湘江城市段能值生態足跡及驅動力分析*

曾曉霞,劉云國,曾光明，胡新將,胡 熙,張娉楊,龔小敏

(湖南大學 環境科學與工程學院 環境生物與控制教育部重點實驗室,湖南 長沙 410082)

生態足跡由加拿大生態經濟學家Rees W E于20世紀90年代初創建,而后得到了Wackernagel M等人的完善和發展,并將其概念定義為可持續維持某特定區域人口生存和吸納其所排放的廢棄物所需的具有生態生產性的地域面積[1-2].生態足跡模型將人類消耗的自然資源和排放的廢棄物轉化為相應的生產性面積與現存的土地面積比較來衡量人類社會的可持續發展狀況,有效的量化人類社會與自然環境之間的相互關系,且其計算結果直觀明了,具有區域可比性,因此該模型迅速發展成為可持續發展定量評價的重要方法[3-4].

然而傳統生態足跡模型存在著土地類型功能單一化,溫室氣體考慮不全面,因子(均衡因子和產量因子)選取口徑不統一等缺點.為此,基于能值理論的改進生態足跡模型為生態系統和生態經濟系統的定量分析研究開拓了新途徑[5-6].能值理論是美國生態學家Odum H T等人以熱力學第二定律和能量傳遞規律為基礎創立的以能量分析為核心的系統分析方法.它將人類社會經濟系統視為能量系統,以太陽能值為基本單位,把系統中不同種類,不可比較的能量轉換成同一標準的能值來衡量和分析,比較系統中流動或儲存的不同類別的能量及其在系統中的功能[7].

近年來,能值生態足跡模型得到了廣泛的認可和關注.Zhao等人[8]率先將能值理論與生態足跡模型相結合．隨后，陸續有國內外學者將該模型運用于城市尺度[9-10],省份尺度[11-12]以及國家尺度[5,13]的生態安全研究,同時也有學者在該理論基礎上進行了不同程度的方法完善[3,14-15].江河流域往往是人類文明的發源地,其對社會經濟發展起到了關鍵性的作用.隨著經濟快速發展,人口迅猛增長以及城市化進程的加快,流域沿岸的城市紛紛面臨著經濟發展與生態環境的矛盾壓力,然而在流域尺度上的生態經濟復合系統的定量化評價及關聯分析卻甚為少有.

本文以湘江流域的6個城市為研究對象,在傳統能值生態足跡模型的基礎上,從生態資源生產占用與廢棄物排放的角度出發,一方面直接計算該城市段對自然資源和土地的利用情況,另一方面量化廢棄物的排放對本地環境的影響,探討區域內部所承受的環境壓力.同時,本研究將得到的生態足跡結果與當地的社會經濟指標進行關聯分析,進一步研究當地社會經濟對生態環境的驅動作用,為該流域及同類地區確立生態可持續的社會經濟發展機制提供理論依據和借鑒模式.

1 研究區域和研究方法

1.1 研究區域概況

湘江是湖南人民的母親河,也是長江中游南岸的重要支流之一.其上游稱海洋河,在湖南省永州市區與瀟水匯合,始稱湘江,流經永州、衡陽、株洲、湘潭、長沙,至岳陽入洞庭湖后歸長江.干流全長856 km,流域面積9.46萬km2.湘江一帶屬亞熱帶季風氣候,四季分明,分雨旱兩季,年平均氣溫16.8～17.2℃,土壤以紅壤、水稻土為主.湘江及其途徑的永州、衡陽、株洲、湘潭、長沙和岳陽6大城市承擔了重要的生活生產工作,是湖南工農業的核心區域(圖1).該6個城市的總面積占全省的40%左右,而其年均GDP總值卻占到了全省的65%以上.因此,本文以上述6個城市為基礎,分析湘江流域地區的本地生態安全狀況.

1.2 研究方法

1.2.1 基礎資料來源

本文基礎數據的獲取采用查閱與分析相關統計資料的方法,并通過實地調查,補充和核對部分數據資料.其中相關統計資料包括1999～2008年的《湖南統計年鑒》和《湖南年鑒》,《湖南經濟社會發展60年(1949-2009)》以及各市相關的社會經濟統計年鑒及報表等.

1.2.2 生態承載力計算

自然資源分為可更新資源和不可更新資源兩類.由于不可更新資源的消耗速度要快于其再生速度,會隨著人類的不斷利用而日益枯竭,只有利用可更新資源,生態承載力才具有可持續性.因此能值生態足跡模型中的生態承載力計算,只考慮可更新資源的能值.

圖1 湘江流域的城市區位圖

傳統的能值生態足跡模型涉及的可更新能源有太陽輻射能、風能、雨水化學能、雨水勢能和地球旋轉能5種.然而經研究證實,土壤肥力亦屬于再生資源,其有機質每年形成和分解的速率大約在2%～4%左右[16]．因此在計算地表的可再生資源的能值時也應把表層土壤有機能值看作是每年可再生的[3,6],本文折中選取3%的表層土壤有機能值代入計算.

為避免重復計算,根據能值理論,同一性質的能量投入只取其中的最大值.如風能、雨水化學能和雨水勢能都是太陽光的轉化形式,選其中數值最大的一項代入總能值中.因此,本研究地區獲得的能值即由太陽輻射能、地球旋轉能以及表層土壤有機能3種類型組成.生態承載力的計算公式為:

(1)

式中:EC為人均生態承載力(hm2/人);E為可更新資源的人均能值(sej);P1為全球平均能值密度(sej/hm2·a),數值為3.12×1015[17];N為區域人口數(人);ei為第i種同類可更新資源能值的最大值(sej).

1.2.3 生態足跡計算

本文將生態足跡賬戶分為生產性資源賬戶和廢棄物排放賬戶,賬戶細分見表1.生產性資源賬戶從區域的生產角度來計算,用地區的生產量來代替消費量,因為本地生產的產品無論是否被本地消費,均消耗了本地的生態資源.該賬戶分為本地自產的生物資源賬戶和能源資源賬戶;廢棄物排放賬戶則包括廢氣、廢水和廢物3種類型,反映出廢棄物排放對當地生態環境的壓力.相比原有的生態足跡賬戶分類方式,本分類可明確表達出當地的資源生產和消費對本地環境的直接影響,更能明確生態足跡概念的真正意義.

表1 生態足跡賬戶的分類

生態足跡賬戶的項目劃分后,首先計算區域能值密度,其計算公式為:

P2=U/S

(2)

式中：P2為區域能值密度(Sej/hm2),U為區域的能值總量(Sej),S為區域面積(hm2).

然后引入太陽能值轉換率[6,17],即單位能量或物質中所含的太陽能值之量.計算各項目所包含的能量,將太陽能值轉換率乘以給定項目的能量,即可將各項目給定的能量換算為太陽能值.區域各項目的太陽能值除以區域總人口,則為各項目的人均太陽能值.

(3)

式中：Ci為第i種資源的人均太陽能值(Sej/人),Ei為第i種資源所包含的能量(J),Ti為第i種資源的太陽能值轉換率(sej·J-1或sej·g-1)[7],N為區域人口數(人).

最后將各項目的人均太陽能值換算成對應的生產性土地面積.其計算公式為:

(4)

式中：EF為人均生態足跡(hm2/人);ai為第i種資源的人均生態足跡(hm2/人).

1.2.4 生態盈虧計算

將各項目的人均生態足跡匯總,與人均生態承載力進行比較,來衡量研究地區的生態安全情況.若人均生態足跡大于人均生態承載力,則該地區存在生態赤字(Ecological Deficit, ED);反之,則該地區存在生態盈余(Ecological Surplus, ES).

ED或ES=EC-EF．

(5)

1.2.5 生態足跡與社會經濟的關聯分析方法

生態足跡的變化,除了與自然資源的優劣、多寡有關之外,與當地的自然資源管理、人口數量、社會經濟、技術水平等社會經濟因素也密切相關[18].本文選取人口,GDP,固定投資/GDP,三次產業占GDP的比例,重工業率,家庭恩格爾系數,財政收入/GDP,城鄉居民實際收入比,城鎮率,進出口總額等12項社會經濟指標,量化社會經濟對生態足跡的驅動作用.

由于社會經濟指標之間具有一定的內在聯系,若直接將這些指標作為自變量納入回歸分析,則可能會因指標間的多元共線性而無法得出正確結論.因此,為確定影響湘江城市段本地生態足跡的主驅動因素,首先采用主成分分析法,將選取的多個自變量組合成少數且相互獨立的能充分反映總體信息的指標.在此基礎上,再將相關系數較大的主成分因子與湘江城市段的人均生態足跡時間序列進行多元線性回歸建模分析,找出影響本地區生態足跡變化的關鍵社會經濟驅動因素.主成分分析與多元線性回歸分析由SPSS 18中的相應功能完成.

2 結果與討論

2.1 湘江城市段生態承載力及其區域差異分析

2.1.1 生態承載力的變化情況

如表2所示,1999～2008年,湘江城市段年均獲得太陽能值1.51×1022sej,年均生態承載力在0.14 ～0.19 hm2/人之間,平均值為0.16 hm2/人.10年間,生態承載力變化幅度較小,但呈波浪形下降趨勢.

2.1.2 生態承載力的區域差異

由于年均獲得的太陽能值與區域面積有關,因此在1999～2008年間,湘江沿岸的6個城市所獲得的年均太陽能值與其面積的大小排序一致,即永州>衡陽>岳陽>長沙>株洲>湘潭.將各城市的太陽能值代入式(1)中,結果見圖2.

表2 湘江城市段的能值變化情況

年均生態承載力最大和最小的城市分別是永州市和湘潭市,分別為0.23 hm2/人和0.11 hm2/人;株洲市的年均生態承載力僅次于永州市,為0.18 hm2/人,這與其人口的數量相對較少且增長率較低有關.相反,衡陽市雖獲得的太陽能值較大,但其人口總數在該城市段中最大,導致其年均生態承載力與長沙市、湘潭市接近,僅為0.13 hm2/人.

圖2 湘江流域各地市的生態承載力變化

2.2 湘江城市段生態足跡及其區域差異分析

2.2.1 生態足跡的變化情況

1999～2008年間湘江城市段產生的生態足跡能值年均1.68 ×1023sej,是其獲得的太陽能值的11倍.該地區的生態足跡年均達到了2.88 hm2/人,是同時段全國年均生態足跡的1.8倍,黃河三角洲的5.14倍[19].從圖3可見,該地區的生態足跡呈現出波浪式快速上升趨勢,與生態承載力的變化趨勢相反.人均生態足跡最小值出現在2002年,為2.15 hm2/人;最大值出現在2007年,為3.79 hm2/人.

年份

從生態足跡結構來看,草地的生態足跡最大,年均達到1.65 hm2/人;其次是耕地,達到0.55 hm2/人;林地的生態足跡最小,為0.03 hm2/人.從變化趨勢來看,耕地和草地的生態足跡所占比例呈下降趨勢,分別從1999年的21.9%和59.16%下降到了2008年的16.51%和53.52%,耕地的下降速度略快于草地.相反的,化石能源用地、林地和建筑用地的生態足跡比例則呈大幅度上升趨勢,在1999年至2008年間其人均生態足跡分別擴大了1.90，1.81和1.76倍.相比之下,水域的生態足跡比例變化不大,年均所占比例均在5%左右.由于呈增長趨勢的生態足跡類型的增長幅度遠大于呈下降趨勢的生態足跡類型的幅度,因此總體的生態足跡需求量亦呈現上升狀態.

從各類型生態足跡的變化情況可看出,工業的蓬勃發展,人口數量的增長,居民消費水平及對生活質量要求的提高等是這十年來該地區生態足跡快速提升的重要因素.首先,膳食結構得到了很大的改善,以谷物、小麥、玉米等為主的糧食作物消耗逐漸向豬、牛、羊等高營養的多種膳食結構轉變.1999年,糧食和豬牛羊禽肉的人均生態足跡的比例為1∶4.77,到了2008年,該比例轉變為1∶5.88.10年間,豬牛羊等農牧產品的人均生態足跡增加了約1.3倍.其次，工業科技的創新,家電的普及,住房條件的改善,均加大了對原油,電力等能源的消耗,直接拉動了資源消耗的力度.10年間化石能源用地和建筑用地的生態足跡人均增長速率較快,分別達到了2.78%和2.21%,是耕地增長速率的6.15倍和4.88倍.

2.2.2 生態足跡的區域差異

1999～2008年間,湘江流域6個城市的年均生態足跡的排序依次為岳陽>衡陽>湘潭>株洲>永州>長沙.

岳陽市的年均生態足跡最大,達到3.41 hm2/人.作為洞庭湖農業經濟圈中重要的糧食生產基地,由于長期大力開發糧食作物和水產品,耕地、水域年均生態足跡均明顯大于本地區的其他城市(同類生態足跡比較,下同),分別達到了0.80 hm2/人和0.36 hm2/人．其生態足跡年均變化幅度在流域6個城市中也是最大的,方差達到了0.56．這反映出岳陽市在生產方面仍需進一步的科學規劃,使其能夠實現長期穩定發展.衡陽市的年均生態足跡為3.22 hm2/人,排在本地區的第二位,其中化石能源用地的年均生態足跡大大高于其他城市,達到了0.59 hm2/人,是6個城市該項生態足跡平均值的2.27倍．這與衡陽市工業眾多,工業能源消耗大有關.湘潭市的年均生態足跡略小于衡陽市,為3.12 hm2/人.在“長株潭一體化”政策的推動下,湘潭市在城市建設布局以及產業結構調整方面表現積極,體現在草地和建筑用地年均生態足跡在本地區中均為最大值.長沙市的年均生態足跡最小,為2.31 hm2/人,其中耕地,建筑用地以及水域年均生態足跡在本地區中均達到最小.而且,長沙市生態足跡的年均變化幅度亦最小，方差為0.14.這在一定程度上說明了作為湘江流域的綜合性城市,長沙市的城市建設水平較為成熟,在生態資源的利用上也逐漸轉向了高效化和穩定化,為兩型社會的建設創造了一定的條件.

2.3 湘江城市段生態盈虧及其區域差異分析

綜上所述,湘江城市段的生態足跡遠高于其生態承載力,處于生態不安全狀態.湘江城市段整體的年均生態足跡是年均生態承載力的18.35倍,年均生態赤字高達2.75 hm2/人.與生態足跡相似,生態赤字亦呈現出波浪式上升趨勢,方差為0.28.年均生態赤字最小和最大的年份出現在2002年和2007年,分別為1.96 hm2/人和3.66 hm2/人.如圖4所示,年均生態赤字最高的是岳陽市,達到3.24 hm2/人;其次是衡陽市和湘潭市,分別達到了3.09 hm2/人和3.01 hm2/人;最低的是長沙市,為2.19 hm2/人.

圖4 湘江流域各地市的年均生態赤字(按降序排列)

從湘江流域各地市的生態赤字排序可看出,影響生態盈虧的因素除當地的自然地理條件外,社會經濟的發展模式和強度對生態盈虧也起著重要的作用,這在永州市表現最為明顯.由圖4可知,永州市憑借較舒適的氣候環境和適中的人口密度,其年均生態承載力在6個城市中取得了最大值,是長沙市的1.86倍和株洲市的1.25倍.永州市近年來承接了珠三角的產業轉移,利用其豐富的優勢礦產資源,大力發展冶金、礦產品加工、機械制造等重工業.然而,產業技術不成熟,工業園區管理不完善,廢物處置設施配備落后等是導致其生態赤字大于工業產值比重更大的長沙市和株洲市的主要原因.這凸顯了社會經濟與生態足跡的關聯性.因此,分析社會經濟的內部結構對調整和管理當地生態足跡具有關鍵作用.

2.4 生態足跡與社會經濟的關聯分析

2.4.1 主成分分析

為消除通貨膨脹影響,社會經濟指標按2008年為基期價格計算實際值,單位為元,經濟結構指標單位為%.運用SPSS軟件對上述12個指標進行主成分分析,提取出2個公因子,累計貢獻率高達87.92%,基本可替代全部信息,結果見表3.通過主成分分析可看出,主成分1與固定投資/GDP,人口,GDP,第二產業GDP/GDP,進出口總額,財政收入/GDP呈高度正相關,而與第一產業GDP/GDP呈高度負相關,因此該類主成分主要是經濟發展水平和生產消費結構的綜合反映,包含了原始變量的大部分信息.主成分2則主要與第三產業GDP/GDP,城鄉居民實際收入比,家庭恩格爾系數,城鎮率有較大的相關性,因此第二主成分可以看作是社會發展結構的代表.

表3 主成分分析結果

2.4.2 多元回歸分析

運用回歸模型的向后剔除法(backward removal method)對相關系數較大的主成分因子進行篩選,淘汰sig>0.1的指標.由表4可見,固定投資/GDP,第一產業GDP/GDP,城鎮率和家庭恩格爾系數4項指標與人均生態足跡的回歸模型擬合效果最好,且具有顯著的相關性,證明此四者對于該地區的人均生態足跡變化具有強烈的驅動作用.從各指標變量標準化后的系數來看,固定投資/GDP,第一產業GDP/GDP與人均生態足跡呈正相關,而城鎮率,家庭恩格爾系數與人均生態足跡呈負相關,但后者對生態足跡的負向驅動力明顯弱于前者對生態足跡的正向驅動力.

近年來,固定資產投資中增大了對房地產,制造業的投入比重,拉動了大量的鋼材,煤炭,木材等資源的消耗.經計算,1999～2008年期間,湘江城市段的固定資產投資額占GDP的比重逐年增加,人均生態足跡對固定投資/GDP的一階導數為正,投入產出的彈性系數為0.59,投資結構拉動了資源的消耗.這也說明湘江城市段的經濟增長模式仍屬于資源消耗型,經濟發展很大程度上依靠對資源的消耗.

通過多元回歸模型的分析得出,三次產業的產值對湘江城市段人均生態足跡的影響程度由大到小依次為第一,第三,第二產業.這與劉建興等人研究得出的第一產業在國內三次產業中對生態資源占用的比例最大的結論一致[20].對于人口密集的國家而言,食物的供給需求對生態足跡的變化起著決定性的作用.隨著生活質量的提高,科技的逐步革新,購買力的增強，反映食物在家庭總支出中比例的家庭恩格爾系數也在不斷下降.從回歸模型可看出,家庭恩格爾系數與生態足跡的負相關聯系,在一定程度上可緩解第一產業對生態足跡的壓力.但目前其緩沖效果有限,未能與第一產業的影響力抗衡.

城鄉差距往往會導致收入分配不均,這一方面會使貧困人群傾向于過度開采自然資源甚至破壞環境;另一方面也會導致資源環境政策的偏離[21].在這10年間,湘江城市段的綜合城市化水平從27%提高到了43%.其中,長沙市的實際城市化水平最高而生態赤字最小,這印證了城鄉生活水平差距的縮小有助于資源的平均分配,對自然生態的穩定發展具有一定的幫助,值得其它城市借鑒.

表4 基于后退移除法的多元回歸模型分析結果

3 結 論

1)1999～2008年間,湘江城市段的生態承載力平均值為0.16 hm2/人;其生態足跡消耗較大,年均達到了2.88 hm2/人,是全國平均水平的1.8倍,且呈現出快速上升趨勢.

2)湘江城市段年均生態赤字高達2.75 hm2/人,處于生態不安全狀態.其中,長沙市的生態赤字最小,為2.19 hm2/人.這與其城市建設水平較為成熟,城鄉生活水平差距較小,資源利用效率較高等有關.

3)湘江城市段的社會經濟對人均生態足跡變化的正向驅動力明顯強于負向驅動力,其中經濟發展模式和食物供給需求對生態足跡增長的貢獻最為明顯.因此,應通過改造土地生產力,調整產業和能源結構,強化清潔生產等途徑降低生態足跡,提高生態承載力;同時,不斷縮小城鄉差距,科學調控人口規模,合理規劃土地利用類型及規模等,控制社會經濟發展對生態環境系統的壓力.

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