基于生态足迹模型的粤港澳大湾区生态安全评价

李 桥1,2 李 贺2

(1. 东华理工大学 测绘工程学院, 江西 南昌 330013;2. 中国科学院地理科学与资源研究所 资源与环境信息系统国家重点实验室, 北京 100101)

摘 要：厘清人类对区域生态资源的消耗程度和占用大小对区域生态安全发展至关重要。本研究以粤港澳大湾区为研究对象,引入净初级生产力(NPP)修正均衡因子和产量因子,细化土地利用/土地覆盖变化(land use/land cover change,LUCC)类型为11类,并以区域的生物资源和能源消耗数据为基础,对大湾区2010、2019年的生态安全状况进行评估。结果表明:①大湾区LUCC变化明显,间接促使生态足迹发生变化。②大湾区整体生态环境处于安全状态;各城市生态环境存在差异,主要以肇庆、惠州、江门等外围城市表现为生态安全,以佛山、东莞、中山等中部城市表现为生态较差。③大湾区生态压力值整体处于降低趋势,在空间上呈现中部高、四周低的分布态势;在行政区上澳门为压力最大的城市,惠州、肇庆为压力最小的城市。

0 引言

生态安全,指一个国家生存和发展所需的生态环境处于不受或少受破坏与威胁的状态[1]。近几十年,经济的快速发展和人口的急剧膨胀给区域生态环境带来巨大压力,造成资源短缺、土地退化、环境污染等问题[2],不利于城市的可持续发展。国内外众多学者针对区域生态安全的概念、方法、内容展开一系列探讨并取得丰富的成果[3-4]。其中,生态足迹法(ecological footprint,EF)由于其计算简单,易于操作,可以较好地揭示自然资本和经济发展之间的互补关系等优点而被广泛应用于生态安全研究中[4]。

生态足迹法最早由文献[5]加拿大生态经济学家提出,随后其学生进行改进[6]。生态足迹指提供人类活动过程中消耗的自然资源及吸纳这一活动中产生的各种废物所需要的生物生产性面积总和。在生态足迹计算中,为了比较不同土地类型之间的差异,引入均衡因子调整不同生物生产性土地面积使其转换为可以比较的相同生物生产性生面积,引入产量因子用于比较不同区域的生态差异。但我国地域辽阔,不同区域之间的气候条件和土地生产力存在显著差异,直接套用通用的国际因子无法直观、真实地反映各区域的实际情况。净初级生产力(net primary productivity,NPP)可以解决这一问题,NPP指绿色植物扣除自身呼吸消耗后剩余的有机物数量,它能够直接反映植物的生产能力,进而反映不同土地的生产力差异[7]。鲁凤等[8]基于NPP计算了江苏省的均衡因子和产量因子,发现其更适合省、市等中小尺度;王涛等[4]以NPP为基础,判断了河南省各市域的生态安全差异。净初级生产力结合生态足迹(EF-NPP)弥补了传统方法的部分缺陷,有效地提升了区域生态安全评价精度。

粤港澳大湾区地理位置优越,经济开发水平高,高污染、高能耗的制造业作为大湾区的龙头产业,给该区域带来了丰富经济效益的同时消耗了大量的资源,导致大湾区生态环境退化严重[9]。基于此,本研究采用EF-NPP方法,结合区域实际的生物资源和能源消耗对大湾区2010、2019年的生态安全进行评价,以期为大湾区经济生态可持续发展提供科学依据。

1 研究区与数据源

1.1 研究区概况

粤港澳大湾区(21°30′N—24°23′N,111°22′E—115°25′E)位于广东省中部,包括广东的广州、深圳、东莞、中山、佛山、肇庆、珠海、江门、惠州九市和香港、澳门两个特别行政区。气候以热带、亚热带季风为主,降雨丰沛,河网密集,山地、丘陵集中在大湾区外围,中部以平原为主。迄今,粤港澳大湾区常住人口达8 000万以上,国内生产总值(gross domestic product,GDP)总量达11.5万亿元,贡献了全国1/7的GDP值[10],是我国经济发展最活跃的区域之一。

1.2 数据来源

本文主要用到土地利用/土地覆盖变化(land use/land cover change,LUCC)、净初级生产力(NPP)等空间数据及人口、资源消耗等统计数据。其中,LUCC数据来自中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/),分辨率为30 m,用地类型划分为水田、旱地、林地、草地、河流、淡水养殖、湿地、城镇、农村、工业用地、裸地共11类。NPP数据采用美国国家航空航天局(NASA)发布的MOD17A3数据(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/),空间分辨率为500 m,时间分辨率为1年。区域人口通过查询各行政区统计年鉴获得。生物资源和能源消耗数据通过查询广东省和各行政区统计年鉴、统计公报以及《中国城市统计年鉴》《中国能源统计年鉴》获得。

2 研究方法

2.1 生态足迹及生态承载力模型

本研究以LUCC类型为基础,从生物资源消耗和能源消耗两个方面对大湾区生态环境及面临的生态压力进行综合分析,具体计算如下。

2.1.1 生物资源消耗足迹

生物资源消耗主要考虑农、林、牧、渔四大类(表1),即水田、旱地、林地、草地、淡水养殖5类生物生产性土地利用类型的消耗量,计算公式为

表1 粤港澳大湾区生态足迹核算指标

(1)

式中,Eb为生物资源消耗足迹(hm2);N为区域人口数;eb为人均生物资源消耗足迹(hm2);i为生物产品消费类型;j为LUCC类型;n为消费类型的数量;ci为第i种消费类型的人均消费量(t);pi为第i种消费类型的区域平均生产力(tC/hm2);rj为均衡因子。

2.1.2 能源足迹

区别于传统的能源消耗核算,本研究以NPP表征不同LUCC类型的碳吸收能力,以区域城镇、农村居民和工业的实际消耗量为基础进行核算,计算公式为

(2)

式中,Ee为能源消耗足迹(hm2);ee为人均能源消耗足迹(hm2);Pr为区域综合的净初级生产力(tC/hm2·a);k为能源消耗类型;Ck为第k类能源的消耗量(t);Vk为第k类能源的燃烧热值系数(TJ/t);Ek为第k类能源的碳排放系数(tC/TJ);Vk和Ek值取自联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)发布的能源参数报告(见表2)[11]。

表2 能源足迹计算参数(参考IPCC报告)

2.1.3 生态承载力

生态承载力指提供区域人类活动所需的最大生物生产性土地面积。计算公式为

C=N×c×0.88

(3)

式中,C为生态承载力(hm2);c为人均生态承载力(hm2);aj为人均占用j类生物生产性面积(hm2);m为LUCC类型数量;0.88为扣除12%的生物多样性土地保护面积后剩余的可用于生物承载的部分[4];yj为产量因子。

2.2 基于NPP的均衡因子和产量因子

本研究引入NPP反映区域实际的生产力大小,进而比较不同生物生产性土地之间的差异。计算公式为

(4)

(5)

式中,Pj为第j类用地类型的NPP值;Pa为研究区所有用地类型的NPP值;Pg为全球第j类用地类型的NPP值,具体参数查阅参考文献[12]获取。

对于非生物生产性土地,如城镇、农村和工业用地实际占用的多为旱地,另其均衡因子和产量因子等同于旱地,裸地、湿地、河流为生产力较低的土地,其产量因子赋值为0。

2.3 生态安全评估

本研究以生态盈余/赤字结果判断区域生态安全状态,以生态压力指数分析区域生态环境面临的压力大小,计算公式为[13]

式中,d为人均生态盈余/赤字,当d≥0时,表示生态资源存在盈余,即区域生态环境为安全状态;当d<0时,表征资源消耗超过存量,即区域生态环境为较差状态。p为生态压力指数,p越大表明区域承受的压力越大。

3 结果与分析

3.1 大湾区土地面积变化

对比2010、2019年的LUCC数据(图1),2010年大湾区各用地面积从大到小依次为林地>水田>农村>旱地>养殖>工业>城镇>河流>草地>湿地>裸地,2019年用地面积从大到小为林地>水田>城镇>旱地>养殖>工业>农村>河流>草地>湿地>裸地。林地作为大湾区的主要用地类型,2010、2019年占大湾区总面积均超过53%;其次是水田,分别占总面积的16.2%和15.5%;经历10年经济发展,这两类用地均在减少,但依然为主要用地类型。建筑用地为变化最大的用地类型,农村用地减少了2.749×105 hm2,城镇用地增加了2.837×105 hm2。湿地、裸地、草地、河流为占比较小的用地,相加之和的比例仍未超过5%。

图1 大湾区不同年份LUCC面积占比

从行政区角度看,2010年,深圳、东莞、澳门三市主要用地类型为农村用地;佛山、中山以水田用地最大;剩余城市均表现为林地占比最大,且以肇庆林地占比最大,总面积为1.112 6×106 hm2,占比达75.6%;到2019年,深圳、东莞、澳门三市以城镇用地最大,主要是由于以上城市的快速城市化发展,城镇逐渐扩张吞并周围农村用地,相应的农村用地面积降低;佛山、中山仍以水田最大,剩余城市延续2010年状态,仍以林地最大。

3.2 大湾区生态安全分异结果

由图2可知,2010、2019年大湾区总区域的人均生态足迹分别为0.031 hm2和0.029 hm2,人均生态承载力分别为0.147 hm2和0.129 hm2,人均生态赤字/盈余分别为0.116 hm2和0.100 hm2,表明大湾区总体生态均处于安全状态。

图2 大湾区2010、2019年人均生态足迹(e)、人均生态承载力(c)、人均生态盈余/赤字(d)评估结果

从城市角度看,人均生态足迹在2010年以珠海、肇庆、惠州最大,以香港、深圳最小;到2019年,最大的城市为珠海、澳门、肇庆。人均生态承载力在2010年以肇庆、惠州、江门最大,以澳门最小;到2019年最大城市和最小城市均维持不变。人均生态赤字/盈余按其资源消耗情况划分为盈余城市(安全)和赤字城市(较差),2010年,生态盈余城市从大到小为肇庆、惠州、江门、广州、香港、深圳,生态赤字城市从小到大为珠海、澳门、东莞、佛山、中山;到2019年,除深圳从盈余城市变为赤字城市外,其他城市未发生变化。

3.3 大湾区生态压力空间分布特征

从空间角度看图3【审图号:GS(2019)4343号】,大湾区生态压力呈现中部高、四周低的分布态势。2010年,大湾区生态压力高值集中在深圳、东莞、广州、佛山、中山的工业用地和香港、澳门、深圳的城镇用地。2019年,大湾区生态压力仍以工业用地最高,但随着经济的发展和城市化进程的加快,农村逐渐被周围大城市吞并后发展为城镇用地,新型工业园的不断扩建,导致大湾区生态压力高值沿城市发展趋势朝外围扩散,以工业和农村为主。2010、2019年的压力低值均集中在各城市的林地和草地上,且未超过0.30。

(a)2010年

(b)2019年

图3 大湾区生态压力(p)空间分布图

从行政区角度看(图4),2010年,大湾区整体生态压力值为2.98,从高到低依次为澳门>香港>东莞>珠海>深圳>佛山>中山>广州>江门>肇庆>惠州;到2019年,大湾区整体生态压力值为2.41,由高到低为澳门>东莞>珠海>香港>深圳>佛山>中山>广州>江门>惠州>肇庆。其中,澳门作为大湾区面积最小的城市,以不到1%的土地创造了大湾区1/7的经济,生态压力在各城市中最大;肇庆作为大湾区林地面积最大的城市,受人类影响较小,压力值也最小;惠州、江门等外围城市同样为压力低值。

图4 各城市2010、2019年生态压力评估结果

4 结论

生态安全研究是一个复杂的动态过程,本研究结合EF-NPP模型对粤港澳大湾区2010、2019年的生态安全进行综合评价,得出以下结论。

(1)大湾区LUCC变化明显,间接促使生态足迹发生变化。从2010到2019年,大湾区减少了2.749×105 hm2的农村用地,增加了2.837×105 hm2城镇用地,生态压力值也从2010年的城镇>农村转化为2019年的农村>城镇。

(2)大湾区总区域2010、2019年的人均生态赤字/盈余值分别为0.116 hm2和0.100 hm2,表明大湾区整体生态环境处于安全状态。各城市生态安全分两种情况,2010年,生态安全城市为肇庆、惠州、江门、广州、香港、深圳,生态较差的城市为珠海、澳门、佛山、东莞、中山,到2019年,除深圳由安全变为较差外,其他城市保持不变。

(3)从整体来看,大湾区2010、2019年生态压力值分别为2.98和2.41,大湾区压力值呈下降趋势;从空间来看,大湾区生态压力呈现中部高、四周低的分布态势;从行政区来看,澳门为大湾区生态压力最大的城市,惠州、肇庆为大湾区生态压力最小的城市。

本研究引入NPP修正均衡因子和产量因子,可以更准确地体现区域的实际资源消耗情况;区别于王涛等[4]、马高等[14]、熊鹰等[15]仅考虑林、耕、草、水域和建设用地的局限性,本研究细化了土地利用类型,全面考虑到了由于同类用地不同利用类型造成的生态差异;能源足迹计算时区别于传统方法,将区域的能源消耗按其消耗类型赋值到各用地上,得到的结果更能代表区域的实际状态。但由于粤港澳大湾区为沿海城市,且部分数据资料获取受限,本研究未考虑污染足迹和近海海域的生态安全状况,后续研究中将进一步完善实验。

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引文格式: 李桥,李贺.基于生态足迹模型的粤港澳大湾区生态安全评价[J].北京测绘,2023,37(5):700-705.

基金项目：国家自然科学基金(41890854)

作者简介：李桥(1997—),女,安徽宿州人,硕士在读,研究方向为资源环境遥感与GIS。

E-mail:li7iao917@gmail.com

通信作者：李贺,副研究员,E-mail: lih@lreis.ac.cn

转自：“测绘学术资讯”微信公众号

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