生態(tài)足跡與均衡因子

生態(tài)足跡與均衡因子

生態(tài)軌跡模型是一種基于社會(huì)經(jīng)濟(jì)代謝的生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估方法。從生態(tài)學(xué)的角度來(lái)看，它研究了人類對(duì)資源的利用、這一程度的消費(fèi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。與其他生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估工具相比,生態(tài)足跡模型表達(dá)問(wèn)題的視角新穎,核算方法簡(jiǎn)單,結(jié)果表征形象而生動(dòng),目前被廣泛應(yīng)用于衡量系統(tǒng)的壓力與狀態(tài)評(píng)估、人口享有和占用自然資本及其服務(wù)功能的公平性評(píng)估、自然資源配置的時(shí)空適當(dāng)性評(píng)估,并為生態(tài)補(bǔ)償決策和消費(fèi)的生態(tài)合理性評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。在生態(tài)足跡的計(jì)算中,不同的資源和能源消費(fèi)類型均被折算為耕地、草地、林地、建筑用地、能源用地和水域6種生物生產(chǎn)性土地類型的面積。但由于這6類土地的生物生產(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)的研究尚沒(méi)有系統(tǒng)的基于中國(guó)實(shí)際土地生產(chǎn)力水平的均衡因子,在計(jì)算中只是簡(jiǎn)單地套用國(guó)外的研究成果,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,一定程度上弱化了生態(tài)足跡作為生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估工具的能力。生態(tài)足跡在中國(guó)的研究與實(shí)踐自1999年開(kāi)始,研究具有如下特色:方法以生態(tài)足跡基本模型為主;研究的時(shí)間尺度以點(diǎn)時(shí)間尺度研究為主;研究的空間尺度以區(qū)域綜合生態(tài)影響為主;計(jì)算的各項(xiàng)參數(shù)(生產(chǎn)力標(biāo)準(zhǔn)、均衡因子等)以參考國(guó)外研究為主?？傮w上,我國(guó)的生態(tài)足跡研究主要是回顧性評(píng)估全國(guó)、省區(qū)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。本文對(duì)中國(guó)的均衡因子進(jìn)行了測(cè)算。在計(jì)算方法方面,用凈初級(jí)生產(chǎn)力(NetPrimaryProduction,NPP)代表土地的生物生產(chǎn)力,使均衡因子能真實(shí)反映各類土地生產(chǎn)力的差別,也可以使生態(tài)足跡的計(jì)算結(jié)果更能真實(shí)反映人類消費(fèi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)供給能力的占用;同時(shí),在6種土地類型NPP的計(jì)算過(guò)程中,針對(duì)我國(guó)這樣一個(gè)幅員遼闊、生態(tài)系統(tǒng)多樣、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,對(duì)土地覆蓋類型進(jìn)行了細(xì)化,分別計(jì)算不同類型生態(tài)系統(tǒng)的NPP,最后按照各自的面積加權(quán)得到6種土地類型的凈初級(jí)生產(chǎn)力。1土地均衡因子生態(tài)足跡研究中把消費(fèi)和供給轉(zhuǎn)化為6種類型的生物生產(chǎn)性土地面積,為了以一種精確而現(xiàn)實(shí)的方法將這6種類型的空間面積合計(jì)為生態(tài)足跡和區(qū)域生物承載力,將這些具有不同生態(tài)生產(chǎn)力的生物生產(chǎn)面積乘上一個(gè)均衡因子。某類生物生產(chǎn)性土地的均衡因子等于該類土地的平均生產(chǎn)力除以研究區(qū)域內(nèi)所有各類土地的平均生產(chǎn)力。例如均衡因子為2.8表明生物生產(chǎn)面積的生物生產(chǎn)力是全球生態(tài)系統(tǒng)平均生產(chǎn)力的2.8倍,取后者為1。均衡處理后的6類生態(tài)系統(tǒng)的面積即為具有區(qū)域平均生態(tài)生產(chǎn)力的、可以相加的區(qū)域平均生物生產(chǎn)面積。國(guó)外已有許多相關(guān)研究(表1)。其中,MathisWackernagel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)估計(jì)的土地最大潛在農(nóng)作物產(chǎn)量的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算的各類土地均衡因子,是最早的成果,應(yīng)用也非常廣泛。除此之外,比較有影響的是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),均衡因子就是其中的重要一項(xiàng)。國(guó)內(nèi)有關(guān)均衡因子的研究很少,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)均衡因子的研究結(jié)果。東北大學(xué)劉建興在其碩士論文中,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類土地產(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)性土地的均衡因子,耕地和建筑用地的均衡因子為5.25,林地和能源用地為0.21,草地為0.09,水域?yàn)?.14。其計(jì)算公式為:rj=PjˉˉˉˉPˉˉˉ?其中?Pjˉˉˉˉ=PjAj?Pˉˉˉ=∑jPˉˉˉj6rj=ΡjˉΡˉ?其中?Ρjˉ=ΡjAj?Ρˉ=∑jΡˉj6式中,rj為第j類土地利用的均衡因子;Pj為第j類土地的全國(guó)總產(chǎn)量;Aj為第j類土地的全國(guó)總面積;PjˉˉˉˉΡjˉ為第j類土地的平均產(chǎn)量;PˉˉˉΡˉ為6類土地的平均產(chǎn)量。劉建興的計(jì)算做了極其有意義的嘗試,但由于其計(jì)算方法方面存在不足,使得計(jì)算結(jié)果沒(méi)有在國(guó)內(nèi)推廣開(kāi)來(lái)。用單位面積的產(chǎn)量代表土地生物生產(chǎn)力存在以下兩方面的不足:對(duì)于PjˉˉˉˉΡjˉ的計(jì)算,用全國(guó)總產(chǎn)量除以全國(guó)總面積來(lái)計(jì)算,導(dǎo)致林地、草地和水域的平均產(chǎn)量偏小;對(duì)于PˉˉˉΡˉ的計(jì)算,由于各種類型的土地分布面積差異較大,簡(jiǎn)單的平均并不能代表中國(guó)的6種土地類型的平均生產(chǎn)力。與之相比,NPP是指綠色植物在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)所累積的有機(jī)物數(shù)量,是由光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)總量中扣除自氧呼吸后的剩余部分。它直接反映植物群落在自然環(huán)境條件下的生產(chǎn)能力。本文用生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力代表土地的生物生產(chǎn)力,可以準(zhǔn)確直觀地反映各種土地類型的生產(chǎn)力差別,同時(shí)可以使得生態(tài)足跡的計(jì)算結(jié)果能夠真實(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,從而更好地評(píng)估一個(gè)地區(qū)的生態(tài)持續(xù)性。2不同土地類型下植物凈初級(jí)生產(chǎn)力的計(jì)算本文采用中國(guó)2001年1kmMODIS數(shù)據(jù),根據(jù)植被的凈初級(jí)生產(chǎn)力,對(duì)中國(guó)的平均均衡因子進(jìn)行了測(cè)算:首先,在6種基本土地類型的基礎(chǔ)上,按照生態(tài)足跡模型的具體要求,對(duì)我國(guó)的土地覆被類型進(jìn)行了劃分;其次,分別計(jì)算了不同類型生態(tài)系統(tǒng)植被的凈初級(jí)生產(chǎn)力,并按照各自的面積加權(quán)得到6種土地類型的凈初級(jí)生產(chǎn)力;最后,按照各自的生產(chǎn)力計(jì)算出中國(guó)的均衡因子。2.1實(shí)測(cè)產(chǎn)量和生態(tài)因子回歸法近年來(lái),許多調(diào)查和研究對(duì)中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力進(jìn)行了評(píng)估,主要采用的方法可以分為4種類型: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?？v觀國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究,實(shí)測(cè)產(chǎn)量法較為準(zhǔn)確,但需要消耗大量時(shí)間和經(jīng)費(fèi);實(shí)測(cè)產(chǎn)量-生態(tài)因子回歸法結(jié)合實(shí)測(cè)產(chǎn)量和生態(tài)因子,往往對(duì)一定范圍內(nèi)的估算有較好效果;潛力模型評(píng)估法得出的結(jié)果是潛在生產(chǎn)力,一般遠(yuǎn)大于實(shí)際生產(chǎn)力。本文采取基于陸地植被生產(chǎn)力遙感估算方法,與非遙感的方法相比,耗費(fèi)較低,數(shù)據(jù)獲取速度快,范圍廣;與基于NDVI的生產(chǎn)力遙感估算方法相比,不需要現(xiàn)實(shí)陸地植被生產(chǎn)力數(shù)據(jù)。從得到植被光能利用率(LUE)架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)的植被NPP,其模型機(jī)理性較強(qiáng),計(jì)算過(guò)程相對(duì)直接,適用空間范圍更加廣泛。2.1.1對(duì)耕地亞類劃分在生態(tài)足跡模型的計(jì)算中,土地覆蓋類別的劃分是基礎(chǔ)性的一個(gè)環(huán)節(jié)。為得到更加合理的均衡因子,本文基于2001年中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)lkm土地覆蓋類型數(shù)據(jù)1,針對(duì)生態(tài)足跡計(jì)算的實(shí)際要求進(jìn)行了細(xì)化。如對(duì)耕地的亞類劃分,就是為了滿足在生態(tài)足跡計(jì)算中復(fù)種指數(shù)的要求,把播種面積準(zhǔn)確折算成實(shí)際耕地面積,因此將其分為一年一熟、一年兩熟(兩季小麥)、一年水旱(一季水稻、一季小麥)和雙季稻4個(gè)亞類。在分類技術(shù)上引入了先驗(yàn)知識(shí)?？紤]到中國(guó)的植被類型具有一定的地理分布規(guī)律性,加入經(jīng)度、緯度和高程信息可以進(jìn)行增強(qiáng)識(shí)別;考慮到多波段影像上低植被覆蓋類別荒漠裸地與沙漠光譜差異較大,直接采用非監(jiān)督分類進(jìn)行識(shí)別;考慮到南方丘陵山區(qū)植被類型的破碎及混合像元在1km分辨率尺度上易造成的混分,加入土地利用中的林地區(qū)域信息進(jìn)行森林灌叢類型識(shí)別區(qū)域的限制。2.1.2x,t的時(shí)空分布本文利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、CASA模型等以月或更短時(shí)間為步長(zhǎng)估算陸地NPP,即通過(guò)植被吸收的光合有效輻射(APAR)和光能利用效率ε來(lái)計(jì)算NPP:APAR取決于太陽(yáng)總輻射和植被對(duì)光合有效輻射的吸收比例:APAR(x,t)=Rs(x,t)×0.5×FPAR(x,t)(1)AΡAR(x,t)=Rs(x,t)×0.5×FΡAR(x,t)(1)式中,Rs(x,t)為t月份像元x處的太陽(yáng)總輻射量(MJ/m2);FPAR(x,t)為植被層對(duì)入射光合有效輻射(PAR)的吸收比例;常數(shù)0.5表示植被所能利用的太陽(yáng)有效輻射占太陽(yáng)總輻射的比例。ε是指植被把所吸收的PAR轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳的效率,在現(xiàn)實(shí)條件下,ε主要受溫度和水分的影響:ε(x,t)=Tε1(x,t)×Tε2(x,t)×Wε(x,t)×ε?(2)ε(x,t)=Τε1(x,t)×Τε2(x,t)×Wε(x,t)×ε*(2)式中,Tε1,Tε2為溫度對(duì)光能轉(zhuǎn)化率的影響;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(gC/MJ),取值為0.389。NPP由APAR和ε的乘積得到:NPP(x,t)=APAR(x,t)×ε(x,t)(3)ΝΡΡ(x,t)=AΡAR(x,t)×ε(x,t)(3)式中,t為時(shí)間;x為空間位置。x位置的年均NPP即各t時(shí)間段NPP(x,t)總和除以365d的商。森林、草地、水域、耕地和荒漠等5個(gè)大類各自的平均NPP由各種植被覆蓋類型的NPP及其面積得到:NPP=∑jNPPj?Aj∑jAj(4)ΝΡΡ=∑jΝΡΡj?Aj∑jAj(4)式中,NPPj為各種植被類型的NPP,Aj為各種植被類型的面積。2.2城鎮(zhèn)建設(shè)用地的均衡性中國(guó)6種生物生產(chǎn)性土地的平均均衡因子測(cè)算,由于能源消費(fèi)足跡是通過(guò)吸收能源消費(fèi)產(chǎn)生的CO2所需要的林地面積來(lái)表征的,因此能源用地的均衡因子與森林相同;而城鎮(zhèn)建設(shè)多占用的是耕地,因此盡管城鎮(zhèn)綠化用地表現(xiàn)出一定的NPP,但城鎮(zhèn)建設(shè)用地的均衡因子仍用耕地的因子代替;對(duì)于森林、草地、耕地和水域的均衡因子計(jì)算,通過(guò)某類生物生產(chǎn)性土地的NPP除以這4種類型土地的平均NPP得到:rj=NPPjNPP(5)rj=ΝΡΡjΝΡΡ(5)式中,NPPj為某類生物生產(chǎn)性土地的NPP,NPP為這4類土地的平均NPP,參考式(4)得到。3結(jié)果與分析3.1植被覆蓋分類結(jié)果分類結(jié)果包括森林、灌叢、草地、荒漠、耕地、水體及城鎮(zhèn)建筑用地等7個(gè)大類;每個(gè)大類下,根據(jù)實(shí)際情況和生態(tài)足跡模型的需要又分為若干亞類,總計(jì)21個(gè)亞類。表2顯示了分類結(jié)果及各類型的面積比例。根據(jù)基于MODIS的植被覆蓋分類結(jié)果,2001年中國(guó)森林面積約占國(guó)土總面積的16.5%;耕地面積約占國(guó)土面積的13.58%;草地面積224.71×104km2,是陸地生態(tài)系統(tǒng)中面積最大的一類土地類型,占全國(guó)面積的25.47%,相當(dāng)于耕地面積的1.88倍,森林面積的1.54倍。各類土地面積與國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)吻合良好。3.2植物的意義基于npp計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可以看出不同植被類型的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;城鎮(zhèn)建設(shè)用地也有一定的NPP,這是城鎮(zhèn)中的綠化用地表現(xiàn)出來(lái)的;農(nóng)作物也有很高的NPP,這是由于在計(jì)算中考慮了復(fù)種的問(wèn)題,一年兩熟、一年水旱和雙季稻都有春秋兩季收獲。就NPP均值而言,由耕地、森林、灌叢、草地、水域、城鎮(zhèn)用地、荒漠的次序遞減,以荒漠NPP為最低,這是因?yàn)榛哪貐^(qū)植被稀疏,且高溫、干旱,植物的光合積累極低。與前人研究結(jié)果相比(圖2),本文對(duì)各類植被類型的模擬與前人[17,18,19,20,21,22,23,24]的研究結(jié)果非常接近。從圖2可以直觀地看出,本文對(duì)森林、灌叢、草地、耕地等不同植被覆蓋類型土地生產(chǎn)力的計(jì)算結(jié)果均在前人研究成果的范圍之內(nèi),同時(shí)5種森林類型生產(chǎn)力的計(jì)算結(jié)果也在第5次森林資源清查的實(shí)測(cè)值范圍之內(nèi)。3.3不同類型生態(tài)系統(tǒng)的均衡因子正如在計(jì)算方法中提到的,同其他均衡因子的研究一樣,本文的能源用地均衡因子與森林相同,建筑用地均衡因子與耕地相同。因而,通過(guò)對(duì)森林、草地、耕地和水域的均衡因子計(jì)算得到表4。耕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)、草地(0.44)和水域(0.35)。不同類型生態(tài)系統(tǒng)的均衡因子見(jiàn)表5。針闊混交林均衡因子最大,達(dá)到2.17;其次為雙季稻,2.03。均衡因子超過(guò)1的還有落葉闊葉林(1.94)、常綠闊葉林(1.78)、一年水旱耕地(1.77)、一年兩熟耕地(1.67)、一年一熟(1.53)及落葉針葉林(1.05);而常綠針葉林(0.87)、各類草地和水域的均衡因子則低于平均水平。4生態(tài)足跡模型的標(biāo)準(zhǔn)化和本土化研究本文對(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)算了不同植被覆蓋類型土地的均衡因子,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)力水平最高的耕地,其均衡因子最大(1.74),水域的因子最小(0.35);就不同生態(tài)系統(tǒng)類型而言,針闊混交林的均衡因子最大(2.17),其次為雙季稻(2.03),而湖泊、河流和冰川的因子最小。4.1世界平均均衡因子1996年Wackernagel提出的全球平均均衡因子是最早的成果,應(yīng)用也非常廣泛,與之相比,本文計(jì)算的中國(guó)的耕地均衡因子偏小,林地和水域偏高;另外,由于本文的計(jì)算是基于2001年的圖像數(shù)據(jù),因此與WWF給出的2001年世界平均均衡因子相比,本文中耕地的均衡因子偏小,其他因子相差不大(表6)。究其原因,一是中國(guó)各種類型生物生產(chǎn)性土地的生產(chǎn)能力與全球平均生產(chǎn)能力不同,因此本文的計(jì)算結(jié)果與全球平均值存在差異;二是三者的計(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),由于大尺度上的計(jì)算上存在著數(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)的分類和計(jì)算。4.2實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)性問(wèn)題生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動(dòng)開(kāi)始于綠色植物的光合作用。NPP是綠色植物在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)所累積的有機(jī)物數(shù)量,是由光合作用所產(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。另一方面,生態(tài)足跡模型中為了將6類生物生產(chǎn)力不同的土地類型面積轉(zhuǎn)換為具有相同生物生產(chǎn)力的面積以便加和