基于改進三維生態足跡模型的上海市生態足跡動態研究

向詩月，劉紫玟，代艷萍，蔡永立，3

（1.華東師范大學地理科學學院；2.華東師范大學生態與環境科學學院；3.華東師范大學上海市城市化生態過程與生態恢復重點實驗室，上海 200241）

基于改進三維生態足跡模型的上海市生態足跡動態研究

向詩月1，劉紫玟1，代艷萍2，蔡永立2，3

（1.華東師范大學地理科學學院；2.華東師范大學生態與環境科學學院；3.華東師范大學上海市城市化生態過程與生態恢復重點實驗室，上海 200241）

生態足跡是評估可持續發展的重要方法，本文采用改進后的三維生態足跡模型對上海市2000-2014年的生態足跡進行動態研究。結果表明，2000-2014年，上海市人均生態足跡、承載力以及赤字均呈下降的趨勢，而總生態足跡、承載力以及赤字則呈上升的趨勢；化石能源的足跡變化對上海市足跡變化起決定作用，是上海市生態赤字的重要驅動力；人均生態足跡廣度呈下降的趨勢，略有波動，而人均生態足跡深度呈上升的趨勢，波動較大，反映出生態壓力逐漸增大。研究結果為上海市可持續發展的決策提供科學依據。

三維生態足跡；生態足跡廣度；生態足跡深度；上海市

三維生態足跡模型作為可持續發展研究領域的國際最新進展，是國內外學者研究的熱點問題。2011年，Niccolucci等對全球尺度下的生態足跡廣度與深度的變化趨勢進行了全面的分析[1]；胡美娟等則對南京市生態足跡進行了時間序列分析[2]；張星星等與杜悅悅等則從城市群角度分別對珠江三角洲城市群和京津冀城市群的三維生態足跡進行了全面的分析[3-4]。

改革開放以來，上海市憑借獨特的區位優勢，經濟發展十分迅速，成為我國第一大都市。但是，《中國城市可持續發展綠皮書》的數據顯示上海市屬于“欠可持續發展”城市。以往對上海市生態足跡的研究均采用傳統二維生態足跡模型，僅用生態足跡或生態赤字這一單一指標來對上海市的生態可持續性進行評價，缺少對上海市自然資本利用狀態的分析，無法判斷其自然流量資本與自然存量資本的使用情況[5-7]。本文將采用改進后的三維生態足跡模型，克服以上缺陷與不足，引進生態足跡廣度與深度對上海市的自然資本利用狀況進行動態研究，以期為我國其他城市的生態可持續性研究提供借鑒。

1 研究方法

1.1 數據來源

本文選取了柴油、煤油、原油、電力等能源資源消費，林地、耕地、水域和草地四類土地占用的自然資源消費進行計算。以上數據均來源于中國統計年鑒與上海市統計年鑒。本文的均衡因子采用全球一致因子，產量因子則采用Wackernagel等對中國生態足跡進行研究計算的結果，其中耕地、林地、草地、水域、建設用地及能源用地的均衡因子分別為：2.19、1.38、 0.48、0.36、2.19、1.14，產量因子分別為：1.66、0.91、0.19、1、1.66、0[8]。

1.2 研究方法

本文采用改進后的三維生態足跡模型，對上海的生態可持續發展進行定量評估。對于生態足跡（EF）、生態容量（BC）以及生態赤字（ED）的計算，三維生態足跡模型與二維生態足跡模型一致[9]。

生態足跡廣度表示某一區域內人類對自然流量資本的利用程度，具有空間屬性；而生態足跡深度則表示的是某一區域內人類對于自然存量資源的利用，它則具有時間屬性[8]。其計算公式分別為：

式中：EFsize,region與 EFdepth,region分別表示區域生態足跡廣度（hm2）與深度（無量綱）；EFi與BCi則分別表示第i類土地生態足跡（hm2）和生態容量（hm2）[8]。

三維生態足跡的計算公式為：

式中：EF3D,region表示區域三維生態足跡（hm2）；EF表示二維生態足跡（hm2）。

2 結果與討論

2.1 區域及各地類總三維生態足跡與總承載力變化分析

如圖1（a）所示，除2003-2005年外，上海市區域總足跡隨時間的變化趨勢均與能源用地足跡變化趨勢基本一致，說明能源用地對上海市區域足跡的變化起著決定性的作用，能源用地足跡年均占比約為88%。上海市能源用地足跡在整體上呈現下降的趨勢，這是因為上海市工業的發展使得單位GDP能耗減少，特別是在2013-2014年，下降顯著，與2013年相比，2014年能源消耗量減少約0.202萬t，其中煤炭所占比例最高，約為63.07%。這可能與上海市近年來提出的能源減排、產業結構調整的相關政策有關[10]。2003-2005年，上海市區域足跡變化則與耕地足跡變化一致，說明在此期間，耕地足跡的年際變化率大于能源用地足跡的年際變化率。建設用地、林地、水域與草地的足跡較小，因此對區域的足跡變化影響較小。

由圖1（b）可知，上海市區域總生態承載力呈現波動上漲的趨勢，這表明有未開發的土地逐漸得到利用。其中區域總生態承載力的變化趨勢與建設用地的變化趨勢基本一致，均呈波動上升的趨勢，其中2004-2005年與2008-2009年上升顯著。因此，上海市建設用地生態承載力的增大對其區域總生態承載力的增大起決定性的作用。其次，上海市耕地總生態承載力呈下降趨勢，水域總承載力變化微弱，林地總承載力在2008-2009年呈微弱的上升趨勢，這可能與當年頒布的植樹造林的相關政策有關。

圖1 2000-2014年上海市區域及其各地類總三維生態足跡（a）與總承載力（b）折線圖

圖2 2000-2014年上海市人均生態足跡深度與廣度折線圖

2.2 生態足跡廣度與深度變化分析

2.2.1 人均生態足跡廣度與深度對比分析

由圖2可知，2000-2014年，上海市人均生態足跡廣度與足跡深度呈相反的變化趨勢。其中，足跡廣度在整體上呈現逐年遞減的趨勢，2000-2014年波動遞減0.013 7 hm2，年遞減率0.90%。而足跡深度則在整體上呈現逐年波動遞增的趨勢，2000-2014年波動遞增4.74 hm2，年增長率為0.93%。三維生態足跡模型將生態足跡變化形象地反映在一個圓柱體體積的變化上，2000-2014年，上海市人均生態足跡廣度逐漸減小，足跡深度逐漸增加，即表現為圓柱體的底面積逐漸減小，高度逐漸增加，表明上海市的生態壓力逐漸增大，生態赤字現象逐漸加重。

2.2.2 區域及各地類人均生態足跡廣度與深度變化分析

生態足跡理論認為，人們并未劃分出用于吸收化石能源燃燒排放的CO2的特定生態生產性土地[5]，因此能源用地生態足跡廣度為0。對比圖1（b）與圖3（a）可知，除了建設用地外，水域、耕地與林地的足跡廣度均等于其生態承載力，說明此時它們的自然資本流量已被完全占有，需要動用資本存量來滿足自身的資源需求。而建設用地僅在2008年及2011-2014年流量資本被完全占有。由圖3（a）可知，上海市人均足跡廣度呈下降趨勢，在其他四大土地利用類型中，耕地足跡廣度明顯下降，建設用廣度顯著上升，說明在城市化過程中，耕地面積逐漸減少，建設用地的需求越來越大；水域與林地的足跡廣度變化微弱，表現為林地足跡廣度百分比緩慢增加，水域緩慢減小；上海市建筑用地與耕地足跡廣度占比較大，分別34.55%～63.66%、32.10%～63.69%，說明上海市土地用途以建筑用地和耕地為主，建筑用地足跡廣度百分比逐年增加，耕地足跡廣度百分比逐年降低。

足跡深度表征的是人類對于自然資本存量的利用程度，通常資源富足的城市足跡深度較小，反之則較大[5]。由圖3（b）可知，2000-2014年，上海市區域人均生態足跡深度均大于1，屬于較高的水平。2000-2003年、2005-2008年及2009-2013年區域足跡深度逐年上升，平均年際變化率為1.13%。除了能源用地及草地外，上海市建設用地足跡深度百分比最低，變化微弱。這表明上海市對建設用地的消耗較低，僅在2008年與2011-2014年出現過度消耗，其他年份呈現出生態盈余的良好狀態。水域、林地與耕地足跡深度百分比的變化波動較大。耕地與水域足跡深度百分比先減小后增加，而林地足跡深度百分比則先增加后減少。圖3（b）顯示，2008-2009年，林地足跡深度急劇減少為4.83 hm2，并逐年遞減，因為2008年后上海市林地面積增加，即林地生態承載力增加，而林地作物產量不斷減少。另外，因為該年耕地農作物產量突然減少，耕地在2004年足跡深度出現最小值。總之，除建設用地足跡深度的值較小外，水域、林地與耕地的足跡深度均較高。上海市對林地過度消耗的狀況有所緩解，水域與耕地的足跡深度卻微弱增加，這與上海市的人口不斷增加，導致農作物和水產品需求增加有關。

圖3 2000-2014年上海市區域與各地類人均生態足跡廣度（a）與深度（b）折線圖

3 結論

隨著城市化的快速推進，上海市人口急劇增多，人們對于各種能源以及生物產品等需求增加，自然資本流量被完全占用，存量資本也被大量消耗。2000-2014年，上海市人均生態足跡、承載力以及赤字均呈下降趨勢，而總生態足跡、承載力以及赤字則呈上升趨勢；化石能源的足跡變化對區域足跡變化起決定作用，是區域生態赤字的重要驅動力；上海市人均生態足跡廣度逐漸減少，足跡深度逐漸增加，即表現為圓柱體的底面積不斷減小，高度不斷增加，上海市的生態壓力逐漸增大。其中，建筑用地與耕地足跡廣度百分比較大，水域與耕地足跡深度百分比較大。

1 Niccolucci V，Galli A，Reed A，etal.Towards a 3D National Ecological Footprint Geography[J].Ecological Modelling，2011，222（16）：2939-2944.

2 胡美娟，周年興，李在軍，等.南京市三維生態足跡測算及驅動因子[J].地理與地理信息科學，2015，31（1）：91-95.

3 張星星，曾 輝.珠江三角洲城市群三維生態足跡動態變化及驅動力分析[J].環境科學學報，2017，37（2）：771-778.

4 杜悅悅，彭 建，高 陽，等.基于三維生態足跡的京津冀城市群自然資本可持續利用分析[J].地理科學進展，2016，35（10）：1186-1196.

5 張 芳，徐偉鋒，李光明，等.上海市2003年生態足跡與生態承載力分析[J].同濟大學學報（自然科學版），2006，（1）：80-84.

6 諶 偉，李小平，孫從軍，等.1999-2005年上海市縱向時間序列生態足跡分析[J].生態環境學報，2008，17（1）：422-427.

7 何彩虹，吳開亞，胡淑恒.上海市2000-2009年生態足跡測算與動態分析[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2012，35（2）：268-273.

8 Wackernagel M，Onisto L，Bello P，etal.National natural capital accounting with the ecological footprint concept[J].Ecological Economics，1999，29（3）：375-390.

9 Wackernagel M，Monfreda C，Schulz N B，etal.Calculating national and global ecological footprint time series： resolving conceptual challenges[J].Land Use Policy，2004，21（3）：271-278.

10 李耀新.加快推進上海產業布局和結構調整[J].科學發展，2014，（1）：71-75.

Dynamic Footprint Dynamics of Shanghai Based on Improved 3D Ecological Footprint Model

Xiang Shiyue1, Liu Ziwen1, Dai Yanping2, Cai Yongli2,3
(1.School of Geographic Sciences, East China Normal University; 2.School of Ecological and Environmental Sciences, East China Normal University; 3.Shanghai Key Lab for Urban Ecological Process and Eco-Restoration, East China Normal University, Shanghai 200241, China)

Ecological footprint is an important method to evaluate sustainable development.In this paper, the ecological footprint of Shanghai is analyzed from 2000 to 2014 by using the improved three-dimensional ecological footprint model.The results showed that the per capita ecological footprint, bearing capacity and deficit of Shanghai showed a decreasing trend from 2000 to 2014, while the total ecological footprint, bearing capacity and deficit increased.The change of fossil energy footprint changed from Shanghai footprint The per capita ecological footprint is declining, and the per capita ecological footprint is increasing, and the fluctuation is larger, which reflects the gradual increase of ecological pressure.The ecological footprint of Shanghai is the main driving force of ecological deficit.The results provide a scientific basis for the sustainable development of Shanghai.

three-dimensional ecological footprint; ecological footprint; ecological footprint depth; Shanghai

X24；K903

A

1008-9500(2017)10-0127-04

2017-08-11

本文系科技部重大研發計劃“長三角城市群區域生態承載力評估與提升技術研究”（項目編號：2016YFC0502701）、上海市創新訓練項目（項目編號：201610269103）的階段性研究成果之一。

向詩月（1996-），女，湖南永順縣人，本科，研究方向：區域可持續發展。

蔡永立（1963-），男，安徽蚌埠人，教授，博士生導師，研究方向：景觀規劃與生態修復，E-mail：ylcai@geo.ecnu.edu.cn