基于生態足跡模型的西安市生態承載力評價

蔡菲 張思佳 黃穎 張欣銘 劉興詔

(福建農林大學園林學院 福建福州 350002)

0 引言

隨著城市化的深入，現代經濟的發展促進區域間的發展交流，在創造大量就業機會的同時，也致使城市人口增長迅速、生存壓力變大。我國西北地區礦產資源豐富[1]，重工業發達，是國民經濟發展的重要構成部分，但西北地區生態環境較為脆弱，易受破壞。資源環境的日漸匱乏危及著城市的可持續發展[2]，在滿足當前社會發展需求的同時，必須謀求人類未來的福祉。

人類從自然環境中獲取生產生活所需的資源同時，排放廢物，吸納人類消費所產生的廢棄物所需的生物生產性土地面積，被定義為生態足跡，而自然所能支持的生態足跡供給可視為生態承載力。所有項目的消費量可追溯至不同的生態生產性土地面積，通過土地的供求關系，評估自然生態系統發展狀態。

西安市是一帶一路[3-4]的重要節點，也是西北地區重要的重工業中心，城市工業的崛起和自然資源的過度開發，導致西安市生態環境惡化，資源和環境矛盾愈發突出，因此對西安市生態承載力[5-6]進行評價十分必要。本文基于生態足跡模型，將西安市生態足跡與生態承載力進行對比分析，探究其變化趨勢與原因，對西安市生態環境進行總結評價，以期為西安城市生態建設和可持續發展[7]提供新思路與方法。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

西安市地處渭河沖積平原，地勢平坦，北臨渭河，南依秦嶺，自然資源豐富；位于關中——天水經濟區核心地帶，對外交通便利，擁有濃厚的歷史文化底蘊，是我國西部大開發戰略的重要樞紐。城市總面積約10752 km2，常住人口1020.35萬人，地均GDP約1256.57萬元/km2，居全省首位。

1.2 數據來源

西安市2010年～2018年生物資源和能源消費、人口數量等數據，主要源于《西安市統計年鑒》《西安市國民經濟和社會發展統計公報》，各類生態生產性土地面積，主要來源于國家自然資源部官網關于陜西省的土地調查成果。

1.3 生態足跡與生態承載力評價方法

1.3.1 生態足跡的計算模型

基于加拿大生態經濟學家Willian及其博士生Wackernagel的生態足跡分析法[8-10]，將土地資源劃為6類：耕地、林地、草地、水域、建筑用地、化石能源用地進行計算[11]。不同生態生產力的生物生產面積需乘以均衡因子，轉化為具相同生態生產力的面積，本文中各土地類型的均衡因子采用國際標準：耕地、建筑用地為2.8，林地、化石能源土地為1.1,草地為0.5，水域為0.2[7]。

生產足跡的計算步驟及公式如下：

(1)計算各類消費所占用的面積

Si=Ci/Yi(i=1 , 2 , …… , 6)

式中：i為消費項目類型；Si為各類消費所耗的生物生產面積；Ci為i項消費總量；Yi為i項的土地生產力，體現為全球平均產量(kg/hm2)。其中在計算能源足跡時，通過能源折算系數與全球平均能源足跡(Gj/hm2)，將各項能源消費所消耗的熱量轉化為化石能源用地面積。

(2)計算總土地占用的面積

Sj=∑Sij

式中：i為消費項目；j為土地類型。

(3)土地利用類型面積均衡化

EF(人均生態足跡)=∑(Sj×fj)/p

式中：fj為各類土地的均衡因子；Sj為各類土地利用類型面積；p為總人口。

1.3.2 生態承載力的計算模型

由于地理環境懸殊，自然資源時空分配不均衡，各個地區生態環境所能提供的生物資源水平有所差異即生產力上的差異，需通過產量因子，將各區域同類生態生產性土地的面積轉化為具有可比性的面積。本文采用我國目前的產量因子：耕地、建筑用地為1.66，林地為0.91，草地為0.19，水域為1.00[12]。

將耕地、草地、林地、水域、建筑用地的面積乘以相應的均衡因子和產量因子，即可得出區域生態承載力。計算公式如下：

EC=∑aj×rj×yj(j=1 , 2 , …… , 6)[13]

EC——區域人均生態承載力；aj——人均生物生產面積；rj——均衡因子；yj——產量因子。

1.3.3 生態赤字與生態盈余

區域生態赤字和生態盈余，反映了這一時空下人口與自然資源的關系，以及生態環境的剩余價值。將計算所得的生態足跡與生態承載力進行對比，對西安市生態資源與環境現狀做出評價，判斷生態系統是否能支持該地區的可持續發展，合理預判，從而協調區域經濟發展與生態建設。若EF>EC，則西安市人民的生態足跡需求超出生態環境所能供給的范疇，呈現生態赤字；若EF

2 西安市生態承載力綜合分析

2.1 生態足跡的年際變化分析

將人類生存發展所需的消費分為生物資源的消費及能源的消費，對西安市人民消費項目進行篩選統計，其中生物消費分為糧食、食用植物油、鮮肉、豬肉等，能源消費主要分為電、煤炭、管道天燃氣等，通過生態足跡模型計算得出最終結果(圖1)。2010年～2018年，西安市人均生態足跡呈總體上升的趨勢，由2010年的0.2873 hm2上升到0.4139 hm2，提高了44%(圖1)。期間內僅2010年～2012年人均生態足跡呈下降趨勢，下滑至0.2090 hm2，主要在于農村人口銳減，農村人均消費總量減少。

圖1 2010-2018年西安市生態足跡變化

在構成生態足跡的六類土地利用類型中，耕地、草地占據生態足跡的主導地位。2010年～2018年耕地人均生態足跡由0.1348 hm2波動上升至0.1775 hm2，漲幅為24.05%；草地人均生態足跡由0.0990 hm2波動上升至0.1279 hm2，增加了22.60%，可見西安市人口對糧食、禽肉等的消費需求量增加迅速。林地人均生態足跡由0.0005 hm2增長至0.0035 hm2，水域人均生態足跡由0.0104 hm2增長至0.0192 hm2，主要源于西安市瓜果、水產品消費量的增加。此外，西安市的開發建設促進了基礎設施條件的改善和出行方式的改變，使得西安市對能源的消費需求與日俱增，建筑用地人均生態足跡由0.0135 hm2增長至0.0264 hm2，化石能源用地人均生態足跡由0.0291 hm2增長至0.0593 hm2，漲幅分別高達48.86%、50.93%，在西安市經濟發展中占據重要地位。

據統計2018年西安市常住人口城鎮化率達74.01%，社會人口結構發生變化，農村人口進一步減少。而隨著西安市經濟的發展，人民的消費水平和生活質量不斷提高，同時社會的發展吸引勞動力市場聚集，城市人口規模不斷擴張，未來西安市生態足跡仍會不斷攀升[15]。

2.2 生態承載力的年際變化分析

通過前文構建的生態承載力模型計算(圖2)，對西安市生態承載力[16]進行評價。2010年～2018年，西安市人均生態承載力逐年下降，由0.2843 hm2下降至0.2603 hm2，減少了8.44%，說明西安市自然資源環境不斷惡化。至2018年，西安市各土地利用類型人均生態承載力由大到小為：耕地、建筑用地、林地、水域、草地。

圖2 2010年～2018年西安市生態承載力變化

據統計2010年～2018年，西安市耕地面積由299150 hm2減少至292771 hm2；林地面積先減后增，由482758 hm2至483122 hm2；建筑用地面積由113939 hm2擴張至162140 hm2；草地面積由23668 hm2增加至23787 hm2；水域面積由20068 hm2銳減至16389 hm2。耕地、水域面積的銳減直接導致其人均生態承載力驟減，耕地人均生態承載力由0.1641 hm2減少至0.1360 hm2，減少了17.12%；水域人均承載力則由0.0005 hm2減少至0.0003 hm2，減少了40%。林地、草地面積不斷增加，但其生態承載力卻逐年遞減，林地人均生態承載力由0.0570 hm2降低至0.0483 hm2，草地人均生態承載力由0.0003 hm2降低至0.0002 hm2，這與當地水土流失、亂砍濫伐等生態問題密切相關。而建筑用地人均生態承載力由0.0625 hm2迅速增長至0.0753 hm2，增幅為17%，約為其人均生態足跡的2.7～4.6倍，說明西安市城市建設規模不斷擴大，同時產生了許多剩余用地，與社會經濟發展不適配，西安處于消極型城市化狀態。

2.3 生態赤字的年際變化分析

將生態足跡與生態承載力進行對比發現，2010年～2018年，西安市人均生態足跡約為人均生態承載力的0.7-1.6倍，生態足跡不斷增加，增長速率遠超生態承載力，生態赤字整體呈波動上升趨勢(圖3)。

圖3 2010年～2018年西安市生態系統變化趨勢

2010年～2012年，西安市生態赤字呈下降趨勢，至2012年出現生態盈余(圖3)，主要源于當年生態足跡的驟減(圖1)，總體生態承載力超出生態足跡約0.0738 hm2/人，其中耕地、林地、建筑用地是支撐生態承載力的重要部分。

此后，生態赤字不斷攀升，由0.003 hm2/人增長至0.1536 hm2/人，且2012年～2016年生態赤字的攀升速率大于2016年～2018年的增加速率(圖3)，一定程度上是后來西安市水土流失、土地損毀現象有所改善，生態系統組織力、活力得到恢復。在赤字年份中，生態承載力不足的土地類型有耕地、草地、水域，主要是農轉用、生態退耕等措施，以及災毀等生態威脅造成其生產性面積減少，導致總體生態支持力相對較低。側面說明西安市土地利用結構的不合理，無法促進農業、工業等產業健康協調地發展，使部分資源的消耗速度大于其產業的生產速度。自然供給與人類消費需求產生的缺口，將持續給西安市生態建設帶來巨大壓力。

3 結論與建議

3.1 結論與不足

城市是人口的聚集地，城市中人們進行各種各樣的生產生活活動，不僅關乎社會經濟的發展，而且關聯著生態環境的穩態，對城市發展的影響不言而喻。本研究基于生態足跡模型，對西安市生態承載力進行評價，主要得到以下結論：

(1)2010年～2018年西安市生態足跡波動由0.2873 hm2/人上升至0.4139 hm2/人，人均消費需求不斷擴大。各土地類型人均生態足跡：耕地>草地>化石能源用地>建設用地>水域>林地，耕地生態足跡在西安市生態足跡中占主導地位，約為足跡總量的30%～53%，耕地問題突出。

(2)2010年～2018年西安市生態赤字不斷擴大，生態承載力由0.2843 hm2持續下降至0.2603 hm2，降幅為8.44%，資源環境可持續發展形式嚴峻。人均生態承載力：建筑用地>耕地>林地>水域>草地，與生態足跡需求不匹配，西安市生態環境惡化現象加速。

本文中與生態足跡相關的消費項目數據獲取并不全面，一定程度上影響了生態足跡模型的精確性，因此，在決策過程中，依據各類生物生產性面積的需求確定用地結構與開發規模時，宜結合當地實際情況進行。

3.2 建議

生態承載力是調整城市發展方向的重要依據。結合西安市總體規劃，本文對西安市城市可持續發展及生態建設提出兩點建議：

(1)倡導低碳生活理念，建設集約節約型生態城市。控制用地規模，整合分散、閑置土地；日常生活中在有限范圍內合理利用自然資源，降低能耗同時減少對周邊地區造成的生態壓力，促進區域協調發展。

(2)調整土地利用結構，優化西安市產業布局，協調經濟與生態發展[17-18]。根據生態足跡需求，控制建設用地開發速度，重視耕地保護，開發草地、水域促進畜牧業、漁業等產業發展。