基于改進三維生態足跡的陜西省自然資本動態變化及利用特征分析

高 潔, 武 虹, 蓋艾鴻, 楊寶龍, 李硯章

(1. 中國科協創新戰略研究院, 北京 100038; 2. 甘肅農業大學 資源與環境學院, 蘭州 730070)

生態足跡作為一種能夠量化人類對自然資源需求程度和自然資本供給能力的生物物理方法,被廣泛應用于區域可持續發展和資源環境承載力評價研究中。生態足跡最早由加拿大生態經濟學家Rees提出[1],后經其學生Wackernagel補充發展為“生產一定人口消費的資源以及吸納其所產生的廢棄物所需要的生物生產性土地面積”[2]。生態足跡法將區域生態承載力量化為具有生物生產能力的土地面積,利用均衡因子和產量因子,完成對不同類型、不同地區自然資本可持續性的評價研究。

研究分析表明[3-6],采用經典生態足跡模型進行評估,全球大多數區域和國家均長期處于生態赤字狀態。但在實際生活中,伴隨著區域間經濟貿易往來的頻繁、經濟開發程度進一步提高,科學技術的大量投入、農作物單產的增加以及政府政策的導向性支持,僅從生態足跡或生態赤字角度出發已難以科學評定區域發展的可持續性。為了能夠更加全面、準確的反應自然資本實際狀況,克服經典生態足跡模型評估結果的不足,Niccolucci等[7-8]提出了“三維生態足跡”模型,將基于面積的經典生態足跡模型發展為具有體積的三維生態足跡模型,新增足跡深度維度,能夠從時空角度反應人類對自然資本存量和自然資本流量的消耗程度[9]。方愷等[10]對原有三維生態足跡模型進行了改進,提出了更適用于區域尺度和地類尺度的計算方法[11]。三維生態足跡模型能夠從時間和空間上評判同一區域不同時期(足跡深度)資源消費和生態服務的公平差異性以及同一時期不同區域間(足跡廣度)資源消費和生態服務的公平差異性,反應生態足跡在不同時期、不同區域的變化狀況[5],是當下區域生態承載力研究的熱點。

隨著“一帶一路”戰略的不斷推進,陜西省作為新絲綢之路經濟帶的重要節點,擔負著維護“一帶一路”經濟帶生態安全的重要任務,面臨著經濟發展和生態保護的雙重壓力[12],如何優化土地利用格局、提高生態承載力,成為區域亟待解決的問題。有關陜西省生態足跡已有大量研究[13-14],但多基于二維層面,并且將全國統一的均衡因子和產量因子運用于區域尺度的評價中,其結果會存在一定誤差[15]。本文通過改進后的三維生態足跡模型對陜西省生態足跡進行分析,以期真實反映陜西省自然資本利用變化狀況和各市域自然資本利用差異,為當地或類似地區生態建設和環境保護提供參考。

1 研究區概況

陜西省(31°42′～39°35′N,105°29′-111°15′E)地處中國西北內陸腹地,地勢南北高,中間低。全省總面積20.58萬km2。2015年地區生產總值18 021.86億元,常住人口3 792.87萬人,轄1個副省級城市、9個地級市。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

自然資源消費可分為生物資源消費和能源消費2部分。生物資源消費主要包括農產品、動物產品、林產品、水產品等,能源消費主要包括煤炭、焦炭、液化石油氣、汽油、柴油、天然氣、電力等,為統一數據統計口徑,采用農作物產量代替農產品消費量。陜西省及其各市域自然資源消費數據主要來源于《陜西統計年鑒》(1996—2016)、《中國漁業年鑒》(1996—2016);全國自然資源消費數據主要來源于《中國統計年鑒》(1996—2016);不同產品的熱值數據來源于《農業經濟手冊(修訂版)》;生態足跡和承載力計算中使用的土地數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心為1995—2015年中國1∶10萬比例尺土地利用現狀遙感監測數據[16]。

2.2 研究方法

2.2.1 均衡因子和產量因子的計算方法

均衡因子和產量因子是生態足跡模型中最重要的兩個參數[15],以陜西省及其各市域各類生物產品實際產量為基礎,計算區域均衡因子和產量因子。計算過程中為實現不同類型生物產品能量的流動,將生物產品轉換為統一的熱值形式進行核算[17]。

1) 均衡因子是全市同類生物生產性土地的平均生物生產力和全市所有生物生產性土地的平均生物生產力的比。計算公式為:

wj=aj/a

(1)

式中:wj為市域第j類生物生產性土地的均衡因子;aj為市域第j類生物生產性土地的平均生產力;a為市域內所有生物生產性土地的平均生產力。其中,建設用地均衡因子與耕地均衡因子一致,化石能源用地均衡因子與林地均衡因子一致[15]。

2) 產量因子是市域內某區域某類生物生產性土地的平均生物生產力和該市同類生物生產性土地的平均生物生產力的比。計算公式為:

(2)

2.2.2 經典生態足跡模型

經典生態足跡模型將具有生物生產功能的土地劃分為耕地、草地、林地、水域、建設用地、化石燃料用地六類,把這六類土地分別乘以其對應的均衡因子,即可轉換為能夠比較的生物生產性空間,經典生態足跡模型中生態足跡計算公式如下:

式中:EF為總生態足跡;N為現狀人口數;ef為人均生態足跡;j為生產性用地的類型;i為消費科目種類;wj為均衡因子;yj為產量因子;Ai為消費科目的面積;Cj為i種消費科目的人均消費量;Pj為i種消費科目的本底單位面積產量。

生態承載力計算公式如下:

式中:BC為總生態供給;bc為人均生態供給。根據世界環境與發展委員會的建議,生態承載力計算時需扣除12%的生物多樣性保護面積。

2.2.3 三維生態足跡模型

Niccolucci在經典生態足跡模型的基礎上,引入足跡廣度和足跡深度2個新的指標,表征人類對自然資源流量和自然資源存量的占用情況?？紤]到Niccolucci的三維模型中計算所得生態赤字是區域總生態足跡與生態承載力的差值,存在將不同地類間生態盈余與生態赤字相抵消的情況,可能會高估足跡廣度、低估足跡深度[9]。因此方愷[11]提出了更適用于區域尺度的三維生態足跡模型的計算公式:

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。

2.2.4 模型補充

1) 資本流量占用率。當資本流量未被完全占用時,足跡深度處于自發生長的過程,引入資本流量占用率,表征自然資本流量實際占用程度,計算公式如下:

(10)

2) 存量流量利用比。當資本流量被完全占用時,存量資本也開始消耗,引入存流量利用比,表征實際利用中自然資本存量與流量之間的大小關系,計算公式如下:

(11)

3 結果與分析

3.1 陜西省及其各市域均衡因子和產量因子分析

根據我國土地利用一級地類劃分標準將陜西省及各市域生物生產性土地類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、化石能源用地六大類?？紤]到園地的土質更接近于耕地,而畜牧業中豬和禽類的飼料主要來源于耕地[15],因此將各類水果和豬肉、禽類劃分為耕地提供的產品;陜西省地處內陸,僅有淡水產品而無海產品,采用淡水產品產量作為水產品產量數據,水域面積為淡水養殖面積。研究中涉及的生物產品統計條目均來源于農業、林業、畜牧業和漁業,共計30余項。根據公式(1)、公式(2)計算得出陜西省1995-2015年(表1)和陜西省各市域2015年(表2)均衡因子和產量因子。

表1 陜西省1995—2015年均衡因子、產量因子Tab.1 Balanced factors and production factors in Shaanxi Province form 1995 to 2015

表2 陜西省各市域2015年均衡因子、產量因子Tab.2 The balanced factors and production factors for 2015 in Shaanxi Provinces

從表1中可以看出,陜西省耕地和建設用地的均衡因子最高,水域次之,這說明耕地、建設用地和水域是區域單位面積產量最高的用地類型,草地、林地和化石能源用地的單位面積產量較低;1995—2015年間,耕地和建設用地的均衡因子變化較小,林地、化石能源用地、草地和水域變化明顯,到2015年,林地、化石能源用地和草地的均衡因子約為1995年的2倍,呈正向增長變化,水域的均衡因子由1995年的1.556波動增長至2.184,陜西省林地、化石能源用地、草地和水域的單位面積產量不斷提升。陜西省草地的產量因子最高,水域次之;耕地和建設用地的產量因子從1995年的0.258增至2015年的0.585,雖呈正向增長趨勢,但仍與全國平均水平有較大差距;林地和化石能源用地的產量因子在2010年最接近全國平均水平,為0.954,其余年較低;耕地的單位面積產出最高,但仍與我國平均有一定差距,林地和草地單位面積產出較低,但草地平均生產力高于我國平均,水域單位面積產出較高但面積較小,與我國淡水平均生產力有一定差距。

從表2中可以看出,陜西省各市域耕地和建設用地的均衡因子明顯高于水域、草地、林地和化石能源用地,與省域均衡因子特征基本一致。陜西省各市域耕地和建設用地的產量因子差值相對較小,而林地、草地、水域和化石能源用地的產量因子差值較大。西安市、銅川市、寶雞市、咸陽市和渭南市的耕地和建設用地產量因子較高,這些城市多位于關中地區,是陜西省耕地集中區,也是省內的農作物主產區;咸陽市林地和化石能源用地產量因子最高,為10.243,榆林市、商洛市和渭南市的林地和化石能源用地產量因子也相對較高,是陜西省林產品的主產地;得益于陜南地區天然草地生產力較高,西安市、寶雞市、咸陽市、渭南市草地產量因子較高,畜牧業相對發達;陜西省各市域水域產量因子呈南高北低的特點,位于陜南地區的安康市、漢中市和渭南市水域產量因子較高,而陜西省北部的榆林市水域產量因子區域最低。

3.2 陜西省1995—2015年三維生態足跡分析

3.2.1 陜西省1995—2015年生態足跡、生態承載力和生態赤字分析

根據式(3)、式(4)、式(5)和式(6)計算得出1995—2015年陜西省人均生態足跡、生態承載力和生態赤字(表3)。

表3 陜西省1995—2015年人均生態足跡、生態承載力和生態赤字

從表3中可以看出,陜西省人均生態足跡從1995年的1.073 hm2增至2015年的1.747 hm2,年均遞增3.37%;生態承載力由0.164 hm2增至0.322 hm2,年均遞增0.79%;2015年陜西省生態赤字為1.426 hm2,是1995年的1.56倍?？傮w看來,陜西省1995—2015年人均生態足跡、生態承載力和生態赤字變化方向一致,均呈正向增長變化,這與使用全國統一的均衡因子和產量因子計算得出的研究結果有所不同,本地化后的陜西省人均生態足跡相較傳統研究結果偏低,人均生態承載力呈增長趨勢,更符合區域生態承載現狀。

3.2.2 陜西省1995—2015年人均足跡深度和足跡廣度分析

根據式(7)、式(8)和式(9)計算得出陜西省1995—2015年人均足跡廣度和足跡深度(表4)。

表4 陜西省1995—2015年人均足跡廣度和足跡深度Tab.4 The per capita footprint breadth and footprint depth in Shaanxi Province from 1995 to 2015

從表4中可以看出,陜西省1995—2015年人均足跡廣度整體呈增長趨勢,其中增速最明顯的時段為1995—2000年,在2000—2010年間足跡廣度變化較小,到2015年達到最高值0.32;研究期內陜西省人均足跡深度均大于1,單靠消耗自然資本流量已無法滿足人類對自然資源的需求,需消耗存量資本以維持生態需求,生態赤字出現。1995—2015年,陜西省人均足跡廣度總體不斷增加,足跡深度在5～7浮動(即資源再生需要5a～7a才能滿足人們1a的資源消費需求)。陜西省人均足跡廣度較低,而足跡深度較高,這說明陜西省經濟社會發展對自然資本存量的依賴度高于對資本流量的占用水平,當下自然資本存量已成為陜西省發展的主要支撐。

3.2.3 陜西省1995—2015年資本流量占用率和存量流量利用比

根據公式(10)、(11)計算得出1995-2015年陜西省資本流量占用率和存量流量利用比(表5)。

表5 陜西省1995—2015年資本流量占用率和存量流量利用比Tab.5 The utilization ratio of capital flow utilization and stock Flow in Shaanxi Province from 1995 to 2015

從表5中可以看出,陜西省1995—2015年資本流量占用率總體呈增長趨勢,其中增速最明顯的時段為2010—2015年,在2005—2010年間資本流量占用率有所下降,到2015年達到最高值99.745%,區域資本流量消耗殆盡;研究期內陜西省存量流量利用比在4～6間波動。水域的存量流量利用比較高是造成陜西省存量流量利用比偏高的重要原因。深居內陸水資源短缺的自然資源現狀,人口增長、城市化和工業化的加劇,能源利用效率較低,環境污染問題嚴重,經濟社會發展消耗了大量存量流量,改變現有的生產消費模式迫在眉睫。

3.3 陜西省三維生態足跡空間分析

2015年陜西省各市人均生態赤字(a)、足跡廣度(b)、足跡深度(c)、資本流量占用率(d)和存量流量利用比(e)見圖1。

2015年陜西省各市人均生態赤字由大到小分別為安康市、榆林市、西安市、漢中市、商洛市、渭南市、銅川市、咸陽市、寶雞市、延安市(圖1a)。其中延安市的人均生態赤字小于0,是區域唯一一個生態盈余的城市;安康市、榆林市、西安市、漢中市的生態赤字高于陜西省人均生態赤字,生態赤字一定程度上能夠反映區域經濟社會發展水平,經濟越發達的城市生態需求越大,榆林市、西安市GDP位于全省前列,生態赤字高于區域平均;安康市耕地生態足跡較高,是造成地區生態赤字偏高的主要原因。陜西省人均足跡廣度由大到小分別為寶雞市、銅川市、延安市、漢中市、咸陽市、榆林市、渭南市、安康市、西安市、商洛市(圖1b)。足跡廣度越高的地區可持續發展能力越高[18],商洛市、西安市、安康市足跡廣度較低,需加快轉變經濟發展方式,發展循環經濟,保障區域可持續發展。陜西省人均足跡深度由大到小分別為安康市、商洛市、西安市、漢中市、榆林市、延安市、渭南市、寶雞市、咸陽市、銅川市(圖1c),各市域足跡深度和足跡廣度大體呈逆向分布。足跡深度能夠反映地區對資本存量的消耗情況,安康市和商洛市足跡深度較高的主要原因是地區耕地足跡深度較高,西安市人多地少,生態需求量大,足跡深度高。資本流量占用率表征區域發展對自然資本流量的占用程度,資本流量占用率越高,區域發展對自然資本流量的利用度越高,陜西省資本流量占用率由大到小分別為渭南市、銅川市、榆林市、咸陽市、西安市、寶雞市、延安市、漢中市、安康市、商洛市(圖1d)。存量流量利用比表征區域發展過程中自然資本存量與自然資本流量間比值的大小,當自然資本流量消耗殆盡時,區域將占用存量流量維持經濟社會的發展,存量流量利用比越高,區域發展對自然資本存量的依賴度越高,陜西省存量流量利用比由大到小分別為安康市、商洛市、西安市、漢中市、榆林市、渭南市、延安市、寶雞市、咸陽市、銅川市(圖1e)。存量流量利用比與足跡深度基本保持一致。陜西省資本流量占用率較高且存量流量利用比也較高的為西安市和榆林市,資本流量占用率較低且存量流量利用比也較低的為寶雞市和延安市。

(a) 人均生態赤字; (b) 人均足跡廣度; (c) 人均足跡深度; (d) 資本流量占用率; (e) 存量流量利用比圖1 陜西省各市2015年三維生態足跡Fig.1 Three-dimensionalecological footprint of cities in Shaanxi Province in 2015

4 討論與結論

4.1 討 論

陜西省地處我國西北內陸,受自然環境和歷史因素影響,區域內部生態差異明顯,城市間經濟社會發展差距較大,因此在開展陜西省生態承載力評價研究時,應充分考慮區域自然特征和經濟社會現狀的特殊性?；诰庖蜃雍彤a量因子本地化基礎上計算得出的陜西省人均生態承載力呈正向增長變化,這與采用全國統一的均衡因子計算得出的陜西省人均生態承載力變化不符,但與郭曉娜等[13]基于改進生態足跡因子對陜西省人均生態承載力的核算結果一致,考慮到科學技術的增長、農業機械化的普及、人們日益增強的生態保護意識和不斷提高的水產養殖技術都有助于提高生物生產性用地承載力,因此區域人均生態承載力呈正向增長變化是合理的。本地化后的陜西省人均生態足跡相較傳統研究結果偏低,生態足跡和生態赤字雖仍在不斷增加,但生態承載力也有所增長,陜西省的可持續狀態并沒有以往學者估計的那么嚴峻。運用改進后的三維生態足跡模型計算得出的陜西省人均足跡深度、足跡廣度相較傳統結果偏小[19],能夠更好的追蹤陜西省自然資本動態變化及各市域自然資本利用方式的差異性,分析造成生態赤字的原因,深入客觀的評估區域可持續發展狀況,對陜西省發展提出針對性建議。

為了提升陜西省可持續發展水平,維護生態系統良性循環,建議從以下幾個方面加強政策引導與管制措施:1)土地利用方面,建議提高土地利用率,優化土地利用空間布局,對耕地實施集中化生產,提高耕地單位面積產量,合理規劃區域草地和林地利用方式,突出其生態保護效應,根據水產品生長周期,科學規劃淡水養殖,保障水產品產量穩步增長;2)能源消耗方面,建議開發利用可再生能源和清潔能源,減少煤炭石油的使用;3)人口方面,建議適度控制人口集中地區的人口數量,減少生態足跡的人口基數。逐步治理生態環境,減少生態壓力,提高生態承載力。

本文在研究過程中,區域均衡因子和產量因子依據我國土地一級類劃分標準進行計算,雖然結果不如二級類精確,但并不影響最終結論,在今后的工作中,將考慮采用土地二級類劃分標準,對陜西省及各市域均衡因子和產量因子進行計算。

4.2 結 論

1) 本地化后的均衡因子和產量因子一定程度上能夠反映陜西省各市域第一產業的發展狀況及自然特征,有助于科學認知地區生態承載的短板所在,提高區域生態足跡和生態承載力計算的準確性。

2) 陜西省1995—2015年人均生態足跡、生態承載力和生態赤字均呈正向增長變化,改進后的三維生態足跡計算結果相較傳統結果在數值上偏小;人均足跡廣度不斷增加,足跡深度在5～7浮動,表現為較低的足跡廣度和較高的足跡深度,區域資本流量占用率呈增長趨勢,存量流量利用比在4～6波動。這說明陜西省經濟社會發展對自然資本存量的依賴度高于對資本流量的占用水平,當下自然資本存量已成為陜西省發展的主要支撐。

3) 地理環境、歷史原因、資源本底和經濟發展水平等多種要素造成了陜西省不同市域自然資本利用方式的差異性。西安市、寶雞市、漢中市經濟社會發展快、人口集中,人均生態赤字和足跡深度較高,資本流量占用率低、存量流量利用比高,存量資本消耗量大。陜南地區的漢中市、安康市和商洛市糧食需求大于糧食產出,耕地壓力大,耕地人均生態赤字和足跡深度較高;延安市、榆林市是陜西省化石能源主產區,化石能源用地足跡深度較高;陜西省各市域林地足跡深度小于1,處于自發生長狀態,僅消耗流量資本即可滿足區域對林產品的需求;受區域位置和氣候影響,陜西省全境水域人均足跡深度較高,水域產出難以滿足實際需求,水域存量資本消耗較大,不利于區域可持續發展。