基于生态足迹模型的白洋淀流域生态承载力评价与时空格局

摘要：以白洋淀流域为研究区，基于生态足迹模型，结合统计年鉴数据、遥感影像数据，测算该流域2000年、2010年、2020年的生态足迹、生态承载力以及生态盈余（赤字）状况，并从时间和空间上分析其演化特征。结果表明， 2000—2020年白洋淀流域整体以及大部分区县的人均生态足迹呈下降趋势，且具有南部高、西部低的格局；2000—2020年流域整体的人均生态承载力波动较小且存在空间分异，西北部人均生态承载力较高，中部、东南部人均生态承载力较低；2000—2020年流域整体处于生态赤字状态，但生态赤字水平在逐渐好转，西北地区生态盈余，中东部生态赤字，经济发展水平与生态盈余（赤字）紧密相连。

关键词：生态承载力；时空格局；生态足迹；白洋淀流域

中图分类号：X826" " " " "文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）12-0040-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.12.007 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Evaluation and spatial-temporal pattern of ecological carrying capacity in Baiyangdian Basin based on ecological footprint model

LIU Xiao1， GAO Xing1， YUAN Zi-hua1， GAO Xiao-chen2

（1.School of Public Administration， Hebei University of Economics and Business， Shijiazhuang" 050061， China；

2. Hebei Province Real Estate Registration Center， Shijiazhuang" 050031， China）

Abstract： Taking Baiyangdian Basin as the research area， based on the ecological footprint model， combined with statistical yearbook data and remote sensing image data， the ecological footprint， ecological carrying capacity and ecological surplus （deficit） of the basin in 2000， 2010 and 2020 were estimated， and their evolution characteristics were analyzed from time and space. The results showed that， from 2000 to 2020， the ecological footprint of Baiyangdian Basin as a whole and most districts and counties showed a downward trend， with a pattern of high in the south and low in the west. From 2000 to 2020， the ecological carrying capacity of the basin as a whole fluctuated little and had spatial differentiation. The per capita ecological carrying capacity in northwestern areas was relatively high， while the per capita ecological carrying capacity in central and southeastern areas was relatively low. From 2000 to 2020， the whole basin was in a state of ecological deficit， but the level of ecological deficit was gradually improving. The ecological surplus in northwest China and the ecological deficit in central and eastern China were closely related to the economic development level.

Key words： ecological carrying capacity； spatial-temporal pattern； ecological footprint； Baiyangdian Basin

收稿日期：2024-03-12

基金项目：河北省社会科学基金项目（HB22GL030）；河北省研究生创新资助项目

作者简介：刘 潇（2002-），女，河北保定人，在读硕士研究生，研究方向为土地资源利用与评价，（电话）18032064803（电子信箱）18032064803@163.com；通信作者，高 星（1985-），男，河北石家庄人，副教授，博士，主要从事土地资源利用与评价研究，（电话）13552525085（电子信箱）gaoxing_85@126.com。

生态承载力是指在特定的时空范围内，在资源环境和社会经济等协调可持续发展的前提下，自然-经济-社会复合生态系统对人类活动的最大承受能力［1］。它是评价一个地区人口、资源、环境可持续发展的重要指标［2］，其强弱受到土地利用变化的深刻影响。土地利用变化是人类活动的直观表现，产业构成的变动、新兴产业的涌入、地方政策等都可以使土地利用类型发生巨大改变［3］。雄安新区建设旨在疏解北京非首都功能、推进京津冀协同发展，该过程中必然伴随着区域内外大规模的土地利用变化。与当地生态环境不相适宜的土地利用变化势必会影响区域的生态承载能力，引发生态环境风险［4］。因此，评价白洋淀流域的生态足迹、生态承载力以及生态赤字演变格局有助于推进白洋淀全流域治理和保护，对守住雄安新区生态环境安全边界具有重要意义。

生态承载力是从承载力、生态足迹演变发展而来的，经历了资源承载力、环境承载力和生态承载力等阶段［5］。有关生态承载力的研究已经成为多学科的研究热点。目前生态承载力的研究集中在时空演变［6，7］和驱动因素分析［8-10］两个方面，多以水生态承载力变化及其驱动因素探析等为研究重点［11］，与土地利用变化相结合的文献占比较小。从研究尺度来看，国家［12］、城市群［13］、流域［14］、省域［15］、市域［16］等尺度均有涉及。从研究方法来看，当前学界对生态承载力的测算主要采用生态足迹法［17］、综合指标评价法［18］和系统动力学方法［19］。其中，生态足迹模型由加拿大学者Rees［20］首次提出，该模型因自身方法简明、可操作性强，在流域生态压力评价领域得到广泛应用［21］，被国内外学术界认为是比较生态承载力供需平衡的一种简单而有效的方法。因此本研究采用生态足迹模型测算研究区的生态承载力与生态足迹并对其进行评价，以便更精确地分析生态承载力演化特征。

近年来，随着雄安新区的快速城镇化建设，白洋淀流域的生态足迹与生态承载力势必受到影响。因此，本研究选取白洋淀流域为研究区，利用“3S”技术获得该流域2000年、2010年、2020年3期土地利用状况，在此基础上运用生态足迹模型分析该流域2000—2020年生态足迹、生态承载力、生态盈亏状况的时空格局演变特征，以期为流域生态环境保护与可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

本研究中的白洋淀流域是指流入白洋淀的9条河流所流经的河北省县级行政区域，涵盖保定市、沧州市、张家口市、石家庄市、衡水市5个市所辖的35个区县。它以白洋淀水系为纽带、以各区县为基本单元，兼顾了自然、人文、区县的宏观发展。白洋淀流域地貌类型多样，以耕地、林地和建设用地为主，区域内地形复杂多样，主要有平原、山脉、丘陵和洼地，地势西高东低，高差达2 862 m（图1）。流域总面积约3.4万km2，占河北省总面积的18.1%，总人口约为1 373.5万人，占全省人口的18.5%。流域内拥有华北地区最大的淡水湖泊，土壤肥沃、生态资源丰富，树木多为乔木，农作物以玉米和小麦为主，经济作物主要为棉花，主要产业为轻工业、水产以及旅游业。近年来，在加快建设“天蓝、地绿、水秀的美丽河北”以及“生态优先、绿色发展”的背景下，评价流域生态承载力守住生态环境安全边界尤为重要。

1.2 数据来源及预处理

所使用数据包括DEM高程数据以及2000年、2010年、2020年遥感影像数据、土地利用数据和各区县社会经济数据。其中，DEM高程数据和2000年、2010年、2020年遥感影像数据来源于地理空间数据云。利用ENVI5.3软件，结合研究区实际情况，对遥感影像进行监督分类和人工目视解译，将其分为6个一级地类，用于研究使用。土地利用数据及社会经济数据来源于《第三次国土调查主要数据公报》《中国统计年鉴》（2000—2020年）、《河北省统计年鉴》《保定市经济统计年鉴》《河北农村统计年鉴》《中国县域统计年鉴》和《全国渔业发展统计公报》。由于生产与消费的不对等性、贸易的跨区域流动和不同类型土地生物资源的消耗总量数据收集存在困难，在计算生态足迹时，采用各类生物资源的生产总量近似于其消耗总量。

2 研究方法

1992年生态足迹模型首次提出，起初该模型的核心是一定区域内人类对生态生产性土地面积的需求；1997年二维生态足迹模型引入生态承载力的概念，对比生态承载力与生态足迹获得区域生态盈余或生态赤字情况［22］。生态足迹模型的常用单位是“全球公顷”，但其无法精确反映国家尺度下的实际生产力状况［23］。针对传统生态足迹模型的不足，本研究用“国家公顷”代替“全球公顷”来计算区域生态足迹与生态承载力。另外依据流域内的实际生产，耕地消耗产品为粮食、棉花、油料、蔬菜，林地为园林水果，水域为水产品，建设用地为电力，草地为肉类和禽蛋（表1）。

2.1 生态足迹测算

个人或区域生态足迹是指生产这些人口所消费的资源和吸纳这些人口所产生的废弃物所需要的生物生产性土地总面积和水资源总量，其计算过程如下［24］。

首先，计算各类消费项目占用的土地面积。

[Si=Ci/Yii=1，2，…，6] （1）

式中，i为消费项目类型；Si为各消费项目消耗的生物生产面积；Ci为i项消费总量；Yi为i项消费项目的国家年平均产量。

其次，计算占用的某一类型土地的总面积。

[Sj=Sij] （2）

式中，j为土地类型；Sj为折算的各类土地利用类型的总面积；Sij为第i种消费项目占用的第j类土地利用类型的面积。

最后，计算人均生态足迹。

[ef=（Sj×fj）/p] （3）

式中，ef为人均生态足迹；fj为均衡因子，是指生态系统中各要素之间的平衡状态，本研究使用河北省均衡因子和产量因子［25］，详见表2；p为总人口。

2.2 生态承载力测算

生态承载力是指区域所提供给人类生物生产型土地（包括水域）的面积［21］，其计算式如下。

[ec=ai×fj×yj] （4）

式中，ec为人均生态承载力；aj为人均第i种资源的生产性土地面积；yj为产量因子，即某个地区某类生产性土地的平均生产力与世界同类土地平均生产力的比率。

2.3 生态盈余（赤字）

在三维模型中存在以下关系：

[ed=ec-ef] （5）

式中，ed为人均生态盈余（赤字），正值表示盈余，负值表示赤字。

3 结果与分析

3.1 生态足迹

根据生态足迹测算的公式，得到白洋淀流域3期人均生态足迹为0.421～0.785 hm2，在时间序列上呈逐年下降的趋势。相较于2000年，2010年白洋淀流域整体人均生态足迹由0.785 hm2下降至0.586 hm2，下降了25.35%；2020年流域整体人均生态足迹进一步降至0.421 hm2，相较于2010年下降了28.16%。流域整体生态足迹的降低得益于各类土地人均生态足迹的降低（图2）。耕地人均生态足迹呈先减少后上升的趋势，由2000年的0.19 hm2下降至2010年的0.17 hm2，后又上升至2020年的0.19" hm2，整体波动不大；林地、草地、水域和建设用地的人均生态足迹呈持续下降趋势，其中草地变化较大，由2000年的0.57 hm2下降至2010年的0.41 hm2，再到2020年的0.22 hm2，但在6个地类的人均生态足迹中仍居首位。

各区县的生态足迹整体呈持续下降趋势，仅有任丘市、保定市清苑区、安平县、深泽县的人均生态足迹整体呈上升趋势（图3）。同时，还有部分区县，如蔚县、涿鹿县、定兴县的人均生态足迹出现波动，呈先上升后下降的趋势。流域整体生态足迹的下降是好的发展趋势，这代表着流域内居民对自然资源的消耗降低，人类活动对土地生态系统的消耗也在逐渐减少。

白洋淀流域各区县人均生态足迹呈南部高、西部低的格局，流域整体人均生态足迹下降趋势明显。2000—2020年中东部地区生态足迹变化明显，如易县人均生态足迹由2000年的0.59 hm2下降至2020年的0.29 hm2。西部地区始终保持较低的人均生态足迹。

3.2 生态承载力

通过计算得到流域整体的人均生态承载力呈下降趋势，但是整体波动较小，3期人均生态承载力为0.22～0.26 hm2。同时，大部分区县的人均生态承载力在时间序列上都是下降的，仅有涞源县、定兴县、满城区、保定市清苑区、深泽县、无极县的人均生态承载力是上升的，下降较明显的为雄县，这与雄安新区建设有一定关系。每类土地的生态承载力变动都会对流域整体的生态承载力产生影响，建设用地和草地的人均生态承载力呈逐年上升趋势，建设用地的人均生态承载力由0.037 hm2上升到0.063 hm2，草地的人均生态承载力由0.006 hm2上升到0.014 hm2（图4）。耕地、林地的人均生态承载力均下降，耕地下降幅度较大，林地下降幅度非常小；水域的人均生态承载力先下降后上升，这与白洋淀流域河流生态改善有很大的关系。随着经济社会的进步与发展，人们对于自然的开发与利用逐渐增加，对建设用地的需求也在增加，因此流域建设用地的生态承载力一直保持上升。由于流域内土地数量有限，建设用地面积的大幅增加势必会导致其他类型土地面积的减少，从而也会对生态承载力产生影响。在上述5种土地类型中，流域内耕地生态承载力占比仍为最大，因此，要想提高流域内的整体生态承载力，势必要加大对流域耕地的保护。

从空间格局上看，白洋淀流域各区县人均生态承载力呈西北高、东南低的分布格局，且生态承载力在雄县、安新县、任丘市、望都县变化较大。各区县的人均生态承载力大致可以分为两个等级（图4）。涞源县、蔚县、阜平县、涿鹿县的人均生态承载力较高，介于0.58～0.76 hm2。这些县域均位于白洋淀流域上游、太行山一带，海拔相对较高，多为山地，生态盈余较高。剩下的县域人均生态承载力较低，介于0.08～0.39 hm2。

3.3 生态盈余（赤字）

白洋淀流域整体生态赤字，但是生态赤字在逐渐好转，人均生态赤字由2000年的0.52 hm2下降到0.20 hm2，说明近年来流域的生态治理工作取得了一定的成效，但仍有很大的发展空间。

由图6可知，2000—2020年各区县的生态盈余（赤字）情况呈现空间分化，流域西北部的区县处于生态盈余，其中2020年处于生态盈余的县有蔚县、涿鹿县、涞源县、唐县、易县、涞水县、阜平县、曲阳县、高阳县，约占全部区县的25%，另外75%的区县全部处于生态赤字。其主要原因是白洋淀流域上游海拔较高，多为山地，经济发展较缓慢，人口稀疏，生态环境质量较高；而流域下游地处华北平原，人口聚集，城镇建设用地较多，产业以工业为主，因此生态赤字水平较高。从时间动态变化来看，2020年大部分区县的生态环境都有一定程度的好转。生态盈余的区县数量呈上升趋势，2000年生态盈余的县只有5个，2020年上升为9个，这与当地政府近年来的生态保护政策密不可分，但是上升最大的石家庄市藁城区和正定县仍处于生态赤字。但也有部分区县生态赤字状况逐渐加深，占比为11.1%，下降较明显的有3个，分别是深泽县、任丘市和安平县。因此，各区县在发展过程中应注重经济发展与生态保护相结合，走可持续发展的道路。

4 小结

生态环境是社会经济发展的根基，生态承载力评价是了解区域生态环境、制定后续发展规划的重要依据。本研究基于生态足迹模型对白洋淀流域的生态承载力进行时空评价，得到以下结论。

1）2000—2020年白洋淀流域整体以及大部分区县的人均生态足迹都呈下降趋势，各地类（除耕地外）的生态足迹也呈下降趋势，流域内居民对自然资源的消耗逐渐减少；从空间上看，人均生态足迹呈南部高、西部低的格局。

2）2000—2020年白洋淀流域整体的人均生态承载力波动较小，大部分区县的人均生态承载力都呈下降趋势。耕地、林地的人均生态承载力都在下降，应加强对这2种地类的生态保护；从空间上看，流域人均生态承载力可以分为2个等级，且存在空间分异，西北太行山一带人均生态承载力较高，中部、东南部地区人均生态承载力较低。

3）2000—2020年流域整体一直处于生态赤字，但人均生态赤字在逐渐好转。从空间上看，西北地区生态盈余，中东部生态赤字，经济发展水平与生态盈余（赤字）紧密相连。

综合来看，白洋淀流域的生态环境虽受到一定破坏，但是经过政府的治理和保护以及居民生态保护意识的加强，流域生态环境有了很大的改善，处于可持续发展状态。

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