基于灰色模型的長沙市生態(tài)足跡與生態(tài)承載力預(yù)測分析

郭榮中, 申海建, 楊敏華

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 長沙 410083;2.長沙環(huán)境保護職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 長沙 410004; 3.湖南省測繪科技研究所, 長沙 410004)

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基于灰色模型的長沙市生態(tài)足跡與生態(tài)承載力預(yù)測分析

郭榮中1,2, 申海建3, 楊敏華1

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 長沙 410083;2.長沙環(huán)境保護職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 長沙 410004; 3.湖南省測繪科技研究所, 長沙 410004)

生態(tài)足跡方法是分析區(qū)域可持續(xù)發(fā)展狀況的重要方法。基于生態(tài)足跡模型對長沙市1996—2008年的生態(tài)足跡進行計算，并利用灰色模型對其發(fā)展趨勢進行了預(yù)測分析。結(jié)果表明：在1996—2008年，長沙市人均生態(tài)足跡由1.232 6 hm2增加到1.872 2 hm2；同期人均可利用生態(tài)承載力由0.391 8 hm2逐年下降到0.355 0 hm2，人均生態(tài)赤字由1996年的0.840 8 hm2增加到2008年的1.517 2 hm2，呈增長趨勢。同時根據(jù)預(yù)測出的研究區(qū)域2011—2020年的人均生態(tài)足跡和人均可利用生態(tài)承載力，得到2020年研究區(qū)域人均生態(tài)赤字將增加到2.736 3 hm2，表明當前長沙市處于一種不可持續(xù)的發(fā)展狀態(tài)，區(qū)域超負荷的生態(tài)狀態(tài)呼吁當?shù)卣块T積極采取有效措施，發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟，建設(shè)生態(tài)文明，以真正實現(xiàn)資源環(huán)境與區(qū)域經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展。

生態(tài)足跡; 生態(tài)承載力; 生態(tài)赤字; 灰色模型; 長沙市

生態(tài)足跡(Ecological Footprint，EF)模型最早是在1992年由加拿大生態(tài)經(jīng)濟學(xué)家Willian Rees等提出，并于1996年由其博士生Wackemagel完善的一種衡量可持續(xù)發(fā)展能力的方法[1-2]。生態(tài)足跡模型在1999年引入我國后[3],國內(nèi)學(xué)者相繼進行了生態(tài)足跡法的理論研究和實證分析，分別從國家[4-5]、省域[6-11]、城市[12-13]等不同尺度進行了積極探討，以及對某個行業(yè)的生態(tài)足跡進行分析，主要集中在對水資源生態(tài)足跡的研究[14-15]和對旅游生態(tài)足跡的分析[16]。研究表明，通過對生態(tài)足跡的計算與分析，定量了解人類對自然的利用狀況，定量測量人類的需求是否處于自然的再生產(chǎn)能力之內(nèi)，計算出人們對資源、能源的利用狀況，從而確定城市資源與環(huán)境承載力現(xiàn)狀水平，評價區(qū)域可持續(xù)發(fā)展狀況。

本文應(yīng)用生態(tài)足跡模型，在計算長沙市1996—2008年的人均生態(tài)足跡與人均可利用生態(tài)承載力的基礎(chǔ)之上，分析評價長沙市近13 a的可持續(xù)發(fā)展狀況，建立基于GM(1，1)灰色預(yù)測的人均生態(tài)足跡與人均可利用生態(tài)承載力預(yù)測模型，進而預(yù)測2011—2020年長沙市人均生態(tài)足跡、人均可利用生態(tài)承載力以及生態(tài)赤字狀況，定量判斷長沙市目前可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)，以期為長沙市未來人類生存和社會經(jīng)濟發(fā)展做出科學(xué)規(guī)劃和建議，為政府或相關(guān)部門制定政策與規(guī)劃提供科學(xué)、合理的依據(jù)，為“兩型”社會核心區(qū)的長沙市各類土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整和空間優(yōu)化布局起到參考作用。研究結(jié)果既能夠反映出長沙市的資源消耗強度，又能夠反映出長沙市的資源供給能力和資源消耗總量，揭示了人類持續(xù)生存的生態(tài)閾值。本文從不同的空間尺度上加強對生態(tài)足跡方法的研究，強調(diào)自然生態(tài)環(huán)境在可持續(xù)發(fā)展中的基礎(chǔ)地位，在研究方法也進行一些有益的探索，豐富了中國生態(tài)足跡的研究成果，同時倡導(dǎo)可持續(xù)的發(fā)展觀與樸素、適度、注重環(huán)保的生態(tài)消費理念，以在全社會牢固樹立生態(tài)文明觀，提高公眾生態(tài)保護意識。

1　生態(tài)足跡模型

生態(tài)足跡模型主要基于兩個基本的事實：一是人類可以保留大部分消費的資源以及大部分產(chǎn)生的廢棄物；二是這些資源和廢棄物能轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的生物生產(chǎn)性土地面積[17-19]。它是在對土地面積量化的基礎(chǔ)上，在社會發(fā)展的需求層面上計算出生態(tài)足跡的大小，在生態(tài)環(huán)境的供給層面上計算出生態(tài)承載力的大小，進而評價區(qū)域可持續(xù)發(fā)展狀況。在該模型中，將各種資源和能源消費項目折算為耕地、林地、草地、建筑用地、化石燃料土地和水域6種類型的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積之后，再進行均衡處理，將這些具有不同生態(tài)生產(chǎn)力的土地生產(chǎn)面積，轉(zhuǎn)化為具有相同生態(tài)生產(chǎn)力的面積。

1.1生態(tài)足跡的計算

首先是計算各類消費帳戶的人均生態(tài)足跡(Ai)，計算公式為：

Ai=Ci/Yi=(Pi+Ii-Ei)/(Yi×N)

(1)

式中：i——消費項目的類型；Yi——食物生產(chǎn)性土地第i種消費項目的世界平均產(chǎn)量；Ci——第i種消費項目當?shù)氐娜司M量；Pi，Ii，Ei——第i種消費項目的年生產(chǎn)量、年進口量、年出口量；N——人口數(shù)。

在此基礎(chǔ)上再進行生態(tài)足跡的計算，由于每一類土地類型的生產(chǎn)力不同，將各種類型的生物生產(chǎn)性土地面積乘以一個相應(yīng)的均衡因子[3]，以使不同生物生產(chǎn)性土地類型的空間匯總為區(qū)域的生物生產(chǎn)力和生態(tài)足跡。區(qū)域人均生態(tài)足跡(ef)的計算公式為：

ef=∑riAi=∑ri(Pi+Ii-Ei)/(Yi×N)

(2)

式中：ri——均衡因子。

區(qū)域總?cè)丝诘纳鷳B(tài)足跡(EF)計算公式：

EF=N×(ef)

(3)

式中：N——人口數(shù)。

1.2生態(tài)承載力的計算

在計算生態(tài)承載力時，由于同類生物生產(chǎn)性土地的生產(chǎn)力存在地區(qū)差異，將其面積乘以一個相應(yīng)的產(chǎn)量因子[3]，以使不同區(qū)域同類生物生產(chǎn)性土地面積可進行對比。區(qū)域人均生態(tài)承載力(ec)的計算公式：

ec=∑Cj=∑aj×rj×yj

(4)

式中：Cj——第j種消費項目的人均生態(tài)承載力分量；aj——人均生物生產(chǎn)面積；rj，yj——均衡因子和產(chǎn)量因子。

區(qū)域總生態(tài)承載力(EC)的計算公式：

EC=N×(ec)

(5)

1.3生態(tài)盈余與生態(tài)赤字的計算

生態(tài)赤字與生態(tài)盈余是用來反映區(qū)域人口對自然資源的利用狀況。區(qū)域生態(tài)足跡如果超過了區(qū)域所能提供的生態(tài)承載力，就出現(xiàn)生態(tài)赤字；反之則表現(xiàn)為生態(tài)盈余。

2　長沙市1996-2008年生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的計算及結(jié)果分析

2.1長沙市2008年生態(tài)足跡計算

根據(jù)《長沙統(tǒng)計年鑒》(2009)，應(yīng)用上述生態(tài)足跡的計算方法，對長沙市2008年生態(tài)足跡進行計算和分析。該計算分為兩個部分：生物資源消費和能源消費。

2.1.1生物資源消費本文將生物資源消費分為農(nóng)作物產(chǎn)品、動物產(chǎn)品、林產(chǎn)品等消費項目，同時采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織1993年計算的有關(guān)生物資源的世界平均產(chǎn)量數(shù)據(jù)，對生物資源生產(chǎn)面積進行折算。長沙市2008年生物資源生態(tài)足跡消費計算結(jié)果見表1。

2.1.2能源消費長沙市能源消費主要包括：原煤、洗精煤、其他洗煤、型煤、焦炭、其他燃料、汽油、煤油、柴油、燃料油、其他石油制品、液化石油氣、天然氣、其他煤氣、電力、熱力共16種，對于原煤、天然氣等一次能源的消費，根據(jù)全球平均發(fā)熱量和折算因子統(tǒng)一為化石燃料用地面積；對于二次能源電力和熱力，本文將其生態(tài)足跡轉(zhuǎn)化為吸收用煤發(fā)電過程中排放CO2的化石燃料用地，是間接的煤炭消費生態(tài)足跡。對于建筑用地，本文按居民點及工礦用地、交通用地之和計算。由于缺乏長沙市進出口及國內(nèi)貿(mào)易的詳細數(shù)據(jù)，本文在計算生態(tài)足跡時未考慮貿(mào)易商品量，計算結(jié)果見表2。

表1　2008年長沙市生物資源生態(tài)足跡消費

注:木材的全球平均產(chǎn)量的單位為m3/hm2，其生物量的單位為104m3。

表2　2008年長沙市能源生態(tài)足跡消費

注:電力、熱力數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)化為標準煤。

2.2長沙市2008年生態(tài)承載力的計算

根據(jù)長沙市2008年實際能夠提供的人均生物生產(chǎn)面積，計算長沙市人均生態(tài)足跡，并和長沙市的生態(tài)足跡進行匯總和比較，具體見表3。

表3　2008年長沙市生態(tài)足跡需求與供給對比

由表3可得出，2008年長沙市的人均生態(tài)足跡為1.872 2 hm2，而實際生態(tài)承載力為0.403 4 hm2，扣除要預(yù)留12%的生物多樣性保護用地(0.048 4 hm2)后，人均可利用生態(tài)承載力為0.355 0 hm2，則人均生態(tài)赤字為1.517 2 hm2。這表明長沙市的人類負荷已經(jīng)超過了其生態(tài)容量。其中人均耕地、人均草地、人均水域、人均化石能源用地生態(tài)足跡為赤字，反映了長沙市對耕地、草地、水域、化石能源用地需求過高，本地對應(yīng)的自然資源無法提供保障，需從外地通過貿(mào)易輸入；人均林地、人均建筑用地生態(tài)足跡為盈余，分別為0.051 6 hm2和0.088 6 hm2，反映了長沙市人均林地和建筑用地的需求在生態(tài)系統(tǒng)承載范圍之內(nèi)。

2.3長沙市1996-2008年生態(tài)足跡動態(tài)變化趨勢

采用上述生態(tài)足跡計算方法，以長沙統(tǒng)計年鑒(1997—2009)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別計算長沙市1996—2008年生態(tài)足跡及生態(tài)赤字情況，以此來分析長沙市生態(tài)足跡變化趨勢(表4)。

表4的數(shù)據(jù)表明，長沙市人均生態(tài)足跡由1996年的1.232 6 hm2逐年增加到2007年1.941 3 hm2，達到峰值，2008年略微下降到1.872 2 hm2；同期人均可利用生態(tài)承載力由1996年的0.391 8 hm2逐年持續(xù)下降到2008年0.355 0 hm2。研究期間，長沙市人均生態(tài)足跡和人均可利用生態(tài)承載力呈反向發(fā)展，必然造成人均生態(tài)赤字呈增長趨勢，由1996年的0.840 8 hm2逐年增加到2007年的峰值1.582 7 hm2，2008年略微下降到1.517 2 hm2。1996—2008年，長沙市人均生態(tài)足跡的需求1996—2002年緩慢增長，2003年之后呈快速增長趨勢，同期人均生態(tài)足跡的供給基本持平，導(dǎo)致人均生態(tài)赤字的變化趨勢與人均生態(tài)足跡的需求變化趨勢相同，說明長沙市的生態(tài)發(fā)展趨勢不容樂觀。造成這種趨勢的原因，主要是由于長沙市對自然資源和能源的利用逐年增大已經(jīng)超出了市內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的容量。因此，長沙市生態(tài)環(huán)境已接近不可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)。

表4　1996-2008年長沙市人均生態(tài)足跡供給與需求、生態(tài)赤字變化趨勢　hm2/人

注:人均可利用生態(tài)承載力是指生態(tài)承載力扣除了要預(yù)留的12%的生物多樣性保護用地后的值。

3　長沙市2011-2020年生態(tài)足跡預(yù)測

3.1預(yù)測方法

為了預(yù)測2011—2020年長沙市人均生態(tài)足跡、人均可利用生態(tài)承載力以及生態(tài)赤字狀況，本文利用GM(1，1)模型[20]，即：

(6)

(7)

3.2預(yù)測結(jié)果

以1996—2008年長沙市人均生態(tài)足跡、人均可利用生態(tài)承載力為基礎(chǔ)，利用GM(1，1)模型即式(6)，(7)，預(yù)測研究區(qū)域2011—2020年生態(tài)赤字狀況，預(yù)測模型見表5。

表5　長沙市人均生態(tài)足跡和人均可利用生態(tài)承載力預(yù)測模型

注：e為常量，其值為2.718 28；t為預(yù)測時間。

通過計算相對誤差來檢驗預(yù)測模型的精度，當相對誤差絕對值小于3%時，說明模型精度是非常高的[20]，相對誤差越小，表示精度越高。由表5可知，人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力的預(yù)測模型相對誤差均小于3%，這表明預(yù)測模型可信度高。同時以長沙2012年統(tǒng)計年鑒的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計算長沙市2011年生態(tài)足跡及生態(tài)赤字情況，以此進一步驗證預(yù)測模型的準確性，計算結(jié)果表明2011年長沙市人均生態(tài)足跡為2.052 3 hm2，人均可利用生態(tài)承載力為0.343 4 hm2，人均生態(tài)赤字為1.708 9 hm2，而根據(jù)表6的模型預(yù)測結(jié)果可知，2011年長沙市人均生態(tài)足跡與人均可利用生態(tài)承載力將分別達到2.107 9 hm2和0.346 2 hm2，其生態(tài)赤字達到1.761 7 hm2，所以實際值與預(yù)測模型值的相對誤差分別為2.7%和0.8%，表明預(yù)測模型精度較高。

根據(jù)表5的模型預(yù)測2011—2020年長沙市的人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力，預(yù)測結(jié)果見表6，2020年人均生態(tài)足跡和人均可利用生態(tài)承載力分別達到3.056 8 hm2和0.320 5 hm2，生態(tài)赤字達到2.736 3 hm2。可見，必須采取一系列有效的措施，提高土地生產(chǎn)力，減少能源消耗，發(fā)展清潔能源，控制人口增長，改變現(xiàn)有的經(jīng)濟發(fā)展模式、加大科技創(chuàng)新。否則，長沙市生態(tài)赤字將會不斷加大，可持續(xù)發(fā)展狀況進一步惡化。

表6　2011-2020年長沙市人均生態(tài)足跡供給與需求、生態(tài)赤字變化預(yù)測　hm2/人

4　結(jié)論與討論

(1) 1996—2008年，長沙市人均生態(tài)足跡由1.232 6 hm2增加到1.872 2 hm2；同期人均可利用生態(tài)承載力由0.391 8 hm2逐年下降到0.355 0 hm2，人均生態(tài)赤字呈增長趨勢，由1996年的0.840 8 hm2增加到2008年的1.517 2 hm2，研究期間生態(tài)足跡一直存在生態(tài)赤字，即不可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)。反映了該研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)為人類提供各種服務(wù)能力在持續(xù)下降，需要通過從外地不斷地輸入生態(tài)足跡，才能維持現(xiàn)有的生活水平和消費水平。

(2) 利用GM(1，1)模型，預(yù)測研究區(qū)域2011—2020年人均生態(tài)足跡、人均生態(tài)承載力以及生態(tài)赤字狀況。研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域到2020年人均生態(tài)赤字達到2.736 3 hm2。對于這種不容樂觀的生態(tài)前景，當?shù)卣仨氁鸶叨戎匾暡⑦M行有效控制。

(3) 根據(jù)研究區(qū)域的具體情況，建議采取的措施主要有：① 以資源和能源的利用為核心，以推行清潔生產(chǎn)、廢物綜合利用、調(diào)整產(chǎn)業(yè)鏈、資源優(yōu)化合理利用為手段，探索符合長沙實際的“兩型”產(chǎn)業(yè)發(fā)展有效模式與途徑，突出抓好重點行業(yè)、重點企業(yè)、重點地區(qū)的能耗管理和排污監(jiān)控，堅決淘汰落后產(chǎn)能和“五小”企業(yè)，加快資源循環(huán)利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展、強化污染物減排和治理，重點流域水污染防治，發(fā)展環(huán)保產(chǎn)業(yè)，促進企業(yè)的循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展。② 積極推進能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，發(fā)展新能源和可再生能源，在生產(chǎn)和生活中大力推廣清潔能源，同時進一步提高能源的使用效率，實施重點節(jié)能工程，探索節(jié)能減排的激勵約束機制。③ 在經(jīng)濟建設(shè)與土地開發(fā)利用過程中，采取積極的生態(tài)保護措施，完善農(nóng)地生態(tài)補償機制，加強生態(tài)工程治理，完善土地管理制度，合理安排建設(shè)用地、生態(tài)用地和基本農(nóng)田用地，進一步強化合理規(guī)劃、立體開發(fā)，在城市建設(shè)、園區(qū)開發(fā)、農(nóng)民安置、道路建設(shè)、農(nóng)業(yè)開發(fā)等重點領(lǐng)域降低土地資源消耗，積極實施一批集約用地、節(jié)能改造等示范工程，積極探索資源節(jié)約利用的“長沙模式”。④ 加快水利基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，城鄉(xiāng)防洪防旱能力的增強；加快地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)調(diào)查評價體系、監(jiān)測預(yù)警體系、防治體系、應(yīng)急體系的建立。加快完成湘江、瀏陽河及奎塘河兩岸水土修復(fù)、生態(tài)防護林建設(shè)、沿江風(fēng)光帶建設(shè)。重點加強湘江流域長沙段全程監(jiān)控治理，推進湘江流域生態(tài)經(jīng)濟帶建設(shè)。⑤ 以創(chuàng)建“全國生態(tài)市”和“國家環(huán)境保護模范城市”為重點，按照市域和都市區(qū)兩個層次，建設(shè)結(jié)構(gòu)性綠地，保護“一江、四水、五洲、十山”為骨架的自然生態(tài)系統(tǒng)，加快城市綠色空間體系的建設(shè)，長沙市中心城區(qū)范圍內(nèi)以景觀性綠地為主，城區(qū)以外區(qū)域以生態(tài)綠地為主，以湘江生態(tài)廊道為生態(tài)環(huán)境綠化系統(tǒng)中的主軸，以瀏陽河、溈水河、撈刀河、靳江河生態(tài)綠化帶構(gòu)建市域大綠色空間的生態(tài)骨架；加強東、西、南、北四個農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的建設(shè)。以促進研究區(qū)域重點生態(tài)功能區(qū)的保護和管理，增強涵養(yǎng)水源、保持水土能力，保護生物多樣性。

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Predictive Analysis on the Ecological Footprint and Carrying Capacity of Changsha City Based on Grey Model

GUO Rongzhong1,2, SHEN Haijian3, YANG Minhua1

(1.School of Info-Physics and Geomatics Engineering, Central South University,Changsha410083,China; 2.ChangshaEnvironmentalProtectionVocationTechnicalCollege,Changsha410004,China; 3.InstituteofMappingofHu′nanProvince,Changsha410004,China)

The ecological footprint is an important way to analyze the regional sustainable development. In the present study, the ecological footprint of Changsha City from 1996 to 2008 was calculated and analyzed by means of the ecological footprint model, while the trend of its development was predicted using the grey model. The results show that in 1996—2008, the ecological footprint of Changsha per capita increased from 1.232 6 hm2to 1.872 2 hm2, the ecological carrying capacity per capita gradually decreased from 0.391 8 hm2to 0.355 0 hm2, while the ecological deficit per capita increased from 0.840 8 hm2in 1996 to 1.517 2 hm2in 2008, indicating the growing trend. Likewise, according to the predicted ecological footprint and ecological carrying capacity per capita of the study area from 2011 to 2020, the ecological deficit of the study area in 2020 will increase up to 2.736 3 hm2, suggesting that Changsha will be in the state of unsustainable development. The overload of regional ecological state required local governments to take effective measures to develop the ecological civilization of the ecological economy construction, to achieve the coordinated development of resource environment and regional economy.

ecological footprint; ecological carrying capacity; ecological deficit; gray model; Changsha City

2015-01-27

2015-03-03

湖南省科技廳科技計劃項目“基于RS和GIS的長株潭區(qū)域土地利用覆被變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究”(2011SK3203)

郭榮中(1979—),女,湖南桂東縣人,博士研究生,副教授,主要從事土地信息與土地利用的研究。E-mail:gyun91@163.com

X171.4

A

1005-3409(2015)04-0195-06