福建省2009—2018年人均生態足跡和人均生態承載力的時空動態

柯志成, 連海峰, 陳 奕, 陳雙梅, 林夏瑩

(1.福建農林大學計算機與信息學院，福建 福州 350002；2.生態與資源統計福建省高校重點實驗室，福建 福州 350002；3.福建省資源環境空間信息統計研究中心，福建 福州 350002)

隨著經濟的發展，人口、環境和資源等問題日益突出，基于不同需求和側重點的承載力[1]研究應運而生，例如從畜牧、種群、人口、資源、植被承載等角度進行研究.當前，生態承載力已成為生態學、經濟學等領域的研究熱點，生態足跡法是常用的研究方法之一[2-3].生態足跡法是William[4]提出的，1999年被引入中國[5].近年來，我國眾多學者利用生態足跡法對生態承載力進行研究.陳曉杰等[6]、王業寧等[7]、劉家旗等[8]、張翠娟[9]、丁楓華等[10]對不同區域的生態承載力進行研究，發現這些研究區都呈現生態赤字狀態，即人均生態承載力低于人均生態足跡，生態環境超負荷.為了進一步分析研究區的可持續發展能力，許多學者還引入了生態壓力指數、生態效率測度、生態承載強度和生態協調系數等指標，通過這些指標從橫向和縱向兩個方面分析研究區的生態環境狀況[11-13].

當前，國內外學者對生態承載力的研究主要體現在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應用領域的擴展研究[14].但從空間尺度與格局分異角度對研究區域進行研究的生態足跡文獻相對較少.鑒于此，本文以福建省為研究區域，利用生態足跡法核算2009—2018年福建省人均生態足跡和人均生態承載力，基于文獻[15-16]更新了生物資源賬戶系統指標，引入生態盈虧、生態壓力指數和生態協調系數等概念；并基于ArcGIS和Stata統計分析軟件，結合探索性空間數據分析方法(ESDA)分析福建省人均生態承載力的演化特征、時空格局特征以及空間關聯特征，進一步研究不同尺度下福建省人均生態承載力的時空變化特征及空間分異，旨在為福建省經濟、社會和生態的協調發展提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

福建省地處我國東南部，陸地位于東經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)(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，地區生產總值高達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 數據來源與處理

本文數據主要來源于2009—2018年《福建省統計年鑒》、《福州市統計年鑒》、《廈門經濟特區年鑒》、《莆田市統計年鑒》、《三明市統計年鑒》、《泉州市統計年鑒》、《漳州市統計年鑒》、《南平市統計年鑒》、《龍巖市統計年鑒》、《寧德市統計年鑒》[17-26].福建省及其九大地市生態足跡的計算總體上分為生物資源賬戶和能源資源賬戶，生物資源賬戶由農產品、林產品、水產品、畜產品等13項組成，世界平均產量來源于聯合國糧農組織(FAO)[27].福建省能源資源系統由煤炭、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，能值換算根據文獻[28].福建各地市缺乏能源消費結構數據，因此消費量數據根據其單位GDP能耗數據與地區生產總值的乘積計算獲取，采用福建省各地市的作物產量替代農產品消費量[29].福建省各地市的耕地、林地、草地和建設用地的面積數據主要來源于文獻[30-31].內陸水域面積主要來源于文獻[32-33].其中，部分缺失值數據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 生態足跡和生態承載力的核算 生態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系統是否處于可載狀態，其本質是對研究區土地資源生產能力的估測，即用于生態區域人口消費的所有資源和吸納區域產生的所有廢棄物所需要的生物生產性土地總面積[34]，表示如下：

(1)

式中，ef表示人均生態足跡；EF表示總生態足跡；N表示總人口數量；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量；ri表示第i中物品對應土地類型的均衡因子.

生態承載力是指區域實際提供給人類的所有生物生產性土地面積的總和，即現有的耕地、林地、草地、水域、建設用地、化石能源等物理空間的面積乘以相應的均衡因子和當地的產量因子,得到世界平均生態空間面積[35-36]，表示如下：

(2)

式中，ec表示人均生態承載力；EC表示總生態承載力；N表示總人口數量；ai表示人均生物生產面積；ri表示均衡因子；fi表示產量因子.其中，均衡因子是六類生物生產性土地的單位面積生物生產量與具有世界平均生產力的生物生產性土地單位面積生物產量的比值[37].產量因子是福建省六類生產性土地的平均生產力與世界同類平均生產力的比值[38].在國際通用均衡因子的基礎上結合田玲玲等[14]、楊屹等[34]學者的研究成果，將福建省耕地、林地、草地、水域、建設用地、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、產量因子Table 1 Main consumption item, equilibrium factor and yield factor of each land type

1.3.2 生態盈虧、生態協調系數和壓力指數的核算 生態盈虧(ed)是指生態足跡與生態承載力之間的差值.當ed<0時表現為生態赤字，說明生態環境超負荷，反之則為生態盈余[39].

ed=ec-ef

(3)

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

Epi=ef/ec

(4)

生態協調系數(Ds)反映人均生態足跡與地區資源之間的關系.1≤Ds≤1.414，Ds越接近于1，其協調性越差；越接近于1.414，生態需求和供給越趨于平衡[41].

(5)

1.3.3 空間關聯分析 空間自相關[42-44]是指同一個變量在不同位置上的相關性，是檢驗某一要素的屬性值是否顯著地與其相鄰空間點上的屬性值相關的重要指標.本文選取常用的全局Moran′sⅠ指數對福建省人均生態承載力的空間關聯性進行全局空間自相關分析，表示如下：

(6)

(7)

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

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

(8)

2 結果與分析

2.1 時序動態

2.1.1 人均生態足跡和人均生態承載力的時序分析 從表2和圖2可以看出，2009—2018年福建省總人均生態足跡總體上呈現上升趨勢，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.在六類生產性土地中，水域和化石能源用地的人均生態足跡占比較高，年平均人均生態足跡分別為1.246和1.263 hm2·人-1，占年均總人均生態承載力的82%；水域類人均生態足跡呈現“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；建設用地類的人均生態足跡對福建總人均生態足跡的影響最小，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%，在六類生產性土地中位居第一.草地類人均生態足跡變化不大，基本在0.030 hm2·人-1上下波動；而林地類人均生態足跡總體上表現為波動上升的走勢，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，之后呈現波動下降趨勢，2018年為0.279 hm2·人-1；耕地類人均生態足跡總體上呈現下降的趨勢，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，人均生態承載力僅為0.550 hm2·人-1，總體上呈現遞減的趨勢.其中，草地類、水域類和建設用地類2009—2018年的人均生態承載力變化較小；耕地類和林地類的人均生態承載力占福建省總人均生態承載力比重為72.5%，二者的人均生態承載力呈現微弱的下降趨勢.各類型的土地面積雖沒有發生較大的波動，但總體的人均生態承載力遠小于人均生態足跡.

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

2.1.2 生態赤字、生態協調系數與生態壓力指數 從表4可看出，生態赤字情況和生態壓力指數都呈現“增—減—增”的變化態勢，總體上保持上升的趨勢.福建省生態赤字情況從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年總體上生態赤字稍有緩解.而生態壓力指數從2009年的4.648增長到2018年6.243，提高了34.3%，大大超出生態承載力，生態壓力顯著增大.在六類生產性土地中，生態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，消費結構發生改變，逐漸從糧食轉向肉類、奶類和禽蛋類，從而導致草地類的人均生態足跡增加，造成生態虧損；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壓力造成一定的影響.總的生態協調系數整體上呈現下降的趨勢，其中生態協調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

2.2.1 人均生態足跡與人均生態承載力 取2010年、2015年和2018年3個時間節點，對福建省各地市的人均生態足跡和人均生態承載力進行空間動態分析，利用ArcGIS將數值自然劃分為低、較低、中等、較高、高5個等級.從圖3、4可看出人均生態足跡和人均生態承載在空間上呈現一定的特征，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 福建省各生產性土地生態赤字、生態協調系數和生態壓力指數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，各地市的人均生態足跡都呈現上升的趨勢.三明市人均生態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年人均生態承載力在空間上均呈現西北部高、東南部低的格局.從縱向上看，福建省各地市人均生態承載力的空間等級幾乎沒有發生變化，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承載力還是呈現下降的趨勢，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承載力有較明顯的空間分布，沿海地市的人均生態承載能力比內陸地市低，呈現出內陸高于沿海的分布情況.對2009—2018年各地市的人均生態足跡指數和人均生態承載力指數做雙因素方差分析，分析年份和地市對二者的影響情況，結果見表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足跡指數和人均生態承載力指數均有顯著影響.

表5 人均生態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 生態盈虧 如圖5所示，從橫向上看，2009—2018年福建省生態虧損主要集中在三明、漳州、福州和莆田這4個城市，其中，三明市的生態赤字最為嚴重，廈門市保持最低的生態赤字；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 人均生態承載力的空間關聯特征 從表7可以看出，2009—2018年全局Moran′sⅠ指數均為正值，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承載力存在顯著的空間正相關.地市人均生態足跡的空間分布并非表現出完全隨機性，該人均生態承載力在空間上呈現出空間聚集(高高集聚或低低集聚)的現象，即人均生態承載力指數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定的.sd值的變化幅度不大，表明近10年福建省人均生態承載力的空間總體格局沒有發生較大變動，只是在原有格局上略有調整和集聚.全局Moran′sⅠ指數極差僅為0.012，基本圍繞某一偏低聚集度出現小范圍波動，但全局Moran′sⅠ指數存在下降趨勢.由此可見福建省各地市人均生態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系與合作，在多方面提升人均生態承載力指數.

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

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

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

2.2.4 人均生態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，福建省人均生態承載力的變異系數呈現上升的趨勢，2009—2010年上升趨勢較為明顯，2010—2018年保持著較平穩的上升趨勢，浮動不是很大.這說明2010年前福建省人均生態承載力的空間差異較大，而2010后福建省人均生態承載力空間差異呈現小幅度波動上升，空間差異隨時間的變化逐漸增大.

3 小結

通過對福建省2009—2018年的人均生態足跡和人均生態承載力進行研究，得出以下結論：(1)福建省處于生態赤字狀態，赤字指數持續升高，人均生態足跡呈上升趨勢，人均生態承載力呈下降的趨勢，生態協調系數呈下降趨勢.各地市人均生態足跡和人均生態承載力有明顯差異，且不同年份和地市的人均生態足跡和人均生態承載力均有差異.(2)福建省人均生態承載力存在顯著的全局空間正相關，各地市呈現出高—高集聚或低—低集聚的特征，在空間上呈現西北高—東南低的格局，空間相對差異呈擴大趨勢.(3)耕地和林地的生態赤字、生態協調系數、生態壓力指數均維持在一個較穩定的水平，總體上兩個領域的生態環境較好，而草地、水域和化石能源用地所能提供的生產性土地面積已經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上，需要注重草地的保護與規劃，還需增加水域的利用效益, 將旅游業和魚類養殖相結合發展，推進清潔能源的開發利用，從而有效控制化石能源的消耗，從多方面抑制生態環境的惡化.