基于modis數(shù)據(jù)的中國(guó)土地類型生態(tài)足跡空間分析

基于modis數(shù)據(jù)的中國(guó)土地類型生態(tài)足跡空間分析

隨著人口的增加和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，工業(yè)化和城市化進(jìn)程不僅促進(jìn)了人類文明和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且惡化了人與自然生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系。不斷加劇的人地矛盾要求建立一系列重要指標(biāo)來科學(xué)、客觀地評(píng)估區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的可持續(xù)性,以便做出科學(xué)的決策和行動(dòng)。生態(tài)足跡核算方法作為一種非貨幣化的生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估工具,是近年來國(guó)際上一種重要的判別可持續(xù)發(fā)展程度的生物物理方法。它把生物生產(chǎn)性空間作為地球生態(tài)系統(tǒng)可更新能力的代名詞,來度量進(jìn)出社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的物能流,以刻畫人類社會(huì)與自然之間的依存與支持關(guān)系。自1999年生態(tài)足跡方法引入國(guó)內(nèi)以來,我國(guó)不少學(xué)者利用生態(tài)足跡模型就不同地區(qū)空間開展了大量基于土地供需的生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估研究。在原有基本模型的基礎(chǔ)上,不斷發(fā)展、完善足跡核算方法,推動(dòng)了時(shí)間序列生態(tài)足跡模型、投入產(chǎn)出足跡模型、成分法足跡模型等的形成,不同程度地增強(qiáng)了生態(tài)足跡作為生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估工具指標(biāo)的性能。總體而言,我國(guó)的生態(tài)足跡研究主要是回顧性評(píng)估全國(guó)、省域尺度的生態(tài)系統(tǒng)的壓力與狀態(tài),但在生態(tài)足跡模型的改進(jìn)和本地化以及計(jì)算結(jié)果的應(yīng)用方面存在不足。在生態(tài)足跡的計(jì)算中,不同類型的資源和能源消費(fèi)均被折算為農(nóng)地、畜牧地、林地、建筑用地、能源用地和漁業(yè)水域6種生物生產(chǎn)性用地類型的面積。但由于這6類用地的生物生產(chǎn)力不同,為便于加和比較,需將其面積轉(zhuǎn)換為具有相同生物生產(chǎn)力的土地面積,其轉(zhuǎn)換系數(shù)稱為均衡因子(equivalencefactor)。然而,目前國(guó)內(nèi)的研究只是簡(jiǎn)單地套用世界平均均衡因子,使得生態(tài)足跡模型在核算結(jié)果的可靠性等方面存在一定的缺陷。同時(shí),由于我國(guó)幅員遼闊,不同經(jīng)緯度的土地生產(chǎn)力水平差異較大,因此在比較分析不同地區(qū)的生態(tài)足跡時(shí),簡(jiǎn)單地套用全國(guó)的平均均衡因子,也很難真實(shí)、準(zhǔn)確地反映各地的消費(fèi)情況。因此,筆者基于植被的凈初級(jí)生產(chǎn)力(netprimaryproduction,NPP)對(duì)中國(guó)的生態(tài)足跡均衡因子測(cè)算進(jìn)行了初步探索,同時(shí),針對(duì)我國(guó)這樣一個(gè)幅員遼闊、生產(chǎn)力水平差異較大的國(guó)家,結(jié)合生態(tài)足跡模型計(jì)算的實(shí)際要求分別計(jì)算了各省不同用地類型的均衡因子。1生物生產(chǎn)性用地面積生態(tài)足跡研究中通常把消費(fèi)和供給的資源和能源轉(zhuǎn)化為6種類型的生物生產(chǎn)性用地面積,為了精確而真實(shí)地將這6種類型的用地面積合計(jì)為生態(tài)足跡或區(qū)域生物承載力,需要將這些具有不同生物生產(chǎn)力的用地面積乘上一個(gè)均衡因子。某類生物生產(chǎn)性用地的均衡因子等于該類用地的平均生產(chǎn)力除以研究區(qū)域內(nèi)所有各類用地的平均生產(chǎn)力。均衡處理后的6類生態(tài)系統(tǒng)的面積即為具有區(qū)域平均生物生產(chǎn)力的、可以相加的生物生產(chǎn)性用地面積。對(duì)于全球均衡因子國(guó)外已有許多相關(guān)研究(表1)。其中,WACKERNAGEL等利用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織全球農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)(GAEZ)及國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IIASA)估算的土地最大潛在農(nóng)作物產(chǎn)量的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算的各類用地均衡因子,是最早的研究成果,應(yīng)用也非常廣泛。除此之外,比較有影響的是世界自然基金會(huì)(WWF)的“LivingPlanetReport”報(bào)告,該報(bào)告不僅計(jì)算了全球和各主要國(guó)家歷年的生態(tài)足跡和生物承載力,還提供了計(jì)算的各項(xiàng)參數(shù)。中國(guó)有關(guān)均衡因子的系統(tǒng)研究則幾乎沒有,在生態(tài)足跡計(jì)算中基本上都是直接引用國(guó)外有關(guān)全球均衡因子的研究結(jié)果。劉建興基于《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》和世界糧農(nóng)組織網(wǎng)站的數(shù)據(jù),用6類用地產(chǎn)品的平均產(chǎn)量代替其各自的生產(chǎn)力,粗略估算了我國(guó)6種生物生產(chǎn)性用地的均衡因子,得到農(nóng)地和建筑用地的均衡因子為5.25,林地和能源用地為0.21,畜牧地為0.09,漁業(yè)水域?yàn)?.14。劉建興的計(jì)算做了極有意義的嘗試,但由于其采用單位面積的產(chǎn)量表征用地生物生產(chǎn)力,存在林地、畜牧地和漁業(yè)水域的平均產(chǎn)量偏小等缺陷,導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果未能在國(guó)內(nèi)推廣。2均衡因子測(cè)算采用中國(guó)2001年分辨率為1km的MODIS數(shù)據(jù),根據(jù)植被的NPP對(duì)中國(guó)各省的均衡因子進(jìn)行測(cè)算:首先,分別計(jì)算中國(guó)各地不同類型生態(tài)系統(tǒng)植被的平均NPP;其次,按照不同生態(tài)系統(tǒng)的面積比例加權(quán)得到全國(guó)和不同地區(qū)的平均NPP;最后,按照各自的NPP計(jì)算出中國(guó)各地的均衡因子。2.1凈初級(jí)生產(chǎn)力的計(jì)算近來許多研究對(duì)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力進(jìn)行了實(shí)測(cè)和模擬,采用的方法可以分為4類:實(shí)測(cè)產(chǎn)量法、實(shí)測(cè)產(chǎn)量-生態(tài)因子回歸法、潛力模型評(píng)估法和遙感評(píng)估法。筆者采取基于陸地植被生產(chǎn)力的遙感估算方法。與其他方法相比,該方法獲取數(shù)據(jù)的速度較快,測(cè)算覆蓋的范圍較廣,同時(shí)耗費(fèi)較低,其從得到植被光能利用效率(LUE)架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)植被NPP的計(jì)算,模型機(jī)理性較強(qiáng),計(jì)算過程相對(duì)直接,適用空間范圍更加廣泛?；贛ODIS遙感數(shù)據(jù)、CASA模型等以月或更短時(shí)間為步長(zhǎng)來估算陸地不同生態(tài)系統(tǒng)的凈初級(jí)生產(chǎn)力,即通過植被吸收的光合有效輻射(APAR)和光能利用效率ε來計(jì)算:PNP(x,t)=RAPA(x,t)×ε(x,t)(1)式(1)中,t為時(shí)間,x為空間位置。x位置的年均NPP為各時(shí)間段PNP(x,t)的總和除以365d的商。光合有效輻射為太陽總輻射和植被對(duì)光合有效輻射的吸收比例乘積的一半:RAPA(x,t)=Rx(x,t)×RFPA(x,t)×0.5(2)式(2)中,Rx(x,t)為t月x像元處的太陽總輻射量,MJ·m-2;RFPA(x,t)為植被對(duì)入射光合有效輻射的吸收比例;常數(shù)0.5表示植被所能利用的太陽有效輻射占太陽總輻射的比例。光能利用效率是指植被把所吸收的入射光合有效輻射轉(zhuǎn)化為生物量的效率,在自然生態(tài)系統(tǒng)中,主要受溫度和水分的影響:ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×ε*(3)式(3)中,Tε1、Tε2為溫度對(duì)光能轉(zhuǎn)化率的影響程度;Wε為水分脅迫影響系數(shù),反映水分條件的影響;ε*為理想條件下的最大光能轉(zhuǎn)化率,g·MJ-1,以C計(jì),取值0.389。農(nóng)地、林地、畜牧地和漁業(yè)水域4類生物生產(chǎn)性用地的平均凈初級(jí)生產(chǎn)力由各自植被覆蓋類型的凈初級(jí)生產(chǎn)力及其面積計(jì)算得到:PNP=∑jPj?Aj∑jAj(4)ΡΝΡ=∑jΡj?Aj∑jAj(4)式(4)中,Pj為某種植被類型的凈初級(jí)生產(chǎn)力,g·m-2·a-1,以C計(jì);Aj為某種植被類型的面積,m2。2.2凈初級(jí)生產(chǎn)力測(cè)算中國(guó)各地6種生物生產(chǎn)性用地的平均均衡因子時(shí),由于能源消費(fèi)足跡是通過吸收能源消費(fèi)產(chǎn)生的CO2所需要的林地面積來表征的,因此能源用地的均衡因子與林地相同;而城鎮(zhèn)建設(shè)占用的多是農(nóng)地,因此盡管城鎮(zhèn)綠化用地表現(xiàn)出一定的生產(chǎn)力,但城鎮(zhèn)建設(shè)用地的均衡因子仍用農(nóng)地的均衡因子代替;對(duì)于農(nóng)地、林地、畜牧地和漁業(yè)水域的均衡因子(rj)計(jì)算,則通過某類生物生產(chǎn)性用地的凈初級(jí)生產(chǎn)力除以這4種類型用地的平均凈初級(jí)生產(chǎn)力得到:rj=PiPˉˉˉNP(5)rj=ΡiΡˉΝΡ(5)式(5)中,Pi為某類生物生產(chǎn)性用地的凈初級(jí)生產(chǎn)力,g·m-2·a-1,以C計(jì);PˉˉˉNPΡˉΝΡ為這4類用地的平均凈初級(jí)生產(chǎn)力,g·m-2·a-1,以C計(jì),參考式(4)計(jì)算得到。3結(jié)果與分析3.1實(shí)行農(nóng)業(yè)社會(huì)化,提高土地產(chǎn)權(quán)制度,增加凈土生產(chǎn)力首先計(jì)算中國(guó)7種主要植被覆蓋類型的平均NPP,再通過式(4)計(jì)算6類生物生產(chǎn)性用地的NPP。7種主要植被覆蓋類型平均NPP的計(jì)算結(jié)果見圖1。中國(guó)主要植被NPP差異明顯,在森林植被中,以針闊混交林的NPP為最高,其次為落葉闊葉林,常綠針葉林的NPP最小;耕地NPP很高,這是由于在計(jì)算中考慮了復(fù)種的問題,一年兩熟、水旱輪作和雙季稻都有春秋2季收獲;城鎮(zhèn)建設(shè)用地也具備一定的NPP,這是城鎮(zhèn)中的綠化用地表現(xiàn)出來的。就NPP均值而言,耕地、森林、灌叢、草地、水域、城鎮(zhèn)用地、荒漠的次序遞減。荒漠NPP最低,這是因?yàn)榛哪貐^(qū)植被稀疏,且高溫干旱,植物的光合積累能力極低。中國(guó)幅員遼闊,南北、東西跨度均5000km左右。各地具有不同的氣候和地形特征,不同生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力不盡相同,陸地平均凈初級(jí)生產(chǎn)力(圖2)也隨之不同。從圖2可以看出,從東南沿海向西北內(nèi)陸延伸,各地的NPP值大體呈逐漸減小的趨勢(shì)。與其他地區(qū)相比,海南、福建、廣東、廣西、浙江、江西、云南、臺(tái)灣的平均NPP值較高。與之相反,新疆、西藏、寧夏、內(nèi)蒙古、甘肅、青海等地的NPP值較低,說明西北地區(qū)的土壤水分條件、植被覆蓋等均較差。3.2生物生產(chǎn)性用地的均衡因子通過對(duì)農(nóng)地、林地、畜牧地和漁業(yè)水域均衡因子的計(jì)算,得到中國(guó)6類生物生產(chǎn)性用地的均衡因子(表2)。農(nóng)地和建筑用地的均衡因子最高,為1.74,其次是林地和能源用地(1.41),漁業(yè)水域(0.35)最低。3.3生物生產(chǎn)性用地的均衡基于上述方法,可以分別計(jì)算出中國(guó)各地6類生物生產(chǎn)性用地的均衡因子(表3)。雖然各地的平均NPP大致呈現(xiàn)從東南向西北方向遞減的規(guī)律,但各地6類不同生物生產(chǎn)性用地的相對(duì)生產(chǎn)力各不相同,因而不同地區(qū)不同用地類型的均衡因子各不相同,但大體上呈現(xiàn)農(nóng)地>林地>畜牧地>漁業(yè)水域的規(guī)律。需要指出的是,澳門特別行政區(qū)土地面積為29.2km2,全區(qū)沒有農(nóng)地利用類型,因此在具體計(jì)算中,其農(nóng)地均衡因子試用全國(guó)平均值代替。3.4全球均衡因子與WACKERNAGEL等提出的全球均衡因子(表1)相比,筆者計(jì)算的中國(guó)農(nóng)地均衡因子偏小,林地和漁業(yè)水域偏高;另外,由于計(jì)算基于2001年的MODIS圖像數(shù)據(jù),因此與WWF給出的2001年全球均衡因子(表1)相比較發(fā)現(xiàn),本研究中農(nóng)地均衡因子偏小,其他因子則相差不大。究其原因:一是中國(guó)各種類型生物生產(chǎn)性用地的生產(chǎn)能力與全球平均生產(chǎn)能力不同;二是3者的計(jì)算方法不同,各種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn),計(jì)算全球均衡因子時(shí),大尺度上的計(jì)算存在著數(shù)據(jù)和計(jì)算手段等方面的限制,而計(jì)算單一國(guó)家的均衡因子時(shí),則可以進(jìn)行詳細(xì)的分類。4生態(tài)系統(tǒng)及其生物生產(chǎn)力:效率與均衡因子對(duì)中國(guó)6類生物生產(chǎn)性土地的平均均衡因子作了測(cè)算,并進(jìn)一步計(jì)算不同地區(qū)各類用地的均衡因子,在生態(tài)足跡模型的標(biāo)準(zhǔn)化和本地化研究方面作了初步的探索。結(jié)果表明,就中國(guó)平均均衡因子而言,生產(chǎn)力水平最高的農(nóng)地,其均衡因子最大(1.74),漁業(yè)水域最小(0.35);就不同地區(qū)而言,由于區(qū)域內(nèi)不同用地類型的相對(duì)生產(chǎn)能力不同,因而均衡因子各不相同,但大體上呈現(xiàn)農(nóng)地>林地>畜牧地>漁業(yè)水域的規(guī)律。鑒于在相鄰年份中生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力不會(huì)有太大變化,因此該研究的計(jì)算結(jié)果可以應(yīng)用于20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初中國(guó)各地的生態(tài)足跡計(jì)算中。若要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的計(jì)算,可以考慮用相同的方法分別計(jì)算每10a的生產(chǎn)力,然后得到相應(yīng)年代的均衡因子。就計(jì)算方法而言,與基于產(chǎn)量或土地最大潛在生產(chǎn)力計(jì)算均衡因子的方法相比,用生態(tài)系統(tǒng)NPP代表土地的生物生產(chǎn)力有其固有的優(yōu)點(diǎn)。生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)開始于綠色植物的光合作用,NPP是指綠色植物在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)積累的有機(jī)物數(shù)量,是從光合作用產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)總量中扣除自氧呼吸后的剩余部分,它直接反映不同生態(tài)系統(tǒng)中植物群落在自然或人工環(huán)境條件下的真實(shí)生產(chǎn)能力。因此,用生態(tài)系統(tǒng)NPP代表土地的生物生產(chǎn)力,可以使均衡因子準(zhǔn)確、直觀、真實(shí)地反映各種用地類型的生產(chǎn)力差別,同時(shí)可以使得生態(tài)足跡的計(jì)算結(jié)果真實(shí)地反映人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)能力和供給能力的直接占用程度,從而更好地評(píng)估一個(gè)地區(qū)的生態(tài)持續(xù)性。但在實(shí)際計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)還存在一些細(xì)節(jié)方面的技術(shù)性問題,需要進(jìn)一步研究和完善。尤其是對(duì)于水域的生產(chǎn)力與水產(chǎn)品生產(chǎn),其生態(tài)足跡的計(jì)算涉及對(duì)魚蝦等水產(chǎn)品的消費(fèi),NPP計(jì)算的是浮游植物的生產(chǎn)力,雖然在自然條件下植物的初級(jí)生產(chǎn)力與魚蝦等種群的數(shù)量有直接的關(guān)系,但一方面當(dāng)前淡水水產(chǎn)品的生產(chǎn)多依靠人工飼養(yǎng),另一方面,過高的NPP則代表水華爆發(fā)等情況,對(duì)水生動(dòng)物會(huì)產(chǎn)生負(fù)面的影響。在生態(tài)足跡的研究中還應(yīng)加強(qiáng)生態(tài)足跡模型的標(biāo)準(zhǔn)化和本地化研究。由于生態(tài)足跡核算假設(shè)排除了不可再生資源及其與可再生資源之間的替代性,沒