基于凈初級生產力模型的福州市能源生態足跡和生態承載力研究

摘要?生態足跡是研究區域可持續狀況的常用方法。分別采用傳統生態足跡模型和加入凈初級生產力改進的模型，計算福州市2011—2017年化石能源地生態足跡，并對2組結果進行了比較分析。同時，采用凈初級生產力改進模型計算福州市2011—2017年的化石能源地生態承載力和生態盈余。結果表明，2011—2017年，傳統模型計算的福州市人均化石能源地生態足跡由1.281 hm2減少到0.978 hm2，凈初級生產力模型計算的人均化石能源地生態足跡由0.456 hm2減少到0.408 hm2。2種模型的計算結果整體變化趨勢較為一致，但年變化速率和具體構成份額都存在差別。福州市2011—2017年的人均化石能源地生態承載力呈下降趨勢，從2.873 hm2減少到2.681 hm2。在人均化石能源地生態承載力的構成中，水域近海和林地占85%以上。福州市化石能源地的生態盈余在逐漸減少，區域可持續狀況不樂觀。

關鍵詞?生態足跡，生態承載力，化石能源地，凈初級生產力，福州市

中圖分類號?S181文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2020）06-0064-04

Abstract?Ecological footprint was a common method to study regional sustainable development. By applying the traditional model and the net primary productivity（NPPEEF） model， the ecological footprint of fossil energy land of Fuzhou City from 2011 to 2017 were calculated， and the results between the two models were compared and analyzed.At the same time， the NPPEEF model was used to calculate the ecological carrying capacity and ecological surplus of fossil energy sources in Fuzhou City from 2011 to 2017.The results showed that， from 2011-2017， the ecological footprint of fossil energy land per capita decreased from 1.281 hm2 to 0.978 hm2 by the traditional model， while the ecological footprint of fossil energy land per capita decreased from 0.456 hm2 to 0.408 hm2 by NPPEEF model.The results of the two models were consistent in the overall trend of change， but the annual rate of change and the proportion of composition were different. During 2011 to 2017， the ecological carrying capacity of fossil energy land decreased from 2.873 hm2 to 2.681 hm2. In the composition of the ecological carrying capacity of per capita fossil energy sources， the offshore waters and forest land account for more than 85%. The ecological surplus of fossil energy land of Fuzhou was gradually decreasing， and the regional sustainability is not optimistic.

Key words?Ecological footprint，Ecological carrying capacity，Fossil energy land，Net primary productivity，Fuzhou City

由加拿大生態經濟學家William Rees首先提出的生態足跡法[1]，是已知常用于評價區域可持續狀態的方法之一。在各國學者對生態足跡和生態承載力研究中，化石能源地生態足跡和承載力是受到重視卻又頗具爭議的重要組成部分。化石能源地生態足跡和承載力計算方法，能直接影響生態足跡計算結果的精確程度，以及區域可持續發展評價結論是否準確有效。近年來，應用生態足跡模型對單類土地進行的研究越來越多，研究區域也從國家尺度向區域、省甚至單個城市等更小尺度發展。一些國內外學者選擇區域綜合碳吸收能力為著眼點，用實際生物生產力取代潛在生物生產力表征碳吸收能力，研究化石能源地生態足跡和承載力，如Venetoulis等[2]將凈初級生產力（net primary productivity， NPP） 加入和改進生態足跡模型，計算各類型生態系統的碳吸收能力、各類土地的均衡因子，并計算生態足跡。國內也涌現了一些基于NPP改進生態足跡及其參數的研究，如王紅旗等[3]運用基于NPP的生態足跡法探討了內蒙古的均衡因子、產量因子和生態足跡，湯榕珺等[4]評估了蘇州市吳中區生態狀況 ，魯鳳等[5]計算了江蘇省生態足跡模型中的參數，周寧[6]從時空動態變化的角度研究重慶市的生態承載力等。

在已有研究基礎上，筆者從碳吸收角度入手，運用基于NPP的改進生態足跡模型及生態承載力計算模型，對福州市2011—2017年的化石能源地生態足跡（以下簡稱能源足跡）和化石能源地生態承載力（以下簡稱能源生態承載力）進行動態分析，豐富和深化區域生態可持續狀態的研究內容。

1?研究方法

1.1?基于傳統模型的能源足跡計算方法?參考《國家生態足跡賬戶計算基本方法和框架（2011版）》計算能源足跡，所用的計算模型和所選取的各項相關參數都出自其中[7-9]。計算公式如下：

式中，EEF為區域能源足跡，N為區域總人口數，eef為人均能源足跡，Qi為第i種能源消費量，n為能源消費種類數，ki為第i種能源的折算系數，pi為第i種能源的全球平均足跡。

1.2?基于NPP模型的能源足跡計算方法

1.2.1?基本原理。

基于NPP模型認同傳統模型2個基本假設，即：可以確定區域消耗的絕大多數能源及其產生的廢棄物種類和數量，這些能源消費量和廢棄物產生量能被換算成生物生產性土地面積[9-10]。由于各種類型的土地可以同時具有生產生物產品和碳吸收等多種功能，基于NPP模型計算區域碳吸收總量時注意到了這一點，因此，采用區域各類型生物生產性土地面積和對應的各類生態系統的NPP計算碳吸收總量[9-10]，然后算出經過土地利用變化調整的區域NPP，進而算出區域能源足跡，它可以解釋為吸收能源消耗產生CO2的土地面積。

1.2.2?計算方法。

將研究區域內各類生物生產性土地面積、對應類型生態系統的NPP以及各類土地總面積計算后得到區域NPP。計算公式為：

式中，NPP為區域平均凈初級生產力，NPPj為第j類生物生產性土地生態系統的凈初級生產力，Aj為第j類生物生產性土地面積，m為生物生產性土地類型數。該研究采用區域各類生物生產性土地生態系統NPP的全球平均值（表1）進行計算，以便于國際對比。

能源消費量經過燃燒熱值系數和碳排放系數折算成區域碳排放量，對比區域NPP值，得出區域能源足跡[2，7，9-11]。計算公式為：

1.3?基于NPP的能源生態承載力計算模型

1.3.1?基本原理。

基于NPP的能源生態承載力計算和傳統模型一樣是基于碳吸收轉化思想，增加了碳吸收的土地類型，計算區域所能提供的用于碳吸收的土地面積上限[12-13]。由于土地碳吸收功能往往會隨著土地類型的不同、區域或者時間變化而變化。因此，在生態承載力計算模型中加入了表征土地碳吸收能力時空差異特征的NPP，用于將能源生態承載力計算結果調整為具有全球平均NPP便于在區域間橫向比較的土地面積。

1.3.2?均衡因子和能源轉換因子計算。用公式（2）將全球各類型生物生產性土地面積數據和對應的各類生態系統的全球平均NPP（表1）代入，可求得全球NPP，然后分別用各類土地生態系統的全球平均NPP與全球NPP算出該類土地的均衡因子rj[12-13]，數值如表1所示。計算公式為：

式中，rj為第j類生物生產性土地均衡因子，NPPj，glo為第j類生物生產性土地全球平均凈初級生產力，NPPglo為全球凈初級生產力。

能源轉換因子cffel的計算公式如下[12-13]：

1.3.3?能源生態承載力計算公式。

各類生物生產性土地面積經過均衡因子以及能源轉換因子換算成具有全球平均NPP的土地面積[12-13]，具體計算公式為：

2?研究區域與數據來源

2.1?研究區域概況?福州市為福建省省會，位于福建省東部沿海，共有6 個市轄區、1 個縣級市、6 個縣，全市總面積12 251 km2，海岸線長1 137 km。2017年常住人口766萬（含平潭）。福州市是我國（福建）自由貿易試驗區三片區之一，是“海上絲綢之路”的永久會址，經濟增速快，2017年實現地區生產總值7 086 億元[14]。

2.2?研究數據來源?計算福州市能源足跡所選取的能源消費類型包括原煤、焦炭、原油、汽油、柴油、煤油、燃料油、液化石油氣、電力和天然氣共10 項（新能源占比低，統計資料不甚完備，故不在統計范圍內），原始消費數據來自《福州統計年鑒》[14]。計算能源生態承載力所涉及的福州市各類生物生產性土地類型包括耕地、林地、草地、建設用地、近海和水域、遠海和低生產力地，基礎數據來自《第二次全國土地調查主要數據成果公報》的數據成果[15]和《福州統計年鑒》[14]。

3?數據計算與分析

3.1?能源足跡

將數據代入公式（1），采用傳統模型計算福州市2011—2017年人均能源足跡，結果見表2。將數據代入公式（2）、（3），采用基于NPP模型計算福州市2011—2017年人均能源足跡，結果見表3。基于2種模型計算的人均能源足跡結構分析見圖1和圖2。

由表2可知，傳統模型計算的福州市2011—2017年人均能源足跡數值雖在2013年和2017年都比之前一年有所上升，但7年內總體下降，從2011年的1.281 hm2下降到2017年的0.978 hm2，下降了23.7%，在2016年達到7年間的最低值0.794 hm2。

由表3可知，基于NPP模型計算的福州市2011—2017年人均能源足跡數值起伏不大，總體亦平緩下降，從2011年的0.456 hm2下降到2017年的0.408 hm2，下降了10.5%，在2016年達到7年間的最低值0.347 hm2。

由表2～3可見，2種模型計算出的能源足跡變化趨勢一致，除了總體下降幅度不同，在每年的變化速率上也存在差別，如下降最明顯的3年的年降幅，2012年分別為14.0%和9.0%，2015年分別為18.4%和14.0%，2016年分別為14.9%和9.2%，而兩者的最大增幅都出現在2017年，分別為23.2%和17.6%。可見，基于NPP模型計算的能源足跡計算結果變動幅度更緩和。

對比分析能源足跡的組成結構，基于2種模型的計算結果都是電力足跡明顯上升，汽油足跡也略有上升，其余各成分足跡都在下降，尤其原煤足跡下降最多（圖1～2）。兩組能源足跡結構比例中，原煤、焦炭足跡之和（可以歸為煤炭類足跡）所占比例皆為最大，原油、柴油、汽油、燃料油、煤油、液化石油氣足跡之和（可以歸為石油類足跡）居于次位，電力足跡位于第3，天然氣足跡居于末位。而能源足跡組成結構的不同點在于，各組分占比數值有較明顯不同，煤炭類足跡差別相當明顯，基于NPP模型的計算結果比傳統模型的低了近32百分點。電力足跡差異也很大，基于NPP模型的計算結果約為傳統模型的6 倍。基于傳統模型和基于NPP模型的計算基礎和方法有所不同，尤其是后者在計算電力足跡時，先將電力耗能用平均熱值換算成與之相當的原煤消耗量，再按原煤足跡進行計算，這種計算方法，修正了傳統模型存在的部分誤差，使得電力足跡數值能更準確反映實際狀況。

3.2?能源生態承載力

將數據代入公式（5）、（6），運用基于NPP模型，計算得到福州市2011—2017年人均能源生態承載力，并將其與同樣基于NPP模型計算的能源足跡相比，得出生態盈余，具體見圖3，分析福州市2011—2017年人均能源生態承載力組成結構，具體見圖4。

圖3表明，福州市2011-2017年人均能源生態承載力緩慢勻速下降，從2011年的2.873 hm2減少到2017年的2.681 hm2，減少了6.7%。說明福州市區域生態系統碳吸收能力以及生態環境承受能源消費的能力在逐漸削弱。

由圖4可見，2011—2017年，福州市人均能源生態承載力構成比例數值大小順序保持不變，居于前3的土地類型是水域近海、林地和耕地，尤其是水域近海和林地2項比例之和，每年都超過85%。這種構成比例是由于福州地處福建東部沿海，天然的大陸架漁場面積大，區域資源稟賦決定了當前的生態承載力構成狀況。

基于NPP模型計算的福州市2011-2017年每年的人均能源足跡，基本保持在同年能源生態承載力的15%左右，說明在研究期間化石能源地存在較大生態盈余，區域碳吸收能力可以支撐能源消費。同時，能源足跡和能源生態承載力都逐年下降，但是后者下降的數值更多，這就導致生態盈余持續減少，表明區域生態狀況正往不可持續方向發展。

4?結論與建議

4.1?結論

基于傳統模型和NPP模型計算出的福州市2011—2017年人均能源足跡逐年下降，這是福州市近年來節能減排措施政策的逐步推廣、能源消耗降低產生的效果。基于NPP模型計算出的能源足跡，不僅與區域能源消費情況有關，還與區域土地利用結構以及各類生態系統的碳吸收能力密切相關，因此計算結果比傳統模型計算結果數值低，且偏低的幅度和區域NPP值的高低有關。從計算公式可看出，若區域NPP值較高，計算結果與傳統模型的相差較大，反之，則計算結果的相差較小。福州市目前的林地面積和近海水域面積占總面積比例較大，這2種土地類型都屬于高NPP生態系統，在此基礎上計算得出的區域NPP值較高，所以，基于NPP模型的能源足跡數值比傳統模型的計算結果減少較多。

分別對基于2種模型計算出的福州市2011—2017年人均能源足跡進行結構分析，煤炭類足跡和石油類足跡所占比例居于第一、二位，這說明目前福州市能源結構依然是以不可再生資源為主。但同樣可以看到，在研究期間，電力足跡上升最多，而原煤足跡下降最多，這在一定程度上是福州市整體能源結構調整的結果。

對福州市2011—2017年能源生態承載力的研究表明，人均能源生態承載力總體呈下降趨勢，部分原因是福州市城鎮化進程加速，導致低NPP類型土地面積擴張，高NPP類型土地面積減少。在福州市人均能源生態承載力結構中，所占比例最高的土地類型是近海水域和林地。福州市2011—2017年的化石能源地始終存在生態盈余，但生態盈余數值在逐漸減少，表明能源消費對當地生態環境的影響正增大，生態狀況正往不可持續的方向發展。

4.2?建議

根據目前福州市的能源足跡和能源承載力狀況，建議采取以下措施改善區域生態可持續狀況：

首先，進一步加強產業政策的引導，繼續推廣低碳環保新能源的使用，提升其使用行業范圍，擴大其使用比例，降低社會對不可再生資源的依賴。依靠技術升級和科技革新改造傳統產業，逐步降低單位GDP能源足跡。

其次，努力優化生活能源消費結構，提倡綠色出行、綠色生活，減少生活能源消費量，鼓勵能源節約型社會消費習慣，降低生活能源足跡。

最后，改善土地利用方式，合理保護和充分發揮自然植被的碳吸收能力，進一步保持和提升區域能源生態承載力。

參考文獻

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