馬 高，任志遠(yuǎn)，韓紅珠

（陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710119）

生態(tài)足跡（Ecological Footprint），是由加拿大學(xué)者Rees William［1］在1992年首次提出，并在1996年經(jīng)過(guò) Wackernagel［2］總結(jié)和修改，是衡量某一區(qū)域面積內(nèi)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的定量方法.生態(tài)足跡理論和方法自從2000年被我國(guó)學(xué)者張志強(qiáng)等［3］、楊開忠等［4］引入后，徐中民等［5］、趙先貴等［6］、任志遠(yuǎn)［7］等分別在國(guó)家、區(qū)域尺度進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的生態(tài)足跡和生物承載力分析.目前生態(tài)足跡法作為衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的一種重要手段和方法已經(jīng)被廣泛使用.但是，傳統(tǒng)的生態(tài)足跡法（均衡因子建立在全球農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)基礎(chǔ)之上，以下簡(jiǎn)稱EF-GAEZ［8］）存在明顯不足和缺陷:在生態(tài)足跡的計(jì)算中由于各類生產(chǎn)性土地具有不同的生產(chǎn)力，因此需要將不同的土地類型乘以一個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)，從而將其面積轉(zhuǎn)換為具有相同生產(chǎn)力的面積，這個(gè)系數(shù)稱之為均衡因子［1］.我國(guó)疆域遼闊，各地氣候條件明顯不同，各種土地類型的生產(chǎn)力水平與世界平均水平差異很大，甚至各個(gè)省份之間同一種土地類型生產(chǎn)力水平也不盡相同；直接使用世界或者是全國(guó)的通用均衡因子，很難直觀、準(zhǔn)確反映局部區(qū)域的真實(shí)消費(fèi)狀況.近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)注意到此問(wèn)題，如文獻(xiàn)［9］在2004—2005年對(duì)生態(tài)足跡理論和方法有了新的認(rèn)識(shí)，首次提出基于凈初級(jí)生產(chǎn)力的生態(tài)足跡算法（以下簡(jiǎn)稱EF-NPP）［9］；杜加強(qiáng)等［10］、左朋萊等［11］探討了該方法與傳統(tǒng)生態(tài)足跡法的區(qū)別并進(jìn)行了生態(tài)足跡測(cè)算；劉某承等基于凈初級(jí)生產(chǎn)力測(cè)算了全國(guó)以及各個(gè)省份的均衡因子和產(chǎn)量因子［12－14］.本文基于EF-NPP計(jì)算方法利用MODIS遙感數(shù)據(jù)計(jì)算陜西省2005—2010年的均衡因子和產(chǎn)量因子，以此為基礎(chǔ)計(jì)算陜西省2005—2010年的生態(tài)足跡.

1 數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

陜西?。?05°29′～111°15′E，31°42′～39°35′N）位于中國(guó)內(nèi)陸腹地，全省面積約21萬(wàn)km2，人口3700萬(wàn)左右；氣候情況復(fù)雜，各地區(qū)氣候差異大，由北向南漸次過(guò)渡為溫帶、暖溫帶和北亞熱帶；年平均降水量約為600mm，年平均氣溫11～13℃，無(wú)霜期200d左右，夏季濕潤(rùn)多雨，冬季干燥少雪.

1.2 遙感數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

使用的遙感數(shù)據(jù)為陜西省2005—2010年的MOD17A3和MOD12Q1數(shù)據(jù)，均來(lái)自美國(guó)NASA的 EOS/MODIS（http://adsweb.nascom.nasa.gov）.

MOD17A3數(shù)據(jù):空間分辨率為1 000m，時(shí)間間隔為8d，通過(guò)Terra衛(wèi)星的遙感參數(shù)，計(jì)算出的全球植被凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）年際遙感監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，采用的是BIOME-BGC模型［15］.

MOD12Q1數(shù)據(jù) （MODIS土地覆蓋類型產(chǎn)品）:空間分辨率為500m，是每年從Terra衛(wèi)星數(shù)據(jù)中提取的土地覆蓋特征不同分類方案的數(shù)據(jù)分類產(chǎn)品，其中包含5種不同的土地覆蓋分類體系，數(shù)據(jù)分類來(lái)自監(jiān)督?jīng)Q策樹分類方法.本文采用第一類土地覆蓋分類體系——國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃（IGBP）全球植被分類方案，將全球土地分為17個(gè)類別，再將這17個(gè)類別劃分為6類生物生產(chǎn)性土地類型，即耕地、林地、草地、水域、建筑用地、能源用地.

在處理數(shù)據(jù)過(guò)程中，首先將MOD17A3產(chǎn)品數(shù)據(jù)乘以其比例因子（Scale Factor），將像元灰度值轉(zhuǎn)化為真實(shí)的NPP值；然后利用MODIS專門的投影轉(zhuǎn)換工具 MRT（Modis Reprojection Tool）對(duì)MOD17A3數(shù)據(jù)、MOD12Q1數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成分辨率為1km×1km、投影為Albers的投影柵格數(shù)據(jù)；在Arcgis10.0中，利用1∶100萬(wàn)地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中全國(guó)與陜西省行政區(qū)劃矢量圖進(jìn)行裁剪，分別得到全國(guó)與陜西省2005—2010年的NPP數(shù)據(jù)與土地分類數(shù)據(jù)；最后將同一年的土地分類數(shù)據(jù)與NPP數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加運(yùn)算，得到2005—2010年全國(guó)與陜西省的6大類生產(chǎn)性土地的NPP統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)足跡 生態(tài)足跡是指任何已知人口（某個(gè)個(gè)人、一個(gè)城市或一個(gè)國(guó)家）消費(fèi)的所有資源和吸納這些人口所產(chǎn)生的所有廢棄物所需要的具有生產(chǎn)能力的土地面積總和.生態(tài)足跡模型基于以下兩個(gè)基本事實(shí):一是人類可以確定自身消費(fèi)的絕大多數(shù)資源及其所產(chǎn)生廢棄物的數(shù)量；二是這些資源和廢棄物流能轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的生物生產(chǎn)土地面積［2，16］.計(jì)算公式為

其中:EF為區(qū)域總生態(tài)足跡；N為區(qū)域內(nèi)總?cè)丝跀?shù)；ef為人均生態(tài)足跡；i為消費(fèi)資源的種類；aai為第i種資源消費(fèi)品折算后的人均生物生產(chǎn)面積；ci為第i種資源消費(fèi)品的人均消費(fèi)量；pi為第i種消費(fèi)商品的年平均生產(chǎn)能力；rj為均衡因子；j為生物生產(chǎn)性土地類型.

生物生產(chǎn)土地分為耕地、草地、林地、建筑用地、能源用地和水域6類.由于這6類生物生產(chǎn)土地的生產(chǎn)能力差異很大，因此計(jì)算出的各類生物生產(chǎn)土地面積不能直接相加，必須對(duì)每種生物生產(chǎn)土地面積乘以均衡因子，以轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的、可比較的生物生產(chǎn)土地面積［6］.EF-GAEZ中，均衡因子建立在全球農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的基礎(chǔ)之上，即均衡因子為研究區(qū)域內(nèi)某一類生物生產(chǎn)性土地的全年平均生產(chǎn)力與該區(qū)域內(nèi)所有土地類型總的全年平均生產(chǎn)力之比［8］.這樣的做法有2個(gè)缺陷:（1）在小范圍區(qū)域內(nèi)，由于統(tǒng)計(jì)資料的不齊全和不準(zhǔn)確，很難精確算出針對(duì)小尺度區(qū)域的均衡因子；其次由于氣候的差異，各地同一類型生物生產(chǎn)性土地生產(chǎn)力有很大不同；因此，如果采用國(guó)際通用或者全國(guó)的平均均衡因子，生態(tài)足跡的計(jì)算結(jié)果將有很大誤差.（2）EF-GAEZ中均衡因子年際變化很小，而事實(shí)上由于每年的降水、光照、溫度差異，生物生產(chǎn)性土地每年的生產(chǎn)力也不盡相同，因此每年的均衡因子應(yīng)該有所差別.

凈初級(jí)生產(chǎn)力（Net Primary Productivity，NPP）是指綠色植物在單位時(shí)間和單位面積所生產(chǎn)的有機(jī)物數(shù)量，表現(xiàn)為由光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)總量中扣除自養(yǎng)呼吸后的剩余部分［17］.NPP是地球上所有消費(fèi)者生命活動(dòng)的物質(zhì)和能量來(lái)源，生態(tài)足跡中生物資源的消費(fèi)實(shí)際上是人類對(duì)NPP的占用.EF-NPP與EF-GAEZ相比具有以下優(yōu)點(diǎn):（1）NPP更準(zhǔn)確的體現(xiàn)出生物生產(chǎn)性土地的實(shí)際生產(chǎn)力，各類土地的生產(chǎn)力差別顯得更為直觀.（2）EF-GAEZ忽略了雪地、荒原、冰山、沙漠等低生產(chǎn)力土地的生產(chǎn)能力，而EF-NPP則納入計(jì)算，使計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠.（3）EF-NPP可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地研究區(qū)域的土地生產(chǎn)力變化，從而更準(zhǔn)確評(píng)價(jià)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r.（4）在EF-GAEZ中，扣除12%的生物生產(chǎn)性面積來(lái)保護(hù)物種的多樣性；但是經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、人口的不斷增長(zhǎng)，生態(tài)壓力不斷增長(zhǎng)，需要預(yù)留保護(hù)物種多樣性的生物生產(chǎn)性土地面積也應(yīng)該隨之增加.根據(jù)文獻(xiàn)［18］的研究成果，如果13.4%的陸地面積得到有效保護(hù)，則55%的瀕危物種得以存活；因此，EF-NPP在計(jì)算生物承載力時(shí)采用更保守的13.4%.

陜西省6類生物生產(chǎn)性土地的平均均衡因子計(jì)算:由于能源消費(fèi)足跡是通過(guò)林地面積（吸收化石燃料所釋放的CO2）來(lái)體現(xiàn)的，能源用地的均衡因子等于林地的均衡因子；而城鎮(zhèn)中的建設(shè)用地多占用的是耕地，因此盡管城鎮(zhèn)綠化用地表現(xiàn)出一定的NPP，但城鎮(zhèn)建設(shè)用地的均衡因子仍用耕地的均衡因子代替；對(duì)于森林、草地、耕地和水域的均衡因子計(jì)算，通過(guò)某類生物生產(chǎn)性土地的年平均NPP除以這4類生物生產(chǎn)性土地的年平均NPP［12］得到，即rj＝Pj/Pa，式中:rj為均衡因子，Pj為某類生物生產(chǎn)性土地單位面積的年平均NPP，Pa為這4類生物生產(chǎn)性土地單位面積的年平均NPP.

1.3.2 生物承載力 生物承載力是指區(qū)域內(nèi)可提供的各類生物生產(chǎn)性土地的面積.計(jì)算公式為EC＝N·ec＝N·（aj·rj·yj），式中:EC表示區(qū)域總生物承載力，N為區(qū)域總?cè)丝跀?shù)，ec表示人均生物承載力，aj表示各類生物生產(chǎn)性土地面積，rj表示均衡因子，yj表示產(chǎn)量因子，j為生物生產(chǎn)性土地類型.

由于能源消費(fèi)足跡是通過(guò)吸收CO2所需要的林地面積來(lái)體現(xiàn)的，因此能源用地的產(chǎn)量因子取0；而城鎮(zhèn)的建設(shè)用地多占用的是耕地，盡管城鎮(zhèn)綠化用地表現(xiàn)出一定的NPP，但城鎮(zhèn)建設(shè)用地的產(chǎn)量因子仍用耕地的產(chǎn)量因子代替［13］，計(jì)算公式為yj＝Pj/Pz，式中:yj表示產(chǎn)量因子，Pj表示陜西省j類生物生產(chǎn)性土地單位面積的平均NPP，Pz表示全國(guó)j類生物生產(chǎn)性土地單位面積的平均NPP.

2 結(jié)果分析

2.1 均衡因子測(cè)算結(jié)果

由表1可以看出，由于每年的NPP不同，陜西省2005—2010年6類生物生產(chǎn)性土地的均衡因子每年不同；其中水域的均衡因子變化最為明顯，最高出現(xiàn)在2006年，達(dá)到1.214，而在2010年最低，只有0.815，峰值變化達(dá)到0.399；耕地、林地、草地、建筑用地、能源用地均衡因子變化不大，峰值變化分別為0.071、0.083、0.120、0.071、0.083.對(duì)各類生物生產(chǎn)性土地的均衡因子進(jìn)行比較，可以看出:草地的均衡因子最低，最低值出現(xiàn)在2009年，只有0.585；其他5類均衡因子則都在1以上，耕地和建筑用地的均衡因子最高，在2006年和2007年為1.274；水域、林地、能源用地的均衡因子最高分別為1.214、1.227、1.227.

表1 陜西省2005—2010年各類土地的均衡因子Tab.l Equivalence factors of different land types in Shaanxi province from 2005to 2010

2.2 產(chǎn)量因子測(cè)算結(jié)果

基于上述方法，本文計(jì)算了陜西省2005—2010年6類生物生產(chǎn)性土地的產(chǎn)量因子.由表2看出，陜西省2005—2010年6類生物生產(chǎn)性土地的產(chǎn)量因子均有不同變化.其中，水域的產(chǎn)量因子變化最為突出，2005年最低為1.340，2008年最高為2.765，峰值變化為1.425；林地和能源用地的產(chǎn)量因子也有一定變化，峰值變化為0.113；而耕地、草地、建筑用地的產(chǎn)量因子變化較低，峰值變化分別為0.110、0.168、0.110.對(duì)各類生物生產(chǎn)性土地的產(chǎn)量因子進(jìn)行比較，可以看出:水域的產(chǎn)量因子最高，2008年最高為2.765；其次是耕地和建筑用地，2010年最高為1.032；林地產(chǎn)量因子最低，2006年最低為0.614.

表2 陜西省2005—2010年各類土地的產(chǎn)量因子Tab.2 Yield factors of different land types in Shaanxi province from 2005to 2010

2.3 生態(tài)足跡測(cè)算

各類農(nóng)產(chǎn)品、林產(chǎn)品、畜牧產(chǎn)品、水產(chǎn)品、能源的消費(fèi)情況和各類生物資源的世界平均產(chǎn)量來(lái)自于2005—2010年陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒和世界糧食組織（www.fao.org）.由表3可以看出，陜西省人均生態(tài)足跡逐年增長(zhǎng)，平均每年增長(zhǎng)0.089 08hm2；其中能源用地的人均生態(tài)足跡增長(zhǎng)最快，年平均增長(zhǎng)率為10%左右，人均生態(tài)足跡在2010年最高，達(dá)到2.048 059hm2.

表3 陜西省2005—2010年各類土地的人均生態(tài)足跡Tab.3 Per capita ecological footprint of different land types in Shaanxi province from 2005to 2010 hm2

2.4 生物承載力測(cè)算

表4中，陜西2005—2010各類生產(chǎn)性土地人均生物承載力略有變化.2006年人均生物承載力比2005年減少0.031 049hm2；2008年人均生物承載力比2007年增加0.032 309hm2.總生物承載力保持在人均0.4hm2左右，其中耕地與林地所能提供的人均生物承載力最多，分別約占總?cè)司锍休d力的32%與60%；建筑用地的生物承載力最小，只占總?cè)司休d力的5.5%.這表明，科學(xué)技術(shù)日益發(fā)達(dá)以及農(nóng)業(yè)機(jī)械化的大面積普及，生產(chǎn)性土地產(chǎn)量在一定程度上有所提高，但是隨著人口數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，此消彼長(zhǎng)，因此生態(tài)系統(tǒng)可提供的人均承載力總保持一定的面積.

表4 陜西省2005—2010年各類土地的人均生物承載力Tab.4 Ecological carrying per capita of different land types in Shaanxi province from 2005to 2010 hm2

2.5 EF-NPP與EF-GAEZ結(jié)果比較

本文利用EF-GAEZ方法（均衡因子與生產(chǎn)因子使用國(guó)際通用的Wackernagel所得到）計(jì)算了陜西省2005—2010年的人均生態(tài)足跡與生物承載力，并與EF-NPP的結(jié)果進(jìn)行比較.表5中，EF-GAEZ計(jì)算的人均生態(tài)足跡與生物承載力均大于EF-NPP的計(jì)算結(jié)果；EF-GAEZ與EF-NPP兩種方法計(jì)算的陜西省人均生態(tài)足跡在2005—2010年均呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，但是 EF-NPP 增長(zhǎng)高于 EF-GAEZ，EFNPP年增長(zhǎng)率達(dá)到5.89%，而 EF-GAEZ則為4.17%；在人均生物承載力方面，EF-NPP人均生物承載力在2007年、2008年、2010年均較前一年呈現(xiàn)增長(zhǎng)，而EF-GAEZ人均生物承載力各年較前一年有所減少；而對(duì)于人均生態(tài)赤字來(lái)說(shuō)，每年均有所增長(zhǎng)，但EF-NPP計(jì)算的人均生態(tài)赤字明顯高于EFGAEZ.

表5 EF-NPP與EF-GAEZ計(jì)算結(jié)果比較Tab.5 Comparison of calculation results for EF-NPP and EF-GAEZ hm2

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)果

（1）陜西省2005—2010年6類生物生產(chǎn)性土地的均衡因子比較:陜西省地處內(nèi)陸，年降水量差異很大，水域中的濕地NPP以及水域的流域面積每年變化很大，因此水域的均衡因子變化最明顯；其他5類生產(chǎn)性土地因年氣候條件、土地利用以及種植物的不同，年NPP也不同，因此均衡因子也會(huì)發(fā)生一定變化.耕地的NPP在6類生產(chǎn)性土地中最高，因此耕地的均衡因子最高，其次是林地和建筑用地，草地最低.

（2）陜西省2005—2010年的產(chǎn)量因子比較:與均衡因子一樣，由于每年的降水量差異很大，全國(guó)和陜西省水域中的濕地NPP以及水域的流域面積每年變化很大，因此水域的產(chǎn)量因子變化最明顯，林地和建筑用地的產(chǎn)量因子變化也比較明顯.水域的產(chǎn)量因子最高，其次是耕地和建筑用地，林地最小.

（3）陜西省2005—2010年的人均生態(tài)足跡每年都在增加，其中能源用地的人均生態(tài)足跡增加最快；人均生物承載力保持在一定范圍內(nèi)，2006年有所減少，而2008年又有所增加，因此生態(tài)赤字每年都在增加.

（4）EF-NPP與 EF-GAEZ兩種方法的計(jì)算結(jié)果不盡相同.EF-NPP計(jì)算的人均生態(tài)足跡與人均生物承載力明顯小于EF-GAEZ的計(jì)算結(jié)果，但是EF-NPP得到的人均生態(tài)赤字比EF-GAEZ高，這凸顯了陜西省近年來(lái)生態(tài)進(jìn)一步惡化，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)環(huán)境的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展.

（5）2005—2010年陜西省人均生態(tài)赤字分別為1.105 51、1.179 776、1.314 584、1.321 275、1.446 539、1.491 909hm2.生態(tài)赤字逐漸加重，生態(tài)壓力不容樂(lè)觀.

3.2 討論

由于年氣候條件不同，陜西省、中國(guó)乃至全世界的各類生產(chǎn)性土地每年的生產(chǎn)力不盡相同，而生產(chǎn)力的不同表現(xiàn)為NPP的不同.各類生產(chǎn)性土地的均衡因子、產(chǎn)量因子均隨著NPP的變化而變化.在本文計(jì)算均衡因子和產(chǎn)量因子時(shí)水域都明顯偏大，這是由于在土地分類時(shí)將濕地類型劃入水域中.濕地生態(tài)系統(tǒng)植被類型豐富，具有很高的NPP，因此水域的年凈初級(jí)生產(chǎn)力比較高.WWF［19］公布的2003年各類生產(chǎn)性土地的均衡因子為:耕地和建筑用地為2.21，林地和能源用地為1.34，草地0.49，漁場(chǎng)和水域0.35；國(guó)際通用的均衡因子（Wackernagel計(jì)算得出）為:耕地和建筑用地為2.82，林地和能源用地為1.14，草地為0.54，水域?yàn)?.22.國(guó)際通用的產(chǎn)量因子（Wackernagel計(jì)算得出）為:耕地和建筑用地1.66，林地和能源用地0.91，草地0.19，水域1.這與本文計(jì)算的陜西省實(shí)際均衡因子和產(chǎn)量因子相差很大.因此，在中小尺度研究生態(tài)足跡時(shí)直接采用國(guó)際通用或者國(guó)外一些研究成果，會(huì)與區(qū)域?qū)嶋H有很大差別，造成生態(tài)足跡與生物承載力計(jì)算的誤差，從而不能精確反映該區(qū)域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r.

目前絕大多數(shù)生態(tài)足跡的研究成果均采用EFGAEZ方法，本文利用EF-NPP與EF-GAEZ計(jì)算了陜西省2005—2010年的人均生態(tài)足跡與生物承載力.由于在EF-GAEZ方法中使用世界通用的均衡因子與生產(chǎn)因子，而陜西省與世界各類土地的生產(chǎn)力不同，因此造成計(jì)算結(jié)果有一定誤差.

本文在EF-NPP計(jì)算中使用的MOD12Q1數(shù)據(jù)分辨率僅為500m，土地分類結(jié)果容易混淆.另外MOD17A3數(shù)據(jù)計(jì)算量大造成數(shù)據(jù)更新速度慢，只能獲取到2010年的MOD17A3數(shù)據(jù)，造成研究滯后.生物資源以及化石燃料消費(fèi)數(shù)據(jù)通過(guò)陜西年鑒獲取，而年鑒數(shù)據(jù)有其不足之處，從而可能造成生態(tài)足跡估算不夠準(zhǔn)確.

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