基于生態足跡理論的新疆可持續發展研究

王永靜，葛文芳

(石河子大學經濟與管理學院，新疆 石河子 832003)

西部大開發戰略實施15 a以來，新疆在經濟、社會、生態環境保護、基礎設施建設等方面取得顯著成效。然而，由于新疆固有的生態環境脆弱性和追趕中、東部經濟發達地區的迫切性，加快了自然資源的耗竭進程，嚴重阻礙了新疆的經濟社會可持續發展。新疆作為絲綢之路經濟帶經濟建設的核心區和西部地區的生態屏障，深入研究新疆生態系統的可持續性和生態壓力對新疆生態資源開發、科學管理、頂層設計意義深遠。生態足跡概念是由William Rees于1992年提出來的，自此國際上圍繞生態足跡內涵、計算方法、模型的研究逐漸豐富。Wackernagel開創了一種測量一個地區、國家自然資源供需差距的方法，由此從理論層面揭示人類對生態系統的利用狀況[1]。Wackernagel在其著作《國家生態足跡》中，對世界上52個國家和地區的生態足跡進行實證研究，在所測算的52個國家和地區中，35個國家和地區出現生態赤字，其中也包括中國[2,3]。張志強和徐中民等人以統計年鑒數據為依據，對中國西部12個省(區市)1999年生態足跡進行計算和分析，結果表明，西部12省(區市)只有云南和西藏2個省份人均生態足跡為盈余，其余10個省(區市)均出現生態赤字，其中新疆和貴州是人均生態赤字最大的2個省(區市)[4]。徐中民等介紹了國際上關于生態足跡模型的研究進展和模型的優缺點，并對甘肅省1998年生態足跡進行計算和分析，是國內較早運用生態足跡方法判斷區域發展是否處于生態承載能力范圍內的范例[5]。鄭暉計算并分析了1996-2009年甘肅省人均生態足跡、人均生態承載力、人均生態赤字的動態變化趨勢，并使用灰色預測模型預測研究區2015年、2020年的生態安全情況，為理論研究提供良好參考借鑒[6]。Mathis Wackernagel對世界及亞太地區9個國家1961-2001年的人均生態足跡和生態承載力的動態變化研究結果發現，隨著人口擴張、經濟增長，人均生態足跡會逐漸擴大，生態承載力會逐漸減少，而亞太地區和世界人均生態承載力下降的主要原因是人口增長[7]。本文以新疆維吾爾自治區為研究對象，在計算2001-2014年生態足跡和生態承載力的基礎上，分析新疆生態系統的可持續性、生態效益、生態協調性，并運用灰色預測模型模擬“十三五”、“十四五”期末生態數據，以期為地區生態可持續發展提供決策依據。

1 研究區概況

新疆維吾爾自治區位于歐亞大陸腹地，總面積為166.49 萬km2。2014年末，區內總人口2 298.47 萬人，糧食總產量1 390.81 萬t，耕地面積412.46 萬hm2(約占新疆總面積的2%)，人均耕地面積0.179 4 hm2(為全國平均水平的1.82倍)，人均林地面積0.294 3 hm2(為全國平均水平的1.59倍)，人均牧草地面積2.223 8 hm2(為全國平均水平的13.89倍)。新疆遠離海洋，“三山夾兩盆”的地貌多由高山、盆地、谷地構成，地表坐落著浩瀚的戈壁、沙漠。氣候類型以溫帶大陸性氣候見常，四季分明，晝夜溫差大，干旱少雨、日照充足，年均氣溫9.7 ℃，年均降水量146.4 mm，年均日照時數2 808.6 h。年均降水量為全國平均水平的1/4,是全國降水最少的地區，也是全國面積最大的干旱、半干旱荒漠區。

區內水源主要靠山脈融雪補給，綠洲分布在盆地邊緣和河流流域，約占新疆總面積的5%，具有典型的綠洲生態特點[8]。具有資源富集、干旱缺水、自然環境惡劣、生態脆弱，對人類活動和自然災害反應敏感且恢復能力差的特點。礦產資源種類齊全，數量龐大，已發現礦種138種，經查明有資源儲量的礦種97種，新發現大中型礦產地11處，新增查明資源儲量中，煤炭儲量為175.97 億t。目前各類野生陸棲脊椎動物約212種，約占全國總數的1/8，鳥獸資源豐富約有201種。區內共有河道570多條，幾乎都屬于內流河，河流徑流量在10億m3以上的有18條。土壤普遍存在鹽漬化、貧瘠化。植被種類繁多，主要種植作物包括小麥、棉花、玉米、果用瓜、水果產品、牧草等。新疆是我國優質棉花、小麥產業帶，國內第2大畜牧業養殖基地，石油化工工業生產、加工基地。

2 研究方法和數據來源

2.1 研究方法

本文采用文獻研究法梳理了以往學者對生態足跡、生態承載力的計算方法，建立生態足跡模型，在此基礎上計算出新疆近10 a多的生態數據，并采用灰色預測模型GM(1.1)預測新疆中短期的生態足跡、生態承載力、萬元GDP生態足跡數值。

生態足跡模型是由加拿大學者William Rees及其學生Mathis Wackernagel于1992年率先提出的一種以土地為度量單位的生態可持續性評價方法，以其科學合理、形象生動、使用范圍廣引起眾多學者的廣泛關注，該模型在對經濟-生態協調性和整個可持續發展狀況的整體評估方面有較好優勢[1]。生態足跡模型通過統計一定時期內人類為滿足自身生存和發展對區域內資源和能源的耗竭，并把這些耗竭轉換為相應的生物生產土地面積來評估人類對生態系統的影響，通過與區域內土地可提供的生物生產面積進行比較，以此定量判斷區域經濟發展是否處于生態系統的承載力范圍內。具體計算公式如下。

(1)生態足跡計算:

EF=Nef=N∑ri(cj/pj)

(1)

i=1,2,…,6j=1,2,…,19

EF=Nef=N∑ri(Yj+Ij-Ej)/(pjN)

(2)

i=1,2,…,6j=1,2,…,19

式中：EF為區域生態足跡總量；N為區域人口總數；ef為區域人均生態足跡,hm2/人；ri為均衡因子，它表示某一類的土地潛在的生物生產力與世界上所有土地的平均潛在生物生產力的一個比值，描述了不同土地類型之間生物生產能力的差異；cj/pj代表人均j種消費項目折算的生物生產性土地面積，或者可以理解為第j種消費項目折算的毛人均生態足跡，hm2/人；cj為第j種消費品的年人均消費量，kg/人；pj為第j種消費品的單位面積平均產量，kg/hm2；Yj為第j種消費項目的年生產量；Ij為第j種消費項目的年進口量；Ej為第j種消費項目的年出口量。

生態足跡代表人類對自然生態系統的資源和服務的需求，反映了隨著人口的增長以及經濟社會的發展所引起的對資源需求量的增長和污染物排放對生態系統造成的壓力。

(2)生態承載力計算:

EC=N(1-0.12)ec

ec=airiyi

(3)

式中：EC代表區域生態承載力總量；N為區域人口總數；ec為人均生態承載力，計算結果中需要扣除12%的生物多樣性保護面積；ec為人均生態承載力，hm2/人；ai為人均生物生產面積，hm2/人；ri為均衡因子；yi為產量因子，表示在既定國家范圍內，某一類土地的生物生產力水平與世界相應土地的生物生產力水平的差異，可以反映出技術和土地管理的差異，通常為獲得相同數量的產品時，所需要的世界性土地面積與國家性土地面積之間的比值，或者相同的土地面積所產出的世界性產品產量與國家性產品產量之間的比值。

生態承載力代表自然生態系統為人類提供資源和服務的能力。

(3)生態赤字和盈余計算：

ed=ef-ec(ef>ec)

er=ec-ef(ef

式中：ed表示區域的生態赤字；er表示區域的生態盈余。

如果區域的生態足跡大于生態承載力就會出現生態赤字，反之，則會出現生態盈余。在生態足跡和生態承載力的計算基礎上可以對區域的生態發展可持續性進行評估，如果出現了生態赤字，表示區域生態發展不可持續，如果出現了生態盈余，表示區域生態發展處于可持續狀態。

(4)萬元GDP生態足跡計算：

萬元GDP生態足跡=EF/GDP=人均生態足跡/人均GDP

(5)人均生態協調系數DS計算：

2.2 數據來源

2.2.1 指標選取

本文計算的生物生產性土地是指具有生物生產能力的土地和水體，生態足跡測量的生物生產性土地類型包括6種，分別是：耕地、林地、牧草地、水域、建筑用地、化石燃料用地。生態承載力測量的土地類型為5種，分別是：耕地、林地、牧草地、水域、建筑用地。

按照生態足跡模型計算生態足跡時，根據不同的消費賬戶分類，包括生物資源消費賬戶生態足跡和能源消費賬戶生態足跡。生物資源消費賬戶主要記錄區域消費的農產品、林產品、畜產品、水產品，本文具體涵蓋19種產品，它們分別是：棉花、木材、羊毛、谷物、豆類、薯類、甜菜、核桃、水果、油料、豬肉、牛肉、羊肉、禽類、蛋類、鮮奶、水產品、蔬菜、果用瓜。能源消費賬戶包括4類能源，它們分別是：煤炭、石油、天然氣、水風電。

2.2.2 數據說明

在計算生物資源消費賬戶生態足跡時，城鎮居民和農村居民的油料、豬肉、牛肉、羊肉、禽類、蛋類、鮮奶、水產品、蔬菜、果用瓜的年人均消費量可以從年鑒中找到，根據城鎮化率加權可以計算這10種農產品的人均消費量，再根據公式(1)可以計算每種產品的人均生態足跡分量。其余農產品，包括棉花、木材、羊毛、谷物、豆類、薯類、甜菜、核桃、水果的年人均消費量不能直接從年鑒上找到，采用公式(2)，根據年產量與進出口數據匯總可以間接計算出人均消費量和人均生態足跡分量。

在計算能源消費賬戶生態足跡時，4類能源的年消費量可以從統計年鑒中獲取，根據能源折算系數計算出各類能源年消費量和人均消費量，再根據公式(1),用人均能源消費量除以全球平均能源足跡可以計算能源人均生態足跡分量。

在計算不同土地類型的生態承載力時，不同土地類型的生物生產性土地面積可以從統計年鑒獲取，能計算出人均占有生物生產性土地面積，再根據公式(3)可以計算出不同生物生產性土地的生態承載力分量。

對新疆10 a多生態數據的計算，涉及到的數據眾多，主要包括城鎮化率、農產品年人均消費量、農產品年產量、年進口量、年出口量、人口總數、各種農產品世界平均產量、能源年消費量、能源折算系數、全球平均能源足跡、均衡因子、產量因子、不同生物生產性土地的面積、國內生產總值。其中，各種農產品世界平均產量采用聯合國糧農組織計算的生物資源世界平均產量資料；均衡因子、產量因子依據Wakernagel對中國生態足跡計算時的取值，不同類型的生物生產性土地均衡因子取值如下：耕地2.8，草地0.5、林地1.1、水域0.2、化石燃料地1.1、建筑用地2.8，不同類型的生物生產性土地產量因子取值如下：耕地1.66、草地0.19、林地0.91、水域1.00、建筑用地1.66；能源折算系數、全球平均能源足跡以世界上單位化石燃料生產土地面積的平均發熱量為依據；煤炭、石油、天然氣、水風電的折算系數分別為20.93、50.2、38.98、11.84 GJ/t；煤炭、石油、天然氣、水風電的全球平均能源足跡分別為：55、71、93、1 000 GJ/hm2。研究區數據來自新疆統計年鑒(2001-2015年)，新疆調查年鑒(2006-2014年)。

3 新疆生態可持續性動態分析

3.1 資源供需水平的數量變化

從總量水平來看，過去14 a，新疆生態足跡和生態承載力均有所上升。2000年，新疆總生態足跡為3 142.64 萬hm2,2010年上升至6 094.02 萬hm2，2014年則高達9 424.97 萬hm2，2005-2014年生態足跡的年均增速為7.43%。生態足跡快速增加的主要原因在于人口膨脹和消費水平的不斷上升。與生態足跡的增速相比，生態承載力雖有所增長，卻呈現微小波動上升趨勢。2000年，新疆總生態承載力為3 168.06 萬hm2，2010年上升至3 218.67 萬hm2,2014年達到3 218.65 萬hm2，2005-2014年生態承載力年均增速為0.11%。生態承載力增速緩慢的原因在于新疆生態環境脆弱性較高，生態系統抵抗外界干擾的能力弱、恢復性差。從總量數據來看，總生態足跡的增長明顯快于總生態承載力的增長，如表1所示。

從人均水平來看，受人口、消費、技術水平等因素的綜合影響，生態足跡和生態承載力呈現出相反的變化趨勢。人均生態足跡除個別年份(2006年)有小幅下降，總體呈現持續上升趨勢，2000年人均生態足跡為1.699 26 hm2,2010年上升到2.793 40 hm2，2014年高達4.100 54 hm2，2014年相比2000年上升了2.401 28 hm2，2005-2014年人均生態足跡年均增長5.86%。而同時，人均生態承載力呈現持續下降的趨勢，在2000-2005年，人均生態承載力由1.713 01 hm2下降到1.585 19 hm2，年均下降0.025 56 hm2，在接下來的9 a，人均生態承載力逐年平均微量下降0.020 54 hm2，2005-2014年人均生態承載力年均下降1.37%。人均生態承載力表示生態系統的資源供給和更新能力。生態足跡總量增長是由人口和消費的增長共同帶動的，生態足跡總量增長率7.43%與人均生態足跡增長率5.86%對比，說明新疆生態足跡增長主要原因在于消費的增長。生態承載力總量正向增長與人均生態承載力逐年下降說明生態承載力總量的“虛增”是由人口增長實際帶動的，生態系統的資源更新能力有減退的跡象。

注：數據來源于統計年鑒計算整理。

3.2 資源供需的結構性變化

從生態足跡的構成來看，人均生態足跡構成反映了居民對不同類型土地生產的產品和服務消費需求。由圖1可知，能源用地和耕地占整個生態足跡的絕大部分比例。2000年，能源用地占整個生態足跡的51%，耕地占32%。2014年，能源用地和耕地分別占70%、19%，耕地比例有所下降，能源用地比例上升較快，2類土地占比之和從83%上升到89%。2000年，能源用地總量為1 468.38 萬hm2，2014年上升到5 957.26 萬hm2，增幅達到4 488.88 萬hm2，占生態足跡總增長的71.45%，這也是生態足跡總量上升的主要原因。同時，林業用地規模擴張也引起生態足跡總量上升，但由于基數較小，增量有限。草地用地規模呈微量下降趨勢，下降的原因是由于草地面積數量有限，由于人口擴張和過度放牧造成資源不可持續利用。

圖1 新疆不同土地類型生態足跡比例變化趨勢

從生態承載力的構成來看，人均生態承載力構成反映了不同類型土地向居民提供產品和服務的供給能力。由圖2可知，耕地和林地成為生態承載力的主要組成部分，2種土地類型占整個生態承載力的70%，耕地占比達52%，說明耕地和林地在維持生態系統平衡和保護生態系統安全方面起到重要作用，草地和建設用地在生態承載力中的比例相當，分別占生態承載力的13%和15%。水域在生態承載力中的占比最小，這與新疆氣候干旱、遠離海洋的自然資源稟賦和地理區位有關。

圖2 新疆不同土地類型生態承載力比例變化趨勢

生態足跡和生態承載力構成的動態變化可以反映出資源需求和供給結構的變動，它們是新疆經濟發展、人口增長和消費結構轉變的結果。首先，它反映了新疆產業結構演變的歷程，隨著國民經濟的優化改革，第2產業和第3產業的比重逐漸增大，第1產業比重逐漸減小，具體體現在：隨著工業化和城鎮化進程的不斷推進，農業用地減少，能源用地大幅增加，建設用地有所增加。其次，它反映了居民消費結構的變化，在基本的糧食需求得到滿足之后，對肉蛋奶等動物性產品的需求增多。隨著文化水平的提高，對書刊雜志包裝袋等紙制品的需求上漲，這是居民收入水平上漲和生活條件改善的結果，具體表現在：對牧草地和林地的用地需求不斷增長。

3.3 資源的利用效益分析

用萬元GDP生態足跡這一指標來衡量一個地區GDP生產占用的生態足跡，反映資源利用效益。萬元GDP生態足跡數值越小，資源利用效益越高，反之資源利用效益越低。由表1可知，2000年萬元GDP生態足跡為2.304 7 hm2，2010年為1.120 7 hm2，到2014年這一指標降為1.016 3 hm2。2000-2014年，萬元GDP生態足跡總體呈下降趨勢，表明新疆資源利用效益不斷提高，效益水平的不斷提高一方面得益于資源利用技術的進步和管理水平的提高，另一方面也取決于政策制度的變革、產業結構的日趨合理。

3.4 生態系統可持續性分析

用自然生態系統是否出現生態盈余來判斷生態系統的可持續發展狀態。由圖3可知，2005-2014年，人均生態足跡均超過人均生態承載力，一直存在生態赤字，且赤字額度逐年增大，除2000年外，人均生態盈余為0.013 7 hm2，2005年人均赤字額為0.898 7 hm2，到2014年則高達2.700 2 hm2。2005-2014年赤字額年均增長22.27%。在這樣的資源利用方式下，生態環境壓力不斷加劇，生態安全狀況不容樂觀，人類生產生活所消耗資源超出了自然生態系統的再生能力，區域生態系統處于人為地過度開發利用的不可持續的惡性循環當中，而且隨著時間的推移，生態供需缺口持續擴大。造成生態赤字的原因是人口增加引起資源消費量的增多，生態環境脆弱，化石能源用地生態承載力為0。

圖3 2000-2014年新疆人均生態赤字額變動趨勢

3.5 生態協調系數分析

生態協調系數DS越接近1協調性越差，越接近1.414協調性越好。當DS=1.414時，區域生態供給恰好滿足生態需求，處于最佳協調狀態。當DS=1時，區域承載力為0，生態系統已無法向人類提供資源和服務，或者區域生態足跡為0，人類停止消費，此時生態系統處于最差協調狀態。由圖4可知，2000-2014年新疆生態協調系數DS都處在1～1.414，基本上都是人均生態足跡大于人均生態承載力，存在自然資源開發過度。在2000年，DS為1.414，人均生態足跡和承載力基本平衡。從2005年起，DS逐漸遠離1.414且逐漸變小但都大于1，可以看出來，西部大開發以來，新疆的生態安全狀況不斷下滑，生態經濟的不穩定性和風險性不斷加大。

圖4 2000-2014年新疆生態協調系數變動趨勢

4 生態足跡模型預測與分析

4.1人均生態足跡、人均生態承載力和萬元GDP生態足跡的預測

本文基于灰色系統理論，揭示少數據、貧信息背景下事物的發展規律。使用灰色預測模型，依據預測問題的特征，為揭示中短期內新疆生態系統演變趨勢和可持續性發展前景，嘗試以2005-2014年新疆人均生態足跡、人均生態承載力和萬元GDP生態足跡作為原始數據，預測新疆“十三五”末期、“十四五”末期生態足跡的可能性變化。具體使用GM(1,1)模型，操作軟件為GTMS3.0灰色系統理論建模軟件。預測結果和誤差檢驗如表2、表3所示。

表2 2020、2025年新疆人均生態足跡、人均生態承載力與萬元GDP生態足跡預測結果

表3 灰色GM(1,1)預測誤差檢驗

4.2 預測分析

由表2可知，2020年新疆人均生態足跡將上升到6.496 4 hm2,2025年將達到9.586 4 hm2。2020年人均可利用生態承載力預計下降到1.294 7 hm2，2025年為1.212 5 hm2。人均生態赤字2020年上升到5.201 7 hm2，2025年擴大為8.373 9 hm2。萬元GDP生態足跡2020年下降到0.649 9 hm2，2025年預計為0.478 0 hm2。由此可總結出，隨著新疆經濟的發展和人地矛盾不斷加劇，居民消費量日益增加，帶來的后果是人均生態足跡不斷上漲，人均生態承載力持續下降，生態足跡供需缺口進一步擴大，區域生態安全狀況進一步惡化。與此同時，資源利用效率得到進一步的提高。因此，新疆未來的資源開發利用趨勢將是，資源消耗量不斷上升與資源利用效率不斷提高并存的局面。

5 結論與討論

從總量水平上看，在過去的10 a多，生態足跡和生態承載力均有所上升，且生態足跡增速快于承載力增速。生態足跡增長是由人口膨脹和消費水平提高兩者共同決定的，主要原因在于消費水平的提高。生態承載力增長緩慢，其原因在于新疆生態環境脆弱性較高，生態系統抵抗外界干擾的能力弱、恢復性差。

從人均水平來看，新疆生態足跡整體呈上升趨勢，是由于工業化和城鎮化使人類對自然資源的消耗強度增大。從生態足跡構成來看，能源用地和耕地是生態足跡的主要組成成分，占比達到80%以上，說明以能源消耗為主的工業部門已經成為新疆的支柱產業，新疆的經濟發展由種植業轉向了工業，這與新疆是我國的資源大省，區內蘊藏著豐富的能源、礦產資源有關。隨著經濟社會的快速發展，對生態資源的需求量勢必增加，人均生態足跡也會隨之上漲。新疆人均生態承載力基本保持在1.400 3～1.713 0 hm2，且有緩慢減小的趨勢。從生態承載力構成來看，耕地和林地是其主要組成成分，兩者在生態承載力的構成比例達到70%。

由于人均生態足跡快速增長，人均生態承載力緩慢減小，造成生態赤字逐年擴大，赤字額由2005年的0.898 7 hm2增加到2014年的2.700 2 hm2。2005-2014年赤字額年均增長22.27%。赤字率由2005年的56.69%上升到2014年的192.82%。生態赤字主要來源于化石能源用地和耕地，主要原因是對于能源的開發利用強度不斷加大和糧食生產的負擔加重。

從萬元GDP生態足跡和生態協調系數指標度量新疆生態安全狀況，結果表明2000-2014年，新疆資源利用效益水平不斷提高，生態協調度不斷下降，區域生態安全狀況不斷下滑，生態經濟的不穩定性和風險性不斷加大。

運用灰色預測模型測算出，新疆在未來的10 a里，人均生態足跡將會繼續上升，人均生態承載力持續下降，生態供需缺口進一步擴大。

本文在計算生態足跡和生態承載力時，在數據收集的全面性方面存在一定困難，借鑒以往研究成果本文選擇對19種產品和4類能源項目的消費情況進行統計，未能全面反映人類對區域生態系統的影響。另外，由于貿易調整會影響居民的凈消費量，在模型計算時缺乏產品在省際間流動的全面而詳實的數據資料，在計算區域生態數據時可能出現偏差。但本文通過研究時間序列生態數據的動態變化趨勢，也能客觀、科學地反映區域資源消耗與供應狀況，結合灰色預測模型反映未來的區域生態發展狀況，實現靜態數據與動態模擬的有效結合。

6 建 議

扭轉新疆生態赤字的資源利用不可持續的發展現狀，應做好以下幾點。

(1)加大對耕地、林地、牧草地的保護力度，提高農業用地的產出效率。近10 a多來，耕地是新疆生態承載力構成的重要組成部分，占比雖有所下降，仍然超過半數，資源貢獻率超過其他土地類型。隨著居民消費結構優化和消費水平的提高，居民對肉蛋奶、瓜果蔬菜、報刊雜志等消費品的需求將剛性上升，耕地、林地、草地占據生態承載力的絕大部分比例，加強土地資源的保護，堅持開發與維護并重，提高土地產出效率就是提高土地的資源和能源的供給能力。

(2)有效控制人口增長是減小人均生態足跡，加大人均生態承載力的有效途徑。人口數量增長過快會提高資源消耗量和廢物排放量，加大環境承載壓力，造成環境質量下降。因此，在可持續發展觀的指導下，新疆應從實際出發，嚴格執行計劃生育政策，鼓勵晚婚晚育少生優生，有效控制人口增長，促進人口與環境良性發展。

(3)調整產業結構。基于新疆生態環境脆弱性考慮，有色金屬和石油化工工業資源消耗量大、產業鏈短、附加值不高，對脆弱生態環境影響較大，因此，提倡大力發展第3產業，限制過剩工業產能的產出，減少化石能源的消費比例，通過技術改造提高能源利用效率[9]。

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