内蒙古生态安全时空演变特征及驱动力

徐智超,刘华民,韩 鹏,陆学岩,王立新,温 璐

内蒙古大学生态与环境学院,草原生态安全省部共建协同创新中心,内蒙古自治区河流与湖泊重点实验室, 呼和浩特 010021

生态安全是国家安全的重要基石[1],在生态文明背景下,其已成为政府与学术界关注的焦点[2- 3]。生态安全是指人类生产、生活的基本保障以及适应环境变化的能力不受生态破坏与环境污染等威胁的状态[4-5],它是维持区域可持续发展的基本前提[6]。开展区域生态安全评价,可精确掌握区域生态环境状况与生态压力,揭示区域经济活动与生态环境间关系[1, 7]。生态足迹作为一种非货币度量方法,通过衡量资源消费量与自然资源承载能力的平衡关系[8],可表征区域生态安全状况[3,9-11]。生态足迹核算中,均衡因子和产量因子的标准化与本地化对生态安全评估至关重要[12- 14]。基于“国家公顷”生物生产性土地核算方法和基于植被净初级生产力计算均衡因子和产量因子,能够较好的反应不同生态系统的生产能力差异[11, 15-16]。因此,本研究在准确核算研究区均衡因子和产量因子的基础上,运用生态足迹法量化区域生态安全与可持续发展水平,并分析其变化的驱动机理,拟为制定因地制宜的实施可持续发展战略提供理论依据。

目前研究生态安全的方法大多基于生态结构变化,通过建立景观生态模型或者数字地面模型评估生态环境的脆弱性[17- 19],或采用遥感手段监测地面生态系统的变化[20-21],从而割裂了人与自然环境之间的关系,而生态足迹模型巧妙的将人类活动纳入生态安全的评价体系中[22-23],并成为目前评价生态安全应用最广的方法[11, 24]。但基于生态足迹评价生态安全的研究只局限于采用单一的生态压力指数评估生态安全[3, 25],难以准确反应区域生态安全状况。本文基于生态足迹、生态盈亏及生态压力指数,采用熵权法构建综合指标体系对区域生态安全进行测算。内蒙古自治区是中国北方重要生态安全屏障,对华北地区乃至全国生态安全具有重要战略意义[26],其地域辽阔,生态系统类型多样,是中国北方面积最大、种类最全的生态功能区[27]。然而,该区域资源消耗日益增加,生态压力面临极大挑战,可持续发展面临威胁,准确评估该区域的生态安全时空动态,对于加快“生态优先,绿色发展”的区域特色高质量发展之路、构建中国北方重要生态安全屏障具有重要意义[28]。鉴于此,本文以内蒙古为研究区,基于“国家公顷”的核算方法,立足于生态足迹的时空演变特征,采用熵权法核算1990—2018年内蒙古各盟市生态安全的时空演变特征,结合GIS空间分析将其生态安全的时空变化规律进行空间可视化分析,并探究其生态安全及可持续发展潜在的驱动因素,以期为优化区域生态空间格局提供科学参考,为牢筑我国北方生态安全屏障提供理论依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

内蒙古 (97°12′—126°04′ E,37°24′—53°23′ N) 地处内陆地区 (图1),东部区为温带季风气候,中西部地区以温带大陆性气候为主,全区降水量少而不均、寒暑变化剧烈,降水量自东向西由500 mm 递减为50 mm 左右,蒸发量自东向西由1000 mm 增加到3000 mm,由东向西主要分布有森林、草原和荒漠生态系统。境内有12个盟市,下设101个旗、县、市、区,总人口2470.63万人 (2010年人口统计数据)。

图1 内蒙古自治区行政区划Fig.1 Administrative divisions of Inner Mongolia Autonomous Region

1.2 研究方法

为提高生态足迹核算的精确性,本研究中对研究区内各盟市计算其均衡因子和产量因子；根据本土化计算的均衡因子和产量因子核算1990—2018年各盟市人均生态足迹与生态承载力,通过计算生态赤字/盈余、生态压力指数、万元GDP生态足迹 (表1) 评估区域生态安全,运用ArcGIS 10.4对其计算结果进行空间分析和空间统计分析[35],得到生态安全重心变化轨迹及生态压力标准差椭圆。参考已有研究[36- 38],结合研究区概况,分别选取常住人口数量用于反映人口增长,城镇化率、居民消费支出和恩格尔系数用于反映城市化进程及居民的消费水平和消费结构,人均GDP、固定资产投资和第一、二、三产业产值占比用于反映经济水平和产业结构,万元GDP能耗用于反映能源的利用效率,采用R语言 vegan包进行CCA分析,解析研究区生态安全变化的驱动因素。

表1 生态安全计算方法

在区域生态足迹、生态承载力等指标的测算基础上,可进行生态安全的度量和分析。单一指标不能准确反映区域生态安全状况,本研究基于生态足迹、生态盈亏及生态压力指数,结合各盟市实际情况及各指数数值大小将其进行分级,采用熵权法确定各分级指数权重[39],通过指标权重确定每个指标对区域生态安全的贡献率,从而计算生态安全指数。熵权法计算权重方法参考张继权[40]等的研究。根据本文的计算结果并参考已有的研究资料,将生态安全分为7个等级,分别为：很安全 (<3.0)、安全 (3.0—4.0)、较安全 (4.0—4.5)、稍不安全 (4.5—5.0)、不安全 (5.0—5.5)、很不安全 (5.5—6.0)、恶劣 (>6.00)。

1.3 数据来源

统计数据来源于《内蒙古统计年鉴1991—2019》、《中国统计年鉴1991—2019》和《内蒙古政府工作报告》,以及国土、农业及林草等部门提供的专项调查数据。土地利用数据来源于中国自然资源部土地调查成果共享应用服务平台 (http://tddc.mlr.gov.cn)。数字高程模型 (DEM) 数据来源于中国科学院地理空间数据云 (http://www.gscloud.cn/)。

2 结果与分析

2.1 生态足迹与生态承载力

2.1.1人均生态足迹时空动态分析

1990—2018年内蒙古各盟市人均生态足迹范围在0.056—2.090 hm2/人之间,在时间序列上呈上升趋势,且多数盟市人均生态足迹与耕地生态足迹变化一致 (表2)。其中,呼和浩特、乌海、赤峰、呼伦贝尔、锡林郭勒、鄂尔多斯和巴彦淖尔7盟市人均生态足迹年际变化波动较大,呈波浪式上升,如锡林郭勒由1990年0.283 hm2/人上升至2018年的1.731 hm2/人,升高了6.12倍。内蒙古各盟市 (除锡林郭勒外) 人均生态足迹在2000年之前变化较为缓慢,且保持在0.5 hm2/人以下,在2000年之后显著提高,包头、呼伦贝尔、兴安盟、通辽、乌兰察布等地分别提高2.35—4.18倍。这可能因为90年代经济发达水平有限,区域居民对生活资源的消费需求较低,生态足迹变化缓慢；在2000年之后,随着经济的快速发展,居民生活水平的提高,消费支出增加致使生态足迹发生变化。

表2 1990—2018内蒙古各盟市人均生态足迹动态变化/(hm2/人)

内蒙古各盟市人均生态足迹呈现中东部高西部低的空间格局 (图2),且在1990—2018年间中东部地区生态足迹变化趋势明显 (图3)。其中,在1990—2018年间乌海、包头、呼和浩特、赤峰和阿拉善盟人均生态足迹变化较小,均保持在0.60 hm2/人以下,其余各盟市均有大幅上升。且中东部地区人均生态足迹上升较西部地区更为明显,如乌兰察布、锡林郭勒、通辽和兴安盟人均生态足迹在2018年上升到1.41—2.10 hm2/人。

2.1.2人均生态承载力时空动态分析

1990—2018年内蒙古各盟市人均生态承载力范围在0.007—4.197 hm2/人之间,且呈波浪式上升 (表3)。其中,除锡林郭勒和鄂尔多斯外,其余各盟市在1990—2000年间变化较小,如呼和浩特、包头、乌海人均生态承载力均保持在0.1 hm2/人以下。在2000年之后,各盟市生态承载力显著提高,呼伦贝尔、兴安盟、锡林郭勒和乌兰察布分别提高4.86—11.82倍,且呼伦贝尔和锡林郭勒生态承载力约有80%由草地承担,乌兰察布和兴安盟约有64%由耕地承担,可见内蒙古各盟市产业结构存在较大差异。赤峰、锡林郭勒、乌兰察布、鄂尔多斯和阿拉善盟人均生态承载力在2013年之后出现小幅下降,但总体高于90年代。

表3 1990—2018内蒙古各盟市人均生态承载力动态变化/(hm2/人)

内蒙古各盟市人均生态承载在空间上呈现“中间高,两翼低”的分布格局 (图2),且生态承载力乌兰察布、锡林郭勒和呼伦贝尔变化较大 (图3)。在1990—2000年,中部地区乌兰察布和锡林郭勒人均生态承载力升高到2.01—3.00 hm2/人,其他各盟市均保持在0.50 hm2/人以下。在2010年,锡林郭勒人均生态承载力上升到3.10 hm2/人,其次是乌兰察布上升到1.93 hm2/人,到2010年,全区多数盟市人均生态承载力小于1.00 hm2/人。在2018年,位于中部区的乌兰察布和锡林郭勒人均生态承载力上升到3.01—4.20 hm2/人,东部区通辽、兴安盟和呼伦贝尔在1.01—2.00 hm2/人,西部各盟市和赤峰均小于1.00 hm2/人,呈现“中间高,两翼低”的分布格局。

图2 1990、2000、2010、2018年内蒙古各盟市人均生态足迹, 人均生态承载力, 生态盈亏, 生态压力指数和万元GDP生态足迹空间分布图 Fig.2 Spatial distribution of the per capita ecological footprint, per capita ecological carrying capacity, the ecological surplus and deficit, the ecological stress index and per ten thousand (yuan) ecological footprint of the cities of Inner Mongolia in 1990, 2000, 2010, 2018

图3 1990—2018年内蒙古各盟市生态足迹和生态承载力变化率Fig.3 Rate of change of the ecological footprint and ecological carrying capacity of the cities of Inner Mongolia in 1990 to 2018

2.2 生态安全评价

在1990—2018年间内蒙古各盟市生态赤字/盈余在空间上有很大差异,生态盈亏总体呈向好趋势发展 (图2)。研究期间,乌兰察布和锡林郭勒生态承载力大于生态足迹,近30年间一直表现为生态盈余,且到2018年人均生态盈余达到1.51 hm2/人以上。呼伦贝尔在1990—2000年人均生态赤字提高35.4%,而到2010年转为生态盈余 (0.203 hm2/人),并到2018年一直保持生态盈余。阿拉善在2010年左右处于生态盈余,其余年份均处于生态赤字并保持在-0.15 hm2/人以内。呼和浩特、包头近30年生态足迹与生态承载力较为稳定,且人均生态赤字小于-0.15 hm2/人。赤峰、通辽、兴安盟在2000年左右生态赤字最大,达-0.30—-0.16 hm2/人之间,且在2010年之后逐渐下降,并保持在-0.15 hm2/人以下。但鄂尔多斯近30年一直处于生态赤字,并逐渐增大。可见,化石能源的大量施用是导致鄂尔多斯生态赤字的主要原因。

在1990—2018年间,内蒙古各盟市生态压力指数总体呈下降趋势 (图2)。其中,乌兰察布和锡林郭勒在近30年间生态压力指数一直保持较低状态,其余各盟市生态压力指数均有下降趋势。在1990年,巴彦淖尔、通辽和兴安盟生态压力指数在1.01—1.50之间,呼伦贝尔、赤峰、呼和浩特和阿拉善盟生态压力指数在1.51—2.00之间,只有鄂尔多斯和包头生态压力指数大于2.00。在2000年,除乌海、乌兰察布和锡林郭勒外,其余各盟市生态压力指数均大于1.50。在2010年,除呼和浩特生态压力较大外,其余各盟市生态压力指数均下降到1.50以下。到2018年,乌海、乌兰察布和锡林郭勒生态压力指数小于0.50,其余各盟市生态压力指数在0.81—1.50之间,生态压力减小。这表明耕地和草地生态系统在维持区域社会经济可持续发展和资源高效利用中起到关键作用。

近30年间,内蒙古各盟市万元GDP生态足迹显著下降 (图 2),表明随着高新技术的投入使用,以及生产方式的集约化使资源利用效率显著提升。在1990年,乌兰察布、通辽、兴安盟万元GDP生态足迹最大,达4.00 hm2以上；其次是赤峰和巴彦淖尔,万元GDP生态足迹介于2.01—4.00 hm2之间；呼伦贝尔、锡林郭勒和鄂尔多斯介于1.01—2.00 hm2之间；其余各盟市均小于1.00 hm2。到2000年,除锡林郭勒保持不变外,其余各盟市万元GDP生态足迹下降到2.00 hm2以下,其中包头和乌海下降到0.20 hm2以下,表明重工业区更加关注资源利用效率。到2010年,全区各盟市万元GDP生态足迹有显著下降,均下降到0.50 hm2以下,呈现“东部高,西部低”的分布格局,到2018年,仅有巴彦淖尔、乌兰察布、通辽、兴安盟4个盟市万元GDP生态足迹在0.21—0.50 hm2之间,其余各盟市均在0.20 hm2以下。

近30年间,内蒙古各盟市生态安全总体向好趋势发展,多数盟市由不安全状态向安全转移 (图 4)。在1990年,兴安盟、通辽、锡林郭勒、乌兰察布和巴彦淖尔生态安全指数<4.5,其生态系统处于安全状态,其他各盟市均处于不同程度的不安全状态；到2000年,除乌兰察布和锡林郭勒转变为安全状态外,其他各盟市均有不同程度的恶化,到2010年之后,全区各盟市生态安全均有好转,只有赤峰和呼和浩特为不安全状态 (生态安全指数>4.5)；到2018年,除赤峰生态安全为稍不安全外 (>4.5),其余各盟市均呈安全状态,生态安全指数均在4.5以下。

图4 1990、2000、2010、2018年内蒙古各盟市生态安全空间分布图 Fig.4 Spatial distribution of ecological security of the cities of Inner Mongolia in 1990, 2000, 2010, 2018

2.3 生态安全重心变化特征

本文采用生态安全重心对内蒙古自治区1990、2000、2010、2018年生态安全的空间变化轨迹进行分析 (图5)。结果表明,近30年间内蒙古生态安全重心主要分布在锡林郭勒西端,在空间上分布较为集中,总体呈现“东北—西南”走向分布格局,生态安全重心在1990—2018年向东转移36.4 km。但生态安全重心与内蒙古自治区几何中心不一致,且有先偏离后接近的趋势。在1990—2000年,生态安全重心向西南方向转移了21.4 km,标准差椭圆的短轴缩小,长轴向西南方向偏移,表明在1990—2000内蒙古自治区西南部生态问题较为突出,生态压力较1990年有所增加。这可能在90年代内蒙古各地的生产经营方式以粗犷为主,资源利用效率低,西南地区特殊的地理气候因素,生态问题较为严重；其次,能源的过度开采(如鄂尔多斯),造成西南地区生态压力增加,生态安全重心向西南移动。在2000—2010年,生态安全重心向东偏北方向移动了39.4 km,标准差椭圆在长轴在西南方向缩短,表明自治区西南部生态得到恢复；到2018年,标准差椭圆在长轴和短轴均有增加,生态安全范围在东西和南北方向均有延伸,这表明全区生态问题有极大改善,生态压力减小。随着科学技术水平的提高,农业机械投入使用以及不同的改良恢复措施,使相同土地类型的生产力显著提升,生态压力减小；此外,内蒙古作为我国北方重要生态安全屏障,近年来开展了一系类生态恢复及生态保护措施,使全区各盟市生态环境得到了极大的改善。

图5 内蒙古生态安全重心移动轨迹Fig.5 The trajectory of the center of gravity of ecological security in Inner Mongolia

2.4 生态安全驱动因素

将生态足迹、生态盈亏及生态压力指数用作评价生态安全的指标,通过CCA分析,解析内蒙古各盟市生态安全的驱动因素。结果表明,内蒙古各盟市生态安全在时间序列上有显著差异,社会经济因素是驱动其生态安全的主导因子,且存在时空差异,但总体与经济水平、消费支出、产业结构显著相关 (图6)。从1990到2018年近30年间,内蒙古各盟市生态压力由生产型主导向消费型主导转变,第一轴主要反映了第一产业占比、人口数量和消费支出,解释了各盟市生态安全的70%以上。在20世纪90年代,全区多数盟市生态安全主要受第一产业产值占比和恩格尔系数影响,这表明期间居民的基本生活保障和消费结构是驱动其生态安全的主要因素。在2000—2010年,内蒙古各盟市经济社会由温饱型向消费型转变的过渡阶段,居民消费结构向高能耗方向发展,影响生态安全的社会经济因素也随之改变；到2010年之后,人均GDP、消费支出与城镇化率成为生态安全的主导因子,这表明区域经济发展、居民的消费水平、对自然资源的占有及城镇化进程是当前内蒙古各盟市生态安全的主要驱动因素。

图6 内蒙古各盟市生态安全驱动力分析Fig.6 Analysis of driving force of ecological security in Inner Mongolia图中不同颜色的圆点表示不同时间段的生态安全指数,箭头代表影响生态安全的驱动因子；其中First output 代表第一产业产值占比,Engle index 代表恩格尔系数,Million GDP 代表万元GDP能耗,Population 代表常住人口数量,Capita GDP 代表人均GDP,Urbanization 代表城镇化率,Consumer 代表居民消费支出,FAI 代表固定资产投资

3 讨论

3.1 基于生态足迹的内蒙古地区生态安全评价

生态盈亏状况和生态压力可以共同反映区域生态安全状况。研究期间,内蒙古各盟市生态足迹与生态承载力总体呈上升趋势 (图2),生态赤字及生态压力指数呈下降趋势,全区生态安全整体呈向好趋势发展。这与杨海平等人的结果一致[41],近年来,随着内蒙古城镇化和工业化进程的加快,以及国家脱贫攻坚战的实施,使内蒙古各盟市人均生活水平有极大的改善,对各类生产资料需求增加,生态足迹增加。其次,内蒙古主要的土地利用以草地和耕地为主[26],是我国北方重要的畜牧业基地和粮食基地,其生态承载力主要由草地和耕地决定。随着科技的发展,生产方式由传统的粗放型向集约化精细型转变,机械的投入和化肥的大量施用也提高了农村牧区的生产力,其生态承载力大幅提高。在研究期间,虽然人均生态足迹仍大于生态承载力,但生态承载力的增加速度大于生态足迹,生态赤字减小,生态系统向可持续方向发展。加之,近年来全区各盟市第三产业收入占比不断增加,而第三产业的收入对自然资源的需求相对较小,三产比重对生态系统向好趋势发展具有积极作用[42]。

研究期间内蒙古各盟市生态足迹、生态承载力及生态安全和可持续发展状况存在空间差异。内蒙古自治区地域辽阔,横跨4000多公里,从东到西分布着森林、草原、荒漠生态系统类型,地貌特征和自然环境状况是影响区域生态足迹和生态承载能力空间分布的基础因子[43]。因此衡量内蒙古的生态安全及可持续发展状况需根据各地的实际情况。内蒙古自治区的人口数量呈现中东高西低的分布格局,且东西差异巨大,这使得其生态足迹也呈类似的分布格局,因此各盟市的人口数量是生态足迹的影响因子 (图6)。内蒙古各盟市生态承载力呈“中间高,两端低”的分布格局,其中,位于内蒙古中部的乌兰察布和锡林郭勒两盟市分别以农业和畜牧业为主,随着农业机械的投入以及牧场的合理利用,生产力有大幅提高,使得两地生态承载力近30年间显著增加。此外,两地人均占有自然资源比例较大,在研究期间一直处于生态盈余,可更新资源的生态足迹小于自然环境所提供的承载,生态压力最小,生态系统可持续性高。而其余各盟市均有不同程度的生态赤字及生态压力,生态安全问题不容忽视。

3.2 经济水平、消费支出、产业结构驱动内蒙古地区生态安全及可持续发展

研究期内,各盟市经济水平、消费支出和产业结构驱动内蒙古生态安全及可持续发展状况。生态安全问题不仅是生态学问题,社会经济因素也是影响生态安全动态演变的主要因素[3, 44]。经济的发展对生态环境有很强的依赖性,进而影响生态安全的变化[45]。当前城镇化改造及资源大肆开发利用的背景下,经济增长与自然资源消耗之间的矛盾日益突出,由此带来的生态环境问题也更加凸显[46-47]。选取城镇化率和人均GDP分别代表经济发展水平和经济状况,研究发现,在2000年之后,城镇化率和人均GDP是内蒙古各盟市生态安全的主要驱动因素。此外,消费支出可以间接反映区域居民对生产资料的占有和消费程度,进而影响生态安全。在内蒙古各盟市生态足迹构成中,化石能源消费所占比重较大,特别是呼伦贝尔、鄂尔多斯等以化石能源的开采利用为主的盟市,其生态安全威胁主要来自化石能源消费。因此,内蒙古面临资源、环境与发展等多方面的挑战。而产业结构也是驱动内蒙古地区生态安全的重要因素,如何合理的调整产业结构是内蒙古地区可持续发展的关键问题。内蒙古作为我国北方重要的生态安全屏障,应加快落实新能源发展的战略布局,加大对风能、太阳能等绿色清洁能源的利用程度,并逐步降低石油等化石能源的开采消费。改善内蒙古地区生态安全及不可持续发展状态,今后应当坚定地实施以生态保护与发展并重的政策方针[18],加大科研力度并积极采用先进的技术,合理适度地开发土地资源,努力提高资源利用效率,大力推行可持续循环发展模式和生态产业链条,逐步建立资源节约型的社会生产及消费体系,促进内蒙古地区经济社会与生态环境全面协调地发展。

4 结论

本文运用生态足迹模型,将均衡因子和产量因子本地化,计算了内蒙古自治区各盟市1990—2018年生态足迹和生态承载力,分析其各盟市的空间差异；利用安全重心对其生态安全变化空间分布进行分析,并通过CCA分析其生态安全的驱动因素。研究结果如下：1)研究期间内蒙古各盟市生态足迹和生态承载力总体呈上升趋势,且生态承载上升大于生态足迹,生态赤字及生态压力减小,生态安全指数减小,生态系统整体向好发展。2)研究期间内蒙古各盟市生态足迹、生态承载力及生态安全存在明显的空间差异,生态安全重心呈“东北—西南”分布,生态不安全区域向西南方向转移。3)经济水平、消费支出、产业结构是内蒙古各盟市生态安全及可持续发展的驱动因素,地理位置和气候因素是导致其空间差异的主导因子。尽管内蒙古各盟市生态压力及生态安全状况向好趋势发展,除锡林郭勒外,其他各盟市均处于弱可持续发展状况,生态安全问题仍需重点关注,保证我国北方重要生态安全屏障。