基于NPP的青海省草地生态足迹以及生态承载力估算——以海晏县为例

赵彤 刘洁 孙玮婕

（1 青海省气象科学研究所，西宁 810001；2 青海省防灾减灾重点实验室，西宁 810001；3 青海省海北牧业气象试验站，海北 812200）

0 引言

自1987年以来，可持续发展作为一种新的发展理念和模式已经从定性的描述逐渐走向定量的测定和评价。定量研究可持续发展的程度、人类对资源的利用情况以及人类对生态环境产生的影响以及压力已经成为目前研究的重要内容[1-4]。生态足迹（ecological footprint，EF）概念是生态学教授William Rees在20世纪90年代提出的，并同Mathis Wackernagel一起将生态足迹概念发展为生态足迹模型[4]。所谓生态足迹就是能够持续地提供资源或消纳废物的、具有生物生产力的地域空间，其含义就是要维持一个人、地区、国家的生存所需要的或者指能够容纳人类所排放的废物的、具有生物生产力的地域面积。该值的大小反映着区域人口对环境的破坏程度[5-8]。随着生态模型的不断研究与广泛应用，生态承载力评价是生态足迹模型应用的重要方面[9-11]。生态承载力则是指在某一特定环境条件下（主要指生存空间、营养物质、阳光等生态因子的组合），某种个体存在数量的最高极限[12-13]。生态盈余或赤字是用来表征区域生态承载力情况的两个要素，是生态承载力与生态足迹两者之间做差值后所得，若两者之间的差值＜0，则被定义为生态赤字，即该区域社会经济发展处于不可持续状态；差值＞0则被定义为生态盈余，即该区域生产消费活动未超出生态系统承载力[14-17]。

在探索生态足迹模型前期，国内学者主要针对部分省份或区域进行基于生态足迹的生态承载力评价研究。张志强等[18]对中国西部12个省份的生态足迹进行研究计算，进而评价当地的可持续发展状况，研究表明，除云南和西藏2个省（区）生态足迹较小外，其余10个省（区、市）生态足迹均出现赤字，表明区域的生活强度超过了生态系统的承载能力。徐中民等[19]对国内部分省（区、市）1999年的生态足迹进行了计算，大部分省（区、市）的生态足迹超过了当地的生态承载力，区域经济社会发展处于一种不可持续的发展状态。随着生态足迹模型的不断应用，针对区域的某一类土地利用类型的生态足迹以及生态承载力的测算研究不断增多，具体在草地以及耕地两类土地类型的研究比较突出。任彩凤等[20]从人均足迹广度和人均足迹深度着手，定量分析了淮北市的生态系统发展能力，结果显示，在7 a间，人均生态足迹整体呈增加趋势，人均生态承载力保持在0.2100 hm2·cap–1的水平，7 a间一直消耗资本存量，生态系统处于极不安全状态。王瑞杰等[21]利用土地利用数据结合生态足迹模型计算鄂尔多斯高原覆被的生态承载力，2000—2005年鄂尔多斯高原处于生态盈余状态，2005年以后区域由生态盈余转为生态赤字，生态承载力处于严重透支状态。杨荣荣[22]对祁连山南坡草地的生态足迹与生态承载力进行了评估，发现2001—2018年祁连山南坡草地人均生态赤字/生态盈余的时间分布呈现逐年降低的趋势。

青海省海晏县作为全省的畜牧业重点发展区域，定量的评价区域可持续发展程度对合理利用草地、改善草地生态有着重要的意义。本文以植被净初级生产力为基础，对海晏县草地人均生态足迹与人均生态承载力进行估算与研究，同时揭示其时空变化特征，为区域生态环境健康发展提供一定的科学支撑。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

海晏县（图1）位于青海省东北部，湟水河的发源地，北接祁连县、门源县，东邻大通县、湟中县，南接湟源县、共和县，西邻刚察县。全县总面积4853 km2。区域平均海拔在3000～3400 m；海晏县属于高原亚干旱气候，年平均气温为1.5 ℃，年日照时数在2750～2580 h，年降水量在270～500 mm。海晏县草地资源丰富，是青海省重要的生态畜牧业示范区域，区域有草场362.5万亩（1亩＝666.7 m2），夏秋草场153.2万亩，畜均占有草场9.8亩， 主要的草地类型为高寒草地。2020年，海晏县人口为37729人。

图1 研究区概况Fig. 1 Location of the study area

1.2 数据来源与预处理

本文的源数据包括用于计算植被净初级生产力的MODIS NDVI数据（MOD13A1）、气象数据、植被类型数据以及用于评估CASA模型估算NPP结果精度的MODIS NPP数据（MOD17A3）。

遥感数据来自于NASA，其中MOD13A1数据空间分辨率为500 m，时间分辨率为16 d；MOD17A3空间分辨率为500 m，时间分辨率为1 a。气象数据来自于国家青藏高原科学数据中心研发的中国区域地面气象要素驱动数据集（CMFD），该数据集以Princeton、GLDAS、GEWEX-SRB与TRMM作为数据基础，融合了中国气象局常规气象观测数据制作而成，其精度优于国际上已有的再分析数据[23-24]；数据空间分辨率为1 km，时间分辨率为3 h。植被类型数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心，数据空间分辨率为1 km。综合利用上述数据，结合CASA模型计算插件计算海晏县草地NPP，插件中的静态参数文件引用了以往研究结果，配置9类植被类型的参数[25-27]。

2000—2020年的统计数据主要来源于青海省统计年鉴、中国县域统计年鉴、青海省海晏县人民政府官方网站。DEM数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台。

1.3 研究方法

1.3.1 CASA模型计算NPP

CASA模型是由遥感数据、温度、降水、太阳辐射以及植被类型和土壤类型共同驱动的光能利用率模型，主要通过光合有效辐射（APAR）和光能转化率（ε）来计算NPP，计算公式为：

光合有效辐射计算公式如下：

式中，SOL为太阳总辐射量（MJ∙m–2）；FPAR为植被冠层对入射光合有效辐射的吸收；常数0.5表示植被所能利用的太阳有效辐射占太阳总辐射的比例。SOL、FPAR具体计算方法见参考文献[28]。

利用2000—2020年计算的NPP数据，结合海晏县草地分类结果，裁剪出海晏县草地NPP数据，经过计算输出相应的统计数据，裁剪与统计方法均采用ArcGIS软件实现。草地NPP年际变化采用线性趋势斜率方法[29]计算。

1.3.2 生态足迹模型

基于NPP，对海晏县草地人均生态足迹进行计算，计算公式为[30]：

式中，ef为海晏县草地人均生态足迹；ri为海晏县草地的均衡因子，为研究区某类土地的年平均生产力与所有土地类型总年平均生产力之比，根据文献[31]，ri=0.49；aai为海晏县草地人均生物生产面积；ci为海晏县草地的人均消费量，Yi为海晏县年产草量 ，Pi为海晏县年人口数，年产草量和年人口数均由统计年鉴获取；pi为海晏县草地的年均NPP；i代表特定的土地类型，在研究中代表草地。

1.3.3 生态承载力计算模型

基于草地均衡因子与产量因子，对研究区域的草地人均生态承载力进行计算，计算公式为：

1.3.4 生态赤字/盈余计算模型

生态赤字/盈余（es）利用生态承载力与生态足迹之间的差值表征，差值＜0 表征区域处于不可持续发展的生态赤字阶段，反之表征区域处于可持续发展的生态盈余阶段[31]：

2 结果与分析

2.1 海晏县草地NPP估算及时空变化

2.1.1 MOD17A3产品与CASA模型估算NPP精度评估

利用MOD17A3产品，与CASA模型计算得到的NPP结果进行精度检验，利用ArcGIS按点提取值工具分别提取了两套栅格数据上1000个检验样本值，从两套数据的精度检验结果可以看出两套产品之间的相关性较高（图2），且两套数据之间的偏差较小。

图2 2015年海晏县MOD17A3产品与CASA模型NPP（单位：g·m-2·a-1）对比Fig. 2 Comparison of NPP (unit: g·m-2·a-1) between MOD17A3 and CASA model in Haiyan County in 2015

2.1.2 海晏县草地NPP时间分布格局

2000—2020年海晏县草地NPP多年平均值为368.96 g·m-2∙a-1。整体来看，草地NPP值呈波动上升趋势，波动范围在271.06～418.55 g·m-2∙a-1。其中，草地NPP的峰值出现在2017年，为418.55 g·m-2∙a-1；谷值出现在2000年，为271.06 g·m-2∙a-1。2000—2005年，海晏县草地NPP均低于平均值，且呈逐年上升趋势；2005年后大部分年份草地NPP高于平均值，除部分年份（2008、2011、2015年）低于平均值以外，其余年份均呈波动上升的趋势。多年平均值结果表明，自2005年后，海晏县草地的生产力逐年增强，草地生态环境整体趋好。

2000—2020年海晏县草地的NPP值呈逐年缓慢增加的趋势，增加速率为5.50 g·m-2∙a-1（图3）。根据多年变化趋势结合显著性检验结果，研究区域草地NPP大部表现出显著增加趋势，且通过0.05水平的显著性检验，只有部分地区呈略微减少的趋势。其中，草地NPP减少的区域主要集中在环湖地区以北以及县域北部零星地区，NPP平均减少0.50 g·m-2∙a-1；其余地区NPP由北至南呈增加的趋势，趋势斜率范围在3.0～7.8（图4）。

图4 2000—2020年海晏县草地NPP年际变化趋势（a）和显著性检验结果（b）Fig. 4 Interannual variation trend (a) of grassland NPP in Haiyan County from 2000 to 2020 and its significance analysis (b)

2.1.3 海晏县草地NPP空间分布格局

海晏县草地NPP多年平均值的空间分布特征为中部向西部以及北部高山地区逐渐减少的趋势，且高值区和低值区的分布界限比较明显。其中，中部低海拔地区的青海湖乡、三角城金滩乡以及哈勒景的草地生产力较强，区域草地的NPP值在400～450 g·m-2∙a-1。环湖以北沙地区域以及北部海拔较高的青海湖乡以及甘子河等区域的草地整体NPP值较低，在200～300 g·m-2∙a-1。从分布结果来看，海晏县草地NPP的分布具有一定的垂直地带性，具体表现为随海拔升高，NPP逐渐降低（图5）。

图5 2000—2020年海晏县草地年均NPP空间分布Fig. 5 Spatial distribution of the annual grassland NPP in Haiyan County from 2000 to 2020

2.2 海晏县草地生态足迹估算及时空变化

2.2.1 海晏县草地生态足迹时间分布

在草地NPP计算结果的基础上，根据式（3）对2000—2020年的草地人均生态足迹进行定量化估算。由于文章中只涉及草地一种土地利用类型，因此生态足迹模型中的均衡因子为草地均衡因子，取0.49[31]。最终海晏县草地人均生态足迹估算结果如图6所示：21 a间，海晏县草地人均生态足迹呈缓慢上升的趋势，平均生态足迹为0.24 hm2·cap-1，同时在2007、2009和2017年出现了3次下降。2020年海晏县草地生态足迹为0.34 hm2·cap-1，相较于2000年增长了0.16 hm2·cap-1。整体来看，2000—2013年草地人均生态足迹均低于平均值，表明该时段草地生态系统态势趋稳，未出现较大的生态环境危机。

图6 2000—2020年海晏县草地人均生态足迹时间分布特征Fig. 6 Temporal distribution of ecological footprint per capita in Haiyan County from 2000 to 2020

2000—2020年海晏县人均草地生态足迹年际变化趋势平均值为0.010 hm2·cap-1，表现出显著增加的趋势（P<0.05），仅部分地区呈略微减少的趋势。其中，中部大部区域生态足迹每年增长速率在0.008～0.011 hm2·cap-1；甘子河乡南部以及东北部、青海湖乡南部以及北部部分地区和西海镇生态足迹每年增长速率在0.015～0.018 hm2·cap-1。可以看出，增长速率较大区域也是草地长势较差退化严重、以及海拔偏高区域，区域整体情况对有限的草地资源的负面影响较大（图7）。

图7 2000—2020年海晏县草地人均生态足迹年际变化趋势（a）和显著性检验结果（b）Fig. 7 Interannual variation trend (a) of grassland ecological footprint per capita from 2000 to 2020 in Haiyan County and its significance analysis (b)

2.2.2 海晏县草地生态足迹空间分布

图8为草地人均生态足迹空间分布结果，分布特征为中部偏低环湖以北以及北部高山地区偏高。其中，草地人均生态足迹最小的区域分布在草地生产力较强的中部区域，区域值范围为0.17～0.21 hm2·cap-1，面积占整个研究区草地面积的42.85%；草地生态足迹最小的区域分布在草地生产力较强的中部大部以及北部和东南部部分区域，其值范围为0.17～0.21 hm2·cap-1，面积占比约为42.85%；草地人均生态足迹最大的区域主要分布于环湖北部以及研究区北部高海拔的部分区域，其值范围为0.44～1.06 hm2·cap-1，面积占比约为8.09%。

2.3 海晏县草地生态承载力估算及时空分布

2.3.1 海晏县草地生态承载力时间分布

根据生态承载力计算模型，结合确定的草地均衡因子、产量因子、海晏县草地面积以及人口数量等要素，对海晏县2000—2020年草地人均生态承载力进行估算。由于文章主要涉及草地一种土地利用类型，所以产量因子主要以草地为主，产量因子是根据海晏县草地NPP与全国草地NPP平均值的比值计算得出。2000—2020年海晏县草地人均生态承载力呈微弱降低的趋势，最高值出现在2005年，为3.57 hm2∙cap-1，最低值出现在2015年，为2.77 hm2·cap-1（图9）。图10为海晏县21 a间草地人均生态承载力年际变化趋势与显著性检验结果（P<0.05），空间分布特征表现为北部以及中部显著减少，西南以及东南部显著增加的趋势。其中减少的区域主要集中在甘子河乡中北部、三角城以及哈勒景大部，其变化范围在－0.037～0.041 hm2·cap-1；草地人均生态承载力增加的区域主要集中在环湖以北的甘子河乡、青海湖乡以及西海镇，生态承载力增加范围在0.135～0.561 hm2·cap-1。

图9 2000—2020年海晏县草地人均生态承载力时间分布特征Fig. 9 Temporal distribution of grassland ecological carrying capacity per capita in Haiyan County from 2000 to 2020

图10 2000—2020年海晏县草地人均生态承载力年际变化趋势（a）和显著性检验结果（b）Fig. 10 Interannual variation trend (a) of grassland ecological carrying capacity per capita in Haiyan County from 2000 to 2020 and its significance analysis (b)

2.3.2 海晏县草地生态承载力空间分布

海晏县2000—2020年草地人均生态承载力空间分布结果如图11所示。草地人均生态承载力空间分布呈由四周向中部逐渐增大的趋势。其中，草地生态承载力最小的区域分布于研究区中海拔较高区域以及存在土地沙化的区域，区域值范围为1.5～2.5 hm2·cap-1，约占整个研究区草地面积的32.07%；草地生态承载力较大的区域分布于研究区的中部地带，其值范围在2.9～4.1 hm2·cap-1，在甘子河乡、金滩乡以及青海湖乡分布比较多，面积占比约为67.93%。结果显示，海晏县草地人均生态承载力与区域的草地生产力以及畜牧业的发展存在着密切的关系，青海湖乡北部以及甘子河乡等地区海拔较高，草地的生产能力较弱，牛羊等牲畜的数量较少，进而草地生态承载力偏低。

图11 2000—2020年海晏县草地人均生态承载力空间分布Fig. 11 Spatial distribution of grassland ecological carrying capacity per capita in Haiyan County from 2000 to 2020

2.4 海晏县草地生态赤字/盈余时空分布

基于生态承载力与生态足迹的计算结果，对海晏县2000—2020年草地人均生态赤字/盈余的年际变化情况进行估算，结果如表1所示。2000—2020年海晏县草地人均生态赤字/盈余的年际变化呈现逐年波动降低的趋势，总体上每年的数值均＞0，草地生态系统处于生态盈余的状态，未出现较大环境危机。21 a间草地人均生态赤字/盈余的平均值约为2.87 hm2·cap-1，其中，低于平均值的年份有9个，最低值出现在2020年，为2.51 hm2·cap-1，这是由于2020年的草地生产力较低且生态承载力较低的原因。在2005年海晏县草地生态赤字/盈余达到了2000—2020年的峰值，为3.39 hm2·cap-1，主要是2005年海晏县草地NPP较大且人均生态足迹较低，使得该年份的草地生态环境状况较好。

表1 2000—2020年海晏县人均生态足迹、人均生态承载力以及生态赤字/盈余情况Table 1 Per capita ecological footprint, ecological carrying capacity and ecological deficit/surplus in Haiyan County from 2000 to 2020

从多年平均的空间分布情况来看，2000—2020年全县草地生态赤字/盈余呈由四周向中部逐渐增加的分布格局。其中生态赤字/盈余较低的区域仍处于环湖以北以及海晏县北部高海拔地区，区域的生态赤字/盈余值范围在1.0～2.5 hm2·cap-1；高值区在研究区中部，中部地区处于生态盈余的状态，区域值的范围在3.0～4.0 hm2·cap-1（图12）。

图12 2000—2020年海晏县草地生态赤字/盈余空间分布Fig. 12 Spatial distribution of grassland ecological deficit/surplus in Haiyan County from 2000 to 2020

3 结论

本文基于NPP数据，结合生态足迹以及生态承载力计算模型，对2000—2020年海晏县草地生态足迹以及生态承载力进行了估算，同时揭示其时空分布特征。最终得出以下结论。

1）海晏县2000—2020年草地NPP多年平均值为368.96 gC∙m-2∙a-1。草地NPP值呈波动上升趋势，波动范围在271.06～418.55 gC∙m-2∙a-1。其中，草地NPP的峰值出现在2017年，为418.55 gC∙m-2∙a-1，谷值出现在2000年，值为271.06 gC∙m-2∙a-1。同时，海晏县草地NPP的分布具有一定的垂直地带性，具体表现为随海拔升高，NPP逐渐降低。

2）21 a间海晏县草地人均生态足迹呈缓慢上升的趋势，平均生态足迹为0.24 hm2·cap-1。2020年海晏县草地生态足迹为0.34 hm2·cap-1，相较于2000年增长了0.16 hm2·cap-1。草地人均生态足迹最小的区域分布于草地生产力较强的中部区域，面积占整个研究区草地面积的42.85%；草地人均生态足迹最大的区域主要分布于环湖北部以及研究区北部高海拔的部分区域，其值范围为0.44～1.06 hm2·cap-1，约占整个研究区面积的8.09%。

3）2000—2020年海晏县草地人均生态承载力呈微弱降低的趋势，最高值出现在2005年，为3.57 hm2∙cap-1，最低值出现在2015年，为2.77 hm2∙cap-1。空间分布特征表现为北部以及中部减少，西南以及东南部增加。其中，草地生态承载力最小的区域分布于研究区中海拔较高区域以及存在土地沙化的区域，约占整个研究区草地面积的32.07%；草地生态承载力较大的区域分布于研究区甘子河乡、金滩乡以及青海湖乡，面积占比约为67.93%。

4）2000—2020年全县草地生态赤字/盈余的平均值为2.87 hm2∙cap-1，呈由四周向中部逐渐增加的分布格局。总体上每年的数值均＞0，草地生态系统处于生态盈余的状态，未出现较大环境危机。