基于生態足跡的常州市生態承載力評價

潘昱奇，李滿春，姜朋輝，陳登帥

（1.南京大學地理與海洋科學學院，南京 210023；2.江蘇省地理信息技術重點實驗室，南京 210023）

資源環境承載力是指一個國家或地區自然資源的供給對人口、社會經濟發展的支撐能力，是可持續發展水平的重要體現［1］。中國經歷改革開放之后的大發展，以資源消耗為代價引領的經濟社會高速發展模式，導致土地和生態面臨的壓力持續增大，資源環境承載能力已接近上限［2］。從長遠角度來看，經濟社會規模必須控制在資源承載力之內，通過提高資源節約集約利用水平，優化環境質量，推動生態系統平衡，如此才能實現人類文明的可持續發展［3］。開展資源環境承載力評價，可以為區域經濟社會發展確立底線，明確發展潛力與規模。

1798年Malthus［4］首次提出承載力思想，此后，承載力評價方法經歷了從定性到定性定量相結合、從單一到綜合、從靜態到動態的演變趨勢［5］。資源環境承載力評價多側重于區域資源環境承載力各要素的綜合指數計算［6］，考慮生態系統整體性及其人類活動影響的研究有待深入；針對資源環境承載力認知和理論模型及其時空尺度的關系研究仍較薄弱，理論較為分散化、泛化［4，7-11］。資源環境承載力研究多采用4種典型模型，分別是AEZ（農業生態區）法［12，13］、生態足跡法［14，15］、模型指數法［16，17］與綜合評價法［18，19］。

生態足跡變化與經濟發展之間存在高度的相關性，經濟發展是生態足跡變化的重要驅動力［20-23］。研究表明，發展的可持續性主要取決于自然資產［24，25］，人類社會要取得發展的強可持續性，人類必須維持自己的自然資產存量。但由于生態目標難以定量測量，因此，研究進展緩慢。為了使生態狀態可測量，已有很多科學家進行了嘗試，如1986年Vitousek測算的人類利用自然系統的初級生產能力。為了將可持續性轉化為具體指標來測量人類是否生存于生態系統承載力的范圍內，生態足跡方法是一種簡單但綜合的嘗試［26］。生態足跡模型（Ecological footprint，EF）是由生態經濟學家Wackernagel等［27，28］于20世紀90年代提出的用于定量評估人類發展可持續性的綜合性方法。自此關于生態足跡的理論、模型和方法不斷完善發展，研究尺度不斷從宏觀向微觀細化，并由單一時間尺度向長時間序列發展，WWF和RP等國際組織從2000年開始發布基于生態足跡指標計算的全球可持續發展年度報告，直接推動了生態足跡的現實應用［29，30］。生態足跡理論提供了一個從供需關系進行承載力研究的新視角，也因為生態足跡模型著眼于宏觀層面的資源消耗和承載，這使其能在眾多資源承載力領域得到普遍應用［31］。

因此，生態足跡模型提供了一個新的承載力供需平衡研究視角，可以在一定程度上反映社會經濟發展和自然資源承載能力之間的盈余情況［32］。本研究基于生物物理量的生態足跡概念及計算模型，開展江蘇省常州市人口承載力評價，探索資源環境綜合約束的常州市人口實際承載規模，以期為常州市國土空間規劃提供決策支持。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

常州市位于北緯31°09′—32°04′、東經119°08′—120°12′，北臨長江，南部與安徽省交界，東瀕太湖，與無錫市相連，西與南京、鎮江兩市接壤（圖1），下轄天寧區、鐘樓區、戚墅堰區、武進區、新北區、金壇市、溧陽市（2015年常州市行政區劃調整后改為天寧區、鐘樓區、武進區、新北區、江蘇常州經濟開發區、金壇區、溧陽市，本研究以2014年現狀區劃為基礎），總面積為4 373 km2，市區面積為1 862 km2。常州市地貌類型屬高沙平原，山丘平圩兼有。常州市地處亞熱帶向溫帶過渡氣候區域，季風影響顯著，屬濕潤季風氣候，境內河道縱橫交織，湖塘星羅棋布。

圖1 常州市區位

截至2014年末，全市常住人口469.6萬人，比2013年末增長0.1%，其中城鎮人口322.6萬人，城鎮化率達68.7%。2014年全年實現地區生產總值（GDP）4 901.9億元，按可比價計算增長10.1%。其中，第一產業增加值138.5億元，增長3%；第二產業增加值2 458.2億元，增長9.5%；第三產業增加值2 305.2億元，增長11.4%。常州市水陸空交通便利，滬寧鐵路、滬寧與寧杭高速公路、312國道、京杭大運河穿境而過。水網縱橫交織，連江通海。

1.2 數據來源

生態足跡計算及人口、經濟承載力測算所需數據名稱、屬性、來源見表1。

表1 數據來源

2 研究方法

2.1 理論模型與消費指標確定

一切人類活動都會因為消費自然界提供的產品和服務而對地球生態系統造成影響，人類社會的生存發展需要維持在生態系統承載力范圍內。因此，量化人類對自然生態服務的需求與自然所能提供的生態服務之間的差距具有重要意義［33］。生態足跡指在一定技術和資源管理水平下，維持人類資源消費水平和吸納人類排放的廢棄物所必需的生物生產性面積［34］。生態足跡以形象化的方式反映了人類為維持自身生存而利用自然資源的量來評估人類對生態系統的影響。

生態足跡的計算是基于以下2個基本事實：①可以追溯并確定人類對資源的消耗及其所產生的廢棄物排放的數量，這些資源和廢棄物能轉換成相應的生物生產面積；②人類資源消耗由其所生存的生物生產區維持，且生物生產區資源提供有限。通過對比分析區域內生物生產性面積供（生態承載力）需（生態足跡）狀況，就能判斷人類活動對區域生態系統的影響，以及區域發展的可持續性。

根據生態足跡理論，從能源消費和生物資源消費2個方面，并結合常州市社會生活的實際情況，選取指標及相應消費項目，如表2所示。

表2 消費項目

2.2 計算模型

生物資源消費使用聯合國糧農組織（FAO）計算關于生物生產面積的平均生物產量資料，通過相關折算系數把常州市生物資源消費量折算成為生產各種消費項目人均占用的生物生產性土地面積，生物資源消費采用的計算方法如下［35］。

式中，EFi為i種資源消費的足跡；Pi為i種生物資源的總生產量；Yaverage為世界上i種生物資源的平均產量。

能源消費在計算足跡時轉化為化石能源生產土地面積。以世界單位化石燃料生產土地面積的平均發熱量為標準［26］，將當地能源消費所消耗的熱量折算成一定的化石燃料型生產面積。為了使計算結果轉化為一個可比較的標準，有必要在每種生物生產面積前乘一個均衡因子，以轉化為統一的、可比較的生物生產面積。均衡因子的選取依據世界各國的生態足跡計量研究報告，如表3所示。

表3 均衡因子

3 生態承載力計算

利用常州市歷年的土地利用變更調查實際用地面積及常住人口數，計算出人均擁有各類土地面積，即生態足跡理論中的人均生物生產性面積。

式中，Aj為區域內人均生物生產性面積j的實際用地面積；Sj為實際用地面積；pop為常住人口數。

比較常州市與全球的各類生產空間平均生產力得出產量因子（表4），將各人均生物生產性土地面積與對應均衡因子和產量因子的乘積加和，得到未考慮生態保護的人均生態承載力；根據世界環境與發展委員會的要求，扣除12%的生物生產性面積用于生物多樣性保護，得到區域實際人均生態承載力計算公式。

表4 生產空間相應產量因子

式中，Aj為區域內人均生物生產性面積j的實際物理面積；ej為j的均衡因子，指某地區某用地類型潛在生產力的均值；yj為j的產量因子，它是j的區域平均生產力與j的世界平均生產力的比值。

4 生態赤字與生態壓力的計算

人均生態足跡和人均生態承載力的差值，即為生態赤字或生態盈余，從某種程度上定量反映一個地區的可持續發展狀況，生態盈余表示占用資源量仍在生態承載力允許的范圍之內，生態赤字則反之，計算公式如下。

式中，ER為生態盈余；ED為生態赤字；EC為區域生態承載力；EF為區域生態足跡。

生態壓力指數主要用來衡量區域生態赤字與區域承載能力之間的差距，是衡量區域可持續發展程度的重要指標，生態壓力指數與生態環境安全性呈正相關關系［36］，根據前人的研究［36-38］，生態壓力指數模型如下。

式中，ETI為區域的土地生態壓力指數；EF為區域土地資源的生態足跡；EC為區域生態承載力。

5 結果與分析

5.1 測算結果分析

常州市2014年人均生態足跡為3.994 1 hm2，而常州市人均生態承載力僅為0.290 8 hm2，扣除12%的人均生物多樣性保護需求的承載力0.034 9 hm2，則常州市實際人均可利用生態承載力為0.255 9 hm2，2014年人均生態赤字為3.738 2 hm2（表5），生態壓力指數為12.855 1。

表5 常州市2014年生態足跡需求與生態供給

由土地生態足跡供需分析結果可知，2014年人均生態足跡構成為農地占80.41%、林地占0.13%、水域占3.50%、化石能源用地占15.11%和建設用地占0.85%；生態承載力構成為農地占55.32%、林地占3.75%、水域占1.61%和建設用地占39.32%（圖2）。

圖2 2014年常州市生態足跡及生態承載力構成

生態赤字構成為農地占82.38%、化石能源用地占16.30%和水域占3.64%，生態盈余的構成為建設用地占2.17%、林地占0.15%（圖3）。建設用地生態盈余，主要是因為常州市在快速城市化進程中，建設用地面積占比達26.44%，生態足跡結構處于失衡狀態。

圖3 2014年常州市生態赤字/盈余構成

5.2 生態足跡與生態承載力演變分析

利用生態足跡計算方法，計算2009—2014年常州市歷年人均生態足跡、人均生態承載力（扣除12%的生物多樣性保護面積）和人均生態赤字。如圖4所示，2009—2014年人均生態足跡與人均生態承載力的差值總體上逐年增大，人均生態赤字增長趨勢明顯。人均生態赤字增長與人均生態足跡的變化大致一致，人均生態赤字的增長幅度在2011—2012年達到最大，從2012年起人均生態赤字增長趨緩。

圖4 歷年生態足跡和生態承載力演變

5.2.1 生態足跡演變分析

1）生態足跡總量演變分析。常州市人均生態足跡從2009年的2.970 7 hm2增加到2014年的3.994 1 hm2，年均增長率為6.10%，2011—2012年幅度最大，從2012年起增長趨勢趨緩（圖5a）。

從總體來看，2009—2014年人們對糧食作物等農產品的依存度逐漸增加，農地的生態足跡都處于逐年增長的趨勢，2012—2014年社會發展較為穩定，人口變化增幅較緩，故耕地的生態足跡平穩增長。化石能源用地的人均生態足跡在2009—2014年變化幅度較大，2009—2011年化石能源用地的人均生態足跡減小迅速，2012年后又迅速恢復保持平穩，這與常州市第二產業發展趨同。水域、林地和建設用地的生態足跡總體保持穩定的趨勢，局部年份有小范圍波動（圖5b）。

2）生態足跡結構演變分析。按不同土地利用類型，對比分析歷年農地、林地、水域、建設用地和化石能源用地的生態足跡變化，2009—2014年農地的人均生態足跡是人均生態足跡主要的構成，平均占80%左右，其中比重最小的為林地。從時間尺度上來看，農地和化石能源用地的生態足跡比重在2009—2014年波動較大，尤其是2011年，農地在2011年生態足跡比重突增，2011年后回落，化石能源用地的人均生態足跡在2011年突降，2011年后回升。而水域、林地、建設用地的生態足跡比重在2009—2014年波動不大（圖6）。

圖6 歷年各土地類型人均生態足跡結構變化

5.2.2 生態承載力演變分析

1）生態承載力總量演變分析。常州市人均生態承載力從2009年的0.304 0 hm2下降到2014年的0.290 8 hm2，年均變化率為-0.73%，2011年下降幅度最大，2011—2014年下降幅度趨于平緩（圖7）。

圖7 歷年各土地類型生態承載力演變

2）生態承載力結構變化分析。2009—2014年農地的生態承載力占總供給的55.32%以上，是生態承載力的主要組成部分，建設用地的生態承載力占總供給的37.18%以上，農地和建設用地的生態承載力之和占總生態承載力的比重從2009年的94.33%增長到2014年的94.64%，并且研究時段內，農地的生態承載力比重逐步下降，建設用地的生態承載力比重逐步上升（圖8）。

圖8 歷年各土地類型生態承載力結構變化

5.3 生態赤字分析

5.3.1 供需結構分析 如圖9、圖10所示，2009—2014年水域和農地生態足跡均大于生態承載力，處于生態赤字的狀態，林地和建設用地的生態承載力均大于生態足跡，處于生態盈余的狀態。

圖9 歷年各土地類型人均生態足跡及人均生態承載力

圖10 歷年人均生態足跡及人均生態承載力

5.3.2 生態赤字結構分析 如圖11所示，2009—2011年人均生態赤字持續減小，從2009年的2.666 7 hm2減小到2011年的2.523 8 hm2，年均下降2.68%。2011—2014年生態赤字不斷增長，2011—2012年增長幅度最大，為33.72%。生態壓力從2009年的8.892 1增加到2014年的12.855 1，生態環境壓力是2009年的1.445 7倍。

圖11 歷年生態赤字和生態壓力

從生態赤字的構成（圖12）來看，主要生態赤字是農地和化石能源用地導致，建設用地是主要的生態盈余來源。

圖12 歷年生態赤字構成分析

6 小結與討論

6.1 討論

2014年，常州市實際人均可利用生態承載力為0.255 9 hm2，2014年人均生態赤字為3.738 2 hm2，生態壓力指數為12.855 1，說明常州市對土地的需求超過生態承載力范圍，生態赤字反映出常州市處于不可持續狀態。從需求層面來看，常州市生態足跡以農地、化石能源用地和水域為主，主要資源需求為農產品和化石燃料消費，農產品需求較大，占總需求的84.04%，能源消費僅為0.85%；從供給層面來看，主要資源供給為農地和建設用地，水域供應不足，化石能源用地供給缺乏，可開發利用的林地面積不大。

常州市2009—2014年人均生態足跡整體逐年保持穩定，局部年份小幅跌落。人均生態足跡逐年增長反映出人口對生物生產性產品和化石能源等資源日益增長的消費需求，同時也反映出人口對生態環境壓力的不斷增大。從總體來看，農地和化石能源用地的生態足跡波動較大，水域、林地和建設用地的生態足跡總體保持穩定的趨勢，局部年份有小范圍波動。

常州市2009—2014年人均生態承載力基本呈下降趨勢，農地和建設用地是生態承載力的主要構成類型，貢獻最小的為水域。研究時段內，農地的生態承載力比重逐步下降，建設用地的生態承載力比重逐步上升，表明農地為人們日常生活提供了基本的生物產品，是社會經濟發展的基礎，隨著常州市自然環境的不斷惡化，農地的供給能力不斷下降。建設用地的生態承載力所占比重逐年增長，表明隨著工業化、城市化進程的加快，城鎮、農村居民點擴張和交通水利等其他基礎設施的建設也隨之大力發展。

常州市2009—2014年人均生態承載力不斷減少，人均生態足跡基本趨勢是逐步增大，人均生態赤字取決于生態承載力的大小，故生態赤字也隨之加劇，總體上常州市土地生態供需結構失衡，生態供給遠小于生態需求。常州市主要生態赤字是由農地和化石能源用地導致，建設用地是主要的生態盈余來源，因此，常州市今后的發展需要加強農地保護，提高土地生產性產出，減少農地的生態赤字，高效利用化石燃料資源，提高林地和水域的集約化利用水平，防止建設用地過度和過快擴張。

對常州市生態足跡的實證計算和分析可見，生態足跡的概念模型通過引入生物生產面積的概念為自然資產核算提供了一種簡單框架［39］，提供了測量和比較人類經濟系統對自然生態系統服務的需求和自然生態系統的承載力之間差距的生物物理測量方法［28］，測算指標采用生物生產面積，不是使用金錢的測量，這種方式使人更易理解［40］。

資源環境承載力與經濟社會發展水平及制度政策相互作用，從時空尺度科學認知和探討資源環境承載力影響因素之間的相互關系與差異還有待進一步研究。此外，研究結果如何更加準確合理地反映資源環境支撐城市未來發展潛力，也有待在后續研究中逐步檢驗發展。

6.2 小結

對常州市2009—2014年的生態足跡動態進行分析，結果顯示，2009—2011年人均生態赤字持續減小，2011—2014年人均生態赤字不斷增長，到2014年生態壓力指數為12.855 1，人均生態赤字為3.738 2 hm2，表明資源消費等活動早已超過生態承載力且不斷惡化，發展形勢嚴峻；對生態足跡與生態承載力演變結構的分析可知，社會經濟增長導致人均生態足跡增加，城市擴張使部分未利用地轉變為可用生物生產性空間，導致生態承載力上升，但常住人口增長又使人均生態承載力下降，最終導致生態盈余降低；生態供需不對稱說明區域內土地格局有待調整優化（如控制建筑用地規模、提高耕地生產力等），同時需加強生態承載能力的監測與預警，從而確保區域能夠達到持續發展。

高度認知資源環境承載力評價，積極應用資源環境承載力評價成果，是推進生態文明建設的基礎。結合常州市資源環境承載力的超載問題，就減弱資源環境承載力超載對常州市經濟社會發展的影響提出如下建議：將資源環境承載力融入規劃與整治工作，避免缺乏科學評估、忽視供需失衡導致開發過度，整治土地資源約束性因素，降低資源環境要素對土地利用和經濟社會發展的限制；發展循環經濟，避免經濟建設對資源環境造成不利影響；基于資源環境承載力動態監測、預警機制，科學部署重要戰略安排，切實落實自然資源用途管制制度；建立發展補償制度，妥善處理開發空間和保護空間的矛盾，實現國土空間有序開發和持續發展。