基于生態足跡的桑植縣土地生態承載力研究

賀碧湖，鄧明蓉，董賢斌，劉雅菲，朱深海

（吉首大學土木工程與建筑學院，湖南 張家界 427000）

生態承載力研究是可持續發展科學領域關注的熱點問題，是判定可持續發展的重要分析手段[1]。在土地資源合理利用、生態環境良性循環條件下，生態承載力確保了土地資源承載人類活動規模和強度的限度[2]，反映了區域生態環境的安危狀況和可持續發展程度，對人類社會經濟發展以及生態環境變化起到預警作用[3]。隨著經濟社會的快速發展，人們對旅游開發、城市建設以及基礎設施建設的需求更加迫切。然而，不合理的開發威脅著區域的生態環境和土地資源的可持續發展。因此，如何發掘土地生產潛力，有效規劃開發力度，提高土地資源承載力，對促進生態環境可持續發展具有重要的現實意義。

土地承載力研究始于1812 年馬爾薩斯時代，他提出人口與食物、土地保持相對平衡的思想[4-5]。1921年，Park 和Burgess 在生態學雜志提出了承載力的概念，指出在生存環境、物質營養、空間等生態因子的特定組合環境條件下，某種生物個體生存的最大閾值即為承載力[6]。隨著土地資源短缺、生態環境污染以及人口快速增長等問題的出現，土地承載力研究逐漸變成熱點課題，其研究結果廣泛應用于生態學相關領域。近年來，有關城市生態承載力的研究日漸增多，以計算生產性土地和能源消耗為主的土地承載力研究體系也日趨完善[1,7-9]。例如尹勇平等[10]利用生態足跡的原理和模型計算了長株潭城市群2006 年的生態足跡和土地生態承載力；宋戈等[11]對齊齊哈爾市的生態足跡、生態承載力和生態赤字/盈余進行定量計算和分析；何文舉等[12]用國家生態足跡賬戶計算方法，對湖南省2012 年的各項生物生產性土地類型進行了生態足跡和土地承載力的測算；周智聰等[13]運用生態足跡模型在時間維度上對鄭州市生態承載力進行分析并提出問題與相應對策；楊一旸等[7]分析了區域生態足跡、生態承載力的時空變化特征，并提出對應補償方案，以期為長江中游城市群生態建設和管理提供決策依據。

筆者以張家界市桑植縣為研究區域，利用2000、2005、2010、2015、2020 年的土地利用和生產性土地數據，結合生態足跡、土地生態承載力相關理論和方法，定量計算分析上述5 個時期研究區域內生態足跡和土地生態承載力的差距及變化規律，判斷區域經濟發展資源消耗是否處于生產性土地承載力的范圍內，從而確定桑植縣現階段的生態盈余或赤字，通過變化規律預測該區域生態環境是否安全，為區域生態環境保護、土地資源可持續開發利用以及社會經濟可持續發展提供依據和指導。

1 研究區概況

桑植縣隸屬張家界市，位于湖南西北邊界，東臨石門縣、慈利縣，南毗永定區和永順縣，北界湖北宣恩，處于東經109°41′～110°46′，北緯29°17′～29°84′之間，屬于中亞內陸季風氣候，總面積3 474 km2，主要水域河流為澧水和溇水。桑植縣管轄12 個鎮以及11 個鄉，擁有峰巒溪國家森林公園以及國家級八大公山自然保護區，被評為全球生物多樣性保護地區以及重要生態區之一。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

土地利用基礎數據來源于中科院資源環境科學數據中心（http://www.resdc.cn/），精度達90%以上。經濟社會、農作物產量數據等來源于同期《湖南統計年鑒》《張家界統計年鑒》和《湖南農村統計年鑒》。

2.2 研究方法

（1）生態足跡和生態承載力的計算。生態足跡是指能夠持續地提供資源或消納廢棄物的、具有生物生產力的地域空間。借鑒劉某承等[14]計算的湖南省各種土地類型的均衡因子，即農地、林地、畜牧地、漁業水域、建筑用地、能源用地分別取值1.32、0.82、0.71、0.56、1.32、0.82。用公式（1）計算區域的總生態足跡（EF）。

式中：N為人口數；ef為區域人均生態足跡；Ai為各類消費帳戶的人均生態足跡；i為消費項目的類型；Yi為食物生產性土地第i種消費項目的世界平均產量；Pi為第i種消費項目的年生產量；ri為均衡因子。

（2）生態承載力是將生物生產性土地面積分別乘相應的產量因子和均衡因子。用公式（2）計算區域總生態承載力（EC）。

式中：N為人口數；ec為區域人均生態承載力；Cj為第j種消費項目的人均生態承載力分量；aj為人均生物生產面積；rj和yj分別為均衡因子和產量因子。根據劉某承等[15]的研究成果，即湖南省耕地、草地、林地、建筑用地、水域、CO2吸收的產量因子分別取值1.43、3.00、1.10、1.43、3.00、0.00。再結合申海建等[16]研究得出的張家界市耕地產量因子為1.241 1。同時以耕地調整系數（1.020 7）為基準，類比將張家界市市域內草地、林地、建筑用地、水域、CO2吸收的產量因子同步修正為2.603 7、0.954 7、1.241 1、2.603 7、0.000 0。

（3）生態安全度評價模型的建立。生態安全度評價模型是利用生態足跡和承載力的數值，結合生態赤字/盈余和生態壓力指數的方法，用以判斷區域安全性的評價模型[17]。生態赤字/盈余（ED）可判斷區域的生態安全狀態，生態壓力指數（N）用以表示區域安全程度，分別用公式（3）和（4）計算。

3 結果與分析

3.1 研究區域土地承載力分析

利用各年鑒所統計的數據，根據公式（1）計算桑植縣2000—2020 年的生態足跡。由表1 可知，桑植縣總生態足跡由2000 年的302 369 hm2到2010年的471 692 hm2，增加了169 323 hm2，到2020 年的265 982 hm2，減少了36 387 hm2，由圖1 可知，桑植縣人均生態足跡由2000 年的0.709 8 hm2/人增加到2010年的1.241 3 hm2/人，再減少2020 年的0.683 2 hm2/人，平均值為0.817 4 hm2/人。耕地和草地的年平均生態足跡值分別達到79 544.6 hm2和205 445.6 hm2，人均生態足跡占比分別是24.31%和62.79%，在各類用地中居前兩位，說明居民的肉質消費增加，生活水平提高；水域年平均生態足跡為36 819.2 hm2，僅次于耕地和草地。2000—2010 年是旅游業快速發展時期，桑植縣確定了“以旅游業為龍頭，以農業為基礎”的基本方針[18]，大力開發旅游景區以及服務設施，由于生態建設思想認識滯后、林業生態經濟發展落后，導致逐步出現農村林業生態環境質量不高、生態保護經費欠缺、政策引導不夠、機制不全等問題[19]。2010 年的人均生態足跡增長至2000 年的1.75 倍，耕地、林地、草地、水域呈上升趨勢，這段時間桑植縣對生態系統的物質能源索取超過生物性能源生產土地提供的能源。2010 年到2020 年，根據《全國主體功能區規劃》和《湖南省主體功能區規劃》，桑植縣被劃定為重點生態功能區，是保障湖南生態安全的重要區域，是實現可持續發展的重要生態功能區[20]，加上旅游綠色產業發展、污染工業的轉型以及國家發布政策對生態環境進行保護與整改，桑植縣的總體人均生態足跡慢慢呈下降恢復狀態。

圖1 2000—2020 年桑植縣人均生態足跡

表1 2000—2020 年張家界桑植縣生態足跡

3.2 研究區域土地承載力變化分析

由表2 可知，桑植縣總人口的生態承載力由2000年385 150.06 hm2增加到2020年386 972.42 hm2，階段均值為385 196.75 hm2；2000 年的人均生態承載力為0.904 1 hm2/人，增加至2010 年最高值1.009 8 hm2/人，再減少至2020 年0.827 7 hm2/人。2000—2020 年的平均人均生態承載力0.795 7 hm2/人。總的來看，2000—2020 年桑植縣的生態承載力基本保持一個水平狀態，扣除12%的生物多樣性保護面積，它的人均生態土地承載力也基本保持穩定，但是人均生態承載力呈現波動態勢。這是因為桑植縣的主導產業之一為旅游產業，是湖南省主要的旅游基地和重點生態保護地區，其建筑用地和水域用地保護建設相對較好，總體土地生態承載力略有提升；但土地資源短缺，隨著城市發展建設的需求，生物生產性土地減少，使得區域土地承載力增加幅度較小。

由表2 可知，耕地、林地、水域和建設用地的生態承載力在2000—2020 年總體呈上升趨勢。林地的生態承載力從2000 年的183 589.75 hm2到2020 年的183 962.78 hm2，增加了373.03 hm2；水域的生態承載力從2000 年的3 846.27 hm2到2020 年的7 351.11 hm2，增加了近一倍；建筑用地的生態承載力從2000 年的597.43 hm2到2020 年的1 421.70 hm2，增加了824.27 hm2。草地的生態承載力從2000 年的69 602.20 hm2到2020年的61 439.82 hm2，減少了8 162.38 hm2呈下降趨勢。但土地總體生態承載力呈上升趨勢，說明2000—2020年研究區承載力處于安全范圍內。

表2 2000—2020 年桑植縣土地生態承載力

3.3 研究區域生態安全度分析

根據上述生態足跡和生態承載力計算結果，結合公式（3）（4）計算出桑植縣各年的生態赤字/盈余和生態壓力指數，生態赤字越大、生態壓力指數越高，表示該地區生態安全度越低；反之，生態赤字越小、生態壓力指數越低，表明該地區的生態安全度越高[11]。由圖2 可知，研究區域的生態赤字從2000 年到2010 年，經歷了由0.194 3 增至0.235 5 再降至-0.231 5的變化過程，在2005—2015 年，生態足跡大于土地生態承載力，處于赤字階段，2010 年達到最低峰值為-0.231 5，隨后開始回升，到2015 年升至0.194 8，到2020 年有所回落，2000—2020 年的人均生態赤字均值為0.105 1；2005—2015 年人均生態壓力指數大于1，平均生態壓力指數為0.877 9，表明這一時期桑植縣自然生態環境系統處于危險狀態；2015—2020 年，生態壓力指數指標恢復到安全數值內。

4 討論與結論

4.1 討 論

桑植縣屬于重點生態保護區，是保障湖南生態安全的重要區域，也是重要旅游開發區[19]。學者們就如何建設生態桑植提出了創新觀念、健全機制、規劃領先、強化保護、經濟轉型、政策引導等具體思路和對策[20]；從森林資源和林業重點工程與項目建設2 個方面簡述了桑植縣林業生態建設現狀[21]；結合桑植縣生態保護與發展現狀以及建設背景分析了發展建設面臨的挑戰，提出了基本發展策略和建設方案[19]。筆者采用了生態足跡法對桑植縣土地生態承載力進行了研究，雖然生態足跡法在理論和計算方面也有一些不足之處[22]，但優點在于它可以反映出研究區域的生態生產水平和能源流動過程，能從供給方面測算研究區域的生態承載量[23]。依據研究區域2000—2020 年共5 期的數據進行生態足跡和土地生態承載力計算和分析，時間周期較長，可以更好地對桑植縣的每類土地生態足跡與承載力進行動態觀測分析。通過桑植縣居民資源消耗是否超出生產性土地產出，判斷區域生態是否處于平衡狀態，同時還可以判斷生態赤字或盈余狀態。結合壓力指數可以分析桑植縣的生態是否處于安全狀態，讓結果更具指導意義。

隨著旅游業的快速發展，旅游人口不斷上升，桑植縣旅游產業迅速發展，旅游開發和基礎設施建設逐漸滿足不了需求。土地資源缺乏等諸多因素的限制使得發展用地與生態環境之間的矛盾越來越激烈，環境壓力越來越大。因此，如何提高區域土地利用效率、合理規劃經濟建設與生態保護是該區域可持續發展需重點關注的問題。

4.2 結 論

（1）2000—2020 年期間內，桑植縣總生態足跡由2000 年 的302 369 hm2到2010 年 的471 692 hm2，增加了169 323 hm2，再到2020 年的265 982 hm2，減少了36 387 hm2，人均生態足跡由2000 年的0.709 8 hm2增加到2010 年的1.241 3 hm2，再減少到2020 年的0.683 2 hm2。人均生態足跡由升到降，說明桑植在2000—2010 年對生態環境的索取超出了生產性土地資源的供給，而在2010—2020 年人均生態足跡得到一定恢復，生產性土地資源的供給有所過剩，說明生態環境保護發揮了一定作用。

（2）耕地和草地的年平均生態足跡值分別達到79 544.60 和205 445.60 hm2，人均生態足跡占比分別是24.310%和62.787%。草地是肉制品和奶制品的主要生產原料，其利用占據了人均生態足跡的一半以上，說明居民的肉質消費增加，生活水平大幅提升。

（3）桑植縣總人口的生態承載力由2000 年385 150.06 hm2增加到2020 年386 972.42 hm2，階段均值為385 196.75 hm2；2000 年的人均土地生態承載力為0.904 1 hm2/人，增加至2010 年最高值1.009 8 hm2/人，再減少至2020 年0.827 7 hm2/人。耕地、草地和林地土地承載力處于下降趨勢。因此，需要調整用地結構以緩解承載力的下降。

（4）桑植縣的生態赤字指數從2000 年到2010 年，由0.1943 減至-0.2315，出現赤字現象，再到2010 年到2020 年期間從-0.231 5 升至0.144 5，出現盈余現象，平均指數為-0.105 1，平均生態壓力指數為0.877 9。這表明桑植縣的生態安全由安全轉為不安全再轉為安全，但2020 年土地生態盈余現象呈現持續下降趨勢。

以上結論可為桑植縣今后的經濟發展與生態保護提供參考。在研究中由于能源消費數據的缺失，未能考慮能源消費因素以及經濟、科技發展等對生態承載力的影響。因此，在今后的研究中應該結合更多的評價指標，建立更完善的評價體系和方法。