基于能值生態足跡與灰色預測模型的西藏可持續性評價

李文龍， 魏 巍*, 宋 瑜， 劉陳立， 蘇文亮， 許 靜， 朱高峰

(1. 草地農業生態系統國家重點實驗室， 蘭州大學草地農業科技學院， 甘肅 蘭州 730020；2. 蘭州財經大學農林經濟管理學院， 甘肅 蘭州 730020； 3. 蘭州大學資源環境學院， 甘肅 蘭州 730020)

可持續發展是實現人類社會長治久安的必要保障，但是隨著經濟社會的高速發展，我們賴以生存的生態系統不斷惡化，生態環境逐漸難以維持人類的發展[1]。為了實現環境與資源的可持續利用，促進人類社會的長遠發展，我們必須慎重考慮環境保護與經濟發展、當代利益與未來子孫福利之間的矛盾[2]。盡管一些早期的文獻，如增長的極限[3]、我們共同的未來[4]、世界觀察研究所的年度報告等在一定程度上提高了人們對環境現狀的認知，但是并沒有阻止環境惡化的趨勢。因此，我們必須對資源環境的可持續做出定量化評估，以便讓人們更清晰地明白資源與環境的狀況及其可供人類發展的空間。

迄今為止已有許多專家學者采用不同的方法對社會經濟系統的可持續進行了研究，如物質流分析法[5-6]、生態足跡法[7-9]、能值分析法[10-12]等，這些方法對量化可持續性、促進環境保護和節約資源方面做出了很大的貢獻，但有不足之處：1)物質流分析和生態足跡方法難以反映社會經濟系統中環境的整體性，也無法真實反映生態系統對經濟發展的貢獻[13]；2)傳統的生態足跡模型一般采用國際統一產量因子和均衡因子，且沒有考慮可再生土地、不可再生土地和低生物生產力土地，所以結論的有效性和可信度較低[14-15]。

為了彌補上述方法的不足，Zhao等[16]將能值轉換率和能值密度引入傳統生態足跡模型中，提出了能值生態足跡模型。該模型將人類活動所消耗的資源和產品數量直接轉換為對該資源和產品所蘊含的能量的消耗，這不僅可以讓不同性質的產品基于統一的單位進行比較，而且使得該模型在機理上更加適用于可持續發展的研究。由于生態系統中的各種產品和服務的太陽能值轉換率相對穩定，受時間和空間的限制較小，因此，能值生態足跡模型具有更為廣泛的適用性[17-18]。近年來，已被不斷應用于不同時間和空間尺度的可持續性評估，2014年高新才等[19]利用能值生態足跡方法評價了甘肅武威市可持續發展狀態；同年，Wu X F等[20]基于能值生態足跡模型評價了1種典型沼氣系統的可持續性；陳春鋒等[21]利用傳統生態足跡和能值生態足跡對黑龍江的可持續性進行了評價，發現能值生態足跡更符合現實情況。但是在現有的能值生態足跡研究中，大多是關于東中部地區可持續性的研究，缺乏對高寒地區可持續性的長時間段的連續性動態研究。青藏高原作為世界第三極，其可持續發展對于維護國家乃至世界的經濟、社會、生態安全具有重要意義。因此，本文利用改進的能值生態足跡模型，以西藏(青藏高原主體部分)為研究區，研究了該地區2005-2014年的可持續性，并采用灰色模型對研究區未來10年的可持續性進行預測。灰色模型(Grey Model)簡稱GM模型，由鄧聚龍[22]在1992年提出。該模型輸入數據少、建立模型方便、編程容易，且不用考慮原始序列的邏輯影響因子[23]，因此得到了廣泛的應用，2015年Xie N[25]等利用灰色預測模型和馬爾科夫模型模擬了中國2006-2011年的能源生產和消費，并預測了2015年和2020年的能源生產與消費的發展趨勢，2012年Pao H[24]等利用改進的灰色模型模擬了中國1980-2009年的二氧化碳排放量、能源消耗以及經濟增長的速度并預測了這三個變量在2011-2020年的結果。能值生態足跡模型與灰色預測模型均有其特有的優勢，本文綜合兩種方法研究了西藏現在以及未來的可持續發展狀態，以期為高寒地區的生態環境保護與資源可持續發展提供有益的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

西藏(78°25′～99°06′ E，26°50′～36°53′ N)位于中國西南邊疆，是青藏高原的主體部分，平均海拔在4 000 m以上。該地區北鄰新疆，東連四川，南與緬甸、印度、不丹、錫金、尼泊爾等國毗鄰，西與克什米爾地區接壤，東北緊靠青海，東南連接云南。行政上包括拉薩市、山南地區、日喀則地區、那曲地區、阿里地區、昌都地區等6區1市，占地面積廣闊，達122.84萬km2，約占全國總面積的1/8。西藏地勢高亢，有高原、盆地、峽谷、冰川等地貌類型，氣候屬于高原山地氣候，空氣稀薄，太陽輻射強，全區平均溫度在—2.8～11.9℃之間，年降水量在74.8 mm～901.5 mm之間，多夜雨，雨季主要分布在6-9月份，干濕季分明[26]。由于特殊的地理環境和氣候條件，西藏擁有眾多珍稀動植物，當地的生物種類豐富且極具特殊性，但生態環境十分脆弱[27]。因此，重視、加強當地的環境保護具有重要意義。

西藏是我國藏族居民最主要的聚居區，藏民數量達到人口總數的93.2%，其他少數民族占1.2%，漢族占到人口總數的5.6%。境內資源豐富，多種資源儲量(水資源、礦產資源、森林資源等)均位于全國前列[28]。高原農牧業為當地的傳統產業和基礎產業，地區經濟發展落后，2001年實施西部大開發戰略以來，西藏經濟發展速度加快。截止到2014年，生產總值達到921億元，形成了以優勢礦產業、民族手工業、藏醫藥業等為主體的特色產業體系，現代服務業也隨之興起，推動了該地區第三產業穩步發展。

圖1 研究區示意圖Fig.1 A diagram of the study area

1.2 數據來源及處理

本研究的統計數據來源于《西藏統計年鑒》和青藏高原科學數據中心(http://www.tpedatabase.cn/portal/index.jsp)，各種產品、資源的能值折算系數、太陽能值轉換率以及5種可再生資源的太陽能值轉換率參考Odum[29]、藍盛芳[30]、朱玉林[31]等的研究成果以及其他相關參考文獻[2,19,32-33]。研究區降雨量和平均風速數據利用ANUSPLIN軟件對青藏高原及其周邊地區的154個氣象臺站數據(來自中國氣象數據網(http://data.cma.cn/))進行插值生成[34-35]。研究區的數字高程數據來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)，地表的太陽輻射能是通過使用ArcGIS10.4軟件中的Area Solar Radiation工具對30 m×30 m分辨率的數字高程數據產品進行處理得到。

1.3 研究方法

1.3.1 能值生態足跡模型 能值是指一種流動或儲存的能量中所蘊含的另一種能量的量，通常以太陽能為標準來度量各種能量的能值。基于能值的生態足跡模型在2005年由Zhao等[16]提出。該模型將人類所消耗的各種資源通過能值轉換率轉化為太陽能值，然后利用能值密度折算成生物生產性土地面積，得出能值生態足跡[36]。本文對Zhao的能值生態足跡模型作出如下改進：1)計算能值生態足跡與能值生態承載力時，用區域能值密度代替了地球能值密度，以求反映研究區生態系統的真實承載力[37]；2)采用生產性生態足跡反映當地資源環境的壓力；3)在建設用地賬戶添加廢棄物數據。

1)能值生態足跡的計算公式如下：

(1)

公式(1)中，EF代表總生態足跡，ef代表人均生態足跡，N代表區域總人口，ai是第i種資源的人均生態足跡，ci是第i種資源的人均能值(sej)，p1是區域能值密度(sej·m-2·a-1)，即區域總能值/區域總面積。

計算區域總能值時，主要考慮太陽輻射能、雨水化學能、雨水勢能、風能和地球旋轉能這5種可再生資源[29]。但是同一性質的能量在計算時只取最大值。前四者均是太陽能的轉化形式，故以前四者之中的最大值與地球旋轉能之和作為區域總能值[38]。計算公式如下：

RE=SA×AR×RD×G

(2)

RP=SA×AR×RD×H×g

(3)

WE=SA×AD×k×WS3×
(362.25×24×3600s)

(4)

EF=SA×HF

(5)

公式(2)～(5)中，RE代表雨水化學能，SA代表研究區面積(m2)，AR是年降雨量(m·yr-1)，RD是雨水密度(kg·m-3)，G是吉布斯自由能(J·kg-1)，RP代表雨水勢能，H是云層平均海拔高度差(m)，g是重力加速度(m·s-2)，WE代表風能，AD是空氣密度(kg·m-3)，k是阻力系數，WS是平均風速(m·s-1)，EF代表地球旋轉能，HF是熱通量(J·m-2·a-1)。相關參數值見表1。

表1 可再生資源計算相關參數值Table 1 Parameters to calculate renewable resources

2)能值生態承載力

生態承載力是指在一定自然環境和社會經濟條件下，生物生產性土地的最大值。當能值生態承載力大于本地區的能值生態足跡時，區域處于可持續發展狀態，反之，區域不可持續。自然資源分為可再生資源與不可再生資源，生態承載力的計算只考慮可再生資源[16]，并扣除12%的生物多樣性保護面積。公式如下：

ec=(e/p1)×0.88

(6)

EC=N×ec

(7)

公式(6)～(7)中，EC代表總生態承載力，ec代表人均生態承載力，N是區域總人口，e是人均可再生資源能值(sej)，p1是區域能值密度(sej·m-2·a-1)。

1.3.2 灰色預測模型 通常用到的灰色模型主要有1階單變量模型GM(1,1)和1階多變量模型GM(1,N)。本文主要通過研究西藏及其各地級市2005-2014年的人均生態盈余量來預測2015-2024年的可持續發展狀態，故采用GM(1,1)模型。模型的建立過程如下：

1)假設需要預測的指標的原始數列為：X(0)={x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)}；

2)對原始數列進行一次累加生成：X(1)={x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n)}，

3)累減生成：X(0)(k)=X(1)(k)-X(1)(k-1)；

4)建立GM(1,1)模型：

微分方程

(8)

對于已知系數的微分方程(8)求解，得出

(9)

(10)

5)后驗差檢驗：

(11)

小誤差概率：

(12)

表2 后驗差檢驗標準Table 2 The after test rule

2 結果與分析

2.1 能值生態足跡模型結果分析

2.1.1 生態承載力與生態足跡趨勢分析 2005-2014年西藏的人均生態承載力持續降低，從2005年的38.30 hm2減少到2014年的33.81 hm2。人均生態足跡不斷上升，總體上從6.83 hm2增加到11.59 hm2(圖2)。從2010年開始，西藏的人均生態足跡上升速度加快，5年間增加了3.60 hm2，增加量大約是前5年的4.29倍，表明人類對資源的消耗量不斷增加。10年間研究區的生態盈余空間不斷縮小，可持續能力不斷下降，但是人均生態足跡一直保持在人均生態承載力的范圍之內，當地環境仍然處于可持續發展的狀態。

圖2 西藏2005-2014年人均生態承載力和人均生態足跡Fig.2 Ecological carrying capacity per capita and ecological footprint per capita of Tibet

2.1.2 生態足跡指數分析 生態足跡指數由吳隆杰[39]在評估我國可持續發展狀況時提出，是指某區域的生態承載力與生態足跡的差值在生態承載力中所占的比值，表現了該區域為今后所保留的可持續發展能力的百分比。公式如下：

EFI=(EC-EF)/EC×100%

(13)

陳成忠等[40]根據EFI將區域的可持續發展狀態劃分為4個等級：當0

2005-2014年西藏的生態足跡指數呈下降趨勢，2005-2010年緩慢下降，5年間平均每年減少0.66%，2010-2014年快速下降，平均每年下降2.38%，是前5年年均下降率的3.61倍(圖3)。根據陳成忠等[40]對可持續發展狀態的分級，可以看出西藏的生態足跡指數仍然保持在65%以上，處于強可持續發展狀態。

圖3 西藏2005-2014年生態足跡指數Fig.3 Ecological footprint index of Tibet from 2005 to 2014

2.1.3 萬元GDP生態足跡分析 萬元GDP生態足跡是指某一區域每創造1萬元GDP所耗費的生態足跡。該指標可以反映研究區的資源利用效率，值越大說明資源的利用率越低[41-42]。公式如下：

WEF=區域人均生態足跡/區域人均GDP

(14)

在2005-2014年間，西藏的萬元GDP生態足跡呈現下降的趨勢，但是2010年之前的下降速率明顯高于2010-2014年的下降速率(圖4)。萬元GDP生態足跡的減少說明該地區每生產1萬元GDP時所耗費的資源量減少，即資源利用效率有所提高。

圖4 西藏2005-2014年萬元GDP生態足跡Fig.4 Ecological footprint of ten thousand yuan GDP in Tibet from 2005 to 2014

2.1.4 生態足跡多樣性分析 生態足跡多樣性指數是指在總生態足跡的基礎上，分別計算出6種土地類型(耕地、林地、草地、水域、能源用地、建筑用地)的生態足跡，然后利用Shannon-Weaver公式計算出結果[43]。

H=-∑(Pi×lnPi)

(15)

公式(15)中，H代表生態足跡多樣性指數，Pi代表第i種土地類型的生態足跡在總生態足跡中所占的比例，i是六大類生物生產性土地，lnPi是不同土地類型生態足跡的分配狀況。生態足跡在不同土地類型中的分配越均勻，說明該生態系統的多樣性越高，可持續性也就越強[44]。

2005-2014年間西藏的生態足跡多樣性指數不斷下降，2005-2010年下降趨勢緩慢，5年共減少了0.03，但是2010年之后快速下降，減少量達到了0.14(圖5所示)。但是總體上來說，西藏的生態足跡多樣性指數水平較低，生態足跡分配不平衡，年際變動較小，產業結構仍以放牧業為主，沒有明顯的改善與升級。

圖5 西藏2005-2014年生態足跡多樣性指數Fig.5 Ecological footprint diversity index of Tibet from 2005 to 2014

2.1.5 發展能力分析 采用Ulanowicz公式計算[45]，公式如下：

D=ef×H

(16)

公式(16)中，D代表發展能力指數，ef代表研究區人均生態足跡，H為生態足跡多樣性指數。

2005-2014年西藏的發展能力指數呈上升的趨勢，從2005年的8.04增加到了2014年的11.58(圖6)，說明西藏的社會經濟發展能力處于上升的狀態。但由發展能力指數的公式可知，發展能力與生態足跡、生態足跡多樣性指數呈正相關關系。從上文分析可知，西藏的生態足跡多樣性指數不斷減少，生態足跡不斷增加，故西藏發展能力提高的主要貢獻因素為生態足跡的增加。且通過觀察西藏的生態足跡和發展能力指數的曲線，可以發現兩者趨勢極為相似，所以西藏社會經濟發展能力的增強是以地區資源消耗為代價的。

圖6 西藏2005-2014年發展能力指數Fig.6 Development capacity index of Tibet from 2005 to 2014

2.2 各地級市可持續發展狀態分析

由于自然資源和經濟活動分布的不均勻性，西藏各個地級市的可持續性存在差別。為了使研究結果更加切合實際，本研究對各個地級市的生態足跡指數進行了分析(圖7)。從圖7可以看出拉薩市一直處于不可持續的狀態，且不可持續的狀態持續加深，日喀則、那曲、阿里和林芝地區10年間一直處于強可持續狀態，山南地區在2008年由強可持續轉變為弱可持續狀態，2010年又變為強可持續狀態，主要是因為這年該地區降雨量增加，生態承載力提高；昌都從2013年進入弱可持續。但是各地級市的生態足跡指數整體上處于下降的趨勢，說明整個西藏的可持續性不斷降低。

圖7 西藏各地級市2005-2014年可持續狀態Fig.7 The sustainability of Tibetan prefecture-level cities from 2005 to 2014

2.3 未來可持續性預測

通過計算公式(8)～(12)，得出西藏及其各地級市的GM(1,1)預測模型(表3)。通過后驗差檢驗，發現C均小于0.35，P=1，所以GM(1,1)預測模型的精度較高，結果可靠。對于西藏整體來說，未來10年的人均生態盈余量不斷減少，2024年將比2005年減少50%以上；對于各地級市來說，拉薩市人均生態赤字不斷擴大，到2024年將達到—290.94 hm2·人—1；其他地區的人均生態盈余量均有不同程度的下降，其中山南地區下降幅度最大，達到68.18%，阿里地區下降幅度最小，為23.18%。

表3 西藏及其各地級市2015-2024年人均生態盈余預測表Table 3 Prediction results of ecological surplus per capita of Tibet and its prefecture-level cities from 2015 to 2024

3 討論

本文運用改進的能值生態足跡模型，評價西藏資源與環境的可持續性，結果表明西藏的人均生態承載力呈現下降的趨勢，人均生態足跡不斷提高，但是西藏的承載力整體水平較高，可以完全覆蓋當地人類經濟活動帶來的壓力。這與安寶晟[46]、方廣玲等[47]的研究結果一致，但其人均生態足跡與人均生態承載力的數值遠小于本研究計算結果，主要是因為傳統的生態足跡方法采用全球平均生產力與均衡因子，缺乏對區域特殊性的考慮。西藏的生態足跡指數不斷下降，但在2005-2014年間一直維持在65%以上，說明西藏的資源環境可持續性較強[40]。這是因為西藏地理位置特殊，氣候獨特，生態系統完善，環境呈現出很大的原生態特征[27]，區域承載能力較高。境內資源消耗型企業數量少，截止到2014年全區僅有763家工業企業，54.91%以上都是輕工業，對環境的破壞程度較低；當地畜牧業較為發達，牧業產值占農林牧漁業總產值的50%左右，地區經濟發展對資源環境的干擾較小；再加上西藏平均每平方公里僅有2.59人，因此區域能值生態足跡較低。但是在2005-2014年間，西藏的人口增長率達到13.29%，GDP增長率為207.11%，遠超于環境的承載范圍；而且當地旅游業發展迅速，旅游收入10年間翻了五番，這雖然促進了當地經濟水平的提高，但導致當地資源環境過度利用，區域生態足跡上升。另外，青藏高原地區的降水量在1965-2015年間整體呈現上升趨勢，傾向率為7.81 mm·(10a)-1，氣溫升幅為0.53 ℃·(10a)-1[48]，雖然有利于延長植被的生長季，增加牧草產量，但也間接地導致草地載畜量增加，超載放牧現象嚴重，加快了草地退化速度[49-50]。綜上，在社會經濟因素和環境因素的共同作用下，西藏的生態承載力不斷下降、能值生態足跡不斷提高，生態盈余空間不斷縮小。

生態足跡多樣性指數不斷下降，但是變動較小，一直維持在較低的水平，說明當地的生態足跡分布不均衡，且較為單一，以集約化的單一牧業為主的產業結構并沒有得到太大的改變，當地居民仍以牧業為主要謀生方式，隨著人口和家畜數量的增加，草地承受的壓力不斷加大，草地出現不同程度的退化，這也進一步解釋了西藏生態承載力降低的原因。不斷增加的萬元GDP生態足跡說明西藏的資源利用率不斷提高，這與索朗央拉的研究結果一致[51]。但是西藏的萬元GDP生態足跡仍高于較發達地區[41-42]乃至全國水平[52]。考慮到資源分布不均衡的情況，分析了各地級市的可持續性，發現西藏日喀則、那曲、阿里和林芝地區在2005-2014年間一直處于強可持續狀態，其他地區在隨后的發展中進入弱可持續狀態，拉薩則一直處于不可持續狀態，且在2009年變為嚴重不可持續。這是因為拉薩作為西藏行政首府，經濟比其他地區發達，工業發展較快，隨著拉薩對外開放程度的提高，旅游業已成為當地經濟和社會發展的支柱產業[53]，旅游人口的急劇增加，導致自然環境破壞嚴重，生態赤字較高。通過對西藏及其地級市2015-2024年可持續的預測，發現西藏及各地級市的可持續性不斷降低，拉薩市不可持續程度加劇。且運用后驗差檢驗方法對GM(1,1)模型預測結果進行檢驗，發現模型預測精度較好，結果可靠，對高寒地區可持續性預測具有應用價值。

4 結論

2005-2014年，西藏及其各地級市的可持續狀態不斷惡化，2015-2024年其可持續性持續降低，拉薩逐漸變為嚴重不可持續狀態。這與前人的研究結果一致。在本文中，西藏的人均生態足跡與生態承載力較高，是因為基于等時間間隔的能值生態足跡方法受到的地域異質性的約束較小。為了保證西藏的生態安全和經濟的可持續性，需要大力發展以可再生資源為主的生態經濟模式，利用地區自然資源優勢，發展地區經濟。同時注重提高資源利用率，節約資源、保護環境。加大退牧(耕)還草(林)、草原生態補獎政策的實施，通過生態移民有效調節區域人口密度，保證當地的可持續性。