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生态承载力的空间格局--中国县级供需平衡

刘东 冯志明 杨艳钊 游真

中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101

摘要：均衡的生态承载力及其理解对实现人类可持续发展具有重要意义。在这里，生态承载力的概念已被用于衡量人与自然之间的依赖关系。中国在供需方面的生态平衡已成为全球关注的焦点，并受到广泛的争议。在这项研究中，“生态足迹”方法被用来分析中国生态承载力的供需平衡。首先，计算和评估生态供需平衡，其次，生态承载能力 （ECCI），并最终系统地评估了中国的生态承载力供需平衡。结果表明，2007年中国县域生态承载力供需平衡的主要特征是生态赤字。总体而言，中国五分之四以上的人口集中在不到三分之一的土地面积上，三分之二以上的土地面积只有不到五分之一的人口居住。生态承载力需求供给的空间分布不平衡，从重大超载到东南向富裕中国西部。在受移民吸引并且人口密度普遍较高的沿海地区，这一地区似乎更具优势。随着中国快速发展和城市化趋势，这些地区的生态赤字将更加严峻。

关键词：生态足迹; 生态承载力; 生态承载力指数; 供需平衡;地理信息系统; 中国

1介绍

自然生态学是生物生存和发展的重要基础（Rees，1992; Torras，2003）。 作为生物实体之一，人类企业也无疑依赖并生活在世界生态系统的生物承载力范围内。不幸的是，随着经济的发展和财富的富裕，一系列的生物问题，如土地沙漠化（Guo，2010），水体富营养化（Jaap等，2010），不可再生能源枯竭（Julien andAndreacute;，2010 ），气候变化（Martin et al。，2009）等等，已经出现在世界各地，人口，资源和环境的关系似乎越来越严重。 因此，全面解决人口，资源和环境问题是必要的，也是越来越重要的，可持续发展应是最终目标。 生物承载力是一个地区评估人口，资源和环境可持续发展的重要指标。

生态承载力包括资源承载力和环境承载力。资源承载力研究侧重于某一特定时期资源可支持的人口数量，而环境承载力研究则强调环境可承受的最大程度的人类活动或排放的污染物。然而，在生态系统中，资源和环境是相对的，但并非绝对不相互关联。因此，基于资源流动支持或污染物环境吸收能力的单一研究对于生态承载力研究并不完美。生态足迹（EF），这个概念最初由Rees（1992）提出并由Wackernagel和Rees开发（1995）在90年代平衡了单一资源或环境承载能力的不完善性。提到资源和环境，定义人口的生态系统是生产性生态系统的领域，持续需要这些生产性生态系统来生产人口消耗的资源并消化其废物（Rees，2003年）。与生物承载力指定区域的实际可利用面积相比，EF法可用于评估自然资本供给与社会经济环境之间的平衡关系，经济需求。作为比较生态承载力供需平衡的一种简单而有效的方法，世界上许多学者从开发以来就评估了可持续发展。

中国作为世界上最大的发展中国家之一，正在经历人口快速增长和经济发展，导致自然资源和环境压力加大。中国的生态承载力供需平衡态势如何，生态承载力是否能支撑中国经济的快速发展和人口快速增长？这是中国和国际科学界的主要关注点。然而，现有文献的结果只是一个国家的生态盈余或赤字，没有关于生态供给需求平衡的信息，导致区域生态承载力没有有效区域化。此外，大多数研究仅集中在国家（Liu，2005; Liu等，2008; Xu等，2003）或区域（Chang等，2005; Jin等，2008; Li等， 2007年，朱等人，2008年）的规模，但县规模小，没有关于中国的更多信息可以找到。本研究着眼于生态供需平衡，采用EF法和GIS技术。本研究系统地分析了2007年中国县域生态承载力的供需平衡，为我国人口空间布局规划和生态安全区划提供了科学依据和决策支持。

2方法和数据来源

2.1生态需求模型：生态足迹（EF）

“生态足迹”（EF）概念指的是人们需要支持其消费和处理废物的生产性土地和水的面积（Rees，1992; Wackernagel和Ree，1995）。它指出，人口的生态足迹与不同生态系统类别中的总体土地和水域相对应，这些人口声称该生态足迹用于生产其消耗的所有资源，并利用主导技术持续吸收其所产生的所有废物（Wackernagel和Yount，1998）。在生态足迹分析中，区分生态生产区六大类：农田，牧场，森林，海洋，建成用地和能源用地。人们消费

资源和生态服务，所以他们的足迹是这六个地区的总和，无论他们身在何处。为记录一个地区的生态生产情况，本区域内上述每个生态类别中存在的生物生产区域的物理公顷数量乘以该地区生态系统生产力与世界平均值不同的产量因子。此外，由于不同类型的土地（例如耕地和牧场）之间的平均生产力存在差异，因此占地面积计算使用等效因子（即该类别的平均生产力与所有类别的总体平均生产力的比率）区域划分为“标准化”区域，并获得相应的世界平均生物生产力区域。标准化后，在生产力相同的情况下，可以将不同类别的土地面积加入一个单一的数字，即生态足迹需求。 EF的公式表示如下：

其中i是消费品类别; j是生物生产力土地的类型; ef是一个地区的人均生态足迹; C i是消费项目i的年消费率; EF和N分别是一个地区的总生态足迹和人口。应该指出的是，与其他国家相比，本文的目的之一是估计中国各县EF的空间差异。有必要使用全国平均生产力和一个县的平均生产力，而不是用方程1中的世界平均生产力和全国平均生产率。因此，在本文中，nP i和cP i是指全国平均生产率和平均生产率 -

一个县的消费项目i分别为; YF i是产量因子，即cP i和nP i的比值; w j是土地类型j的等价因子。根据2008年发表的“2006年地球生命力报告”（WWF International，http：//www.foot-printstandards.org），农田，牧场，森林，海洋，建成用地和能源用地的等价因子分别为2.21,0.49和1.34 ，0.36, 2.21 and 1.34。

2.2生态供应模式：生物承载力（BC）

生物承载力指的是特定地区某一特定人群可以获得的土地和水的实际生物生产力区域，代表了一个地区的人类生态供应量。 同样，生物承载力计算使用的产量因子考虑到生物生产力和等效因子的国家差异，以考虑到世界平均生产力在土地类型之间的差异。 而且在本文中，我们使用全国平均生产力和县的平均生产力，而不是世界平均生产力和全国平均生产力。 它可以用方程式表示。 （3）和（4）如下：

bc=

BC =N *bc

bc和BC是人均生物承载力和一个地区的生物承载力总和; ay i是第i项的年产量;并且i，j，w j，nP i，YF i和N具有与方程1和2相同的含义。

理论上，与足迹分析相同，包括农田，牧场，森林，海洋，建成的土地和能源用地，生物承载力分析区分生态生产区六大类。农田是种植粮食和蔬菜的土地。牧场正在放牧牲畜以生产乳制品和肉类。森林是指可以产生木材产品和水果的树木种植园或天然林。海洋为人类消费提供渔业产品，包括淡水产品和海产品。建成的土地是指用于人类住区和道路的土地。由于大多数人类住区都位于世界上最肥沃的地区，可耕地往往被占领并倒入建成的土地。能源用地是理论上用于封存二氧化碳的土地由化石燃料燃烧释放。然而，目前，没有土地专门用于封存二氧化碳。因此，本文的能源用地面积被视为零（Chang等，2005; Xu等，2000）。根据世界环境与发展委员会的报告，这项研究将生物承载力的12％留给生物多样性保护。

2.3生态需求 - 供给平衡模型：生态承载力指数

为了分析中国的生态供需平衡，本文提出了生态承载力指数（ECCI）。 ECCI指的是一个区域的ef和bc的比率，它可以用方程（5）。

ECCI=

ECCI是生态承载力指数; ef和bc是一个地区的生态足迹和生物承载力。 如公式（5）所示，如果ECCI的价值不会持续低于1.00，这意味着区域生态需求超过生态供给，因此它似乎是生态赤字。 同样，如果ECCI的价值低于1.00，代表生态供给中的区域生态需求，那么该地区就有生态过剩的生产区，以支持人类的消费和处理废物。 如果ECCI的值等于1.00，则意味着生态需求恰好与生态供给相匹配，区域的生态供求关系是平衡的。

根据上述ECCI的定义和理解，中国可以分为三类：1）ECCI低于0.9的生态剩余区域，这意味着生态供给可以满足需求，并且生态生产具有正效益 指示区域。 2）ECCI在0.9-1.1之间的生态供需平衡区域显示了生态生产区的正负数据，这意味着在一些地区，生态供给处于满足需求的关键水平。 3）ECCI高于1.1的生态赤字区，暗示着生态供应不能满足需求，生态赤字的数量也表现出来。 然后，为了更清晰地了解中国县域生态需求的空间格局，可以进一步将其划分为8个等级（见表1）。

表1基于ECCI的生态供需平衡评估标准

2.4数据源

2007年中国各县的生态足迹分析数据来自于中国31个省区统计年鉴，农业年鉴和能源年鉴。 由于省级年鉴数据收集不整合，根据研究需求和数据的可获得性，在对各省的年鉴进行了总结后，收集了生态足迹数据（见表2）。

收集到的数据包括计算EF所需的绝大多数数据，因此基于这些数据的结果将显示中国县级EF的空间格局。在能源足迹计算部分，消费能源统计数据按单位化石能源用地面积的国际平均热生产率标准转化为能源用地面积（Qiu，1995; Wackernagel et al。，1997,1999）（见 表3）。 并将中国第二次土地综合调查数据用于欧盟各国（包括2326个县市，部分城市的县级市和郊区）由于数据不可用而被用于欧共体分析（不包括香港，澳门和台湾）。

来源：参考文献（Qiu，1995; Wackernagel等，1997和1999）。 *单位：GJ / kw·h

3结果与分析

3.1中国县域生态足迹分析

2007年中国县域人均EF和EF分别为137.42 hm2和2.460 hm2 / cap。为了阐明更多关于空间格局的信息，根据县的平均值，中国县级规模的人均EF和EF可以进一步分为8个等级。如图1和图2所示，人均EF和EF的空间分布是不平衡的。对于总体EF而言，高值（图1中的红色区域）主要位于东北平原，河套地区，辽东半岛，京津冀地区，山东半岛，华北平原，中部和下游长江，珠江三角洲，福建东南沿海和四川盆地等。而人均EF则是高值

（图2中的红色区域）发现于内蒙古高原，祁连山及大兴安岭和天山南北两个山麓。人口空间分布的巨大变化体现了中国地理分布的人均EF和总EF的差异。江中下游地区和珠江三角洲地区总体外汇储备价值高的地区往往比其他地区的人口数量更多，导致每个人的外汇储备价值很小。 而由于人口较少，总EF值较小的地区人均EF较高。 如表4所示，2007年华东地区EF总平均值最高，为198.71 hm 2，大于西部地区，为153.63 hm 2。 然而，华东地区人口达510.7百万，是中国西部的1.2倍。 与华西和华中相比，2007年华东人均EF最小，为2.388 hm2 / cap。

3.2中国县域生物承载力分析

2007年中国县域人均生产总值和年均生产总值分别为27.74 hm 2和1.1hm 2 /个。根据EF的平均值，按照县级BC的平均值，中国县级的BC省和BC省人均总人口可以进一步分为8个等级（图3和图4）。总BC（图3中的红色区域）的高值位于大兴安岭和小兴安岭，东北平原，河套地区，长江中下游，天山北麓和西北部青藏高原的一部分等等。对于人均BC年，中国的大部分县份贡献了较低的价值（小于1.1 hm 2 / cap），约占全县总数的80％。类似于生态足迹的结果， 生物承载力的空间分布是不均衡的，由农业生态系统的分界线来划分：大兴安岭东部山丘 - 辽河中上游 - 阴山 - 鄂尔多斯高原 - 祁连山东部 - 东部山麓青藏高原“，位于中国西北部。此外，该线西北部的人均BC值大于东南部。

图3中国县级生态承载力综合评价

图4中国县级人均生态承载力评价

3.3中国县域生态需求与供给平衡

中国县域生态供需平衡结果表明，（第五，五图）生态赤字是县域生态承载力供需平衡的主要特征，指1436个县 人口1.058亿，分别占全国的62％和81％。 但是，该地区生态盈余地区占国土面积的62％，其次是生态赤字区和生态供需平衡区，分别占全国土地面积的32％和6％ 土地面积。 空间分布格局的细节如下：

图5中国县级生态承载力供需平衡空间格局

1. 生态富饶区728个县，土地面积594万平方公里，人口1777万人，占全国县域，土地面积和人口的31.3％，62.4％和13.7％。在生态盈余区域，区分了三个子区域：生态剩余子区域，富裕剩余子区域和过剩子区域。在三个子区域中，生态超盈子区域的县数量最多，其次是生态剩余子区域和富裕剩余子区域，分别为362,187和179。但是，生态盈余子区占中国土地面积的45.4％，丰富的剩余和剩余子区分别占全国土地面积的9％和8％。大兴安岭，小兴安岭，东北平原，内蒙古高原，西北干旱区，青藏高原，黄土高原，云贵高原和四川盆地属于生态盈余区。
2. 生态供需平衡区约有162个县，土地面积57万平方千米，人口6705万，占全国县域总数的7％，6％和5.2％，国土面积和人口。从图5可以看出，与生态盈余区相比，生态等值县的空间分布似乎分散。主要分布在江苏，福建，云南，贵州等东南沿海地区和西南地区。
3. 生态赤字区约1436个县，面积302万平方千

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