柯志成, 連海峰, 陳 奕, 陳雙梅, 林夏瑩

(1.福建農(nóng)林大學(xué)計算機與信息學(xué)院，福建 福州 350002；2.生態(tài)與資源統(tǒng)計福建省高校重點實驗室，福建 福州 350002；3.福建省資源環(huán)境空間信息統(tǒng)計研究中心，福建 福州 350002)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人口、環(huán)境和資源等問題日益突出，基于不同需求和側(cè)重點的承載力[1]研究應(yīng)運而生，例如從畜牧、種群、人口、資源、植被承載等角度進行研究.當前，生態(tài)承載力已成為生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點，生態(tài)足跡法是常用的研究方法之一[2-3].生態(tài)足跡法是William[4]提出的，1999年被引入中國[5].近年來，我國眾多學(xué)者利用生態(tài)足跡法對生態(tài)承載力進行研究.陳曉杰等[6]、王業(yè)寧等[7]、劉家旗等[8]、張翠娟[9]、丁楓華等[10]對不同區(qū)域的生態(tài)承載力進行研究，發(fā)現(xiàn)這些研究區(qū)都呈現(xiàn)生態(tài)赤字狀態(tài)，即人均生態(tài)承載力低于人均生態(tài)足跡，生態(tài)環(huán)境超負荷.為了進一步分析研究區(qū)的可持續(xù)發(fā)展能力，許多學(xué)者還引入了生態(tài)壓力指數(shù)、生態(tài)效率測度、生態(tài)承載強度和生態(tài)協(xié)調(diào)系數(shù)等指標，通過這些指標從橫向和縱向兩個方面分析研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況[11-13].

當前，國內(nèi)外學(xué)者對生態(tài)承載力的研究主要體現(xiàn)在3個方面，即理論方法研究、不同對象和尺度的研究以及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的擴展研究[14].但從空間尺度與格局分異角度對研究區(qū)域進行研究的生態(tài)足跡文獻相對較少.鑒于此，本文以福建省為研究區(qū)域，利用生態(tài)足跡法核算2009—2018年福建省人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力，基于文獻[15-16]更新了生物資源賬戶系統(tǒng)指標，引入生態(tài)盈虧、生態(tài)壓力指數(shù)和生態(tài)協(xié)調(diào)系數(shù)等概念；并基于ArcGIS和Stata統(tǒng)計分析軟件，結(jié)合探索性空間數(shù)據(jù)分析方法(ESDA)分析福建省人均生態(tài)承載力的演化特征、時空格局特征以及空間關(guān)聯(lián)特征，進一步研究不同尺度下福建省人均生態(tài)承載力的時空變化特征及空間分異，旨在為福建省經(jīng)濟、社會和生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

福建省地處我國東南部，陸地位于東經(jīng)115°51′—120°52′，北緯23°32′—28°19′[16]，包括福州市、廈門市、莆田市、三明市、泉州市、漳州市、南平市、龍巖市和寧德市9個地級市85個縣(市、區(qū))(圖1).福建省地跨中亞熱帶和南亞熱帶兩個自然帶，屬亞熱帶季風(fēng)氣候.福建省地形主要以山地丘陵為主(占全省總面積的80%以上)，地勢總體上呈西北高、東南低的地貌特征，森林覆蓋率達65.95%.2018年，福建省常住人口為3 941萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值高達35 804.04億元.

圖1 福建省各地市位置分布Fig.1 Distribution of main cities in Fujian Province

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文數(shù)據(jù)主要來源于2009—2018年《福建省統(tǒng)計年鑒》、《福州市統(tǒng)計年鑒》、《廈門經(jīng)濟特區(qū)年鑒》、《莆田市統(tǒng)計年鑒》、《三明市統(tǒng)計年鑒》、《泉州市統(tǒng)計年鑒》、《漳州市統(tǒng)計年鑒》、《南平市統(tǒng)計年鑒》、《龍巖市統(tǒng)計年鑒》、《寧德市統(tǒng)計年鑒》[17-26].福建省及其九大地市生態(tài)足跡的計算總體上分為生物資源賬戶和能源資源賬戶，生物資源賬戶由農(nóng)產(chǎn)品、林產(chǎn)品、水產(chǎn)品、畜產(chǎn)品等13項組成，世界平均產(chǎn)量來源于聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)[27].福建省能源資源系統(tǒng)由煤炭、焦炭、原油、燃煉油、汽油、柴油、液化石油氣、天然氣、電力、煤油組成，能值換算根據(jù)文獻[28].福建各地市缺乏能源消費結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，因此消費量數(shù)據(jù)根據(jù)其單位GDP能耗數(shù)據(jù)與地區(qū)生產(chǎn)總值的乘積計算獲取，采用福建省各地市的作物產(chǎn)量替代農(nóng)產(chǎn)品消費量[29].福建省各地市的耕地、林地、草地和建設(shè)用地的面積數(shù)據(jù)主要來源于文獻[30-31].內(nèi)陸水域面積主要來源于文獻[32-33].其中，部分缺失值數(shù)據(jù)采用移動平均法和年均增長量替代的方法進行插補.

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的核算 生態(tài)足跡的核算是通過將各種資源和能源消費折算為土地面積來判斷生態(tài)系統(tǒng)是否處于可載狀態(tài)，其本質(zhì)是對研究區(qū)土地資源生產(chǎn)能力的估測，即用于生態(tài)區(qū)域人口消費的所有資源和吸納區(qū)域產(chǎn)生的所有廢棄物所需要的生物生產(chǎn)性土地總面積[34]，表示如下：

(1)

式中，ef表示人均生態(tài)足跡；EF表示總生態(tài)足跡；N表示總?cè)丝跀?shù)量；Ci表示第i種物品的人均消費量；Pi表示第i種物品的世界平均產(chǎn)量；ri表示第i中物品對應(yīng)土地類型的均衡因子.

生態(tài)承載力是指區(qū)域?qū)嶋H提供給人類的所有生物生產(chǎn)性土地面積的總和，即現(xiàn)有的耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、化石能源等物理空間的面積乘以相應(yīng)的均衡因子和當?shù)氐漠a(chǎn)量因子,得到世界平均生態(tài)空間面積[35-36]，表示如下：

(2)

式中，ec表示人均生態(tài)承載力；EC表示總生態(tài)承載力；N表示總?cè)丝跀?shù)量；ai表示人均生物生產(chǎn)面積；ri表示均衡因子；fi表示產(chǎn)量因子.其中，均衡因子是六類生物生產(chǎn)性土地的單位面積生物生產(chǎn)量與具有世界平均生產(chǎn)力的生物生產(chǎn)性土地單位面積生物產(chǎn)量的比值[37].產(chǎn)量因子是福建省六類生產(chǎn)性土地的平均生產(chǎn)力與世界同類平均生產(chǎn)力的比值[38].在國際通用均衡因子的基礎(chǔ)上結(jié)合田玲玲等[14]、楊屹等[34]學(xué)者的研究成果，將福建省耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、化石燃料的均衡因子分別定為2.57、1.37、0.49、0.26、2.57、1.37，耕地、林地、草地、水域、建筑用地的產(chǎn)量因子分別為1.66、0.91、0.19、1.00、1.66(表1).

表1 各土地類型消費項目及其均衡因子、產(chǎn)量因子Table 1 Main consumption item, equilibrium factor and yield factor of each land type

1.3.2 生態(tài)盈虧、生態(tài)協(xié)調(diào)系數(shù)和壓力指數(shù)的核算 生態(tài)盈虧(ed)是指生態(tài)足跡與生態(tài)承載力之間的差值.當ed<0時表現(xiàn)為生態(tài)赤字，說明生態(tài)環(huán)境超負荷，反之則為生態(tài)盈余[39].

ed=ec-ef

(3)

生態(tài)壓力指數(shù)(Epi)反映人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的干擾強度.當Epi<1時表明生態(tài)安全仍然有保障，反之則影響生態(tài)系統(tǒng)平衡.生態(tài)壓力指數(shù)越大，干擾生態(tài)平衡的強度越大，對生態(tài)的威脅也越大[40].

Epi=ef/ec

(4)

生態(tài)協(xié)調(diào)系數(shù)(Ds)反映人均生態(tài)足跡與地區(qū)資源之間的關(guān)系.1≤Ds≤1.414，Ds越接近于1，其協(xié)調(diào)性越差；越接近于1.414，生態(tài)需求和供給越趨于平衡[41].

(5)

1.3.3 空間關(guān)聯(lián)分析 空間自相關(guān)[42-44]是指同一個變量在不同位置上的相關(guān)性，是檢驗?zāi)骋灰氐膶傩灾凳欠耧@著地與其相鄰空間點上的屬性值相關(guān)的重要指標.本文選取常用的全局Moran′sⅠ指數(shù)對福建省人均生態(tài)承載力的空間關(guān)聯(lián)性進行全局空間自相關(guān)分析，表示如下：

(6)

(7)

式中，Wij為空間權(quán)重矩陣，表示福建省各地市之間的空間關(guān)系；xi和xj表示各地市的屬性值.全局Moran′sⅠ指數(shù)介于[-1,1]，在給定的顯著性水平下若為正值，那么說明區(qū)域之間的空間呈正相關(guān)；如果是負值則說明其空間呈負相關(guān)；接近于零則表示區(qū)域空間隨機分布.

1.3.4 空間變異系數(shù) 借助變異系數(shù)對福建省人均生態(tài)承載力的空間差異演變過程進行測度.變異系數(shù)表示地理數(shù)據(jù)在空間上的相對差異和變化程度[43]，表示如下：

(8)

2 結(jié)果與分析

2.1 時序動態(tài)

2.1.1 人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力的時序分析 從表2和圖2可以看出，2009—2018年福建省總?cè)司鷳B(tài)足跡總體上呈現(xiàn)上升趨勢，從2009年的2.630 hm2·人-1增長至2018年的3.336 hm2·人-1，年均增長量為0.071 hm2·人-1.在六類生產(chǎn)性土地中，水域和化石能源用地的人均生態(tài)足跡占比較高，年平均人均生態(tài)足跡分別為1.246和1.263 hm2·人-1，占年均總?cè)司鷳B(tài)承載力的82%；水域類人均生態(tài)足跡呈現(xiàn)“增—減—增”的變化趨勢，由2009年的1.051 hm2·人-1增加至2015年的1.389 hm2·人-1，2015—2017年下降至1.331 hm2·人-1，2018年又上升至1.387 hm2·人-1；化石能源類消耗量從2009年的1.061 hm2·人-1波動上升到2018年的1.398 hm2·人-1，增長量為0.337 hm2·人-1，是六類中增長最多的；建設(shè)用地類的人均生態(tài)足跡對福建總?cè)司鷳B(tài)足跡的影響最小，但其增長趨勢較為明顯，從2009年的0.011 hm2·人-1增長到2018年的0.210 hm2·人-1，增長率高達91%，在六類生產(chǎn)性土地中位居第一.草地類人均生態(tài)足跡變化不大，基本在0.030 hm2·人-1上下波動；而林地類人均生態(tài)足跡總體上表現(xiàn)為波動上升的走勢，由2009年的0.234 hm2·人-1增長至2010年的0.297 hm2·人-1，2011年降至0.267 hm2·人-1，隨后一直上升到2014年的0.311 hm2·人-1，之后呈現(xiàn)波動下降趨勢，2018年為0.279 hm2·人-1；耕地類人均生態(tài)足跡總體上呈現(xiàn)下降的趨勢，由2009年的0.188 hm2·人-1降至2018年的0.152 hm2·人-1.

從表3可以看出，福建省的人均生態(tài)承載力基本維持在0.625 hm2·人-1左右，扣除掉12%的生物多樣性用地后，人均生態(tài)承載力僅為0.550 hm2·人-1，總體上呈現(xiàn)遞減的趨勢.其中，草地類、水域類和建設(shè)用地類2009—2018年的人均生態(tài)承載力變化較??；耕地類和林地類的人均生態(tài)承載力占福建省總?cè)司鷳B(tài)承載力比重為72.5%，二者的人均生態(tài)承載力呈現(xiàn)微弱的下降趨勢.各類型的土地面積雖沒有發(fā)生較大的波動，但總體的人均生態(tài)承載力遠小于人均生態(tài)足跡.

表2 2009—2018年福建省人均生態(tài)足跡Table 2 Ecological footprint per capita in Fujian from 2009 to 2018 hm2·人-1

2.1.2 生態(tài)赤字、生態(tài)協(xié)調(diào)系數(shù)與生態(tài)壓力指數(shù) 從表4可看出，生態(tài)赤字情況和生態(tài)壓力指數(shù)都呈現(xiàn)“增—減—增”的變化態(tài)勢，總體上保持上升的趨勢.福建省生態(tài)赤字情況從2009年的2.064 hm2·人-1增加至2018年的2.802 hm2·人-1，提高了35.8%；2015—2017年總體上生態(tài)赤字稍有緩解.而生態(tài)壓力指數(shù)從2009年的4.648增長到2018年6.243，提高了34.3%，大大超出生態(tài)承載力，生態(tài)壓力顯著增大.在六類生產(chǎn)性土地中，生態(tài)虧損最為嚴重的是草地類和水域類.其主要原因是隨著科技的進步，人民生活水平提高，消費結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，逐漸從糧食轉(zhuǎn)向肉類、奶類和禽蛋類，從而導(dǎo)致草地類的人均生態(tài)足跡增加，造成生態(tài)虧損；不合理的圍墾、城市擴張、生物資源過度利用等因素對水域類生態(tài)壓力造成一定的影響.總的生態(tài)協(xié)調(diào)系數(shù)整體上呈現(xiàn)下降的趨勢，其中生態(tài)協(xié)調(diào)最差的是草地類和化石能源類，最好的是林地類和耕地類，表明福建省在林地和耕地的保護上有明顯的成效，但在草地保護和新能源開發(fā)使用上還需要加強.

圖2 2009—2018年福建省各土地類別人均生態(tài)足跡Fig.2 Ecological footprint per capita of various land types in Fujian from 2009 to 2018

表3 2009—2018年福建省人均生態(tài)承載力Table 3 Ecological carrying capacity per capita in Fujian from 2009 to 2018 hm2·人-1

2.2 空間動態(tài)

2.2.1 人均生態(tài)足跡與人均生態(tài)承載力 取2010年、2015年和2018年3個時間節(jié)點，對福建省各地市的人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力進行空間動態(tài)分析，利用ArcGIS將數(shù)值自然劃分為低、較低、中等、較高、高5個等級.從圖3、4可看出人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載在空間上呈現(xiàn)一定的特征，分布不均衡，并且在這3個時間點上的空間變化也較為突出.

圖3 福建省各地市人均生態(tài)足跡空間分布Fig.3 Spatial distribution of ecological footprint per capita in various cities in Fujian

表4 福建省各生產(chǎn)性土地生態(tài)赤字、生態(tài)協(xié)調(diào)系數(shù)和生態(tài)壓力指數(shù)Table 4 Ecological deficit, ecological coordination coefficient and ecological pressure index of each productive land in Fujian hm2·人-1

2009—2018年人均生態(tài)足跡的空間格局有較明顯的變化，總體上來看，各地市的人均生態(tài)足跡都呈現(xiàn)上升的趨勢.三明市人均生態(tài)足跡一直維持在高水平等級，近10年平均值為6.346 hm2·人-1；2010—2015年，除廈門市外，其余地市的等級均有所上升，其中最為明顯的是寧德市，由較低水平變成較高水平，上升2個等級；2018年部分地市在等級上發(fā)生了變化，福州市和漳州市由中等水平升至較高水平.

圖4 福建省各地市人均生態(tài)承載力空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of ecological carrying capacity per capita in various cities in Fujian

2009—2018年人均生態(tài)承載力在空間上均呈現(xiàn)西北部高、東南部低的格局.從縱向上看，福建省各地市人均生態(tài)承載力的空間等級幾乎沒有發(fā)生變化，僅莆田市下降了一個等級水平；總體上福建省各地市的人均生態(tài)承載力還是呈現(xiàn)下降的趨勢，但南平市和三明市較高；從橫向上看，福建省各地市人均生態(tài)承載力有較明顯的空間分布，沿海地市的人均生態(tài)承載能力比內(nèi)陸地市低，呈現(xiàn)出內(nèi)陸高于沿海的分布情況.對2009—2018年各地市的人均生態(tài)足跡指數(shù)和人均生態(tài)承載力指數(shù)做雙因素方差分析，分析年份和地市對二者的影響情況，結(jié)果見表5、6.從表5、6可以看出，在給定顯著性水平為α=0.05的前提下，方差齊性檢驗的P值均小于0.05，年份的F值均小于Fα(9,72)=2.013，地區(qū)的F值也小于Fα(8,72)=2.070.由此可知，年份和地市對人均生態(tài)足跡指數(shù)和人均生態(tài)承載力指數(shù)均有顯著影響.

表5 人均生態(tài)足跡雙因素方差分析Table 5 Two-factor analysis of variance of ecological footprint per capita

表6 人均生態(tài)承載力雙因素方差分析Table 6 Two-factor analysis of variance of ecological carrying capacity per capita

2.2.2 生態(tài)盈虧 如圖5所示，從橫向上看，2009—2018年福建省生態(tài)虧損主要集中在三明、漳州、福州和莆田這4個城市，其中，三明市的生態(tài)赤字最為嚴重，廈門市保持最低的生態(tài)赤字；從縱向上看，除廈門市外，各地市的水平等級均有所上升.

2.2.3 人均生態(tài)承載力的空間關(guān)聯(lián)特征 從表7可以看出，2009—2018年全局Moran′sⅠ指數(shù)均為正值，且P值均小于0.05，都通過了顯著性檢驗，表明福建省人均生態(tài)承載力存在顯著的空間正相關(guān).地市人均生態(tài)足跡的空間分布并非表現(xiàn)出完全隨機性，該人均生態(tài)承載力在空間上呈現(xiàn)出空間聚集(高高集聚或低低集聚)的現(xiàn)象，即人均生態(tài)承載力指數(shù)較高水平的地市相鄰，較低水平的地市也相鄰.從整體上看，各年份的這種空間集聚程度是比較穩(wěn)定的.sd值的變化幅度不大，表明近10年福建省人均生態(tài)承載力的空間總體格局沒有發(fā)生較大變動，只是在原有格局上略有調(diào)整和集聚.全局Moran′sⅠ指數(shù)極差僅為0.012，基本圍繞某一偏低聚集度出現(xiàn)小范圍波動，但全局Moran′sⅠ指數(shù)存在下降趨勢.由此可見福建省各地市人均生態(tài)承載力趨于集聚的趨勢在略微減弱，各地市間的空間差異有擴大的趨勢，需加強各地市之間的聯(lián)系與合作，在多方面提升人均生態(tài)承載力指數(shù).

圖5 福建省各地市生態(tài)赤字空間分布Fig.5 Spatial distribution of ecological deficits in various cities in Fujian

表7 人均生態(tài)承載力全局Moran′sⅠ指數(shù)Table 7 Global Moran’s I index of ecological carrying capacity per capita

圖6 福建省人均生態(tài)承載力的變異系數(shù)Fig.6 Coefficient of variation of ecological carrying capacity per capita in Fujian

2.2.4 人均生態(tài)承載力空間差異的演變特征 空間差異演變在一定程度上反映出地理事物與現(xiàn)象的相對差異及其變化趨勢.從圖6可以看出，福建省人均生態(tài)承載力的變異系數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢，2009—2010年上升趨勢較為明顯，2010—2018年保持著較平穩(wěn)的上升趨勢，浮動不是很大.這說明2010年前福建省人均生態(tài)承載力的空間差異較大，而2010后福建省人均生態(tài)承載力空間差異呈現(xiàn)小幅度波動上升，空間差異隨時間的變化逐漸增大.

3 小結(jié)

通過對福建省2009—2018年的人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力進行研究，得出以下結(jié)論：(1)福建省處于生態(tài)赤字狀態(tài)，赤字指數(shù)持續(xù)升高，人均生態(tài)足跡呈上升趨勢，人均生態(tài)承載力呈下降的趨勢，生態(tài)協(xié)調(diào)系數(shù)呈下降趨勢.各地市人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力有明顯差異，且不同年份和地市的人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力均有差異.(2)福建省人均生態(tài)承載力存在顯著的全局空間正相關(guān)，各地市呈現(xiàn)出高—高集聚或低—低集聚的特征，在空間上呈現(xiàn)西北高—東南低的格局，空間相對差異呈擴大趨勢.(3)耕地和林地的生態(tài)赤字、生態(tài)協(xié)調(diào)系數(shù)、生態(tài)壓力指數(shù)均維持在一個較穩(wěn)定的水平，總體上兩個領(lǐng)域的生態(tài)環(huán)境較好，而草地、水域和化石能源用地所能提供的生產(chǎn)性土地面積已經(jīng)承載不了人類能源的消耗量.政府在保護耕地和林地的基礎(chǔ)上，需要注重草地的保護與規(guī)劃，還需增加水域的利用效益, 將旅游業(yè)和魚類養(yǎng)殖相結(jié)合發(fā)展，推進清潔能源的開發(fā)利用，從而有效控制化石能源的消耗，從多方面抑制生態(tài)環(huán)境的惡化.