焦作市人均三維生態足跡的動態分析

(河南理工大學 測繪與國土信息工程學院,河南 焦作 454000)

焦作市人均三維生態足跡的動態分析

黃艷麗,喬衛芳
(河南理工大學 測繪與國土信息工程學院,河南 焦作 454000)

基于三維生態足跡模型,以焦作市的統計數據為基礎分別測算了2004年、2006年、2008年、2010年、2012年、2014年共6個年份的足跡廣度、足跡深度和人均三維生態足跡。結果表明：焦作市2004—2014年的足跡廣度、足跡深度和人均三維生態足跡均呈現先增大后減小的趨勢。其中,耕地是人均生態足跡廣度的主要構成部分,占比達到65%以上,說明耕地是焦作市流量資本的主要載體,其變化對人均生態足跡廣度的變化起決定性的作用；足跡深度的主要組成是化石能源用地,占比達40%以上,表明焦作市經濟發展中對存量資本的消耗主要以原煤、焦炭等礦物資源消費為主；人均三維生態足跡受足跡廣度和足跡深度的共同影響,也受自然資源稟賦的影響,焦作市的足跡廣度變化不大。因此,只有把握好轉型后的關鍵時期,繼續轉變經濟發展方式,提高資源的利用效率,減少足跡深度,才能降低人均三維生態足跡,提高焦作市的可持續發展能力。

生態足跡;可持續發展;足跡廣度;足跡深度;三維模型;焦作市

可持續發展是當今社會永恒的主題。作為一種衡量區域可持續發展程度和生態安全的方法,生態足跡最早是由加拿大籍生態經濟學家William Rees教授提出的[1]。任何一個已知人口區域的生態足跡可被定義為：在當前技術水平下生產這個區域所消費的資源和吸納這個區域所產生的廢棄物所需要的生物生產性面積[2,3]。生態足跡反映地區的資源消耗的數量和強度,是揭示人類持續生存的生態閾值的一種科學有效的方法[4,5]。但由于傳統的生態足跡模型存在一些缺陷,三維生態足跡模型通過引入足跡廣度和足跡深度兩個指標[6-8],將生態足跡模型由原來的二維增加到三維,實現了對流量資本占用和存量資本消耗的分類表征[8,9],能更準確地反映區域的生態壓力狀態。

河南省焦作市是一個資源型工業城市,雖然已成功實現從資源枯竭型城市向旅游型城市的成功轉型,但其工業比重依然較大,自然資源的過度利用對城市化的發展和生態環境的改善存在巨大挑戰,經濟發展與生態可持續矛盾突出,因此需要對其發展狀況進行科學正確的評價。本文依據三維生態足跡模型,計算和分析了焦作市2004年、2006年、2008年、2010年、2012年、2014年足跡廣度、足跡深度和人均三維生態足跡的變化,為解決該市經濟快速發展和生態環境退化之間的矛盾提供借鑒。

1 研究區概況

焦作市地處河南省西北部,是晉陜蒙接壤地區的重要能源基地和晉煤南下東運的咽喉要道,地理坐標為34°49′03″—35°29′45″N、112°43′31″—113°38′35″E,總面積407lkm2。區內擁有豐富的自然資源,特別是礦產資源種類多,儲量大,經過普查的礦產資源有40多種,占河南省已發現礦種的25%,開采條件好的礦產有煤、硫鐵礦、水泥灰巖、化工灰巖等。由于礦產資源豐富,再加上國家宏觀工業布局的影響,長期以來焦作市形成了以能源、化工、原材料等為主的重型化工業結構布局。截止2014年末,焦作市總人口為368.49萬人,地區生產總值達到1846.32億元,人均GDP為52477元,城鎮化率達53.21%。經濟高速發展意味著資源和能源的大量消耗,城市化水平和人民生活水平快速提高的同時人地矛盾愈加突出、生態環境不斷惡化、社會經濟發展與生態可持續矛盾日益嚴重。

2 研究方法

2.1 三維生態足跡模型

三維生態足跡模型[10-12]是在傳統生態足跡模型已有指標(生態足跡、生態承載力和生態赤字)的基礎上,分別引入了足跡廣度和足跡深度。該模型把生態足跡當作一個圓柱體,足跡廣度代表了圓柱體的底面,足跡深度代表了圓柱體的高,兩者相乘即為三維生態足跡。三維生態足跡模型中的足跡廣度取生態足跡和生物承載力中的較小值,表征人類對生物生產性土地的年際需求[13];足跡深度是人類對自然資本存量的消耗程度[6],表征人類對超過生物承載力部分資源的累計需求。因此,三維生態足跡模型既強調了土地資源在空間上的稀缺性,又關注了資源消費與資源再生在時間上的不同步性,在衡量可持續發展時比傳統生態足跡模型更具有優勢。針對區域尺度的三維生態足跡模型的計算公式[7]為:

EF3D,region=EFsize,region×EFdepth,region

式中,EFsize、region為區域的足跡廣度;EFdepth、region為區域的足跡深度;EFi為第i地類的生態足跡;BCi為第i地類的生態承載力;EF3D、region為區域的三維生態足跡(hm2)。EFsize、region越大,表示區域發展的可持續性越強;EFdepth、region越大,被消耗的自然資本存量越多,發展越不可持續。

2.2 數據來源

計算生態足跡的數據主要來源于相關年份的《焦作市統計年鑒》,我們將各年份生物資源項目和能源消費項目轉化為相應的生物生產性用地,各項生物資源的全球平均產量參考聯合國糧農組織(FAO)的數據庫[14]。均衡因子采用世界自然基金會(2004年)提出的土地等價因子[15]:可耕地2.19、森林1.48、牧草地0.48、水域0.36、建筑用地2.19、化石能源地1.49。產量因子是通過焦作市各類型土地生產力與世界平均生產力對比獲得。

3 基于三維模型的人均生態足跡變化

3.1 生態足跡和生態承載力

2004—2014年焦作市人均生態足跡呈現先增長后降低的趨勢,從2004年的4.1424hm2/人增長到2008年的5.2230hm2/人,年均增長率為6.52%,然后又下降到2014年的3.7379hm2/人,年均遞減4.74%。與此相反,同期人均生態承載力呈現先緩慢下降后緩慢上升的趨勢,從2004年的0.6406hm2/人緩慢下降到2012年的0.5915hm2/人,年均遞減率為0.96%,然后又上升到2014年的0.6134hm2/人,年均遞增1.85%?？傮w上,兩者呈相反變化趨勢(圖1)。從人均生態足跡的構成來看,化石能源用地對人均生態足跡的趨勢起到了決定性的作用,占歷年人均生態足跡的70%左右。此外,經濟的快速發展使人們的生活水平穩步提高,對草地、林地、水域和建筑用地的需求都穩步增加,這是導致人均生態足跡增長較為迅速的原因之一。2008年之后,工業發展不斷降低單位GDP能耗使人均生態足跡開始回落,說明焦作市人均生態足跡增加的最大驅動力是以重工業為主導的產業結構。由于人均生態足跡對人類活動較為敏感,波動較大;而由于人均生態承載力更多地受自然資源稟賦的影響,波動相對較小。十年間,盡管人均生態足跡有一定程度的減少,人均生態承載力有一定程度的提高,但人均生態赤字依然較大,平均高達3.8241hm2/人。

圖1 焦作市人均生態足跡和人均生態承載力的變化趨勢

3.2 足跡廣度

對生態赤字的國家或地區而言,人均足跡廣度在一定程度上反映了可再生資源的豐裕度,因此可作為衡量該國家或區域可再生資源稟賦的重要指標。2004年、2006年、2008年、2010年、2012年、2014年焦作市人均生態足跡廣度見表1。從表1和圖2可見,2004—2014年焦作市人均生態足跡廣度呈現先增長后降低的趨勢,從2004年的0.3329hm2/人增長到2010年的0.3682hm2/人,然后下降到了2014年的0.3231hm2/人。從增長速度來看,2004—2006年焦作市人均生態足跡廣度增長較緩慢,年平均增長率僅0.51%;2006—2010年人均生態足跡增長較為迅速,年平均增長率為2.37%;2010年之后,人均生態足跡廣度開始下降,2010—2012年人均生態足跡廣度的下降速度較慢,年平均減少率為1.06%;2012—2014年人均生態足跡廣度下降較迅速,年平均減少率為2.59%。

表1 2004—2014年焦作市人均生態足跡廣度(hm2/人)

圖2 焦作市2004—2014年人均生態足跡廣度構成及其變化

從人均生態足跡廣度的構成來看,貢獻最大的是耕地,在歷年人均生態足跡廣度中的占比在65%以上,其余依次是林地、水域、建筑用地、化石能源用地和草地,說明焦作市人均占用土地面積主要以耕地為主,即耕地是焦作市流量資本的主要載體。從時間序列上看,十年間耕地和林地變化不大,僅有較小幅度波動;草地、水域和建筑用地逐年增加,在人均生態足跡廣度中的占比有所提高,表明草地、水域和建筑用地作為流量資本載體的地位有所增強;化石能源用地足跡逐年下降,特別是在2008年之后下降較明顯,表明化石能源用地作為流量資本載體的地位在逐漸減弱,這與焦作市作為資源枯竭型城市的向旅游城市的成功轉型在時間上是一致的。

3.3 足跡深度

區域足跡深度能反映一個國家或地區存量資本的消耗程度。對長期生態赤字的國家和地區而言,足跡深度還反映了存量資本累積負債對代際公平性的負面影響。2004—2014年,焦作市足跡深度經歷了先增大后減少的發展變化(表2),由2004年的11.9467增加到2008年的14.0211,增長了17.36%；然后又下降到2014年的11.5270,降低了17.79%。十年來,焦作市足跡深度盡管有所下降,但仍然維持在一個較高的水平上(圖3)。從足跡深度的構成可知,化石能源用地足跡深度占總足跡深度的40%以上,最高時達到55%,表明焦作市的礦物資源消費在存量資本消耗中占有較大的比例,即焦作市經濟的快速發展主要依賴于原煤、焦炭等主要能源礦物資源的過度消耗。

表2 2004—2014年焦作市足跡深度

圖3 焦作市2004—2014年足跡深度變化

3.4 焦作市人均三維生態足跡

2004—2014年焦作市人均三維生態足跡的計算結果見表3。從表3可見,十年間焦作市人均三維生態足跡經歷了先升上后下降的變化趨勢,從2004年的0.4911hm2增加到2008年的0.5506hm2,然后又下降到2014年的0.5022hm2;人均生態承載力總體呈現出降低的趨勢,但中間也有一定的波動,從2004年的0.6406hm2降低到2014年的0.6134hm2,總體下降了4.24%;人均三維生態足跡與人均生態承載力較接近,僅有少量的生態盈余。從三維生態足跡的構成來看(圖4),2004—2014年耕地足跡是焦作市三維生態足跡的重要組成部分,所占比例在60%以上;林地足跡在三維生態足跡中的比例在8%左右,最高可達10%;草地、水域和建筑用地足跡一致處于不斷上升的趨勢;化石能源用地足跡先升后降,與人均三維生態足跡保持一致的變化趨勢。

表3 2004—2014年焦作市人均三維生態足跡(hm2/人)

圖4 焦作市2004—2014人均三維生態足跡構成及其變化

4 討論

土地是支撐人類社會經濟活動的基本載體,也是維持可持續發展所必須的稀缺資源[16]。生態足跡模型通過產量因子和均衡因子將負載在不同地類上的自然資本供需狀況轉換為確切的土地資本數量,因此可作為評價區域可持續發展狀態的有效工具。焦作市是資源型城市,前期工業的迅速發展主要依賴于原煤、焦炭等主要能源的消耗,依托能源優勢發展了與之相關的產業,為焦作市GDP的增加做出了較大的貢獻,但也因此導致人均生態足跡快速增加,遠遠超過了其人均生態承載力,生態赤字較大,區域可持續發展能力相對較弱。

三維生態足跡模型的提出為生態足跡改進研究提供了新的視角,它將自然資本類型劃分為存量資本和流量資本,分別運用足跡深度和足跡廣度兩個指標來評估區域自然資本的利用狀況,使流量資本和存量資本在各地類載體上的變化過程清晰可見,對揭示自然資本需求與地區的產業結構和工業化進程之間的內在關系有較好的幫助。從本文的分析可知,焦作市人均生態足跡和人均生態承載力相差較大,生態赤字較嚴重。因此,流量資本的占用主要受可再生資源稟賦的制約,而存量資本的消耗程度是區域可持續發展能力的一個標志,也是影響人均三維生態足跡變化的一個重要因素。由焦作市2008—2014年足跡廣度和足跡深度的變化可知,足跡廣度總體變化不大,草地和水域的足跡廣度在逐年增加,化石能源用地的足跡廣度和足跡深度則明顯降低,表明焦作市化石能源用地作為流量資本載體的地位逐漸減弱,且在存量資本消耗中所占的比例也逐漸降低。即焦作市的社會經濟發展過度依賴礦產能源等存量資本消耗的狀況在逐漸改善,這與焦作市從“煤城”到“優秀旅游城市”的成功轉型是分不開的。

從足跡廣度、足跡深度和人均三維生態足跡的變化過程來看,焦作市足跡深度和人均三維生態足跡的變化在時間上具有較好的一致性。人均足跡廣度與兩者相比,顯示出一定的滯后性,說明焦作市人均三維生態足跡的變化受足跡廣度和足跡深度的共同影響,但足跡深度對人均三維生態足跡的影響大于足跡廣度。由足跡深度的組成可知,足跡深度大于1的地類主要是耕地、草地和化石能源用地。特別是耕地足跡深度,盡管其足跡深度與化石能源用地足跡深度相比較低,但十年來一直呈增加趨勢,且耕地在人均足跡廣度中的占比較高,因此耕地足跡深度的不斷增加對人均三維生態足跡的影響同樣不能忽視。焦作市仍處于經濟轉型的關鍵時期,在社會經濟發展與生態環境矛盾不斷加劇的今天,要實現焦作的可持續發展,必須把握好轉型后的關鍵時期,繼續轉變經濟發展方式。工業上不斷降低單位GDP能耗,提高資源的利用效率;農業上減少化肥和農藥的使用,提高農業生態系統對區域環境的生態服務功能,同時倡導生態環保的消費模式,減少碳排放,將有助于降低足跡深度,從而提高焦作市的可持續發展能力。

5 結論

主要是:①焦作市2004—2014年人均生態足跡和人均生態承載力相差較大,生態赤字嚴重,總體呈現逆向變化趨勢,人均生態足跡先增長后降低,由于受人類活動的影響較大,波動明顯;人均生態承載力先下降后上升,更多地受制于自然資源稟賦,波動相對較小。②焦作市2004—2014年足跡廣度和足跡深度均呈現先增長后降低的趨勢。從人均足跡廣度的構成來看,耕地是其主要組成部分,十年間變化不大;草地、水域和建筑用地逐年增加,在人均足跡廣度中的占比有所提高;化石能源用地的足跡廣度則逐年下降。從足跡深度的構成來看,化石能源用地的占比在40%以上,最高時達到55%。③2004—2014年焦作市人均三維生態足跡的大小與焦作市人均生態承載力比較接近,與足跡廣度和足跡深度呈現同向變化趨勢,經歷了先升后降的變化過程,三者相比,足跡廣度的變化稍顯滯后。④人均三維生態足跡的變化受足跡廣度和足跡深度的共同影響,焦作市的足跡廣度由于受自然資源稟賦的影響變化不大。因此,要降低人均三維生態足跡,提高焦作市的可持續發展能力,需要從減小足跡深度入手,把握好經濟轉型后的關鍵時期,轉變經濟發展方式,提高資源利用效率。

[1]柴志敏,劉小英,李富忠.2003-2007年山西省生態足跡動態變化分析[J].干旱區資源與環境,2011,25(3)∶49-52.

[2]白鈺.基于生態足跡的天津市土地利用總體規劃生態效用評價[J].經濟地理,2012,32(10)∶127-132.

[3]黃海,劉長城,陳春.基于生態足跡的土地生態安全評價研究[J].水土保持研究,2013,20(1)∶193-196.

[4]邱壽豐,朱遠.基于國家生態足跡賬戶計算方法的福建省生態足跡研究[J].生態學報,2012,33(22)∶7124-7134.

[5]孫宏立.生態足跡分析在鄭州北部綜合生態經濟示范區建設中的應用研究[J].地域研究與開發,2013，32(1)∶138-142.

[6]方愷.生態足跡深度和廣度：構建三維模型的新指標[J].生態學報,2013,33(1)∶267-274.

[7]方愷,高凱,李煥承.基于三維生態足跡模型優化的自然資本利用國際比較[J].地理研究,2013,32(9)∶1657-1667.

[8]Pearce J M,Johnson S J,Grant G B.3D-mapping Optimization of Embodied Energy of Transportation[J]. Resources,Conservation and Recycling,2007,51(2)∶435-453.

[9]Niccolucci V,Bastianoni S,Tiezzi E B P,etal.How Deep Is the Footprint? A 3D Representation[J].Ecological Modelling,2009,220(20)∶2819-2823.

[10]秦超,李君軼,陳宏飛.基于三維生態足跡的錫林郭勒盟自然資本動態研究[J].干旱區資源與環境,2015,29(9)∶51-56.

[11]T?J C O,Fournier R A,Frazer G W,etal.A Fine-scale Architectural Model of Trees to Enhance LiDAR-derived Measurements of Forest Canopy Sstructure[J].Agricultural and Forest Meteorology,2012,(166-167)∶72-85.

[12]PENG J,DU Y,MA J,etal.Sustainability Evaluation of Natural Capital Utilization Based on 3DEF Model：A Case Study in Beijing City,China[J].Ecological Indicators,2015,58(11)∶254-266.

[13]Zhao K,Garcia M,Liu S,etal.Terrestrial Lidar Remote Sensing of Forests：Maximum Likelihood Estimates of Canopy Profile,Leaf Area Index,and Leaf Angle Distribution[J].Agricultural and Forest Meteorology,2015,(209-210)∶100-113.

[14]呂曉軍.基于生態足跡的區域生態適度人口研究——以新疆生產建設兵團為例[J].地域研究與開發,2012,31(4)∶157-160.

[15]王麗霞,任志遠,薛亮.區域生態安全與生態足跡對比研究——以陜北延安地區為例[J].地域研究與開發,2006,25(5)∶108-111.

[16]方愷.基于改進生態足跡三維模型的自然資本利用特征分析——選取11個國家為數據源[J].生態學報,2015,35(11)∶3766-3777.

DynamicAnalysisofPerCapitaThree-dimensionalEcologicalFootprintinJiaozuoCity

HUANG Yan-li,QIAO Wei-fang
(School of Surveying and Land Information Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China)

Based on the three-dimensional ecological footprint model and method,the per capita three-dimensional ecological footprint of 6 years(2004,2006,2008,2010,2012,2014)in Jiaozuo City was calculated on the basis of the statistical data,and its dynamic changes was analyzed.The results showed that footprint size,footprint depth,and per capita 3D ecological footprint of Jiaozuo City during 2004 to 2014 increased first,and then decreased.The cultivated land was the main composition of per capita footprint size,accounted for more than 65%,indicating that the cultivated land was the main carrier of Jiaozuo capital flow,and its changes played a decisive role in the change of per capita ecological footprint size,and the main composition of footprint depth was fossil energy land,accounted for more than 40%,showed that the depletion of stocks in economic development mainly in coal,coke and other mineral resources consumption.3D ecological footprint per capita was influenced by footprint size and footprint depth.Due to the influence of natural resources,the footprint size of Jiaozuo had little change. Therefore,in order to improve the ability of sustainable development of Jiaozuo City,we should grasp the key period of transition,continue to change the mode of economic development,improve the resource utilization efficiency,reduce the footprint depth,in order to reduce 3D ecological footprint per capita.

ecological footprint;sustainable development;footprint size;footprint depth;3D model;Jiaozuo City

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.02.006

X826

A

1005-8141(2017)02-0156-04

2016-12-12；

2017-01-17

國家社會科學基金項目(編號:11CJY050);河南省高等學校青年骨干教師資助計劃項目(編號:2011GGJS-053)。

黃艷麗(1979-),女,河南省漯河人,碩士研究生,講師,主要從事土地評價與規劃的教學與研究工作。

喬衛芳(1980-),女,河南省尉氏人,碩士研究生,講師,主要從事資源與環境方面的教學和研究工作。