基于開放式生態(tài)足跡模型的土地生態(tài)承載力研究

宋艷華 王令超 王自威 田燕 樊鵬 楊青偉

摘要：為了探索在有限用地規(guī)模前提下，提升區(qū)域土地生態(tài)承載力的技術(shù)方法，改進(jìn)了傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型，建立了一個(gè)開放式生態(tài)足跡模型，并分別采用2種模型對(duì)河南省黃河沿岸9市2017年生態(tài)承載狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。研究發(fā)現(xiàn)：（1）研究區(qū)各市耕地生態(tài)生產(chǎn)性足跡遠(yuǎn)大于生態(tài)承載力，但多市消費(fèi)足跡低于生態(tài)承載力。（2）經(jīng)消費(fèi)系數(shù)和用地結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)修正后，開放式生態(tài)足跡模型評(píng)價(jià)結(jié)果可明確區(qū)分生態(tài)足跡中區(qū)域內(nèi)部消費(fèi)足跡與承擔(dān)的外部區(qū)域消費(fèi)足跡，對(duì)研究區(qū)生產(chǎn)承載狀況的評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際。（3）能源消費(fèi)是研究區(qū)各市生態(tài)承載狀況的決定性因素，是左右研究區(qū)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程的關(guān)鍵。研究區(qū)在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注能源消費(fèi)，需在增加森林覆蓋率的同時(shí)，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，以提升化石能源用地承載力、降低能源消費(fèi)足跡。研究得出，開放式生態(tài)足跡模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同土地利用結(jié)構(gòu)、居民消費(fèi)結(jié)構(gòu)下區(qū)域生態(tài)承載狀況的模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，可提出在有限用地規(guī)模前提下，提升區(qū)域土地生態(tài)承載力的技術(shù)方法。研究成果可為河南省土地用地結(jié)構(gòu)調(diào)整、土地利用規(guī)劃、土地保護(hù)等工作提供參考，并為黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：生態(tài)足跡;生態(tài)承載力;開放式;消費(fèi)調(diào)整系數(shù);用地結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)

中圖分類號(hào)：X22;S181?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）22-0210-09

收稿日期：2021-04-20

基金項(xiàng)目：河南省軟科學(xué)研究計(jì)劃（編號(hào)：212400410263）;河南省青年科學(xué)基金（編號(hào)：212300410168）;河南省科學(xué)院基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（編號(hào)：200601028、200601078）;河南省科學(xué)院科研智庫項(xiàng)目（編號(hào)：210701004）。

作者簡(jiǎn)介：宋艷華（1979— ），女，河南封丘人，碩士，助理研究員，主要從事土地資源調(diào)查與評(píng)價(jià)研究。E-mail：syhdata@126.com。

通信作者：田 燕，副研究員，主要研究方向?yàn)橥恋刭Y源管理。E-mail：156987617@qq.com。

黃河流域河南段是我國重要的糧食生產(chǎn)核心區(qū)，也是中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心地帶，在我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位。然而，農(nóng)業(yè)增收、城市建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)保護(hù)以及人口增長(zhǎng)不斷加大對(duì)有限土地資源的爭(zhēng)奪，使區(qū)域土地生態(tài)承載能力受到嚴(yán)峻的考驗(yàn)。土地生態(tài)承載力問題關(guān)系到一個(gè)區(qū)域的生態(tài)安全，決定經(jīng)濟(jì)發(fā)展的后勁并影響區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展進(jìn)程[1]，人類在資源和環(huán)境能夠承受的范圍內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高效發(fā)展[2]。準(zhǔn)確評(píng)價(jià)區(qū)域土地生態(tài)承載狀況，是今后實(shí)現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的同時(shí)提升區(qū)域土地生態(tài)承載能力，實(shí)現(xiàn)區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展的核心和關(guān)鍵[3，4]。

生態(tài)足跡法是國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行生態(tài)承載力評(píng)估研究中較常用的方法[5-7]。生態(tài)足跡模型最早是由William Rees（1992）創(chuàng)建，并與Wackernagel合作在1996年對(duì)模型進(jìn)行了完善。該模型首先計(jì)算一定經(jīng)濟(jì)水平下區(qū)域人類生存和發(fā)展所消費(fèi)的生物資源及廢棄物吸收所需的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積，再同區(qū)域現(xiàn)有的生態(tài)承載力進(jìn)行比較，進(jìn)而評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)受人類影響的程度，衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展水平[8]。該方法具有計(jì)算結(jié)果直觀和區(qū)域可比的特性，因此很快成為了區(qū)域可持續(xù)發(fā)展生態(tài)評(píng)估的重要方法[9-11]。20世紀(jì)90年代后期生態(tài)足跡模型引入中國，多位學(xué)者開展了基于生態(tài)足跡的生態(tài)承載力研究[12-14]，其中對(duì)河南省土地生態(tài)承載狀況的評(píng)價(jià)結(jié)果多為嚴(yán)重超載的不可持續(xù)狀態(tài)[15-17]。鑒于各類生物資源消費(fèi)數(shù)據(jù)獲取的難度較大，很多學(xué)者采用區(qū)域生物資源的生產(chǎn)數(shù)據(jù)來近似代替消費(fèi)數(shù)據(jù)[15-17]。但依據(jù)生物生產(chǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算的生物生產(chǎn)性足跡并不是真正的本地消費(fèi)形成的生態(tài)足跡，同時(shí)傳統(tǒng)的生態(tài)足跡評(píng)價(jià)方法具有相對(duì)靜態(tài)封閉的特點(diǎn)，各地類之間生態(tài)功能單一無重疊，未能充分考慮人口、技術(shù)、消費(fèi)等因素的變化性，忽視了用地結(jié)構(gòu)調(diào)整等政策性因素及消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整等市場(chǎng)性因素對(duì)生態(tài)承載力產(chǎn)生的重要作用，具有一定的生態(tài)偏向性[18]。

本研究以黃河河南段沿岸的三門峽市、濟(jì)源市、焦作市、洛陽市、鄭州市、開封市、新鄉(xiāng)市、安陽市、濮陽市9個(gè)市為研究區(qū)，在采用傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型對(duì)研究區(qū)9個(gè)市2017年生態(tài)足跡及生態(tài)承載力進(jìn)行核算的基礎(chǔ)上，通過引入消費(fèi)調(diào)整系數(shù)、用地結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)等因子，形成一套開放式生態(tài)足跡模型。該模型對(duì)傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型進(jìn)行了改進(jìn)，與傳統(tǒng)生態(tài)足跡評(píng)價(jià)結(jié)果存在顯著差異，評(píng)價(jià)結(jié)果可明確區(qū)分區(qū)域總生態(tài)足跡中，區(qū)域內(nèi)部消費(fèi)足跡與承擔(dān)的外部區(qū)域消費(fèi)足跡。由于研究區(qū)位于農(nóng)業(yè)輸出大省，農(nóng)業(yè)的生態(tài)生產(chǎn)性足跡超過了生態(tài)承載力上限，但超載多由輸出外區(qū)域的農(nóng)產(chǎn)品引起，多市本地區(qū)消費(fèi)的生態(tài)足跡遠(yuǎn)未達(dá)到生態(tài)承載力上限，耕地生態(tài)承載狀態(tài)良好，但化石能源用地超載嚴(yán)重。模擬結(jié)果可為區(qū)域用地結(jié)構(gòu)優(yōu)化、消費(fèi)結(jié)構(gòu)調(diào)整、實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河自西向東流經(jīng)河南省北部的三門峽市、洛陽市、濟(jì)源市、焦作市、鄭州市、新鄉(xiāng)市、開封市和濮陽市共8個(gè)市，因安陽市的滑縣距黃河僅10 km，故本研究將安陽市也納入研究區(qū)共同研究。研究區(qū)位于黃河中下游地區(qū)，北部、西部環(huán)山，中部、東部為黃淮海沖積平原，是河南省和我國重要的農(nóng)耕區(qū)。氣候?qū)俅箨懶约撅L(fēng)氣候，雨熱同期、四季分明，年均氣溫12.1～15.7 ℃，年均降水量800 mm，年均日照時(shí)數(shù)1 468～2 246 h，全年無霜期207.9～271.7 d，適宜多種農(nóng)作物生長(zhǎng)。研究區(qū)多種農(nóng)作物、肉蛋奶、水果、蔬菜產(chǎn)量均居全國前列。2017年底，研究區(qū)常住人口達(dá)4 235萬人，雖然農(nóng)產(chǎn)品總產(chǎn)較高，但因人口眾多，隨著人口的不斷增長(zhǎng)，人均耕地面積在持續(xù)減少，耕地壓力逐漸增大。作為全國糧食生產(chǎn)核心區(qū)，河南省黃河兩岸各市肩負(fù)著全國糧食供給的重任，在耕地壓力持續(xù)增加的前提下，有限的耕地面積中經(jīng)濟(jì)作物的播種面積逐年減少，糧食作物播種面積持續(xù)增加。

2017年年底，研究區(qū)各土地利用類型中，耕地面積最大，為27 456.86 km2，占研究區(qū)總土地面積的42.40%;其次是林地面積16 228.98 km2，占總土地面積的25.06%;再次是城鎮(zhèn)村及工礦用地 9 346.92 km2，占總土地面積的14.43%;草地面積3 415.99 km2，占總土地面積的5.27%，且以其他草地為主，天然牧草地和人工牧草地面積極小，僅有0.59 km2;水域及水利設(shè)施用地3 068.36 km2，占總土地面積的4.74%;園地面積最小，為941.97 km2，占總土地面積的1.45%，各類園地中以果園面積最大，占園地總面積的92.00%。

研究區(qū)2017年能源消費(fèi)總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤為 15 012萬t，其中原煤占到了66%，其次是電力占17%，再次是柴油、焦炭、原油和汽油均占5%左右。

1.2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.2.1 傳統(tǒng)生態(tài)足跡法 生態(tài)足跡模型可測(cè)度一定經(jīng)濟(jì)水平下維持區(qū)域人類生存和發(fā)展所消費(fèi)的生物資源及廢棄物吸收所需的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積，包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和化石能源用地面積。計(jì)算公式如下：

EF=N×ef=N×∑ni=1qi×ciPi。（1）

式中：EF表示總生態(tài)足跡;ef表示人均生態(tài)足跡;N表示人口總數(shù);i為消費(fèi)物質(zhì)的類型;ci表示第i種資源的人均消費(fèi)量;Pi表示第i種資源的單位面積國家平均生產(chǎn)能力;qi為i物質(zhì)對(duì)應(yīng)土地類型的均衡因子，由全國同一類生態(tài)生產(chǎn)性土地的平均生物生產(chǎn)力比全國所有生物生產(chǎn)性土地的平均生物生產(chǎn)力得到。

均衡因子的計(jì)算公式如下：

qi=pip=∑jpijhijSi∑i∑jpijhij∑iSi。（2）

式中：pi指全國第i類土地的平均生產(chǎn)力;p指全國所有土地的平均生產(chǎn)力;Si指全國第i種土地的生物生產(chǎn)面積;pij為全國第i種土地上第j種生物產(chǎn)品的產(chǎn)量;hij指第i種土地j種生物產(chǎn)品的單位熱值。

1.2.2 生態(tài)承載力評(píng)價(jià) 生態(tài)承載力是指區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)可以提供的最大生物資源和廢物消化的量，用生物生產(chǎn)性土地的面積來表示，計(jì)算公式：

EC=（1-12%）×∑6i=1（ai×qi×yi）（3）

式中：EC為區(qū)域生態(tài)承載力;12%為扣除的生物多樣性保護(hù)用地比例;本研究中ai表示河南省第i種生物生產(chǎn)土地面積;qi為均衡因子;yi為產(chǎn)量因子，其計(jì)算公式為：

yni=pnipi=∑j（pij）nxijSni∑jpijxijSi。（4）

式中：pni為河南省第i類土地平均生物生產(chǎn)力;Sni為河南省第i種土地面積;（pij）n為河南省第i種土地第j種產(chǎn)品的年產(chǎn)量。

1.2.3 數(shù)據(jù)來源與處理 本研究計(jì)算了2017年度研究區(qū)9個(gè)市生態(tài)足跡及生態(tài)承載力，統(tǒng)一將生物產(chǎn)品分為農(nóng)產(chǎn)品、畜牧業(yè)產(chǎn)品、林產(chǎn)品和漁產(chǎn)品四大類。其中全國各類生物資源產(chǎn)出和面積數(shù)據(jù)源自該年度的《中國統(tǒng)計(jì)年鑒》《全國漁業(yè)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)公報(bào)》及“土地調(diào)查成果共享應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)”;各市各類生物資源和能源的產(chǎn)出和消費(fèi)量數(shù)據(jù)均來自于該年度的《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》《河南省漁業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況公報(bào)》。

各類熱值數(shù)據(jù)主要參照《農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)手冊(cè)（修訂本）》，其中糧食作物熱值用小麥、玉米、水稻和豆類的產(chǎn)量比，折合出糧食作物平均熱值;河南省油料基本以花生為主，故油料熱值采用花生熱值計(jì)算;園林水果采用蘋果、桃子、梨子平均值。

2 傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際生產(chǎn)情況，本研究將源自耕地的生物產(chǎn)品分為糧食作物（小麥、水稻、玉米、大豆）、棉花、薯類、蔬菜、瓜果、油料。林地生物資源主要包括園林水果和木材。研究區(qū)漁業(yè)只涉及淡水漁業(yè)，因此漁業(yè)產(chǎn)品僅包含淡水魚類。禽畜產(chǎn)品中，豬和禽類的飼養(yǎng)主要依靠農(nóng)作物，因此對(duì)應(yīng)生物生產(chǎn)性土地歸耕地;研究區(qū)畜牧養(yǎng)殖業(yè)中牛、羊以圈養(yǎng)為主，飼料分為農(nóng)作物加工品和牧草2類，其中飼料來源于農(nóng)作物及加工品的部分，其生物生產(chǎn)性土地歸耕地，飼料為牧草部分的生物生產(chǎn)性面積歸草地。計(jì)算草地生物生產(chǎn)量時(shí)，由于中國畜牧業(yè)中圈養(yǎng)比例較高，在畜牧養(yǎng)殖的原料中糧食作物的比重較高，而牧草的原料比重相對(duì)較低，根據(jù)謝鴻宇等的研究[13]，通常在確定牧草地生物生產(chǎn)量時(shí)，按照牛肉0.14、羊肉0.43、奶類0.28的產(chǎn)量比例確定，但研究區(qū)草地面積較小，其中牧草地面積更小，牧草地占草地面積的比例僅為全國該比例的15%，因此本研究在謝鴻宇等確定的牧草地生物產(chǎn)量比例的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修正得到研究區(qū)牧草地生物生產(chǎn)量?；茉从玫厣婕暗哪茉促Y源包括：原煤、原油、焦炭、柴油、汽油、燃料油、煤油、天然氣;建設(shè)用地所考慮的能源資源是電力。

本研究計(jì)算出的研究區(qū)各用地類型均衡因子和各市產(chǎn)量因子見表1、表2。

按照慣例化石能源用地采用林地的均衡因子，建設(shè)用地均衡因子與耕地等同。

森林除了產(chǎn)出林產(chǎn)品外，更具有對(duì)溫室氣體的吸收功能，因此為了使計(jì)算結(jié)果更加合理，本研究在計(jì)算生態(tài)承載力時(shí)，將林地作為化石能源用地的承載用地，其產(chǎn)量因子與林地一致。建設(shè)用地的產(chǎn)量因子同耕地。

2.1 生態(tài)足跡

計(jì)算生態(tài)足跡時(shí)，由于貿(mào)易的復(fù)雜性以及各類生物資源的消耗總量數(shù)據(jù)搜集困難且搜集的數(shù)據(jù)差異較大，計(jì)算生態(tài)足跡時(shí)，多個(gè)對(duì)河南省的研究均采用各類生物資源的生產(chǎn)總量近似于它的消費(fèi)總量[15-17]。為了對(duì)比研究的需要，本研究也首先采用該方法計(jì)算各市生物資源的生態(tài)足跡，該生態(tài)足跡實(shí)質(zhì)為各市所有生物生產(chǎn)形成的生產(chǎn)型生態(tài)足跡。根據(jù)2017年河南省各市各類各類產(chǎn)品的生產(chǎn)、消費(fèi)數(shù)據(jù)，利用公式（1）計(jì)算各市各土地類型的生態(tài)足跡（表3）。

從表3可以看出，研究區(qū)為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，多市耕地生態(tài)足跡最高;同時(shí)研究區(qū)能源消費(fèi)較高，且能源產(chǎn)品以足跡最高的煤炭為主，多市化石能源用地足跡同樣較高，其中鄭州市、洛陽市、三門峽市和濟(jì)源市能源足跡超過了耕地足跡;各市建設(shè)用地足跡也較高;由于河南省以牧草為主的畜牧養(yǎng)殖及水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模偏小，草地和水域生態(tài)足跡最小。

2.2 生態(tài)承載力

根據(jù)2017年各市各用地類型實(shí)際面積數(shù)據(jù)，利用公式（3）計(jì)算出各市各土地類型的生態(tài)承載力（表4）及生態(tài)赤字（盈余）（表5）。

從表5可以看出，2017年研究區(qū)各市耕地和化石能源用地人均生態(tài)足跡均大于生態(tài)承載力，即均處于生態(tài)超載狀態(tài)，但二者的空間分布并不一致，耕地超載最嚴(yán)重的是開封市、濮陽市、安陽市、新鄉(xiāng)市，而化石能源用地超載最嚴(yán)重的是濟(jì)源市，其次是三門峽市、焦作市和安陽市。林地中新鄉(xiāng)市、焦作市、濮陽市和鄭州市4個(gè)市生態(tài)超載，但各市超載幅度均較小;建設(shè)用地中濟(jì)源市、洛陽市、鄭州市和三門峽市4個(gè)市生態(tài)超載，超載幅度同樣較低;各市草地和水域人均生態(tài)足跡和承載力均較小，基本處于持平狀態(tài)。

3 開放式生態(tài)足跡模型及評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 基于開放式生態(tài)足跡模型的生態(tài)承載力評(píng)價(jià)方法

根據(jù)表5結(jié)果，傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型評(píng)價(jià)出研究區(qū)各市耕地和化石能源用地均處于超載狀態(tài)，林地和建設(shè)用地也有近50%市域處于超載狀態(tài)，反映出研究區(qū)存在較大生態(tài)壓力。事實(shí)上，生態(tài)足跡模型主要評(píng)價(jià)維持本區(qū)域物質(zhì)消費(fèi)和廢棄物消納所必需的生物生產(chǎn)性土地面積，而將產(chǎn)量作為消費(fèi)量計(jì)算出的生物生產(chǎn)性生態(tài)足跡可能會(huì)偏大，顯然不能準(zhǔn)確代表區(qū)域真實(shí)的生態(tài)足跡[19]。尤其對(duì)于河南省這樣的農(nóng)業(yè)大省來說，生物資源尤其是農(nóng)作物的生產(chǎn)量與消費(fèi)量之間存在巨大差異，如河南省2017年糧食總產(chǎn)量6 524.25萬t，總?cè)丝? 559萬人，折合人均682.52 kg，而人均糧食消費(fèi)僅有206.54 kg，二者之間存在較大的差距。因此采用生產(chǎn)總量計(jì)算的生態(tài)足跡并非完全是河南省內(nèi)部的生態(tài)足跡，而是包含了因糧食等生物產(chǎn)品輸出而分擔(dān)的其他區(qū)域的生態(tài)足跡部分。為了使評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際，本研究采用開放式生態(tài)足跡和生態(tài)承載力模型，通過對(duì)影響模型評(píng)價(jià)結(jié)果的消費(fèi)系數(shù)和用地面積調(diào)整系數(shù)的確定，來評(píng)價(jià)研究區(qū)各用地類型的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力。

生態(tài)理論中生態(tài)足跡通常會(huì)隨著人均消費(fèi)水平、人口、技術(shù)等的變化而改變，尤其是消費(fèi)水平和結(jié)構(gòu)的改變會(huì)顯著影響區(qū)域生態(tài)足跡。同時(shí)，生態(tài)承載力也會(huì)受各類土地面積及生產(chǎn)能力的顯著影響。因此，消費(fèi)水平和用地結(jié)構(gòu)是決定區(qū)域生態(tài)足跡、生態(tài)承載力大小及二者之間差距的最關(guān)鍵因素。而傳統(tǒng)生態(tài)足跡法是一種靜態(tài)分析法，具有一定的生態(tài)偏向性，沒有考慮物質(zhì)消費(fèi)水平和用地結(jié)構(gòu)的變化性，忽視了土地的多功能性。故本研究在原生態(tài)足跡模型中引入消費(fèi)調(diào)整系數(shù)，在生態(tài)承載力模型中引入用地結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)，形成一套開放型生態(tài)足跡、生態(tài)承載力評(píng)價(jià)模型，該模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同消費(fèi)水平和結(jié)構(gòu)變化下土地生態(tài)足跡的模擬運(yùn)算，以及不同用地結(jié)構(gòu)情景下的生態(tài)承載力水平評(píng)價(jià)。

開放式生態(tài)足跡計(jì)算公式如下：

EFk=N×ef=N×∑ni=1qi×KCi×cipi。（5）

式中：EFk表示開放式生態(tài)足跡模型調(diào)整后的生態(tài)足跡（hm2）;KCi為第i種消費(fèi)產(chǎn)品的消費(fèi)調(diào)整系數(shù)。

開放式生態(tài)承載力計(jì)算公式：

ECk=（1-12%）×∑6i=1（KLi×ai×qi×yi）。（6）

式中：ECk表示調(diào)整后的生態(tài)承載力（hm2）;KLi表示第i種用地面積調(diào)整系數(shù)。

3.2 確定消費(fèi)調(diào)整系數(shù)

本研究將區(qū)域內(nèi)物質(zhì)消費(fèi)總量與產(chǎn)出總量的比值作為消費(fèi)調(diào)整系數(shù)。其中區(qū)域內(nèi)物質(zhì)消費(fèi)數(shù)據(jù)是實(shí)際發(fā)生的全部消費(fèi)數(shù)據(jù)，包含區(qū)域內(nèi)和區(qū)域外生產(chǎn)的生物產(chǎn)品，故不需進(jìn)行貿(mào)易調(diào)整。化石能源用地足跡計(jì)算中，煤炭、石油等基礎(chǔ)能源是按實(shí)際消費(fèi)量計(jì)算的，因此不需要再對(duì)其進(jìn)行消費(fèi)調(diào)整。

將近5年來研究區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒中人均物質(zhì)消費(fèi)數(shù)據(jù)與人均物質(zhì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的比值作為2017年消費(fèi)調(diào)整系數(shù)（表6）。其中源自耕地的消費(fèi)品主要包括糧食、食用油、蔬菜及食用菌（包含耕地瓜果）、棉花，以及以糧食作物為飼料的肉蛋奶折合糧食的消費(fèi)量，糖果糕點(diǎn)折糧食、食用油的消費(fèi)量和酒類折糧食的消費(fèi)量;林地的消費(fèi)主要包括水果、木材、茶葉的消費(fèi)量;草地的消費(fèi)主要包括以牧草為飼料的牛羊肉、奶類的消費(fèi)量;水域消費(fèi)包括魚蝦等水產(chǎn)品的消費(fèi)量。棉花的消費(fèi)通過將紡織類產(chǎn)品折算得來，木材消費(fèi)通過對(duì)家具及裝飾品、文化辦公用品及書報(bào)雜志類的消費(fèi)折算得來。

3.3 用地面積調(diào)整系數(shù)

森林是吸納化石能源燃燒后產(chǎn)生的CO2和其他污染物的最重要地類，是應(yīng)對(duì)氣候變化的有效途徑，是保證區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[20]。國際公認(rèn)區(qū)域生態(tài)狀況良好的標(biāo)準(zhǔn)之一是森林覆蓋率達(dá)到30%，而目前研究區(qū)多市這一指標(biāo)則不足20%。為了提升森林覆蓋率，河南省制定了多種措施，包括退耕還林、宜林荒山地造林、封山育林等，也取得了較好的成效，但森林覆蓋率仍然處于較低水平。因此本研究假定通過多種措施實(shí)施后各市森林覆蓋率達(dá)到30%，并假定該狀態(tài)時(shí)需增加林地的來源為閑置建設(shè)用地整治和低產(chǎn)能耕地退耕。根據(jù)2018年《中國農(nóng)村發(fā)展報(bào)告》，2017年全國農(nóng)村閑置宅基地可用于整治的有6.67×106 hm2左右，占全部農(nóng)村宅基地面積的1/3左右。不僅是農(nóng)村，我國城鎮(zhèn)房屋空置率和開發(fā)區(qū)土地閑置率也居高不下，建設(shè)用地粗放利用現(xiàn)象突出[21]。因此本研究假定閑置和粗放利用的建設(shè)用地可用于整治退出或建設(shè)為園林綠地的比例為20%;林地剩余增加面積來源為耕地退耕還林。各用地類型面積調(diào)整系數(shù)見表7，洛陽市、三門峽市和濟(jì)源市林地覆蓋率本身就大于30%，故不進(jìn)行用地面積調(diào)整。

3.4 系數(shù)調(diào)整后土地承載狀況評(píng)價(jià)

利用表6、表7中各市各地類的消費(fèi)調(diào)整系數(shù)和用地結(jié)構(gòu)調(diào)整系數(shù)，采用開放式生態(tài)足跡和生態(tài)承載力評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)研究區(qū)經(jīng)消費(fèi)系數(shù)調(diào)整后的各地類生態(tài)足跡和經(jīng)用地面積調(diào)整后的各地類生態(tài)承載力，并計(jì)算調(diào)整前后各市各用地土地承載狀況的變化（表8、表9、表10）。

從表3、表4、表5、表8、表9、表10可以看出，與原生態(tài)足跡模型評(píng)價(jià)結(jié)果相比，系數(shù)調(diào)整后開放式生態(tài)足跡模型評(píng)價(jià)結(jié)果中，各市各類用地的生態(tài)承載狀況均發(fā)生了變化，尤其以耕地和林地變化最為顯著。耕地和林地人均生態(tài)足跡、承載力和赤字的變化對(duì)比見圖1、圖2。

從圖1可以看出，原生態(tài)足跡模型評(píng)價(jià)結(jié)果中研究區(qū)各市耕地人均生態(tài)足跡均大于人均生態(tài)承載力，各市耕地均處于生態(tài)超載狀態(tài)，人均生態(tài)赤字平均0.133 4 hm2，人均赤字最高的開封市達(dá)0.224 3 hm2，人均赤字最小的鄭州市為0.043 4 hm2。開放式生態(tài)足跡模型經(jīng)系數(shù)調(diào)整后，各市耕地人均生態(tài)足跡均發(fā)生了顯著下降，由于本研究假定除洛陽市、三門峽市、濟(jì)源市外其他6個(gè)市均有退耕還林，故6個(gè)市的生態(tài)承載力也出現(xiàn)了下降，但總體降幅小于生態(tài)足跡下降的幅度，使得各市耕地人均生態(tài)承載狀況也發(fā)生了顯著改變，其中開封市、安陽市、新鄉(xiāng)市、焦作市、濮陽市5個(gè)市人均生態(tài)足跡小于人均生態(tài)承載力，出現(xiàn)了生態(tài)盈余，即這5個(gè)市的耕地生物產(chǎn)量，除了滿足本市的消費(fèi)需求外，還承擔(dān)了部分外區(qū)域的耕地生態(tài)足跡，如開封市耕地總?cè)司鷳B(tài)生產(chǎn)性足跡0.367 0 hm2中，本市的耕地消費(fèi)足跡僅占16%，為0.058 4 hm2，剩余84%的耕地生態(tài)生產(chǎn)性足跡均為分擔(dān)外區(qū)域的耕地生態(tài)足跡。鄭州市、洛陽市、三門峽市和濟(jì)源市4個(gè)市雖然仍然存在生態(tài)赤字，但赤字水平也發(fā)生了顯著下降，其中赤字最大的鄭州市為0.042 5 hm2。鄭州市赤字較大的原因是人口眾多，其余3個(gè)市均為山區(qū)市，耕地面積較小，且存在一定的低產(chǎn)能耕地，造成耕地產(chǎn)出小于耕地產(chǎn)品的消費(fèi)。而研究區(qū)9個(gè)市總體而言從人均0.133 4 hm2的生態(tài)赤字，變?yōu)?0.003 9 hm2 的生態(tài)盈余，反映出研究區(qū)耕地總體產(chǎn)出大于消費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2020年河南省糧食產(chǎn)量已實(shí)現(xiàn)“17連增”，連續(xù)多年總產(chǎn)超650億kg，2020年更是超675億kg，其中糧食及其制成品、生豬等外調(diào)份額達(dá)到1/3以上，說明河南省總體而言耕地產(chǎn)出有盈余，證明開放式生態(tài)足跡模型評(píng)價(jià)結(jié)果更符合研究區(qū)耕地的實(shí)際生態(tài)承載狀況。

根據(jù)圖2結(jié)果，鄭州市、開封市、洛陽市和濟(jì)源市系數(shù)調(diào)整后林地人均生態(tài)足跡大于原模型足跡，其他市則相反;由于除洛陽市、三門峽市和濟(jì)源市林地面積無變化，其他6個(gè)市均假定了退耕還林，故6個(gè)市的林地生態(tài)承載力均出現(xiàn)了提升;原模型評(píng)價(jià)結(jié)果中，鄭州市、新鄉(xiāng)市、焦作市和濮陽市林地存在生態(tài)赤字，而新模型評(píng)價(jià)結(jié)果中林地存在赤字的市分別是鄭州市、洛陽市和濟(jì)源市。鄭州市和洛陽市人口眾多加上工業(yè)發(fā)達(dá)，故林產(chǎn)品消費(fèi)較高，濟(jì)源市則是因?yàn)榱之a(chǎn)品產(chǎn)量小， 造成原模型計(jì)算的生

產(chǎn)性足跡偏低，因而生產(chǎn)性足跡小于消費(fèi)足跡。研究區(qū)9個(gè)市總體而言，系數(shù)調(diào)整后林地生態(tài)盈余從人均0.000 2 hm2上升到0.005 6 hm2。

系數(shù)修正前后，2種模型評(píng)價(jià)結(jié)果中，各市人均草地生態(tài)足跡、承載力均極小，變化也不明顯，主要原因是研究區(qū)草地面積較小，僅占總土地面積的5.27%，且以其他草地為主，天然牧草地和人工牧草地面積極小，僅有0.59 km2，因此河南省的畜牧養(yǎng)殖業(yè)基本以圈養(yǎng)為主。

原生態(tài)足跡模型評(píng)價(jià)出研究區(qū)鄭州市、開封市、新鄉(xiāng)市和濟(jì)源市水域人均生態(tài)足跡大于人均生態(tài)承載力，水域處于生態(tài)超載狀態(tài)，開放式生態(tài)足跡模型經(jīng)相關(guān)系數(shù)修正后，僅安陽市水域用地人均生態(tài)足跡稍高于人均生態(tài)承載力，其他8個(gè)市水域處于生態(tài)盈余狀態(tài)，研究區(qū)人均生態(tài)盈余為 0.000 2 hm2。研究區(qū)近年來水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，多地養(yǎng)殖基地水產(chǎn)品單產(chǎn)均處于全國領(lǐng)先水平，根據(jù)《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》，2017年河南省人均水產(chǎn)品生產(chǎn)量為10 kg，但人均消費(fèi)量則不足5 kg，故水域用地處于生態(tài)盈余狀態(tài)。

原生態(tài)足跡模型評(píng)價(jià)結(jié)果中，鄭州市、洛陽市、三門峽市和濟(jì)源市4個(gè)市人均建設(shè)用地存在赤字，其他5個(gè)市為生態(tài)盈余狀態(tài)，即5個(gè)市建設(shè)用地存在規(guī)模偏大的情況;新模型中洛陽市、三門峽市、濟(jì)源市3個(gè)市建設(shè)用地?zé)o變化，其他6個(gè)市建設(shè)用地均調(diào)出了20%，造成6個(gè)市生態(tài)盈余均發(fā)生了下降，其中焦作市更是從生態(tài)盈余變?yōu)榱松鷳B(tài)赤字狀態(tài)。

2種模型評(píng)價(jià)出研究區(qū)各市化石能源用地人均生態(tài)足跡均大于人均生態(tài)承載力，處于生態(tài)赤字狀態(tài)，修正后人均生態(tài)赤字出現(xiàn)了下降，但降幅較小，反映出研究區(qū)人均能源消費(fèi)量巨大，僅靠增加森林覆蓋率很難實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有能源消費(fèi)污染物的吸收，還需從調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)降低能源消費(fèi)總量、調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)提高清潔能源比例等多方面共同入手，才能從根本上緩解生態(tài)超載狀態(tài)。

從圖3可以看出，雖然研究區(qū)多市耕地、林地等用地類型存在生態(tài)盈余，但盈余遠(yuǎn)小于各市人均化石能源用地的生態(tài)赤字，造成研究區(qū)除開封市、濮陽市外，各用地類型的綜合生態(tài)承載狀況均為超載狀態(tài)，因此研究區(qū)在實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注能源消費(fèi)。

4 結(jié)論與討論

開放式生態(tài)足跡模型評(píng)價(jià)結(jié)果可明確區(qū)分區(qū)域總生態(tài)足跡中內(nèi)部消費(fèi)足跡與承擔(dān)的外部區(qū)域消費(fèi)足跡，評(píng)級(jí)結(jié)果更符合實(shí)際。

貿(mào)易交流的普遍性，決定了以生物生產(chǎn)量作為消費(fèi)量計(jì)算的生態(tài)足跡不能代表區(qū)域真實(shí)的生態(tài)足跡。尤其是對(duì)于糧食等生物產(chǎn)品的輸出地區(qū)，生產(chǎn)性足跡會(huì)大于當(dāng)?shù)卣鎸?shí)的生態(tài)足跡，區(qū)域生態(tài)承載能力會(huì)被低估;同樣對(duì)于生物產(chǎn)品的輸入地區(qū)，其生產(chǎn)性足跡會(huì)小于當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)足跡，區(qū)域生態(tài)承載能力會(huì)被高估。

對(duì)研究區(qū)2017年的實(shí)證研究表明，2種模型的評(píng)價(jià)結(jié)果間存在顯著差異，新模型評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)大部分市本市消費(fèi)的耕地生態(tài)足跡遠(yuǎn)未達(dá)到生態(tài)承載力上限，耕地生態(tài)承載狀態(tài)良好，但由于研究區(qū)多市均為糧食生產(chǎn)核心區(qū)，耕地產(chǎn)品除了滿足區(qū)域內(nèi)人民生產(chǎn)生活消費(fèi)外，還有大比例的份額輸出，這部分生物產(chǎn)品的消費(fèi)足跡是研究區(qū)承擔(dān)的外部區(qū)域生態(tài)足跡，如開封市耕地生產(chǎn)足跡中有84%均為承擔(dān)外區(qū)域的生態(tài)足跡。

能源消費(fèi)是研究區(qū)生態(tài)承載狀況的決定性因素，是左右研究區(qū)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程的關(guān)鍵。在增加林地面積的假設(shè)下，研究區(qū)林地生態(tài)承載狀況有了顯著提升，但化石能源用地的人均生態(tài)承載力卻提升有限，原因是研究區(qū)人均能源消費(fèi)量巨大，僅靠增加森林覆蓋率很難實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有能源消費(fèi)污染物的吸納，還需從調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)等多方面共同入手，才能從根本上緩解能源用地生態(tài)超載狀態(tài)。

開放式生態(tài)足跡模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同土地利用結(jié)構(gòu)、居民消費(fèi)結(jié)構(gòu)下區(qū)域生態(tài)承載狀況的模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，可提出在有限用地規(guī)模前提下，提升區(qū)域土地生態(tài)承載力的技術(shù)方法。研究成果可為河南省土地用地結(jié)構(gòu)調(diào)整、土地利用規(guī)劃、土地保護(hù)等工作提供參考，并為黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

生物生產(chǎn)性生態(tài)足跡不僅受到用地結(jié)構(gòu)、消費(fèi)系數(shù)的影響，還受居民消費(fèi)結(jié)構(gòu)、人口變化和科技發(fā)展水平的影響，下一步開放式生態(tài)足跡模型中將考慮加入這些因素，以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確對(duì)區(qū)域生態(tài)足跡的評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)。

能源賬戶生態(tài)足跡應(yīng)進(jìn)行貿(mào)易修正。雖然能源足跡計(jì)算時(shí)直接使用的是本地區(qū)的能源消費(fèi)數(shù)據(jù)，但區(qū)域內(nèi)消耗的能源，其生產(chǎn)的產(chǎn)品卻不完全是本地區(qū)消費(fèi)的，能源消耗所產(chǎn)生的溫室氣體也不應(yīng)該完全由本地區(qū)負(fù)責(zé)消納。因此能源足跡也應(yīng)進(jìn)行貿(mào)易修正，扣除貿(mào)易輸出產(chǎn)品所攜帶的能源消費(fèi)量。

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