基于EEF模型的昆明市生態系統發展狀態評價

尚海龍 徐榮民 羅永常 龍純娥 楊廷鋒 蔣煥洲

摘要：運用能值分析理論改進的生態足跡模型（EEF），對昆明市2002～2011年能值足跡的動態變化進行分析，并應用GM（1，1）模型，對未來10年人均能值進行預測。結果發現：EEF模型的計算數值明顯高于傳統模型；昆明市生態系統出現盈余，處于可持續發展狀態；在自然環境、經濟狀況不發生“突變”的前提下，2012～2020年人均能值盈余呈下降趨勢且年均遞減率為20.57%，盡管生態系統沒有赤字，但生態安全面臨嚴峻挑戰。本研究對“新昆明”建設及其生態系統的可持續發展將有著重要的啟示。

關鍵詞：EEF模型；情景預測；“新昆明”建設

中圖分類號：F062.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）10-2522-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.10.060

能值分析理論和方法是由美國著名生態學家、系統能量分析先驅H.T.Odum于20世紀80年代創立的。應用這一科學概念和度量標準及其能值轉化率可將生態系統內流動和儲存的不同類別的能量和物質轉換為統一標準的能值，進行定量分析研究[1]。該理論對于改進傳統生態足跡模型（EF）開拓了新的途徑，兩者相結合構建的能值足跡模型（EEF）有效彌補了EF在區域可持續發展評價中所采用的標準不夠統一、不同研究結果缺乏可比性等缺陷，使計算結果能更客觀、真實地反映研究區域生態系統的環境狀況[2]。

曾利用EF模型對云南及昆明生態足跡進行研究的姜海鳳等[3]、陸穎等[4]得出結論：昆明市自2000年以來，生態赤字逐漸擴大，人類活動強度的持續增加對生態系統可持續發展產生了較為嚴重的負面影響。鑒于EF將生物資源賬戶、能源與產品賬戶生態足跡疊加計算總生態足跡，忽視可再生自然資源賬戶，這已經遠遠不能覆蓋中國生產消費的真實情況[5]，致使生態足跡（EF）與生態承載力（EC）差值偏小，與生態系統的理想容量相比尚有一定差距，對地區生態系統可持續性評價欠客觀。所以，上述研究成果對昆明市生態系統評價有不完善之處。因此，本研究運用EEF模型對昆明能值足跡若干年時間序列的變化趨勢予以探討，對區域生態環境現勢及人類活動的影響強度進行量化，旨在更科學地評價生態系統發展狀態，為“新昆明”建設[6]提供有益的借鑒。

1 研究區概況

昆明市受整個云南高原的抬升運動和來自西北方向橫斷山余脈及北烏蒙山脈的影響，地勢呈階梯狀排布，北部多山，南部較平坦，地貌以湖盆巖溶高原為主，以紅色山原為次。昆明市所在的滇中盆地是云南高原面積最大、發育最全的新生代山間斷陷盆地，三面環山，南瀕滇池，海拔約為1 900 m，總面積2.101 3萬km2。太陽光平均凈輻射量1.67 E+9 J/m2·a[7]，常年平均風速3.5 m/s[8]。2011年昆明主城區年降水量為662 mm，較多年平均979 mm少317 mm，偏少幅度為32%，近年來的干旱使昆明生態系統的脆弱性增強。作為云南省惟一的特大城市、“新昆明”建設的中心、中國與大湄公河次區域經濟合作中心樞紐和主要通道的昆明市，現下轄6區、1市（縣級）和7縣，其中民族自治縣3個（圖1）。本研究擬對大昆明生態系統發展狀態進行評價，為從根本上提出解決研究區發展中存在的突出的環境問題的方法，對促進實施現代“新昆明”發展戰略有著重要的現實意義。

2 模型方法與數據來源

能值足跡的定義為：一個國家或地區所能獲得的可更新資源與消費的各種資源及消費這些資源時產生的廢棄物所對應的能值面積。它包含兩個方面的含義，一是人類所能獲得的自然資源對應的能值面積，稱為能值承載力；二是人類消費的自然資源及消費這些自然資源所產生的廢棄物所對應的能值面積，稱為能值足跡。它注重反映區域功能與土地功能的差異性，使計算結果的精度明顯提高，能更客觀真實地反映研究區生態經濟系統可持續發展狀態。本研究采用熱值、能值轉化率、能值密度（全球能值密度、區域能值密度）更加穩定的參數，通過建立EEF與GM（1，1）模型，定量評價昆明市2002～2011年生態系統的環境發展狀況和預測分析2012～2020年生態經濟系統發展狀態。具體的計算模型如下。

2.1 能值足跡模型

2.1.1 基于改進的生態足跡的計算方法 計算能值足跡，首先把不同類型與等級的能量流換算成太陽能值，然后引進能值密度，將各消費項的太陽能值換算成對應的生物生產性土地面積，最后計算區域的能值足跡與能值承載力。

EEf =■ai=■ci /P2 （1）

式中，EEf表示人均能值足跡；i表示消費項目類型；ai表示第i種資源的人均能值足跡；ci表示第i種消費項目的人均能值；P2表示區域能值密度，其計算公式如下：

P2=■ （2）

在區域總能值的計算中，通常取可再生資源值進行計算，包括太陽能、雨水化學能、雨水勢能、風能、地球旋轉能。風能、雨水能、地球旋轉能都是太陽光能的轉化形式，為了避免重復計算同一性質的能量投入，故只取最大項與潮汐能值之和作為區域總能值[9]。太陽光能、風能、雨水化學能、雨水勢能和地球轉動能計算方法來源于相關文獻[10，11]。能值足跡主要包括生物資源、能源資源和廢棄物3部分[3]。分別計算這些消費項的能值總量、人均能值與能值足跡，最后相加就能得到人均能值足跡。

2.1.2 能值承載力的計算方法 能值承載力是相對于可更新資源而言的。只有利用區域內部可更新資源的數量，能值承載力結果才有可持續性。其計算公式如下：

EEc=e/P1 （3）

式中，EEc表示人均能值承載力；e表示人均可更新資源的能值數量；P1表示全球能值密度。計算公式是：

P1=■ （4）

GEI表示年均所有自然能值輸入，GEC表示年均能值承載力。根據最新計算方法[12]，全球每年自然能值輸入量為1.58 E+25 sej，全球能值承載力5.10 E+10 hm2，因此P1=3.10 E+14 sej/hm2·a。

2.1.3 能值赤字或者盈余（EEp）計算方法 能值承載力與能值足跡相減，EEp為正值表示能值盈余，否則就是能值赤字。以此作為評價區域生態經濟系統可持續發展水平的可靠依據。

2.2 情景預測模型GM（1，1）

目前使用最廣泛的灰色預測模型，就是關于數列預測的一個變量、一個微分的GM（1，1）模型。設已知數據變量組成序列為x（0），用1-AGO生成一階累加序列為x（1），其中z（1）為x（1）緊鄰均值生成序列。利用最小二乘估計可得到參數滿足：■=（BTB）-1BTY，求解得到灰色情景預測白化方程為：

■（1）（k+1）=（x（0）（1）-■）e-a（k-1）+■ （5）

根據此模型能夠對研究區2012～2020年的能值足跡動態變化趨勢進行數據模擬計算。

2.3 數據來源

本研究涉及到的生物資源、能源消費和廢棄物項目數量均來自于《云南統計年鑒》（2003-2012）、《昆明統計年鑒》（2003-2012）及云南能源局與統計局的調研；太陽凈輻射能平均值、平均風速分別來源于參考文獻[7，8]；年均降水量來源于云南省水文局水資源公報。各消費項目的熱值參考文獻[12-15]；太陽能值轉換率參考文獻[11，16]。

3 結果與分析

3.1 能值測算

在計算能值足跡時因數據缺乏且考慮到云南大環境不變，特將太陽凈輻射能和風能設為多年平均值，但這不影響研究結果。由于昆明平均海拔高，因此雨水勢能多年來都是研究區域最大的可再生資源能值（表1），以此作為能值總量計算該區域能值密度P2，然后依據上述能值足跡模型，對昆明市2002～2011年能值足跡和能值承載力計算（表2、表3）。

3.2 情景預測

根據公式（5），求得2002～2010年人均能值盈余（2011年數據微有波動，沒有參與預測）情景預測方程為：

Ep（k+1）=-57.330 856 22e-0.065 5+62.505 676 22 （6）

經計算昆明市2002-2010年人均能值盈余變化的模擬結果見表4。

對上述已經建立的情景預測模型進行殘差檢驗（相對誤差），發現預測數據與計算數據的相對誤差均小于5%。經計算平均相對誤差為0.27%<5%，精度等級為二級，預測效果屬于良好。因此可以根據公式（6），對2011～2020年人均能值盈余進行情景預測，結果如表5所示。

3.3 綜合評價

為了進一步研究人類活動的強度及未來10年昆明生態系統對“新昆明”建設的承載潛力，分別對能值足跡與情景預測結果進行綜合分析。

3.3.1 能值足跡變化趨勢分析 從計算結果（表2、3）來看，2002～2011年能值承載力波動下降，人均能值足跡呈螺旋式上升。近10年來人均盈余均為正值，說明昆明市人類活動負荷尚未超過生態環境的容量下限。其中，各類型生物生產性土地面積對生態足跡的貢獻，以2011年為例，依次為牧草地、化石燃料用地、耕地、水域、林地及建筑用地。其中，牧草地與化石燃料用地對能值足跡的貢獻率達到了80%，反映出對昆明市生態環境影響最大的是畜牧業及能源工業。

通過對近10年來人均能值足跡與承載力動態變化分析，結果表明，昆明市人均足跡由2002年的2.975 6 hm2增加到2011年的4.449 3 hm2，年均增長率4.11%。期間雖有波動，但整體呈增大趨勢。反映出人類的生活水平不斷提高，各類生產活動對自然資源的利用強度不斷提升，對生態環境的負荷日益加重；昆明市的人均能值承載力由6.462 4 hm2下降到5.215 9 hm2，年均下降2.17%。2009～2011年能值承載力雖出現了波動，但變幅不大，2011年較上年略有增長。說明近年來的干旱影響了自然資源的再生產。從構成上分析，對承載力貢獻最大的是雨水勢能，其次是風能與太陽能，可以看出可更新資源的開發利用程度還較低，特別是對有著巨大潛力的太陽能資源的利用還不夠。

基于昆明市能值盈余情況，從表1～表3可以發現其變化趨勢，人均盈余在逐年縮小，由2002年的3.4 869 hm2減少到2011年的0.765 7 hm2，年均減少16.37%，且在連續9年下降之后2011年又出現小幅度回升。說明人類生產活動沒有超出生態系統閾值，研究區處于可持續發展狀態。從自然資源的豐度來看，昆明可更新自然資源與生物資源儲量可觀，潛力巨大。近年來，昆明市在經濟快速發展的同時，實現了生態系統的可持續發展，這對云南實施“新昆明”建設奠定了生態基礎。

3.3.2 人均盈余動態變化的情景預測結果分析 從情景預測結果來看，昆明市在未來9年內，人均能值處于盈余狀態。假設自然環境變化較為穩定，昆明市生態安全沒有明顯挑戰，生態系統是持續發展的。區域內自然資本的收入大于人口消費的需求，昆明市的生產、消費模式具有強可持續性。但到2020年人均能值盈余僅為0.179 9 hm2，年均遞減率為20.57%，大昆明的可持續發展形式可能會轉變，所以，實施“新昆明”建設，增強生態系統活力，應采取保護與開發并重的生態策略，使昆明市自然資源總量得以增加，生態容量將有所擴大。

以上運用EEF模型評價昆明市生態系統，計算數值明顯高于運用EF模型評價昆明生態系統的計算結果[3-5]，主要原因在于能值理論對EF重構后計算方法所量化與表達的承載力內涵不同，研究的生態經濟系統邊界發生了顯著變化。同時，生態概念的經濟領域擴展也是形成差距的重要原因。總之，EEF模型克服EF難以反映區域實際情況和技術進步帶來的影響、沒有涉及可更新自然資源的能量等缺陷，對區域生態承載潛力進行了準確測算，為生態經濟系統可持續演進狀態評價提供了新的思路，明顯優于EF的計算方法。

4 結論及啟示

4.1 基本結論

1）運用EEF模型，對昆明市2002～2011年的能值足跡進行分析發現：EEF模型的計算數值明顯高于EF模型，昆明市人均能值足跡維持在2.975 6～4.449 3 hm2之間；人均能值承載力維持在6.462 4～5.215 9 hm2之間；能值盈余年均值為1.547 6 hm2。說明了昆明市生經態系統有盈余存在，處于可持續發展狀態。

2）運用GM（1，1）模型，對昆明市2012～2020年的人均能值盈余進行情景預測發現：未來若干年昆明市生態系統尚不會出現赤字的狀況，生態經濟系統為“新昆明”建設奠定了堅實的基礎，但生態安全面臨潛在的威脅。

總體來看，昆明近年來經濟發展較快，人民生活水平不斷提高。雖然近10年來生態系統處于可持續發展狀態，但也面臨人類活動不斷加強的嚴峻挑戰，優化生態系統的策略應成為“新昆明”建設的重要組成部分。

4.2 EEF評價結果對“新昆明”建設的啟示

昆明市生態經濟系統蘊含著巨大的開發潛力，能值承載力不僅能滿足當地經濟發展和人們生活的需求，而且也為“新昆明”建設帶來了新契機。為了增大昆明生態盈余，提高利用可再生資源的能值承載力，減小污染物排放足跡，因此在“新昆明”建設中，應在以下方面付諸努力。

1）高效開發可再生資源，減少環境負荷。昆明擁有豐富的太陽能、風能、水能、沼氣與生物質能源等新能源與傳統能源，重點開發這些資源，提高利用效率。從能值足跡的組成考慮，這些自然資源的有效開發能夠提高能值總量，減少污染物排放。

2）加快推進新型工業化進程，培育戰略性新興產業。“新昆明”建設離不開現代工業基礎的支撐，重點發展新能源、現代生物醫藥、電子信息等一批科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環境污染少的戰略性產業與高端制造業，對“新昆明”建設意義重大。

3）建設“低碳昆明”，提高“綠色生產力”。建設綠色經濟強市，應以低碳交通、低碳建筑、低碳農業、低碳材料、低碳消費、低碳政府甚至低碳校園等來統領昆明經濟發展的諸方面。從能值足跡的內涵考慮，提升“綠色生產力”就是增大環境承載能力；建設“低碳昆明”，就是減少碳足跡總量。

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