基于生态足迹法的黑龙江省林场所生态安全研究

查世凡， 鞠芳坭， 丁云翮， 毛靓

(东北林业大学园林学院， 哈尔滨 150040)

工业革命以来，人类在享受经济发展带来的巨大利益的同时，也面临着诸多生态安全问题，如温室气体骤增，全球气候变暖形势严峻。海平面上升、自然灾害和极端天气频发，各种疾病、流行病的传播与蔓延、生物多样性降低等问题的发生，都与气候变化息息相关，这也是目前人类生存所面临的巨大的威胁与挑战。20世纪末，世界各国开始了生态安全问题反思与研究，并逐渐将关注点转向碳排放对人们生活的影响。当前中国正处于实现碳中和、碳达峰目标的关键时期[1]。碳达峰、碳中和既是全球碳排放的共同目标，也是人类与自然环境长期共存、动态平衡的美好愿景。因此，为了这一目标的实现，一方面是要节能减排、绿色生产，另一方面要努力提升生态系统的碳汇和碳封存能力，充分发挥生态系统的固碳释氧作用。

森林作为陆地生态系统的重要组成部分，是碳循环过程中的重要的碳汇资源，因此，增加森林生态系统的生态服务能力是实现碳中和、碳达峰进程中的重要工作。黑龙江省林业资源丰富，有着中国最大的国有林区，承担着不可替代的生态作用，产生了巨大的经济、社会和生态效益。因此，现阶段对林场的可持续发展状态做出客观评估，正确判断林场在碳中和、碳达峰目标实现中的角色担当显得尤为重要。生态足迹法作为可持续发展能力的重要评估方法，在各个国家地区得到了认可与应用。当前对林场的研究中，少有将林场所空间纳入林地进行生态安全评估的研究，这将会忽略林场所居民社会经济活动作为林地生态占用的主要来源，导致对林场的生态安全评估出现误差。鉴于此，在传统生态足迹模型的基础上，将林场及其附属林场所作为一个生态空间考虑，对林场的可持续发展状态做出评估，以期为林场所的可持续发展提供定量化的数据参考和借鉴，为中国碳中和、碳达峰做出贡献。

生态足迹是指一个人、一个区域或一个国家，生产这部分人口所消费的所有资源和这部分人口所产生的所有废弃物的生物生产性土地面积[2]。生态足迹将人类的活动对环境的影响，转化成为人类在消费过程中所具备的生物生产性土地面积。生态足迹模型在应用过程中因思路清晰，并且适用于综合性较强的地区，因此被广泛应用于生态评价研究[3]。

随着“碳达峰”“碳中和”目标的不断推进和生态文明建设的逐步落实，生态足迹评价方法研究也日益丰富。刘薇[4]采用生态足迹法和生态环境承载力指数法对北京生态环境承载力进行评价研究, 研究发现北京市生态环境承载力形势良好,但生态承载力比较低, 且生态赤字比较大, 生态环境与经济发展之间的矛盾仍然不容忽视。梁雪石等[5]计算并分析了2000—2015年黑龙江省生态足迹和生态承载力变化情况，结果显示：黑龙江省2000—2015年人均生态足迹逐渐增加，出现生态赤字的状态，生态承载力的需求和供给之间出现矛盾。随着生态足迹法的深入研究，各个领域都开始了不同尺度的生态足迹的研究，尤其是生态足迹法在林业方面的研究。生态足迹法可以将生态安全的评价定量化,直观地反映林区实际的生产生活状况,有利于相似区域未来发展的规划[6]。贾秀红等[7]运用生态足迹成分法,从森林旅游角度计算了2018年太子山国家森林公园的生态足迹、生态承载力以及可持续发展度，结果表明该森林公园处于生态盈余和可持续发展的理想状态。新时期生态安全评价，更需要考虑到自然、经济、社会多方面影响因素[8]，多维度的进行生态足迹的精确计算，从而判断区域内的碳汇作用和该区域内自然资源对社会的贡献。

目前生态足迹法已被广泛应用到区域生态安全的分析评价中，是较为客观的分析方法。基于此，以生态足迹模型为基础，结合中国北方生态、生产实际情况，选取相应的均衡因子和产量因子，定量分析2018年林场及经营所的整体生态安全和资源开发情况，以期为相关研究提供科学依据。

1 理论分析模型

研究围绕生态安全问题，采用生态足迹法进行研究。搜集并整理相关的自然资源数据和社会资源数据，运用生态空间分析模型进行计算，对林场所生态安全状况进行评估。

1.1 林场所生态空间生态足迹模型

林场所生态足迹分为：实物消费、货币消费、能源消费和废弃物的生态足迹。

林场所实物消费生态足迹计算公式为

EFpc=Nef

(1)

式(1)中：ef为林场所人均生态足迹；N为林场所人口数；EFpc为林场所实物消费的生态足迹；i为林场所居民实物消费的生态空间类型；aai为林场所居民人均i种消费生态物质产品折算的生态空间面积[9]；rj为均衡因子；j为林场所生态空间类型。

林场所货币消费生态足迹计算公式为

EFmc=Nef

(2)

式(2)中：EFmc为林场所货币消费的生态足迹；dj为j类生态空间收入占林场所主要经济收入的比例；qi为i类该林场所单位生态空间产值；mi为i种生态物质产品的人均消费货币量。

林场所能源消费生态足迹计算公式为

EFef=Nef=Nqm∩/g

(3)

式(3)中：q为人均用电量;m为单位用电量转化为标准煤的折算系数; ∩为热值换算系数;g为煤的转换系数。

林场所固体废弃物所产生的林场所生态足迹计算公式为

EFsw=Nef=Nsrj

(4)

式(4)中：s为林场所垃圾填埋场占地面积；EFsw为固体废弃物的生态足迹。

林场所液体废弃物所产生的林场所生态足迹计算公式为

(5)

式(5)中：r为均衡因子；l为林场所人均生活用水量；h为林场所生活用水排污系数；D为一年的天数，取365 d；S为研究范围内的地表水流域面积；L为研究范围内的地表水资源量；y为水域产量因子；EFlw为液体废弃物的生态足迹。

EF=EFpc+EFmc+EFec+EFsw+EFlw

(6)

式(6)中：EF为林场所生态足迹。

1.2 林场所生态空间承载力计算模型

林场所能够提供的生态空间承载力表达式为

(7)

式(7)中：EC为林场所生态承载力；ec为林场所人均生态承载力；aj为林场所人均生态空间面积；yj为产量因子。

1.3 林场所生态赤字/盈余

林场所的生态赤字/盈余的计算公式为

ED(ER)=EC-EF

(8)

式(8)中：ED为生态赤字，ED<0；ER为生态盈余，ER>0。

1.4 林场所生态安全指数

林场所生态安全指数计算公式为

(9)

林场所可持续发展状态评判标准如表1所示。

表1 林场所可持续发展状态评判标准Table 1 Evaluation standard of sustainable development status of forest farm

1.5 林场所生态协调系数(资源开发情况)

林场所生态协调系数的计算公式为

(10)

如果ECI越接近1，说明林场所生态系统的协调性越差，如果ECI越接近 1.414，林场所的生态系统协调性越好；但是，仍要进一步比较EF与EC的大小，如果EF>EC，该林场所出现生态赤字，说明该林场所开发过度，生态承载力不足以支撑人类活动带来的生态压力，生态系统不协调；如果EF

2 研究区域与数据

2.1 研究区域概况

青山林场地处黑龙江省伊春市西南部，属乌马河林业局，林区内野生动植物资源丰富，土质肥沃，气候适宜。青山林场所现有居民435户，总人口978人，总面积1 275.85 hm2，其中包括林地、耕地、建成用地、水域和草地。林场所各类用地面积如表2、图1所示。

在林业经济政策推动下，青山林场在区域农林业生产发展中发挥了主力军的作用。随着社会经济模式的转变，林场所内生态环境是否稳定、自然资源开发利用情况等问题关系到其能否在区域生态、经济等方面持续发挥碳汇林作用，助力“碳中和”。

表2 青山林场所2018年土地类型Table 2 Land types of Qingshan Forest Farm in 2018

图1 青山林场所2018年各类用地分布情况Fig.1 Distribution of land types in Qingshan Forest Farm in 2018

2.2 数据收集与处理

2.2.1 数据来源

综合考虑林场的实际情况和数据的可获得性，计算所需数据主要分为两部分，一部分是林场所所辖各类土地面积、林场居民消费状况，数据来源于《中国林业统计年鉴》《伊春年鉴》、当地林业局统计和实地调研情况；另一部分是各消费项目的全球平均生产力，数据主要来源于FAO(联合国粮食及农业组织)的数据统计、全球足迹网络、维基百科及《中国渔业统计年鉴》。

结合2018年青山林场所的经济数据，将各类消费产品划分为实物消费、货币消费和能源消费。实物消费主要为瓜果、蔬菜、禽蛋、肉类及水产品消费，考虑到禽类和家畜主要以农耕作物为食，因此将禽蛋、肉类的生态足迹划分到耕地空间中。货币消费中考虑到林场所的经济结构和经营模式，人口收入主要来源于林业经济，因此将货币消费的生态足迹全部折算为林地。林场所内居民能源消费中，日常除电力能源以外，其余能源需求大部分来自林场内废弃的柴薪，所涉及的能源生态足迹包含在林地的生态足迹中,电力能源按火力发电计算，折算为化石能源用地的生态足迹。)。由于自然系统中没有专门用来生产能源的土地，生态足迹模型中将能源用地的产量因子确定为 0，建设用地的产量因子则由耕地数值代替[9]。为使核算内容完整统一，该研究对能源用地和建设用地产量因子的处理方法与传统生态足迹模型保持一致。林场所内垃圾处理采用垃圾填埋的方式，因此固体垃圾的生态足迹包含在建成用地的生态足迹中。

青山林场所2018年生态能源消费类型如表3所示，青山林场所2018年生态物质产品类型及数量如表4所示。

表3 青山林场所2018年生态能源消费类型Table 3 Ecological energy consumption types of Qingshan Forest Farm in 2018

表4 青山林场所2018年生态物质消费类型Table 4 Ecological material consumption types of Qingshan Forest Farm in 2018

2.2.2 均衡因子与产量因子

均衡因子是将各生态空间的生产力折算为生态承载力的平衡系数，也是将生态空间中人类的各类型消费折算为生态足迹的转换系数。但是不同地区和国家的生态资源水平存在差异，生态承载力面积不能直接比较，因此要将特定区域内的面积折算为可以进行比较的共性面积，即该区域的某种生态空间类型的生产力与全球该种生态空间类型生产力进行等比计算，也就是产量因子[9]。选用的均衡因子和产量因子如表5所示。

表5 均衡因子和产量因子取值表Table 5 Values of equalization factor and yield factor

3 计算结果与分析

3.1 林场所生态足迹计算结果分析

根据林场所生态足迹计算模型，结合青山林场所2018年统计和调研数据，计算出该林场所生态足迹统计情况，如表6、图2所示。

表6 青山林场所2018年生态足迹统计Table 6 Statistics of ecological footprint of Qingshan Forest Farm in 2018

图2 青山林场所2018年各类用地生态足迹情况Fig.2 Ecological footprint of land types in Qingshan Forest Farm in 2018

林场所货币消费产生的生态足迹占绝大部分，其原因是随着经济发展，货币消费已成为林场所居民的主要消费类型，自产实物已经远不能满足居民正常生活需求。

3.2 林场所生态承载力计算结果分析

根据林场所生态承载力计算模型，计算出青山林场所2018年生态承载力情况，如表7、图3所示。

林场所的生态承载力主要依靠农林用地，其中林地的生态承载力为2 762.41 hm2，占林场所总生态承载力的87.11%，承担了主要的生态功能。

表7 青山林场所2018年生态承载力情况Table 7 Ecological carrying capacity of Qingshan Forest Farm in 2018

图3 青山林场所2018年各类用地生态承载力情况Fig.3 Ecological carrying capacity of land types in Qingshan Forest Farm in 2018

3.3 林场所生态空间盈余(赤字)计算结果分析

结合青山林场所2018年生态足迹及生态承载力情况，根据林场所生态盈余(赤字)计算模型，得出该林场所生态空间盈余(赤字)情况，如表8、图4所示。

从表8可以反映出，青山林场所2018年生态空间总体呈现盈余状态，草地和水域均出现生态赤字情况，分别为-29.74 hm2和-10.85 hm2，主要原因是该林场所草地生态空间和水域生态空间破坏严重，草地呈现裸地状态，因此这两种生态空间生态承载力较小。化石能源用地生态足迹为28.96 hm2。

表8 青山林场所2018年生态盈余(生态赤字)情况Table 8 Ecological surplus (ecological deficit) of Qingshan Forest Farm in 2018

图4 青山林场所2018年各类用地生态盈余(赤字)情况Fig.4 Ecological surplus (deficit) of land types in Qingshan Forest Farm in 2018

耕地和建设用地仍有部分生态盈余，分别为+214.43 hm2和+176.59 hm2，结果表明这两种生态空间类型的土地能够承担该林场所的生态空间消耗需求。林地生态空间盈余为855.20 hm2，约占林地生态承载力的31.4%，是林场所生态环境的“碳储存库”。

3.4 林场所生态安全状况计算结果分析

根据林场所生态安全指数的计算公式，青山林场所的生态承载力总计3 170.74 hm2，生态足迹总计1 176.67 hm2，得出该林场所生态安全指数为0.380，处于一般可持续状态。该林场所生态协调指数为1.377，生态系统稳定性总体较强，生态资源仍有可开发利用空间。

4 讨论及政策启示

运用生态足迹法，建立林场所生态空间计算模型，对伊春市青山林场所进行定量分析。生态足迹模型的定量分析，突破了传统生态安全评价的局限性，比较精准地评价了林场所的生态安全发展现状，基于计算结果得出研究结论与分析，进而得到林场可持续发展的政策启示。

4.1 讨论

生态足迹法应用于林场生态空间的研究是对林场生态安全和可持续发展状况的拓展性实践。生态足迹计算模型较其他评价方法数据更容易获取，且指标选择简洁明了，量化性地呈现了林地的生态空间变化和可持续发展状态。

(1)通过计算青山林场所的生态空间的生态足迹和生态承载力、生态盈余(赤字)状态以及林场所的可持续发展状况等得出该林场所的生态安全呈可持续发展的良好状态。但是林场所草地生态承载力小于1 hm2，草地生态空间严重赤字，并且水域生态足迹超出自身生态承载力近4倍。因此林场所内居住环境亟待改善，应对生活废物、污水进行合理处理，提高村落生态环境质量，否则将持续消耗林地的生态空间，不利于林场所的可持续发展。

(2)林地作为林场所主要生态空间类型，是林场所常驻居民生产生活主要依靠的生态资源空间类型，承担着较大的生态和经济压力。研究结果表明青山林场所生态空间仍有2/5的生态盈余，且自然资源仍处于可持续发展状态，在保护林场所生态的前提下可适当开发林下经济和生态旅游，以减轻林场所居民的经济压力，提高生活质量。

(3)与以往研究不同，基于生态足迹传统模型，将林地空间与林场所作为整体考虑，对林场进行定量分析，更直观地反映林场在区域内的生态安全状况和碳汇作用，为后续研究提供参考。

4.2 发展政策建议

总体来看，青山林场所的生态安全和可持续发展状态都处在良好的发展阶段，但是仍要进一步完善林场所的经营政策，以确保林场作为重要的森林资源得到合理有效的开发，发挥碳汇作用，形成区域的碳储存库，成为实现碳中和、碳达峰目标的进程中的重要保障。结合上述研究分析，得出以下林场所经营管理的政策建议。

(1)优化林场管理与保护制度。随着生态保护政策措施的不断落实，林场的经营模式完成了从“重砍伐”到“重生态”的转变，要时刻牢记“绿水青山就是金山银山”的发展理念，贯彻落实“生态优先、保护优先、保育结合、可持续发展”的原则，科学经营，以提高国有林场的生态利用率，实现绿色发展。

(2)提升林场生态资源利用率。新时代背景下，提高生态资源利用率，林场要实现多业态的历史性转变：一是要发展生态旅游的新业态，推动生态旅游业的健康发展，多元化生态旅游产品，提升区域竞争力，形成休闲养生、科普教育、体育健康等多种形式协同发展的新型产业模式；二是抓住发展机遇，充分协调各级林业部门、文旅部门和企业，共同开发多元化的生态旅游产业，发展区域经济，使林场的经济效益、生态效益与社会效益相统一。

(3)形成完善的生态资源监测系统。引进先进的监测技术，详细了解林场林区的树木生长和变化情况，以便准确把握林区的资源信息，快速反应，促进林场生态的可持续发展。

(4)培养公众生态环保意识。在保持生态承载力的基础上，严格控制林场所的生态空间消耗，防止破坏林场所的生态环境，威胁林场生态系统的生态安全。重视培养林区管理与经营专业人才，开展林业生态教育活动，引导公众树立生态文明理念，提高公众生态环保意识。

5 结论

通过构建黑龙江省林区林场所生态足迹和生态承载力计算模型，量化了青山林场2018年的生态安全状况。计算结果显示，2018年青山林场所生态足迹为 1 906.94hm2，生态承载力为3 170.74 hm2，生态空间盈余1 176.67 hm2，生态安全指数为0.380，处于一般可持续发展状态。这个结果可以反映出国有林场作为我国生态安全屏障，自身具有良好的生态安全冗余，可以为区域范围提供生态服务功能，进而保障北方地区的生态安全。研究结果可以明确表明，黑龙江省国有林场的碳汇资源具有稳定、可靠和可持续的特点。在此研究的基础上，如何将生态安全的计算方法，进一步转化为林场碳汇资源的量化方法研究，是下一步研究的重点和方向。基于生态安全计算的碳汇资源量化方法，可以丰富和完善我国碳汇研究理论和方法，为我国如期实现碳达峰、碳中和目标提供有力保障。