干旱区内陆河流域三维生态足迹时空变化分析——以玛纳斯河流域为例

李鹏辉,徐丽萍, *,张军民,金梦婷,张茹倩

1 石河子大学理学院, 石河子 832000 2 广西师范大学环境与资源学院, 桂林 541001

自然资本和生态服务是人类生存和发展的基础[1]。随着工业化和城市化的快速发展,人类对自然资本的消耗和生态系统的占用强度越来越大,通过绿色生产和消费以优化土地资源利用效率,提高自然资源承载和生态服务价值成为亟待解决的热点[2]。生态足迹巧妙地用生物生产性土地面积来表征人类对自然环境的真实占用,实现了自然资本占用和经济外部性成本的统一性核算,为研究生态安全及可持续发展提供了有效方法[3]。目前国内生态足迹的研究主要集中在足迹模型的改进[4-6]、研究领域的扩展[7-10]、时空变化的探讨[11-13]、驱动力的分析[14-16]等4个方面。生态足迹研究在理论框架探索、生态价值估算、生态供求关系及时空格局分异等方面取得了明显进展,逐渐明晰了生态足迹评价需要集成人地关系地域系统理论和地球系统科学研究方法,揭示基于系统服务价值流动规律的生态足迹供求关系及平衡机理,探索社会经济活动与生态服务功能之耦合关联机制[17-19]。但仍难以精准追踪生态服务价值流动过程,缺少定量模拟生态足迹变化格局及路径的技术手段,基于特定区域人地关系模式的多学科综合研究能力相对薄弱,往往忽略了人类社会投入对生态足迹的影响,评价理论及方法都很难精确反映生态系统服务价值的变化规律[20-22]。当前,如何精确测算基于统一性认识的区域生态资本消耗强度和供给能力,不断改进生态足迹评价方法是提高生态足迹评价可靠性和有效性的关键[23]。具体表现在：(1)经济全球化愈演愈烈,资源跨区占用问题逐渐突出,区域尺度的生态足迹研究难以真实反映本地的生态压力[24]。(2)作为生态足迹模型的关键参数,产量因子和均衡因子是不同区域不同生产性土地类型之间进行对比转换的桥梁。由于区域气候、地形、生物生产力等不同,直接借用全球或全国的因子难以真实反映小尺度(特定区域)的生态状况[25-26]。(3)考虑到森林为主要的碳汇用地,能源消费足迹多用吸收能源消费产生的CO2所需的林地面积来表示,忽视了土地的多功能性,不够科学。且能源用地缺乏相应的产量因子,容易造成总足迹虚高的现象[27-28]。(4)在进行生态足迹测算时,大多以行政区域作为研究单元,忽略了系统的开放性,作为衡量生态状况的重要手段,以生态单元作为研究边界更有意义[29]。

干旱区生态环境脆弱,其建设发展倍受学界关注,相关研究主要集中在承载力计算、生态安全评价、水资源管理等方面[30-32],尺度上多以行政单元为主,而内陆河流域作为干旱区人工活动、经济建设、水土开发最密集的区域,在该尺度上的研究相对较少。因此,以生态单元完整、经济发展快速而潜在生态安全风险巨大,且相对独立的干旱区内陆河流域——新疆玛纳斯河流域为研究区域,运用本土因子修正其生态足迹当量因子,并完善能源足迹的计算方法,为丰富干旱区内陆河流域生态足迹的研究提供了实证案例。

1 研究区概况

玛纳斯河流域(以下简称“玛河流域”)位于43°05′—45°58′N,85°01′—86°32′E之间,自南向北依次经过山地、绿洲、荒漠,行政上包括石河子市、玛纳斯县、沙湾县、新湖总场以及克拉玛依市的小拐乡等,是“天山北坡经济带”和“丝绸之路”经济带核心区的重要组成部分(图1)。21世纪以来,玛河流域社会经济建设和城镇化发展进入快速阶段,大规模的水土开发和人口经济增长,使绿洲及其周边环境发生了深刻变化。流域经济活动强度不断增加,人工绿洲持续扩张,耕地、建设用地大量增加[33],农业用水严重挤占工业、生活、生态用水[34],地下水位持续下降,人类干扰活动强烈,致使湿地退化严重,盐渍化面积扩大,生态服务价值整体下降[35],区域发展面临着现实及潜在的生态安全风险。

图1 玛纳斯河流域示意图Fig.1 Sketch map of the Manas River Basin

2 数据与方法

2.1 数据来源及处理

基础数据来源于2000、2005、2010、2015和2018年6—8月的五期Landsat影像(行列号为144/28、144/29、144/30,下载网址：www.gscloud.cn),利用ENVI 5.3软件对影像进行辐射定标、大气校正、图像融合等预处理,通过人机交互解译获得近18年5期玛河流域土地利用/覆盖变化数据。参照国土资源部发布的《土地利用现状分类》标准,根据研究区土地利用结构特征和生态足迹模型特点,将流域土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地6类,并结合Google Earth和野外实地考察数据对解译结果进行检验和修正。利用遥感影像解译结果作为基础数据计算流域生态承载力。生态足迹的核算内容及社会统计基础数据来源见表1。

表1 玛纳斯河流域生态足迹账户类型及数据来源Table 1 Manas River Basin ecological footprint account type and data source

2.2 研究方法

2.2.1模型参数计算

借鉴张恒义等[36]提供的生态足迹模型参数计算方法,以“省公顷”为面积当量,计算玛河流域的均衡因子和产量因子的多年平均值(表2)。由于林地、草地、耕地均能吸收一定的CO2,且玛河流域草地和耕地面积所占比例较大,林地面积相对较小。若仅以林地为测算对象,难以反映流域实际情况。因此依据玛河流域实际情况,对能源足迹计算做如下调整：首先用各类能源的消耗量乘以碳排放系数,得到碳排放总量(公式1)；其次用碳排放总量除以林地-草地-耕地的综合碳吸收系数得到转化的能源用地面积(公式2)。能源用地的均衡因子也做相应调整(公式4)。计算过程如下：

表2 玛纳斯河流域生态足迹模型的本土参数Table 2 Native parameters of the Manas River Basin ecological footprint model

设流域的林地面积为ai,草地面积为bi,耕地面积为ci,其中i代表年份,分别取2000、2005、2010、2015、2018。

Q=∑AjMj

(1)

(2)

(3)

(4)

式中,Aj为第j种能源类型的消耗量,Mj为第j种能源类型的碳排放系数,Q表示碳排放总量,Vwood-grass-crop表示林地-草地-耕地的综合碳吸收系数,6.44为林地的碳吸收系数,0.39为草地的碳吸收系数,0.46为耕地的碳吸收系数,rwoodland为林地的均衡因子,rgrassland为草地的均衡因子,rcropland为耕地的均衡因子。不同能源种类的碳排放系数和不同地表类型的碳吸收系数借鉴唐洪松等[37]的研究成果。

2.2.2生态足迹计算

生态足迹分析法从供需两侧来评判区域的可持续发展状况。为保证地球生物的公平发展,依据世界环境与发展委员会的建议[38],生态承载力需扣除12%的生物多样性保护面积。三维生态足迹通过足迹广度和足迹深度两项指标,实现了对资本流量占用和资本存量消耗的表征,使其具有了空间属性和时间属性[4]。足迹广度表征人类在生态承载力限度内对于生物生产性土地面积的真实占用,体现了人类对资本流量的占用水平,能够反映区域资源的开发规模；足迹深度表征人类对超出生态承载力部分资源消耗的累积程度,体现了人类对资本存量的消耗程度,能够反映出区域所面临的真实压力[39]。

EF=N×ef=N×∑ri(aai)EC=N×ec=0.88×N×∑airiyi

ED=EC-EFEF3D=EFsize×EFdepth

式中,EF表示生态足迹,N为人口数量,ef为人均生态足迹,ri为i种土地类型的均衡因子,aai为人均占用交易商品折算后的第i类生物生产土地面积,EC表示生态承载力,ec为人均生态承载力,ai为实际人均占有的第i类生物生产土地面积,yi为i种土地类型的产量因子,ED表示生态赤字。EF3D表示区域的三维生态足迹,数值上与传统模型的EF相同；EFsize表示足迹广度,其上限由区域资源禀赋决定,取值范围为0EC时,EFdepth>1,表示资本亏损,其中1为足迹深度的自然原长。

2.3 评价指数

2.3.1自然资源利用效率

自然资源利用效率可以用单位生态足迹所能创造的经济价值测度[40]。EE值越大,说明单位面积的生物生产性土地生产的生物产品量较大,区域资源的利用效率较高。计算公式如下：

2.3.2生态适度人口

一个区域的生态适度人口由该区域的生态承载能力和人口对生态资源的需求共同决定。计算公式为[41]：

3 结果与分析

3.1 玛河流域生态足迹与承载力动态变化

3.1.1玛河流域生态赤字不断扩大

近18年玛河流域的生态足迹和生态承载力均不断增加,且前者始终大于后者,生态赤字呈扩大趋势(图2)。流域的生态足迹由2000年的249.57×104hm2增加到2018年的544.12×104hm2,18年内增加了1.18倍,增长速度为16.36×104hm2/a；流域的生态承载力也由2000年的210.42×104hm2增加到2018年的334.39×104hm2,18年内增加了0.59倍,增长速度为6.89×104hm2/a,二者增长速度比约为2.37:1。从人均水平来看,玛河流域的人均生态足迹稳定增长,由2000年的3.63 hm2/人增加到2018年的6.09 hm2/人,18年内增加了2.46 hm2/人,增长速度为0.14 hm2人-1a-1；人均生态承载力在2015和2018年略有降低,由2000年的3.06 hm2/人增加到2018年的3.74 hm2/人,18年内增加了0.68 hm2/人,增长速度为0.04 hm2人-1a-1,二者增长速度比约为3.5∶1。对比黑河流域发现,同一时段内两流域的人均生态足迹基本持平,但玛河流域的人均生态承载力却低于黑河流域[42],表明干旱区内陆河流域自然本底的差异是导致其生态赤字差异的一个重要因素。

图2 玛纳斯河流域生态足迹与生态承载力状况Fig.2 Ecological footprint and ecological capacity of the Manas River Basin

3.1.2玛河流域生态足迹呈不均衡增长

玛河流域生态足迹和承载力增长不均衡,能源用地和耕地对生态足迹的贡献率远远超过其他类型,其生态足迹的增长速度也明显快于其他类型(表3)。就足迹成分而言,占比重较大的是能源用地(46.51%)、耕地(38.96%),其次是草地(9.71%)、建设用地(4.72%),相对较小的是林地(0.08%)、水域(0.02%)。除林地、能源用地在2010年有所下降随后上升之外,其余类型的生态足迹均呈现出逐年增加的趋势。其中年增长速度最快的是能源用地(7.66×104hm2/a),其次是耕地(5.23×104hm2/a)、草地(2.98×104hm2/a)、建设用地(0.47×104hm2/a),相对较慢的是林地(93.91 hm2/a)、水域(34.98 hm2/a)。单一地类的资源消费结构也不均衡,以2018年为例,耕地账户内各资源所占比例由大到小依次是：棉花(66.53%)、粮食(14.41%)、其他(8.99%)、猪肉(6.66%)、禽蛋(2.87%)、甜菜(0.30%)、油料(0.24%)。

表3 玛纳斯河流域生态足迹与生态承载力计算结果Table 3 The calculation results of the ecological footprint and ecological capacity of the Manas River Basin

就承载力成分而言,耕地、建设用地呈增加趋势,林地呈先减少后增加趋势,草地和水域呈明显的逐年下降趋势。这与李菊荣[43]、彭丽媛[44]、杨爱民等[33]对玛河流域土地利用变化研究的成果基本吻合。对比发现,流域生态足迹各成分普遍增加,而生态承载力的增加主要依赖于耕地、建设用地面积的扩大。

3.1.3玛河流域生态足迹空间分异明显

玛河流域内部各行政单元的人均生态足迹存在明显的空间分异(表4)。2000—2018年间,玛纳斯的人均生态足迹由2.99 hm2/人增加到5.43 hm2/人,增长速度为0.14 hm2人-1a-1；石河子的人均生态足迹由4.29 hm2/人增加到6.15 hm2/人,增长速度为0.10 hm2人-1a-1；沙湾的人均生态足迹由3.35 hm2/人增加到6.75 hm2/人,增长速度为0.19 hm2人-1a-1；流域整体的人均生态足迹也稳定增长,由3.63 hm2/人增加到6.09 hm2/人,增长速度为0.14 hm2人-1a-1。对比发现,流域各行政单元人均生态足迹的增长速度差异性明显,由大到小依次是沙湾>玛纳斯>石河子,其中沙湾的增长速度明显高于流域整体水平,玛纳斯的增长速度与流域整体水平持平,石河子的增长速度略低于流域整体水平。从各行政单元对流域生态足迹的贡献能力来看,石河子>沙湾>玛纳斯；而生产总值的贡献率也是石河子>沙湾>玛纳斯,体现出干旱区经济发展引起资源大量消耗的显著后效作用。

表4 玛纳斯河流域人均生态足迹变化Table 4 Changes in the per capita ecological footprint of the Manas River Basin

3.2 玛河流域生态足迹广度与深度变化

以三维生态足迹的概念模型为参考作出表达图,表明玛河流域生态足迹广度和足迹深度均不断增加(图3)。在2000—2018年间,玛河流域生态足迹广度由210.4×104hm2增加到334.4×104hm2,增加了124.0×104hm2,增长速度为6.89×104hm2/a；生态足迹深度由1.19增加到1.63,增加了0.44,增长速度为0.025/a。表明玛河流域流量资本占用持续增加,存量资本开始不断下降,流域资源过度消费的累积效应日益突出,生态压力不断增大。

图3 玛纳斯河流域生态足迹广度、深度变化Fig.3 The size and depth of the ecological footprint of the Manas River Basin

流域各地类的生态足迹广度增加迅速,18年内耕地增加了97.22%,水域增加了72.96%,建设用地增加了62.05%,林地增加了44.42%,草地减少了11.28%；生态足迹深度除耕地和建设用地稳定在1.00之外,其余各成分也均呈增加趋势,其中草地由1.00增加到8.42,林地由0.80增加到1.33后有所下降并逐渐稳定,水域由1.00增加到1.54。值得关注的是,流域生态足迹账户各成分的足迹深度变化不一：耕地和建设用地的足迹深度虽均处于自然原长,但借助资本流量占用率可以发现耕地由0.52增加至0.70而后略有下降,建设用地趋于0.88,表明流域对于耕地和建设用地占用程度加重；草地的足迹深度在2000年后开始大于1,且增速迅猛(0.42/a)；林地的足迹深度在2000年后开始大于1,并在2010年后趋于稳定；水域的足迹深度在2010年后开始大于1。表明流域各类资源的开发规模都在扩大,且开发规模由大到小依次是耕地>建设用地>草地>林地>水域,自然资本亏损程度也不断加大,亏损的严重程度依次是草地>水域>林地>建设用地>耕地。耕地大幅扩张,却仍能满足目前发展,主要得益于草地的转入和大量未利用地的开垦,草地的严重亏损主要在于承载面积的减少和牧草质量的下降。

3.3 玛河流域生态利用效率变化

3.3.1玛河流域面临较大的人口压力

玛河流域人口不断增长,过剩人口带来的资源环境压力与日俱增(图4)。流域总人口由2000年的68.69×104人增加到2018年的89.35×104人,18年内增加了20.66×104人。而生态适度人口呈波动变化,在2000—2005年和2010—2015年略有下降,在2005—2010年和2015—2018年小幅上升。整体而言,呈现出略有下降趋势,由2000年的57.92×104人减少到2018年的54.91×104人,18年内减少了3.01×104人。结合计算公式发现,这是由于人均生态赤字的波动增长造成的,当人均生态赤字增加时,人均生活的资源需求量也随之增加,而流域的资源总量相对有限,因此导致生态适度人口下降。流域总人口不断增加,而生态适度人口却略有下降,导致超载人数不断增加,从2000年的10.77×104人增加到了2018年的34.44×104人,增长速度为1.31×104人/年。而玛河流域人口主要集中在山麓绿洲地带,北邻荒漠,南靠山地,生态系统脆弱,资源相对紧缺,过剩人口的不断增加进一步加剧了流域面临的生态挑战。

图4 玛纳斯河流域生态适度人口 Fig.4 The ecologically moderate population of the Manas River Basin

3.3.2玛河流域资源利用效率明显提高

玛河流域的自然资源利用效率显著提高,三次产业的资源利用效率和提高速度均是第三产业>第二产业>第一产业(图5)。2000—2018年间,玛河流域单位生态足迹所能创造的经济效益由0.22万元/hm2增加到1.26万元/hm2,在18年内增加了4.73倍,增长速度为0.058万元 hm-2a-1。其中第一产业由0.056万元/hm2增加到0.316万元/hm2,增加了4.68倍,增长速度为0.014万元 hm-2a-1； 第二产业由0.080万元/hm2增加到0.453万元/hm2,增加了4.68倍,增长速度为0.021万元 hm-2a-1；第三产业由0.085万元/hm2增加到0.492万元/hm2,增加了4.81倍,增长速度为0.023万元 hm-2a-1。表明玛河流域资源利用效率正逐步提高,经济发展潜力较大。

图5 玛纳斯河流域生态利用效率变化Fig.5 Ecological utilization efficiency of the Manas River Basin

4 讨论

4.1 本土参数与省域参数和国家参数的比较

本研究测算的玛河流域本土参数与省域参数和国家参数相比,能较好地反映流域实际状况。同其他生态足迹的模型参数研究一样,本文能源用地的产量因子取0,建设用地的均衡因子和产量因子均与耕地相同。其中,耕地和建设用地的均衡因子明显高于省域参数和国家参数,草地、林地和水域的均衡因子明显低于省域参数和国家参数,能源用地的均衡因子低于省域参数,但与国家参数近似；耕地、建设用地和草地的产量因子高于省域参数,但低于国家参数,林地的产量因子明显低于省域参数和国家参数,水域的产量因子高于省域参数,与国家参数近似(表5)。该结果主要与研究区特点和面积当量有关,省域参数的面积当量是“国家公顷”,国家参数的面积当量是“全球公顷”,而本土参数的面积当量是“省公顷”。玛河流域是新疆重要的商品棉和粮食生产基地,棉花和粮食对流域农业用地的资源占用超过80%,生产能力较高,耕地的均衡因子和产量因子较高。林地面积仅占流域总面积的4%左右,且多为生态林,生产能力较低,其均衡因子和产量因子较低。草地和水域面积占流域总面积的近50%和2%,二者的生产能力在全疆范围内较高,但与其他地类相比较低,因此其产量因子较高,均衡因子较低。此外本文考虑到流域能源消耗量大且草地与耕地均有碳吸收能力的现实,对能源用地的均衡因子进行调整,其值为1.29。

表5 不同尺度下生态足迹模型因子对比Table 5 Comparison of ecological footprint model factors at different scales

测算结果上与本土参数相比,省域参数的测算结果高估了生态足迹,低估了生态承载力,夸大了生态赤字；国家参数的测算结果同时高估了生态足迹和生态承载力,在2000、2005、2010年低估了生态赤字,在2015和2018年夸大了生态赤字。省域参数和国家参数测算的生态足迹约是本土参数的1.50倍、1.15倍,生态承载力约是本土参数的0.61倍、1.31倍,生态赤字约是本土参数的4.40倍和0.87倍(图6)。主要原因在于玛河流域是天山北坡经济带最为活跃的区域之一,重化工业集中,能源消耗量较大,省域参数中能源用地的均衡因子与林地一致,而林地面积仅占流域总面积的4%左右,难以反映流域碳排放的实际吸收情况,致使总足迹虚高。同时耕地的产量因子高于省域参数,致使其低估了生态承载力,从而夸大了流域的生态赤字状况。玛河流域的水域和耕地产量因子与国家参数接近(实际上略低于),而草地和林地的产量因子明显低于国家参数,致使其高估了生态承载力。

图6 不同参数下玛纳斯河流域生态足迹测算结果对比Fig.6 Comparison of ecological footprint calculation results of Manas River Basin under different parameters

4.2 干旱区生态承载力测算的优化展望

据IPBES全球评估报告,受气候变化和人类活动共同影响,全球正面临自然衰退“史无前例”和物种灭绝率“加速”的局面,同时我国生物多样性保护功能有所下降[48]。新疆的生物资源种类繁多、品种独特、特性优良,开发潜力较大,新疆野生动植物达4000多种,但目前生物多样性保护形势严峻,面临着物种灭绝速度加快、珍稀濒危物种增多、生存环境丧失、生态系统多样性降低等主要威胁。目前新疆已建成国家级自然保护区15个,面积达41.2万km2,占新疆总面积的24.8%。在生态承载力的测算过程中,出于生物多样性保护目的,已有研究多以扣除12%为最终结果。然而干旱区生态系统脆弱,动植物生存受到威胁较大,其发展过程中所需预留的生物多样性保护面积应该更多(理论上应大于12%),因此本文的承载力计算结果可能高于实际情况。未来对干旱区的研究,预留多少的生物多样性保护面积是一个值得思考的问题。

4.3 玛河流域可持续发展的建议

干旱区的自然地理条件特殊,发展受自然本底影响较大,对比吕伟[49]、韦良焕[50]等的研究成果发现,研究时段内玛河流域的人均生态足迹及其增长速度均小于新疆生产建设兵团和新疆整体水平。玛河流域发育了干旱区典型的“山区-绿洲-荒漠”生态系统,社会-生态系统的健康稳定是流域可持续发展的前提。依据自然资本利用现状,为促进流域的可持续发展提出以下建议：(1)打破行政壁垒,统筹流域资源。玛河流域内部经济发展不均衡,生态占用也差异性突出,作为一个完整的生态单元,系统内部要素紧密相连,打破行政壁垒,统筹规划,合理配置流域资源,资本高消耗、低产出的区域(沙湾县、玛纳斯县)多向资源转化较高区域(石河子市)借鉴区域资源利用方式,促进各行政单元之间绿色、协调发展。(2)提高资源利用效率,调整产业结构。优化农业产业结构,突出“优棉、强畜、精果”,加大技术投入,积极推进农业现代化,建设优质农产品生产基地；同时应充分利用自身的地缘优势和资源优势,在“一带一路”倡议中找准定位,大力发展交通运输、物流仓储、生态旅游以及食品加工等产业,降低生态消耗和浪费[51]。(3)优化能源消费结构,加大清洁能源利用力度。电力和煤炭是流域主要的两大能耗类型,流域应大力发展洁净煤技术,提高煤炭能源转换率和利用率。此外,玛河流域太阳能、风能、水能等清洁可再生能源丰富,开发潜力巨大,应加大清洁能源的开发利用力度,实现能源消费结构的多元化。(4)合理推进城镇化进程,适度控制人口规模。应结合绿洲适度规模,“量”、“质”兼顾,有序推进新型城镇化进程,同时还应控制人口数量,改善人口结构,提高人口素质,促进社会生产力发展,享受人才红利,从而有效缓解人口增长对生态环境的压力。(5)构建合理消费模式,加强生态文明建设。鼓励低碳绿色消费,提高居民资源节约意识,同时完善流域主体功能区划,优化生产建设布局,在对流域三生空间识别的基础上,明确区域生态环境保护和经济发展的重点。对于重点开发区域,实施高效、绿色的发展策略；对于限制开发区域,保持谨慎、适度发展的态度；对于禁止开发区域,采取严格的保护策略。

5 结论

本文以生态足迹理论为指导思想,以“省公顷”为面积当量,针对当前生态足迹计算过程中存在的问题,选取玛河流域为研究单元,并对能源足迹计算作出相应调整,利用本土参数对研究区域2000、2005、2010、2015和2018年的生态足迹进行计算分析。结果表明：

(1)玛河流域生态赤字不断扩张,生态足迹呈明显的不均衡增长,生态安全面临严峻挑战。其中流域生态赤字年均增速达-9.48×104hm2/a,人均年增速达-0.10 hm2人-1a-1。各类土地对流域生态足迹的影响程度由大到小依次是：能源用地、耕地、草地、建设用地、林地、水域。

(2)玛河流域的发展对流量资源占用持续扩大,存量资源消耗的累积效应日益突出,流域内部各行政单元的生态占用差异性突出,账户内各类型消费对存量资源的消耗程度也差异悬殊。打破行政壁垒,统筹规划,合理配置资源,是流域未来发展亟需解决的问题。

(3)干旱区内陆河流域生态环境脆弱,但同时也是资源开发与经济发展潜力巨大的区域。玛河流域18年内单位足迹创造的经济价值增加了4.73倍,增长速度为0.058万元 hm-2a-1。