京津冀三維生態足跡演變趨勢及驅動因素

胡悅　王溧

摘要：生態足跡作為區域可持續性評估的重要方法，在基于國家公頃的基礎上，通過運用改進的三維生態足跡模型追蹤自然資本存量的消耗與自然資本流量的占用。對京津冀區域2005—2014年10年間的生態足跡狀況進行測度與分析，利用偏最小二乘回歸對3地生態足跡的驅動因子進行深入研究，以揭示生態足跡變化的原因。結果表明：京津冀3地耕地、水域、林地、草地、化石能源地以及建筑用地的生態承載力與足跡廣度均呈逐年下降的趨勢，足跡深度在2～5之間，都處在生態赤字階段，需要大量的存量資本來滿足資源需求，并且三大產業產值、城鎮居民人均消費水平對3地的生態足跡皆有顯著影響。

關鍵詞：京津翼區域;三維生態足跡;演變趨勢;驅動影響因素;偏最小二乘法;整體層面分析;地區層面分析

中圖分類號： X321文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）18-0309-05

收稿日期：2018-06-08

基金項目：國家大氣污染防治攻關聯合中心、中國環境科學研究院大氣重污染成因與治理攻關項目（編號：DQGG0201）;科技部水體污染控制與治理科技重大專項（編號：2018ZX07110）。

作者簡介：胡?悅（1961—），女，河北唐山人，博士，教授，主要從事環境管理與可持續發展、組織行為與人力資源管理研究。E-mail：124783599@qq.com。

通信作者：王?溧，碩士，主要從事環境管理與可持續發展研究。E-mail：862057264@qq.com。

我國十九大明確提出要加快生態文明體制改革，建設美麗中國。由此可見，著力解決環境問題，推進綠色發展已經刻不容緩。京津冀作為當前我國最重要的經濟增長極，其一體化已經上升為國家戰略。然而經濟快速發展的同時，生態環境超負荷也逐漸暴露出來，制約了其可持續發展。隨著社會的發展，經濟發展與環境之間的矛盾日益突顯，如何處理經濟發展與環境之間的關系已經成為當前亟待解決的問題，同時也成為當前學術界研究的焦點，在這種背景下，眾多的國內外學者進行了一系列的研究。生態足跡就是主要的成果之一，由加拿大生態經濟學家Ress教授提出的生態足跡作為一種衡量自然資本可持續利用的生物物理定量評價工具，得到了學術以及社會的一致認可[1-2]。

現階段關于生態足跡的研究主要集中在研究尺度、研究方法和研究領域這3個方面，其中的研究尺度又細分為全球尺度、國家尺度和區域尺度。在研究尺度上，McDonald等[3]、Haberl等[4]分別對新西蘭、奧地利的生態足跡進行了研究。謝高地等將生態足跡方法引入到對中國近25年的生態服務消耗的評估過程，揭示生態債務的本質，并提出有效的對策方法[5]。張可云等通過實證研究，將改進后的生態足跡模型對全國31個省（市、區）的生態足跡及生態承載力進行了比較，并深入討論區域間生態破壞轉移的問題[6]。楊屹等提出一種修正生態足跡模型，并利用修正后的生態足跡模型測算了2000—2012年陜西省生態足跡和生態承載力[7]。陳志江等通過實證研究的方式研究了北京1990—2003年北京市生態足跡的變化，發現北京市人均生態赤子與人口數量、GDP有明顯的相關性[8]。在研究方法上，由于傳統的生態足跡模型在區分流量資本與存量資本方面存在一定的局限性，不能明確地體現生態可持續性發展狀況[9]，Niccolucci等提出的三維生態足跡模型引入了足跡深度與足跡廣度指標來追蹤自然資本存量的消耗與自然資本流量的占用，為生態足跡方法的改進提供了新思路[10]。方愷等介紹并引進了三維模型的研究成果，對其研究所存在的不足進行了修正[11]。在研究領域上，生態足跡評估方法被擴展運用到旅游[12-13]、資源利用[14]、城市交通[15]、進出口貿易[16]等領域。

綜上所述，上述研究的研究尺度可以劃分為全球尺度、國家尺度和區域尺度，當前大多數研究對全球、國家尺度的研究較多，而對區域尺度的研究較少。此外，當前對于京津冀地區的生態研究相對較少，為數不多的研究也主要集中在生態足跡的測算與其足跡家族的補充，缺乏對于京津冀三維生態足跡演變趨勢及驅動因素方面的研究，鑒于此，本試驗從區域尺度的角度進行研究，選取京津冀區域作為所要研究的對象，運用改進的三維生態足跡模型對3地可持續性發展狀況進行分析，進而從整體層面與地區層面對其生態足跡的驅動影響因素進行分析。

1?研究區域與研究方法

1.1?研究區域概況

京津冀地區包括北京市、天津市以及河北省石家莊、唐山、保定、廊坊、秦皇島、張家口、承德、滄州、邯鄲、邢臺、衡水11個地級市，區域面積共21.8萬km2，占全國土地總面積的2.25%，常駐人口約為1.1億人，占全國總人口的8.08%，其位于113°27′～119°50′E、36°05′～42°40′N之間。地處華北平原北部，北靠燕山山脈，南面華北平原，西倚太行山，東臨渤海灣，西北和北面地勢較高，南面和東面地勢較低。當前區域經濟的快速發展使其面臨生態用地分布不均、水資源短缺以及環境質量較差等問題。城市化水平和人們生活水平不斷提高，使生態環境趨于惡化、人地之間的矛盾也逐漸突出，社會發展的不可持續性更加嚴峻。

1.2?數據來源

本研究主要計算生物資源與能源資源2類消費賬戶，其主要來源于年鑒統計資料，包括《北京統計年鑒》《天津統計年鑒》《河北統計年鑒》《中國統計年鑒》《中國能源統計年鑒》以及《中國農村統計年鑒》。其中，全國耕地的平均生產力直接采用《中國統計年鑒》數據，其他生物資源的全球平均產量與地類類型參考張宇鵬的研究成果[17]，均衡因子和產量因子則參考劉某承等研究成果[18]計算。京津冀生態足跡驅動因素分析中所需數據由3地相應各年份的統計年鑒整理和計算而來。

1.3?三維生態足跡的計算

傳統的生態足跡二維模型雖然承認自然資本對于可持續發展的重要性，但是其并沒有區別研究存量資本和流量資本，不能體現出存量資本恒定對于保持生態系統平衡的重要作用。從模型維度來看，三維模型是在二維模型的基礎上改進的，由生態承載力（內圓）和生態赤字（圓環）相加得到的圓面（圖1-a）轉變為由足跡廣度（底面）和足跡深度（柱高）相乘得到的圓柱體（圖1-b）。

由此，以下等式成立：

EF=BC+ED=EFdepth×EFsize。（1）

式中：EF、BC、ED分別表示生態足跡、生態承載力和生態赤字;EFdepth和EFsize分別表示足跡深度和足跡廣度。

改進的三維模型在足跡深度和廣度算法上也進行了改進：

EFdepth，region=1+∑ni=1max{EFi-BDi，0}∑ni=1BCi;（2）

EFsize，region=∑ni=1min{EFi，BCi}。（3）

式中：i代表耕地、草地、林地、水域、建筑用地和化石能源用地6類生態生產性土地;EFi、BCi分別代表第i地類的生態足跡和生態承載力;EFdepth，region、EFsize，region分別代表區域足跡深度和足跡廣度。

偏最小二乘回歸法（PLS）兼具主成分分析、典型相關分析和多元線性分析的優點，可以完美地處理變量間的多重共線性情況。PLS在提取成分時，一方面會考慮變量間的線性關系，一方面又會顧及到變量間的解釋水平。因此，該方法既能夠有效地解決共線性問題，又能夠保障模型的穩定性[19-20]。

2?結果與分析

2.1?生態足跡與生態承載力分析

2.1.1?時間序列變化分析

從圖2、圖3可見，2005—2014年10來河北省的人均生態足跡和人均生態承載力都是最大的，其次是天津，最低是北京。其中，河北省人均生態足跡約為天津的2倍、北京的4倍，而人均生態承載力約為天津的3倍、北京的4倍，這與各自的人口規模、資源消耗、土地面積和資源稟賦有很大關系。從其動態變化來看，2005—2014年這10年北京的人均生態足跡呈逐年下降的趨勢，從2005年的0.441 6 hm2下降到2014年的0.295 4 hm2，下降幅度為33.11%;天津的人均生態足跡則呈現出“減少—增加—減少”的趨勢，雖然2014年有小幅度上升，但整體趨勢還是下降的;河北省的人均生態足跡則呈現了“增加—減少—增加”的趨勢，整體態勢是上升的，但增長幅度較小。京津冀3地的人均生態承載力均呈現逐年下降的趨勢，且均在2014年達到最小值。北京、天津、河北3地人均生態承載力的變動區間分別為0.189 6～0.123 0、0.271 9～0.176 0、0.658 9～0.552 7 hm2，其中天津降幅最大，達到了35.27%，北京為35.13%，河北為16.12%。

2.1.2?地類組分構成分析

京津冀3地人均生態足跡演變的分析反映了其人均生態足跡絕對量的變化，為了弄清3地六大地類占有量在其人均生態足跡中的構成變化，選取2005、2008、2011、2014年作為代表年份，計算各地類在生態足跡中所占的比重，結果見圖4，京津冀3地各種地類的生態足跡比重結構大致相似。耕地和化石能源地均占據較大比重，對人均生態足跡的趨勢變動起決定性的作用;草地、林地、建筑用地所占比重相當，均在1%～4%范圍內浮動;水域比重最小，均不超過1%。3地林地和建筑用地的比重都呈現逐年上升趨勢，草地占比呈下降趨勢，水域比重趨于穩定。由于這4種地類所占比重較小，比重之和不足人均生態足跡的10%，所以對人均生態足跡的影響程度較小。因此，著重研究耕地生態足跡及化石能源地生態足跡的變動情況，結果見圖5。由圖5可知，在人均生態承載力的構成中，耕地和建筑用地占據較大比重，是影響生態承載力的主要因素，這與京津冀自身的生產方式及資源利用方式有密切的關系;其他4種地類則所占比重較小，其中水域、草地在3地人均生態承載力中占比極小，均不超過1%，變化幅度也極不明顯。林地生態承載力所占比重逐年增加，北京最大，達7.48%，河北次之，天津最低。由于化石能源地的土地面積取林地和草地兩者面積之和，因此其發展趨勢也同2個地類呈現出一致的特點，即所占比重逐年上升，且北京最大、河北次之、天津最低。

2.2?足跡廣度和足跡深度分析

從圖6可見，河北省的人均生態足跡廣度最大，天津次之，北京最小。這是因為足跡廣度在一定程度上與研究區域的可再生資源稟賦有密切關系，人均足跡廣度曲線與人均生態承載力曲線也存在某種契合。因此，面積廣闊、資源比較富足的河北省由于擁有較強的生態承載力而具有較高的足跡廣度，而北京、天津2地資源相對匱乏，人口卻十分密集，資本流動性較差，所以足跡廣度較低。并且京津冀3地的人均足跡廣度均呈現逐年下降的趨勢，其中北京從2005年的0.092 2 hm2下降到了2014年的0.067 6 hm2，降幅為26.68%;天津從0.162 0 hm2 下降到0.102 3 hm2，降幅為36.85%;河北從0.516 0 hm2 下降到0.442 8 hm2，降幅為14.19%。從足跡深度分析（圖7）來看，整體上天津的人均生態足跡深度最大，北京次之，河北最低。3地的人均足跡深度均在2～5之間變化，且一直大于1，這表明京津冀3地都處在生態赤字階段，須要依靠大量的存量資本來滿足資源消費需求和維持自身發展，而不僅僅是憑借流量資本的占用。其中，北京的人均生態足跡呈“增加—減少—增加”的趨勢波動變化，在2010年達到峰值3.066 1 hm2;天津、河北2地的人均足跡深度呈逐年上升的態勢，均在2014年達到峰值，分別為4.779 5、2.870 3 hm2，即為了滿足區域發展的需要，天津市和河北省需要的土地面積應為現有區域土地面積的4.779 5、2.870 3倍。

3?驅動因素研究

在參考國內外相關研究的基礎上，遵循指標選取的基本原則，且結合京津冀3地實際情況，本研究將三維生態足跡選為被解釋變量。解釋變量則考慮了人口、經濟、消費等各方面情況，建立了生態足跡影響因素指標體系[21-22]（表1）。

在建模之前，運用SPSS 18.0統計分析軟件，對京津冀3地13個自變量的相關性進行分析，得到的相關系數矩陣顯示，變量間有著很強的多重共線性。根據京津冀3地2005—2014年三維生態足跡及各年份驅動因子數據，運用SIMCA-P 11.5軟件分別構建北京、天津、河北3地的偏最小二乘模型。Rx2、Ry2分別展示PLS模型對驅動因素x及生態足跡y的解釋程度，Q2為交叉有效性系數，用來表征回歸模型的預測能力。根據表2可知，模型對于x和y的解釋能力分別為0.944和0.861，整體預測水平為0.85，滿足了高精度的要求，具有較強的可靠性。

為了能夠分析各驅動因素對京津冀3地各自生態足跡的影響，羅列出各個因素的變量投影重要性（variable importance in the projection，VIP）值，分別展示它們對因變量的影響程度（表3）。

從整體上來分析，由于京津冀3地各自的實際發展情況不同，不同驅動因素的作用也不一致。但從整體上看，三大產業產值、城鎮居民人均消費水平對3地的生態足跡皆有顯著影響，控制生態足跡應多從調整產業結構、能源結構以及優化消費結構著手。從分地區分析，影響北京生態足跡變動主要有2個方面：一方面是人口的快速增長使生物資源的需求加大;另一方面是在經濟總量不變的情況下，第三產業所占比重逐漸加大，使整體上所產生的生態足跡減小;天津市作為一座工業城市，對能源的消耗十分巨大且逐年增加，其化石能源生態足跡在總體生態足跡中所占比重最大。影響天津生態足跡變動最大的因素是第二產業產值和第三產業產值，因此以高耗能、高排放為支撐的第二產業產值是影響天津生態足跡變動的最主要因素;對于河北來說，對其生態足跡影響最大的前4個影響因素依次為城鎮居民人均消費支出、第一產業產值、能源消費以及社會消費品零售總額。隨著經濟以及城鎮化的發展，河北省城鎮居民人均消費支出保持逐年遞增的態勢，同時河北省作為一個人口與農業大省，非常依賴耕地，而耕地生態足跡又是影響河北省整體生態足跡的決定性因素，因此第一產業產值對河北省生態足跡有顯著的影響。

4?結論

通過對京津冀生態足跡的分析，其整體區域生態環境脆弱。各個地區所面臨的特殊環境壓力不可忽視，在京津冀一體化戰略下，必須協調好區域間的關系，堅持共同但有區別的責任原則、公平原則、各自能力原則。對京津冀3地實現生態可持續發展的對策建議是：發揮政府功能性作用，構建生態補償機制;調整產業布局，優化能源結構;促進公眾參與，達成生態共識，從而實現政府、企業和公眾共同參與。

4.1?構建生態補償機制——功能性政府

京津冀3地在自然資源和生態環境方面存在著相互依存和相互影響的關系。在生態環境問題上，更是牽一發而動全身，3地中任何一方都不可能明哲保身。生態足跡指標不僅能夠表征1個地區六大類土地的利用狀況，還可以定量評價該地區的資源利用效率、人口適度規模、居民生活水平等情況，其對制定區域生態可持續發展政策規劃有重要的指導作用。長期以來，河北在保障京津冀地區經濟發展、承接京津兩地的落后產能等方面作出了巨大貢獻。對此，京津冀須推行3地的生態共建共享，給予河北省一定的生態補償。在確定3地生態功能定位以及3地之間在生態環境方面的定量關系基礎上發揮政府監督作用，構建完善的生態補償機制。

4.2?優化新的能源結構——產業布局

目前，京津冀3地的產業結構存在著明顯的不均衡狀態。北京已經進入了后工業化階段，形成較為合理的“三二一”型產業結構;天津的產業結構是“二三一”型，正步入后工業化階段;河北省產業結構相對不合理，雖也屬于“二三一”型，但仍處于工業化中期，影響了京津冀3地產業對接及協調的進程。京津冀地區的能源消費占全國總量的10%以上，是我國重要的能源消費中心。因此，控制能源消耗量、調整能源結構勢在必行。一方面要減少能源，尤其是煤炭的排放量。應該通過推行煤電節能減排、升級改良措施，運用先進技術將城鄉間的燃煤鍋爐進行改造。另一方面通過加大科技投入，引進先進的技術和經驗，提高能源利用效率，降低單位GDP能耗，大力發展低消耗、零污染、無排放的新興產業。

4.3?提高生態承載力——土地利用

耕地作為影響生態足跡及生態承載力的關鍵性因素，應重視。京津冀地區土地利用方式以耕地為主、林地為輔，建設用地占用比重較大。首先，根據京津冀不同區域土地狀況，因地制宜，合理利用地域優勢，減少粗放利用和閑置浪費，在不增加土地面積的情況下，提高土地的生產能力。其次，嚴格保護優質耕地，穩定耕地面積，強化耕地質量，同時夯實現代農業發展基礎，提高農業科技含量，發展生態農業;最后，合理開發土地，提高土地生產能力。加強土地保護，防治土地污染，廣泛開展山水林田湖生態修復工作，持續開展退耕還林還草、風沙源治理、三北防護林等建設。

4.4?形成新的生態共識——公眾參與

生態足跡具有人口消費性特征，人口數量會對一個地區的生態足跡總量起到關鍵性作用，而人口的素質和消費質量則會影響到生態足跡的結構和水平。因此，控制人口數量、優化消費結構對于抑制生態足跡的增長具有重要作用。生態環境之所以出現危機，實質上是人與人之間的關系和人與自然之間的關系沒處理好。加強對公眾的意識培養，要以多方位、多形式、多層面宣傳生態文明知識、政策和法律法規，弘揚生態文化，共建生態文明社會。北京、天津2市文化氛圍較為濃厚，人們素質普遍較高，應帶動河北省生態文化意識的發展，做好3地協同宣傳教育，加強公眾的水資源保護、大氣污染和風沙防治措施的意識，構建生態文明示范區，落實到公眾生活，努力做好生態文明宣傳。

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