溫飛，邵月花，談存峰*

1.甘肅省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計研究院 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)財經(jīng)學(xué)院

渭河是黃河的第一大支流，具有較豐富的水資源，發(fā)揮著提供食物、養(yǎng)育生物、灌溉農(nóng)田、凈化環(huán)境等諸多服務(wù)功能，為區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展提供強大的動力，在黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展中具有重要地位。隨著區(qū)域社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，以單一經(jīng)濟目標為主的資源開發(fā)利用模式對流域生態(tài)環(huán)境造成了嚴重破壞，影響了流域生態(tài)系統(tǒng)健康，水土流失、水體污染、植被退化和年均徑流量持續(xù)下降的威脅不斷擴大，嚴重影響了流域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民身體健康[1]。摸清流域生態(tài)需求和供給是制定流域生態(tài)治理和高質(zhì)量發(fā)展政策的基礎(chǔ)，學(xué)者們從不同角度開展了生態(tài)健康評價的研究。已有的生態(tài)健康評價主要包括指示物種評價、指標體系評價和生態(tài)足跡評價等模式。指示物種評價法是由Leopold[2]提出的采用一些指示類群來監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)健康的方法，包括單物種生態(tài)系統(tǒng)健康評價和多物種生態(tài)系統(tǒng)健康評價[3]。指標體系評價法克服了指示物種評價法的主觀性，將社會經(jīng)濟和人類健康指標在內(nèi)的指標體系進行綜合，有助于描述生態(tài)-社會過程的復(fù)雜特征。生態(tài)足跡模型由學(xué)者Rees[4]于1992年提出，是一種將人類經(jīng)濟活動生態(tài)需求和生態(tài)環(huán)境供給結(jié)合測量區(qū)域生態(tài)足跡(EC)和生態(tài)承載力(EF)的方法(圖1)，是衡量區(qū)域生態(tài)供需平衡的重要基礎(chǔ)和前提[5-6]。生態(tài)足跡的發(fā)展由一維向三維不斷演進[4-9]：Wackernagel等[8]對生態(tài)足跡進行完善并形成二維生態(tài)足跡模型，其因操作簡單得到廣大學(xué)者的認同；隨后Niccolueei等[9]引入生態(tài)足跡深度和生態(tài)足跡廣度2個新指標，更好地對流量資本和存量資本進行區(qū)分，克服了以生物生產(chǎn)性土地這單一指標衡量人類需求的方法，強調(diào)由生態(tài)足跡深度和生態(tài)足跡廣度表征人類活動對流量資本和存量資本的利用程度，使其成為表征體積的物理量[10]。以往研究大多運用單一的評價方法，研究內(nèi)容為當(dāng)前時段或一定時期內(nèi)生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀評價，且研究單元主要以單一國家、省、市、行政區(qū)或自然區(qū)為主。

圖1 生態(tài)足跡和生態(tài)承載力關(guān)系示意Fig.1 Schematic diagram of the relationship between ecological footprint and ecological carrying capacity

筆者在借鑒已有研究成果的基礎(chǔ)上，運用改進三維生態(tài)足跡模型核算渭河干流甘肅段近11年(2009—2019年)的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力。在當(dāng)量單位選擇上，對均衡因子和產(chǎn)量因子進行本地化修正，以省公頃為面積當(dāng)量；在研究區(qū)域上，將縣域行政區(qū)與渭河干流甘肅段自然區(qū)相結(jié)合，定量分析流域生物生產(chǎn)性土地的生態(tài)足跡動態(tài)變化特征。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

渭河干流甘肅段(104° 00′E～108°45′E，34°12′N～36°10′N)西起甘肅省中部，東匯牛頭河入陜西省境內(nèi)，全長270 km，總面積為5.96萬km2[11]，占渭河總面積的44.2%。行政區(qū)包括定西、天水2市的渭源縣、隴西縣、武山縣、甘谷縣、秦州區(qū)(屬渭河支流耤河流域，考慮到該區(qū)人口稠密、經(jīng)濟發(fā)達、種植面積較大，故將其納入研究中)、麥積區(qū)6縣(區(qū))(圖2)，人口為304.91萬人，占甘肅省總?cè)丝诘?1.56%，GDP占甘肅省的7.58%。隨著流域經(jīng)濟活動強度的不斷增加，渭河干流甘肅段社會經(jīng)濟建設(shè)和城鎮(zhèn)化迅速發(fā)展，建設(shè)用地面積持續(xù)增加，河流徑流量逐年減少，地下水位不斷下降，致使土地鹽漬化面積不斷擴大，濕地退化嚴重，生態(tài)服務(wù)價值整體下降，區(qū)域發(fā)展面臨著現(xiàn)實及潛在的生態(tài)安全風(fēng)險。

圖2 研究區(qū)范圍Fig.2 Scope of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

維持流域生態(tài)系統(tǒng)所需要的資源和能源消費主要包括生物資源消費和能源資源消費2個部分，考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性，選取糧食、蔬菜、油料、藥材等17種生物資源消費項目以及焦炭、汽油、煤油、柴油和電力5種能源消費項目。2010年、2011年、2014年和2017年的能源消費數(shù)據(jù)統(tǒng)計不完全，為保證數(shù)據(jù)的完備性，利用平均值填充法填補缺失值，具體指標選取見表1。省公頃核算中需要的單位熱值來自《技術(shù)經(jīng)濟手冊(農(nóng)業(yè)卷)》，個別沒有單位熱值的指標以近似指標的單位熱值代替。

表1 渭河流域甘肅段各類土地的生物生產(chǎn)性賬戶構(gòu)成Table 1 Bioproductive account composition of various types of land in Gansu section of Weihe River Basin

1.3 研究方法

1.3.1改進三維生態(tài)足跡

方愷等[12-13]提出的改進三維生態(tài)足跡模型僅用于計算生物資源消費和建筑用地消費2個核算賬戶中的生態(tài)足跡及其相對應(yīng)的生態(tài)承載力，筆者將建筑用地消費和化石能源消費納入到能源資源賬戶之中。具體計算公式如下：

EF=N×ef=N×∑eFi×(Cx/Px)

(1)

EC=N×ec=N×∑Si×eFi×yFi

(2)

ER(ED)=EC-EF

(3)

EFsize,region=∑min{EFi,ECi}

(4)

(5)

EF3D,region=EFsize,region×EFdepth,region

(6)

式中：EF為研究區(qū)的生態(tài)足跡，hm2；ef為研究區(qū)的人均生態(tài)足跡，hm2/人；N為研究區(qū)的總?cè)丝跀?shù)，人；eFi為省域第i類土地的均衡因子；Cx為研究區(qū)第x類資源的總產(chǎn)出熱量，103J；Px為省域第x類資源的單位面積平均生產(chǎn)力，103J/hm2；EC為研究區(qū)扣除12%的生物多樣性保護面積后的生態(tài)承載力，hm2；ec為研究區(qū)的人均生態(tài)承載力，hm2/人；Si為第i類土地的總生物生產(chǎn)性面積，hm2；yFi為第i類土地的產(chǎn)出因子。

當(dāng)EC>EF時，EC-EF=ER，表示生態(tài)盈余；當(dāng)EC

1.3.2模型參數(shù)計算

借鑒張恒義等[14]的生態(tài)足跡模型參數(shù)計算方法，以省公頃為計量單位，計算研究區(qū)的均衡因子和產(chǎn)量因子，以更準確地反映區(qū)域的生態(tài)盈虧情況。由于林地和草地均能吸收一定量的CO2等氣體，故將林地和草地作為化石能源用地的測算對象，以客觀反映流域?qū)嶋H情況。2個因子的計算公式如下：

(7)

(8)

根據(jù)式(7)、式(8)計算得到的關(guān)于渭河干流甘肅段生態(tài)足跡模型的基本參數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 2009—2019年渭河干流甘肅段生態(tài)足跡模型的基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of ecological footprint model for the mainstream of Weihe River in Gansu Province from 2009 to 2019

2 結(jié)果與分析

2.1 渭河干流甘肅段生態(tài)足跡與生態(tài)承載力動態(tài)變化

2.1.1三維生態(tài)足跡組分分析

在生態(tài)足跡結(jié)構(gòu)方面，2019年渭河干流甘肅段化石能源用地面積最大，達 62 290.58 hm2，其次是耕地(15 774.96 hm2)、草地(1 197.17 hm2)、建筑用地(531.51 hm2)、林地(264.03 hm2)和水域(23.59 hm2)。2009—2019年渭河干流甘肅段6類土地對生態(tài)足跡的貢獻率如圖3所示。由圖3可知，2009—2019年化石能源用地和耕地對區(qū)域生態(tài)足跡貢獻始終較大，且二者呈互補型趨勢變化，即當(dāng)化石能源用地貢獻率下降時會引起耕地貢獻率上升；林地和草地的貢獻率小幅增長，但整體較小，均保持在0.97%～1.52%?；茉从玫貙ρ芯繀^(qū)生態(tài)足跡的貢獻率最高，達64.26%～73.39%；水域的貢獻率最小，僅為0.01%～0.05%?？梢姡茉从玫睾透厥菂^(qū)域生態(tài)足跡的重要組成部分。

圖3 2009—2019年渭河干流甘肅段6類土地對生態(tài)足跡的貢獻率Fig.3 Contribution rate of six types of land to ecological footprint in the mainstream of Weihe River in Gansu Province from 2009 to 2019

2009—2019年渭河干流甘肅段改進三維生態(tài)足跡變化見表3。由表3可知，從時間上分析，2009—2019年渭河干流甘肅段改進三維生態(tài)足跡隨時間推移波動變化，渭源縣、甘谷縣、秦州區(qū)和麥積區(qū)分別以每年2.94%、1.41%、0.15%和1.04%的速率波動上升，隴西縣和武山縣生態(tài)足跡不斷下降，武山縣以2.79%的速率持續(xù)下降，甘谷縣的下降速率為2.1%。從區(qū)域上分析，甘谷縣和秦州區(qū)生態(tài)足跡較大，而渭源縣和隴西縣生態(tài)足跡相對較小。定西市2縣的平均生態(tài)足跡低于天水市4縣(區(qū))，推測是由于天水市經(jīng)濟發(fā)展較為迅速，人口活動頻繁，對環(huán)境的影響更大。依據(jù)測算結(jié)果得出，2009年定西市2縣均是耕地生態(tài)足跡最高，天水市4縣(區(qū))均是化石能源用地生態(tài)足跡最高，且天水市生態(tài)足跡遠高于定西市，超出5.96倍；2010—2019年6縣(區(qū))生態(tài)足跡變化與2009年相似，依舊是天水市4縣(區(qū))生態(tài)足跡明顯高于定西市2縣，且都是以化石能源用地生態(tài)足跡為主。具體而言，渭河干流甘肅段以秦州區(qū)生態(tài)足跡為最高，且呈現(xiàn)以秦州區(qū)為中心依次向外圍區(qū)域遞減的特征。

表3 2009—2019年渭河干流甘肅段改進三維生態(tài)足跡變化Table 3 Changes of improved three-dimensional ecological footprint of the mainstream of Weihe River in Gansu Province from 2009 to 2019 hm2

2.1.2人均生態(tài)足跡與生態(tài)承載力分析

2009—2019年渭河干流甘肅段生態(tài)足跡和生態(tài)承載力均呈現(xiàn)波動變化趨勢，2009—2015年生態(tài)足跡從 68 107.23 hm2波動上漲到 79 888.18 hm2，同時生態(tài)承載力自2009年的 9 479.412 hm2上升到2015年的 12 107.341 hm2，區(qū)域生態(tài)自然資源供給能力在區(qū)域消費能力中的占比也從13.92%升至15.16%，表明渭河干流甘肅段自然資源存量已無法滿足人類需求。2016—2019年，研究區(qū)生態(tài)足跡和生態(tài)承載力均不斷下降，且前者始終大于后者。

2009—2019年渭河干流甘肅段6類土地人均生態(tài)足跡(表4)波動下降，其中耕地年下降速率最大，為4.85%；其次是水域、草地、建筑用地和林地，化石能源用地下降最緩慢，年下降速率為3%，這說明11年間化石能源用地在研究區(qū)生態(tài)足跡中始終貢獻最大。2009—2019年渭河干流甘肅段6類土地人均生態(tài)承載力(表5)變化趨勢不明顯，林地、水域和建筑用地分別以每年3.42%、0.41%和0.32%的速率不斷上升，其余3類土地人均生態(tài)承載力都呈小幅度下降趨勢，其中，耕地年人均生態(tài)承載力下降速率最大，為5.31%，其他2類土地的年人均生態(tài)承載力下降速率保持在1.61%。這表明除林地、水域和建筑用地以外的其他3類土地的生態(tài)承載力水平一般，同時也說明區(qū)域經(jīng)濟與資源環(huán)境協(xié)調(diào)性有待提高，可持續(xù)發(fā)展能力較弱。

表4 2009—2019年渭河干流甘肅段6類土地人均生態(tài)足跡變化Table 4 Changes of per capita ecological footprints of six types of land in the mainstream of Weihe River in Gansu Province from 2009 to 2019 hm2/人

表5 2009—2019年渭河干流甘肅段6類土地人均承載力變化Table 5 Changes of per capita carrying capacity of six types of land in the mainstream of Weihe River in Gansu Province from 2009 to 2019 hm2/人

2009—2019年渭河干流甘肅段6縣(區(qū))人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力時空變化趨勢如圖4所示。依據(jù)張星星等[15]根據(jù)生態(tài)足跡與生態(tài)承載力之間的差額對區(qū)域進行劃分的方法，可將渭河干流甘肅段6個縣(區(qū))劃分為3類區(qū)域：Ⅰ類區(qū)域(渭源縣和隴西縣)是生態(tài)足跡與生態(tài)承載力缺口最小的地區(qū)，11年間這2個縣生態(tài)足跡和生態(tài)承載力幾乎保持一致，且差值平均穩(wěn)定在 0.008 5 和 0.007 5 hm2。渭源縣生態(tài)足跡波動下降明顯，尤其是2015—2016年降低了 0.003 5 hm2；隴西縣2015年生態(tài)承載力較2014年增長3.82%，期間生態(tài)足跡僅增加了 0.001 6 hm2，說明隴西縣的生態(tài)容量漸多，生態(tài)壓力逐年減小。Ⅱ類區(qū)域(甘谷縣和麥積區(qū))是生態(tài)足跡和生態(tài)承載力缺口相對居于中游的地區(qū)，甘谷縣二者差額不斷縮小，說明甘谷縣生態(tài)赤字情況得到緩解；麥積區(qū)2011—2017年生態(tài)足跡以2.6%的年速率遞增，同期生態(tài)承載力以每年0.76%的速率遞增，2017年后，二者均呈遞減趨勢。Ⅲ類區(qū)域(秦州區(qū)和武山縣)是生態(tài)足跡和生態(tài)承載力缺口相對較大的區(qū)域，其中武山縣生態(tài)足跡變化不明顯，但生態(tài)承載力波動相對較大，二者均呈波動下降趨勢。

注： 柱狀圖自左向右表示2009—2019年人均生態(tài)足跡(a)、人均生態(tài)承載力(b)變化。圖4 2009—2019年渭河干流甘肅段6縣(區(qū))人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力時空變化趨勢Fig.4 Spatiotemporal variation of per capita ecological footprint and per capita ecological carrying capacity in 6 counties (districts) of the mainstream of Weihe River in Gansu Province from 2009 to 2019

2.1.3人均生態(tài)盈余/赤字分析

根據(jù)表4、表5計算2009—2019年渭河干流甘肅段的人均生態(tài)盈余/赤字狀況，結(jié)果表明，11年間渭河干流甘肅段均處于人均生態(tài)赤字狀況，表明該地區(qū)的人類負荷超過了其生態(tài)容量。值得注意的是，由于化石能源用地的生態(tài)承載力為0，生態(tài)足跡即為生態(tài)赤字。利用變異系數(shù)對生態(tài)赤字的相對波動程度進行分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，2009—2019年渭河干流甘肅段人均生態(tài)赤字的變異系數(shù)均為負值，穩(wěn)定于-0.669附近，轉(zhuǎn)折于2010年，整體表現(xiàn)為先降后升再降，宛如W型曲線。2009—2010年以每年29.45%的速率下降，下降速率達到最大；2011—2015年基本呈上升趨勢，平均年上升速率為2.54%，其中2012年后逐漸趨于平緩；2016—2018年則呈下降趨勢，2018—2019年又呈上升趨勢。這表明自2016年起，渭河干流甘肅段自然資源利用程度日漸規(guī)?；搮^(qū)域所包含的6縣(區(qū))的生態(tài)赤字也呈先擴大后縮小再擴大的趨勢?？梢?，自2012年實施生態(tài)文明建設(shè)之后，地方政府發(fā)展戰(zhàn)略和政策轉(zhuǎn)變已取得了初步成效。

圖5 2009—2019年渭河干流甘肅段 人均生態(tài)赤字的變異系數(shù)Fig.5 Variation coefficient of per capita deficit in the mainstream of Weihe River in Gansu Province from 2009 to 2019

2.2 渭河干流甘肅段生態(tài)足跡廣度和深度分析

2009—2019年渭河干流甘肅段生態(tài)足跡廣度和深度變化如圖6所示。由圖6可知，2009—2015年渭河干流甘肅段生態(tài)足跡廣度整體呈波動上升趨勢，7年間生態(tài)足跡廣度以375.42 hm2/a速率增至 12 107.34 hm2，表明這7年渭河干流甘肅段在經(jīng)濟發(fā)展的同時，對區(qū)域內(nèi)自然資源流量消耗不斷增大，生態(tài)占用面積也在持續(xù)上漲；2016—2019年生態(tài)足跡廣度下降趨勢較明顯，以888.57 hm2/a 的速率波動下降，2019年生態(tài)足跡廣度為8 841.67 hm2，顯然資源流量的消耗得到一定程度的改善。具體而言，研究區(qū)域流量資本占用值都較高，其中流量資本占用最高值為麥積區(qū)，其平均生態(tài)足跡廣度為 4 189.54 hm2; 其次是秦州區(qū)、隴西縣、甘谷縣，平均生態(tài)足跡廣度分別為 1 533.77、1 507.07、1 507.00 hm2；武山縣和渭源縣流量資本占用值僅609.54、247.58 hm2，遠低于其他4縣(區(qū))，表明武山縣和渭源縣資源較少，資源消耗量較大。

圖6 2009—2019年渭河干流甘肅段生態(tài) 足跡廣度和深度變化Fig.6 Changes in the breadth and depth of ecological footprint of the mainstream of Weihe River in Gansu Province from 2009 to 2019

生態(tài)足跡深度越大，說明該縣(區(qū))的資源消耗量越大，供需不足嚴重，生態(tài)環(huán)境壓力也相對較大。研究區(qū)域生態(tài)足跡深度呈先增后降再增的趨勢。在2015年之前整體緩慢增加，之后快速增加，年變化幅度保持在3.60%～5.89%，說明渭河干流甘肅段資源消費結(jié)構(gòu)不合理，自然資源消耗過大且呈現(xiàn)無法滿足區(qū)域內(nèi)人民日益增長的消費需求的趨勢。研究區(qū)域的生態(tài)足跡深度均大于1，其中武山縣的生態(tài)足跡深度為14.44，說明需要14.44倍自身土地面積才能夠滿足本縣的資源消費，武山縣的存量資本消耗較高。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是武山縣的土地面積較小，自然資源相對于研究區(qū)域其他縣(區(qū))而言也較少，另外人口較多，對資源的需求量和消耗量較大，使其成為研究區(qū)域中生態(tài)足跡深度最大的縣；其次，分別是渭源縣(12.81)、甘谷縣(12.55)、秦州區(qū)(12.28)、麥積區(qū)(3.47)和隴西縣(2.86)。同時，生態(tài)足跡廣度的線性斜率相仿于生態(tài)足跡深度的線性斜率，表明對存量資本消耗的不合理局面變化不顯著。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

(1)2009—2019年渭河干流甘肅段生態(tài)足跡和生態(tài)承載力呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，生態(tài)環(huán)境壓力同樣先增加后減小，區(qū)域自然資本供給能力較弱；在生態(tài)足跡結(jié)構(gòu)方面，化石能源用地和耕地始終對區(qū)域生態(tài)足跡貢獻較大。以單個區(qū)域來看，經(jīng)濟水平發(fā)展較高的縣(區(qū))生態(tài)足跡一般較高，其中渭河干流甘肅段秦州區(qū)生態(tài)足跡最高。

(2)2009—2019年渭河干流甘肅段生態(tài)赤字差距較大但呈現(xiàn)出逐漸縮小的趨勢，表現(xiàn)為生態(tài)赤字變異系數(shù)從2009年開始持續(xù)下降，主要原因在于2015年后區(qū)域自然資源利用程度日漸統(tǒng)一，不可持續(xù)發(fā)展狀況得到改善。

(3)2009—2015年渭河干流甘肅段持續(xù)增加對當(dāng)?shù)刈匀毁Y本的消耗，生態(tài)足跡廣度在2015年達到最大值，為 12 107.34 hm2，資源消費結(jié)構(gòu)不合理；之后生態(tài)足跡廣度持續(xù)下降，2019年為 8 841.67 hm2，說明在2016年后資源消耗不合理局面得到緩和。

(4)2009—2019年生態(tài)足跡深度大致呈現(xiàn)先增后降再增的趨勢，雖然生態(tài)足跡整體呈上升趨勢，但自然資源供給波動明顯，表明生態(tài)環(huán)境壓力緩解趨勢不明顯。

3.2 建議

本研究將生產(chǎn)賬戶和消費賬戶相結(jié)合，從縣域角度對如何實現(xiàn)渭河干流甘肅段資源合理利用和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展進行了研究。在綜合前人的研究成果基礎(chǔ)上，將研究區(qū)域縮小至縣域尺度，用省公頃為計量單位，選取的數(shù)據(jù)均來源于統(tǒng)計年鑒，使測算結(jié)果能夠更加客觀地反映當(dāng)前區(qū)域資源合理利用程度及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展狀況。但在指標選取中，由于統(tǒng)計口徑的不同而有一定偏差，考慮到數(shù)據(jù)的完整性及真實性，剔除了難以獲取數(shù)據(jù)的指標，使指標選取在全面性上有一定的欠缺。因此，評價體系還需進一步完善。

為了促進渭河干流甘肅段形成生態(tài)可持續(xù)發(fā)展和資源合理消費的局面，應(yīng)尋求生態(tài)發(fā)展和經(jīng)濟發(fā)展之間的平衡點，優(yōu)化土地利用及資源消耗結(jié)構(gòu)，提升生態(tài)承載力容量，積極促進循環(huán)工業(yè)健康綠色發(fā)展，開發(fā)利用清潔能源，促使能源消費結(jié)構(gòu)向多元化發(fā)展。在生態(tài)發(fā)展方面，始終貫徹退耕還林還草政策，適當(dāng)增加人工造林和人工種草的土地面積，增加生態(tài)用地面積；在經(jīng)濟發(fā)展方面，實現(xiàn)經(jīng)濟目標的多元化，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，形成生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟之間的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展；同時，有序推進城鎮(zhèn)化健康發(fā)展，提高人口素質(zhì)并通過積極宣傳改變居民的消費模式及消費觀念，提高居民的生活質(zhì)量。