基于生態足跡的資源型城市可持續發展能力分析——以山西省晉城市為例

李炳意, 師學義

(中國地質大學 土地科學技術學院, 北京 100083)

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基于生態足跡的資源型城市可持續發展能力分析
——以山西省晉城市為例

李炳意, 師學義

(中國地質大學 土地科學技術學院, 北京 100083)

以新型城鎮化進程中典型資源型城市——晉城市為研究對象，采用生態足跡綜合法賬戶模型，以2004—2013年共10 a的生物資源平均產量作為動態參照，選取了較新的均衡因子，利用NPP(凈初級生產力)客觀合理地確定了各土地類型產量因子，在此基礎上對晉城市2004—2013年的生態足跡進行了計算，并引入單位萬元GDP生態足跡、生物多樣性指數、生態足跡發展能力和生態壓力指數四項指標，多方面綜合分析了晉城市的可持續發展能力。研究表明：2004—2013年晉城市人均生態足跡呈遞增趨勢，人均生態承載力略微減少，生態赤字呈現上升趨勢，單位萬元GDP生態足跡逐年減少，生態多樣性指數基本保持不變，生態經濟系統發展能力有所提高，生態壓力不斷增大。其主要原因為人口總量增加、經濟增長帶動消費水平提高、能源需求所占比重較大以及土地利用效率較低。據此，提出優化產業結構，提高土地利用效率，控制人口規模，保護生態環境的對策以提高晉城市可持續發展能力。該研究在一定程度上豐富了城市生態安全研究案例，為經濟發展轉型中的資源型城市可持續發展提供決策依據。

生態足跡; 生態承載力; 可持續發展; 資源型城市; 晉城市

進入21世紀以來，經濟發展成為我國各地區的主要目標和任務，但隨之也給人類所處的生態環境帶來巨大壓力，資源、環境與經濟三者的矛盾日益突出，各類生態問題的不斷出現嚴重威脅到人類的生存環境。科學合理地評價人類活動對區域自然環境的壓力和區域生態系統的承載力，是實現社會經濟及生態可持續發展面臨的重要問題[1]。生態足跡法，由加拿大生態經濟學家William和其博士生Wackernagel提出，用于衡量人類對資源的利用程度以及生態環境為人類提供的服務功能。自其提出以來，生態足跡的研究廣泛應用到了不同領域和方面。在模型計算方法方面，經濟學家William和其博士Wackernagel建立了生態足跡綜合法賬戶模型計算框架[2]，Simmons和Chambers提出了成分法，之后Lewis和Barett又對其進行了完善[3]，Bicknell等提出了投入產出法的計算模型[4]，生態學家HTOdum提出了生態—經濟系統研究方法，也就是能值分析方法[5]，國內學者側重于對模型方法的應用研究，如顧曉微等運用成分法對東北大學生態足跡的研究[6]，秦耀辰等對生態占用法在區域可持續發展評價中的運用與改進[7]。在研究領域與范圍方面，生態足跡由最初的生態研究擴展到能源[8]、土地[9]、國際貿易[10]等領域，在空間上則從全球的應用推廣到國家[11-12]、省[13-15]、城市[16-17]，縣[18]、學校[6,19]、企業[20]等層面，而針對能源型城市的可持續發展能力分析非常少。在生態足跡模型產量因子計算方面，當前國內的生態足跡研究中通常采取Wackernagel等計算的1993年中國平均產量因子，如成淑敏等[21]對京津冀及江浙滬地區1996—2008年的生態足跡研究，曲哲等[22]對朝陽市2004—2008年生態足跡的研究，唐湘玲等[23]對新疆2001—2007年生態足跡的研究，采用過去年份的全國平均產量因子去研究地區的生態足跡在時間與空間上都不合理，不能體現區域的生產特征，而黃羿等[24]對廣東省生態足跡的研究，采用各類生態生產性用地的實際產量與全國平均產量的比值計算產量因子，雖解決了時效問題，但實際上是在假設區域內生產活動不會超出土地的承載力，不能合理地體現生產強度對土地的壓力。在均衡因子與生物資源平均生產力計算方面，無論是單一年份的生態足跡計算還是引入時間序列的生態足跡分析，均采用了Wackernagel等計算得出的1993年全球均衡因子和平均生產力，如王錄倉等[25]對甘南州2010年生態足跡的研究，很少有人采用較新的全球均衡因子并依據研究時段選取各年全球平均生產力。在生態承載力計算方面，生態生產性土地面積調整標準不統一，其中馬莉等[26]在實踐中將園地劃入林地類型，張芳等[27]把園地劃入耕地類型，盧明富等[28]將園地單獨作為一類生態生產性用地進行計算，而土地類型歸屬劃分的不同又會明顯影響生態足跡計算結果，所以有必要明確生態生產性用地調整的標準。

山西省晉城市作為典型的資源型城市，依靠煤炭等資源帶動其經濟迅速發展，資源消耗嚴重，區域可持續發展面臨嚴峻挑戰。本文以晉城市為例，利用生態足跡模型，選取了FAO所提供的2004—2013年的生物資源平均產量作為動態參考量，采用了《Living Plant Report》所提供的較新的均衡因子，參照《Living Plant Report》計算生態承載力中對FAO統計的各類土地面積數據的歸類標準，對我國土地利用現狀分類進行了地類的調整，提出了一套調整標準，之后依據晉城市生物及能源資源生產狀況的特殊性，利用凈初級生產力(net primary production，NPP)更加合理地確定各土地類型產量因子，在此基礎上對該城市2004—2013年的生態足跡進行計算，并引入與生態環境相關的生物多樣性指數和生態壓力指數，以及與經濟發展相關的單位萬元GDP生態足跡和生態足跡發展能力兩項指標，從多方面綜合分析晉城市的可持續發展能力，為利用生態足跡模型分析資源型城市的可持續發展能力提供參考依據。

1　研究方法

1.1生態足跡模型

生態足跡模型是通過將區域的生物資源和能源消費轉化為提供這些物質流所需要的各類生產性土地類型的面積，并同區域內能提供的生物或能源資源生產性土地面積比較，從而判斷這一區域的生產和消費活動是否在當地生態系統的承載力范圍內。

生態足跡模型的建立基于以下兩種基本事實[29]：一是人類可以估計自身消費的絕大多數資源、能源及其所產生的廢棄物的數量；二是這些資源和廢棄物能折算成生產和消納這些資源和廢棄物流的生物生產面積或生態生產面積。其計算模型為：

ef=∑rjAi=∑rj(Pi+Ii-Ei)/(Yi×N)

(1)

式中：ef——人均生態足跡(hm2/人)；i——消費項目的類型；rj——均衡因子；Ai——第i種消費項目折算的人均生態足跡分量(hm2/人)；Pi，Ii，Ei——第i種消費項目的年生產量、年進口量和年出口量；Yi——生物生產土地生產第i種消費項目的世界年均產量(kg/hm2)；N——人口數(人)。

ec=∑aj×rj×yj

(2)

式中：ec——人均生態承載力(hm2/人)；aj——人均生物生產面積(hm2/人)；rj——均衡因子；yj——產量因子。

將區域總的生態足跡(EF)和生態承載力(EC)進行比較，當生態足跡小于生態承載力時表示生態冗余(ER)，說明生態環境具有可持續性；當生態足跡大于生態承載力時，表示生態赤字(ED)，說明生態環境不具有可持續性[30]。

1.2相關指標計算公式

(1) 生態壓力指數。生態壓力指數為區域生態足跡與生態承載力的比值，體現了地區生態環境的承壓程度的大小。其計算公式為：

ep=ef/ec

(3)

式中：ep——生態壓力指數；ef——人均生態足跡(hm2/人)；ec——人均生態承載力(hm2/人)。

(2) 單位萬元GDP生態足跡。單位萬元GDP生態足跡為區域總生態足跡與萬元GDP的比值，體現了地區自然資源的利用效率。其計算公式為：

f=EF/g

(4)

式中：f——單位萬元GDP生態足跡(hm2/萬元)；EF——區域總生態足跡(hm2)；g——區域生產總值(萬元)。

(3) 生態足跡多樣性指數。生態足跡多樣性指數體現了不同生態生產性土地類型利用的豐裕度以及生態足跡分配的公平度，其值越高，說明各土地類型利用的數量越大，生態足跡的分配越平等。其計算公式為：

H=-∑(Pi×lnPi)

(5)

式中：H——多樣性指數；Pi——i類土地類型生態足跡占總生態足跡中的比例。

(4) 生態經濟系統發展能力。生態經濟系統發展能力是通過利用系統產出的大小與系統的組織結構(多樣性)來體現生態經濟系統的發展能力，按Ulanowicz的公式，生態經濟系統發展能力由生態足跡乘以生態足跡多樣性指數得到[31]。研究證明其值與GDP呈正相關，生態足跡多樣性指數越大，生態經濟系統發展能力越強[32]。其計算公式為：

C=ef×H

(6)

式中：C——生態經濟系統發展能力；ef——人均生態足跡(hm2/人)；H——生態足跡多樣性指數。

1.3生態生產性土地面積調整方法

參照《Living Plant Report》計算生態承載力中對FAO統計的各類土地面積數據的歸類標準，對應于我國土地利用現狀分類并進行地類調整，方法見表1。

表1　國內土地面積統計數據匹配生態足跡模型的調整方法

注：由于目前所獲得的土地利用現狀數據絕大部分是依據第二次土地利用現狀調查數據修正所得，所以調整方案針對的是第二次土地調查所使用的分類，其他分類標準可以轉換為第二次土地利用現狀調查分類標準再進行調整。

2　2004-2013年晉城市生態足跡計算

2.1晉城市生態足跡計算

生態足跡包括生物資源消費和能源消費。本文依據晉城市的經濟發展狀況以及主要資源生產消費情況，選取谷物、豆類等21項生物資源消費項目，煤炭、焦炭等8項能源消費項目(表2)。各消費項目數據和人口數據均源于《晉城市統計年鑒》(2005—2014)。2004—2013年各年份資源消費項目的全球平均生產力采用FAO提供的全球平均產量，能源資源消費項目計算需要的各類化石能源折算系數和全球土地平均吸熱系數則采取Wackeragel提出的全球平均能源足跡參數。

由于本文研究時段為晉城市2004—2013年生態足跡情況，均衡因子取《Living Plant Report 2012》中計算的2010年全球均衡因子，其取值為耕地(2.51)、林地(1.26)、牧草地(0.46)、水域(0.37)、建設用地(2.51)、化石能源用地(1.26)。根據以上數據和參數，將各類型土地面積轉化為全球平均性生物生產性土地面積，并計算得出各年份的人均生態足跡(表3)。

2.2生態承載力計算

生態承載力的計算也就是計算區域的生態供給，即各類生態生產性土地面積折算后的和值。2004—2013年的各類土地面積是根據晉城市土地利用現狀變更調查數據確定的，其中2004—2008年數據不是第二次土地調查數據，需將其按照第二次土地調查所用分類標準進行轉換，在此基礎上將10 a的各類土地面積數據按本文所提的調整方法(表1)整合為耕地、林地、牧草地、水域、建筑用地和化石能源用地6類生態生產性用地。

表2　晉城市生物資源和能源消費項目指標

表3　2004-2013年晉城市人均生態足跡

產量因子體現了區域生產力和全球平均生產力的差異，不同類型土地的生產特點差別較大，需要根據不同類型土地的生產特征選擇合適的計算方法。本文采用凈初級生產力來確定各類用地的產量因子，用NPP代表土地的生物生產力，可使產量因子真實地體現各類用地生產力的差別，從而使生態足跡的計算結果更確切地體現人類消費對生態系統供給的占用情況。

通過用研究區域各土地類型的NPP[33]與相應的全球NPP作比值，可得到各土地類型的產量因子，而耕地由于存在復種情況，本文采用2010年晉城市耕地實際平均產量與全球平均產量的熱值比計算，建筑用地大部分由耕地轉化而來，產量因子參照耕地(表4)。依據世界環境與發展委員會做出的報告，生態容量中至少有12%需要被保存來保護生物多樣性，因此在計算生態承載力時應扣除12%的生物多樣性保護面積。綜合以上各類數據，計算得出晉城市2004—2013年的人均生態承載力(表5)。

表4　晉城市各生態生產性用地產量因子

2.3生態盈余或赤字計算

通過進行生態足跡與生態承載力的差值計算，得到晉城市2004—2013年各年份的人均赤字(或盈余)以及各類生態生產性用地的生態赤字(或盈余)(表6)。

3　晉城市2004-2013年可持續能力

3.1生態足跡分析

生態需求方面，2004—2013年晉城市人均生態足跡平均值為2.15 hm2，與2008年全國水平(2.1 hm2)相近，低于全球水平(2.7 hm2)，其中耕地人均生態足跡平均值為0.42 hm2，占總人均生態足跡的19.5%，能源用地人均生態足跡平均值為1.40 hm2，占總人均生態足跡的65.14%，說明晉城市的生態消費主要來自化石能源用地和耕地。2004—2013年晉城市人均生態足跡總體呈增長趨勢，10 a間共增長了0.76 hm2，增長率為42.21%，其中2004—2007年增長了0.24 hm2，增長率為13.55%，增長速度比較平緩，2007—2008年減少了0.11 hm2，2008—2013年增長0.63 hm2，增長率為32.68%，增長速度較快。化石能源用地生態足跡從2004年的1.17 hm2增加至2013年的1.64 hm2，共增長0.47 hm2，占總增長的61.57%，是拉動晉城市生態足跡增長的主要因素，可見晉城市人均生態足跡逐年增長主要是因為其經濟發展對以煤炭為主的能源產業依賴程度非常大。

圖1　2004-2013年晉城市生態足跡動態變化

生態供給方面，2004—2013年晉城市人均生態承載力平均值為0.64 hm2，低于2008年全國水平(0.87 hm2)，遠小于全球人均生態承載力1.8 hm2，僅為晉城市人均生態足跡平均值的29.64%，其中耕地人均生態供給平均值為0.44 hm2，占總生態供給的61.2%，是晉城市生態供給的主要部分。2004—2013年晉城市人均生態承載力基本保持不變，總體略微減少，變化趨勢與耕地保持一致，耕地生態供給減少是導致晉城市人均生態承載力減少的主要因素，2004—2013年建設用地占用耕地占耕地總減少量的71.24%，生態退耕占耕地總減少量的18.67%，可見造成晉城市生態承載力減少的主要原因是非農建設用地占用以及生態退耕等引起的耕地生態供給的減少。

表5　2004-2013年晉城市人均生態承載力

表6　2004-2013年晉城市各類土地類型生態赤字或盈余

生態盈余和赤字方面，2004—2013年晉城市10 a均為生態赤字，其平均值為1.51 hm2，比全國高0.28 hm2，比全球高0.61 hm2，總體上逐年遞增，共增長0.78 hm2，增長趨勢與人均生態足跡大體一致，其中耕地在2005年、2007年和2009年呈現盈余狀態，其余年份呈現赤字狀態，并有遞增趨勢；草地、水域、化石能源用地呈現生態赤字，且有上升態勢，其中化石能源人均赤字10 a共增加0.47 hm2，是生態赤字增加的主要影響因素；林地呈生態盈余狀態，主要是由于晉城市對林產品的消費量較小，建筑用地雖盈余，但總體上呈減少趨勢，說明晉城市的城市化對生物生產性土地構成侵占。

3.2相關指數分析

單位萬元GDP生態足跡體現了地區自然資源的利用效率，其需求量與資源利用效益成反比。2004—2013年晉城市單位萬元GDP生態足跡逐年減少，從2004年的1.42 hm2/萬元下降到2013年的0.54 hm2/萬元，表明在經濟增長帶動需求消費增加的同時，晉城市對生態資源的依賴度降低，資源的利用效率有所提高，利用方式由粗放型向節約集約型轉變。生態足跡多樣性指數體現了不同生態生產性土地類型利用的豐裕度以及生態足跡分配的公平度，其值越高，說明生態足跡的分配越平等。2004—2013年晉城市生態多樣性指數總體保持不變，平均值為0.94，表明晉城市的各類土地類型利用的豐裕度與均衡性良好，進而說明晉城市經濟發展對各類生態生產性用地的利用影響較小。

生態經濟系統發展能力是通過利用系統產出的大小與系統的組織結構(多樣性)來描述生態經濟系統的發展能力，其值與GDP成正相關。2004—2013年晉城市生態經濟系統發展能力呈上升趨勢，由2004年的1.64上升到2013年的2.47，其中2004—2009年增幅較小，2009—2013年增幅較大，說明晉城市的生態經濟系統發展能力在逐年提升，且近年來增長迅速。生態壓力指數可以體現地區生態環境承壓程度的大小。2004—2013年晉城市生態壓力呈上升趨勢，從2004年的2.79上升到2013年的4.07，可見晉城市生態環境承壓程度逐年增大，生態環境的保護與經濟發展的矛盾仍然存在，城市的可持續發展面臨挑戰。

3.3原因分析

依據生態足跡和相關指數分析結果，結合晉城市經濟發展狀況，分析晉城市人均生態赤字逐年增加、可持續發展能力下降的原因主要有4方面：(1) 人口總量增加。2004—2013年晉城市人口規模由2004年的212萬人增至219萬人，人口的增加使得生態需求增大，人均生態供給減小，從而導致生態赤字不斷增加；(2) 經濟增長帶動消費水平提高。隨著晉城市經濟的快速發展，區域生產總值由26.8億元增至103.2億元，增幅284.56%，人民的生活水平顯著提高，居民消費水平由2004年的3 638元增至2013年的13 759元，資源消耗的加大使得生態足跡逐年增加；(3) 能源需求所占比重較大。晉城市作為典型的資源型城市，經濟發展依賴第二產業的效益，2004—2013年第二產業對地區生產總值貢獻率平均值為63.64%，能源用地生態足跡平均值占總生態足跡的65.14%，增長量占總生態足跡增長量的61.57%，可見能源消耗占總生態足跡的比例較大，而相對應的生態承載力則為0，導致生態赤字隨能源消耗的增大而增加；(4) 土地利用效率較低。雖然近年來晉城市對各類土地的利用效率有所提高，但總體利用效率水平仍較低，2004—2013年未利用地面積占土地總面積比例平均值為5.48%，仍有大部分土地閑置，農用地單位面積產量平均值為4 329.74 kg/hm2，低于2007年全國平均水平4 755 kg/hm2，非農業建設用地產出率低，全市人均建筑用地面積平均值為315.86 m2，遠超過國家規定人均100 m2的標準，各類生態生產性土地的生產能力不足以支撐當地消費水平，導致生態承載力遠低于全球平均水平。

4　結論與討論

本文采用生態足跡綜合法賬戶模型，對晉城市2004—2013年的生態足跡進行了計算，并引入單位萬元GDP生態足跡、生物多樣性指數、生態足跡發展能力和生態壓力指數四項指標，從不同維度綜合分析了晉城市的可持續發展能力，并得出以下結論：

(1) 分析結果表明，2004—2013年晉城市人均生態足跡呈遞增趨勢，10 a間共增長了0.76 hm2，年均增長率為4.22%，平均值為2.15 hm2，低于全球水平(2.7 hm2)，人均生態承力載基本保持不變，總體略微減少，平均值為0.64 hm2，遠低于全球水平(1.8 hm2)，生態赤字呈現上升趨勢，共增長0.78 hm2，年均增長率為6.73%，平均值為1.51 hm2，比全國高0.28 hm2，比全球高0.61 hm2，表明晉城市的生態環境壓力逐年增大，可持續發展能力逐年下降。晉城市單位萬元GDP生態足跡逐年減少，生態多樣性指數基本保持不變，生態經濟系統發展能力有所提高，生態壓力不斷增大，經濟的快速增長與生態資源環境承載能力的矛盾仍很突出。

(2) 為提高晉城市可持續發展能力，改善晉城市生態環境狀況，提出以下4條途徑：第一，優化產業結構。改變晉城市過度依賴煤炭等能源發展經濟的模式，減少對化石燃料能源的消耗，加大第三產業的發展力度。第二，提高土地利用效率。加大農業與生態建設的投入，提高農業產業化水平，提高耕地生產力，提高能源利用效率，加大經濟發展由粗放向節約集約型的轉變力度。第三，控制人口規模。要加強人口管理，控制人口數量過快增長，減輕人口對生態環境的壓力。第四，保護生態環境。加大生態環境保護力度，嚴格耕地保護制度，減少污染物的排放，提高生態環境的承載能力。

(3) 利用生態足跡模型進行城市可持續發展能力的動態分析，關鍵是參照指標和因子的確定，參照指標和因子選取是否合理，關系著利用該模型計算結果的精度與科學性。因此，選取參照指標與計算因子過程中要注重時效性、地域性和實際性。本文在生物資源平均產量采用方面，選取了FAO所提供的2004—2013年生物資源平均產量作為動態參考量，均衡因子采用了《Living Plant Report》所提供的較新的2010年數據，產量因子則依據晉城市生物及能源資源生產狀況的特殊性，利用凈初級生產力(NPP)進行了確定，并提出了一套對應我國土地利用現狀分類的生態生產性用地調整標準，此外還引入了與生態環境相關的生物多樣性指數和生態壓力指數，以及與經濟發展相關的單位萬元GDP生態足跡和生態足跡發展能力兩項指標，從多方面綜合分析了晉城市的可持續發展能力，其分析結果較好地體現了晉城市的可持續發展能力，為利用生態足跡模型分析資源型城市的可持續發展能力提供了參考依據。

生態足跡計算模型雖然已經在國內外被大量應用，但仍沒有形成一個最優的計算標準，對未利用地的生態價值也沒有進行合理計算。本文雖然科學合理地確定了均衡因子和產量因子，并提出了一套詳細的地類調整標準，卻未考慮未利用地的生態服務價值。因此，在后續研究中，可以針對未利用地的生態價值對生態足跡模型進行更深層次的研究和完善。

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Analysis of Sustainable Development Capacity in Resource Cities Based on Ecological Footprint Model—Taking Jincheng City of Shanxi Province as an Example

LI Bingyi, SHI Xueyi

(College of Land Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China)

We selected Jincheng City as a typical resource city in the process of new urbanization to explore its sustainable development capacity according to the Account Model of Ecological Footprint Compound Approach. To be specific, we used the average yield of ecological resource from 2004 to 2013 as the dynamic reference, selected newly equivalent factors and rationally determined the yield factors of various land types under the method of net primary production (NPP). And then we calculated the ecological footprint (EF) during 2004—2013 to evaluate the sustainable development capacity based on 4 indicators such as EF per ten thousand GDP, biodiversity index, the development ability of EF as well as the ecological tension index. The results showed that the EF per capita of Jincheng was increasing during the period from 2004 to 2013 while the ecological carrying capacity per capita was slightly decreasing. What′s more, the ecological deficit was getting worse, the EF per ten thousand GDP was continually dropping while the biodiversity index almost remained unchanged. Although the eco-economic system improved, the ecological tension built up. Main reasons included total population increase, the enhancement of consumption level driven by the economic growth, the huge proportion of energy demand plus the relatively lower land use efficiency. Accordingly, we suggest optimize the industrial structure, improve land use efficiency, control population size and protect ecological environment to increase the sustainable development capacity. This study enriched the case study of urban ecological security to a certain extent, providing effective basis for the sustainable development of resource city in the process of economic transformation.

ecological footprint; ecological carrying capacity; sustainable development; resource city; Jincheng City

2015-09-27

2015-10-05

國土資源部公益性行業科研專項經費“北方村莊壓煤山丘區土地綜合整治技術研究”(201411007)

李炳意(1991—),男,山西晉城人,碩士研究生,主要從事土地利用規劃與土地資源可持續利用研究。E-mail:libingyi0314@163.com

師學義(1960—),男,山西祁縣人,博士,教授,主要從事土地利用規劃與土地利用工程研究。E-mail:shixueyi60@163.com

F301.24

A

1005-3409(2016)02-0255-07