基于生態足跡的沿海城市可持續發展能力評價及預測分析
——以江蘇鹽城為例

朱高立, 饒芳萍， 李發志， 鄒 偉

(1.南京財經大學 公共管理學院, 南京 210023; 2.南京農業大學 公共管理學院, 南京 210095)

中國經濟的快速發展和城鎮化率的迅速提升使得經濟、資源、環境間的矛盾日益突出，如何協調三者間的矛盾，實現區域經濟與生態環境的可持續發展已經成為全社會亟待解決的問題。實現城市可持續發展的要求是在保證城市社會經濟正常發展的前提下，城市生態環境所受到的破壞可以被控制在合理范圍內[1]。生態足跡模型最早由Rees提出，其主要作用是定量測算人類活動對生態系統的壓力[2]。依托其科學完善的理論基礎，生態足跡方法在國內外學術界得到了廣泛應用，這主要表現在以下幾個方面：第一，研究尺度由早年的城市[3]、地區[4]、國家[5]、全球[6]等大尺度逐漸向學校[7]、家庭[8]等小尺度演進。第二，嘗試著將研究區域細分，從地理學的角度考察不同經緯度地區的生態足跡變化狀況，有學者如吉力力·阿不都外力等[9]利用生態足跡壓力指數模型分析了亞洲內陸四國的生態安全狀態；另一些學者如袁仲杰等[10]研究了沿海地區旅游資源開發規模的評估方法，并評估了大連旅順的沿海旅游資源；楊木壯等[11]研究發現，與珠三角同等內陸城市肇慶相比，作為沿海城市的汕頭生態足跡相對較低，但生態赤字相對較高。第三，近年來，國內外學者通過不斷補充完善以往的生態足跡方法，逐漸將其研究領域由土地拓展到旅游[12]、水資源[13]、能源消費[14]、建筑[15]等各個方面。其中，在旅游生態足跡研究方面，國內學者甄翌等[16]將生態足跡分為可轉移、不可轉移兩類，并提出了根生態盈余/赤字的概念；在水資源生態足跡研究方面，王儉等[17]構建了由生活用水、生產用水、公共服務用水和生態用水4類賬戶組成的水資源生態足跡核算模型；在碳生態足跡研究方面，張清等[18]定量分析了中國能源碳足跡生態壓力的動態變化。第四，從研究方法的改進與評價[19-21]等方面對生態足跡相關問題進行了深入系統的研究。第五，一些學者還就可持續發展與生態足跡的關系進行了研究，例如李翔[22]以長株潭為對象，分析了生態承載力和可持續發展的辯證關系；王云霞[23]理論分析了生態承載力和可持續發展之間的關系；韋曉宏[24]將生態承載力與可持續經濟發展研究有機結合起來，對生態承載力的理論基礎、定量模式和時間動態模型進行了系統的綜合性研究。

通過對國內外相關研究的梳理可以發現，以往研究大部分以靜態為主，對生態足跡動態變化過程關注較少，且對沿海地區未來可持續發展能力的預測研究不多。因此，本文以地處江蘇沿海的鹽城市為例，通過生態足跡模型測算鹽城市2005—2018年的生態足跡動態變化情況，并引入生態足跡多樣性指數與生態系統發展能力對測算結果進行補充，最后預測鹽城市未來10 a的生態可持續發展狀況。本研究旨在為鹽城市制定可持續發展方案提供理論支持。

1 研究區概況

鹽城市地處江蘇省中東部，長江三角洲北翼，位于32°34′—34°28′N，119°27′—120°54′E，市域面積1.7萬km2。2018年，鹽城市戶籍人口826.15萬人，人均地區生產總值75 987元，人均可支配收入29 488元，其中，城鎮常住居民人均可支配收入35 896元，人均消費支出19 731元，農村常住居民人均可支配收入20 357元，人均消費支出14 515元。自然資源消耗量和生產生活廢棄物增加累積的諸多負面效應已經成為鹽城市區域可持續發展的主要障礙。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本文采用的生物資源消費、能源資源消費和各類土地面積數據來源于《鹽城統計年鑒》。

2.2 研究方法

2.2.1 生態足跡模型 生態足跡模型的應用需要兩個步驟：首先，計算出人口的自然資源消費量和吸納這些人口產生的廢棄物所需的生物生產性土地面積；其次，需要將各類資源消費和能源消費項目折算為耕地、草地、林地、建筑用地、水域、化石能源用地等土地類型，詳細項目見表1。需要指出的是，由于不同生物生產性土地的生產力存在差異，在計算過程中，需要通過均衡化處理將不同類型的土地面積轉化為具有相同生產力的生物生產面積[25]。

本文的均衡因子來自《National Footprint Account》(2010)中的結果。由于江蘇省各區域自然條件差別不大，所以本文的產量因子采用包正君[26]，張佳琦[27]等在計算南京、蘇州生態足跡時所統一采用的產量因子。具體計算公式如下：

Ef=∑rjAi=∑rjCi/(YiN)

(1)

EF=Ef×N

(2)

式中:EF為總生態足跡(hm2)；Ef為人均生態足跡(hm2/人)；i為消費項目的類別；j為土地類型；Ai為第i種消費項目折算的人均生物生產性土地面積；rj為i類商品對應的土地類型j的均衡因子；Ci為i種生物資源的消費量；Yi為i種生物資源的世界平均產量(kg/hm2)；N為人口數。在計算能源消費項目的生態足跡時，需要通過轉化系數將不同的能源消費項目折算成化石能源用地面積，不同能源的折算系數如下：原煤為20.9 GJ/t，洗精煤為26.3 GJ/t，焦碳為28.5 GJ/t，原油為41.9 GJ/t，汽油為43.1 GJ/t，煤油為43.1 GJ/t，柴油為42.7 GJ/t，燃料油為50.2 GJ/t，液化石油氣為50.2 GJ/t，液化天然氣為51.5 GJ/t，天然氣為39.0 GJ/t，電力為0.003 6 kJ/(kW·h)。

表1 生態足跡賬戶類型

生態承載力為地區所能夠提供給人類所需的生物生產性土地面積，其計算公式如下：

Ec=∑ai×rj×yi(j=1,2,…,6)

(3)

EC=Ec×N

(4)

式中：Ec為人均生態承載力面積；EC為區域總生態承載力；ai為人均生物生產性土地面積；rj為均衡因子；yi為產量因子；N為人口數。計算結果應扣除12%的生物多樣性保護面積。

2.2.2 生態系統可持續發展評價 生態足跡模型的生態偏向性特征不能全面反映社會經濟與資源環境的關系，而且可能會忽略土地的多樣性功能及發展能力。為此，本文引入了生態足跡多樣性指數與生態系統發展能力等指標。其中，生態足跡多樣性指數主要用來描述區域內各種消費所需生物生產性土地面積的均衡程度[28]，不同地類生態足跡分配越平等表明生態經濟系統的多樣性越高。生態系統發展能力可以很好地反映區域生態經濟系統發展狀況，生態足跡多樣性指數越大，其能力越強。上述3種指標都可以用來衡量區域可持續發展水平，它們的綜合應用可以更加科學地評價區域生態系統可持續發展能力，增強區域土地可持續發展的對比性[29]。

(1) 生態足跡多樣性指數。生態足跡多樣性指數借鑒楊青等[30]的研究，計算公式為：

H=-∑(RilnRi)

(5)

式中:H為生態足跡多樣性指數;i為生物生產性土地類型;Ri為第i種土地類型足跡在總生態足跡中占有的比例。

(2) 生態系統發展能力。從系統組織角度推算出生態系統多樣性指數，然后將其乘以區域人均生態足跡就可以得出區域生態系統發展能力，具體可借鑒Ulanowicz[31]的研究，計算公式為：

C=Ef[-∑(RilnRi)]

(6)

式中:C為生態系統發展能力;Ef為地區人均生態足跡。

2.2.3 灰色預測GM(1，1)模型 灰色預測GM(1，1)模型是灰色系統理論的核心內容，主要用于預測系統行為特征值的變化。其分析步驟如下：首先通過部分已知數據，將抽象的信息量化后進行模型化，然后進行模型預測部分未知數據[32]，它具有不需要大量樣本、樣本無需規律分布、計算工作量小、定性定量分析結果一致、準確性高等優點。該方法現已被廣泛應用于工業、農業、物流等諸多領域。具體方法可參見相關文獻[33]。本文利用此方法模擬鹽城市2005—2018年的生態赤字和人均生態赤字變化，并對鹽城市未來10 a的生態赤字和人均生態赤字進行預測。數據的分析處理采用DPS 7.05軟件。

3 結果與分析

3.1 人均生態足跡動態變化

圖1為2005—2018年鹽城市各地類人均生態足跡變化圖。由圖1可知，2005—2018年，鹽城市各地類人均生態足跡整體上呈上升趨勢，這主要是由于區域經濟快速發展、人均資源消耗量增加、消費結構與產業結構發生調整等原因。具體分析，林地和建筑用地人均生態足跡隨時間的推進呈小幅度上升趨勢，14 a間變化不大；水域和耕地人均生態足跡隨時間的推進呈大幅度上升趨勢。以耕地為例，耕地的人均生態足跡以2012年為節點，在這之前上升趨勢明顯，之后趨于平緩。通過相關分析可以發現，鹽城耕地人均生態足跡與區域常住人口呈極顯著負相關，這說明人口變化顯著影響區域耕地人均生態足跡；草地人均生態足跡的變化處于波動狀態，2005—2008年呈下降趨勢，2008—2012年呈快速上升趨勢，2012—2018年上升趨勢趨于平緩；化石能源用地人均生態足跡在2014年以前雖然出現波動，但起伏變化不大，在2014年以后，該地類人均生態足跡呈快速上升趨勢，這可能與該地區經濟發展水平有關。通過對區域化石能源用地的人均生態足跡與區域GDP進行相關性分析可以發現，兩者之間呈極顯著正相關，從而間接印證了本文的推斷。由圖1還可以發現，水域是鹽城市人均生態足跡的主要貢獻者，其中，2018年的水域人均生態足跡占總足跡的40%。

圖1 2005-2018年鹽城市各地類人均生態足跡動態變化

3.2 人均生態承載力和生態赤字(盈余)動態變化

圖2為2005—2018年鹽城市不同地類的人均生態承載力變化圖。由圖2可知，耕地、草地、林地和建筑用地的人均生態承載力14 a間整體呈上升趨勢，這得益于生產效率的提高。其中，耕地人均生態承載力從2005年的0.41 hm2上升到2018年的0.48 hm2，草地人均生態承載力從2005年的2.5×10-5hm2上升到2018年的1.6×10-4hm2，林地人均生態承載力從2005年的1.4×10-2hm2上升到2018年的5.2×10-2hm2，建筑用地人均生態承載力從2005年的0.12 hm2上升到2018年的0.16 hm2。與上述土地類型不同，水域的人均生態承載力從2005年的3.9×10-2hm2下降到2018年的3.6×10-2hm2，14 a間整體呈下降趨勢，這可能與水域面積的減少，水產品養殖結構的調整有關。從結構上看，耕地的人均生態承載力比重維持在66%～71%，這表明耕地是保障區域可持續發展的關鍵要素，應加強對耕地資源的保護。

圖3為2005—2018年不同地類的人均生態盈余(赤字)變化圖。可以發現，耕地、草地、水域和化石能源用地14 a間一直處于生態赤字狀態，且赤字水平呈逐年上升趨勢。具體分析，耕地人均赤字從2005年的0.40 hm2上升到2018年的0.73 hm2，草地人均赤字從2005年的0.57 hm2上升到2018年的0.76 hm2，水域人均赤字從2005年的1.27 hm2上升到2018年的1.98 hm2，化石能源用地人均赤字從2005年的0.37 hm2上升到2018年的0.95 hm2。從結構上看，水域人均赤字所占比重較大，2005—2018年維持在47%～56%，耕地、草地和化石能源用地人均赤字所占比重大致相當，維持在14%～23%。與上述4種土地類型處于生態赤字狀況不同，林地和建筑用地14 a間一直處于生態盈余狀態，且盈余水平呈上升趨勢，其中，林地人均盈余從2005年的8.4×10-3hm2上升到2018年的2.8×10-2hm2，建筑用地人均盈余從2005年的0.11 hm2上升到2018年的0.12 hm2，這兩種土地類型可以滿足區域經濟發展的需求。

圖2 2005-2018年人均生態承載力

圖3 2005-2018年人均生態赤字(盈余)

3.3 總生態足跡、生態承載力、生態赤字動態變化

由圖4可知，2005—2018年間，鹽城市總生態足跡與生態赤字變化趨勢相對一致，整體上呈上升趨勢。具體分析，2005年，鹽城市的生態足跡為3.07×107hm2，生態赤字為2.57×107hm2，2018年鹽城市的生態足跡為5.00×107hm2，生態赤字為4.35×107hm2，2018年鹽城市的生態足跡和生態赤字分別為2005年的1.63，1.69倍。另外，相比較生態足跡與生態赤字的快速上升，2005—2018年鹽城市生態承載力處于緩慢上升趨勢，從2005年的5.1×106hm2上升到2018年的6.4×106hm2，原因可能是作為江蘇的欠發達地區，鹽城市對外來人口的吸引力不足，加上本地人口外流等原因，使得鹽城市人口增加的速度小于資源與能源耗損的速度。

圖4 鹽城市總生態足跡、生態承載力、生態赤字(盈余)動態變化

需要指出的是，雖然鹽城市14 a來生態承載力略有上升，但僅增加了25%，明顯低于生態足跡的63%和生態赤字的69%。2005年鹽城市的生態足跡是生態承載力的6.1倍，到了2018年，鹽城市的生態足跡增加到了生態承載力的7.8倍，這表明該年鹽城市常住居民所消費的資源需要7.8個鹽城市地域面積來提供，這已經遠超出其生態承載力的范圍。

3.4 生態系統發展評價

圖5為鹽城市2005—2018年生態足跡多樣性指數與生態系統發展能力對比圖。可以發現，鹽城市生態足跡多樣性指數14 a來基本保持穩定，這說明該段時間內不同土地類型無較大變化，區域生態足跡構成沒有逐漸趨于平衡，未來需要通過土地利用結構的調整、產業結構的優化等手段不斷優化區域足跡的構成。生態系統發展能力整體上呈上升趨勢，從2005年的4.03增加到2018年的6.86，14 a間增加了70%，主要原因是人均生態足跡需求的增加，尤其是耕地、草地、水域和化石能源用地的人均生態足跡的增加所導致的區域自然資源的供需失衡，使得區域對外部資源的依賴程度顯著提高。需要指出的是，雖然適度增加生態足跡的需求可以提高生態系統的利用率，但這樣做的前提是存在生態盈余，如果現階段區域處于生態赤字狀態，則此種方法不適用。此時，需要通過提高生態足跡多樣性指數來增加生態系統的發展能力。

圖5 2005-2018年鹽城市生態系統發展評價指標對比

3.5 生態赤字與人均生態赤字發展趨勢預測

生態赤字為生態足跡與生態承載力之間的差值。本文通過利用灰色預測GM(1，1)模型對鹽城市2005—2018年的生態赤字和人均生態赤字變化進行了模擬，模擬方程如下：

ED(t+1)=427786788.331616e0.048006t-

406261140.331616

(7)

EDP(t+1)=45.147294e0.058500t-42.451770

(8)

方程(7)為生態赤字模擬方程，方程(8)是人均生態赤字模擬方程。式中：ED為總生態赤字；EDP為人均生態赤字；t為時間。灰色模型誤差檢驗結果見表2，可以發現，除個別年份以外，大部分年份的相對誤差都在5%以下。利用模型自帶的評價指標對新構建的模型進行評價：C=0.4238好，p=0.8889好；人均生態赤字模型評價：C=0.3393很好，p=0.8889好。由此可以認為，建立的兩個模型精度較高，可以用來進行預測。

表2 鹽城市生態赤字與人均生態赤字擬合與誤差檢驗

為進一步驗證模型的可靠性，計算得到2019年鹽城市的實際生態赤字為4.05×107hm2，人均生態赤字為4.95 hm2，實際值與預測值的相對誤差較小，滿足要求。

生態環境保護、技術改造、消費模式改變等因素可能會導致生態承載力的提升及生態足跡的下降，使得生態赤字未如預期那樣變化，因此本文進行預測的假設前提是區域沒有大的市場波動及政策性變化，在此情況下，灰色系統模型可以較為準確的預測鹽城市未來生態赤字的變化趨勢。鹽城市2019—2028年的生態赤字與人均生態赤字的預測值見表3。由表3可知，如果不改變鹽城市的消費模式與土地利用方式，其生態赤字與人均生態赤字將繼續呈擴大態勢，區域不可持續狀況將越發嚴重。預測到2028年，鹽城市生態赤字相較2018年增長44.6%，人均生態赤字增長49.2%，總生態赤字的增長將大大增加鹽城市生物生產性土地的負荷。

表3 鹽城市生態赤字與人均生態赤字預測

4 討論與結論

4.1 討 論

(1) 6類用地類型中水域生態足跡對足跡增長貢獻率最大，原因可能是國內經濟的持續增長使得個人收入增加，居民對水產品的需求量大幅增加，鹽城作為省內外水產品的重要供應地，水產品生產量增加迅速；水域的人均生態承載力整體呈下降趨勢，原因可能是人類活動導致的水域面積的縮小。

(2) 鹽城市生態足跡整體上呈逐年上升趨勢，增長的主要原因是良好的區位條件，較好的經濟發展基礎，中央和地方政府的政策扶持所帶來的本地區經濟的快速發展以及居民消費能力的上升。鹽城市的生態赤字隨著時間的推移逐年擴大，這說明當年鹽城市需要通過消耗大量的能源資源來彌補生態承載力的不足，社會可持續發展能力較弱。研究認為如果不改變現有的發展模式，鹽城市的生態赤字與人均生態赤字將繼續保持增長態勢，未來鹽城市的不可持續發展狀況將越來越嚴重。

研究認為實現區域的可持續發展應該從減少生態足跡、提高生態承載力和生態足跡多樣性指數三方面著手。在減少生態足跡方面，一方面可以將其納入到各級政府的考核目標之中，作為政府相關部門和主要負責人考評時的重點項；另一方面大力支持生產性服務業，如金融業、環境管理行業、信息技術行業的發展，這些行業的發展不僅可以降低資源消耗量，還可以促進產業價值鏈的升級，有利于生態足跡的降低。在提高生態承載力方面，可以通過改造傳統產業，推廣節能環保技術，積極開發清潔新能源，構建生態產業體系來實現。在提升生態足跡多樣性指數方面，可以通過增加土地利用類型，提高低占比地類、降低高占比地類的生態足跡來實現，就鹽城市而言，其林地、建筑用地的生態足跡占比較小，而水域占比較大，因此提高林地及建筑用地的比重，降低水域比重是增加鹽城市生態足跡多樣性的重要措施。

4.2 結 論

(1) 2005—2018年間鹽城林地和建筑用地人均生態足跡基本保持穩定，耕地、草地、水域和化石能源用地呈上升趨勢；6類用地類型中，水域生態足跡對足跡增長貢獻率最大；(2) 不同用地類型中，耕地、草地、林地和建筑用地的人均生態承載力14 a間整體上呈上升趨勢，但水域的人均生態承載力整體呈下降趨勢;(3) 鹽城市生態足跡多樣性指數14 a來變化幅度較小，生態系統發展能力整體上呈上升趨勢;(4) 鹽城市生態足跡整體上呈逐年上升趨勢，2005—2018年，地區總生態足跡增長了1.93×107hm2。

需要指出的是，本文在計算鹽城市人均生態足跡時可能會存在一些偏差，這主要體現在以下兩個方面：(1) 由于數據資料來源受限，在計算資源和能源消費時未包含兩者消費額中的貿易部分；(2) 在計算生態足跡時未覆蓋全部自然資本類型。盡管如此，本文仍然可以在宏觀上對鹽城市的可持續發展現狀進行合理評判，并為鹽城市可持續發展方案的制定提供理論支持。