基于能值生態足跡模型的泰安市生態安全研究

周慧　鄭昭佩　梁興軍　王文華

摘要運用能值-生態足跡模型計算山東省泰安市2003～2012年的人均能值生態承載力和人均能值生態足跡，通過構建生態安全評價指標體系，對其生態安全現狀做了動態分析與評價。結果表明，泰安市的人均能值生態承載力在0.399 6 hm2上下波動。人均能值生態足跡從5.561 2 hm2增至7.950 6 hm2，生態壓力指數由11.482 6增至25.596 4，生態安全狀態從“輕度不安全”過渡到“中度不安全”，在2012年已變為“重度不安全”狀態。通過建立灰色GM（1，1）預測模型，對泰安市2013～2022年的生態安全狀況進行預測，預測結果顯示，到2022年，泰安市的人均能值生態承載力將變為0.213 7 hm2，人均能值生態足跡將高達10.146 1 hm2，生態壓力指數將增至47.484 8，泰安市的生態安全將持續為“極度不安全”狀態，可見，泰安市生態安全的發展前景不容樂觀。

關鍵詞能值-生態足跡模型；泰安市；生態安全；灰色預測

中圖分類號S181.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）04-01164-04

作者簡介周慧（1988-），女，山東泰安人，碩士研究生，研究方向：生態環境修復與保護。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導師，從事生態環境修復與保護研究。

人類活動依托于自然環境，生態系統為人類提供了從事各種活動必需的最基本的物質資源。然而，在經濟社會飛速發展的今天，生態系統正承受著前所未有的壓力，全球范圍的生態問題越來越突出[1-2]。生態安全問題已成為當今世界研究的重要領域。生態安全評價（Ecological Security Assessment， ESA）是對生態系統完整性及在面對各種風險的情況下，維持生態系統健康的可持續發展能力的判斷與識別研究，是生態安全的核心問題[3-4]。評價方法主要有生態模型、數字地面模型、景觀生態模型以及基于PSR的數學模型等4種模型[5-6]。其中，生態模型的代表性方法為生態足跡法。

生態足跡分析方法的基本思想是：把人類生產生活所需要的自然資產的“利息”（生態足跡）與自然資產本身所產生的“利息”（生態承載力）通過轉化，用能夠進行比較的土地面積來衡量，從而判斷人類對自然資產的利用情況[7]。隨著生態足跡研究的不斷深入，專家學者們不斷嘗試結合能值分析方法對傳統生態足跡理論進行改進。王建源等[8]、陳春鋒等[9]運用能值分析方法分別對山東省和黑龍江省的生態足跡進行了研究，結果表明基于能值分析的生態足跡模型比傳統生態足跡理論更能真實地反映出區域的生態安全狀況。因此，筆者構建能值-生態足跡模型，對泰安市2003～2012年的生態安全狀況進行分析和評價，并運用灰色GM（l，l）預測模型，對泰安市2013～2022年的生態安全狀況進行動態預測與分析，以期為泰安市的可持續發展提供一定的參考。

1研究區概況

泰安市位于山東省中部，北靠山東省會濟南，南連儒家文化發源地曲阜，東臨淄博，西頻黃河，其具體位置為160°20′～117°59′ E、35°38′～36°28′ N，東西長約 176.6 km，南北寬約93.5 km，面積7 762 km2。現包括泰山區、岱岳區、新泰市、肥城市、東平縣和寧陽縣 6 個縣市區。泰安地處魯中山區，北枕泰山，地勢自東北向西南傾斜，境內有山地、丘陵、平原、洼地等多種地貌類型。泰安是一座歷史文化名城，具有豐富的自然資源和人文資源，其主導產業為旅游業和煤炭采礦業。2012年末，全市的總人口達552.89萬人，地區生產總值為254 7.01萬元 ，比2011年增長10.7%，人均地區生產總值為46 130元，其中，第一產業占9.1%，第二產業占50.7%，第三產業占40.2%。泰安市人口眾多，資源相對不足，生態環境承載能力較弱。在經濟高速發展的過程中，能源、水資源、土地資源等不足的矛盾日益突出，產生了一系列生態問題。

2研究方法

2.1傳統生態足跡基本理論及其研究方法生態足跡（Ecological Footprint）理論是由加拿大生態經濟學家William與其博士生Wackernagel于20世紀90年代初提出的，是基于土地面積計算的，用于度量人類對自然資源利用程度，并由一系列易于量化的指標組成的一種分析方法[10]。Wackernagel對生態足跡的定義是：在給定人口和經濟的條件下，維持人們的資源消費和吸納人們所產生的廢棄物需要的生物生產性土地面積[11]。

2.2能值-生態足跡模型能值理論是由美國著名的系統生態學家H.T.Odum創立的，該模型將傳統生態足跡理論框架與能值分析法相結合，把各種計算模型中需要用到的各種不同等級、不同類型的能量流通過能值轉換率，換算成可以直接進行加減的太陽能值，從而定量分析研究區的生態狀況。

2.2.1人均能值生態承載力的計算。ec=e/p1（1）

式中，ec為人均生態承載力；e是可更新資源的人均太陽能值；p1為全球平均能值密度。

在計算生態承載力時，主要考慮太陽輻射能、風能、雨水化學能、雨水勢能和地球旋轉能這5種可更新資源的能值。太陽光在能量流動過程中，轉換為風能、雨水化學能和雨水勢能等，為了避免重復計算，在同一性質的能量中，只選取其中的最大值，因此，可更新資源總能值等于前4種能量的最大值加上地球旋轉能的能值。研究區可更新資源的人均太陽能值等于可更新資源的總能值除以該區人口數。

最后，將計算出的人均生態承載力減去12%的用于保護生物多樣性的用地之后，剩余的88%就是實際可供人類利用的人均能值生態承載力面積[12]。

2.2.2人均能值生態足跡的計算。首先計算區域能值密度p2，然后計算人均太陽能值和人均能值生態足跡，利用能量折算系數和能值轉換率將不同形式的能值轉換成太陽能值，將各項目的人均太陽能值除以區域能值密度p2即得到各項目的人均能值生態足跡。最后將各項人均生態足跡分類匯總，計算公式為：

2.3生態安全評價指標

2.3.1人均生態赤字/盈余。將人均能值生態承載力與人均能值生態足跡相減，其差值為負時，表示人均生態承載力供給小于需求，其差值稱為生態赤字；差值為正時，則表示該地區人均生態承載力的供給大于需求，即為生態盈余。差值為零時，表示人均生態承載力供給等于需求，該區域處于生態平衡狀態。

2.3.2生態壓力指數。生態壓力指數又稱為生態足跡強度指數（Ecological Footprint Intensity Index）[13]，指一個國家或地區單位生態承載面積上的生態足跡。該指數代表了一個區域環境所承受壓力的程度。其計算公式為：

2.3.3生態協調系數。生態協調系數表示一個地區的社會經濟發展狀況與當地生態環境的協調性，其計算公式為：

2.4生態安全預測模型灰色動力學模型（Grey Dynamics Medel，GM）是模糊數學派生的一種預測方法，具有所需原始數據少、預測精度高等特點[14]，適用于少樣本、貧信息、概率分布不典型的數據分析，是一種轉換原始無規律的數列，使之變為較有規律的生成數列后再用數列建立方程的預測方法，現已被廣泛運用于自然科學、社會科學等多個領域。根據實際需要，該研究選用灰色系統理論中最常用的一階線性灰色數列模型GM（1，1）實現對泰安市未來十年的生態安全狀況的預測分析。

計算步驟如下：首先建立原始數據序列，將所需研究對象的值按時間進行升序排列。

3.2人均能值生態足跡由表3可知，泰安市2003～2012年的人均能值生態足跡總體上呈增大的趨勢。其中，2004年和2009年的增幅較大，該兩年的生態足跡中化石能源用地和建筑用地的漲幅較大。這說明近年來，泰安市經濟的迅速發展依托于消耗大量的自然資源和能源，若不盡快改善這一現狀，該市的生態環境將進一步惡化。

3.3生態安全評價由表4可知，泰安市近十年的生態壓力指數呈現增大趨勢，其中，2006年和2012年增幅較大。

經過公式變形、計算和作圖分析可知，生態協調系數隨著生態壓力指數的增加而降低，且遞減趨勢由快到慢，最后趨于平緩。這種變化可反映生態安全狀況。當生態壓力較小時，生態協調性較高，環境處于安全狀態，隨著生態壓力的增加，生態協調性明顯下降，生態安全程度隨之降低，當生態壓力增大到一定程度時，生態環境趨于不協調，不安全。換言之，生態協調系數由大幅下降到趨緩的過程反映了生態環境由較安全進入不安全的狀態。因此，利用生態協調系數趨緩變化的臨界值可確定生態壓力指數的閾值，進而確定生態安全等級，見表5。