基于生态足迹模型新兴海岛城市生态承载力研究
摘要：运用生态足迹的基本理论方法，利用GIS技术计算和分析了平潭综合实验区1990、2000、2005、2010、2015年5个年份土地利用变化情况及生态足迹动态变化过程，并利用SPSS软件对实验区生态足迹作出预测及相关性分析。结果表明，实验区人均生态足迹呈持续增长，人均生态承载力呈逐年递减趋势，从而造成生态赤字逐年扩大，至2015年增長到1.1415hm2/人。发展预测结果显示，至2020年，实验区生态赤字将高达1.505hm2/人，且生态赤字与耕地年均损失率相关性最大，其次为交通运输投资、财政总支出和人均住房面积。
关键词：生态足迹；生态承载力；动态分析；GIS；平潭
中图分类号：P754.1 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）04-0214-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.103
Abstract： Based on the basic theory of ecological footprint， the process of land use change and dynamic change of ecological footprint in Pingtan comprehensive experimental area in 1990， 2000， 2005， 2010 and 2015 were calculated and analyzed by GIS technology. SPSS software The ecological footprint of the experimental area to make a prediction and correlation analysis. The results showed that the per capita ecological footprint of the experimental area continued to increase， and the per capita ecological carrying capacity decreased year by year， resulting in the ecological deficit increasing year by year and increasing to 1.1415 hm2 / person by 2015. The forecast results show that the ecological deficit will be as high as 1.505 hm2 / person by 2020， and the ecological deficit will have the greatest correlation with the annual loss rate of cultivated land， followed by transportation investment， total fiscal expenditure and per capita housing area.
Key words：Ecological footprint；Ecological carrying capacity；Dynamic analysis； GIS； Pingtan
国务院于2011年12月批准实施《平潭综合实验区总体发展规划》，平潭综合实验区主要突出“先行先试”功能，具体定位为：两岸交流合作的先行区、体制机制改革创新的示范区、两岸同胞共同生活的宜居区和海峡西岸科学发展的先导区。近年来，平潭综合实验区作为海峡西岸经济区建设发展的“桥头堡”，经济建设日新月异，大规模原有用地类型的转变给海岛的生态环境带来新的问题，如何在开发与保护中寻求平衡是亟待解决的问题。生态承载力作为区域可持续发展能力评价的重要指标[1]，因此研究开发区生态承载力状况、变化趋势，对于增强区域可持续发展能力、协同国家生态文明实验区（福建）建设具有重要的实践和理论意义。本文在GIS技术的支持下，以平潭岛遥感影像和统计资料为基础数据，结合生态足迹模型对平潭综合试验区1990、2000、2005、2010、2015近二十五年生态承载力进行定量化表达，并动态变化分析，针对试验区可持续发展中存在的问题提出相关措施和建议，以期政府或相关部门制定政策与规划提供科学依据。
1 研究区概况
福建省平潭综合实验区地处福建沿海中部，东临台湾海峡，是大陆距离台湾省最近的县；北面、西面和南面分别与福州长乐市、福清市和莆田秀屿区隔海相望。平潭综合实验区规划面积392.92km2，地貌类型以丘陵和滨海平原为主，气候属于南亚热带半湿润海洋性季风气候。
2 研究方法与数据来源
2.1 研究方法
假设1：各类土地在空间上互斥，即各类土地作用类型单一，不能同时发挥多种功能[2]。
假设2：可以确定区域内消耗的资源、能源和产生废弃物的数量，并可折算为具有统一单位、可加和的生物物理指标，即全球公顷（gha）[2]。
生态足迹是指用于生产区域人口消费的所有资源和吸纳区域产生的所有废弃物所需要的生物生产性土地总面积。计算公式[3]为：
式中，i为消费商品的类别，只为第i种消费商品的平均生产能力，Ci为第i种商品的人均消费量，Ri为均衡因子，N为人口数，ef为人均生态足迹，EF为总生态足迹。根据《我们共同的未来》所建议的，应该留出12%的生物生产性土地面积以保护生物多样性，因此，在生态承载力计算时应扣除12%的生物多样性保护面积。
生态承载力是指区域所能提供给人类的生物生产性土地的面积总和。计算公式[3]为：
式中，ai为人均生物生产面积，ri为均衡因子，yi为产量因子，N为人口数，ec为人均生态承载力，EC为生态承载力总量。
生态盈亏ed是指生态足迹和生态承载力之差。
2.2 数据来源
采用Landsat TM影像、ALOS卫星影像数据，运用GIS技术平台，结合野外GPS样本调查、区域地形等资料，通过遥感解译获得实验区不同时期土地类型数据，同时结合《平潭县统计年鉴》《福州市统计年鉴》等资料，根据生态承载力计算模型，对平潭综合实验区1990、2000、2005、2010、2015年的生态承载力进行计算分析。
计算模型中均衡因子采用2006年世界野生基金会（WWF）《Living Planet Report 2006》报告中关于均衡因子研究的成果。产量因子本文根据国内与省内的实际情况，取刘某承等[4]、邱寿丰等[5]两者研究成果的平均值。
3 结果与分析
3.1 土地利用变化幅度分析
从图1可以发现，1990-2000年平潭岛土地利用变化幅度较小，而后呈逐年递增态势。在2010-2015年期间，耕地减少幅度达到26.71%，建设用地增幅达到70.23%，这与2010年平潭被确定为综合实验区后，大面积开发建设有关，根据遥感解译结果，平潭岛中部的芦洋乡、岚城乡区域土地类型在该时段发生了较大变化，中部作为实验区总体规划的主体功能区，是首批开发区，将建成集金融商务、行政办公、高档住宅为一体的商务区，新开发占用了大量的农田和林地。
3.2 人均生态足迹动态分析
由表1可知，在研究期间内平潭综合实验区人均生态足迹呈持续增长趨势，从1990年的0.6525hm2/人增加到2015年的1.2878hm2/人，净增长0.6353hm2/人，涨幅93.36%，说明实验区内经济快速发展，对生物资源和能源资源的消耗逐年增加，对岛内生态承载造成的压力也在不断加大。不同年份各类土地类型人均生态足迹的变化趋势看，水域对平潭岛总体的人均生态足迹影响最大并且两者趋势一致，化石能源用地的人均生态足迹逐年呈不断上升趋势，表明实验区的开发建设需要较大量的化石能源，尤其在2010年-2015年期间，增幅尤为明显；耕地、草地、林地、建筑用地四种土地利用类型的人均生态足迹趋势总体趋于稳定。
3.3 人均生态承载力动态及相关性分析
由表2可知，在研究期间内平潭综合实验区人均生态承载力总体上呈波动递减趋势，从1990年的0.1929hm2/人下降到2015年的0.1463hm2/人，净减少0.0466hm2/人，降幅为24.15%，其中2010-2015年期间降幅最大，说明实验区在大开发背景下生态承载力下降较为显著。不同年份各类土地类型人均生态承载力的变化趋势来看，草地和水域人均生态承载力降幅较大，一方面是因为平潭属海岛，生态环境较为脆弱，地势平坦处分布有较大面积的草地，开发过程中首先破坏该地类，另外养殖业在当地较为发达，随着近年水资源减少及开发占用导致较多养殖区改变用途。从人均生态承载力的构成要素来看，耕地是主要构成要素，另外还有林地及水域，三者的变化决定了实验区总体人均生态承载力的变化。
3.4 人均生态赤字与其构成要素动态分析
由表3 可知，1990-2015年期间平潭综合实验区生态赤字呈逐年增长态势，从1990年的0.4596hm2/人增长到2015年的1.1415hm2/人，增幅达到近1.5倍。平潭四面环海，海陆风频繁，属于典型的海岛生态脆弱区，环境资源相对匮乏，随着近年岛内的开发建设，耕地大面积转出和对草地的围垦，同时城镇化的进程中围海造地，大量的提供区域所需资源的用地类型转为建设用地等，致使区域生态赤字显著提高。截止2015年，化石燃料用地、林地、水域和耕地的生态赤字分别为1990年的10.4、4.6、1.3和0.36倍。
3.5 生态赤字预测及相关性分析
根据上述计算得到的生态赤字结果，基于SPSS20.0以生态赤字为因变量，以5年为一个阶段序号为自变量，进行两者的曲线拟合，得到生态赤字的变化预测模型如下：
y=0.048x2-0.131x+0.563（R2=0.989）
根据预测模型，实验区按现有的发展态势，至2020年生态赤字将会是1.505hm2/人。此次选取海岛开发建设中对生态赤字变化有一定影响的社会保障投资、全年造林面积、人均住房面积、交通运输投资、森林覆盖率、耕地年均损失率、财政总支出这7个因素。按照排序与生态赤字进行相关性分析，计算各要素与人均生态赤字的相关性分析。
由表4可知，各因子均与人均生态赤字呈为正相关，其中耕地年均损失率相关性最大，其次为交通运输投资、财政总支出和人均住房面积，这与平潭岛新开发占用了大量的农田及林地有关。
4 结论与建议
本研究对平潭综合实验区1990-2015年人均生态足迹、人均生态承载力和生态赤字动态分析及预测与相关性分析，可以得出以下结论：（1）平潭综合实验区人均生态足迹呈持续增长，人均生态承载力呈逐年递减趋势，从而造成生态赤字逐年扩大，人均生态赤字至2015年增长到1.1415hm2/人，这与平潭岛自身四面环海、环境资源相对匮乏有关，同时近年实验区大开发建设致使区域生态赤字逐年提高。（2）根据预测结果显示，到2020年，实验区生态赤字将高达1.505hm2/人，且通过相关性分析表明生态赤字与耕地年均损失率相关性最大，其次为交通运输投资、财政总支出和人均住房面积。
为了缓解平潭综合实验区经济发展对生态和环境资源形成的压力，提高实验区可持续发展能力，本文提出以下措施建议：（1）大力保护生态与环境，建设可持续的生态城市。在区域发展的过程中应加强对这些要素的保护，特别是林地和草地，通过保护现有林地，种植新的人工林，将进一步提高区域生态环境质量，确保平潭岛的开发开放实现可持续发展。（2）增加政府科技财政投入，提高耕地、草地、水域、化石燃料单位土地面积生物产量，保护现有的耕地资源，通过土地开发整理来增加耕地；（3）优化产业结构，禁止高能耗、高污染的产业进入实验区内，建立资源节约型、环境友好型的双型社会。
参考文献
[1]COHEN J E Population growth and earths huamn carrying capacity[J].Science. 1995，（26）：341-346.
[2]杨开忠，杨泳，陈洁.生态足迹分析理论与方法[J].地球科学进展，2000，15（6）：630-636.
[3]MATHIS W，YOUNT D J.The ecological footprint：an indicator of progress toward regional sustainability[J].Environmental Monitoring and Assessment，1998，（51）：511-529.
[4]刘某承，李文华，谢高地.基于净初级生产力的中国生态足迹产量因子测算[J].生态学杂志，2010，29（3）：592-597.
[5]邱寿丰.2008年福建省生态足迹和生态承载力[J].发展研究，2009，（12）：80-83.
作者简介：陈振亮（1984-），男，生态学硕士研究生，工程师，研究方向为遥感景观生态研究、区域规划。
关键词：生态足迹；生态承载力；动态分析；GIS；平潭
中图分类号：P754.1 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2017）04-0214-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2017.04.103
Abstract： Based on the basic theory of ecological footprint， the process of land use change and dynamic change of ecological footprint in Pingtan comprehensive experimental area in 1990， 2000， 2005， 2010 and 2015 were calculated and analyzed by GIS technology. SPSS software The ecological footprint of the experimental area to make a prediction and correlation analysis. The results showed that the per capita ecological footprint of the experimental area continued to increase， and the per capita ecological carrying capacity decreased year by year， resulting in the ecological deficit increasing year by year and increasing to 1.1415 hm2 / person by 2015. The forecast results show that the ecological deficit will be as high as 1.505 hm2 / person by 2020， and the ecological deficit will have the greatest correlation with the annual loss rate of cultivated land， followed by transportation investment， total fiscal expenditure and per capita housing area.
Key words：Ecological footprint；Ecological carrying capacity；Dynamic analysis； GIS； Pingtan
国务院于2011年12月批准实施《平潭综合实验区总体发展规划》，平潭综合实验区主要突出“先行先试”功能，具体定位为：两岸交流合作的先行区、体制机制改革创新的示范区、两岸同胞共同生活的宜居区和海峡西岸科学发展的先导区。近年来，平潭综合实验区作为海峡西岸经济区建设发展的“桥头堡”，经济建设日新月异，大规模原有用地类型的转变给海岛的生态环境带来新的问题，如何在开发与保护中寻求平衡是亟待解决的问题。生态承载力作为区域可持续发展能力评价的重要指标[1]，因此研究开发区生态承载力状况、变化趋势，对于增强区域可持续发展能力、协同国家生态文明实验区（福建）建设具有重要的实践和理论意义。本文在GIS技术的支持下，以平潭岛遥感影像和统计资料为基础数据，结合生态足迹模型对平潭综合试验区1990、2000、2005、2010、2015近二十五年生态承载力进行定量化表达，并动态变化分析，针对试验区可持续发展中存在的问题提出相关措施和建议，以期政府或相关部门制定政策与规划提供科学依据。
1 研究区概况
福建省平潭综合实验区地处福建沿海中部，东临台湾海峡，是大陆距离台湾省最近的县；北面、西面和南面分别与福州长乐市、福清市和莆田秀屿区隔海相望。平潭综合实验区规划面积392.92km2，地貌类型以丘陵和滨海平原为主，气候属于南亚热带半湿润海洋性季风气候。
2 研究方法与数据来源
2.1 研究方法
假设1：各类土地在空间上互斥，即各类土地作用类型单一，不能同时发挥多种功能[2]。
假设2：可以确定区域内消耗的资源、能源和产生废弃物的数量，并可折算为具有统一单位、可加和的生物物理指标，即全球公顷（gha）[2]。
生态足迹是指用于生产区域人口消费的所有资源和吸纳区域产生的所有废弃物所需要的生物生产性土地总面积。计算公式[3]为：
式中，i为消费商品的类别，只为第i种消费商品的平均生产能力，Ci为第i种商品的人均消费量，Ri为均衡因子，N为人口数，ef为人均生态足迹，EF为总生态足迹。根据《我们共同的未来》所建议的，应该留出12%的生物生产性土地面积以保护生物多样性，因此，在生态承载力计算时应扣除12%的生物多样性保护面积。
生态承载力是指区域所能提供给人类的生物生产性土地的面积总和。计算公式[3]为：
式中，ai为人均生物生产面积，ri为均衡因子，yi为产量因子，N为人口数，ec为人均生态承载力，EC为生态承载力总量。
生态盈亏ed是指生态足迹和生态承载力之差。
2.2 数据来源
采用Landsat TM影像、ALOS卫星影像数据，运用GIS技术平台，结合野外GPS样本调查、区域地形等资料，通过遥感解译获得实验区不同时期土地类型数据，同时结合《平潭县统计年鉴》《福州市统计年鉴》等资料，根据生态承载力计算模型，对平潭综合实验区1990、2000、2005、2010、2015年的生态承载力进行计算分析。
计算模型中均衡因子采用2006年世界野生基金会（WWF）《Living Planet Report 2006》报告中关于均衡因子研究的成果。产量因子本文根据国内与省内的实际情况，取刘某承等[4]、邱寿丰等[5]两者研究成果的平均值。
3 结果与分析
3.1 土地利用变化幅度分析
从图1可以发现，1990-2000年平潭岛土地利用变化幅度较小，而后呈逐年递增态势。在2010-2015年期间，耕地减少幅度达到26.71%，建设用地增幅达到70.23%，这与2010年平潭被确定为综合实验区后，大面积开发建设有关，根据遥感解译结果，平潭岛中部的芦洋乡、岚城乡区域土地类型在该时段发生了较大变化，中部作为实验区总体规划的主体功能区，是首批开发区，将建成集金融商务、行政办公、高档住宅为一体的商务区，新开发占用了大量的农田和林地。
3.2 人均生态足迹动态分析
由表1可知，在研究期间内平潭综合实验区人均生态足迹呈持续增长趨势，从1990年的0.6525hm2/人增加到2015年的1.2878hm2/人，净增长0.6353hm2/人，涨幅93.36%，说明实验区内经济快速发展，对生物资源和能源资源的消耗逐年增加，对岛内生态承载造成的压力也在不断加大。不同年份各类土地类型人均生态足迹的变化趋势看，水域对平潭岛总体的人均生态足迹影响最大并且两者趋势一致，化石能源用地的人均生态足迹逐年呈不断上升趋势，表明实验区的开发建设需要较大量的化石能源，尤其在2010年-2015年期间，增幅尤为明显；耕地、草地、林地、建筑用地四种土地利用类型的人均生态足迹趋势总体趋于稳定。
3.3 人均生态承载力动态及相关性分析
由表2可知，在研究期间内平潭综合实验区人均生态承载力总体上呈波动递减趋势，从1990年的0.1929hm2/人下降到2015年的0.1463hm2/人，净减少0.0466hm2/人，降幅为24.15%，其中2010-2015年期间降幅最大，说明实验区在大开发背景下生态承载力下降较为显著。不同年份各类土地类型人均生态承载力的变化趋势来看，草地和水域人均生态承载力降幅较大，一方面是因为平潭属海岛，生态环境较为脆弱，地势平坦处分布有较大面积的草地，开发过程中首先破坏该地类，另外养殖业在当地较为发达，随着近年水资源减少及开发占用导致较多养殖区改变用途。从人均生态承载力的构成要素来看，耕地是主要构成要素，另外还有林地及水域，三者的变化决定了实验区总体人均生态承载力的变化。
3.4 人均生态赤字与其构成要素动态分析
由表3 可知，1990-2015年期间平潭综合实验区生态赤字呈逐年增长态势，从1990年的0.4596hm2/人增长到2015年的1.1415hm2/人，增幅达到近1.5倍。平潭四面环海，海陆风频繁，属于典型的海岛生态脆弱区，环境资源相对匮乏，随着近年岛内的开发建设，耕地大面积转出和对草地的围垦，同时城镇化的进程中围海造地，大量的提供区域所需资源的用地类型转为建设用地等，致使区域生态赤字显著提高。截止2015年，化石燃料用地、林地、水域和耕地的生态赤字分别为1990年的10.4、4.6、1.3和0.36倍。
3.5 生态赤字预测及相关性分析
根据上述计算得到的生态赤字结果，基于SPSS20.0以生态赤字为因变量，以5年为一个阶段序号为自变量，进行两者的曲线拟合，得到生态赤字的变化预测模型如下：
y=0.048x2-0.131x+0.563（R2=0.989）
根据预测模型，实验区按现有的发展态势，至2020年生态赤字将会是1.505hm2/人。此次选取海岛开发建设中对生态赤字变化有一定影响的社会保障投资、全年造林面积、人均住房面积、交通运输投资、森林覆盖率、耕地年均损失率、财政总支出这7个因素。按照排序与生态赤字进行相关性分析，计算各要素与人均生态赤字的相关性分析。
由表4可知，各因子均与人均生态赤字呈为正相关，其中耕地年均损失率相关性最大，其次为交通运输投资、财政总支出和人均住房面积，这与平潭岛新开发占用了大量的农田及林地有关。
4 结论与建议
本研究对平潭综合实验区1990-2015年人均生态足迹、人均生态承载力和生态赤字动态分析及预测与相关性分析，可以得出以下结论：（1）平潭综合实验区人均生态足迹呈持续增长，人均生态承载力呈逐年递减趋势，从而造成生态赤字逐年扩大，人均生态赤字至2015年增长到1.1415hm2/人，这与平潭岛自身四面环海、环境资源相对匮乏有关，同时近年实验区大开发建设致使区域生态赤字逐年提高。（2）根据预测结果显示，到2020年，实验区生态赤字将高达1.505hm2/人，且通过相关性分析表明生态赤字与耕地年均损失率相关性最大，其次为交通运输投资、财政总支出和人均住房面积。
为了缓解平潭综合实验区经济发展对生态和环境资源形成的压力，提高实验区可持续发展能力，本文提出以下措施建议：（1）大力保护生态与环境，建设可持续的生态城市。在区域发展的过程中应加强对这些要素的保护，特别是林地和草地，通过保护现有林地，种植新的人工林，将进一步提高区域生态环境质量，确保平潭岛的开发开放实现可持续发展。（2）增加政府科技财政投入，提高耕地、草地、水域、化石燃料单位土地面积生物产量，保护现有的耕地资源，通过土地开发整理来增加耕地；（3）优化产业结构，禁止高能耗、高污染的产业进入实验区内，建立资源节约型、环境友好型的双型社会。
参考文献
[1]COHEN J E Population growth and earths huamn carrying capacity[J].Science. 1995，（26）：341-346.
[2]杨开忠，杨泳，陈洁.生态足迹分析理论与方法[J].地球科学进展，2000，15（6）：630-636.
[3]MATHIS W，YOUNT D J.The ecological footprint：an indicator of progress toward regional sustainability[J].Environmental Monitoring and Assessment，1998，（51）：511-529.
[4]刘某承，李文华，谢高地.基于净初级生产力的中国生态足迹产量因子测算[J].生态学杂志，2010，29（3）：592-597.
[5]邱寿丰.2008年福建省生态足迹和生态承载力[J].发展研究，2009，（12）：80-83.
作者简介：陈振亮（1984-），男，生态学硕士研究生，工程师，研究方向为遥感景观生态研究、区域规划。
