的生态面积增加趋势十分突出。由上述分析，可知在2000—2012年间，库区内人们由单一化的粮食作为主食向多元化的粮食、水果、蔬菜、肉类和水产品为主食的方向转变。这主要是源于这个时间段随着库区开始正式蓄水，国家对库区的保护和经济上的大力支持，库区经济发展迅速，人们对各种消费的水平也逐渐提高。

由表5可知，总体上库区各能源资源消费均呈明显的上升趋势。从能源资源消费结构上看，在2000—2012年间各能源资源消费中最多是人均煤炭消费生态面积，天然气和原油次之，而电力所占比例最低，表明库区内人们的生活方式总体上还处于一个比较落后的位置，煤炭仍然是生产生活中必不可需的原料。从变化趋势而言，各能源项目消费生态面积均保持着稳定上升的趋势，其中煤炭的消费仍位列四大能源消费的首位，并且保持着较大的数量增长。分析表明污染型能源依然是三峡库区居民最主要的能源消费方式。

由表6可知，总体上2000—2012年间三峡库区人均生态足迹呈均匀上升趋势，且年平均增长均在0.1 hm2上下，在这个时期内库区内社会经济发展需求增长稳定。在各类生态生产性土地中，库区内化石燃料用地人均占用面积最大，其次是耕地和草地，这表明第一、二产业是库区内主要的产业结构。从各生态性土地面积变化趋势看，耕地人均生态占用面积呈明显的下降趋势；而林地、水域、建设用地和化石燃料均呈上升趋势，其中林地、建设用地和化石燃料用地增幅较大；草地人均生态占用面积呈波动式变化，在2000—2008年呈上升趋势，2008—2012年呈下降趋势。表明三峡库区内经济产业结构上，第二产业所占比例仍然呈上升趋势，而第一产业逐渐向第三产业转移，总体产业结构呈均衡化发展趋势明显。

3.2生态承载力动态分析

根据2000—2012年间重庆市、湖北省统计年鉴及库区土地利用数据，依据式(2)，计算人均生态承载力，其结果如表7所示。

表7　2000—2012年三峡库区人均生态承载力

由表7可知，总体上近12 a来三峡库区人均生态承载力呈下降趋势，且保持均衡的下降态势，年平均下降为0.001左右。

从各分量结构上看，不同的生产性土地的生态承载力差异性明显，其中库区内人均耕地生态承载力最大，自2000—2012年均保持在0.17以上，这主要是由于农业经济发展是库区居民点生活生产中最大的支柱产业，人们对其护理和关注程度远大于其他地类；其次是林地，林地在三峡库区内的土地利用结构中所占比例最大，所占比例超过了整个库区总面积的50%，森林资源极为丰富，生态多样性强，同时由于库区地势连绵起伏较为陡峭，在大部分区域中人类生产生活足迹较为稀少，再加上国家更加注重对三峡库区原始生态环境的保护并对于部分区域实行的移民政策使得其较少受到人们生产生活的影响，这是人均林地承载力相对较高的主要原因；建设用地、草地和水域的生态承载力则处于一个较低的水平，主要源于区域均为人们平时活动较为频繁的地方；而化石燃料最小，主要是由于化石燃料属于不可再生资源，但是随着社会经济以及工业的发展的不断加速，化石燃料消耗量的逐年增长，使得其生态承载力越来越小。

由表1、表8可知，不同生产性土地的生态承载力大小为：耕地>林地>建设用地>水域>草地>化石燃料用地，而不同土地利用类型面积大小为：林地>耕地>建设用地>水域>草地；由此可知不同生产性土地的生态承载力大小与不同的土地利用结构呈明显的正相关，其中林地和耕地的差异性主要是源于其产出量的差异性。

在时间序列的变化上，人均耕地、林地和草地承载力均呈现下降趋势，水域表现出波动式变化的特征，即先上升再下降又上升的形态，而建设用地则保持持续的上升趋势。这与2000—2012年间，库区经济不断发展，建设用地不断扩张，人们消费水平和生活需求的提高关系重大。

综上所述可知，不同生产性土地的生态承载力区别较大，随着社会经济的发展主要呈现出下降趋势，并且与各生产性土地所占面积多少呈明显的正相关。

3.3生态足迹供需分析

根据2000—2012年间三峡库区内人均生态足迹和人均生态承载力，依据式(4)，计算人均生态赤字/盈余分析，其结果如表8所示。

由表8可知，在2000—2012年间三峡库区人均生态消耗出现生态赤字，且生态赤字呈不断增加的趋势，库区内能源消耗远超过其资源的可再生能力。

在生态足迹供需分析而言，生态赤字问题逐渐加重的原因主要由于人均生态需求量的不断增加，而人均生态承载力则处于持续降低的趋势，使得自2000—2012年来三峡库区生态赤字程度不断加重。

从表4、表5中各分量的供需对比可知，在结构上人均耕地、草地、水域和化石燃料用地都出现生态赤字，其中人均化石燃料赤字量最大，占是整个生态赤字量的一半以上，化石燃料的不可再生性决定了大规模工业发展的弊端；人均林地表现为生态盈余，这与近年来人们退耕还林、大力保护林地以及三峡库区其独特的地理地势单元所影响；人均建设用地在2004年前表现为生态盈余，在2004—2008年间逐渐由生态盈余向生态赤字转变，2008年后则继续表现为生态赤字，其主要原因是由于城市化进程的加快，大量的农村人口拥入城市，科学技术的高速发展，使得其需求量的急剧增加，建设用地面积不断扩张，其生态承载力持续下降。

综上所述，三峡库区内生态经济发展趋势不容乐观，生态赤字现象严重，其最主要集中在耕地和化石燃料用地上。人口的飞速增长，经济社会科学技术的不断发展，土地利用结构的变化以及人们日益增长的物质文化的需求是其主要原因。在注重社会经济发展的同时，也必须减少生态赤字，提高土地利用的价值，实现可持续化发展。

4结论与讨论

研究采用生态足迹模型对三峡库区2000—2012年间人均生态供需平衡在数量节点和时间节点上进行分析得结论：

(1) 在2000—2012年间，三峡库区内人均生态足迹呈现明显的增长趋势。人均生物资源性消费和人均能源资源性消费均保持持续增长趋势，其中各资源消费性因子差异性明显且总体上都表现为增长的趋势。

(2) 在2000—2012年间，三峡库区内人均生态承载力总体上表现出持续的下降趋势，但不同生产性土地的人均生态承载力则有着明显的差异性，其变化趋势也是有增有减。不同生产性土地的生态承载力大小和变化趋势与其面积多少及变化趋势呈现出明显的相关性，主要表现为正相关。

(3) 在2000—2012年间，三峡库区内生态赤字现象严重，且随着社会经济的不断发展，生态赤字程度逐年加重，其中以化石燃料尤为显著。

(4) 在保持社会经济持续发展的同时，也需要通过合理的土地利用结构规划，经济发展的转型以及提高生态坏境保护力度，从而减缓生态赤字，实现可持续化发展。

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责任编辑：田静

doi:10.16055/j.issn.1672-058X.2016.0004.005

收稿日期：2015-12-01; 修回日期：2016-03-01.

*基金项目：国家自然科学基金(41101503)；国家社科基金重大项目(11&ZD161).

作者简介：王福海(1986-)，男，重庆市九龙坡区人，讲师，硕士研究生，从事3S理论与应用研究.

中图分类号：O629

文献标志码：A

文章编号：1672-058X(2016)04-0028-07

The Ecological Carrying Capacity of Three Gorges Reservoir AreaBased on the Ecological Footprint Model

WANG Fu-hai1, JIAO Huan2, ZHOU Qi-gang2

(1.Rongzhi College, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400033,China;2.Tourism and Land Resources School, Chongqing Technology and Business University,Chongqing 400067，China)

Abstract：Based on the interpretation of the Landsat-TM data (with four digital images taken in 2000, 2004, 2008 and 2012, respectively) and the statistical data of the society, economy and population of the corresponding period, this article studies ecological consumption, ecological carrying capacity and the changes of factor structure and time series by the ecological footprint model. The results show that the per capita ecological footprint of the Three Gorges reservoir area presents an obvious growth tendency during the period from 2000 to 2014. Each of the resources consumption factors is all going up,but the diversity is significant. The per capita ecological carrying capacity shows a sustainable downtrend, the diversity of each productive land capacity is obvious and positively correlated with the area of each productive land. Ecological deficit is high and increases year by year with the development of economy.

Key words：Ecological Footprint; Ecological Carrying Capacity; ecological consumption; Three Gorges Reservoir area