一種生態足跡的地理可視化方法
——以湖北省為例

張健航，周榮琪，趙雨馨

武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430070

隨著經濟、社會的發展，環境污染、資源短缺等逐漸，成為世界性的生態環境問題，引起了社會各界的廣泛關注，各國學者也開展了深入的研究。1992年生態足跡理論被首次提出，作為一種非貨幣的生態系統評價工具，憑借其良好的可比性與人地理念，生態足跡理論迅速被大家所接受[1]。1999年生態足跡理論首次被引入國內，國內外學者結合實際情況，開展了大量的各層次的研究。研究主要在以下3 個方面進行：1）生態足跡中國化的過程。針對中國的國情，對產量因子、均衡因子進行改進[2，3]，提出了“國家公頃”“省公頃”等計量單位[4，5]，使生態足跡理論更加貼合中國的實際情況；2）生態足跡的研究方法，角度的擴展。提出了碳足跡等“足跡家族”概念[6-8]，引入能值理論，三維生態足跡等新的計算方法[2，9-11]；3）生態足跡的時空分析、預測、驅動力分析等。生態足跡的研究從原有對的靜態分析[12]，漸漸發展為時間趨勢分析[6，8，13-14]，使用相關分析、主成分分析等方法研究生態足跡的驅動因素[9-10，15-16]，結合“灰色模型”等預測方法對生態足跡的變化進行預測[17-19]。

作為一種生態經濟學的研究方法，生態足跡理論提供了一整套完整的計算方法。但在生態足跡的空間分布方面研究較少，研究多以行政區為最小單元，進行生態足跡的空間格局研究，而忽略了行政單元內部的景觀的異質性。因此，本文在前人研究的基礎上，提出了一種生態足跡地理空間可視化的方法，可以為研究生態足跡空間分布與轉移支付提供一種新方法。

1 研究區概況與數據來源

湖北省位于中國中部腹地，長江橫貫東西，境內水網縱橫，湖泊密布。國土面積18.59 萬km2。2018年，湖北省實現地區生產總值39 366.55 億元，增長7.8%。近十年來的經濟高速增長，消耗了大量的自然資源，其中很多是不可再生資源，也帶來了資源不合理利用，生態系統服務功能逐步下降等生態環境問題。如何測定并評價湖北省生態環境容量與生態占用，對湖北省完成“兩型社會”建設目標與制定合理的可持續發展戰略有重要意義。

本研究中使用產量數據與能源消費數據來自《湖北統計年鑒》《中國能源年鑒》《中國城市統計年鑒》；均衡因子、產量因子指標來源于世界糧農組織；遙感數據來源于NASA 發布的MODIS 產品（https://searthdata.nasa.gov/，MCD12Q1）；中國公里格網人口分布數據集來自中國科學院資源環境科學數據中心（http://www.resdc.cn/）；夜光數據來源于美國國家海洋和大氣管理局（https://ngdc.noaa.gov/）。根據數據的可獲取性，選取了2010年進行生態足跡的空間可視化研究。

2 研究方法

2.1 生態足跡理論

生態足跡（Ecological Footprint，EF）指可供給區域內人口消耗的所有資源以及能夠吸納區域內所有廢棄物的生物生產力土地面積之和，計算方法如公式（1）所示：

式中，N為常住人口的總數；ef為人均生態足跡；γ為均衡因子；Ci為第i 項消費項目的年消費量；Pi為相應的世界年平均生產力。

生態承載力（Ecological Capacity，EC）是指生態系統對人類活動的支撐能力，主要表示生態系統所能承受的閾值，計算方法如公式（2）所示：

式中，ec為人均生態承載力；ai為第i 種生物生產面積；ri為均衡因子，yi為產量因子。均衡因子與產量因子見表1。

表1 均衡因子與產量因子Tab.1 Equivalent factors and yield factors

生態赤字（盈余）表示資源、能源消費和廢棄物排放所占用的生態系統規模同自己所擁有的生態容量之間的差額，通過公式（3）進行計算：

式中，ED為生態盈虧，若ED為正則表明出現生態盈余；若ED值為負則表明發生生態赤字。生態赤字表明該地區經濟發展不可持續，反之生態盈余則表明生態還有包容社會經濟發展的支撐能力。

2.2 生態足跡的可視化方法

由于遙感技術的發展，生態承載力中的各土地類型可以通過遙感影像判別，格網內的生態承載力可以使用MODIS 產品進行計算，計算方法如下：

式中，Eci表示第i 個格網內的生態承載力，aik表示格網內第i 個格網內第k 種生產性的土地面積。

“產出型”生態足跡：表征格網水平下，各用地類型上資源產出量的分布情況。在生態承載力的計算中，建設用地與耕地被認為有相同的生態承載力，但建設用地與耕地的資源產出情況存在很大差異，使用“產出型”生態足跡可以更好地描述不同用地類型下資源產出情況。其計算方法如下：

Efpi表示第i 個格網內“產出型”生態足跡，aij表示第i 個格網內第k 種用地類型的比例，EFk表示第k種用地類型對應的生態足跡，Ak表示第k種用地類型對應的實際面積。

“消費型”生態足跡：表征一個區域資源消費分布情況。生態足跡由人類活動產生，人類的每一次消費都會對應相應的生態足跡，可以通過計算格網內由人類活動而產生的生態足跡來描述其在地理空間的分布情況?！跋M型”生態足跡與人均生態足跡和格網內的人口數量有關。前人研究表明：生態足跡與居民消費水平、經濟發展水平也有強相關性[15，20]；《中國生態足跡報告2010》指出，中國城鄉之間的人均生態足跡差異十分顯著，與農村相比，城市需要更多的生物承載力來支持其生活模式[18]，這種差距可以使用城鄉間的消費水平差異進行體現?！跋M型”生態足跡可以通過公式（6）進行計算：

Efi為“消費型”生態足跡，z為優化變量，ri為第i 個格網內的居民消費水平，ri取值與格網屬于城鎮地區或農村地區有關，li為居民平均消費水平。夜光影像常常被用來提取城市邊界，進而劃分出城鎮與農村，這種方法在大范圍的提取城市時更加高效與便利[21]。在本文中，選用DMPS-OLS 夜光影像劃分城鎮地區與農村地區，通過與《中國城市統計年鑒》城市建設面積比較，將亮度大于7 的地塊視為城鎮地區，其余地區視為農村地區。

同樣的，在格網水平下也可以計算生態承載力與“產出型”生態足跡之間的差距，從而得到格網水平的生態盈虧，計算方法如公式（7）所示：

由于“消費型”生態足跡表征資源的消費分布情況，而“生產型”消費足跡表征資源的產出分布情況，計算其差值即可計算得到資源在區域內的流動情況，直觀地發現不同地區的資源供給量與消費量之間的差異，從而判斷某區域對外部資源的依賴程度，計算方法如公式（8）所示：

3 結果與分析

按照上述模型，首先計算根據生物賬戶與能源賬戶相應的生態足跡，再根據用地類型計算出相應的生態承載力，湖北省2010年生態足跡相關數據顯示（見表2）：2010年湖北省人均生態承載力0.3962 ghm2，人均生態足跡2.5655 ghm2，人均生態赤字2.1692 ghm2，生態赤字明顯，其中林地與建設用地存在少量的生態盈余；耕地、水域、草地與化石能源用地存在生態赤字?；茉从玫厣鷳B赤字達-1.0242 ghm2，幾乎占總生態赤字的一半。湖北省經濟發展以資源大量消耗為代價，給生態環境帶來巨大的壓力。

表2 2010年湖北省各用地類型生態足跡計算結果Tab.2 Results of ecological footprints of different various land types in Hubei Province in 2010

使用ArcGIS 軟件對原始圖像進行分類計算，在對原始數據進行重采樣到1km 的基礎上進行柵格分析后，繪制2010年生態承載力與生態足跡空間分布圖（見圖1、圖2）。研究發現：

圖1 湖北省生態承載力空間分布Fig.1 Spatial distribution of ecological capacity in Hubei Province

1）生態承載力空間格局與地形地貌分布有關，呈現明顯的“東高西低”的空間格局（見圖1）。中東部地區地勢平坦，多被開發為耕地，生態承載力高；西部處于第二階梯，森林廣布，由于中國對森林的保護政策，西部大部分地區生態承載力不高，其中相對平緩的地區開發為耕地，具有較高的生態承載力；草地分布相對分散，多混雜在其他用地類型間，不易辨別，水域主要分布東南部地區，呈斑塊狀分布，生態承載力較低。不同類型的土地生產力不同，空間分布的差異，導致生態承載力的不均勻分布，這種差異的數量級在103。

2）“產出型”生態足跡與生態承載力的空間格局類似，但存在一些差異（見圖2（a））。位于第二階梯的西部林區“產出型”生態足跡較低；中部、東部的江漢平原的“產出型”生態足跡較高，提供了大量的資源。水域的“產出型”生態足跡最高，在2010年為湖北省提供了大量的水產品；建設用地“產出型”生態足跡較低，這與生態承載力的分布呈現出明顯差異。不同用地類型的資源產出量的不同，使“生產型”生態足跡的格局存在差異，這種差異達到104，相比于生態承載力，數量級的差異進一步增大，在部分地區，這種不對稱的“承載力-產出”加大了部分地區的生態壓力，這是導致生態承載力降低、生態惡化的主要原因。

3）“消費型”生態足跡的空間格局分布與行政區劃，經濟發展水平高度有關。生態足跡最大值出現在武漢市，“武漢1+8 城市圈”與各地級市城市中心地帶為生態足跡高值區的主要分布地區；神農架林區人口密度低，生態足跡最低；低值區分布在湖北省西部，荊門、宜昌、襄樊等地區，用地類型多為水體、林地、耕地，人口稀少，因此生態足跡相對較低?！跋M型”生態足跡出現了明顯的人口與經濟的趨向性，經濟發展水平越高地區，對人口的引力就越強，導致城市與農村出現強烈的差異，這種差異的數量級達105。這也就表明：城鄉間發展不均衡與人口的聚集是導致區域生態足跡的生態格局出現差異的主要原因。

圖2 2010年湖北省生態足跡空間格局：（a）“產出型”生態足跡；（b）“消費型”生態足跡；（c）生態盈虧；（d）生態足跡轉移Fig.2 Spatial patterns of ecological footprints in Hubei Province in 2010: (a) "Output-type" ecological footprint； (b) "Consumer-type" ecological footprint； (c) Ecological profit and loss； (d) Ecological footprint transfer

4）生態赤字主要分布在東部與中部，用地類型表現為：水域、耕地、草地，其中水域，草地生態赤字巨大，存在生態惡化的風險；生態盈余主要分布在西部區、咸寧南部、黃岡東北部地區，用地類型表現為林地，還有可以開發利用的空間，在各地級市的城市中心地區有較高的生態盈余，城市建成區的實際土地生產價值并沒有完全開發，因而存在一定的生態盈余。

5）生態足跡流出地區分布在中部的荊門大部分地區、隨州的北部、襄陽與宜昌東部，少量零星分布于西部與東部等地區，用地類型表現為耕地、草地、水域，且多為農村地區。由于人口、資源消費量較少，當地產出的資源無法完全在本地消耗，成為資源的流出地區；生態足跡流入地區主要分布在東部“武漢1+8 城市圈”內、此外，在各地級市的城市建成區，也是生態足跡的主要流入地。東部地區與城市建成區由于人口數量大，城市居民的城市生活也需要消耗更多的資源，成為生態足跡最大的流入地區；西部地區耕地稀少，森林未完全開發，可以提供的資源量較少，人口數量也相對較少，但仍需依賴其他地區的資源，這也是導致湖北省西部地區經濟發展水平被制約的原因之一。湖北省2010年人均生態赤字2.1692 ghm2，總體上需要其他地區的資源轉移來支持湖北省發展，觀察其空間格局，東部地區相對西部存在更大的資源缺口，這種東部與西部之間的差異，也是造成地區發展不平衡的主要原因。

4 結論與討論

4.1 結論

本文結合夜光數據與遙感數據，研究了湖北省生態承載力與生態足跡的空間格局，并提出了“產出型”生態足跡與“消費型”生態足跡，并得出了以下結論：

1）2010年湖北省人均生態赤字2.1692 ghm2，生態足跡與生態承載力存在明顯差距，生態赤字明顯。水體，耕地，草地正面臨巨大的生態環境壓力。

2）湖北省生態承載力空間分布受地形地貌影響，空間格局表現為“東高西低”；“產出型”生態足跡總體上表現與生態承載力的空間格局表現一致，但受產量的影響，在建設用地與水域等用地類型上出現了與生承載力巨大的反差，這種反差加劇了地區間的差異；“消費型”生態足跡與人口分布和經濟發展水平有關，總體上表現為“東高西低”，建設用地也有較高的分布，“消費型”生態足跡的地區差異進一步增大，地區發展不均衡與人口的聚集是導致生態足跡存在地區差異的主要原因。

3）空間生態盈虧的空間格局總體上表現為“東赤西盈”，西部的大范圍的林地與建設用地表現為盈余；其他用地類型表現為赤字，在水域草地等地赤字巨大，有生態惡化的風險；生態足跡轉移表明，資源在區域內流動存在方向性，大致從中部地區流向東部“武漢1+8 城市圈”、各城市建成區與西部地區，由于流出地區相對較小且轉移資源量少，實際上仍需要來自區域外的大量資源支撐湖北省的發展與建設。

4.2 討論

生態足跡起屬于生態經濟學范疇，原有的研究方法多通過統計表圖的形式進行研究，而生態足跡實際上作用于實際的地表空間，統計圖表并不具備空間表達的能力，因此研究中往往會造成片面解讀，如在本文的水域的分析可以發現，統計指標與空間表達給出的生態赤字有很大差異，不同的統計口徑下往往可以得出不一樣的結果。本文提出的生態足跡的空間表示方法一定程度上緩解了這種問題。如將本文方法結合到生態足跡的時空角度研究中，可能會比行政單元作為最小研究單元有更好的分析與解釋效果。