基于改進生態足跡因子的長株潭地區可持續發展

郭榮中, 申海建, 楊敏華

(1.長沙環境保護職業技術學院, 長沙 410004; 2.湖南省測繪科技研究所,長沙 410004; 3.中南大學 地球科學與信息物理學院, 長沙 410083)

當今社會可持續發展理念已經得到了廣泛共識，各國都積極致力于可持續發展的量化研究中，其中20世紀90年代提出的生態足跡模型能很好的應用于可持續性發展的定量分析中。國外學者在理論[1]和應用[2-5]方面展開了大量的研究，深刻認識到保護環境的根本目的在于確保人類持續發展。國內學者基于生態足跡模型[6]分別從國家[7-8]、省域[9-12]、城市[13-16]等不同尺度對區域可持續發展進行了實證研究。研究表明，通過生態足跡與生態承載力的對比，可以確定區域對生態價值的消費程度。同時基于可持續發展觀，探討人們如何在生態系統承載力范圍內高質量地生活，同時為其他生物留有健康的生存空間，可以評價生活質量發展水平和人類消費對生態系統需求的關系，定量判斷某一區域目前可持續發展的狀態。本文以長株潭地區為研究對象，為了充分體現地域特色，對生態足跡因子進行改進，對生態足跡計算的關鍵參數(均衡因子和產量因子)進行本地化修正。在對產量因子的修正上，根據本地區不同類型作物產量因子加權計算出了耕地的產量因子，并首次采用長株潭地區2002—2014年13 a耕地產量因子的算術平均數做為調整系數，在劉某承等[17]的研究基礎上，同比修正長株潭地區區域內草地、林地、建筑用地、水域、CO2吸收的產量因子。在確定研究區域均衡因子時，直接采用劉某承等[18]的研究成果應用于生態足跡的計算中。并結合萬元GDP生態足跡、生態適度人口、生態足跡利用效率、生態可持續指數對長株潭地區近13 a的可持續發展情況進行分析與評價，反映在經濟發展的背景下研究區域資源的供需變化情況，以期為政府制定相關政策提供科學依據。

研究基礎數據主要來源于2003—2015年的《湖南統計年鑒》、《湖南農村統計年鑒》。

1 研究區概況

長株潭地區位于湖南省中東部丘陵區，下轄3個地級市，共12個市轄區，4個縣級市，7個縣。2014年，長株潭地區生產總值11 735.39億元，經濟總量占全省比重超過四成，人均地區生產總值83 317元，固定資產投資8 776.20億元，地方財政收入959.56億元，農林牧漁業總產值956.03億元，規模以上工業總值15 387.54億元，社會消費品零售總額4 361.22億元，城市化水平65.99%。

2 研究方法

2.1 生態足跡

在計算生態足跡時，由于每一類土地類型的生產力不同，將各種類型的生物生產性土地面積乘以一個相應的均衡因子。首先是計算各類消費帳戶的人均生態足跡(Ai)。計算公式為：

Ai=Ci/Yi=(Pi+Ii-Ei)/(Yi×N)

(1)

式中：i為消費項目的類型；N為人口數；Yi和Ci分別為第i種消費項目的世界平均產量和當地的人均消費量；Pi，Ii，Ei分別為年生產量、年進口量、年出口量。

區域人均生態足跡(ef)的計算公式：

ef=∑riAi=∑ri(Pi+Ii-Ei)i/(Yi×N)

(2)

式中：ri為均衡因子，本文均衡因子直接采用劉某承等[18]的研究成果，即農地、林地、畜牧地、漁業水域、建筑用地、能源用地分別取值1.32，0.82，0.71，0.56，1.32，0.82。

區域總人口的生態足跡(EF)計算公式：

EF=N×(ef)

(3)

式中：N為人口數。

2.2 生態承載力

在計算生態承載力時，為不同區域同類生物生產性土地面積可進行對比，將其面積乘以一個相應的產量因子。區域人均生態承載力(ec)的計算公式：

ec=∑Cj=∑aj×rj×yj

(4)

式中：Cj為第j種消費項目的人均生態承載力分量；aj為人均生物生產面積；yj為產量因子；rj同上。

區域總生態承載力(EC)的計算公式：

EC=N×(ec)

(5)

式中：N為人口數。

在對生態足跡模型產量因子的修正上，本文通過不同類型作物產量因子加權計算得耕地的產量因子實現研究區域耕地的產量因子修正。2014年長株潭地區耕地產量因子計算結果見表1，最終確定2014年度耕地產量因子為2.164 5。

采用上述產量因子計算方法，分別計算出長株潭地區2002—2013年年度耕地產量因子參數，最終取13 a算術平均數2.180 4為長株潭地區耕地產量因子，調整系數為1.524 8，詳見表2。

結合劉某承等[17]的研究成果，即湖南省耕地、草地、林地、建筑用地、水域、CO2吸收的產量因子分別取值1.43，3.00，1.10，1.43，3.00，0.00。同時以表2計算出的長株潭地區耕地調整系數(2.180 4/1.43=1.524 8)為基準，同比將長株潭地區區域內草地、林地、建筑用地、水域、CO2吸收的產量因子同步修正為4.574 4，1.677 3，2.180 4，4.574 4，0.000 0，修正結果詳見表3。

2.3 生態盈余/赤字

生態盈余/赤字是指生態足跡與生態承載力之差，計算公式如下：

ED=EF-EC=N×(ef-ec)

(6)

式中：EF，EC，N，ef，ec的含義同前。

若ED<0，就出現生態赤字；ED>0，則表現為生態盈余。

表1 2014年長株潭地區耕地產量因子

表2 2002-2014年長株潭地區耕地產量因子

表3 長株潭地區產量因子

2.4 區域可持續發展評價

為了全面評價長株潭地區的生態可持續發展程度，本文引入了以下評價指標。

2.4.1 萬元GDP生態足跡 萬元GDP生態足跡可以表明單位面積生物生產性土地的產出率的高低。其計算公式為：

eg=ef/(GDP/N)

(7)

式中：ef，N的含義同前。

2.4.2 生態適度人口 生態適度人口是指在一定的條件下區域能夠維持生態系統正常運轉的人口數量。其計算公式為：

P=N×(ec/ef)

(8)

式中：ec，ef，N的含義同前。

2.4.3 生態足跡利用效率 生態足跡利用效率是指在單位生態足跡下產生的經濟量。其計算公式為：

EE=GDP/EF×100%

(9)

式中：EF的含義同前。

2.4.4 生態可持續指數 生態可持續指數(ESI)用來反映區域生態可持續利用的程度。計算公式為：

ESI=EC/(EC+EF)

(10)

式中：EF，EC的含義同前。0

本文通過征詢專家意見，將可持續發展程度分為6個等級[19]，具體劃分標準見表4。

表4 生態可持續指數分級表

2.5 灰色GM(1,1)模型

本文利用灰色GM(1,1)模型[20]，對長株潭地區的生態狀況進行預測，即：

(11)

(12)

式中：e為常量，其值為2.718 28；t為預測時間。

3 結果與分析

3.1 長株潭地區2002-2014年生態足跡和生態承載力動態變化

根據式(3)和式(5) ，計算出長株潭地區2002—2014年生態足跡和生態承載力動態變化，結果詳見表5。由表5可知：長株潭地區生態足跡由2002年的2 120.50萬hm2逐年增加到2014年3 181.29萬hm2；同期生態承載力由554.57萬hm2逐年持續上升到560.40萬hm2。其中湘潭市生態足跡增加最多，由2002年的681.41萬hm2逐年增加到2014年1 110.12萬hm2，長沙市的生態承載力上升最多，由2002年的235.66萬hm2逐年持續上升到2014年的240.06萬hm2。研究期間，長株潭地區生態足跡呈上升發展趨勢，生態承載力呈水平波動發展趨勢。

3.2 可利用生態承載力和生態赤字動態變化

根據式(6)，結合長株潭地區研究期間人口統計數據，可以計算出長株潭地區2002—2014年可利用生態承載力和生態赤字動態變化，結果詳見表6。

表5 長株潭地區2002-2014年生態足跡及生態承載力

表6 長株潭地區2002-2014年可利用生態承載力和生態赤字

注：可利用生態承載力是指生態承載力扣除了要預留的12%的生物多樣性保護用地后的值。

由表6可知：長株潭地區可利用生態承載力由2002年的488.02萬hm2逐年增加到2014年493.15萬hm2；同期生態赤字由-1 632.48萬hm2逐年持續下降到-2 688.14萬hm2。其中長沙市可利用生態承載力增加最多，由2002年的207.38萬hm2逐年增加到2014年211.25萬hm2，湘潭市生態赤字下降最多，由2002年的-586.04萬hm2逐年持續下降到2014年的-1 014.75萬hm2。研究期間，長株潭地區可利用生態承載力呈水平波動狀態，生態赤字呈持續增加發展趨勢。

3.3 長株潭地區可持續發展評價

3.3.1 萬元GDP生態足跡評價 運用表5中長株潭地區2002—2014年生態足跡數據和GDP數據，根據式(7) ，計算出長株潭地區2002—2014年的萬元GDP生態足跡，結果詳見表7。

表7 長株潭地區萬元GDP生態足跡

萬元GDP生態足跡可以間接反映研究區域的資源利用效率，由表7可以看出，2002—2014年長株潭地區的萬元GDP生態足跡呈現逐漸下降的趨勢，由2002年的1.434 1 hm2/萬元減少到2014年的0.271 1 hm2/萬元。其中湘潭市減少最多，由2002年的2.597 9 hm2/萬元減少到2014年的0.664 2 hm2/萬元。這說明長株潭地區的資源利用方式已由粗放型逐漸集約型轉變，由消耗型逐漸向節約型轉變，產業結構得到了一定程度的優化。

3.3.2 生態適度人口 根據式(8)，運用長株潭地區2002—2014年人口規模、人均生態足跡和人均生態承載力數據，計算出長株潭地區2002—2014年生態適度人口，結果詳見表8。由表8可知，2002—2014年長株潭地區的實際人口規模持續上升，人口增加主要集中在省會長沙市。同期生態適度人口呈現逐漸下降的趨勢，由2002年的326.82萬人減少到2014年的248.12萬人。其中株洲市下降最多，由2002年的129.74萬人減少到2014年的94.13萬人。

表8 長株潭地區生態適度人口

3.3.3 生態足跡利用效率和生態可持續發展指數 根據式(9)和式(10)，運用長株潭地區2002—2014年GDP和生態足跡數據，計算出長株潭地區2002—2014年生態足跡利用效率和生態可持續指數，結果詳見表9。由表9可知，2002—2014年長株潭地區的生態足跡利用效率呈現逐漸快速上升的趨勢，由2002年的0.70%增加到2014年的3.69%。其中長沙市上升最快，由2002年的1.00%增加到2014年的6.34%。

由表9可知，長株潭地區的生態可持續指數呈前期下降，后期平穩波動趨勢，ESI指數具體由2002年0.207 3下降到2007年的0.151 6，之后一直呈平穩波動狀態，到2014年ESI指數下降到0.149 8。對比表4的生態可持續分級表可以看出，2002年研究區域處于中等不可持續狀態，2003年已經下降為強不可持續狀態，2008—2014年未持續惡化，呈平穩波動態勢。

其中長沙市ESI指數由2002年的0.214 4下降為2014年的0.160 9；株洲市ESI指數由2002年的0.267 8下降為2014年的0.205 6；湘潭市ESI指數由2002年的0.137 2下降為2014年的0.088 9。當地政府應該積極采取措施加大生態環境保護力度，走可持續發展道路。

表9 長株潭地區生態足跡利用效率和生態可持續發展指數

3.4 長株潭地區生態足跡的預測分析

以2002—2014年長株潭地區人均生態足跡、人均可利用生態承載力為基礎，利用灰色GM(1,1)模型即式(11)和式(12)，預測研究區域2017—2026年生態赤字狀況，預測模型見表10。

表10 長株潭地區生態足跡預測模型

通過計算相對誤差來檢驗預測模型的精度，相對誤差越小，表示精度越高。由表10可知，人均生態足跡、人均可利用生態承載力、人均生態承載力的相對誤差值分別為0.32%，0.20%，0.20%，這表明預測模型可信度高。同時，為了進一步驗證預測模型的準確性，本文將通過預測模型計算出來的2014年的人均生態足跡、人均生態承載力、人均可利用生態承載力與實際值進行比較，并計算出相對誤差，見表11。計算結果表明，相對誤差均小于5%，模型通過檢驗。

根據表10中的預測模型預測長株潭地區2017—2026年生態狀況，預測結果見表12，到2026年人均生態足跡達到2.652 9 hm2，人均可利用生態承載力為0.312 3 hm2，生態赤字由期初的-2.097 7 hm2持續上升到期末的-2.340 6 hm2。由此可見，必須采取一系列有效的措施改善生態環境。

表11 2014年人均生態足跡與人均生態承載力模型值與實際值對比

表12 2017-2026年人均生態足跡與人均可利用生態承載力預測

4 討論與結論

4.1 討 論

生態足跡方法是基于土地面積的、最具代表性的可持續發展的量化指標，提供了一種直接的、可比的評價資源可持續利用的手段。本文實現了對生態足跡計算中關鍵參數的本地化修正，但是沒有深入對項目計算、賬戶擴展等方面的研究，從而影響了研究結果的指導意義。而且由于數據的可獲取性和統計年鑒的局限性，本文在計算生態足跡時，沒有考慮研究區域的貿易數據，影響了計算結果的準確性，需要在以后的工作中做進一步研究。

4.2 結 論

(1) 在2002—2014年，長株潭地區生態足跡由2002年的2 120.50萬hm2逐年增加到2014年3 181.29萬hm2；可利用生態承載力由2002年的488.02萬hm2逐年增加到2014年493.15萬hm2；同期生態赤字由-1 632.48萬hm2逐年持續增加到-2 688.14萬hm2。研究期間生態足跡一直存在生態赤字。

(2) 通過計算出長株潭地區2002—2014年萬元GDP生態足跡、生態適度人口、生態足跡利用效率和生態可持續指數等指標，對長株潭地區的可持續發展狀態進行評價。結果表明：2002—2014年長株潭地區的萬元GDP生態足跡和生態適度人口呈現逐漸下降的趨勢。生態足跡利用效率呈現逐漸快速上升的趨勢。生態可持續指數呈前期下降，后期平穩波動趨勢，ESI指數具體由2002年0.207 3下降到2007年的0.151 6，之后一直呈平穩波動狀態，到2014年ESI指數下降到0.149 8。由此可見研究期間研究區域已經由中等不可持續狀態向強不可持續狀態發展。

(3) 利用灰色GM(1,1)模型，對研究區域2017—2026年生態赤字情況進行預測。結果表明，該區域到2026年人均生態赤字將上升到-2.340 6 hm2。呼吁當地政府必須采取有效措施改善生態環境。