基于生态足迹的阿拉善地区生态安全评价

徐智超, 温璐,*, 张雪峰, 宋洁, 王立新

基于生态足迹的阿拉善地区生态安全评价

徐智超1, 温璐1,*, 张雪峰2, 宋洁1, 王立新1

1. 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, 内蒙古草地生态学重点实验室 呼和浩特 010021 2. 内蒙古科技大学包头师范学院资源与环境学院, 包头 014030

生态安全关系到一个地区的资源利用以及社会经济发展的可持续程度。基于生态足迹法核算阿拉善地区1990—2017年生态足迹和生态承载力, 运用区域生态赤字、生态压力和万元GDP生态足迹指数评价阿拉善地区生态安全及可持续发展状态。结果表明: 研究期间阿拉善地区生态足迹与生态承载力均显著上升, 生态足迹和生态承载力分别提高4倍和8.5倍; 虽然研究区在研究期间生态承载力增速远高于生态足迹, 但总体上区域生态足迹仍大于生态承载力, 表现为生态赤字; 近30年阿拉善地区生态压力呈下降趋势, 生态压力指数由1.57下降到0.81, 下降了48.40%; 研究期内阿拉善地区万元GDP生态足迹指数显著下降, 由0.72下降到0.02, 下降95%, 表明研究期间该区域资源利用效率显著提高。相关分析结果表明城镇化的推进以及居民的收入水平通过影响生态足迹及生态承载力驱动生态安全。从生态足迹与生态承载力核算角度分析, 阿拉善地区社会经济发展目前尚处于非可持续状态, 而区域生态承载力以及区域资源利用效率已有大幅提升, 可更新资源的生态承载力仍低于区域生态足迹, 区域生态安全问题仍需高度重视。

生态安全评价; 可持续发展; 生态足迹; 生态承载力; 生态赤字

0 前言

新时代生态文明建设背景下, 生态安全问题已成为关乎区域可持续发展的核心问题[1–2]。阿拉善地区是我国北方生态安全屏障的重点防护区域[3], 是内蒙古自治区乃至全国沙漠最多、土地荒漠化最严重的地区[4], 生态环境极其脆弱, 使得生态系统服务对气候变化和人类活动极为敏感[5]。因此, 科学的评估阿拉善地区荒漠生态系统服务供给能力是当前区域生态安全的重要议题。生态足迹 (Ecological Footprint, EF) 作为一种非货币的度量方法, 近年来被广泛应用于衡量区域生态安全及可持续发展程度[6，8], 它通过将区域生物资源和能源的消费量以及所产生的废弃物折算成一定生物生产性土地面积, 评价人类活动对自然生态系统所产生的压力[9–10]。随着国内外研究学者不断深入的研究, 基于生态足迹理论的生态安全评价能够准确、直观的反应区域生态安全状况[11，13]。例如通过生态系统服务价值功能的角度改进生态足迹模型, 反映了人类资源消费对生物生产性土地的占用, 以及人类资源消费对生态系统服务功能的使用, 较科学的体现了生态系统的整体性[14]; 通过不同区域生物生产性土地净初级生产力来衡量不同生态系统类型的差异, 能够直接反应人类对生态系统生产能力和供给能力的占用程度, 更好的评估区域生态安全状态[15–16]。均衡因子和产量因子是生态足迹核算中的重要参数, 其标准化和本地化是准确评估区域生态足迹和生态承载力的关键[17，19]。本研究选择内蒙古阿拉善行政单元为研究对象, 基于“国家公顷”核算方法将均衡因子和产量因子本地化, 采用生态足迹模型分析1990—2017年影响阿拉善地区生态足迹变化的主要因素, 对其生态安全及可持续发展状态进行评估, 旨在为阿拉善地区生态治理政策与可持续发展战略的制定提供理论与科技支撑。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

阿拉善地区 (本研究中即指阿拉善盟, 37°24′—42°47′N, 97°10′—106°52′E) 地处内蒙古自治区最西端, 总面积27万km2, 气候以温带大陆性气候为主, 蒸发量约为2000—4000 mm, 年均气温在6—8.5 ℃之间, 年均降水量在40—150 mm之间 (过去50年的气象数据统计结果), 主要分布有沙漠、戈壁、湖盆、丘陵、荒漠草原等, 其中腾格里、巴丹吉林和乌兰布和三大沙漠分布其中, 约占全盟总面积30%。

1.2 研究方法

1.2.1 均衡因子与产量因子的计算

本文基于“国家公顷”模型[20]对阿拉善地区均衡因子和产量因子[21]进行本地化及标准化, 计算结果如表1所示。

1.2.2 生态安全计算方法

基于生态足迹模型的生态安全测度方法主要包括: 生态足迹、生态承载力、生态赤字/盈余、生态压力指数、万元GDP生态足迹[22，25]。计算方法如表2所示:

图1 研究区概况

Figure 1 Study area

表1 不同时期阿拉善地区均衡因子和产量因子

注: 在生态足迹核核算方法中, 化石能源消费足迹是通过吸收能源消费产生CO2所需要的林地面积来表征的, 故化石能源产量因子为0。

表2 生态安全计算方法

注:为该地区的总人口;为人均生态足迹;′为可更新资源的人均生态足迹;为人均生态承载力;aa为第种消费项目的人均生态足迹;c为种消费项目的年人均消费量;p为第种消费项目的全国年平均产量;Y为第种化石能源消费项目的能地比。

1.3 数据来源

本文所使用的数据主要包括1990—2017年阿拉善地区农产品、畜产品、林地产品、水域产品和化石能源消费, 以及阿拉善地区各年常住人口、GDP等社会经济数据, 来源于《内蒙古统计年鉴1991—2018》和《阿拉善盟统计年鉴》。阿拉善地区土地利用分类数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心。此外, 阿拉善地区处于内陆地区, 进出口贸易相对较少, 所以生物资源账户各消费足迹采用谢鸿宇等[26]的方法进行计算。

2 结果与分析

2.1 不同时期阿拉善地区生态足迹与生态承载力的变化

2.1.1 生态足迹变化

从1990—2017年阿拉善地区生态足迹总体呈上升趋势 (图2, 表3), 由2.75 万hm2增加到12.34万hm2, 提高400%。其中, 草地、能源用地和建设用地的生态足迹在近30 年时间一直为上升趋势; 耕地生态足迹在2015年达到峰值后小幅降低; 林地生态足迹在30年间波动较大, 1990年后减少, 至1996年下降到最低, 1996—2010年又逐渐上升, 2010年之后又下降; 水域生态足迹在90年代末期下降到最小, 在2000年之后又逐渐上升。在构成阿拉善地区生态足迹的6类生态生产性土地中, 耕地占总生态足迹的比例最大, 其次是草地、化石能源用地、建设用地、林地, 而水域占总生态足迹比例最小。

图2 1990—2017年阿拉善地区人均生态足迹与生态承载力的变化趋势

Figure 2 The trends of ecological footprint and ecological carrying capacity of Alxa during 1990 to 2017

2.1.2 生态承载力变化

在1990—2017年间, 阿拉善地区生态承载力逐年升高, 由1.69 万hm2上升到13.81 万hm2, 提高7.17倍, 且与生态足迹具有同步性 (图2, 表4)。其中, 草地与建设用地的生态承载力在近30年间总体呈上升趋势。耕地生态承载力从1990年开始逐渐升高, 在2010年达到峰值后逐渐下降。而林地生态承载力呈现波浪式变化, 1990年开始下降, 在1996年下降到最低值, 从1997年开始上升到2010年达到峰值, 之后又下降; 水域生态承载力在90年代末期下降到最低之后一直保持上升趋势。在阿拉善地区生态承载力构成中, 耕地占比最大, 约占86.36%, 其次为草地、建设用地、林地, 最小为水域。

2.2 阿拉善地区生态安全评估

2.2.1 生态赤字/盈余

在研究期内, 阿拉善地区82%的时间表现为生态赤字状态 (图2)。在1990—2004年, 阿拉善地区生态赤字由0.05 hm2·cap-1增加到0.14 hm2·cap-1, 增加了近3倍; 在1990—1996年生态赤字基本保持稳定状态, 1997年后生态赤字增大, 到2004年生态赤字达到最大后开始减小, 直到2008年转为生态盈余,然而生态盈余在2010年达到峰值后又逐渐下降, 到2014年阿拉善地区生态系统又转为生态赤字。基于生态赤字/盈余情况, 现阶段阿拉善地区生态需求仍超出其生态承载力, 草地生态足迹和化石能源足迹对生态赤字的贡献高达78.80%。

表3 阿拉善地区1990—2017年生态足迹(hm2)

表4 阿拉善地区1990—2017年生态承载力 (hm2)

2.2.2 生态压力指数

在1999—2017年间, 阿拉善地区生态压力指数总体呈下降趋势 (图3a)。在1990—2000年期间, 阿拉善地区生态压力指数呈波浪式变化, 且数值稳定在1.50左右, 区域生态环境处于较不安全和很不安全状态; 21世纪初, 生态压力指数开始逐渐下降, 到2008年下降到安全状态, 为0.96, 下降36%。虽2010年后生态压力指数略有增加, 但区域生态环境仍处于安全状态。

2.2.3 万元GDP生态足迹

1990—2017年间, 阿拉善地区万元GDP生态足迹总体呈下降趋势(图3b), 20世纪90年代初期, 万元GDP生态足迹迅速下降; 在2000—2002年变化较为平缓, 之后下降, 到2010年后基本保持不变, 最高为0.72 (1990年), 最低值为0.03 (2010年), 这表明近30年阿拉善地区资源利用效率大幅提升。

2.2.4 驱动力分析

我们选取城镇化率 (1)、生产总值 (2)、人口增长率 (3)、固定资产投入 (4)、农村居民收入 (5)、城镇居民收入 (6)、消费支出 (7)和常住人口数量 (8) 8项指标与人均生态足迹进行相关性分析。结果表明, 人均生态足迹与城镇化率、生产总值、固定资产投入、农村居民收入、城镇居民收入及常住人口数量呈极显著 (< 0.001) 的相关关系, 消费支出呈显著 (< 0.05) 相关关系, 而人口的增长率与生态足迹没有相关性(图4)。

图3 1990—2017年阿拉善地区生态压力指数与万元GDP生态足迹变化趋势

Figure 3 The trends of ecological stress index and per ten thousand (yuan) ecological footprint of Alxa during 1990 to 2017

注: 图中ef表示人均生态足迹; X1表示城镇化率; X2表示生产总值; X3表示人口增长率; X4表示固定资产投入; X5表示农村居民收入; X6表示城镇居民收入; X7表示消费支出; X8表示常住人口数量。

Figure 4 Correlation between per capita ecological footprint and factors (*Significant at 0.05 level, ** Significant at 0.01 level, *** Significant at 0.001 level)

3 讨论

3.1 区域生态工程及城镇化影响阿拉善地区生态足迹与生态承载力

生态足迹与生态承载力的变化会受区域经济社会发展的影响。自2000年, 生态工程建设以及城镇化进程持续推进, 阿拉善地区城镇化率显著上升(图5), 人民生活水平明显提高, 居民消费结构变化较大。由驱动力分析表明, 区域经济增长与城镇化的推进可能是促进生态足迹增长的重要因素, 而人口的增长速率对区域生态足迹影响可能较小。此外, 研究期间阿拉善地区土地利用发生较大变化, 未利用土地大幅减少。例如, 退牧还草和飞播造林工程的开展遏制草地荒漠化, 增加草地及林地面积(表5); 生态移民政策的实施减少人类活动对生态系统的破坏, 并促进未利用土地转化为耕地与建设用地, 可能会增加区域生态承载力, 减少生态赤字。这是造成阿拉善地区生态足迹与生态承载力在2005年后显著增加的原因之一。

其次, 阿拉善地区沙漠、荒漠及未利用土地占区域面积的60% 左右[4], 具有较高生物生产能力的生物生产土地面积较少, 是造成阿拉善地区生态赤字的另一原因。在阿拉善地区生态足迹构成中, 耕地、草地和能源用地占比较大(表3)。且随着居民食物消费结构发生变化, 畜牧产品的消费量增加, 造成草地生态足迹大幅增加[27]。加之, 研究期内阿拉善地区居民生活水平的不断提高, 人均消费量增加, 建设用地和能源用地的生态足迹也随之增加, 造成了阿拉善地区生态赤字。此外, 阿拉善地区积极响应国家号召, 在推进荒漠化治理的同时, 大力发展沙产业, 合理利用沙区资源, 调整地区的产业结构, 也是促进当地可持续发展的关键之一。

注: 数据来源于内蒙古统计年鉴与阿拉善盟统计年鉴。

Figure 5 The trends of per ten thousand (yuan) ecological footprint of Alxa during 1990 to 2017

表5 阿拉善地区主要土地类型利用变化(100 hm2)

注: 数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心。

3.2 阿拉善地区生态安全与可持续发展问题

通过生态足迹模型计算, 阿拉善地区的生态压力指数呈现逐年降低趋势, 生态环境明显好转, 但仍存在较大压力。阿拉善地区独特的区位特征造成其生态环境极为脆弱, 也是造成其区域生态安全问题的根本原因。结果表明, 现阶段阿拉善地区生态需求仍超过自然生态系统的承载能力, 特别是能源足迹的消费情况对生态压力贡献较大[25], 从生态足迹核算的角度研究区生态环境发展尚处于不可持续状态。自2000年以来, 随着生态环境保护政策的实施以及沙产业的发展, 阿拉善地区生态压力明显下降。研究期间阿拉善地区万元GDP生态足迹逐年减低, 表明资源利用率有所提高, 这可能与区域资源合理配置以及实施因地制宜的发展沙区生态产业相关政策等有关, 使得当地社会经济逐渐由粗放型向集约型转变。但鉴于其生态承载力限制, 目前阿拉善地区生态环境仍处于生态赤字状态, 因此亟需因地制宜的提出相应政策以改善阿拉善地区生态环境质量, 保障区域生态安全。

4 结论与建议

通过生态足迹模型量化1990—2017年阿拉善地区生态系统对人类社会提供服务的能力大小与人类对生态系统干扰程度的相互关系, 结果表明: 阿拉善地区近30年生态足迹大于生态承载力, 表现为生态赤字, 区域生态工程及城镇化进程可能是影响阿拉善地区生态足迹的主要因素, 区域社会经济发展可持续性较弱; 由万元GDP生态足迹可见区域资源利用效率明显提升, 社会经济逐渐由粗放型向集约型转变; 虽然区域生态压力总体呈下降趋势, 可更新资源的生态足迹仍超出自然环境所提供的最大容纳量, 生态压力较大, 区域生态环境仍存在安全风险。

本文基于阿拉善地区实际生产消费情况, 应用生态足迹模型对阿拉善地区的可持续发展状态与生态安全进行评价, 发现研究区生态环境问题仍然突出, 建议在大力发展区域特色产业(如沙产业, 沙漠旅游业等) 的同时, 应充分考虑生态承载能力, 将区域社会经济的发展提升到战略高度, 将自然资源合理管控与优化利用作为区域管控原则与政策制定的基础[28]。此外, 要加强生态风险评估能力, 提高生态安全防范意识, 提高多产业多平台的创新、合作意识, 积极参与和利用双 (多) 边合作机制, 实现不同发展模式的互利互惠, 尽可能提高区域资源利用效率, 提高生态承载力, 降低生态足迹, 使区域社会经济发展向更可持续的方向推进。

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Appraisal of ecological security based on ecological footprint model in Alxa

XU Zhichao1, WEN Lu1*, ZHANG Xuefeng2, SONG Jie1, WANG Lixin1

1.School of Ecology and Environment, Inner Mongolia University, A Collaborative Innovation Center for Grassland Ecological Security, Inner Mongolia Key Laboratory of Grassland Ecology, Hohhot010021, China 2. School of Resources and Environment, Baotou Normal School, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014030, China

Ecological security is related to the utilization of resource and the sustainability of social and economic development in a region. The ecological footprint method is used to calculate the ecological footprint and ecological carrying capacity of Alxa League from 1990 to 2017. The ecological deficit, ecological pressure, and 10000 yuan GDP ecological footprint index are used to assess the state of ecological security and sustainable development in Alxa League. The results shows that the ecological footprint and ecological carrying capacity of Alxa have a significant upward trend, and the ecological footprint and ecological carrying capacity have increased by 4 times and 8.5 times respectively during the study. Although the growth rate of ecological carrying capacity is much higher than that of ecological footprint in the study period, the regional ecological footprint is still larger than the ecological carrying capacity in general, showing an ecological deficit. Over the past 30 years, the ecological pressure in Alxa region showed a downward trend. The ecological pressure index decreased from 1.57 to 0.81, a decrease of 48.40%. The ecological footprint of Alxa's GDP per capita showed a significant downward trend, from 0.72 to 0.02, with a drop of 95%, indicating that regional resource utilization efficiency has improved significantly. The results of correlation analysis show that the advancement of urbanization and residents’ the income are the main factors that affect the regional ecological footprint and ecological carrying capacity. Alxa League’s ecological needs have exceeded the natural carrying capacity. According to the analysis of ecological footprint and ecological carrying capacity, its social and economic development is not sustainable. Despite the continuous improvement of resource utilization efficiency in Alxa League, its ecological carrying capacity of renewable resources is still lower than its ecological footprint. Regional ecological security issues still require great attention.

ecological security evaluation; sustainable development; ecological footprint; ecological carrying capacity; ecological deficit

徐智超, 温璐, 张雪峰, 等. 基于生态足迹的阿拉善地区生态安全评价[J]. 生态科学, 2022, 41(5): 90–97.

XU Zhichao, WEN Lu, ZHANG Xuefeng, et al. Appraisal of ecological security based on ecological footprint model in Alxa[J]. Ecological Science, 2022, 41(5): 90–97.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.05.011

X24

A

1008-8873(2022)05-090-08

2020-08-20;

2020-10-28

国家重点研发计划课题 (2017YFC0506701); 国家自然科学基金 (31960249, 31560146, 31400391); 内蒙古自治区科技重大专项 (ZDZX2018054); 内蒙古自治区库布齐科技重大专项项目 (2019ZD002)

徐智超(1994—), 男, 内蒙古呼和浩特人, 博士研究生, 研究方向为生态系统恢复与健康评价, E-mail: zhichao_xu0505@126.com

温璐(1985—), 女, 汉族, 内蒙古呼和浩特人, 副教授, 研究方向为生态系统恢复与管理, E-mail: wenlu5210@126.com