日照市生態足跡與經濟增長關系的計量分析

楊凱齊, 李俊莉, 曹金秋, 曲彩媛, 孫文佳, 王英楠

(曲阜師范大學 地理與旅游學院, 山東 日照 276826)

日照市生態足跡與經濟增長關系的計量分析

楊凱齊, 李俊莉, 曹金秋, 曲彩媛, 孫文佳, 王英楠

(曲阜師范大學 地理與旅游學院, 山東 日照 276826)

[目的] 測算日照市1994—2013年生態足跡構成及其承載狀況，剖析生態足跡與經濟總量以及3次產業之間的關系，為日照市生態城市建設提供理論借鑒。 [方法] 綜合應用生態足跡、協整理論和誤差修正模型。 [結果] 1994—2013年日照市人均生態足跡的變化呈現波動中增長的態勢，年均增長率7.23%；人均生態足跡構成中，化石地所占比例最高；人均生態承載力不能滿足人均生態足跡的需求，表現出生態赤字，研究期內生態壓力指數增長了3.42倍；生態足跡的GDP彈性為0.489 5，其3次產業的彈性依次為0.651 5，0.624 2，-0.378 6。 [結論] 日照市經濟增長方式屬于資源消耗型，生態足跡與GDP，3次產業之間存在長期穩定關系，為使資源、環境與經濟、產業之間協調發展，提高資源利用效率、發展循環經濟、升級第三產業勢在必行。

生態足跡; 生態承載力; 協整理論; 誤差修正模型

文獻參數： 楊凱齊, 李俊莉, 曹金秋, 等.日照市生態足跡與經濟增長關系的計量分析[J].水土保持通報，2017,37(2)：302-307.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.046； Yang Kaiqi, Li Junli, Cao Jinqiu, et al. Econometric Analysis of Relationship Between Ecological Footprint and Economic Growth in Rizhao City[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：302-307.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.046

作為一種新發展觀，可持續發展已成全球共識。適時、準確地測度可持續發展的狀態和程度是可持續發展研究的重要內容。生態足跡(ecological footprint)理論自1992年由Wackernagel和Rees提出以來就以簡明而綜合的特點受到國內外學者的廣泛關注，已成為研究區域可持續發展狀態的得力工具之一[1]。該方法通過生產性土地面積測算經濟主體的資源消費和廢物吸收水平，反映某區域經濟發展對資源的需求和利用狀況[2]。目前關于生態足跡與經濟發展關系的研究已取得了諸多成果，基于國家[3-4]、省域[5]、區域[6-7]等不同層面的研究表明，生態足跡與經濟發展之間存在較強的相關性，經濟發展是生態足跡變化的重要驅動力[5]。已有研究多強調生態可持續性，經濟發展指標多采用國內生產總值(GDP)，雖然便于探究經濟發展與生態足跡各子系統之間的關系，但卻忽視了產業結構變化對生態足跡的影響[7]；揭示生態足跡與經濟發展之間關系的數學方法多采用相關分析與回歸分析，雖可描述變量之間聯系的緊密程度，卻無法解析變量之間的相互作用機制，協整理論為此類問題的解決提供了新視角。本研究選用協整分析方法對日照市生態足跡與經濟發展總量以及三次產業產值之間的相互作用關系進行剖析，旨在尋找生態系統與社會經濟系統之間的內在聯系，提出促進生態環境與社會經濟協調、可持續發展的建議，既可為日照市生態城市建設提供理論借鑒，又可為生態足跡與經濟發展關系的研究增加市域研究案例。

1 研究區概況

日照市位于山東半島南翼，北連青島、濰坊市，南接連云港市，西靠沂蒙山區，東臨黃海，與日本、韓國隔海相望；屬暖溫帶半濕潤季風區大陸性氣候，四季分明，冬無嚴寒，夏無酷暑，環境優美，1999年被科技部批準為國家可持續發展實驗區。該市總面積5 310 km2，總人口280萬，2015年實現地區生產總值(GDP)1 670.8億元，是“十一五”末的1.63倍，按可比價格計算，比上年增長7.5%；日照市三次產業結構比例為8.4∶48.7∶42.9，第三產業比重比上年提高1.5%，該市經濟呈現“總體平穩、穩中有進”的發展趨勢。但因日照市于1989年升格為地級市，發展起步晚，綜合經濟實力較弱，2015年GDP排名在山東省17地市中居第16位；同時，伴隨著工業化與城市化的不斷推進，人均收入水平的不斷提高，對各種資源的需求量急劇增加，而日照市資源短缺與資源浪費現象卻普遍存在，致使生態環境優勢不斷面臨新的挑戰，如何實現經濟發展與資源節約、生態環境保護多贏成為日照可持續發展面臨的核心問題。

2 研究方法與數據來源

2.1 生態足跡模型與生態壓力指數

生態足跡理論是通過估算特定區域內消費及吸收廢棄物排放所需要的生態生產性面積(生態足跡)，并與該區域能夠提供的生態生產性面積(生態承載力)進行比較，來衡量區域經濟發展的可持續狀況[1,6]。其中，生態足跡代表經濟活動對生態環境的需求，即從消費角度描述經濟活動占用的資源量，記為EF，生態承載力則代表生態系統對經濟活動的最大承受能力，即從供給角度考慮生態系統能夠負擔的經濟活動，記為EC。EF和EC的計算模型[1]分別為：

(1)

(2)

式中：EF——總生態足跡; ef——人均生態足跡;N——人口數;i——消費的物質類型;j——生物生產面積類型;ai——第i種物質人均占用的生物生產面積;rj——均衡因子;ci——第i種物質的人均消費量;pi——第i種物質的世界平均生產能力； EC——生態承載力; ec——人均生態承載力;aj——第j類生物生產性土地的實際總面積;yj——產量因子。

人均生態赤字的計算公式為：

ed=ef-ec

(3)

式中：ed——人均生態赤字(或生態盈余)。當人均生態承載力小于人均生態足跡，即ed>0時，出現人均生態赤字；人均生態承載力大于人均生態足跡，即ed<0時，則產生人均生態盈余。生態赤字大小代表了供給經濟活動的生態基礎的短缺程度，意味著生態系統對經濟發展存在制約作用；生態盈余則代表生態容量足以支持經濟活動負荷，意味著區域消費模式具有相對可持續性。

生態壓力指數(EPI)指區域內人均生態足跡與人均生態承載力的比值，反映了區域生態環境的承壓程度。EPI越大，區域的生態壓力越大，生態安全性越差[8]。計算公式為：

EPI=ef/ec

(4)

2.2 協整理論與誤差修正模型

協整理論由Granger[2]于1987年首次提出，目前已成為分析非平穩變量之間數量關系的最主要工具之一。該理論建立在非平穩序列基礎上，是指若兩個或多個非平穩序列組合形成的變量是平穩序列，則稱這些非平穩序列之間存在長期的均衡關系，即協整關系。其定義為：設隨機向量Xt中所含分量均為d階單整，記為Xt～I(d)。如果存在一個非零向量β，使得隨機向量Yt=βXt～I(d,b),b>0，則稱隨機向量Xt具有d，b階協整關系，記為Xt～CI(d,b)，向量β被稱為協整向量。其中，yt和xt為隨機變量，并且yt,xt～I(1)，當yt=k0+k1x1～I(0)，則稱yt和xt是協整的，k0,K1稱為協整系數。若一組非平穩序列不存在協整關系，盡管回歸模型有很高的R2值和t值，但OLS的參數估計值卻是非一致的，這種看似很好但卻毫無意義的回歸被Granger稱為“偽回歸”，而對變量之間的協整關系進行檢驗是避免偽回歸的有效方法。

協整檢驗首先是平穩性檢驗，即確定變量序列是否符合同階單整或是否平穩；其次是協整關系檢驗，即確定變量之間的長期穩定關系；再次是因果關系檢驗，即確定變量之間的協整關系是否構成單向的因果關系；最后，為了彌補變量之間長期穩定的均衡關系，在短期可能出現某種失衡的缺陷，將短期行為與長期值相聯系，對失衡部分通過引入誤差修正項做出糾正，以反映變量的長期均衡對短期波動的影響[2]。顯然，協整理論的作用在于正確解釋了變量之間的定量規律，目前該方法已逐漸成為分析非平穩經濟變量之間數量關系的最主要工具之一，而誤差修正模型在區分變量之間的長期均衡關系和短期波動關系方面具有重要意義，該模型刻畫了變量之間的線性調整機制。

2.3 數據來源

原始數據主要來自歷年《日照市統計年鑒》，其中耕地面積、生物產量等部分數據來自《中國城市統計年鑒》。因受地級城市統計資料的限制，生態足跡計量時生物消費指標用產量數據近似代替消費數據，會導致計算的生態足跡值較實際值偏大，但因計算時不可能囊括所有的消費品，又會抵消部分偏大的生態足跡值，所以最終計算得到的生態赤字雖還存在誤差但有一定的參考價值。文中選取的數據年份時段為1994—2013年。

3 生態足跡與生態壓力的變化趨勢分析

3.1 生態足跡計量

生態足跡的計量主要從生物消費和能源消費兩方面進行統計，按照生物生產性土地類型的劃分方法，生物消費依次分為耕地(糧食作物、蔬菜、豬肉、禽蛋等用地)、草地(畜牧業用地)、林地(林產品用地)和水域(水產品用地)4類用地類型共計19種產品；能源消費分為化石燃料用地(原煤、焦炭、柴油、燃料油等)和建筑用地(電力)兩類用地類型共計7種產品[9]。由于不同用地類型的生產能力存在較大差異，需要引入均衡因子和產量因子進行折算。考慮到結果的科學性和可比性，在計算歷年的生態足跡和生態承載力時，世界平均產量借鑒了聯合國糧農組織(FAO)的研究成果[10]；均衡因子采用了Wachernagel等[11]對中國的研究結果；產量因子和其它系數則參照類似地區的取值[12]；生態承載力的計算中扣除了12%的生物多樣性保護面積[13]；生態壓力指數按公式計算。各個項目的計算結果詳見表1。

表1 日照市1994-2013年人均生態足跡及其生態承載狀況

注：ef，ec，ed分別為人均生態足跡、人均生態承載力和人均生態赤字(或生態盈余)。

3.2 計量結果分析

由圖1可知，1994—2013年日照市人均生態足跡除1997，2007，2008年略有下降外，其余年份均呈現較快的增長趨勢，年均增長率7.23%；人均生態足跡構成中，化石地、水域和耕地3項所占比例較高，2013年分別達到52.87%，23.14%和20.33%，研究期內3項與人均生態足跡的相關系數分別為0.976 3，0.455 5，0.914 8。顯然，自20世紀90年代以來，在“工業強市”戰略的引領下，伴隨著一批大項目的建成投產，日照市經濟持續快速增長的同時，對化石能源的消耗日益加劇，目前化石能源足跡已成為促升生態足跡增長的首要因素，說明日照市經濟發展方式仍然比較粗放，節能減排任務日益艱巨。此外，據表1，研究期內日照市人均生態承載力不能滿足人均生態足跡的需求，表現出生態赤字。

圖1 日照市1994-2013年人均生態足跡

圖2顯示了1994—2013年日照市人均生態足跡(ef)、人均生態承載力(ec)、人均生態赤字(ed)和生態壓力指數(EPI)的變化趨勢。根據圖2，從人均生態承載力來看，1994—2008年呈下降趨勢，2008年降至最低值0.466 2，之后波動增長，2012年達到最高值0.490 3，研究期內浮動值不足0.03，基本保持穩定。因人均生態承載力的微弱變化，一方面使人均生態赤字隨人均生態足跡的增長而增長，研究期內人均生態赤字從1994年的1.173 0 hm2/人增至2013年的5.327 7 hm2/人，增加了約4.54倍，并且人均生態赤字和人均生態足跡之間呈現極其明顯的同步變化趨勢，相關系數高達0.999 9；另一方面使生態壓力指數也隨人均生態足跡的增長而增長，研究期內增長了3.42倍。由此可見，10 a來，雖然日照市生態系統基本保持穩定，但伴隨著人類活動對自然環境的影響逐年增加，導致生態足跡與生態承載力之間的矛盾凸顯，生態赤字與生態壓力愈來愈大，致使生態安全面臨嚴峻考驗，生態經濟系統處于不可持續狀態。

圖2 日照市1994-2013年人均生態赤字與生態壓力

4 生態足跡與經濟增長的協整關系分析

4.1 原數據處理

從統計年鑒中可以獲得按當年價格計算的國內生產總值(GDP)和三次產業產值數據，為了剔除物價變動的影響，將各年度數據按照基期年(1994年)的不變價格進行折算，以反映日照市1994—2013年的真實GDP和產業結構的變化特征；為克服數據中的異方差，對以不變價折算后的GDP、三次產業產值和生態足跡共5個變量分別取對數處理，記為LGDP，LPI，LSI，LTI和LEF。

4.2 平穩性檢驗

變量之間協整關系分析的前提是對數據進行平穩性檢驗，平穩性檢驗的常用方法是單位根檢驗法和圖示法。本文采用ADF單位根檢驗[14]，在殘差存在自相關的前提下，最佳滯后階數根據AIC和SC最小準則判定，返回結果為ADF統計量和給定顯著性水平下ADF統計量的臨界值。若ADF統計量比臨界值的值小，則可在該顯著性水平下，拒絕原序列存在單位根的原假設，即原序列是平穩的，結果詳見表2。據檢驗結果可知，在5%和10%的顯著性水平下，各序列ADF檢驗統計量均大于相應臨界值，表明上述5個變量的水平序列存在單位根，為非平穩序列；一階差分后，各序列的ADF檢驗統計量均小于5%顯著水平下的臨界值，表明該5個序列已經平穩，是一階單整序列即I(1)序列，以此為基礎，可以檢驗各序列之間是否存在長期均衡關系。

4.3 協整關系檢驗

協整關系檢驗與估計的模型有Engk-Granger兩步法和Johansen極大似然法[14-15]。為了明確生態足跡與國內生產總值及其三次產業產值之間的內在關系，首先，用EG兩步法，對LEF和LGDP進行回歸，得到回歸方程為(括號內是t統計量)：

LEF=3.978 9+0.489 5LGDP

(5)

(38.563 9) (27.279 1)

R2=0.976 4，F=744.150 6

自相關檢驗值：DW=1.867 0

顯然，在EF與GDP的長期均衡中，二者的變化呈現明顯的正相關關系，GDP的增長對日照市生態足跡的增長有一定的促進作用，其系數為0.489 5，意味著GDP的對數值每提高1%，生態足跡的對數值相應提高0.489 5%。然后，用Johansen極大似然法檢驗LEF和LPI，LSI，LTI之間的協整關系，結果詳見表3。

根據表3，似然比統計量大于5%顯著水平下的臨界值，第一個原假設被拒絕，說明有且僅有一個協整關系，協整方程是唯一的，協整方程為(括號內是t統計量):

LEF=2.938+0.651 5LPI+0.624 2LSI-0.378 6LTI

(6)

(3.199 4) (1.538 3) (1.573 2) (-1.129 1)

R2=0.981 9，F=289.425 6， DW=1.989 9

表2 平穩性檢驗的單位根檢驗結果

注：LGDP，LPI，LSI，LTI和LEF分別為以不變價折算后的GDP、三次產業產值和生態足跡等5個變量分別取對數處理； D表示一階差分，C，T，N分別代表單位根檢驗模型中的截距、時間趨勢和滯后階數項。

表3 Johansen極大似然法檢驗結果

該方程體現了日照市生態足跡與第一、二、三產業之間的長期穩定關系。從方程可以看出，生態足跡與第一、二產業正相關，與第三產業負相關，說明第一、二產業對生態足跡的增長呈現促進作用，其系數分別是0.651 5和0.624 2，即若第一、二產業產值的對數值增加1%時，會使生態足跡的對數值分別提高0.651 5%和0.624 2%，其中，第一產業對生態足跡的促進作用最大，第二產業的促進作用次之。第三產業對生態足跡的增長呈現一定抑制作用，第三產業產值的對數值增加1%時，生態足跡的對數值降低0.378 6%。究其原因，相對于第一、二產業而言，第三產業占用的生態資源比例最低，伴隨著日照市“生態立市、旅游富市”等戰略的實施，以生態旅游為主導的第三產業必然成為“無重量”產業。

4.4 因果關系檢驗

根據協整檢驗結果，LEF與LGDP以及LEF與LPI，LSI，LTI之間存在協整關系，但這種關系是否有意義，是否構成因果關系，還需進一步驗證。采用格蘭杰(Granger)因果檢驗來檢驗變量之間的因果關系[14]，結果詳見表4。從表4可以看出，在5%的顯著水平下，LEF與LGDP之間、LEF與LPI，LSI，LTI之間存在單向的因果關系，這意味著GDP、第一、第二產業產值的增加是生態足跡增長的Granger原因，而不是生態足跡增長的Granger結果。說明日照市生態足跡的增加以第一、第二產業及其GDP的增長為支撐，即大量的資源、能源消耗促長了日照市的經濟，而這勢必增加了日照市生態環境的壓力。此外，第三產業產值的減少是生態足跡增長的Granger原因，而不是生態足跡增長的Granger結果，說明第三產業產值的增加會減緩生態足跡增長的速度。

表4 Granger因果關系檢驗結果

4.5 誤差修正模型

根據協整理論，任何一組相互協整的序列都存在誤差修正機制，反映短期調節行為[5]。根據LEF與LGDP之間的回歸方程建立如下誤差修正模型(括號內是t統計量):

(7)

對數似然函數值(Loglikelihood)=28.204 3

AIC=-2.758 3， SC=-2.658 9

生態足跡的短期波動可分為兩部分：一部分是短期生態足跡波動的影響，一部分是偏離長期均衡的影響[2]。

該模型中誤差修正系數為負，符合反向修正機制，表明短期波動偏離長期均衡時，系統將以(-1.031 5)的調整力度將非均衡狀態拉回到均衡狀態。

該修正模型的回歸系數為0.528 2，說明DLGDP與DLEF呈同向關系，意味著經濟的短期波動會對生態足跡產生正向沖擊。

根據LEF與LPI，LSI，LTI之間的回歸方程建立的誤差修正模型(括號內是t統計量)為：

(8)

上述模型中，誤差修正項系數值為負，說明誤差修正作用是反向的，即將EF與三次產業的短期波動拉回到長期均衡狀態時的修正力度是-1.242 1。從回歸系數可知，DLEF與DLPI，DLSI之間是同向關系，其系數分別為0.382 1和0.437 0，說明第一、第二產業的短期波動會對生態足跡產生正向沖擊，且第二產業的短期影響強于第一產業；DLEF與DLTI的回歸系數是反向關系，說明第三產業的短期波動對生態足跡產生負向沖擊，意味著第三產業的波動對生態足跡產生緩解抑制作用。

5 結論與建議

1994年以來，日照市經濟的持續增長對資源環境基礎有很強的依賴性，作為重要的生產要素和戰略物資，化石燃料(能源足跡)和農產品(耕地足跡)對日照市經濟的增長發揮著巨大的推動作用，同時也對生態環境帶來了巨大的壓力；由于日照市生態足跡與GDP、三次產業之間存在長期均衡關系，且2015年日照市三次產業結構比例為8.4∶48.7∶42.9，生態足跡與三次產業之間的協整方程系數依次為0.651 5，0.624 2，-0.378 6，說明第一產業雖然在經濟總量中占的份額最少，但卻對生態足跡的貢獻最大，其次是第二產業，第三產業則對生態足跡產生抑制作用；由于第一、二產業占經濟總量的約60%，相應地生態資源消耗不斷加劇，致使生態足跡不斷增大，而生態承載力的微弱變化必然導致生態赤字不斷增大。

為消除生態赤字，實現日照市資源、環境與經濟之間的協調、可持續發展，提高資源利用效率、發展循環經濟、升級第三產業勢在必行，主要對策措施為： (1) 適度控制用地規模尤其是建筑用地規模，提高各類土地尤其是化石燃料用地、水域和耕地的利用效率及生產效率，適當增加草地和林地的規模，有效增加區域生態承載力的供給。(2) 大力推廣新型生態農業模式，形成具有良性循環功能的現代農業生態體系，借此提高區域生態承載力，降低第一產業對生態足跡的影響。 (3) 加快升級傳統產業，努力構建生態工業網絡，著力發展生態循環型產業，降低第二產業的生態足跡需求。 (4) 以旅游業為龍頭帶動第三產業快速發展，同時，引導第三產業積極推行清潔生產、生態化經營和綠色消費方式，有效抑制生態足跡的增長。 (5) 積極發展再生資源回收利用業，加快其產業化、規模化、市場化進程，實現社會消費層面物質與能量的循環，提高資源能源利用效率。

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Econometric Analysis of Relationship Between Ecological Footprint and Economic Growth in Rizhao City

YANG Kaiqi, LI Junli, CAO Jinqiu, QU Caiyuan, SUN Wenjia, WANG Yingnan

(CollegeofGeographyandTourist,QufuNormalUniversity,Rizhao,Shandong276826,China)

[Objective] The constitution of ecological footprint and condition of ecological carrying capacity in Rizhao City were measured during 1994—2013. The relationship between the ecological footprint and Rizhao’s GDP, the ecological footprint and the three industries was analyzed to provide theoretical suggestion for ecological construction. [Methods] Based on theories of the ecological footprint, co-integration, error correction model, the constitution of ecological footprint. [Results] There was an increasingly tendency in the fluctuating of the per capita ecological footprint, an average annual growth rate of 7.23%. Fossil energy land accounted for the highest proportion of the per capita ecological footprint. The per capita ecological carrying capacity could not meet the needs of the per capita ecological footprint, which revealed the ecological deficit obviously, ecological pressure index increased by 3.42 times during study period. The GDP elasticity of ecological footprint was 0.489 5, and the three industries elasticity of ecological footprint were 0.651 5, 0.624 2, -0.378 6 separately. [Conclusion] The economic development in Rizhao City relied on consumption of substantial resources in a long run, there was long-term and stable relationship among ecological footprint, Rizhao’s GDP and the three industries. In order to promote coordinative development of resource, environment, economy and industry of Rizhao City, improving the efficiency of resource utilization, developing circular economy and upgrading the third industry are imperative.

ecological footprint; ecological carrying capacity; co-integration; error correction model

2016-09-01

2016-10-02

國家自然科學基金項目“國家可持續發展實驗區轉型機理與途徑研究”(41601613)； 日照市科技局應用技術研究與開發項目(2014SZPT002); 國家級大學生創新訓練計劃項目(201510446010)

楊凱齊(1993—),男(漢族),山東省滕州市人,碩士研究生,研究方向為生態經濟研究。E-mail:ykqyouxiang@163.com。

李俊莉(1976—),女(漢族),陜西省富平市人,博士,副教授,主要從事環境與可持續發展方面的研究。E-mail:qfljl@163.com。

A

1000-288X(2017)02-0302-06

F290