基于生態足跡的寧夏生態環境可持續發展研究

韓文文,劉小鵬,裴銀寶,安 瓊,李永紅

(寧夏大學 資源環境學院,銀川 750021)

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基于生態足跡的寧夏生態環境可持續發展研究

韓文文,劉小鵬,裴銀寶,安 瓊,李永紅

(寧夏大學 資源環境學院,銀川 750021)

基于修正后的生態足跡模型測度了寧夏2000—2013年生態足跡和生態承載力的變化趨勢，引入足跡深度和足跡廣度模型，探討寧夏自然資本利用狀況，加入萬元GDP生態足跡、生態足跡多樣性指數和發展能力指數作為補充，對寧夏的可持續發展能力進行測算。結果表明：(1)研究期內，寧夏全區人均生態足跡由1.601 8增長到2.915，人均生態承載力由1.175平穩下降到1.005，生態赤字增長了2.58倍，寧夏的生態承載力已超負荷；(2)人均足跡深度從1.833上升到3.294，人均足跡廣度維持在0.608 5～0.852 9，資本流量已經不能滿足人們日常消耗，資本存量的利用已然成為寧夏社會經濟發展的必需。2013年，寧夏需要約3.29倍的國土面積才能維持自身的發展。(3)萬元GDP生態足跡由3.009降到0.743 6，發展能力指數由2.630 7上升到4.748 2，表明寧夏的自然資本利用效率正逐步提高，具備一定發展空間，但是生態足跡多樣性指數數值較低，說明寧夏的自然資本利用方式不均衡，生態系統處于不穩定狀態。未來應通過加快產業結構升級、降低能源消耗率、提高耕地利用效率、合理規劃城鎮土地利用等方式來優化自然資本利用狀況，減少生態環境壓力。

生態足跡; 生態承載力; 可持續發展; 寧夏

可持續發展是人類發展的核心議題，在眾多可持續發展的定量化研究中，生態足跡方法為人類利用自然資源狀況提供了更為直觀和簡潔的途徑，被稱為近20年來可持續發展量化領域最重要的進展[1-2]。

生態足跡的概念最初是由加拿大學者Rees[3]提出，隨后由Wackernagel對其進行完善。該方法旨在通過衡量人類為了滿足自身的生存和發展所消耗的自然資本量來評估對生態系統的影響。自1999年生態足跡理論和方法傳入我國[4]之后，我國學者對不同尺度和不同領域的生態足跡做了大量的研究。從研究尺度來看，既有基于全球[5]、國家等大空間尺度的，又有省級[6]、城市[7]等中尺度區域和家庭[8]、學校[9]等小尺度層面的研究。從研究領域來看，由綜合的生態足跡研究發展到具體的土地[10]、水資源[11]、旅游[12]、能源[13]等足跡的探討。隨著對足跡模型的深入研究，生態足跡方法的缺陷和不足日漸顯現。針對不同區域產量因子不同，用實際單產法取代全球產量因子[14]準確計算各個地區的實際生態足跡，來衡量對生態環境的影響；針對生態足跡的評估具有靜態性特征，相關學者[15-16]運用較長時間序列來預測某個區域的生態足跡發展趨勢和變化規律。

本研究從可持續發展角度，在生態足跡模型的基礎上，采用方愷[17]改進的區域足跡廣度和足跡深度兩項指標對寧夏自然資本存量和流量利用進行分類測度，通過對寧夏近14年的生態足跡的演變特征、存量和流量利用強度和結構進行探討，揭示出寧夏的自然資本利用現狀與特點，利用萬元GDP生態足跡、發展能力指數等來評估寧夏的可持續發展能力，以期為政府及相關部門制定區域發展政策提供理論依據。

1　研究區概況

寧夏回族自治區位于35°14′—39°23′N，104°17′—107°39′E，總面積5.19萬km2。從自然地理位置來看，寧夏深居我國西北內陸，黃河中上游由南向北穿越而過，三面由騰格里、烏蘭布和和毛烏素沙漠環繞。按自然地理特征，可分為北部引黃灌區、中部干旱帶和南部黃土丘陵區。從行政區劃來看，寧夏現轄銀川市、石嘴山市、吳忠市、中衛市和固原市5個地級市，22個縣(區)，首府為銀川。截止到2013年年底，寧夏全區總人口達到654.19萬人，人口自然增長率8.62‰，人口密度達98.5人/km2。全年糧食播種面積80.16萬hm2，糧食總產量373.40萬t，種植業產值269.00億元，達到當年農業總產值的62.56%。地區生產總值2 565.06億元，三次產業結構比重達8.7∶49.3∶42。工業中高耗能行業實現增加值503.0億元，占全年全部工業增加值的53.26%。該區生態環境脆弱，歷年重視生態恢復工程，年末實有封山(沙)育林面積32.62萬hm2。

2　數據來源與研究方法

2.1數據來源及說明

本研究的基礎數據主要來源于《寧夏統計年鑒》(2000—2013年)和《中國城市統計年鑒》(2000—2013年)。生態足跡和生態承載力的計算包括耕地、林地、草地、建設用地、化石燃料用地以及污染物用地共6類基礎用地。由于資料的有限性以及相關數據較難獲取，生物資源賬戶中的數據以產量取代消費量，部分數據經過計算處理得到(大豆、蔬菜和薯類由于沒有2001年的數據，采取2000年和2003年的加和平均值)；化石能源類的生態足跡采用張恒義等[18]的碳匯法來計算CO2吸納的土地占用。污染物生態足跡的計算包括廢氣排放(工業SO2和生活SO2排放、工業煙塵排放)、廢水排放(工業廢水、居民生活用水排放)和固體廢氣物的排放(工業固體廢棄物)，計算吸收這些污染物所占用的生物生產性面積時，采用劉樂冕[19]提出的標準進行換算

2.2研究方法

2.2.1生態足跡模型生態足跡算法是指在一定的人口和經濟規模下，計算人類對自然資源的消耗、產生的廢棄物和自然環境提供的供給，并將各種消費和供給按照一定的換算比例折算為相應的生物生產性土地面積，通過測度人類利用的生物生產性面積的大小來評價人類活動對生態環境的影響，以此來判斷區域的發展是否處于自然環境合理的生態承載力范圍內[20]。其計算公式為：

(1)

式中：n為全區人口總數；ef為人均生態足跡；aj為第j種消費項目折算出的人均生物生產土地面積(j =1,2,3,…,7)；cj為第j種項目的人均消費數；pj為第j種消費項目的平均生產能力；EF為總的生態足跡。

生態承載力即一個區域的生態足跡供給量[3]，在數值上相當于區域所能提供給人類的資源、能源和吸納廢棄物排放的所有生物生產性土地面積的總和。其計算公式為：

EC=n·ec=n∑(ajrjyj)

(2)

式中：n為人口數；ec為人均生態承載力；aj為人均實際占有的生物生產性土地面積；rj為均衡因子；yj為產量因子；EC為生態承載力。

由于均衡因子和產量因子是影響生態足跡和生態承載力計算結果的關鍵性因子[21]。采用楊屹等[22]根據生態足跡提出者Wackernagel的研究成果、世界自然基金會(WWF)和全球足跡網絡(GFN)等組織提供的近40年來的均衡因子均值的辦法作為全球生態足跡均衡因子值；全球平均產量主要采用1993年聯合國糧食及農業組織所提供的數據，由于藥材全球平均產量在聯合國糧農組織網站和Wackernagel等相關文獻中并沒有數據，因此，將寧夏全區2000—2012年的產量平均值即3 955.657 kg/hm2代替全球平均產量值。

生態赤字是某區域的生物承載力與生態足跡之差。其計算公式為：

ed=ef-ec

(3)

式中：ed為該區域的人均生態赤字。為謹慎起見，計算ec時扣除12%的生物多樣性保留面積。若ed<0則為生態盈余，表明該區域的生態環境仍處在生態承載力范圍內；若ed>0，則為生態赤字，表示該區域生態環境已經超載，數值越小，生態環境狀況越堪憂。

2.2.2區域足跡廣度和深度模型為了全面地分析區域的自然資本利用現狀以及區域可持續發展狀態，運用足跡深度和足跡廣度來表征對區域資本存量和流量的耗用程度。區域足跡深度和足跡廣度的計算公式為：

(4)

(5)

式中：EFdepth,region為區域足跡深度，EFdepth,region=1時，表明人類占用的自然資本存量為0，僅靠消耗自然資本流量即可滿足自身發展需求；當EFdepth,region>1時，表明人類已經開始啟用存量資本來滿足自身的消耗，其值越小，動用自然資本存量越少，發展狀態越良好。反之，則發展越不可持續；EFsize,region為區域足跡廣度，EFsize,region∈(0，EC]，EFsize,region越大，表明可持續性越強。

2.2.3區域綜合發展能力模型由于區域的發展，技術進步等社會人文因素會促進和改變人類利用資源效率的水平和方式，為表征人類對某區域資源利用效率的高低，引入萬元GDP生態足跡公式[23]，即將某區域單位末端所耗費的資源量折算為生物生產性土地面積。該指標越小，說明區域內系統資源的利用程度越高，反之，利用程度越低。其計算公式為：

(6)

生態足跡多樣性指數采用Shannon-Weaver[24]的公式，計算某個區域內的各類資源消耗所需的生物生產性面積的分配均衡度。

(7)

式中：H為生態足跡多樣性指數；Mj為j類土地類型所占總生態足跡的比例。H值越高，表示生態足跡多樣性越高，系統越穩定，生態足跡類型分配越平等，反之，系統越不穩定，分配越不均衡[25]。

發展能力指數C可采用Ulanowicz[26]的方法通過生態足跡和生態足跡多樣性的乘積得出。其計算公式如下：

(8)

生態足跡模型側重對一個區域的經濟發展能力的度量，而衡量某個區域的可持續發展能力則是受經濟、社會和生態等綜合因素的影響[27]。采用萬元GDP生態足跡、生態足跡多樣性指數和發展能力指數彌補單純依靠生態足跡來衡量區域可持續發展的不足，多方位的評價區域可持續發展能力。

3　結果與分析

3.1生態足跡基本狀況

根據公式(1)—(3)分別計算出2000—2013年寧夏省人均生態足跡、人均生態承載力和生態赤字。由圖1可知，寧夏人均生態足跡在波動中持續上升，由2000年的1.601 8 hm2增加到2011年的3.056 0 hm2，達到研究期內的歷史最高位，年均增速6.13%，增長了1.9倍；之后出現緩慢增長階段，直到2013年年末人均生態足跡為2.915 8 hm2。與此同時，人均生態承載力平緩下降，從2000年的1.173 9 hm2下降到1.005 6 hm2，平均下降速度為1.17%。人均生態承載力的平穩下降和生態足跡的快速增長，導致生態赤字逐年增加，2013年生態赤字高達2.031 3 hm2，寧夏生態系統面臨長期不可持續狀態。人均生態赤字與人均生態足跡曲線基本呈同步增長態勢，可見寧夏人均生態赤字的擴大主要源于人均生態足跡的增長。

圖1　寧夏2000-2012年人均生態足跡、人均生態赤字和生態承載力變化趨勢

將寧夏生態足跡賬戶細分為生物資源賬戶、化石能源賬戶、建筑用地賬戶和污染物排放賬戶，并將這4類賬戶人均生態足跡所占比例(圖2)以及各地類人均生態足跡變化趨勢(圖3)結合起來分析，以便更好地研究寧夏生態足跡增長和變化的原因。

圖2　各類賬戶人均生態足跡賬戶所占比例

圖3　各地類人均生態足跡變化趨勢

由圖2和圖3可知，生物資源賬戶人均生態足跡的生態占用最為明顯。其中，耕地類的生態足跡占的比例最大，平均達到46.87%。其次是草地類生態足跡占用比例達34.5%。從2012年開始，草地類的生態足跡(0.316 9 hm2)開始超過耕地類的生態足跡(0.300 0 hm2)，成為生物資源賬戶中最主要的消費類型。耕地和草地的人均生態足跡變化表明人民生活消費結構的轉變，更加注重蛋白質營養的攝入，注重飲食質量?？傮w而言，林地生態足跡變化不大，水域生態足跡緩慢增長，研究期內共增長0.244 4 hm2。水域生態足跡所占比例較小，很可能與寧夏人均水域面積小有關。

污染物生態足跡在2010年之前一直是生態足跡的第二大消費類型(2010年以后，化石能源生態足跡消耗開始超過污染物生態足跡消耗)。廢氣SO2排放是造成污染物生態足跡高的最主要因素，其平均消耗量占總污染物生態足跡的79.67%。由于廢氣SO2的排放主要來源于工業能耗，而資源能耗型重化工屬于寧夏的基礎性產業，所耗能源均以原煤為主，因而擁有較高的生態足跡。

化石能源賬戶以年均11.31%的速度增長，到2013年人均生態足跡達到1.028 6 hm2，是2000年的3.793倍。據統計，2013年全年全區能源消費總量為4 850.5萬t標準煤，煤炭消耗一直占據著能源消耗的絕對位置，年均增速12.58%，到2013年年底，煤炭共消耗4 544.91萬t標準煤。而以水電、風電、光伏發電為主的清潔能源比重僅占0.95%，能源消費結構失衡。這種以消耗大量能源為支撐的經濟增長方式，必然會給生態環境帶來巨大的壓力。

此外，建筑生態足跡總體呈緩慢增長狀態，是僅次于林地之外，占用生物生產性土地面積最小的土地利用類型。事實上從2009年之后，寧夏建筑用地的足跡開始以6.97%的速度猛增，但受限于人口密度、城鎮化水平等方面因素的影響[28]，建筑用地的生態足跡所占比例仍然較小。

由圖4可知，耕地的生態承載能力最強，即使其生態承載力一直處于下降的趨勢，但仍占據著總生態承載力的65.8%。草地和水域的生態承載力微幅下降，建筑用地的生態承載力則從2002年開始緩慢上升，表明寧夏城市規模擴大的同時，城市建設土地利用方式在逐步提高。可見，生態承載力的變化主要是由于耕地的生態承載力下降造成。這與寧夏自2000年開始實施退耕還林、還草工程造成耕地面積減少有很大的關系。在保證生態環境保護工程繼續實施的前提下，提高耕地的效率，增加單位面積產值是減少生態足跡和增強生態承載力的重要途徑。

注：根據污染物排放所占用的生物生產性土地面積類型不同，將廢棄物排放生態承載力歸類到建設用地、廢氣排放生態承載力歸入林地、廢水排放生態承載力歸類到水域中。

圖4各地類人均生態承載力變化趨勢

3.2足跡深度與足跡廣度的變化

3.2.1足跡深度的變化由公式(4)可測算出生態足跡深度的變化(表1)。研究期內人均足跡深度增速較快，其中，耕地和建筑用地人均足跡深度為1，說明這兩類用地生態承載力大于生態足跡，出現生態盈余的情況，依靠自身的自然資本流量即可滿足自身自然資本服務的需求。林地的足跡深度最大值出現在2002年(8.712 3)，最小值出現在2006年(3.307 6)，之后開始緩慢上升。從2000年開始，草地的足跡深度一直增加，2009年達到最大值13.912 2，此后下降，維持在9左右。林地和草地足跡深度的發展變化表明，寧夏實施退耕還林和還草工程成效在2005年之后逐步顯現。到2013年寧夏仍需要近10倍的草地面積才能滿足當前人們的消耗量，反映了人民對肉類產品的需求量。水域的足跡深度發展狀況與草地相似，都是經歷了“N”字形的變化過程，最大值出現在2008年，之后也經歷了較緩慢的上升階段。2013年的數據顯示水域足跡深度高達52.724 5，是寧夏所有土地類型中發展最不可持續，生態環境壓力增大的重要因素。由于寧夏水域面積本身不具備優勢，在保護湖泊濕地的同時，應該調整水產養殖結構，提高單位水產產出，是減少水域存量資本消耗的根本方式。能源足跡深度有較大的波動，經歷了“下降、上升、平穩”3個階段：從2000—2003年足跡深度由12.917 1下降到5.405 7，下降了一半；在2004—2007年經歷了快速上升時期，這一時期的能源以年均84.48%的速度猛增，2007年成為足跡深度中數值最大的消耗類型；2007年以后基本穩定在45左右。能源足跡深度的波動與寧夏退耕還林工程、寧東能源重化工基地的建設(2003年一期工程開始)分不開，反映了不同時期政府政策的著力點對生態足跡深度的影響力度。寧夏水域和化石能源用地成為資本存量消耗的主要驅動力。

表1　寧夏2000-2013年人均生態足跡深度

注：為保持生態足跡和生態承載力各地類的組份相同，采取圖4的辦法，將廢棄物排放生態足跡歸類到建設用地、廢氣排放生態足跡歸入林地、廢水排放歸類到水域中。

3.2.2足跡廣度的變化由公式(5)可測算出生態足跡廣度的變化(表2)。研究期內足跡廣度的變化基本維持在0.608 5～0.852 9，寧夏的自然資本利用程度不高。從足跡廣度的構成來看，2013年耕地足跡廣度比重達46.95%，建筑用地比重達22.17%，林地占20.45%，草地5.39%，化石能源用地3.74%，水域1.26%。說明寧夏省人均占用土地面積中主要以耕地和建筑用地為主，農業生產仍是寧夏全區較為重要的自然資本利用方式。而建筑用地近幾年足跡廣度逐步提高的狀況表明寧夏城鎮的流量資本利用在逐步優化。林地的足跡廣度絕大部分來源于吸收燃燒煤炭所產生的廢氣SO2所占用的生物生產性土地面積，側面反映了寧夏這種高耗能的生產生活方式對自然資本流向的引導作用；化石能源用地和水域份額均較低，表明公益林面積和水域面積的人均稟賦較低對自然資本利用方面不具備優勢。

表2　寧夏2000-2013年人均生態足跡廣度

3.3綜合發展能力分析

從表3可以看出，寧夏的生態足跡多樣性指數一直維持在較低水平，生態足跡分配不均衡，生態系統不穩定。寧夏萬元GDP生態足跡由3.009 8 hm2/萬元下降到0.743 7 hm2/萬元，說明寧夏在經濟發展的過程中，對自然資本總量需求增加的同時資源利用效率也在提高，發展能力指數由2.630 7穩步提高到4.748 2，說明寧夏的發展能力正在穩步上升，具有較大的發展潛力。

表3　萬元GDP生態足跡、生態足跡多樣性指數和發展能力分析

4　結 論

(1)研究期內，寧夏人均生態足跡整體呈現增加趨勢，而生態承載力則表現為下降態勢，受生物資源、能源消費增長和耕地生態承載力下降等主要因素的影響，寧夏生態赤字不斷擴大，生態系統狀況不容樂觀。

(2)全區自然資本的利用狀況受經濟社會發展水平和資源稟賦的不同表現各異。流量資本的利用主要以耕地和建筑用地為主，利用程度總體不高。而存量資本以水域、能源用地的消耗為主。

(3)全區萬元GDP生態足跡呈現大幅下降趨勢，生態足跡多樣性指數維持在較低水平，綜合發展能力指數呈現出穩步上升趨勢，區域綜合發展潛力較大。

(4)研究區按自然地理特征分為北部引黃灌區、中部干旱帶和南部黃土丘陵區三大區域。各區自然環境、地貌特征和經濟社會發展狀況各異，致使影響三大區域的生態足跡和生態承載力原因各異，存量和流量自然資本利用方式也不同。因此，以自然地理分區為基礎，開展三大區域單元的生態承載力和生態足跡分析與討論，是未來需要進一步探究的問題。

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Study on Ecological Environment Sustainable Development in Ningxia Based on Theory of Ecological Footprint

HAN Wenwen,LIU Xiaopeng,PEI Yinbao,AN Qiong,LI Yonghong

(College of Resources and Environment,Ningxia University,Yinchuan 750021,China)

The trend of ecological footprint and carrying capacity of Ningxia from 2000 to 2013 were calculated based on the calibrated ecological footprint model.The model of footprint depth and footprint size were included,the utilization of natural capital of Ningxia was studied,ecological footprint of GDP per 10 000 Yuan was added,and ecological footprint diversity index and development capacity index were supplemented to assess the sustainable development ability of Ningxia.The results showed that: (1)during the study period,the ecological footprint per capita in Ningxia increased from 1.601 8 to 2.915,the ecological carrying capacity per capita steadily declined from 1.175 to 1.005,and the ecological deficit increased 2.58 times,which showed that Ningxia′s ecological carrying capacity had been overloaded; (2)footprint depth per capita grew from 1.833 to 3.294,footprint size per capita ranged from 0.608 5 to 0.852 9,capital flow had been unable to meet people′s daily consumption,the utilization of capital stock had already become necessary for social and economic development of Ningxia.By the end of 2013,Ningxia need about 3.29 times of land area to maintain its own development; (3)ecological footprint GDP per 10 000 Yuan decreased from 3.009 to 0.743 9,development capacity index rose from 2.630 7 to 4.748 2,which indicated that Ningxia′s natural capital use was improved and it had a certain development potential.However,the low ecological footprint diversity index showed that natural capital utilization was not balanced and the ecosystem was still in an unstable state.In the future,industrial structure upgrading should be speeded up,energy consumption should be reduced,and efficiency of cultivated land should be improved.Reasonable planning of urban land use and other ways to optimize natural capital use should be implemented to reduce ecological environment pressure.

ecological footprint; ecological carrying capacity; sustainable development; Ningxia Hui Autonomous Region

2016-02-29

2016-03-23

國家自然科學基金“寧夏六盤山區空間貧困及其分異機制研究”(41261021)

韓文文(1991—),女,河南清豐縣人,碩士研究生,研究方向為生態經濟與生態評估。E-mail:nxdxhww@163.com

劉小鵬(1973—),男(滿族),寧夏海原縣人,博士,教授,主要從事生態經濟與城鄉規劃研究。E-mail:nxdxlxp@163.com

F062.2; X22

A

1005-3409(2016)05-0285-06