低碳概念下武漢市生態足跡的動態分析與預測

江平平，陳銀蓉，張 苗

（華中農業大學 土地管理學院，武漢430070）

工業文明的出現，使社會生產力有了新的飛躍，人類利用自然的能力飛速提高。但由于長期實行粗放型經濟增長的方式，使得能源和其他資源過度消耗，從而導致生態環境惡化的問題日益嚴重，最為突出的是全球氣候變暖。早在20世紀80年代，全球變暖就受到人類普遍關注，評估報告表明，自1850年以來全球有1／3的溫室氣體排放由土地利用變化直接導致，土地利用變化已成為僅次于化石能源燃燒的第二大溫室氣體排放源，其引起的碳排放對全球氣候變暖有重要影響［1］。因此，減少土地利用碳排放已成為土地利用調控的新課題，相關學者也試圖通過創新土地利用方式，實現低碳土地利用。

土地低碳利用是區域可持續發展的一部分，而區域的可持續發展必須以生態環境的可持續發展作為前提和保障［2］。生態環境不僅為人類的社會活動提供了承載空間，而且為區域發展提供了自然物質基礎和廢棄物消納空間，因此實現生態環境可持續是當前最為迫切的任務。衡量一個地區生態環境的可持續發展狀況可以從自然環境、經濟和人文系統等方面構建指標，國際上通常采用基于系統理論和方法的指標體系和基于環境經濟學方法的指標體系，但這種指標體系過于復雜，自然資本、社會資本及人力資本的貨幣化比較困難［3］。而生態足跡模型則采用具體的生物物理量的衡量指標，使其具有可理解性和可操作性，因此成為衡量生態環境可持續發展狀況的重要尺度。

1 研究方法

1.1 生態足跡法

生態足跡概念及模型是由加拿大生態經濟學家William和他的學生 Wackermagel Rees于20世紀90年代初提出的一種可持續評價方法［4］。生態足跡模型的基本原理從需求方面計算生態足跡的大小，從供給方面計算生態承載力的大小，通過二者的比較，評價研究對象的可持續發展狀況。

1.1.1 人均生態足跡的計算 生態足跡分為6大類，即耕地、林地、牧草地、水域、建設用地和化石能源用地。其中前五類用地是基于生物資源的消耗折算的生物生產性土地，而化石能源用地足跡則是基于能源消費。當前化石能源用地足跡的計算方法主要包括替代法和碳匯法。其中碳匯法是采用估算吸收新增CO2所需要的土地面積來計算對化石能源用地的需求［5］，這與土地低碳利用的研究可以緊密結合。因此本文采用碳匯法計算化石能源用地足跡，亦稱之為碳足跡。

計算生態足跡的一個基本假設是：各類土地在空間上是互斥的，使得我們能夠對各類生物生產性土地進行加總［6］。因此，人均生態足跡的計算公式為：

式中：efa——資源的生產性生態足跡；ri——均衡因子；Ci——第i項的人均年消費量值；Yi——相應的生物生產性土地第i項消費項目的全球平均產量；efc——碳足跡；Ea——耕地碳排放，其計算方法參照劉英［7］、趙榮欽［8］等的研究；Ec——建設用地碳排放，通過計算能源消耗所產生的碳排放間接得到；NP——區域平均碳吸收能力；n——區域人口總量。

1.1.2 人均生態承載力的計算 在生態承載力計算中，因為碳吸收用地是一種假想的土地類型，實際中并不存在，所以其生態承載力面積為零，其他土地類型的人均生態承載力計算公式為：

式中：ec——區域內人均生態承載力；ai——區域人均資源生物生產性土地面積；yi——第i類土地的產量因子；ri——第i類土地的均衡因子。同時根據世界環境與發展委員會（WCED）的建議，在生態承載力計算時應扣除12%的生物生產性土地用以保護生物多樣性［9］。

1.2 灰色系統模型

所謂灰色系統是指部分信息已知而部分信息未知的系統，灰色系統理論所要考察和研究的是對信息不完備的系統，通過已知信息來研究和預測未知領域從而達到了解整個系統的目的。灰色系統模型主要有 GM（1，1）模型、殘差 GM（1，1）模型、GM（1，N）和GM（0，N）模型以及Verhulst模型和離散灰色模型，其中最常用的是GM（1，1）模型。GM（1，1）模型表示一階、一個變量的灰色系統模型，可在MATLAB環境下進行設計和運行［10］。

1.2.1 GM（1，1）的建模機制 令x（0）表示需要建模的序列，x（1）為x（0）的1－AGO（累加生成數）序列，則有：

定義z（1）為x（1）的緊鄰均值生成序列：

則可建立如下灰微分方程：

則灰微分方程x（0）（k）＋az（1）（k）＝b的白化方程，也稱為影子方程為：

綜上所述，則有

（2）GM（1，1）灰色微分方程x（0）（k）＋az（1）（k）＝b的時間響應序列為：

（3）取x（1）（0）＝x（0）（1），則有

（4）將值還原得到

1.2.2 GM（1，1）模型的檢驗 GM（1，1）模型的檢驗分為三個部分，即殘差檢驗、關聯度檢驗和后驗差檢驗。但武漢理工大學的吳濤、李必強［11］等通過對關聯度系數存在不合理下限分析，得出關聯度檢驗不適合GM（1，1）模型的檢驗。因此這里僅介紹殘差檢驗和后驗差檢驗。

（1）殘差檢驗：設ε為殘差，ξ為相對誤差，則計算公式為

（2）后驗差檢驗：S1，S2分別為殘差序列的均方差和原序列的均方差，C為后驗差，則計算公式為：

后驗差檢驗判別如表1所示。

表1 后驗差檢驗判別參照表

2 實證分析

2.1 區域概況

武漢，簡稱“漢”，是湖北省省會，中部唯一的副省級城市，同時也是中國國家區域中心城市，華中地區最大都市及中心城市，長江中下游特大城市。因長江與其最大的支流漢水交匯于此，故而隔江鼎立的武昌、漢口、漢陽三地被俗稱武漢三鎮。武漢是長江中下游地區重要的產業城市和經濟中心，中國重要的科教中心和交通樞紐，被譽為世界開啟中國內陸市場的“金鑰匙”、經濟發展的“立交橋”。但隨著經濟的發展，武漢市建設用地面積不斷擴張，從1996年的105 353hm2增加到2010年的159 656hm2。與此同時，耕地面積卻在不斷減少，2010年的人均耕地面積僅為0.038 hm2，低于聯合國糧農組織規定的人均耕地0.053hm2的警戒線。由此產生的土地利用碳排放也逐年增加，使武漢市的糧食安全和生態環境壓力日益嚴峻。因此，發展低碳經濟，促進武漢市社會經濟和土地資源的可持續利用不僅是保障能源安全、應對氣候變化的必然選擇，也是優化產業結構，實現社會、經濟和環境可持續發展的必由之路。由于2010年以后武漢市各地類面積數據暫時無法獲取，因此本文只對武漢市1996—2010年的生態足跡進行計算和分析，并預測未來5a的生態足跡狀況，以此來定量評價武漢市生態環境的可持續發展狀況，以期為武漢市的生態保護及經濟社會可持續發展提供科學參考。

2.2 武漢市生態足跡的動態變化分析

武漢市生態足跡狀況由生態足跡和生態承載力兩部分組成。其中生態足跡的計算包括兩個方面，一是生物資源的消耗，二是能源的消耗。生物資源消耗項目包括種植產品、林產品、畜產品以及水產品等，能源消耗項目包括煤炭、焦煤、原油、燃料油、汽油、柴油、煤油、天然氣、煉廠干氣、液化石油氣和焦爐煤氣。同時結合生態承載力的計算方法，即可測算出武漢市各年的生態足跡狀況。

2.2.1 武漢市2010年生態足跡測算 由于單位面積耕地、草地、林地、建筑用地和水域之間的生態生產能力差異較大，要將這些具有不同生物生產力的土地面積轉化為具有相同生物生產力的土地面積，就需要通過均衡因子和產量因子加以轉換，本文的均衡因子和產量因子選取經典的“全球hm2模型”［9］的測算值。經計算，武漢市2010年生態足跡狀況如表2所示。

從生物資源消耗看，2010年武漢市人均水域足跡最大，為0.357 8hm2／人，其次是人均耕地足跡，為0.234 1hm2／人。從整個生態足跡結構來看，足跡排前三位的分別是水域、耕地和碳足跡，分別占人均總足跡的43.4%，28.4%和13.4%。林地所占比例最小，占人均總足跡的0.18%。從人均生態足跡和人均生態承載力的對比來看，只有林地和建筑用地的生態足跡小于生態承載力，即存在生態盈余，其它類型的生態足跡均遠遠大于生態承載力，即處于生態赤字。由于武漢市的耕地、草地、水域和碳足跡均存在較大的生態赤字，從而導致了武漢市人均總生態足跡遠遠大于人均總生態承載力，使其處于較為嚴重的生態赤字狀態。因此，要想降低武漢市的生態赤字，必須從耕地、草地、水域和碳足跡著手，一是采用高新技術提高單位土地面積的種植產品、畜產品和水產品的產量，從而提高生態承載力；二是調整土地利用結構及產業結構，采用清潔能源，推動低碳產業和低碳能源發展。

表2 武漢市2010年生態足跡計算結果 hm2／人

2.2.2 武漢市1996—2010年生態足跡動態變化分析 傳統的生態足跡法往往是靜態評估一個地區的生態足跡與生態承載力，忽略了地區由于人口增長、技術進步及社會經濟發展對生態足跡的影響，更無法預測未來的變化趨勢，因此本文收集了武漢市1996—2010年有關生態足跡和生態承載力的相關計算指標，對武漢市近十五年的生態足跡和生態承載力進行了測算（表3）。

表3 武漢市1996－2010年生態足跡狀況

由表3可以看出，武漢市人均生態足跡總體呈上升趨勢，1996—2010年人均生態足跡由0.697 8 hm2／人增加到0.824 6hm2／人，增加了18.17%；生態承載力則由1996年的0.331 6hm2／人減少到2010年的0.270 4hm2／人，減少了18.48%，從而導致武漢市生態赤字的增加。其中2003—2005年和2007—2010年期間人均生態足跡的上升速度較快，說明了在這期間武漢市土地利用的粗放程度較為嚴重。其中生態足跡增加的原因在于，武漢市城市化和工業化的快速發展，不僅帶動了經濟的快速增長，同時也加大了人們對食品和能源的消耗，加之建設用地面積的不斷擴張，人類利用化石能源產生的碳排放逐年增加，碳足跡明顯加大，從而更加劇了生態足跡的上升；而生態承載力減少的原因主要在于武漢市人口數量的不斷增加。1996—2010年武漢市人均生態足跡與人均生態承載力的差值均為負，說明其長期處于生態赤字狀態，其發展模式不具有可持續性。武漢市人均生態赤字的變化趨勢和人均生態足跡的變化趨勢基本一致，受人均生態承載力的影響相對較小。因此應從控制生態足跡入手，逐漸減小武漢市生態赤字狀況。

2.3 武漢市生態足跡預測

2.3.1 預測模型的檢驗 根據人均生態足跡和人均生態承載力的計算結果，利用灰色系統方法建立灰色模型 GM （1，1）。

在人均生態足跡的預測模型中，a＝－0.009 9，b＝0.687 1，b／a＝－69.24，所以預測公式為：

在人均生態承載力的預測模型中，a＝－0.018 7，b＝0.339 6，b／a＝－18.20，所以預測公式為：

為檢驗上述模型是否合理，本文采用了后驗差檢驗判斷灰色模型的精度，其計算結果如表4和表5所示。

由公式（15），（16），（17）計算可得，人均生態足跡預測模型中S1＝0.004 5，S2＝0.011，C＝0.406 3。由于C小于0.5，所以人均生態足跡的模型精度為合格，可以用來進行預測。

表4 人均生態足跡GM（1，1）灰色系統擬合值與實際值比較

表5 人均生態承載力GM（1，1）灰色系統擬合值與實際值比較

同理可得，人均生態承載力預測模型中S1＝0.000 9，S2＝0.006 6，C＝0.138 8。C＜0.35，說明人均生態承載力預測模型的預測精度高，可信度強，可用來很好的預測短期內武漢市人均生態承載力。

2.3.2 人均生態足跡和人均生態承載力的預測 由于兩個預測方程均達到合格及以上水平，所以可以用來預測武漢市2011—2015年的人均生態足跡和人均生態承載力，其預測結果如表6所示。

從表6可以看出，2011—2015年武漢市的人均生態足跡逐年增加，人均生態承載力逐年減少，從而導致人均生態赤字的不斷加大。預計到2015年，武漢市人均生態赤字將達到0.597 8hm2／人，也就是說2015年武漢市人均生態赤字率達253%。這意味著在2015年人們需要武漢現有資源的近4倍才能生產其所利用的可再生資源和吸收其所排放的二氧化碳。以上事實足以說明武漢市生態安全程度低，其人均消耗對生態系統產生的影響遠遠超過了其生態容量，生態環境退化較為嚴重，發展模式不具有可持續性。

表6 武漢市2011－2015年人均生態足跡和人均生態承載力預測 hm2／人

3 結論與討論

3.1 結 論

本文將低碳概念融入到土地可持續利用評價中，運用生態足跡模型對武漢市1996—2010年的人均生態足跡和人均生態承載力進行了測算，結果表明武漢市人均生態足跡總體呈上升趨勢，主要是因為城市的快速發展加大了生物資源和能源的消耗，加之建設用地的擴張，碳足跡明顯加大，從而加劇了生態足跡的上升。而人均生態承載力總體呈下降趨勢，主要原因在于隨著城市建設用地的擴張，與生態承載力密切相關的耕地資源不斷縮減，人口的不斷增長，也使得人均生態承載力不斷減小。正是由于人均生態足跡與人均生態承載力的一增一減，從而導致了人均生態赤字的不斷加大。計算結果顯示，武漢市一直處于生態赤字狀態，生態壓力指數持續較高，城市生態安全極低。

利用灰色系統GM（1，1）模型對武漢市2011—2015年的人均生態足跡與人均生態承載力進行了預測。結果顯示，2011—2015年武漢市人均生態足跡逐年增加，而人均生態承載力逐年減少，按照現行發展模式，到2015年，武漢市人均生態赤字率將達到253%。

3.2 討 論

通過以上分析可知，武漢市的生態環境狀況不容樂觀，城市發展不具有可持續性。未來武漢市生態足跡將主要受經濟發展、人口增長和以生產、消費活動為核心的各種人為活動的影響，因此為控制人類對自然造成的壓力，維持武漢市生態環境的可持續發展，應積極轉變武漢市現行的經濟發展模式，切實考慮城市的生態環境容量，使經濟增長與環境保護相協調，促進區域經濟、社會和環境的和諧發展。同時還應調整土地利用結構，通過植樹造林等減少土地利用碳排放，利用先進的生產技術提高單位土地單位面積的生產能力等。在控制生態足跡的同時提高生態承載力，從而逐步縮小城市的生態赤字，使城市的生態環境發展回歸到健康、可持續的軌道上。

由于土地利用類型的面積數據收集較困難，因此本文對所選區域的分析具有一定的滯后性。在今后的研究中，首先要增加相關數據的時間跨度，通過對更長時間序列的生態足跡狀況進行測算來提高預測的準確性。其次，可考慮采用張恒義［12］研究的基于“省hm2模型”的生態足跡法來測算市域的生態足跡，更能精確反映武漢市的實際生產力狀況和區域發展特征。

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