1、本科毕业论文（20 届）基于 GIS 和生态足迹模型的区域生态安全评价所在学院专业班级 测绘工程学生姓名指导教师完成日期基于 GIS 和生态足迹模型的区域生态安全评价以漳州市土楼地区为例摘要：人类与自然相互依存相互影响，自然资源的可持续利用是人类生存的基础，而随着人类不断的发展经济，消耗了大量的地球自然资源，一些地区的环境遭到了污染，生态也遭到破坏。这一巨大变化使得人类快速地改变着地球的生态，生态环境问题己成为社会的热点问题。本文所研究的区域拥有世界文化遗产“福建土楼”，其生态环境质量对世界文化遗产“福建土楼”的保护有着重要意义，也将影响到漳州市乃至福建省的生态环境安全。本文将 GIS 和生态
2、足迹相结合，计算了漳州市土楼地区的生态足迹、生态压力指数、生态赤字/盈余、生态承载力，对结果进行分析做出可靠的生态安全评价，通过本研究取得的主要结论：以生态赤字为指标得出 2014 年漳州市土楼地区处于生态盈余状态；以生态压力指数为指标得出 2014 年漳州市土楼地区的生态环境处在较安全的状态；相对于传统生态足迹方法，基于 GIS 的空间计算法所得结果则更为直观地反映生态承载力、生态赤字和生态压力指数的空间分布状况，更具有参考价值，而这是传统生态足迹统计数据计算所得的数值所无法体现的。 关键词：生态安全；GIS；生态足迹；南靖县；华安县。1 引言1.1 研究背景及意义人类与自然相互依存相互影响
3、，自然资源的可持续利用是人类生存的基础，而随着人类不断的发展经济，消耗了大量的地球自然资源，一些地区的环境遭到了污染，生态也遭到破坏。这一巨大变化使得人类快速地改变着地球的生态，生态环境问题己成为社会的热点问题。本文以漳州市土楼地区为研究主体，漳州市土楼地区包括南靖县与华安县，位于漳州市北部。该地区被称作漳州的“热带雨林”，并且具有世界文化遗产“福建土楼”，福建土楼是祖先结合当地的自然条件而建造的既实用又神奇的房屋建筑。是先辈们智慧的结晶，也是民族精神与民族文化的体现。在大力发扬社会主义精神文明建设的当代，福建土楼具有重大的文化意义，被列入世界遗产名录，也是著名的旅游景点。对于土楼的生态和环境
4、保护也变得极为重要。综上所述，漳州市土楼地区的生态环境质量对世界文化遗产“福建土楼”的保护有着重要意义，也将影响到漳州市乃至福建省的生态环境安全。1.2 国内外研究进展1.2.1 国外研究进展“生态安全”这个概念最早由美国提出，随着世界的发展及科学技术不断的进步，近些年生态安全得到了学术界的重视。经济发展和生态环境相互作用是生态安全的建立基础，生态系统的健全和自然资源的可持续利用是生态安全的要求，最终达到人和自然和谐相处。1996 年 Wackernagel etal 提出生态足迹，并给出定义：“一直负载着人类与人类的城市、工厂、道路、农场的巨脚在地球上留下的脚印” 1。Mathis Wack
5、ernagel 等在 1997 年首次进行了生态足迹的分析，并于 2002 年发表文章，分别计算了 1993,1995,1997 和 1999 年的全球生态足迹，得出的结果表明大部分国家处于生态赤字状态，人类已经背离了可持续发展，生态安全受到威胁 2。 权威的世界自然基金会曾在绿色星球年度报告(Living Planet Report)，更全方位地对生态足迹进行了分析。该报告计算分析了 1960-2001 年全球 150 个国家的生态情况，报告说明：从 1980 年人类生态足迹首次超过地球生态承载力以来，生态赤字的趋势在不断地扩大；到 2001 年,人类生态足迹已经是 1961 年的 2.5
6、倍，人均生态足迹 ，是地2.hm球生物圈 生物生产面积供给的 120%；而这种趋势并没有任何缓解的现象 3。2103.hm综上所述，目前的资源利用情况非常紧迫，人们必须对生态环境保护的迫切性引起重视。1.2.2 国内研究进展90 年代后，中国开始对生态安全展开研究，2000 年中国发布了全国生态环境保护纲要，并首次提出了“维护国家生态环境安全”。近些年国内学者对生态安全的研究也迅速展开。自从 1999 年“生态足迹”引入中国，国内学者就对有关于生态足迹模型的应用进行了深入的研究。截止目前，仅 CNKI 全文期刊数据库收录的有关生态足迹高达 5500 余篇，分别计算分析了各个地方的生态足迹及其应
7、用问题。在 2005 年，赵先贵等学者利用生态足迹模型，计算分析 1978-2002 年陕西省的生态足迹和生态承载力。之后，提出了新的生态压力指数计算的方法，同时制定了新的指标等级划分标准。并对全球 147 个国家或地区及中国部分省、市和县进行评价。该评价指标及等级划分标准能很好运用于不同时空条件下的生态安全评价 4。自此之后，国内关于生态足迹研究蔓延到国民经济的各个领域。其中包括水资源、交通、可持续发展等领域。综上，国内的研究主要都是生态足迹模型理论和方法的介绍，并且基于生态足迹模型做生态安全评价的研究较少；而且，生态足迹模型都是以统计数据为基础进行计算的，与GIS 空间分析结合的研究很少，
8、在如今这个大数据的时代，GIS 应用越来越重要，本文研究具有重要的现实意义。 1.3 研究目的与内容本文的研究目的：将 GIS 与生态足迹方法相结合，对漳州市土楼地区做区域生态安全评价，为世界文化遗产“福建土楼”的保护提供可靠、准确的生态环境信息。本文主要研究的内容：第一，以生态足迹模型方法分析漳州市土楼地区的生态安全状况；第二，结合 GIS 方法，进行时空分析，将研究区的生态足迹变化和生态安全状况作最直观的演示；第三，根据区域的生态赤字/盈余及生态压力指数对区域进行生态安全评价，提供可靠准确的生态数据，为促进实现漳州市土楼地区的社会、经济、环境的协调可持续发展提供可靠有效的信息。本文以漳州市
9、土楼地区为主体研究区，通过基于 GIS 和生态足迹模型对该区域各种生态指数进行计算，对计算结果进行分析，从而对研究区域进行准确、可靠的生态安全评价。1.4 研究方法与技术路线生态足迹（英文：Ecological footprint,EF）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 5。本文生态足迹方法的计算模型包括：生态足迹、生态承载力、生态赤字/盈余、生态压力指数。1.4.1 生态足迹的计算根据生态足迹理论将漳州市土楼地区的生态生产性土地分为 6 大类：耕地、草地、林
10、地、建筑用地、化石能源用地和水域。其计算公式为：（1-1） )6.3,21(iEFpcrAii式（1-1）中， ：所求区域的生态足迹； :某种生产性土地类型的均衡因子； :EFri i消费商品或生物生产的类型； ：某种消费项目人均生态生产性土地面积； ：某种消Ai ci费项目的人均消费量； ：某种消费项目的全球平均产量。pi本研究所采用的耕地、草地、林地、建筑用地、化石能源用地和水域的均衡因子取自2010 年生态与农村环境学报。福建省各类型土地的均衡因子分别为耕地 0.78、林地0.98、草地 0.63、水域 0.49、建筑用地 0.78、化石能源用地 0.986。1.4.2 生态承载力计算模
11、型Hardin 在 1991 年进一步明确定义生态容量为在不损害生态系统的生产力和功能完整的前提下，可无限持续的最大资源利用和废物产生率，在此基础上生态足迹学者将一个地区所能提供给人类的生态生产性土地的面积定义为该地区的生态承载力，以表征该地区的生态容量 7。由于土地有 12%的生物多样性保护用地，所以在生态承载力计算时，先扣除这 12%的生物多样性用地，所得的计算结果再除以总人口数，即为区域人均生态承载力。其计算公式为：（1-2）6.3,21%12jECyrajj式（1-2）中， :所求区域的生态承载力； ：人均生态生产性面积； ：某种j rj生产性土地类型的均衡因子； ：某种生产性土地类型
12、的产量因子。j本研究所采用的耕地、草地、林地、建筑用地、化石能源用地和水域的产量因子取自2010 年生态学杂志。福建省各类型土地的产量产量因子分别为耕地 1.01、林地1.57、草地 3.17、水域 3.17、建筑用地 1.74、化石能源用地 08。1.4.3 生态赤字/生态盈余计算模型将生态承载力与生态足迹相减，得出的结果为正值，则该区域表现为生态盈余；反之，得到的结果为负值，则表现为生态赤字。生态盈余，说明生态的供给量大于需求量，表示该地区人的资源需求在生态的承载范围之内；生态赤字，说明供不应求，表示该地区人的资源需求超出了生态的承载范围。该差值反映了可持续发展状态。计算生态赤字/盈余的公
13、式为：（1-3）EFCS式（1-3）中， :生态赤字/盈余； :生态承载力； :生态足迹。ES1.4.4 生态压力指数计算模型根据本文研究的是漳州市的生态安全情况，选用 2006 年赵先贵等制定出的指标体系，用生态压力指数来反映漳州市生态安全的变化情况（如表 1-1 所示），它的计算公式为：（1-4）ECFT式（1-4）中， ：生态压力指数； ：生态足迹； ：生态承载力。T表 1-1 生态安全评价指标等级 生态压力指数 表征状态1 2 极不安全1.4.5 技术路线本文的研究主要采用四个计算模型：生态足迹、生态承载力、生态赤字/盈余和生态压力指数。生态足迹模型计算区域人均生态足迹；生态承载力模型
14、计算区域人均生态承载力；生态赤字模型计算区域人均生态赤字/盈余；生态压力指数代表了区域的生态安全情况。本文的技术路线如图 1-1 所示。图 1-1 总技术路线图2 研究区域概况及研究方法2.1 研究区域概况漳州市土楼地区包括南靖县与华安县，位于漳州市北部。该地区被称作漳州的“热带雨林”。南靖县是世界文化遗产福建土楼故里，漳州土楼民居近2000座，仅南靖县就有1300多座，堪称土楼王国。南靖县介于北纬242620245958，东经11701201173525之间。全县森林覆盖率高达74%，素有“树海”、“竹洋”之称。由于峰谷交错，山河相间，形成了许多向南开口的马蹄形优良小环境，对发展亚热带经济作
15、物、林木及某些热带作物十分有利。华安县，介于北纬 243818-251206，东经 1171626-1174228，福建土楼中历史最悠久的“齐云楼”就位于华安县沙建镇，华安县是福建省重点林业县。地属南亚热带北缘，为南亚热带与中亚热带过渡地带。中部九龙江贯穿南北，气候温和多雨、四季常青、雨量充足。地貌以山地和丘陵为主，占全县总面积的 95.5%，平原分布在南部，仅占 4.5%。林业用地 160 万亩，森林覆盖率高达 72%。华安县的茶叶产业是最具特色、最有效益的产业，茶叶面积 16 万亩，实现了人均 1 亩茶，是全国第二大铁观音生产基地。3 数据的收集和处理3.1 统计数据的收集及分类整理3.3
16、.1 漳州市土楼区域统计数据本文收集的统计数据包括 2014 年南靖县和华安县的人口总数、2014 年南靖和华安主要生物资源消耗及能源消耗的统计数据。2014 年南靖县人口总数 33.71 万、2014 年华安县人口总数 16.10 万；2014 年南靖县和华安县主要生物资源消耗及能源消耗的统计数据见表(3-1)。表 3-1 2014 年主要生物资源消耗及能源消耗帐户产品/吨 南靖县 华安县粮食作物 46281 16498油料 867 558甘蔗 159 52583生 物 资 源蔬菜 335747 83862食用菌 60323 14893猪肉 31121 12322牛肉 332 317禽肉 1
17、9721 1112奶类 163 461水果 434169 53015木材 13508 13276水产品 13000 3180电力（万千瓦时） 95896 103137原煤 181017 17658汽油 370 128能 源柴油 326 5743.2 土地利用数据的收集与处理3.2.1 土地利用数据的收集本文所用的土地利用数据采用遥感影像分类的方法获取。遥感数据取源于“地理空间数据云”，数据为 Landsat8 OLI 卫星在 2014 年所拍摄的影像。得到遥感数据后，用 ENVI对影像进行预处理，主要包括辐射定标和大气校正。由于本文需要得到研究区的土地利用情况，因此，将预处理后的栅格影像用南靖
18、县和华安县的区域边界矢量图进行裁剪，将得到的两个区域的影像通过 ENVI 监督分类中的最大似然法将数据进行土地利用分类处理，分为 6 大类：耕地、林地、草地、水域、建筑用地以及未利用土地。得到南靖县和华安县的土地利用图，如图(3-1)、图(3-2)所示。图 3-1 2014 年南靖县土地利用图图 3-2 2014 年华安县土地利用图3.2.2 土地利用数据的栅格化通过 ENVI 土地利用分类处理，得到南靖县和华安县的土地利用栅格图，用 ENVI 将土地利用栅格图矢量化，转化为.shp 格式的矢量图，在通过 ArcGis10.1 打开土地利用矢量图，从而统计南靖和华安区域各种土地类型的面积，如表
19、(3-2)。表 3-2 漳州市土楼地区各种土地类型面积4 基于传统生态足迹方法的计算土地类型 面积( )2hm耕地 17439.93草地 42628.32林地 72777.78水域 2356.83建筑用地 16406.73南靖未利用土地 43278.93耕地 16095.87草地 41158.71林地 39496.41水域 1447.02建筑用地 4260.15华安未利用土地 26925.034.1 生态足迹的计算在计算之前将统计数据分类，生态足迹包括生物资源消耗和能源消耗。生物资源消耗主要有农产品、畜禽产品、林产品、水产品等大类，各大类之中再分小类。在计算中所用的全球平均产量取自联合国粮农组
20、织 2010 年的数据，人口数据采用漳州市 2014 年统计年鉴，南靖县：33.71 万人；华安县 16.10 万人。运用式(1-1)得到南靖和华安不同消费品的人均生态足迹(见表 4-1)。整理得到耕地、草地、林地、水域的人均生态足迹(见表 4-3)。在计算漳州市土楼地区的能源消费时，采用国际上单位化石燃料生产土地面积的平均发热量为标准，将当地各项能源消费所消耗的热量折算成相应的化石燃料和建筑用地的生产土地面积 10。运用式(1-1)计算得到漳州市土楼地区能源消耗的人均生态足迹(见表 4-2)。整理得到建筑和能源用地的人均生态足迹见表(4-3)。表 4-1 漳州市土楼地区生态足迹计算中生物资源
21、帐户主要生物资源总消费量/t人均消费量/kg全球平均产量 )/(2hmkg人均生态足迹 人/2生产面积 类型粮食作物 46281 137.2916 2744 0.0039026 耕地油料 867 2.5719 1856 0.0001081 耕地甘蔗 159 0.4717 67500 0.0000005 耕地蔬菜 335747 995.9864 18000 0.0043159 耕地农产品食用菌 60323 178.9469 18000 0.0007754 耕地猪肉 31121 92.3198 74 0.0785966 草地牛肉 332 0.9849 33 0.0018803 草地禽肉 19721
22、 58.5019 764 0.0048241 草地畜禽产品奶类 163 0.4835 502 0.0000607 草地水果 434169 1287.9531 3500 0.0360627 林地林产品木材 13508 40.0712 199 0.0197336 林地南靖水产品 13000 38.5642 29 0.0651602 水域粮食作物 16498 102.4721 2744 0.0029128 耕地油料 558 3.4658 1856 0.0001457 耕地甘蔗 52583 326.6025 67500 0.0003774 耕地蔬菜 83862 520.8820 18000 0.002
23、2572 耕地农产品食用菌 14893 92.5031 18000 0.0004008 耕地猪肉 12322 76.5342 74 0.0651575 草地牛肉 317 1.9689 33 0.0037588 草地禽肉 1112 6.9068 764 0.0005695 草地畜禽产品奶类 461 2.8634 502 0.0003594 草地水果 53015 329.2857 3500 0.0092200 林地林产品木材 13276 82.4596 199 0.0406082 林地华安水产品 3180 19.7516 29 0.0333734 水域表 4-2 漳州市土楼地区生态足迹计算中能源消费帐户主要能量折算系数人均消费量全球平均热量 )/(2hmGJ全球平均能源足迹人均生态足迹生产面积类型
