基于能值生態足跡的丘陵區生態安全變化態勢分析
——以江西省九江市為例

徐 玥，黃宏勝*，袁 剛

(1.江西農業大學，江西省鄱陽湖流域農業資源與生態重點實驗室，南昌 330045；2.江西農業大學國土資源與環境學院，南昌 330045)

隨著生態優先、綠色發展理念的深入，如何正確處理社會經濟發展與生態環境之間的關系，已成為生態文明建設與可持續發展的戰略問題。將人類社會的需求納入自然系統的生態承載范圍內，科學測度生態安全，避免出現生態赤字以實現區域綠色科學發展。生態足跡模型[1]是當前最有代表性的生態安全測度方法，將一定區域內的資源供給與人類生態需求進行比較，用以判斷該區域生態承載力是否超載。由于生態足跡模型精度較低且忽略了土地本身的動態變化與多功能性，其結果存在較大的不確定性，適用于精度要求較低的大尺度區域[2]。為克服生態足跡模型計算的不確定性，Zhao等[3]、Wang等[4]將生態足跡模型與能值理論相結合，引入區域能值密度及全球能值密度這兩個指標，改進后的能值生態足跡模型具有以下優點：①將能值轉換率作為量化的手段，可使結果統一度量；②能值生態足跡模型可將各種用途的生物生產性土地包含在內，具有更強的包容性；③能值生態足跡模型能夠表達土地利用的多功能性，引入能值轉換率后，可使得計算結果更加精確[5-8]。

近年來，能值生態足跡法被廣泛地運用到區域評價分析當中，對不同尺度的區域可持續發展進行研究。尚海龍等[9]、程麗等[10]分別運用能值生態足跡法定量評價了2007—2016年西藏牧區的能值生態足跡，結果表明西藏牧區的生態系統出現能值赤字，人均能值生態承載分布呈現穩定緩慢下降的趨勢，體現出西藏對能源開發與利用程度欠充分，處于較弱水平的不可持續發展狀態。易其國等[11]將綠色國內生產總值(green gross domestic product，GGDP)核算與能值生態足跡模型相結合，對貴州省的可持續發展水平進行評價分析，結果表明貴州省始終處于生態赤字狀態，且該省綠色GDP的增長速度遠遠低于GDP增長速度，這表明貴州省的發展主要依賴于消耗不可更新資源。Koiwanit等[12]對泰國家庭近十年碳生態足跡進行評估并對其可持續資源供應問題進行研究，分析了國家生態資源可持續應用的管理方法。

江西省作為國家生態文明試驗區，堅持綠色發展理念。九江市位于江西省北部，以丘陵地貌為主，面積約1.91×104km2，是長江兩大經濟開發帶與京九的交叉點。九江市作為江西省“綠水青山就是金山銀山”實踐創新基地，近些年加強生態環境保護、大力發展生態產業，在經濟發展和生態保護中取得了較大進展。當前生態安全研究多集中于生態脆弱地區和截面評價，而對生態文明試驗區生態安全的長期變化研究較少。鑒于此，基于能值生態足跡模型，測算出九江市的生態足跡和生態承載力，對九江市2007—2023年的生態安全態勢進行測度與預測，利用萬元GDP生態足跡等指標分析社會經濟發展中面臨的問題及成因，以探索區域可持續發展的綠色道路。

1 研究方法

1.1 數據來源

數據主要選取2008—2019年《九江市統計年鑒》《九江市國民經濟和社會發展公報》《九江市水資源公報》，能源的能值轉換系數參考藍盛芳等[13]編著的《生態經濟系統能值分析》。

1.2 能值生態足跡計算模型

能值生態足跡理論是將能值理論與生態足跡理論相結合，將不同類型、無法對比的能量轉化為統一單位的太陽能，再除以區域能值密度，轉換成具有生物生產力的土地面積，即能值生態足跡[14-15]。

1.2.1 人均能值生態足跡

人均能值生態足跡的計算公式[16-18]為

(1)

式(1)中：EF為人均能值生態足跡，hm2/cap；ai為第i種資源人均能值生態足跡，hm2/cap；ci為第i種資源人均能值，sej/cap；p2表示區域能值密度，sej/hm2，即區域可更新資源的年均總能值(sej)/區域土地面積。

1.2.2 人均能值生態承載力

自然資源可分為可更新資源與不可再生資源，隨著時間的推移，不可再生資源不斷被消耗殆盡，且相當長的一段時間內無法再生，因此對于人均生態承載力的計算暫且只考慮可更新資源，即太陽輻射能、雨水勢能、雨水化學能、風能和地球旋轉能[19]。同樣地利用平均能值密度將這5類可再生資源轉化為具有生物生產力的土地或水域面積，即可得到區域生態承載力。將各種資源的生態承載力除以區域總人口數，可得到人均區域生態承載力[20]，其計算公式為

EC=e/p2

(2)

式(2)中：EC為區域人均能值生態承載力，hm2/cap；e為可更新資源的人均太陽能值，sej/cap。

1.3 生態安全評價指標

1.3.1 生態赤字/盈虧

生態赤字/盈余是衡量區域可持續發展的重要指標，能值生態赤字/盈虧的計算公式為

ED=EC-EF

(3)

式(3)中：ED為能值生態赤字/盈余，hm2/cap。判斷差值ED的正負性，當差值為負時則稱為生態赤字，差值為零時即生態平衡，差值為正時稱為生態盈余。

1.3.2 生態壓力指數

生態壓力指數具體定義為：一定區域內單位能值生態承載面積上的能值生態足跡。其計算公式為

(4)

式(4)中：EFI為生態壓力指數。生態壓力指數的等級評價標準如表1所示[21-22]。

表1 生態壓力指數的等級評價標準Table 1 Evaluation standard of ecological pressure index

1.3.3 萬元GDP生態足跡

萬元GDP生態足跡用于反映區域資源的利用效益，是指產生每一萬元GDP所需要占用的生態足跡，即所需要占用的生態生產性土地的面積。其計算公式為

萬元GDP生態足跡=EF/GDP

(5)

式(5)中：GDP單位為萬元；萬元GDP生態足跡的數值與區域內資源利用率成反相關，即數值越大說明資源利用率越低，反之則表示資源利用率越高。

2 九江市能值生態足跡測算

2.1 人均能值生態足跡

九江市能值生態足跡的測算基于國內生產總值計算中的國土原則，即將地球上的土地主要分為：耕地、草地、林地、水域、化石能源用地以及建筑用地六大類具有生物生產力的土地[8,23-24]。根據九江市的實際情況，選出各類土地一系列的賬戶指標，如耕地生態系統中生態足跡的賬戶指標包括稻谷、小麥、玉米、大豆、紅薯、棉花、油菜籽油、花生油以及芝麻油。確定了各類土地的產出能量后結合能值轉換系數統一轉換成太陽能，從而進行數據間的分析。

從《九江市統計年鑒》中獲取各類不同種類、不同來源的賬戶指標的產量后，根據產量的能量轉換系數轉換成各類指標的原始能量，用能值轉換系數可將原始能量均轉換成統一的太陽能值。即：①能源/資源太陽能值=各類指標原始能量×能值轉換率；②各類指標的原始能量=各類指標產量×指標產量的能量轉換系數。這樣各類指標單位即統一化，便于后續進行定量計算分析。具體的產量的能量轉換系數以及能值轉換率如表2所示。

通過上述數據，將各類指標的不同類型以及不同等級的能量都換算成太陽能值，再利用區域能值密度計算可得對應的生物生產性土地的面積。

2.2 人均能值生態承載力

根據能值理論，將太陽輻射能、雨水勢能、雨水化學能、風能、地球旋轉這5類可更新資源都統一轉換成太陽能進行生態承載力的分析[25-27]，計算公式為

表2 各指標的產量的能量轉換系數及能值轉換率Table 2 The energy conversion coefficient and energy conversion rate of output of each index

(6)

式(6)中：太陽輻射能單位為J;區域面積單位為m2;太陽光平均輻射量單位為J/m2。

(7)

式(7)中：雨水勢能單位為J;年降雨量單位為m；面積單位為m2；密度單位為103kg/m2；重力加速度單位為9.8 m/s2；平均海拔高度單位為m。

(8)

式(8)中：雨水化學能單位：J；年降水量單位：m；面積單位：m2；密度單位：103kg/m3。

(9)

式(9)中：風能單位為J；面積單位為m2；空氣層平均高度為m；空氣密度單位為kg/m3；空氣比熱單位為kJ/(kg·K)；水平均溫度梯差單位為K；平均風速單位為m/s。

地球旋轉能=面積×熱通量

(10)

式(10)中：地球旋轉能單位為J；面積單位為m2；熱通量單位為J/m2,地質穩定的區域地球熱通量為1.45×106J/m2。

各種更新資源的太陽能值轉換率分別如下：太陽輻射能為1 sej/J、雨水勢能為8 888 sej/J、雨水化學能為15 444 sej/J、風能為663 sej/J、地球旋轉能為29 000 sej/J，計算九江市2007—2018年可更新資源的太陽能值，結果如表3所示。

表3 九江市2007—2018年可更新資源的太陽能值Table 3 Solar energy value of renewable resources in Jiujiang City from 2007 to 2018

從表3可以看出，太陽輻射能、風能和地球旋轉能在2007—2018年間數量基本不發生變化，雨水勢能以及雨水化學能都存在數量上的差異，這是由于不同年份的降水量不同而導致。在可更新資源中，除雨水勢能和化學能外，其他3種資源太陽能值幾乎不變，又由于這5類能值都是通過大陽光轉換而來，所以在計算的過程中，為了避免能量的重復計算，在此只選擇可更新資源中的最大值雨水化學能來進行區域能值生態承載力的計算[28]，計算結果如圖1所示。

根據圖1，九江市人均能值生態足跡從2007年5.00 hm2/cap上升至2018年7.27 hm2/cap。其中,2010—2012年人均能值生態足跡水平較低，這與九江市經濟發展水平相吻合。除了在2011年、2012年這兩年數值有所下降，由趨勢線可直觀感受到九江市人均能值生態足跡整體上呈現穩步上升的趨勢。

九江市除2011、2013年的區域人均生態承載力有波動外，在2007—2018年這11年內的區域人均能值生態承載力整體呈現波動上升的態勢，在2018年達到了高值，主要是由于九江市在2018年的降水量異常偏多，排歷史第二高位，此舉導致可更新資源的總能值升高。且區域人均承載力在2011、2013年下降后均出現了回升現象，這表明生態系統在一定的耐受程度上具有良好的自我調節能力。

3 九江市生態安全變化分析

3.1 生態赤字/盈余分析

生態赤字/盈余是衡量區域可持續發展的重要指標，將人均區域生態承載力(EC)減去人均能值生態足跡(EF)后，當差值為負時稱為生態赤字，表明研究區域的人類負荷程度已超出該區域的生態承受力，即研究區的發展處于不可持續利用的狀態；反之差值為正時稱為生態盈余，表示該區域生態容量可以承受人類負荷，即區域發展處于可持續利用狀態[29]。

從圖1可以看出，2007—2018年九江市ED一直為負數即表現為生態赤字，人均能值生態承載力與人均能值生態足跡的差距越大表示生態赤字情況越嚴重，即研究區域可持續發展愈發艱難。

九江市生態赤字呈上升趨勢，2012年出現低值主要原因是降雨量充沛，導致雨水勢能以及雨水化學能總能值變大，生態承載力達到了最高；生態赤字在2013年增長幅度最大，高達88.35%，這一年九江市的需求增長達到其自身生態系統可以供應能力的3.87倍，這遠遠不滿足區域可持續發展的條件。意味著還將需要3.87個具有九江市生物生產力的國土面積，九江市的經濟、資源等才可以達到可持續發展的狀態。生態赤字的持續增大，表明九江市在當前情況下對生態的需求早已超過九江市生態系統承載力的閾值，某些地區的生態承載力并非僅由該地區來所承擔，部分是全省甚至全國來負擔，即九江市目前的發展不是依賴自身的資源能量，而是來源于外部生態承載力的輸入，其發展已偏離了可持續發展目標。因此必須采取有效措施降低生態赤字。

圖1 九江市2007—2018年生態赤字變化趨勢Fig.1 Change trend of EF and EC in Jiujiang City from 2007 to 2018

3.2 生態壓力分析

為了更加準確地描述研究區資源環境承載力的狀況，可以采用生態壓力指數[式(4)]測度能值生態足跡超載程度[30]。此模型不同于生態赤字/盈余的絕對角度，它是從相對數的角度來考慮研究區域內生態壓力的變化，計算結果如表4所示。

表4 九江市2007—2018年生態壓力指數表Table 4 Ecological pressure index of Jiujiang City from 2007 to 2018

九江市整體生態壓力指數較大(表4)，2007—2018年總體生態壓力指數均大于2，區域處于嚴重不安全狀態，表明九江市區域經濟與生態的協調性仍然存在不足，生態不安全的程度偏高，整個城市的可持續發展能力有待加強。九江市自2016—2018年的生態壓力指數處于緩慢降低狀態，這表明雖然九江市目前仍處于生態赤字，但研究區域整體上的生態環境情況是向好的，說明九江市為區域可持續發展做出了努力，從2016年生態壓力指數小幅度上升可發現效果還是不穩定，九江市為了保證健康穩定的發展，還是應該更進一步改善生態環境、減少生態壓力。

3.3 萬元GDP生態足跡

萬元GDP生態足跡旨在描述萬元GDP所需要的生態資源空間[式(5)][31]。萬元GDP生態足跡反映研究區域每產出一個萬元GDP時所需要的各種資源折合成具有生物生產力的土地或水域的面積，同時可以表示經濟發展對研究區具有生物生產力的土地或水域利用效率的高低。計算得出九江市2007—2018年萬元GDP生態足跡結果如表5所示。

由表5可知，九江市2007—2018年的萬元GDP生態足跡整體呈下降的趨勢，其中原因包括研究區GDP的提高，也體現出科學技術不斷的進步使九江市提升了生態資源利用效率。2007—2012年這6年九江市萬元GDP生態足跡從4.02 hm2/萬元下降到1.49 hm2/萬元，是下降幅度較大的一個區間，說明九江市這6年間具有生物生產力的土地或水域有比之前更大的生產潛力。但隨后一年內的萬元GDP生態足跡又有增長的趨勢，為了控制其增長，九江市必須加大對生態資源利用率的提高，在發展經濟的同時也要發掘具有生態生產力的土地和水域的潛力，這樣才可以使得生態空間利用率不斷提高，保證生態可持續發展。

表5 九江市2007—2018年的萬元GDP生態足跡Table 5 Ecological footprint of Jiujiang’s GDP from 2007 to 2018

4 九江市生態安全趨勢預測

4.1 預測模型

將使用GM(1,1)模型來對九江市生態安全趨勢進行預測，其思想就是利用灰色數據，即不完全的、少量的數據構建原始數列，經過數據累加、作緊鄰均值等生成新的數列，進而弱化原始數列的隨機不確定性，最后對累加生成的新數列建立GM(1,1)灰色數列模型[32-34]。建模過程如下。

(1)將原始數據(人均能值生態承載力以及人均能值生態足跡)按時間順序排列：

x(0)={x(0)(1),x(0)(2),…,x(0)(n)}

(11)

(2)經過數據累加、作緊鄰均值等生成新的數列，進而弱化原始數列的隨機不確定性，生成較有規律的新數列(1-AGO)：

x(1)={x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n)}

(12)

式(12)中：x(1)(k)為原始數列前k項數據一次累加,可表示為

(13)

(3)定義數列x(1)(k)的緊鄰均值(背景值)為

k=2,3,…,n

(14)

(4)建立GM(1,1)灰微分方程的白化方程為

(15)

式(15)中：x為灰色預測模型函數，此處代表將要預測的人均能值生態承載力/人均能值生態足跡；k為x里的時間序列；dx/dk是對x的一階求導；a、b為灰色參數，其中a為發展系數，b為協調系數。

經過轉換最終整理可得灰度預測公式為

(16)

4.2 人均能值生態承載力以及生態足跡預測

4.2.1 數據處理

選取10年間人均生態承載力作為原始數據構建灰色GM(1,1)模型，將原始數據按時間順序構建數列：x(0)={0.74，1.12，0.67，1.13，0.82，0.95，1.13，1.13，1.20，1.38}。對原始數列x(0)作1-AGO即一次累加生成得到數列：x(1)={0.74，1.86，2.53，3.66，4.48，5.43，6.56，7.69，8.89，10.27}。

根據式(16)得到：a=-0.049 357，b=0.803 3；因此所構建的人均能值生態承載力的灰色GM(1,1)預測模型為

(17)

選取10年人均能值生態足跡作為原始數據構建灰色GM(1,1)模型，過程同人均能值生態承載力類似，最終構建出的人均能值生態足跡的灰色GM(1,1)預測模型為

(18)

4.2.2 生態安全趨勢分析

根據灰色GM(1,1)模型預測2009—2018年人均能值生態承載力、生態足跡的模擬數據(預測值)及殘差數列如表6所示。

表6 基于10維灰色GM(1,1)模型的生態承載力與生態足跡結果分析Table 6 Analysis of ecological carrying capacity and ecological footprint based on 10-dimensional grey GM(1,1)mode

灰色GM(1,1)是由殘差和相對誤差的大小來判斷模型的優劣：殘差大，說明模型精度低；當灰度預測模型相對誤差絕對值小于3%時，說明模型精度已達到做預測的標準，且相對誤差越小則表明該模型精度越高。由表6可知，人均能值生態承載力與生態足跡的10維灰色GM(1,1)預測模型GM(1,1)預測模型的殘差絕對值基本小于0.5且相對誤差分別為2.487%、3.205%，表明預測模型精度較高。因此，可以采用10維灰色GM(1,1)模型對九江市2019—2023年的人均能值生態承載力、生態足跡以及人均生態赤字的情況進行預測。預測結果如表7所示。

根據預測，2023年九江市人均能值生態承載力和人均能值生態足跡分別達到1.64 hm2/cap和9.95 hm2/cap，生態赤字達8.31 hm2/cap，生態赤字持續擴大。九江市要實現可持續發展，必須采取有效措施：控制九江市人口增長速度、提高土地利用效率、調整經濟產業結構以減少九江市能源消耗、加大科學技術創新及發展綠色清潔能源等。

表7 九江市生態安全預測Table 7 Prediction of ecological security of Jiujiang City

5 結論

可持續發展觀體現了中國維護國際生態文明的大國擔當，江西省作為國家生態文明試驗區，堅持綠色可持續發展理念，不斷加大生態保護力度、推進生態文明建設，建設人與自然的生命共同體。以江西省九江市作為例，基于“能值-生態足跡”模型，從區域人均能值生態足跡、人均能值生態承載力以及生態壓力等多方面分析九江市2007—2018年的生態安全狀況，采用10維灰色GM(1,1)模型預測了2019—2023年九江市的生態安全態勢。主要結論如下。

(1)2007—2018年，九江市人均生態承載力從0.67 hm2/cap上升到1.38 hm2/cap，同期九江市人均能值生態足跡由5.00 hm2/cap上升到7.27 hm2/cap，人均生態赤字呈現波動增長趨勢，由2007年的4.33 hm2/cap上升到2018年的5.89 hm2/cap，處于生態赤字狀態。

(2)萬元GDP生態足跡顯示九江市經濟發展迅速，對資源的需求不斷增加。2007—2018年九江市萬元GDP生態足跡呈下降趨勢，表明研究區資源利用效率逐年上升，但期間出現小幅度波動，說明高質量資源利用的不穩定性，需加強資源與能源的利用，積極推進能源結構調整。

(3)基于10維灰色GM(1,1)模型預測2019—2023年九江市人均生態承載力和人均生態足跡，結果顯示九江市2023年生態赤字達8.31 hm2/cap。

根據九江市生態安全變化態勢分析結果，為實現區域綠色可持續發展，建議：①加大對區域清潔能源的投入，鼓勵綠色交通，建設清潔綠色能源發電設施；②管控重點地區的排污系統，結合實際嚴管環境污染嚴重的企業，堅決淘汰不滿足要求、產能落后的“五小”企業，以能源與資源高效利用為核心，發展環保產業，促進區域企業的經濟循環發展；③在土地開發的過程中，采取積極地生態完善保護措施，加強民眾生態保護意識，合理規劃建設用地、永久基本農田以及生態用地，實施一批節能改造與集約用地示范工程；④加強濕地等自然生態系統保護工作，突出重點生態功能區的管理與保護，保持水土涵養能力，提升區域生物多樣性。