疏勒河流域生態承載力時空演變特征及驅動力研究

辛永君，周冬梅，金銀麗，馬靜，張軍，3

(1.甘肅農業大學 管理學院，蘭州 730070；2.甘肅農業大學 資源與環境學院，蘭州 730070；3.甘肅省節水農業工程技術研究中心，蘭州 730070)

0 引言

生態環境是人類生存和社會發展的基礎。隨著工業化和城市化進程加快，人類對自然資源的消耗和對生態環境的威脅也進一步加大。目前，可持續發展作為一種理想的發展模式，已經成為世界各國普遍認同的一項政策目標[1]。2015年9月25日，聯合國可持續發展峰會通過的可持續發展目標包括保護、恢復和促進可持續利用陸地生態系統、可持續森林管理、防治荒漠化、制止和扭轉土地退化現象、遏制生物多樣性喪失在內的17個目標[2]。生態承載力研究成為當前生態學、地學等領域的熱點和前沿之一[3-6]。關于生態承載力研究，生態足跡法已廣泛應用于其中[7-9]。該方法以土地生產能力作為區域生態承載力，而土地生產能力跟經濟社會發展和技術進步有密切聯系，所以該方法在一定程度上反映了自然和經濟社會系統兩方面對生態承載力的影響。目前國內以生態承載力模型改進[10-14]、時空變化[15-17]及其驅動力分析[18-21]研究為主。此外，生態承載力的研究領域也從生態方面向其他領域進行拓展[22-25]。大多數生態承載力研究往往忽略了人類社會投入對生態承載力的影響[26-28]，區域生態承載力的變化規律也不能夠被精確反映。由于不同區域之間的氣候、土地生產能力都存在有較大的差異，如果直接引用其他區域的均衡因子與產量因子，并不能實際反映當地生態承載力變化規律。因此只有結合當地的實際情況進行生態承載力關鍵參數(均衡因子與產量因子)的核算，才能夠準確反映區域生態承載力[29-30]。干旱內陸河流域生態環境本身較為脆弱，人類活動相對集中于中下游的綠洲區，而整體流域尺度上的生態承載力研究相對較少[31]。從系統論角度上來說，以相對獨立的流域尺度作為研究對象，既考慮了流域的完整性又考慮了系統內的相對開放性[32]，因此本文以典型干旱內陸河流域疏勒河流域為研究對象，基于生態足跡法、遙感數據和GIS技術，研究流域生態承載力時空演變特征及其驅動因素，可以較為準確地了解該流域的生態承載力狀況，研究流域生態承載力的時空演變特征以及分析其驅動因素，以期為該區域可持續發展提供決策依據。

1 研究區概況

疏勒河流域(38°00′N～42°48′N，92°11′E～98°30′E)地處于河西走廊西端，是我國河西地區三大內陸河流域之一。流域內包括玉門市、敦煌市、瓜州縣以及肅北蒙古族自治縣四個行政區；東部與內蒙古接壤，西部與新疆毗鄰，南部緊鄰青海省，北部則與蒙古國接壤[33]。地勢總體呈南北高、中間低，南部為阿爾金山及祁連山脈，北部為馬鬃山，中部地勢相對平緩，海拔介于798～5 569 m。流域北部為阿拉善高原半荒漠生態區，中部為河西走廊綠洲農業生態區，西南和南部為柴達木盆地荒漠-鹽殼生態區，東南部為祁連山針葉林-高寒草甸生態區[34]。疏勒河流域內有世界著名的莫高窟、月牙泉、陽關和玉門關遺址等世界文化遺產，維持其生態環境和經濟社會的可持續發展，對國家中長期發展規劃具有極其重要的戰略意義。

圖1 研究區位置

2 研究數據來源

2.1 土地利用數據

土地利用數據通過解譯1990、1995、2000、2005、2010、2015、2018年7—9月的Landsat TM+OLI遙感影像獲得，遙感影像來源于地理空間數據云(www.gscloud.cn)，分辨率為30 m。利用ENVI 5.3軟件對影像進行輻射定標、大氣校正、圖像融合、鑲嵌、裁剪等預處理，通過人機交互解譯獲得疏勒河流域土地利用變化數據。參照《土地利用現狀分類》標準，根據研究區土地利用結構特征和生態足跡模型特點，將流域土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地六類，通過實地驗證以及借助高分辨率影像等輔助資料來選取樣本進行精度驗證，七期分類結果總體精度達到90%以上，Kappa系數超過0.85。

利用遙感影像解譯結果作為基礎數據計算流域生態承載力。生態足跡的核算內容及社會統計基礎數據來源見表1。

表1 疏勒河流域生態足跡賬戶類型及數據來源

2.2 其他數據

行政邊界數據來源于中國科學院資源與環境數據中心(http：//www.resdc.cn/data)，經過提取得到疏勒河流域矢量數據。

氣溫、降水以及植被指數(NDVI)數據(2000、2005、2010、2015年)也來源于中國科學院資源與環境數據中心(http：//www.resdc.cn/data)，分辨率為1 km。

人口密度數據(2000、2005、2010、2015年)來源于全球高分辨率人口計劃項目(https：//www.worldpop.org/)，分辨率為300 m。

建成區面積數據(2000、2005、2010、2015年)使用 Google 地球引擎平臺的多源和多時態遙感數據集開發全球 30 m不透水層表面地圖(https：//doi.org/10.5281/zenodo.3505079)得到，分辨率為30 m。

城鎮化率源于《甘肅發展年鑒》(2001、2006、2011、2016年)數據計算得到。

3 研究方法

3.1 生態承載力

通過生態足跡評判區域可持續發展狀況，主要是從生態供給和生態需求兩個方面進行。按照世界環境與發展委員會的建議[35]，在生態承載力計算過程當中，為了保證地球生物的公平發展，需扣除12%的生物多樣性保護面積。其計算模型如式(1)所示。

(1)

式中：EC表示生態承載力；N為人口數量；ai為實際人均占有的第i類生物生產土地面積；efi為第i種土地類型的均衡因子，即將全球某類生物生產性土地的平均生態生產力除以全球各類生物生產性土地的平均生態生產力；yfi為第i種土地類型的產量因子，某個國家或地區的某種生物生產性土地的平均生產力與全球同類土地的平均生產力之間的比率。

3.2 模型參數

本文借鑒何愛紅等的研究方法[36]，將所有生物產品通過熱值的形式進行換算，均衡因子的計算方法如式(2)所示。

(2)

通過“熱值法”計算產量因子，即采用熱量單位來衡量各項土地的生產力，如式(3)所示。

(3)

計算得出流域各類生物生產性土地的產量因子與均衡因子，其中，建設用地的均衡因子與產量因子與耕地的相同。最終計算出疏勒河流域生態足跡模型中的均衡因子(表2)和產量因子(表3)。

表2 疏勒河流域1990—2018年生態承載力賬戶均衡因子

表3 疏勒河流域1990—2018年生態承載力賬戶產量因子

3.3 主成分分析法

主成分分析法通過降維思想，利用統計學原理處理復雜、多維的數據，去除數據相互重疊部分，得到少數幾個綜合指標[37]。通過主成分分析選取的因子可以包含所有因子的大部分信息，而且包含的信息不會互相重復。

4 結果與分析

4.1 疏勒河流域生態足跡與生態承載力動態特征

利用式(1)生態承載力模型計算近30年疏勒河流域生態承載力。由表4可知，疏勒河流域生態足跡呈現不斷上升的趨勢，流域生態足跡由1990年的819.76×103hm2增加到2018年的1 889.89×103hm2。就生態足跡成分而言，草地(79%)、耕地(14%)的比重較大，建設用地(4%)、林地(2.1%)和水域(0.9%)相對較小。

疏勒河流域近30年的生態承載力整體呈上升趨勢，1990—2000年相對穩定，2000—2010年穩步上升，在2010—2018年，輕微下降之后快速上升；流域的生態承載力從1990年的525.28×103hm2增加到2018年的1 899.03×103hm2。整個流域不同土地利用類型的生態承載力差異較為明顯。林地和耕地生態承載力變化趨勢小，較為平穩；建設用地、草地和水域的生態承載力與流域整體生態承載力變化趨于一致，變化較為強烈；這與文獻[33]和文獻[38]的研究成果一致。就生態承載力成分而言，草地(66.03%)和耕地(23.1%)比重較大，林地(7.03%)、建設用地(3.46%)和水域(0.36%)比重相對較小。

雖然疏勒河流域的生態足跡和生態承載力都呈上升趨勢，但生態承載力的增加不及生態足跡，生態赤字現象相對嚴重，但各時間階段生態赤字變化也不相同，在1990—2000年之間，流域的生態赤字呈減小趨勢；在2000—2005年，流域的生態赤字不斷擴大；在2005—2018年，流域的生態赤字不斷減少，且在2018年流域的生態承載力高于生態足跡，出現生態盈余，說明在2018后，流域的生態壓力呈現減小趨勢。

表4 疏勒河流域1990—2018年生態承載力 hm2

表5 疏勒河流域1990—2018年生態足跡 hm2

4.2 疏勒河流域生態承載力空間分布特征

利用ArcGIS 10.6軟件，將七期流域各類土地利用數據屬性表與各土地類型的均衡因子和產量因子相關聯，產生新的土地利用屬性表，該表的每條記錄對應于土地利用圖的每個圖斑。將此屬性表按因子數據項制圖，由于每個圖斑包含土地類型及其對應的均衡因子和產量因子屬性，再利用SPSS 25.0軟件中的K均值聚類分析，將疏勒河流域的生態承載力劃分為高承載力、中承載力和低承載力三類(圖2)。如圖2所示，近30年來疏勒河流域生態承載力呈現出極不均勻的分布狀態，整體呈南北高中間低，由上游向下游遞增的空間分布格局。

圖2 1990—2018年疏勒河流域生態承載力空間分布圖

表6 疏勒河流域1990—2018年生態承載力變化 %

1990—2000年，流域南部和北部區域生態承載力相對穩定，在南部的河流上游地區，由于地處于祁連山脈北麓，冰雪融水補給充足，同時由于人類活動在此區域較弱，所以生態承載力比較高，連片分布，而且降低幅度較小，空間格局變化不大；在流域的北部地區，由于人類活動的影響較少，生態承載力的變化幅度也比較小。但是在流域中部區域生態承載力降低的范圍開始擴大，高承載力區域下降，由20.2%下降到18.6%；中承載力區域增加，由0.7%上升到2.2%，主要是建設用地和部分草地的生態承載力從高級轉為了中級。

2005年整個流域的生態承載力發生了劇烈的變化，流域大部分高級承載力區域由18.6%下降到1.8%，發生變化的土地類型以草地為主。

2005—2018年，整個流域的生態承載力空間分布狀況已經恢復到了2005年之前的狀態。主要原因有兩個方面：第一，隨著退耕還林還草政策的推進[39-41]，林地、草地面積開始恢復，生態承載力也隨之上升；第二，隨著經濟社會發展，科技進步、人口素質提高、人口結構轉變、農村人口減少以及土地集約利用度提高都會對區域生態承載力起到積極的促進作用，流域的生態承載力開始上升，流域的南部和北部區域生態承載力已經恢復到了高級狀態。

4.3 驅動力分析

自20世紀90年代起，疏勒河流域陸續接收“兩西建設移民”“疏勒河農業開發暨移民安置工程移民”“引洮工程九甸峽庫區移民”以及自發性移民10多萬人[42]，人口規模快速增加、城市化進程加快，以及全球氣候變化等因素對生態承載力產生影響。根據研究區域實際情況，選取溫度、降水、植被指數、人口密度、城鎮化率、建成區面積六項指標，利用主成分分析法評價驅動因子與生態承載力之間的定量關系(表7)。

表7 疏勒河流域生態承載力評價指標體系

借助SPSS 25.0軟件對生態承載力與驅動因子做主成分分析。首先，將不同單位的數據進行標準化處理；然后，通過軟件計算選取指標的特征值、貢獻率及累積貢獻率，并以特征值>1為標準得到兩個主成分。由表8可以看出：主成分1的特征值為3.845，包含的信息為64.091%；主成分2的特征值為1.609，包含的信息為26.811%；得到的兩個主成分可以反映原數據90.902%的信息，超過80%，原始數據大部分信息都被包含在內，符合要求。綜合上述，確定主成分的個數為兩個。由表9可知：主成分1與人口密度、建成區面積、城鎮化率呈顯著正相關關系，相關系數均高于0.8，與溫度呈負相關；而主成分2與降水和植被指數呈正相關，與其他的指標關系不顯著。

表8 特征值及貢獻率和累計貢獻率

表9 主成分荷載矩陣

為進一步分析各驅動因素與疏勒河流域生態承載力之間的定量關系，本文以疏勒河流域生態承載力時間序列作為因變量，以各項指標作為自變量，擬合它們之間的定量關系(圖3)。由圖3可知，人口密度和建成區面積與疏勒河流域生態承載力具有高的相關性，具有明顯的正相關，隨著人口密度和建成區面積的增加，疏勒河流域的生態承載力也隨之上升。

圖3 疏勒河流域生態承載力與驅動因素之間的關系

5 討論

本研究結果表明，疏勒河流域1990—2018年生態足跡和生態承載力整體呈上升趨勢，與前人研究中疏勒河流域生態足跡和生態承載力呈現增長的趨勢一致，也與干旱區其他內流河流域的生態足跡和生態承載力變化趨勢基本一致，同時疏勒河流域生態赤字呈現逐漸減小的趨勢也與前人研究成果一致。生態足跡由1990年的819.76×103hm2增加到2018年的1 889.89×103hm2，從生態足跡構成來看，草地和水域生態足跡的漲幅較大，說明隨著社會的發展，居民生活水平提高，人們的飲食結構也發生了變化，對魚類產品、牛羊肉和奶制品的需求也越來越大，從而使得草地和水域的生態足跡漲幅較大，故對生態環境的壓力也越來越大。

生態承載力從1990年的525.28×103hm2增加到2018年的1 899.03×103hm2。從生態承載力構成可以看出，林地、草地和水域的漲幅最大，林地和草地的生態承載力在2005年之后漲幅比較大。一方面，與甘肅省持續推進生態保護政策密切相關。甘肅省1999年率先試點國家關于退耕還林還草的政策工程，2003年，甘肅省出臺了《甘肅省草原條例》，首次制定了草原植被恢復收費標準。一系列退耕還林還草政策使得林地和草地面積開始恢復，在一定程度上緩解了生態足跡所帶來的壓力。為了進一步提高疏勒河流域生態承載力和營建良好的生態環境，應當繼續實施嚴格的生態環境保護政策，推進生態文明建設是促進流域可持續發展的關鍵之處。另一方面，人口密度是影響疏勒河流域生態承載力的主要因素之一，疏勒河流域生態承載力與人口密度有高的相關性(圖3)，人口密度增加，即在疏勒河流域內的人口數量不斷增加且相對集中，說明流域可供養人口的能力也在不斷上升。在社會發展過程中，由于科學技術進步導致社會生產力提高，從而可以滿足人類對自然環境的需求，供養更多的人口。隨著社會進步的同時，人口素質提高和人口結構轉變也會對區域生態承載力提升起到促進作用，如受教育程度提高會使得人類對生態環境問題更加重視，減少對自然環境的索取與破壞，從而提升區域生態承載力。建成區面積也是影響疏勒河流域生態承載力的主要因素，疏勒河生態承載力與建成區面積也有高的相關性(圖3)。隨著建成區面積的增加，人們開始在城鎮大規模集聚，活動范圍隨之減小，有助于對農村居民點整理，提升土地集約利用度，進一步促進區域生態承載力提高。由此可以得出，隨著社會經濟發展，通過有序的提升人口密度和增加建成區面積來提升區域生態承載能力，是促進區域可持續發展的可行之路。

本文研究疏勒河流域近30年來生態承載力時空演變特征及其驅動因素分析，所得值為靜態值，具有瞬時性，即使難以反映在時間節點當中區域生態承載力的變化狀況，但在長時間序列上能夠體現流域的生態承載力變化趨勢。

6 結束語

本文通過研究疏勒河流域生態承載力時空演變過程并對其驅動因素進行分析，得出以下結論。

1)近30年來，疏勒河流域的生態足跡和生態承載力都呈上升趨勢，但生態承載力的增加不及生態足跡，且絕大部分時間生態足跡高于生態承載力，長期處于生態赤字。

2)各個時間階段的生態赤字表現也不相同。在1990—2000年之間，流域的生態赤字呈減小趨勢；在2000—2005年，流域的生態赤字不斷擴大；在2005—2018年，流域的生態赤字不斷減少，且在2018年流域的生態承載力高于生態足跡，出現生態盈余。這些說明流域的生態壓力有緩和的趨勢。

3)在1990—2018年間，疏勒河流域的生態承載力呈現出先降低后上升的趨勢，2005年為變化的轉折點。在2005年之前，生態承載力開始下降并在2005年降到了最低值，在2005年之后，生態承載力開始上升并且在2015—2018年上升速度最快。就生態承載力成分而言，發生變化的主要以建設用地、草地和水域的生態承載力為主，耕地和林地的生態承載力變化相對穩定。

4)在空間分布上，疏勒河流域的生態承載力分布極不均勻，呈現出南北高、中間低的分布格局。在流域的南部，靠近祁連山脈，海拔較高，生態環境較好，再加上受到人類活動的干擾比較少，因此流域的南部區域一直是疏勒河流域生態承載力較高的地區。與流域的南部相比較，流域北部區域的生態承載力雖然不如南部區域的高，但也基本上處于穩定狀態。疏勒河流域的中部區域，也就是人類活動最為集中、開發力度最為強烈的區域，區域的生態承載力受到了人類活動嚴重的干擾，導致區域生態承載力變化較為強烈。

5)疏勒河流域生態承載力在時空上的變化與轉移，受自然環境因素和社會經濟因素的共同制約。選取疏勒河流域的自然指標和人類活動指標，通過主成分分析法擬合其線性關系并對2000—2015年疏勒河流域生態承載力時空演變驅動因素進行探討，結果顯示，人口密度和建成區面積呈顯著正相關，在人口密度和建成區面積增加時，流域生態承載力也得到提升。由此得出，隨著社會經濟發展和進步，通過有序的人類活動可以使得區域生態承載力朝著可持續方向發展。