基于生态足迹的珲春市生态承载力分析

焉恒琦,金日,朱卫红*,王宗明,,毛德华

(1.延边大学 地理与海洋科学学院 湿地生态功能与生态安全重点实验室,吉林 延吉 133002；2.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 湿地生态与环境重点实验室,吉林 长春 130102)

0 引言

近年来，随着城市化与工业化进程不断地加快，土地的生态问题日益突出，因此土地生态安全问题受到人们的关注.生态足迹(ecological footprint)理论最早由W.E.Rees[1]提出，该理论可对区域的可持续发展进行定量测算，且计算简单，因此该理论常被学者用以预测某一国家或地区的可持续发展程度.2000年，张志强等[2]首次将生态足迹的概念引入国内，并随后利用该理论对2000年中国西部12省(区市)的生态足迹[3]和甘肃省1998年的生态足迹[4]进行了研究.随着生态足迹理论的不断应用，一些学者发现利用生态足迹理论研究土地生态承载力时会存在一些问题，如生物生产性面积的确定以及均衡因子和产量因子的选取等.为此，研究者对生态足迹理论的相关参数进行了优化.例如：熊德国等[5]利用生产性生态足迹测算了区域可持续发展，并明确区分了生产性与消费性的生态足迹；顾晓薇等[6]利用国家公顷代替全球公顷对沈阳市的生态足迹进行了计算与分析；刘某承等[7-8]利用净初级生产力计算了我国的均衡因子和产量因子等.上述优化方法不仅完善了生态足迹理论，也使得该方法的评价结果更为客观合理.

2006年，赵先贵等[9]首次提出了生态压力这一概念，该概念可以很好地反映区域生态环境的承压程度.2013年，黄海等[10]依据生态足迹理论并结合生态压力指数对重庆市合川区的土地生态安全状况进行了评价，结果表明采用生态足迹理论进行区域土地生态安全评价是科学有效的.基于此，本文以珲春市为研究对象，利用生态足迹模型并结合RS与GIS，定量计算2006年和2017年珲春市的生态足迹与生态承载力，并对其土地生态安全状况进行评价，以期为珲春市的可持续发展提供依据.

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区概况

珲春市位于吉林省东部(东经130°03′～131°18′，北纬42°25′～ 43°30′)，地处中、朝、俄三国交界，如图1所示.珲春市的地貌主要包括山地、丘陵、盆地3个梯度[11]，其东、南和北部以山地为主，主要分布的是针叶林和针阔混交林，西部是珲春河冲积平原[12].珲春市作为我国唯一处在中、朝、俄交界的边境城市，目前已成为东北亚地区合作的重要平台.

图1 研究区的地理位置

1.2 数据来源及处理

研究数据通过以下方式获取:①选取2006年和2017年的Landsat TM/OLI遥感影像(表1)作为本研究中土地覆被信息提取的基础数据源，影像在美国地质勘探局(USGS)官方网站(http：//glovis.usgs.gov/)下载获得.遥感解译所选用的影像均为所对应的年份(5月下旬到9月).②通过珲春市统计年鉴、统计公报和中国统计年鉴获取生物资源和能源资源消费数据以及人口等数据.③均衡因子和产量因子均参考相关文献获取.

表1 所用遥感影像的信息

获得遥感影像数据后，首先对其进行预处理，包括辐射校正、大气校正.预处理通过ENVI 5.3的Radiometric Calibration工具和FLAASH工具实现.完成预处理后以1∶5万地形图为基准，对遥感影像进行几何纠正，并将误差控制在1个像元以内.最后根据研究区的范围对影像进行拼接和裁剪.参照国家土地覆被图集的分类系统[13]并结合本研究目的，确定本研究区的土地覆被分类系统.确定的系统包括林地、草地、耕地(旱地和水田)、建设用地(居住地和交通用地)、水域(河流、湖泊、水库、坑塘、运河与水渠)、化石能源用地与其他用地共7种类型.因其他土地类型包含的是没有生产能力的土地，如沙地、裸土等，因此本文在研究中不考虑该土地类型.

2 研究方法

2.1 分类方法与验证

分类土地覆被数据时，首先运用e Cognition Developer 9.0软件中的面向对象功能以及目视解译的分类方法，并结合NDVI、NDWI和NDBI等指数，得到2017年珲春市土地覆被的初步结果；然后通过对初步结果进行验证和修改，得到最终的2017年珲春市的土地覆被数据；最后对照2006年珲春市Landsat TM遥感影像修改最终的2017年珲春市的土地覆被数据，以此得到最终的2006年珲春市的土地覆被数据.本文采用实地考察得到的GPS验证点和采样点分别对2006年和2017年的最终土地覆被数据进行精度检验.

2.2 生态足迹模型

生态足迹模型包括生态足迹和生态承载力两部分.其中生态足迹能较好地揭示地区人口、资源、环境和经济发展之间的关系，还可判断城市可持续发展的程度.计算生态足迹时，需确定绝大多数消费资源及其产生废弃物的量，然后将其转换成相应的生物生产性面积[14].生态足迹的计算公式[15]为

式中：EF为总的生态足迹，N为人口数，ef为人均生态足迹，ct为第t种消费品的消费量，pt为第t种消费品全国年平均生产量，t为消费品和所投入的类型，rk为第k类生物生产性土地的均衡因子.

2.3 生态承载力模型

生态承载力是指一个地区所能提供给人类的生态生产性土地面积的总和，即一个地区环境所能承受来自人类生活压力的阈值，是生态足迹理论的核心内容之一[16].依据世界环境与发展委员会报告，计算生态承载力时，需至少要留出12%的生物生产性土地面积来保护生物多样性.生态承载力的计算公式为

EC=(1-12%)×N×ec=

式中:EC为生态承载力，N为人口数，ec为人均生态承载力，ai为第i类生物生产性人均土地面积，yk为第k类生物生产性土地的产量因子.

2.4 生态压力指数模型

生态压力指数(ecological tension index)是某一国家或地区可更新资源的人均生态足迹与人均生态承载力的比值，表示生态环境承载压力的程度[17].因化石能源属于不可再生能源，所以本文不将化石能源列入计算生态压力指数范围内.生态压力指数的计算公式为

ETI=ef/ec.

式中:ETI表示生态压力指数，ef表示人均生态足迹，ec表示人均生态承载力.ETI指数越大，表明该地区的土地生态压力越大，土地生态安全性越差；反之，表明土地生态安全性越好.本文根据文献[18]对生态压力指数进行等级划分，如表2所示.

表2 生态压力指数等级的划分标准

3 结果与分析

3.1 土地覆被分类结果

利用GPS验证点和采样点等数据分别对2006年和2017年的土地覆被数据进行混淆矩阵检验显示，2期的土地覆被数据的总体精度、用户精度和生产者精度均在85%以上，且kappa系数为0.88.上述结果表明，本文所用的土地覆被数据的精度可以满足研究需要.2006年和2017年的珲春市土地覆被空间格局如图2所示.

图2 2006年和2017年的珲春市土地覆被空间格局

3.2 珲春市土地生态承载力评价

3.2.1均衡因子与产量因子的确定 由于不同生产性土地的生产力不同，因此计算生态足迹时，需将不同生产性土地的生产力转换为有可比性的生物生产性的土地面积，转换过程中使用的参数即为均衡因子[19].根据珲春市的土地生产状况，本文采用刘某承等[7]提出的中国均衡因子计算珲春市的生态足迹.

由于区域内各土地类型与消费项目的生产能力不同，为保持生产能力与供给能力测算的一致性，本文利用均衡因子和产量因子将其转化为生态承载力,其中产量因子采用刘某承等[7]根据全国不同生态系统NPP 测算出的产量因子.

3.2.2生态足迹的计算结果及分析 生态足迹主要包括生物资源消费、能源消费和贸易调整3个部分，但因进出口所占生态足迹的比例较小，且数据存在缺失，所以本文不考虑贸易调整部分.根据珲春市的统计年鉴和统计公报，珲春市的生物资源消费主要有农产品、动物产品、林产品和水产品，其中每一部分又包括不同的消费项目，结果如表3和表4所示.为减少误差，计算生态足迹时本文采用全国平均产量，并以世界上单位化石能源土地面积的平均发热量为标准，将能源消费(原煤和发电)折算成相应的生态生产性土地面积，结果如表3和表4所示.将计算得出的生物能源消费的生态足迹和能源消费的生态足迹进行汇总，得到珲春市2006年和2017年的人均生态足迹，如表5所示.

由表3和表4可知：在耕地类型中，禽蛋的消费最多，其人均生态足迹在2006年和2017年分别为1.907 7 hm2/人和0.633 0 hm2/人；其次为猪肉，分别为0.560 5 hm2/人和0.300 5 hm2/人.在草地类型中，牛肉的消费最多，2006年和2017年的人均生态足迹分别为0.745 9 hm2/人和0.505 1 hm2/人；其次是羊肉，分别为0.044 6 hm2/人和0.031 3 hm2/人.原煤为珲春市人均生态足迹中最大的消费项目，2006年和2017年分别为6.575 3 hm2/人和9.934 2 hm2/人.其原因一是冬季供暖需要消耗大量煤炭，二是工业对原煤的需求量较大.

表3 2006年珲春市生物资源与能源资源的消费情况

表4 2017年珲春市的生物资源与能源资源的消费情况

表5显示，2006—2017年珲春市的人均生态足迹需求呈增加的趋势，即从2006年的10.116 hm2/人增加到2017年的11.667 hm2/人(年均增加0.141 hm2/人)，提高了13.29%，增速约为1.21%.该结果表明珲春市的经济发展与生态足迹需求呈正相关.在6种生态生产性土地类型中，增幅最大的为化石能源用地与建筑用地，其原因是城市化进程增加了对化石能源用地和建筑用地的需求；其次是水域和林地，但增幅不大.耕地与草地的人均生态足迹呈下降趋势，其中耕地的人均生态足迹由2006年的2.665 hm2/人，降到2017年的1.119 hm2/人，降幅达到58.01%，该结果可能与2017年一些农作物的减产有关；草地的人均生态足迹由2006年的0.817 hm2/人降到2017年的0.538 hm2/人，降幅达到34.15%，该结果可能与政府实施的生态环境保护政策相关.

表5 2006年和2017年珲春市的生态足迹

3.2.3生态承载力的计算分析 由表6和表7可以看出，珲春市的土地生态承载力由2006年的2.89 hm2/人下降到2017年的2.76 hm2/人，降幅为4.50%(年均降幅为0.41%).从各土地类型占生态承载力的比例来看，11年间珲春市林地与耕地的人均生态承载力的所占比例略呈下降趋势(年平均分别下降为0.009 hm2/人和0.003 hm2/人)，但林地和耕地一直占珲春市生态承载力的95%以上；建设用地和草地在11年间呈增长趋势，但增加的不明显.11年间珲春市的水域呈下降趋势，但下降趋势较弱.以上数据表明珲春市的人均生态承载力系统呈略微下降趋势，但仍处于可控状态.珲春市人均生态承载力系统下降的原因主要是由建筑用地和人口增加所致.

表6 2006年珲春市的生态承载力

表7 2017年珲春市的生态承载力

3.3 生态压力指数的分析

利用珲春市人均生态足迹与生态承载力的数据，计算珲春市的生态压力指数.计算结果显示，2006年的生态压力指数为1.23，2017年的生态压力指数为0.63.由表2可知，珲春市的土地生态安全已从2006年的较为不安全转变为2017年的较为安全.珲春市的土地生态安全转好的原因与珲春市政府近年来实施的环境保护政策及2017东北虎豹国家公园的建立密切相关.

4 结论

研究结果表明：①珲春市2006年和2017年的人均生态足迹分别为10.116 hm2/人和11.667 hm2/人，人均生态承载力分别为2.89 hm2/人和2.76 hm2/人，这表明珲春市的土地利用处于透支状态.②剔除化石能源用地生态足迹的影响后，珲春市2006年和2017年的生态压力指数分别为1.23和0.63，表明珲春市的土地生态安全已由不安全转变为较为安全，即土地生态安全呈好转趋势.本文研究结果可为珲春市今后的经济发展与生态保护提供参考.本文在研究中未能考虑经济发展与科技进步对生态承载力的影响，以及缺少对研究区域空间变化的分析等，因此在今后的研究中我们将结合更多的影响因素和评价指标，以此建立更为完善的评价体系和评价方法.