基于生态足迹分析的义乌市生态承载力评价，本文主要内容关键词为：义乌市论文,生态论文,承载力论文,足迹论文,评价论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
生态足迹方法以其简洁易懂的定量测量生态状态原理赢得了广大生态研究学者的关注，不仅研究尺度逐步从全球。国家推广到区域[1～4]，评价城市快速发展对城市生态的应用也日渐广泛[5～6]。该方法根据一定的人口和经济规模，计算维持资源消费和废弃物的吸收所需要的生物生产性土地面积，然后与研究区实际可提供的生物生产性土地面积进行量化比较，来反映人类是否生存于自然系统的生态承载力范围内，从而定量的衡量人类对自然生态系统的影响。但是，传统计算方法中一干参数因子均来自统计年鉴，这些统计数据在收集时难免存在误差，如相关研究表明，对各土地类型的核算缺乏一些标准的定义，容易导致计算结果偏差较大[7]，不利于进一步的研究分析。而利用遥感数据获取的参数，具有较强的客观性、真实性，在很大程度上弥补了生态足迹传统计算方法的不足。因此，本文采用结合遥感手段的生态足迹计算方法，分析浙江省义乌市2000年和2007年的生态足迹变化，以期对城市规划决策者提供有利的依据。
1 研究区域概况与研究方法
1.1 研究区概况
义乌市位于浙江省中部，金衢盆地东缘。东邻东阳，南接永康、武义，西与金东、兰溪相连，北和浦江、诸暨交界，处在“承浙东北，联浙西南”的过渡地带，区位优势明显。该市属丘陵地区，东、南、北三面环山，蜿蜒绵亘。属亚热带季风气候，四季分明，光照足，热量优，雨量充沛。年平均气温17.1℃，无霜期243天，年均降雨量1303mm，日照时数2129.7小时，太阳辐射量113.5千卡／
。
通过实施“兴商建市”战略，全市经济和社会各项事业取得了历史性成就，是全国闻名的商贸名城，在全省、尤其在浙中地区经济发展居领先地位。在经济快速发展的同时，城市规模也在急剧扩大，2000年末常住总人口66.84万人，其中城镇人口13.36万人，农村人口53.22万人。到2007年末，常住总人口增至71.63万人，其中城镇人口21.73万人，农村人口49.9万人[8～9]，城市化进程在此期间十分迅速。但义乌市本身的自然资源有限，一些重要资源甚至还存在短缺，如水资源，全市年均水资源总量7.19亿
，人均占有787，大大低于全国和全省平均水平。因此，对义乌市发展的客观、真实的现状评价，不仅是未来合理制定该市发展策略的重要依据，更是确保义乌市走可持续发展的重要指标。
1.2 生态足迹方法
生态足迹方法是一种定量测量人类对自然利用程度的新方法，由加拿大生态经济学家威廉·李斯(William Rees)和他的学生麦斯·威克耐吉尔(Mathis Wackernagel)在1992年提出，并且在1996年由威克耐吉尔进一步完善[10～11]。该方法通过将区域生物资源和能源资源消费转化为提供这种物质流所必须的各种生物生产性土地面积，并以全球可比的世界公顷(gha)统一单位，从而来定量判断一个区域的发展是否处于生态承载能力的范围内。区域的生态足迹如果超过了区域所能提供的生态承载力，就出现生态赤字；如果小于区域的生态承载力，则表现为生态盈余。区域的生态亦字或生态盈余，反映了区域人口对自然资源的利用状况。
生态足迹模型的计算可分为生态足迹（或简称生态足迹需求）和生态承载力（或生态足迹供给）两部分。为了与生态足迹方法区分，本文用生态足迹需求和生态足迹供给来描述。
1.2.1 生态足迹需求
生态足迹法从一个全新的角度考虑人类及其发展与生态环境的关系，通过跟踪区域资源与能源消费，将它们转化为耕地、草地、林地、建筑用地、化石燃料用地和水域6种生物生产性土地面积类型，并假设这6种土地类型在空间上是互斥的[12]。由于6类土地面积的生态生产力不同，不能直接对比，需对各类土地面积乘以一个均衡因子。根据威克耐吉尔[13]利用联合国粮农组织全球农业生态区(GAEZ)及国际应用系统分析研究所(IIASA)估计的土地最大潜在农作物产量的相关数据，计算各类土地均衡因子的结果显示，在过去40年中均衡因子的变化十分微小。因此，目前在生态足迹研究中[14]的均衡因子均采用威克耐吉尔的研究成果。生态足迹需求的计算公式为：
1.2.2 生态足迹供给
六类生物生产性土地类型中，化石能源用地是人类应该留出用于吸收
的土地，而目前事实上人类并未留出这类土地。所以，在生态足迹供给计算中，只有耕地、草地、林地、建筑用地和水域5种生物生产性土地利用面积，对化石能源用地的面积或忽略、或赋0值。但出于生态经济研究的谨慎性考虑，在生态足迹需求的计算中，仍考虑了接纳排放气体所需要的化石能源土地面积。
将以上5种土地利用类型的面积分别乘以相应的均衡因子和产量因子，得到各自的生态承载力面积，最终加合各类土地利用生态供给面积使得到区域总的生态足迹供给。出于谨慎性考虑，在生态承载力计算时，还应扣除12%的生物多样性保护面积[11]。生态承载力计算公式为：
公式(1)、(2)中所用的人口数据、各项具体消费项目的人均消费量均来自《义乌市统计年鉴》(2001)和《义乌市统计年鉴》(2008)[8～9]。其中，生物资源中的耕地资源包括谷物、薯类、豆类、蔬菜、油料、瓜果，草地资源包括猪肉、牛肉、羊肉、禽肉、蛋、奶类，水域资源包括鱼类、虾类，林地资源包括水果、坚果、木材、茶叶、蚕茧；能源资源包括煤、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、石油气、热力、电力10个消费品种。均衡因子及各种消费项目全球年平均产量可从相关文献中查阅[15～16]。以下将对生物生产性土地利用数据和产量因子数据的遥感获取进行详细的叙述。
2 生物生产性土地利用和产量因子的遥感监测
2.1 生物生产性土地利用数据的获取
2000年和2007年的土地利用均通过遥感影像解译所得，影像数据源分别为：2000年5月13日的TM影像，2007年9月5日的SPOT影像。土地利用获取主要流程如下：
(1)几何纠正：以1∶10000地形图为参考，选取一定数量的地面控制点(GCP)，采用二次多项式和最近邻域插值法对两期影像分别进行几何精纠正，确保配准误差(RMS)小于一个像元。利用ERDAS的MASK模块，用义乌市的边界对校正好的影像进行裁剪，获取义乌市两期影像。
(2)分类系统：土地利用分类系统采用2007年发布的义乌市土地利用分类标准(GB/T 21010-2007)，同时结合研究需求，将12个一级地类合并为5大类（耕地、林地、草地、建筑用地和水域）。
(3)监督分类：分别对两期遥感影像选取训练样本，采用最大似然法进行分类，并在ARCGIS9.3环境下，参照义乌市1∶10000地形图及2007年野外实地调查结果对错分和漏分分类结果进行人机交互式修改，最终获取两期土地利用图（图1）。
(4)精度验证：采用简单随机抽样的方法，在实验区域内均匀选取270个样点，分别对两期土地利用分类结果做精度验证。结果表明，经人机交互式解译后的2000年土地利用数据精度可达92%，2007年土地利用数据精度可达96%。
(5)利用ARCGIS9.3将两期解译结果由shap格式转为coverage格式，把数据库中各种土地利用类型的面积统计数据导出在excel文件中，获取每期的5类生物生产性面积（表1）。
图1 土地利用分布
Fig.1 Land use
2.2 产量因子的遥感监测
产量因子是一个将各国各地区同类生态生产性土地转化为可比面积的参数，即一个国家或地区某类土地的平均生产力与世界同类平均生产力的比率。本文通过计算2000年和2007年耕地、林地和草地的植被净初级生产力NPP(net primary productivity)，与它们的世界平均NPP值相比得到3种植被在2000年和2007年的产量因子。NPP是指绿色植物在单位面积、单位时间内所累积的有机物量[17]，表现为光合作用固定的有机碳中扣除本身呼吸消耗的部分，这一部分用于植被的生长和生殖，也称净第一性生产力。NPP作为地表碳循环的重要组成部分，不仅直接反映了植被群落在自然环境条件下的生产能力，表征陆地生态系统的质量状况，而且是判定生态系统碳汇和调节生产过程的主要因子[18]。
2.2.1 遥感光学模型原理
近年来光能利用率模型已成为NPP估算的一种全新手段，且随着遥感技术的日渐成熟，不仅可获得全覆盖数据，而且许多植被参数也可由遥感获得，使得光能利用率模型计算NPP受到众多学者的关注[19]。且已有人尝试用NPP估算产量因子[20]，并取得了一定的成效。本文所选模型为波特（Potter，等，1993）提出的CASA模型，通过植被吸收的光合有效辐射(APAR)和光能利用率（ε）来计算植被的NPP[21]。该模型将环境变量和遥感数据、植被生理参量联系起来，实现了植被NPP的时空动态模拟，具体公式如下：
2.2.2 产量因子计算结果
基于以上原理，计算2000年和2007年义乌市耕地、林地和草地的NPP，并与全球3类平均水平的NPP值相比，得到了两期的产量因子（表2）。根据本研究区的地理位置和气候特点，其中草地的世界平均NPP值采用南美大草原与温带草原的平均值，林地的世界平均NPP值采穆罕默德（M.A.A.Mohamed，等，2004）热带常绿阔叶林与温带林地值的平均数据，耕地的世界平均NPP值采用希克斯特（J.W.Seaquist，等，2003）计算得到的全球作物生物量和粮食生物量的平均值[24-25]。
从表2中，可以看出两期3种植被类别的产量因子变化不大，这与威克耐吉尔等人的研究结论相符[13]，即不同区域同类植被类型的产量因子年际变化较大，不可统一数值，但相同区域同一植被类型的产量因子年际变化很微小，可以统一数值。且与3种植被在国家尺度研究文献中所用的产量因子数据对比相差不大，说明本文利用CASA模型获得的结果具有可用性和有效性。由于目前尚无新方法获取建筑用地和水域的生物生产性土地利用的产量因子，所以建筑用地和水域的产量因子仍采用传统方法获取的数据。
3 义乌市生态足迹的计算和动态变化分析
3.1 义乌市人均生态盈余／赤字
根据生态足迹计算原理，得到2000年和2007年义乌市的生态足迹供需结构表（表3—表4）。从中可以看出，义乌市2000年和2007年的耕地、草地和水域的生态足迹需求面积均超过了生态足迹可供给面积，呈生态赤字；建筑用地和林地呈生态盈余；两年总体的人均生态承载状况均为生态赤字。其中，2000年耕地的赤字差额最小，几乎达到了供需持平，草地和水域的赤字差额显示生态可承载面积不到生态需求面积的3%，人均总赤字差额约为当年人均生态足迹需求量的38.7%；2007年耕地的生态赤字显示本地资源仅能满足60%的生态需求量，草地和水域的生态赤字量则几乎接近生态需求量的99.2%，两种资源处在极度紧缺状态，人均总赤字差额高达人均生态足迹需求量的51.6%。
图2 义乌市两期总生态供需变化
Fig.2 Change of ecological demand and supply in Yi'wu city,2000-2007
“*”代表扣除12%生物多样性面积后的实际可供给面积。
3.2 义乌市两期生态足迹动态变化分析
对比两期总的生态供需变化（图2）发现：
(1)化石能源用地的生态足迹需求量7年间增加了近2倍，即2007年的化石能源用地需求量是2000年的3倍，增幅是所有生物生产性土地类型中最大的一个。主要原因为，随着义乌市小商城知名度的提高，越来越多的对外贸易量加大了当地工业经济的生产量，对化石能源的消耗便大大增加。同时，为了方便贸易，义乌市不断扩建和新建交通路线，越来越便利的交通工具对能源需求量的增加也是一个重要的因素；
(2)同为生态赤字的耕地、草地和水域，三者的发展趋势分别为：耕地的生态足迹需求量增加的最多，其次是水域，而草地的生态足迹需求量比2000年有所下降，同时耕地生态可承载面积的减少量也是三者中最多的，水域和草地的生态可承载面积则变化相对较小。即2000-2007年，耕地承受的生态足迹在急剧增加，耕地资源处于十分紧张的局势，水资源次之，最后是草地资源。虽然草地资源的总需求量有所下降，但同时减少的可供给面积使得草地的生态足迹仍在增加。这一现象与义乌市快速的城市化进程密切相关，随着新农村的建设和经济发展的需要，人均居住面积有了大幅度的提高，社会经济产值有了较大的增加，但代价就是越来越多的可耕地、牧草地被占为居民用地或商业用地，从而导致以上3种类型用地生态承载出现严重的赤字；
(3)同为生态盈余的建筑用地和林地的发展趋势分别为：从建筑用地生态需求量仅为其生态足迹供给面积增加量的37.9%，说明建筑用地开发过快，远远超出了需求量，生态盈余状况将持续一段很长的时间。而林地呈增加趋势的生态足迹需求量和减少趋势的生态足迹供给量数据显示，如不采取一定的有效措施，其生态盈余的状况将会很快消失；
(4)图中显示的不断增加的生态足迹需求总量与仍为减少趋势的生态可承载面积，说明义乌市2000-2007年的生态足迹处在持续增加状态，虽然与我国平均水平相比，生态足迹需求相对偏低，但其较大的增加幅度对自身有限的资源产生的压力也是不容忽视的，应当引起相关部门的高度重视。
4 结论与建议
本文应用生态足迹的原理，结合遥感手段实现了对传统生态足迹统计方法的改进，经验证所得土地利用数据及产量因子结果具有较高的准确度，不仅证实了遥感监测的可行性，而且在此基础上对义乌市2000年和2007年的生态足迹动态变化进行了对比。结果表明，虽然生态赤字增幅不大，2007年仅比2000年增加了60%，但义乌市2000-2007年一直处于生态赤字状态；2000年的生态足迹需求约为当年生态足迹供给的1.6倍，2007年的生态足迹需求约为当年生态足迹供给的2.1倍，2000-2007年生态足迹需求量在不断地增加，而生态足迹供给量却在不断减少，生态赤字差额也在不断的扩大，2007年的生态赤字约为2000年的1.6倍。义乌市生态承载整体上处于一种资源紧缺性局面，究其原因，主要是义乌市在城市化过程中城市规模增幅过快，而耕地资源征用面积比例较大，城市发展规划存在一定的不合理之处。为了改善这种局面，本文基于义乌市自身发展的需要，提出以下5点建议：
(1)为了最大化的吸纳化石能源排放的、
等污染性气体，一方面增加城区的绿地面积，另一方面控制工业生产及交通工具废弃物排放量，努力做到社会经济发展与环境保护的共生共长。
(2)对于耕地、草地和林地的占用，一定要严格把关，尤其是耕地，没有科学合理的更改方案，决不能轻易变更。虽然义乌市目前以小商品贸易为支柱产业，人均收入相对较高，像粮食、蔬菜类的基本消费品均可以通过购买来满足需求，但无限制的侵占耕地资源，不仅会导致社会闲散劳动力的增加，给社会治安造成一定的隐患，而且会影响局部地区的环境质量，进而影响居住者的健康。
(3)对于目前仍在规划的建筑用地，应适当减少其用地规模。2000-2007年的建筑用地供需变化来看，建筑用地的供给远远超出了需求量，而且从两期土地利用变更表（表1）可以看出，2007年建筑用地增加量的94%是来自耕地，其余来自林地和草地。由此可见，义乌市近年来的城区扩建所占用的土地资源以可耕地居多，在城市未来发展规划中必须限制对可耕地的占用。否则，势必破坏生态环境的健康发展，同时也会减少现有的经济发展效益。
(4)7年来，虽然义乌市政府不断兴修水库，增加污水处理厂数量，扩建原有供水源面积，使得2007年的水域面积比2000年有所增加，而且通过购买邻县的水资源来解决自身水资源的需求，暂时减缓了水资源紧缺的矛盾。但从2007年的生态赤字增加这一现象说明，尽管可能有足够的资源从外界输入，但如果因对生态系统的破坏超过了生态系统的承载阈值，作为一个整合生态系统的城市也是不可持续的。所以应长期坚持、认真执行相关部门制定的水环境治理措施，保持水资源环境，减少水域的受污面积。
(5)严格控制人口的增长，随着义乌市经济的发展，人民生活不断走向小康，人口数量在7年间也有近12%的增幅，这也是导致义乌市2007年总生态足迹比2000年超出1.6倍的主要原因之一，因此，为了义乌市将来更好的发展，注重生态环境保护的同时，还需要长期坚持我国的人口政策。
最后，本文认为基于生态足迹原理，运用遥感技术来监测区域生态承载力是具有科学性和适用性的。不仅能大大提高生态足迹计算结果的准确性，而且也增强了城市发展过程中不足之处的分析力度，为城市将来更好更快的发展提供可靠的依据。