基于生态足迹改进模型的云南省生态安全研究
时间：2023-02-10 09:20:08 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李志英，裴玉力，陈涛，李媛媛，郑文皓
（云南大学 建筑与规划学院，云南 昆明 650091）
生态安全反映区域生态环境的健康程度，衡量生态环境状况能否维系社会可持续发展[1-2]。云南省是西南生态安全屏障，山地、高原占94%，坝区仅占6%[3]，水资源时空分布不均（昆明滇池流域人均水资源量不足300 m3，而人口最少的迪庆却达到24 000 m3）[4]；
土地资源紧缺，坡耕地面积达69.79%[5]，喀斯特山区占西南喀斯特集中连片区的37.54%[6]，地质环境多样、生态敏感度高[7]，对高原山地进行生态安全评价对于精准实施底线管控政策，寻求可持续发展意义重大。生态安全研究主要集中于生态安全内涵特点[8]、生态安全评价[9]、生态安全格局构建优化[10]、生态安全预警[11]等方面，研究区包括旅游型[9]、山水资源型[10]、河网型城市[12]，干旱风沙区[11]、生态屏障区[13]、绿洲[14]、喀斯特地区[15]、岩溶地区[16]、黄土高原[17]或河道断流区[18]，研究角度多为生态足迹[2]、生态风险[10]、生态系统服务价值[14]、景观格局[16]等。生态足迹模型运用普遍，该方法基于供需视角衡量资源供给与利用两者失衡引发的生态安全问题。传统生态足迹模型局限较大，多基于全球[19]、国家公顷[20]、省公顷[2]、净初级生产力[21]、能值[22]等去优化生态足迹参数，存在生物性生产产品统计不足的问题，未考虑生态系统的自净能力等服务功能，如闵庆文等[23]通过阐述污染足迹理论提出基于生态系统服务的生态足迹概念；
焦雯珺等[24]以单一生态系统服务为突破点构建基于生态系统服务分类的拓展模型，将生态系统服务引入生态足迹模型成为研究热点[25-26]。
云南省作为西南生物多样性宝库和生态安全屏障，生态建设具备重要地位，受高原山地生态环境敏感性和资源利用不当造成的生态脆弱的影响，云南省关于生态足迹已有了诸多研究成果，包括水资源足迹、耕地可持续性、资源与环境压力等的研究[27-29]，但未思考不同土地使用类型的多种生态系统服务功能。本文基于生态系统服务价值本地化修正均衡、产量因子，借助生态压力指数等比较生态供需关系，分析区域内生态安全的时空演变特征，为维系高原山地区域生态安全提供对策。
1.1 数据来源
本研究数据均来自《云南统计年鉴》《中国统计年鉴》、1990—2018年云南省16 个州市的统计公报、《农业技术经济手册（修订版）》等。土地利用数据来源于四期中国科学院的30 m 遥感影像数据，土地利用类型划分为六类。
1.2 研究方法
1.2.1 生态系统服务价值评估
本文以谢高地等提出的生态系统服务价值当量为基础，使用以农田为基准的地区修正方法对当量因子进行修正，如表1所示，进而计算出区域内生态系统服务价值。
表1 生态系统服务价值修正及计算方法
1.2.2 生态足迹模型修正
生态足迹模型修正方法如表2所示，根据表2可计算出研究区的产量因子和均衡因子。
表2 生态足迹模型修正方法
1.2.3 生态安全评价指标计算
依据表3可计算出研究区域的人均生态足迹、人均生态承载力、生态赤字、生态可持续及生态压力指数，以反映区域内生态安全情况。根据生态压力指数（ETI），可将生态安全等级划分为六个级别[2]：很安全（ETI＜1.00）、安全（1.00 ≤ETI＜1.50）、稍不安全（1.50 ≤ETI＜2.00）、不安全（2.00 ≤ETI＜2.50）、很不安全（2.50 ≤ETI＜3.00）、恶劣（ETI＞3.00）。
表3 生态安全计算方法
2.1 土地利用变化特征
1990年云南土地利用类型以林地为主（占57.21%），其次为草地（占22.97%）、耕地（占18.08%）。2018年云南土地利用类型仍以林地为主，比例略增（占57.35%），草地（占22.42%）、耕地（占17.66%）减少。因为昆明加大开发呈贡新区和空港经济区，建设用地急剧增加（占1.17%），增长率达151.97%。建设用地增加的主要来源为耕地、草地和林地（转入面积为2 952.14 km2）；
流失的耕地主要转化为林地、草地和建设用地（流出用地面积为9 445.59 km2）；
流失的草地主要转化为林地和耕地（流出面积为11 380.03 km2）。
2.2 生态系统服务价值变化特征
2.2.1 各土地利用类型生态系统服务价值变化总体特征
1990—2018 年云南省生态系统服务价值呈波动变化趋势，总体减少6.15 亿元，变化率为-0.06%，与生态系统服务价值的主要来源林地面积变化一致（表4）。1990—2018年云南省生态系统服务价值总体呈现西北低、东南高的空间分布，这与云南省生态系统服务价值的主要来源林草地面积分布一致。如图1所示，生态系统服务价值高值区主要集中在滇南的西双版纳、红河、普洱、文山及滇中的楚雄，这些区域的林草地约占云南省林草地面积的65.02%，滇西南森林覆盖率高，生态系统服务价值较高。低值区主要分布在滇西北的德宏、怒江、保山，滇东北的昭通及滇中的昆明，这些区域的林草地约占云南省林草地面积的34.98%，滇西北地势高差大，地表崎岖，植被覆盖较低；
怒江是泥石流灾害高发区，生态系统服务价值较低；
昆明因为经济高速发展和资源消耗巨大，大量人工设施取代生态系统自然组分，生态环境受人为破坏严重，对生态系统服务功能有较大的负面影响。
图1 1990—2018年云南省各州市生态系统服务价值（亿元）
表4 1990—2018年云南省生态系统服务价值变化
2.2.2 各项生态系统服务的价值变化总体特征
1990—2018 年，云南省各项生态服务功能价值变化幅度基本控制在1%以内。由于耕地被建设用地侵占，食物生产功能下降最多，下降2.49 亿元。由于水体面积的增加，废物处理和美学景观功能增幅较大，其中废物处理功能增长10.16 亿元，增加率为1.18%，其他价值变化较小。在生态系统服务构成方面，维持生物多样性（15.73%）、保持土壤（15.04%）、水文调节（14.25%）、气体调节（14.38%）、气候调节（14.06%）是最重要的生态系统服务功能，综合价值超过总功能的70%，食物生产的价值占比最低（仅占2.3%）。
2.3 生态安全评价
2.3.1 人均生态足迹
据云南省各土地利用类型的人均生态足迹占比（图2）可知，草地（38.91%）、林地（28.85%）、化石能源用地（24.71%）为生态足迹主要来源。因为城市化进程加快和经济增长促进资源消耗，1990—2018年建设用地及化石能源用地的比重持续上升，分别从0.69%、14.20%上升至3.90%、31.04%，增幅分别达466.23%、118.54%；
草地比重持续下降，降幅达52.92%。1990—2010年，全省人均生态足迹由1.32 hm2/人上升至2.21 hm2/人，增幅达67.43%，2010—2018年略微降低，降幅达4.56%。由图3可以看出，云南省各州市人均生态足迹呈现中西部高、东部低的空间格局，高值区由西北向中部蔓延，且中部增长较西部显著。人均生态足迹高值区主要分布在滇西北的迪庆、丽江、大理，滇中区域及滇南的普洱和西双版纳，人均生态足迹最高的是迪庆，1990—2018年由8.20 hm2/人下降至6.13 hm2/人，降幅达25.23%，由于迪庆为云南省唯一高原牧区，草地足迹占比最大，经过草地治理及生态畜牧业发展，其人均生态足迹下降。其次为丽江、大理，其文化旅游品牌效应吸引人流、拉动经济增长，2018年丽江和大理的旅游总收入为1 794.27 亿元，在全省排名第二、第三位，国内、海外旅游人数达到9 354.15 万人次，旅游业刺激消费支出致使生态足迹较大。滇中得益于其优越的坝区地理环境和倾斜的政策支持，是云南省经济发展中心，汇聚的人流加速能源的消耗，人均生态足迹上升显著。人均生态足迹低值区分布在滇西的德宏、临沧和保山及滇东的昭通、曲靖、红河、文山等地。滇西的保山、临沧及滇东的红河、文山处于喀斯特区，生产功能较差，滇东北地质灾害频发，脆弱的生态环境制约城市发展致使生态足迹较低。
图2 1990—2018年云南省各土地利用类型的人均生态足迹占比
图3 1990—2018年云南省人均生态足迹变化（单位：hm2/人）
2.3.2 人均生态承载力
1990—2018 年，云南省人均生态承载力从1.43 hm2/人下降至1.16 hm2/人，降幅达18.67%。由图4可以看出，云南省各州市人均生态承载力呈现西北、西南高，东中部低的空间格局，其中高值区主要分布在滇西北的迪庆、怒江、丽江及滇西南的普洱、西双版纳，滇西北位于三江并流地带及横断山区，人口密度最低且生物多样性丰富；
滇西南拥有大量热带雨林，森林覆盖率较高，人类活动对生态环境干扰较小。低值区主要分布在滇东的昭通、曲靖、红河、文山及滇中区域等地，滇东区域地质松散，石漠化严重，森林覆盖率相对较低，生态承载力低。滇中过快的资源消耗超过生态系统的调节能力，致使生态承载力较低。
图4 1990—2018年云南省人均生态承载力变化（单位：hm2/人）
2.3.3 生态安全状况
（1）时空分布特征。1990年云南省生态盈余达0.11 hm2/人，2000—2018年，生态盈余转变为生态赤字且程度加深，变成-0.95 hm2/人。这表明随着城市化的发展，研究区能源消耗速度较快，可利用资源减少，能源化石用地、建设用地比重不断上升，生物资源用地比重不断下降，生态恢复较慢，造成生态需求和供给不平衡。由图5可以看出，1990—2018年，云南省各州市生态赤字呈现由滇中向外的“核心—边缘”分布态势。边缘区如滇西北的怒江和迪庆，滇西的保山、德宏、临沧，滇西南的普洱、西双版纳，滇东南的红河、文山及滇东北的昭通等地在10年间呈现生态盈余。核心区滇中呈现较大的生态赤字并从昆明向外围逐渐扩散呈现连片分布态势，除怒江、西双版纳、迪庆外，均呈现程度不同的生态赤字。
图5 1990—2018年云南省生态赤字变化（单位：hm2/人）
如图6所示，1990—2018年，云南省生态压力分布不均，整体呈上升走向，生态压力从0.93 升至1.82，增幅达100.75%，生态安全等级仍为不安全。1990—2018年，云南省建设用地增加较多，增幅高达1.52 倍，远远高于全国平均增幅（1.48），建设用地生态足迹比重上涨了466.23%，能源化石用地比重上涨了118.54%，自然环境的承载能力难以荷载人类活动。生态安全空间分布呈现由滇中向外递增的“核心—边缘”分布态势。滇中的昆明、大理、曲靖和玉溪生态压力最高，位于云南省城镇空间核心区域，环昆明产业集群带动了经济发展和资源消耗，昆明、大理、曲靖和玉溪4 州市废水排放总量占云南省的62.82%，二氧化硫排放量占云南省的56.68%，区域内环境承载力与开发强度的矛盾非常突出。滇西北的怒江、迪庆及滇西南的西双版纳生态压力最低，在云南省生态安全战略中处于青藏高原东南缘生态屏障和南部边境生态屏障区域，属于生态保护与修复区域，物种丰富，森林覆盖率高，人口分布低，人类活动对生态环境干扰较小。
图6 1990—2018年云南省生态压力变化
（2）时空转移特征。利用安全重心对1990—2018年云南省生态变化轨迹进行空间分布制图（图7）。由此可知，安全重心在空间分布上较集中，总体呈现“西北—东南”走向的空间分布格局，安全重心在1990—2018年向东南转移20.32 km。1990—2010年，安全重心向东南移动26.10 km，由于昆明呈贡新区、长水国际机场和空港经济区的建设发展，建设用地急剧增加，增长率达75.55%，增加面积达134 445.78 km2，GDP 增长率达1 316.42%，人口增长率达23.35%，生态压力由0.93 增至1.86，增长率达100.75%，人类活动导致生态压力不断增高，从而致使生态安全等级降低。2010—2018年，安全重心向西南移动16.63 km，由于昆明滇中安宁新区的建设，建设用地增长率降低，达43.53%，生态压力由1.86降至1.82，云南省“三屏两带”生态规划及生态环境建设等政策的实施致使生态环境有所改善。
图7 1990—2018年云南省生态安全重心移动轨迹
3.1 生态可持续发展状态
本文对云南省生态可持续指数进行划分[2]以分析地区生态可持续利用情况，生态可持续性等级划分标准如表5所示。
表5 生态可持续性等级划分标准
1990—2010 年，云南省生态可持续指数逐渐降低，从0.519 降至0.350，由弱可持续变成弱不可持续；
2010—2018年，云南省生态可持续指数略微上升，变成0.355，仍为弱不可持续状态。由图8可以看出，1990—2018年，云南省生态可持续性较差区域主要分布在滇中的昆明、曲靖、玉溪及滇西北的丽江、大理、保山等地，生态可持续指数以滇中为核心向外围逐渐降低，可持续性较差的区域由滇中圈层式向外围蔓延。1990—2010年，云南省建设用地增长率分别为14.56%和53.23%，GDP 增长率分别为345.28%、260.58%，表明1990—2010年云南省城市扩张侵占生态空间，导致生态弱不可持续。2010—2018年，随着“坚持人与自然和谐共生”等理念的深入，城市扩张和经济增速减缓，生态可持续指数逐步提升，仍处于弱不可持续状态，生态安全状况不容忽视。
图8 1990—2018年云南省各州市生态可持续程度
3.2 改进模型的优越性和局限性
本研究基于生态系统服务价值修正生态足迹模型的优势如下：①考虑了不同土地利用类型的多种生态系统服务功能；
②生态承载力核算内容更加丰富准确，已核算的生物多样性保护功能无须扣除12%的生物多样性保护面积；
③基于全球或全国公顷的因子难以真实反映特定区域的生态状况，对模型参数进行本地化增强了普适性。局限性体现在：①由于云南省资料限制，未考虑生物资源进出口产量；
②生态足迹中建设用地仅用电力数据代表，建设用地部分数值可能偏小。未来研究可考虑气候变化、碳循环等对生态安全的影响。
本文通过改进生态足迹均衡、产量因子，计算1990—2018年云南省生态足迹和生态压力，利用重心模型对生态安全空间演变进行分析，研究结论如下：
（1）1990—2010年，全省人均生态足迹由1.32 hm2/人上升至2.21 hm2/人，2010—2018年稍微降低，为2.11 hm2/人，呈现中西部高、东部低的空间格局且中部地区上升较西部地区明显。1990—2018年，云南省人均生态承载力从1.43 hm2/人下降至1.16 hm2/人，呈现西北西南高、东中部低的空间格局。
（2）1990年云南省生态盈余达0.11 hm2/ 人，2000—2018年，生态盈余转变为生态赤字且程度加深，变成-0.95 hm2/人，空间上呈现由滇中向外的“核心—边缘”分布态势，核心区滇中呈现较大的生态赤字并从昆明向外围逐渐扩散呈现连片分布态势。
（3）1990—2018年，云南省生态压力分布不均整体呈上升走向，生态压力从0.93 升至1.82，增幅达100.75%，生态安全等级仍为不安全，生态安全空间分布呈现由滇中向外递增的“核心—边缘”分布态势。28年间生态安全重心也呈“西北—东南”分布，重心向东南方转移距离20.32 km。
根据以上研究结论，提出以下建议：
（1）科学开发国土空间，构筑生态安全屏障。强化“三线”的统筹管控，合理规划“三生”空间，对高原湖泊的保护和治理实施陆域水域协同共治策略，加强对环境监管及预警能力，构建合理的城镇化和生态安全格局，促进社会和生态协调发展。
（2）推动多中心城市结构发展，制定差异化发展战略。云南省生态安全空间分布呈现由滇中向外递增的“核心—边缘”分布态势，需要通过引导产业、人口集聚，分散核心城市昆明的资源配置，扩大经济辐射范围，推动多中心城市结构发展，以降低滇中区域的生态压力。
（3）坚持低碳化，坚持可持续发展消费理念。需要促进产业转型，提高生产效率。2018年云南省第三产业比重（47.12%）远低于全国平均水平（52.20%），化石能源足迹快速增长导致云南省生态赤字程度加深，通过建立低碳经济发展模式，推动文明旅游和绿色生态产业发展；
推广低碳消费方式，提高资源配置效率，实现“减污降碳”目标。
（4）加强生态保护与修复，提高生态系统承载能力。遵循“保护天然、修复受损、恢复破坏”的原则，对于滇中昆明等生态赤字程度加深的区域增加生态建设力度，借助天然林保护工程、水土流失综合治理工程等提升生态空间和生态容量；
实施草地封育、休牧轮牧等生态畜牧措施，减少草地足迹，提升云南省的环境承载力。
