基于能值-生態足跡法的資源型城市生態安全 演變研究：以河南省焦作市為例

王　冠

(廣西財經學院工商管理學院，廣西 南寧 530003)

0　引　言

資源型城市在支撐和促進我國國民經濟和社會發展，工業體系的建立和完善、社會主義現代化建設作出巨大貢獻的同時，正面臨著自身生態系統遭到破壞、環境受到嚴重污染、自然資源接近枯竭等一些列嚴重的生態問題[1]。《全國資源型城市可持續發展規劃(2013～2020年)》將資源型城市定位為能源保障基地和經濟發展的重要支撐，是我國工業化、城鎮化、信息化和生態文明建設的主戰場，在全面建成小康社會、實現中華民族偉大復興的中國夢中扮演非常重要的角色[2]。因此，如何突破生態安全瓶頸的制約，實現資源型城市可持續發展，成為近年來生態學、經濟學及相關學科的熱點研究問題。

目前，國內學者們對于資源型城市生態安全問題的研究，主要集中于城市土地的生態安全、城市整體的生態安全、生態安全預測(警)等三個方面。王蘭霞等[3]等運用PSR模型和熵權法，對雞西市2008～2014 年土地生態安全情況進行評價和分析；高彩玲等[4]等從活力、組織結構、恢復力、生態系統服務功能及人群健康5個要素入手，構建了焦作城市生態系統健康評價指標體系，并對焦作市2006～2012年城市生態系統健康水平進行評價和分析；高宇等[5]等運用多元線性回歸預測模型，對榆林市2012～2021年的生態安全狀況進行預測分析，并以2011年的數據為基準，設計了四種發展情景進行預警調控研究。已有研究成果大多以年度為時間尺度對資源型城市生態安全進行靜態評價和描述，只是現狀評價，缺乏從演變趨勢來探討生態安全狀態變化。由于城市生態安全具有動態性的特點，對資源型城市生態安全進行動態演變趨勢研究是有待研究的重要課題。

本文運用能值-生態足跡法，以衰退型資源型城市焦作市為例，以1985～2014年為時間序列，通過追蹤焦作市生態安全演變過程，分析資源型城市生態赤字/盈余情況與經濟社會發展之間的關系，定量呈現資源型城市生態安全演變規律和發展變化趨勢，從時間和空間維度回答資源型城市生態安全狀況，努力為資源型城市生態安全問題研究提供新的研究思路和視角，以期為成長型、成熟型資源型城市建設“兩型”社會提供理論依據與決策支持。

1　研究方法

1.1　能值-生態足跡法的基本原理

能值-生態足跡法以能值分析法和生態足跡法為基礎，借助太陽能值轉換率，將居民所消耗的不同類型、不同質量、不同級別的能量流，換算成具有統一度量單位、可以直接加減的太陽能值，利用能值密度將各消費項目所對應的太陽能值進一步換算為生物生產性土地面積，最終計算出生態足跡和生態承載力，以此來判斷區域生態安全狀況[6-8]。

1.2　生態承載力

根據自然資源能否再生，可將自然資源劃分為可更新資源和不可更新資源[9]。不可更新資源隨著人類的不斷開采和利用日漸減少，甚至枯竭，只有可更新資源才能為人類社會可持續發展提供長久穩定的保障。所以，在計算生態承載力時，只將可更新資源納入計算范疇[10]。比較有代表性的可更新資源包括太陽輻射能、風能、雨水勢能、雨水化學能和地球旋轉能，它們通過天然作用再生更新，人類可以反復利用。生態承載力計算見式(1)。

(1)

式中：EC為生態承載力(hm2)；Ei為第i種可更新資源的能量(J)；τi為第i種可更新資源的太陽能值轉換率[11]；ρ=區域可再生資源總能值/區域總面積，為能值密度(sej/hm2)。

1.3　生態足跡

傳統的生態足跡法將地球表面的生物生產性土地劃分為耕地、林地、牧草地、水域、化石能源用地和建筑用地六類[12]。根據能否被重復利用，六類土地又被歸為兩類：用于生產的土地和用于消費的土地。耕地、林地、牧草地和水域歸于用于生產的土地。化石能源用地和建筑用地歸于用于消費的土地。用于生產的土地所生產的產物或作物屬于生產項目，用于消費的土地所生的產物或作物屬于消費項目[13]。生態足跡計算見式(2)。

(2)

式中：EF為生態足跡，hm2；Ci為第i種資源的能值，sej；ρ為能值密度，sej/hm2。

1.4　生態盈余/赤字

計算生態承載力和生態足跡的差，當差值為正時，表示區域生態處于盈余狀態，即生態足以支撐人們的生態需求；當差值為負值時，表示區域生態處于赤字狀態，即人們的生態需求超出了生態的承受能力。

2　研究區域概況

焦作市于1953年建市，地處河南省西北部的太行山“煤區”，北面是產煤大省山西省，南邊與鄭州隔黃河相望，東西分別于新鄉和濟源相連。經緯度極值坐標范圍在34°49′03″～35°29′45″N，112°43′31″～113°38′35″E，東西寬約120 km，南北長約77 km[14]。焦作市的形成源于煤炭開采，1949～2015年，全市共產煤0.81 Gt[7，15]，有力支持了地區經濟和國家建設。自煤炭開挖時起到20世紀90年代初，與煤炭有關產業的增加值占焦作市工業增加值的比重都在90%以上[16]。20世紀90年代末，經過近百余年的開采，焦作市煤炭資源日漸枯竭，導致許多煤炭工業企業破產。煤炭產業曾經的興盛，也使焦作欠下了嚴重的“生態賬”，導致焦作一度淪為全國十大污染城市之一。自2000以來，焦作市大搞生態環境建設，先后投入資金近3億元，完成了14處廢氣礦山治理項目；投資近1億元整治北部十余個廢氣采石場[17]。據統計，2007～2014年，焦作投入產業轉型資金4.84億元，投入城市公共基礎設施建設資金3.72億元，投入環境保護與生態治理資金4.14億元，投入民生保障資金11.08億元[18]。雖然焦作市生態環境取得了積極進展，但從環境質量水平和變化趨勢來看，自然環境問題與農業、工礦業的發展相互疊加，焦作市的的生態環境依然非常復雜和脆弱，仍然屬于典型的生態環境脆弱區。

3　結果及分析

研究所涉及的數據主要來源于《河南統計年鑒》(1986～2015年)、《焦作統計年鑒》(1986～2015年)、《中國城市統計年鑒》(1986～2015年)，以及《焦作市國民經濟和社會發展統計公報》和《焦作市環境狀況公報》、焦作市人民政府網等。能量折算系數參考羅世明等[19-20]的研究成果。

3.1　生態承載力

利用式(1)求得1985～2014年焦作市人均生態承載力(圖1)。30年內焦作市的年人均生態承載力為0.11555664 hm2/cap，整個研究期的最大值為0.14763 hm2/cap(1994年)，最小值為0.09148 hm2/cap(2010年)。1997年出現一次“斷崖式”下降，原因在于濟源縣從焦作市分離出來成為省直管市。1985～1996年焦作市人均生態承載力呈現“兩落兩起”變化趨勢。1997～2014年，焦作市人均生態足跡變化整體呈現倒U字形，以2004年為分界點。

3.2　生態足跡

利用式(2)求得1985～2014年焦作市人均生態足跡(圖2)。過去30年焦作市的年人均生態足跡為0.10308 hm2/cap，整個研究期的最大值為0.13558 hm2/cap(2005年)，最小值為0.0689 hm2/cap(1991年)。1985～2014年焦作市人均生態足跡變化可以劃分為兩個階段。1985～2005年為第一階段，除1991年、1992年人均生態足跡有所回落外，整個階段表現出持續增加的態勢;2006～2014年為第二階段，該階段焦作市人均生態足跡表現出整體下降的趨勢，期間也一度出現了回升。

圖1　1985～2014年焦作市人均生態承載力變化趨勢圖

3.3　生態盈余/赤字與生態安全分析

利用所計算的1985～2014年焦作市人均生態足跡和人均生態承載力，計算1985～2014年焦作市的人均生態赤字或盈余(表1)。1985～1996年，焦作市生態處于盈余狀態，除了1989年、1990年、1991年的生態盈余狀態較上年有所增加外，其余年份保持下降趨勢，由1985年的0.066 7 hm2/cap，下降到1996年的0.044 5 hm2/cap，其中，1993年、1994年、1995年的人均生態盈余年下降率較高，分別為13.34%、10.63%、18.28%。1997～2014年，焦作市生態處于赤字狀態，赤字狀態有增加也有減少，其中，2001年生態赤字增長率最高，達到了104.67%，2011年生態赤字減少率最高，達到56.19%。

圖2　1985～2014年焦作市人均生態足跡變化趨勢圖

年份生態赤字或盈余/(hm2/cap)年變化率/%年份生態赤字或盈余/(hm2/cap)年變化率/%年份生態赤字或盈余/(hm2/cap)年變化率/%19850.0667———19950.0472-18.282005-0.033835.4419860.0643-3.5919960.0445-5.662006-0.0307-8.9719870.0603-6.291997-0.0102-122.992007-0.0285-7.1819880.0588-2.391998-0.013229.172008-0.036126.7319890.05981.681999-0.0099-24.812009-0.03928.5319900.06162.902000-0.0063-36.652010-0.04001.9619910.074521.052001-0.0129104.672011-0.0175-56.1919920.0745-0.032002-0.0127-1.452012-0.0127-27.3419930.0646-13.342003-0.017940.682013-0.025297.5819940.0577-10.632004-0.024939.612014-0.02530.52

焦作市1985～2014年生態安全變化趨勢(圖3)劃分可以為五個階段。1985～1993年為第一階段，人均生態承載力處于0.06～0.08 hm2/cap；1994～1996年為第二階段，人均生態承載力處于0.04～0.06 hm2/cap；1997～2003年為第三階段，從該階段開始焦作市生態處于赤字狀態，結果處于0～0.02 hm2/cap；2004～2010年為第四階段，人均生態赤字處于0.02～0.04 hm2/cap；2011～2014年為第五階段，人均生態赤字處于0.02 hm2/cap左右。由5年滑動人均生態赤字或盈余曲線可知，隨著經濟社會發展，焦作市生態安全狀況逐步下降，下降到一定程度后，生態安全狀況將逐漸好轉。

圖3　1985～2014年焦作市人均生態赤字 或盈余變化趨勢圖

3.4　1985～2014年焦作市生態安全演變過程中六類土地的變化

1985～2014年，焦作市六類生物生產性土地在生態足跡變化中所占比例的變化情況如圖4所示。1985～2014年，耕地、化石能源地、建筑用地對生態足跡變化貢獻最大。1985～2008年連續27年三者累計貢獻率都在90%以上，從2009年開始小于90%。1990年曾一度達到99.12%，表明焦作市的生態系統幾乎全部用于耕地、化石能源地和建筑用地。圖4也反映出在焦作市生態足跡變化過程中，六類土地對生態足跡的貢獻也在不斷變化。1985～1990年化石能源地生態足跡占焦作市生態足跡維持在50%左右，從2011年開始，耕地的生態足跡開始占到焦作市生態足跡的50%。

3.5　焦作市生態安全演變過程呈現的特征

1) 焦作市生態安全演變呈現階梯式遞減規律。1985～2014年，除了1999年焦作市人均GDP有小幅回落，其余年份均較上年有所增加(圖5)。特別是進入21世紀以來，焦作市人均GDP增長速度變得更快。與此同時，焦作市生態系統安全水平每況愈下，經歷了生態盈余逐漸減少，開始出現赤字，赤字逐步增大，直到2010年赤字擴大趨勢才得到有效遏制。從數量上來看，焦作市生態系統安全水平變化經歷了(0.08 hm2/cap，0.06 hm2/cap]、(0.06 hm2/cap，0.04 hm2/cap]、(0.04 hm2/cap，0.02 hm2/cap]、(0.02 hm2/cap，0 hm2/cap]、(0 hm2/cap，-0.02 hm2/cap]、(-0.02 hm2/cap，-0.04 hm2/cap]、(-0.02 hm2/cap，0 hm2/cap]等七個階段，呈現階梯式遞減趨勢。對焦作市來講，這種遞減趨勢沒有無限蔓延，2010年是一個拐點，之后向更安全的水平演變。

2) 六類生物生產性土地使用比例結構趨向合理。2014年，焦作市耕地、牧草地、林地、水域、化石能源地、建筑用地在土地中所占比例分別為51.65%、8.03%、0.9%、0.43%、17.25%、21.74%，雖然耕地、化石能源和建筑用地在焦作市生態足跡中所占比重較大，高達90%以上，但較之1985年的28.02%、2.04%、0.35%、0.05%、52.64%、16.9%，結構更為合理。考慮到土地利用的均衡性，焦作市應進一步減少對耕地和建筑用地的使用，提高其他用地所占比重。從2003年開始，牧草地生態足跡的所占比重明顯增加，這種現象對于優化焦作市土地利用結構比例非常有利，但也要預防牧草地足跡增長過快。

圖4　1985～2014年焦作市生態足跡變化過程中 六類生物生產性土地所占比例變化

圖5　1985～2014年焦作市人均GDP的 變化與生態安全演變的關系

3)化石能源用地生態足跡的變化與焦作市自身發展和轉型歷程高度契合。1985～1998年，雖然化石能源地的生態足跡在焦作市生態足跡中占有較大分量，但所占比例逐漸降低，1991年耕地的生態足跡超過化石能源地，成為六類土地中生態足跡最大的土地，這個階段焦作市煤炭資源也日漸枯竭。1999～2014年，化石能源地生態足跡所占比例趨向穩定，期間，焦作市努力探索轉型發展，逐漸走出由于煤炭資源枯竭導致經濟發展緩慢的困境。可見，化石能源用地生態足跡的變化與焦作市自身發展和轉型歷程高度契合。

4　結　論

1)利用能值-生態足跡法分析了焦作市1985～2014年生態安全演變過程，結果顯示雖然焦作市生態安全狀況依然比較嚴峻，但惡化的趨勢得到了有效遏制，從2010年開始生態安全整體情況在逐步改善，研究結論與焦作市的實際情況相符。

2)焦作市化石能源用地的生態足跡一直維持較高水平，是土地消費的主要部分，隨著化石能源用地生態足跡所占比例降低，雖然焦作市生態安全仍處于赤字狀態，但赤字增加的幅度逐漸減少，表明化石能源用地是影響焦作市生態文明建設的關鍵因素，其他資源型城市在加強生態文明建設時也要高度重視化石能源用地的生態足跡。

3)解決資源型城市發展引起的環境問題是我國建設“兩型”社會的重要課題[21]，焦作市做為國家首批資源枯竭型城市，在國家政策的扶持下，通過不斷努力不僅在轉型上樹立了標桿，在生態文明建設方面也取得了顯著的成績，為其他資源型城市也做了很好的示范。相信通過政府、企業、社會的共同努力，我們一定能夠改善資源型城市生態環境，將我國建設成為生態環境優美的美麗中國。

[1]陳江波，湯杰.我國資源型城市生態安全的防范與調控研究[J].經濟研究導刊，2014(8)：62-63.

[2]石洋.石油資源型城市生態安全評價研究——以卡拉瑪依市為例[D].烏魯木齊：新疆大學，2014.

[3]王蘭霞，秦大海，孟祥民，等.資源型城市土地生態安全評價——以黑龍江省雞西市為例[J].安徽農業科學，2016，44(30)：179-182.

[4]高彩玲，田采霞，麻冰涓.基于熵權法的焦作市城市生態系統健康動態評價[J].水土保持通報，2015，35(3)：197-202.

[5]高宇，曹明明，邱海軍.榆林市生態安全預警研究[J].干旱區資源與環境，2015，29(9)：57-62.

[6]黃鳳華，李維德.基于能值-生態足跡法的山東省可持續發展分析[J].安徽農業科學，2009，37(17)：8186-8189.

[7]袁杰.基于生態足跡的北方村鎮住宅低碳設計與性能研究[D].大連：大連理工大學，2013.

[8]張偉，康文星.基于能值理論的衡東縣生態足跡研究[J].中南林業科技大學學報，2008，28(2)：57-62.

[9]李保茵.基于能值-生態足跡整合模型的河南省耕地利用可持續性研究[D].太原：山西師范大學，2013.

[10]郭玲霞，高貴現，黃朝禧.基于能值改進的生態足跡模型在兩型社會城市的應用——以武漢市為例[J].華中農業大學學報:社會科學版，2012(4)：75-81.

[11]藍盛芳，欽佩.生態經濟系統能值分析[M].北京：化學工業出版社，2002.

[12]顏麗娟.黑龍江大興安嶺地區“天保”工程一期生態效益分析[J].林業經濟，2015(6)：30-34.

[13]楊燦，朱玉林.基于能值生態足跡改進模型的湖南省生態赤字研究[J].中國人口·資源與環境，2016，26(7)：37-45

[14]高漢琦，牛海鵬，方國友，等.基于CVM多情景下的耕地生態效益農戶支付/受償意愿分析——以河南省焦作市為例[J].資源科學，2011，33(11)：2116-2123.

[15]焦作市統計信息網[DS/OL].http：∥www.jztjj.gov.cn/jzww/index.htm.

[16]陶曉燕.資源枯竭型城市生態安全評價及趨勢分析——以焦作市為例[J].干旱區資源與環境，2014，28(2)：53-58.

[17]武勇，姜雪城.我國近10年投入近萬億元用于生態建設和環境保護[EB/OL].(2009-09-07)http：∥www.npc.gov.cn/，2009-9-7.

[18]河南省旅游局信息中心.綠色崛起看焦作一個資源枯竭型城市轉型的探索與實踐[EB/OL].(2005-01-15)http：∥hn.ifeng.com/lvyou/zixun/detail_2015_01/15/3429915_0.shtml

[19]陳阜.農業生態學教程[M].北京：氣象出版社，2004.

[20]駱世明.農業生態學教程[M].長沙：湖南科學技術出版社，1987.

[21]金英姬，宋玉霞，陳艷.我國資源型城市推進生態文明建設的探討——以煤炭城市為例[J].經濟問題探索，2015(5)：141-143.