基于生態足跡與生態信息法的廣州市可持續性研究

王興輝　龍妍

摘要：生態足跡法和生態信息法分別廣泛應用于城市可持續發展評估和生態系統穩定性及有序性評價。由于廣州市的發展對中國其他城市具有借鑒作用，因此文章運用生態足跡法和生態信息法分別對廣州市1995-2013年期間可持續性的外部維度和內部維度進行了研究。研究結果表明，從可持續性外部維度來說廣州市的消費是不可持續的，1995-2013年廣州市生態足跡分為三個階段：平穩增加階段、加速上升階段和穩定階段。從可持續性內部維度來說，1995-2013年廣州市能源與物質消費網絡結構的有序性經歷了先上升、再下降、后平穩的過程，整個消費網絡結構的有序性或效率降低，更多的資源消耗在資源傳輸過程中。通過對比廣州市人均生態足跡、消費網絡結構的有序性和人口數量的關系，可以發現人口的急劇變化導致了人均生態足跡的增加和城市消費網絡結構有序性降低，人口是影響城市可持續性的根本因素之一 。

關鍵詞：生態足跡；生態信息法；信息熵；可持續發展；

中圖分類號：X24文獻識別碼：A

The sustainable research based on ecological footprint and ecological information-based approach in Guangzhou

Wang Xinghui1， Long Yan1

（1.School of Energy and Power Engineering of Huazhong University of Science &Techonoligy， Wuhan， Hubei， 430074， China）

Abstract：Ecological footprint and ecological information-based approach are applied in assessment of sustainability and assessment of ecosystems stability. Due to the development of the Guangzhou city could be a reference for other cities in China， the interiorand exterior dimensions of sustainability in Guangzhou city during 1995-2013 are studied via ecological footprint and ecological information-based approach. The results showed that， the consumption in Guangzhou was not sustainable for the exterior dimensions of sustainability. The ecological footprint of Guangzhou during 1995-2013 is divided into three phases： the steadily increasing phase， the quickly increasing phase and the stead phase. The order of energy and material consumption network structure went up， down and smooth during 1995-2013. By comparing the relationship among per capita ecological footprint， the order of network structure and thepopulation in Guangzhou，it can be found that the dramatic change of population led to the increase of per capita ecological footprint and reduction of urban consumptionnetwork structure order.The population is one of the fundamental factors which affect urban sustainability.

Key Words： Ecological footprint；Ecological information-based approach；Information entropy； Sustainable development；

一、引言

城市化進程的加速發展和經濟的騰飛，使人們在擁有了更多物質基礎的同時也使得環境問題變得越來越復雜，1972年布倫蘭特等人的可持續發展概念就是為應對社會發展和環境之間的矛盾提出來的。目前，對可持續性這一概念的表述有多種多樣，但是應用最廣泛的還是世界環境發展委員會的定義，即生態系統能夠在可預見的未來為人類提供消費和活動的物質基礎和服務[1]。

隨著研究人員對這一概念的不斷探討，生態系統可持續性逐漸從定性框架[2-3]轉為定量計算[4-5]。對于不同的定量分析方法，其側重點一般表現為兩個方面[6]：對于某一個系統而言，一方面是研究資源的數量和效率等可持續性的外部維度，本質上是從經濟社會消費或生產的角度出發探討存量和流量之間的關系，主要有生態足跡法、能值分析法、火用分析法、物質流分析法等[7-10]；另一方面是探究系統在外界刺激的情況下系統的彈性和穩定性等可持續性的內部維度，主要有生態信息法，本質上是從信息論的角度出發探究系統級別的信息熵問題[11-12]。

在以往的研究當中，生態信息法主要用于能量流或物質流網絡結構的穩定性或彈性分析，無法有針對性地同時對能量流網絡和物質流網絡進行研究[13]。而生態足跡方法能夠將能量和物質消費轉化為相應的生產性土地。過往的研究都單純地研究城市消費的外部維度或內部維度，未曾有從兩個維度同時出發的相關研究。

因鑒于此，本文結合生態信息方法和生態足跡方法，以廣州市為例，將能量流與物質流轉化為生產性土地，以生產性土地為統一標準，同時探究系統可持續性的內部維度和外部維度，研究廣州市可持續性的特性及產生的原因。本文選取廣州市的原因主要有兩個方面：一方面廣州市“十三五”規劃提出了“大力推動綠色低碳發展”、“加強環境保護和治理”、“構建清潔高效安全能源報賬體系”、“完善人口戰略，促進人口可持續發展”等目標，與可持續性發展的內涵是一致的，因此研究廣州市可持續發展的特性及其背后的原因具有重要意義。另一方面廣州的城市發展對國內城市的發展具有借鑒意義，探究它的發展特性能夠為其他城市的發展提供一定的借鑒作用。

二、模型與方法

1.生態足跡法

生態足跡方法是一種重要的生態評估方法，其本質是探究自然資源中流量與存量之間的關系。對某一個地區來說，本地區消耗的資源大于生產的資源，則認為這種消耗方式會影響未來生態系統的供給能力，即該地區的消耗減少了自然資源的存量。通過測算經濟社會中消費品所需要的生態支撐并與某地區實際的生態支撐作對比，判斷該國家或地區為生態平衡、生態赤字或是生態盈余[14-15]。

生態足跡方法主要涉及6個假設[16]，在6個假設的基礎之上延伸出生產性土地、均衡因子和產量因子等三個重要概念。生產性土地分為6類，分別是：耕地、草地、水域、建筑用地、化石能源用地和林地，這6類土地基本囊括了人類消費品的來源。均衡因子作用是將不同類型生產性土地面積進行折算；而產量因子是將各區域產量調整為世界平均產量。雖然這兩個概念的出現引起了巨大的爭議[17-18]，但是不失為一種高明的做法，細節上的特性會有所損失和欠缺，但是卻為標準化處理提供了極大的方便，使得可持續性有了客觀標準且世界范圍內的可持續性可化為統一單位進行對比。

生態足跡計算公式如下：

（1）

（2）

式中， 為總生態足跡； 為人口數； 為人均生態足跡； 為所消費的商品與投入類型； 為人均 種交易商品折算的生物生產面積； 為 種消費商品的平均生產能力； 為 種商品的人均消費量。

人均生態承載力計算公式如下：

（3）

其中 為人均生態承載力； 為人均生物生產面積； 為均衡因子； 為產量因子.

生態足跡方法能夠判斷整個城市對能源與物質的消耗與城市行政區域內所能提供的能源與物質的供應之間的關系，但是生態足跡法無法探究整個城市消費的內部情況，對于城市內部消費的細節刻畫需要其他方法的輔助。在生態足跡計算原理的基礎上構建能源與物質傳輸消費網絡圖，并在網絡圖的基礎上利用生態信息法研究整個系統的有序性、穩定性，并探究影響有序性的內部原因。

2.生態信息法

生態信息法是生態網絡分析方法與信息理論的結合。1976年Patten首次發表了生態網絡分析方法的相關論文[19]，引起了生態學界的關注并迅速成為生態學界主流的分析方法。Ulanowicz等人在信息論的基礎上結合生態網絡分析法對生態系統的穩定性和上升性進行了研究[11，20]。隨著時代的發展，生態信息法不僅僅運用于分析生態系統，也越來越多地應用于分析經濟系統的一些現象[12，13]。

生態信息法主要是利用系統的物質流、能量流網絡結構探究系統的穩定性和上升性，是研究系統內部維度的重要方法。整個體系內部主要包含有總系統吞吐量、信息熵、平均互信息、條件熵等概念。

總系統吞吐量是系統網絡內部節點與節點之間流量的總和，它反映的是一個系統網絡的總量特征。將系統網絡節點 到節點 的流量定義為 ；從節點 出發的所有流流量總和為 ；進入節點 的所有流流量之和為 ；因為總系統吞吐量是內部節點間流量的總和，因此 。

信息熵、平均互信息和條件熵等概念源于信息理論。對于網絡中的某a個輸出流的節點 和具有b個輸入流的節點 ，平均信息熵為 ，其中 表示節點 的第 個輸出流， 表示第 個輸出流出現的概率， 表示常數。平均信息熵反映的是 節點中每個流向出現的平均信息量，即關于節點 的先驗不確定性。對于有多個節點 和節點 組成的網絡來說平均信息熵 反映的是網絡自組織的容量。

對于 的第 流出方向流入到 節點的第 流入方向內是統計依賴關系，也就是在 節點第 流入方向接收到流后關于 節點第 流出流的后驗概率為 ，因此對節點 的后驗熵為 ，再對 進行統計平均可得到關于 的條件熵為 。對某個多節點網絡來說條件熵反映的是網絡中無序部分，是獲取信息之后殘余的不確定度。

根據Rutledge[21]等人的研究平均信息熵能夠分解成兩部分的和，即信息熵等于條件熵和平均互信息之和，因此平均互信息可以表示為：

因此平均互信息 表示 接收到流之后獲得的關于 的平均信息量。對于某個系統來說平均互信息量化的是整個系統的有序和效率的部分，反映系統中接收到的信息所消除的不確定度，因此平均互信息的提升是整個系統效率和有序度提升的一個指標。

由于實際系統中獲取概率比較困難，Ulanowicz等人在流網絡中進行了部分創造性處理[20]，即假設 ， ， ，因此可得到關于系統中各支流的概率，從而得到信息熵、條件熵和平均互信息，為了簡化起見，信息熵、條件熵和平均互信息分別采用 、 和 表示：

， ， （4）

生態信息法是建立在網絡結構的基礎之上，該方法實質上是提供了一種探究網絡結構穩定性和有序性的數學模型。利用生態信息法一方面可以從網絡結構上直觀地了解網絡結構物質流、能量流細節，另一方面通過數學模型可以探究網絡結構的有序性和無序性。因此生態信息法是從內部了解網絡結構的一種有效方式。

三、網絡結構

城市的消耗主要包括從環境中獲取自然資源、傳輸資源、消耗資源、排放廢料這幾個過程。首先，廣州市從環境中獲取相應的能源與物質資源，然后將資源直接傳輸至能源轉換部門、第一產業、第二產業、第三產業、生活消費等部門；而傳輸至能源轉換部門的能源與物質資源經過轉化之后再次傳輸至第一產業、第二產業、第三產業、生活消費等部門。其中箭頭表示能源與物質傳輸方向；環境部門表示自然資源消費的總和；第一產業表示農林牧漁業的能源與物質消費總和；第二產業表示工業和建筑業的能源與物質消費總和；第三產業表示交通運輸、倉儲、餐飲批發等行業的能源與物質消費總和；生活消費包含城鎮與農村的能源與物質消費總和。

本文根據上述關系和方法，并結合歷年統計年鑒[23]制作出了廣州市2013年能源與物質傳輸網絡圖，如圖1所示。圖中的數據表示資源量，該資源量數據是在廣州市物質消費數據和能源消費數據的基礎上根據生態足跡方法計算得來，物質消費數據主要包括糧食、油料、糖類、蔬菜、水果、木材、肉類、奶類、禽類、水產品等，能源消費數據主要包括煤炭、焦炭、原油、汽油、柴油、燃料油、液化石油氣、熱力、電力等。此處能源與物質可以采用統一單位的原因就是利用生態足跡理論將能源與物質轉化為以生產性土地衡量的量，稱之為全球均衡面積（Gha）。

從圖1可以看出廣州市能源轉換部門從自然資源中獲取了1.0791Gha的資源量，因此可類推第一、第二、第三、生活消費等部門分別獲得相應的資源量。根據式（4）可計算出整個網絡的平均互信息和條件熵：由 =5.799Gha，則分別得出 =1.2732， =0.5428。

圖1 廣州市2013年能源與物質傳輸網絡圖

四、數據分析

根據《廣州統計年鑒》所搜集到的物質和能源數據，通過生態足跡方法可計算得到1995-2013年期間廣州市的人均消費生態足跡、人均生態承載力和人均生態赤字情況，如圖2所示。對于廣州市的人均消費生態足跡，可按照六類土地生產面積分別展示為耕地、林地、水域、草地、建筑用地和化石能源用地的人均消費生態足跡（圖3）。對圖3中所示的六類土地生產面積進行加權，即得到圖2中所示的人均消費生態足跡曲線，其表示廣州市在對應年份內所消耗的物質、能源折算成生產性土地面積的結果。同樣，圖2中的生態承載力曲線也可由圖4所示的廣州市六類生產土地面積的人均占有量計算得到。該曲線表示廣州市對應年份內所能提供的資源。

由圖2可知，廣州市從1995年到2013年間人均消費生態足跡遠遠大于生態承載力，整個廣州社會的資源消費量遠遠大于廣州行政區域內所能提供的資源量。1995-2013年期間，廣州市的人均消費生態足跡變化主要分為三個階段：1995-2002年為第一階段，此階段人均消費生態足跡平穩增加；2002-2011年為第二階段，此階段人均消費生態足跡加速上升；2011-2013年為第三階段，此階段人均消費生態足跡趨于平穩或略有回落。與此相對應的19年時間內人均生態承載力幾乎沒有變化。

廣州市人均消費生態足跡從1995年的2.0581Gha增加到2013年的4.2353Gha，19年間人均消耗增長了兩倍，原因最主要是由于化石能源消耗引起生態足跡的增長。如圖3所示，廣州市的人均生態足跡主要由兩部分組成，一部分是耕地；另一部分是化石能源用地，其中化石能源用地占據了主要地位，而且可以發現化石能源消費生態足跡也呈現出三階段變化特征，因此廣州市人均消費生態足跡的三階段變化最主要的原因在于化石能源消費生態足跡的變化。而導致化石能源消耗增加的一個重要原因是這19年的時間里廣州市第二產業和第三產業的急速發展，2013年期間，廣州市第二產業和第三產業能源消費占到了終端能源消費量的86.8%。因此為了減少化石能源消費足跡，需要從這兩個產業上進行政策突破。

反觀廣州市人均生態承載力，從1995年到2013年幾乎沒有變化，變化的量級相比于生態足跡的量級幾乎可以忽略。19年間人均生態承載力基本無變化的原因主要有兩方面：一方面是因為人口的增長，圖5展示了人口增長的變化；另一方面是建筑用地供應急劇增加。從圖4中可以看出廣州市人均生態承載力主要由建筑用地和耕地兩方面組成，而建筑用地占了最主要的地位。因此建筑用地的增加是導致人均生態承載力的關鍵因素。此處也可看出生態足跡方法在各類生產性土地的轉換過程中是存在一定缺陷的。

圖2 1995-2013年廣州市人均消費生態足跡、人均生態承載力和人均生態赤字

圖3 1995-2013年廣州市六類生產性土地表示的人均消費生態足跡

圖4 1995-2013年廣州市六類生產土地面積的人均占有量

圖5 1995-2013年廣州市人口變化

資料來源：《廣州統計年鑒》，1995-2013年

從廣州市常住人口數量隨時間的變化情況來看（如圖5所示），2005-2013年期間廣州市人口變化也主要分為三個階段：平穩變化期，加速上升期和穩定期三個時期，1995-2004年為平穩發展期，2004-2010年為加速上升期，2010-2013年為穩定期，其時間點基本與廣州市人均生態足跡變化的三個階段基本吻合，即人口急劇增加的時間也與人均生態足跡的時間重合。人口急劇增加的原因主要是廣州的經濟飛速發展引起的人口遷徙[22]。

綜合圖2、圖3、圖4、圖5的結果可以發現人口變化、人均生態足跡變化和人均化石能源足跡的變化具有相同的趨勢，通過SPSS軟件相關性分析得出pearson相關系數大于0.9，說明人口變化與人均生態足跡變化具有很強的相關性。從整個城市可持續性的外部特性來說廣州市從1995-2013年處于生態赤字狀態，廣州市行政區域內提供的生態承載力不足以支撐整個廣州市內的消費。而廣州市內消費最大的部分是化石能源消費產生的生態足跡。人口變化與人均生態足跡變化的強相關性顯示人口的變化可能會導致人均生態足跡的變化，人口急劇增加可能會導致人均化石能源生態足跡的增加，也即人口的增加可能導致城市系統內部能源利用效率的降低。

以上分析是根據生態足跡法從可持續性的外部維度來研究的。若考慮可持續性的內部維度，可應用生態信息法，在構建歷年廣州市城市消費網絡的基礎上，計算得到廣州市各部門間能源物質傳輸網絡的平均互信息量和條件熵從1995年至2013年之間的變化情況曲線（如圖6所示）。如前所述，平均互信息量反映的是網絡結構的有序部分，而條件熵反映的是網絡結構的無序部分，兩者之和即為信息熵。從圖6中可以看出，1995-2013年期間，廣州市各部門間能源物質傳輸網絡的平均互信息量也分為三階段，1995-2004年平均互信息量增加，2004-2010年平均互信息量急劇減少，2010-2013年平均互信息量趨于穩定。從整個能源與物質傳輸網絡結構來說，其有序性也分為三階段：上升期、急劇下降期和平穩期。從結果上來說2013年的有序度低于1995年的有序度，有序度的減少意味著系統內部損耗的增加，19年的發展中雖然有序度曾經有升有降，但是從研究的初始年份到終止年份廣州市能源與物質傳輸網絡結構的效率是降低的。對比圖5發現能源與物質傳輸網絡結構的三階段變化與人口的三階段變化時間點基本一致：第一階段為人口的有序變化與能源與物質傳輸網絡系統有序度的增加；第二階段為人口的急劇增加與能源與物質傳輸網絡系統有序度的急劇減少；第三階段為人口的平穩與能源與物質傳輸網絡系統有序度的平穩。利用SPSS軟件人口變化與能源與物質傳輸網絡系統有序性進行相關性分析，其pearson相關系數大于0.9，說明人口變化與物質傳輸網絡系統有序性有很強的相關性。人口數量的變化是能源與物質傳輸網絡系統有序性變化的根本性因素。

圖6 1995-2013年廣州市部門間能源物質傳輸網絡平均互信息量和條件熵

五、結論及政策建議

綜上所述，在1995-2013年期間，廣州市的人均消費生態足跡總體呈增加趨勢，且遠遠大于人均生態承載力，說明從可持續性外部維度來說，廣州市的消費是不可持續的。此外，從整個城市消費系統網絡結構這一內部維度來說，從1995-2013年廣州市消費系統網絡結構有序性經歷了先增加后減少的過程，表明整個廣州市的內部損耗是先減少后增加的，但2013年的有序性明顯低于1995年的有序性，因此從初始點與終止點的角度廣州市的內部損耗是增加的。人均生態足跡的增加從可持續性的外部維度說明了城市內部損耗的增加，而城市消費系統結構有序性的減少從可持續性的內部維度說明了城市內部損耗的增加。根據以上分析可知，廣州市的內部損耗一直在增加，從人均生態足跡、系統有序性與人口變化的現象來看，人口的急劇增加導致了系統內部損耗的增加，因此人口是影響城市可持續性的最根本因素之一。

為了保證廣州市的可持續發展，提出以下幾點建議：

1. 盡量減少廣州市的生態足跡。在廣州市整個社會消費中，能源消費引起的生態足跡占了最大的比例，而與此相對應的第二產業、第三產業是最主要的耗能產業。因此，可從第二、第三產業著手，引導第二、第三產業積極進行節能減排，從轉換和運輸兩個角度提升整體能源效率，同時在能源利用上鼓勵使用生物質、風能等新能源。

2. 積極增加廣州市的生態承載力。在有條件的情況下可以從增加林木面積、增加耕地面積等，引導市民增加廣州市的綠化率，同時更加科學地利用現有的經濟林地。

3. 提升廣州市消費網絡結構的有序性。一方面提升整個城市輸運效率，減少整個城市在輸運角度的損耗，可以從輸運智能化、路線規劃選擇、能源種類等角度出發設計輸運系統；第二方面提升轉化效率，減少轉化過程中的損耗，特別是對于能源方面的效率轉化，加大研發投入從化石能源和新能源兩類能源形式的角度提升轉化效率，減少能源損耗。

4.研究城區最適人口和區域人口密度分布。這是能否實現城市可持續性的一項關鍵的步驟，人口的變化直接關乎整個城市的運行效率和可持續發展程度。

以上建議與廣州市“大力推動綠色低碳發展”、“完善人口戰略，促進人口可持續發展”的目標在本質上是一致的，可持續發展的問題不僅僅是表層的能源、物質問題，其最深層次的原因還在于人，在研究可持續發展問題除了需要協同物質流、能量流等因素之外，還需要考慮人口流這一關鍵因素，只有這樣才能更好地理解城市可持續發展并制訂適合的政策。從可持續外部維度和內部維度的研究角度表明廣州市的“大力推動綠色低碳發展”、“完善人口戰略，促進人口可持續發展”是契合實際的。

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項目基金：1.國家自然科學基金資助項目（No.51106055）. 2.湖北省科技支撐計劃項目（No.2015BCA292）3.中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（No. 2016YXZD007）

作者簡介：王興輝（1991-），男，福建省龍巖市人，工程熱物理，碩士研究生；研究方向：碳排放、城市生態系統評估等；

*通訊作者：龍妍（1975-），女，貴州省都勻市人，郵箱：ly_hust@163.com，工程熱物理，副教授；研究方向：能源經濟與管理、大系統物質流能量流信息流協同等。