長三角城市群2010年生態足跡與生態承載力分析

宋雪珺,王多多,覃飛,蔡永立,*

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

1 前言

城市作為一個復雜的綜合了生態,經濟與社會等眾多因素的系統,其可持續發展的能力的評價體制一直是研究的熱點問題,并對城市未來的發展方向有極重要的指示意義[1-2]。自1987年《我們共同的未來》發表以來,可持續發展作為一種全新的發展觀和發展模式,己經逐步從理論走向實踐。生態足跡(Ecological Footprint,EF),最早于1992年由加拿大生態經濟學家Rees提出,后經由其博士生Wackernagel進一步完善的一種理論和方法[3]。它是衡量人類社會可持續發展的一種重要方法,能夠衡量人類對自然資源利用程度以及自然界為人類所能提供的服務水平[3-5]。生態足跡法以基于生物生產性土地的量化指標和簡便的計算方法而為廣大學者采用[3],具有科學明晰,指標全面,易于操作和便于不同地區進行比較的眾多優點[6-11]。

當前國內外對生態足跡的研究主要集中于三個方面。(1)基礎理論研究。如對生態足跡法優缺點的探討[12],對生態足跡模型的修正[13],對“全球公頃”的改進[14]。(2)面向全球,或針對某個國家或地區或更小尺度的研究。如對全球生態足跡的研究,對某一國家的研究[3],對某個省市的研究[15-17],對某所學?；蛏鐓^的研究[18],對某一個體的研究[19]。(3)針對某些行業的研究。如對旅游生態足跡的探究[20],對交通生態足跡的探究[21]等。

2016年5月,國家發改委發布最新《長江三角洲城市群發展規劃》[22]。規劃中首次納入安徽合肥都市圈,新的長三角城市群包含26個城市,包括上海、江蘇9市、浙江8市和安徽8市。長三角城市群自然環境條件優越,氣候宜人,物產豐富。區域內地形以平原為主,土地開發難度小。濱江臨海,水系四通八達,產業發展、城鎮建設受自然條件約束較小,是我國不可多得的工業化、信息化、城鎮化、農業現代化協同并進的首要區域[22]。但從空間尺度看,當前對長三角城市群的生態足跡與生態承載力的研究多為單個城市或整個省的研究[23-25],尚缺乏大區域尺度尤其是包含安徽省城市的長三角城市群的生態足跡與生態承載力研究,而長三角城市群建設的一大目標就是構建適應資源環境承載能力的空間格局。本文希望通過對生態足跡與生態承載力的研究定量化衡量和評估長三角各市的資源與環境狀況,同時為長三角區域協同合作提出參考建議。

2 研究區概況

長三角城市群位于長江入海口沖積平原,地勢地平,大多數城市海拔在0—10米之間,零星散布一些孤山丘壑,屬亞熱帶季風性氣候,國土面積約21.17萬平方公里,約占中國的2.2%。人口數量約占中國的11%[22]。長三角地區河川縱橫,湖泊遍布,是中國河網密度最高的地區,水資源豐富,但水質較差。長三角地區中江蘇、安徽的礦產資源比較豐富,包括能源礦產和非金屬礦產。長三角地區是交通發達、經濟發達的高城市化地區,集中全國約25%的經濟總量,且增長率也遠高于全國平均水平。長三角各市規模以大城市為主,新的規劃擬構建“一核五圈四帶”的網絡化空間格局[22],如圖1所示。

3 數據來源及研究方法

3.1 數據來源

人口數據:采用各地2010年常住人口,主要由2011年統計年鑒所得,部分由統計局網站中的2010年統計公報所得。

生態足跡數據:26市生物資源消費量和能源消費量均來自于各市2011年統計年鑒或2010年統計公報。極少數缺失2011年統計年鑒,采用最近的2012年數據填補。生物資源的生態生產性土地面積的折算中,全球平均產量糧食、蔬菜產量由世界糧農組織(FAO)提供的2001—2009年提供的總產量和總面積數據[26]求得,其他世界平均產量數據則參照了Wackernagel以及謝鴻宇等[3,27]所得。

圖1 長三角城市群空間格局示意圖[20]Fig.1 The spatial pattern of Yangtze River Delta urban agglomeration[20]

生態承載力數據:六類土地資源的面積的基礎數據來源于National Geomatics Center of China(國家基礎地理信息系統)2014年公布的2010年全國土地利用類型數據。對數據進行處理后得到各市各類土地資源的面積。

3.2 研究方法

3.2.1 生態足跡(EF)

式中:EF為總的生態足跡(hm2);N為人口數(人);ef為人均生態足跡(hm2·人-1);ci為i種商品的人均消費量(kg·人-1);pi為i種消費商品的平均產量(kg·hm-2);aai為人均i種交易商品折算的生物生產面積(hm2),i為所消費商品和投入的類型;Ai為第i種消費項目折算的人均占有的生物生產面積(hm2);rj為均衡因子。

人均生態足跡分量:

式中:i=1,2,3……m。Ai為第i種消費項目折算的人均生態足跡分量(hm2/人),Yi為生物生產土地生產第i種消費項目的年(世界)平均產量(kg·hm-2),Pi為第i種消費項目的年生產量(kg),Ii為第i種消費項目年進口量(kg),Ei為第i種消費項目的年出口量(kg),N為人口數(人)。由于進出口量相對于消費量極小,本文中不考慮進出口調整量。

3.2.2 生態承載力(EC)

式中:EC為總的生態承載力(hm2),ec為人均生態承載力(hm2·人-1),aj為人均生物生產面積(hm2),rj為均衡因子,yj為產量因子。出于謹慎性考慮,在生態承載力計算時扣除12%的生物多樣性保護面積。

3.2.3 生態盈虧(ED)

生態盈虧是指生態足跡與生態承載力的差值,該指數表明某區域的生態狀況[1]。正值表明生態承載力大于生態足跡,稱為生態盈余。負值表明生態足跡大于生態承載力,稱為生態赤字。

3.2.4 均衡因子及產量因子

式中:rj為均衡因子,kj為j類生物生產性土地的全國平均生產力(kg·hm-2),K為全國所有類別生物生產性土地的平均生產力(kg·hm-2)。

本文采用的均衡因子來自《中國生態足跡報告2012》[29],即耕地為2.39,草地為0.51,林地為1.25,水域為0.41,建設用地為2.39,化石能源用地為1.25。

式中:yj為產量因子,tj為某區域j類生物生產性土地的平均生產力(kg·hm-2),Tj為全國j類生物生產性土地的平均生產力(kg·hm-2)。

本文的研究區域為長三角城市群,故產量因子參考相關文獻[30-32]綜合所得。耕地:1.66,草地:1.25,林地:1.34,水域:0.97,建設用地:1.66,化石能源用地0.00。鑒于絕大多數建設用地均占用了可成為或本就是耕地的肥沃土地,因此建設用地的產量因子與耕地相同。而化石能源用地主要是指可吸收CO2的森林,因此其產量因子與林地相同[32]。

3.3 數據處理

對于長三角城市群26座城市的生態足跡,生態承載力與生態赤字的結構特征研究采用層次聚類法,將各城市的各類型生態足跡,生態承載力與生態赤字作為因變量帶入Q型聚類分析中,通過歐式距離法將26座城市進行分類。所有數據的處理均在SPSS 20.0軟件上完成。

4 結果與分析

根據生態足跡法計算出長三角26個市2010年的生態足跡、生態承載力以及生態赤字的情況,具體結果如表1、表2和圖1、圖2、圖3所示。

4.1 生態足跡,生態承載力與生態盈虧的計算與分析

(1)就生態足跡而言,2010年長三角城市群平均人均生態足跡為3.5302 hm2·人-1,貢獻最大的是耕地與能源用地,這兩種生態足跡占到總人均生態足跡的96.02%,說明能源和糧食是長三角城市群最主要的資源消費,且這兩種生態足跡的比例要高于我國其他省市[33-36]。2010年長三角城市群平均人均生態足跡表現為:平均人均能源用地足跡(2.0510 hm2·人-1)>平均人均耕地足跡(1.3385 hm2·人-1)>平均人均建設用地足跡(0.0456 hm2·人-1)>平均人均林地足跡(0.0365 hm2·人-1)>平均人均草地足跡(0.0304 hm2·人-1)>平均人均水域足跡(0.0282 hm2·人-1)(圖 2)。

對26市生態足跡進行比較,人均生態足跡最高的是馬鞍山(8.3293 hm2·人-1),貢獻最大的是能源用地足跡,占到了總人均生態足跡的88.91%(7.4053 hm2·人-1); 最低的是蕪湖, 為 1.2806 hm2·人-1,其貢獻最大的是耕地足跡,為1.0131 hm2·人-1,占到了總人均生態足跡的79.11%。人均耕地足跡最高的是鹽城(3.7521 hm2·人-1),最低的是上海(0.3303 hm2/人);人均林地足跡最高的是池州(0.3335 hm2/人),最低的是蘇州(0.0013 hm2·人-1);就人均草地足跡來看,最高的是金華(0.1556 hm2·人-1),最低的是臺州(0.0014 hm2·人-1);人均水域足跡最高的是舟山(0.3262 hm2·人-1), 最低的是金華(0.0034 hm2·人-1);就人均建設用地足跡最高的是南通(0.1026 hm2·人-1),最低的是蘇州(0.0106 hm2·人-1);就人均能源用地足跡來看,最高的是銅陵(7.4053 hm2·人-1),最低的是舟山(0.1934 hm2·人-1)(表 1, 圖 2)。

(2)從生態承載力來看,扣除12%的生物多樣性保護面積后,長三角城市群平均人均生態承載力為0.4906 hm2·人-1,最主要的貢獻是耕地,占到總人均生態承載力的72.85%。2010年長三角城市群的六種生態承載力的排序為:平均人均耕地承載力(0.3574hm2·人-1)>平均人均林地承載力(0.0786hm2·人-1)>平均人均建設用地承載力(0.0476 hm2·人-1)>平均人均水域承載力(0.0050 hm2·人-1)>平均人均草地承載力(0.0020 hm2·人-1)>平均人均能源用地承載力(0.0000

hm2·人-1)(圖 3)。

表1 2010年長三角城市群生態足跡Tab.1 The ecological footprint of Yangtze River Delta urban agglomeration in 2010

圖2 長三角城市群26市2010年生態足跡Fig.2 The ecological footprint of 26 cities in the Yangtze River Delta in 2010

對這26市的生態承載力進行比較,人均生態承載力最高的是池州,為1.1009 hm2·人-1;最低的是上海,為0.1010 hm2·人-1,僅為池州人均生態承載力的10%。人均耕地承載力最高的是滁州,為1.0648 hm2·人-1, 最低的是上海,0.0655 hm2·人-1;人均林地承載力最高的是池州,達0.6091 hm2·人-1,最低的是鹽城、泰州、南通,均為0.0000 hm2·人-1,說明這些地區的林地資源較為匱乏;人均草地承載力最高的是池州,為0.0084 hm2·人-1,最低的是嘉興、鹽城、南通,均為0.0000 hm2·人-1,長三角城市群的草地承載力普遍偏低;就人均水域承載力來看,最高的是安慶,為0.0130 hm2·人-1,最低的是上海,為0.0007 hm2·人-1;就人均建設用地承載力來看,最高的是南通,達0.1026 hm2·人-1,最低的是蘇州,為0.0106 hm2·人-1;因26市均未留有專門的吸收CO2的能源用地,故人均能源用地承載力均為 0.0000 hm2·人-1(表 2, 圖 3)。

表2 2010年長三角城市群生態承載力Tab.2 The ecological carrying capacity of Yangtze River Delta urban agglomeration in 2010

圖3 長三角城市群26市2010年生態承載力Fig.3 The ecological carrying capacity of 26 cities in the Yangtze River Delta in 2010

(3)長三角城市群所有城市都出現了生態赤字,26市平均人均生態赤字為3.0396 hm2·人-1,高于同為經濟中心的珠三角[37],同時也說明長三角城市群的經濟社會發展依賴于外來資源的輸入。人均生態赤字最高與最低的城市都在安徽省。人均生態赤字最高的是達到7.3904 hm2·人-1的馬鞍山,高于其生態承載力近7倍。最低的蕪湖的生態赤字(0.5339 hm2·人-1)僅為馬鞍山生態赤字的7.22%。生態足跡最高的三座城市馬鞍山、銅陵、寧波也是生態赤字最高的三座城市。而生態承載力最低的四座城市上海,蘇州,無錫和舟山卻并非是生態赤字最高的城市,這說明人均生態赤字的變化主要取決于人均生態足跡的變化(圖4)。

4.2 空間分布分析

圖4 26市2010年人均生態足跡(a)、人均生態承載力(b)、人均生態赤字(c)排序Fig.4 The sequence of per capita ecological footprint(a),per capita ecological carrying capacity(b)and per capita ecological deficit(c)of 26 cities in 2010

利用GIS 10.2軟件對數據進行自然分等定級,可以明顯看到在空間分布上生態足跡、生態承載力與生態赤字呈現不均衡分布。長三角城市群人均生態足跡較高的地區呈“三角型”分布(圖5(a)):以制造業為主的浙江沿海的嘉興,紹興和寧波;以鋼鐵重工業為支柱產業的安徽省長江沿岸的馬鞍山與銅陵;以及農產品輸出地江蘇省北部的鹽城。從人均生態承載力上看,蘇南城市無錫,蘇州以及上海的生態承載力最低,再向外則不斷上升,呈“扇形”分布(圖5(b))。除了總生態承載力的差異外,人口的不同也是造成這種情況的重要原因,人口最多的上海、蘇州都達到了千萬以上。相比于江蘇省和浙江省的長三角城市,位于安徽省的長三角城市有著較高的生態承載力,體現其較為突出的自然資源優勢。從人均生態赤字上看,沿海城市高于內陸城市,除人均生態足跡極高的馬鞍山與銅陵,呈“沿海-內陸遞減”的分布形態(圖5c)。需要我們注意的是,上海、南京、杭州、合肥這四個GDP總量突出、城市規模較大的中心城市的生態足跡,生態赤字在長三角地區處于一個中等的狀態。而一些中小城市如嘉興,馬鞍山和銅陵卻有著相對較高的生態赤字,將嚴重影響這些城市的可持續發展。

4.3 長三角城市群不同類型生態足跡,生態承載力與生態赤字的結構特征分析

對26市的各類型人均生態足跡進行聚類分析,在類間距離4到5的區間將長三角26市分為5大類(圖6):I:能源高消耗型。代表城市為安徽銅陵與馬鞍山。由于其消耗能源與電力的工業相對發達,使得其人均能源生態足跡遠遠高于其他長三角城市。II:能源與水域高消耗型。代表城市為浙江寧波。其也有發達的工業,且同時水產品消耗很大,其人均能源生態足跡和人均水域生態足跡相較都比較突出。III:耕地高消耗型。江蘇鹽城,安徽滁州和浙江嘉興。大量的農產品生產造成耕地的生態足跡相對較高,但能源與建設用地的人均生態足跡相對較低。IV:耕地低消耗型。包含上海、浙江舟山、蘇南的蘇州、無錫、常州、鎮江以及南京。這類人均耕地生態足跡相對較低,同時人均能源生態足跡高于長三角其他城市(低于第I和II類城市)。V:消耗均衡型。包含長三角剩余的所有城市,特征為各類型生態足跡較為平衡。

對26市的各類型生態承載力進行聚類分析,在類間距離6到10的區間將長三角26市的各類型生態承載力分為4大類(圖7)。I:自然資源豐富型。代表城市為安徽池州、宣城。其生態承載力特征為林地以及草地的生態承載力相對較高,但建設用地承載力較低。這類城市的經濟發展水平在長三角地區相對較低,但自然環境條件較好。II:建設用地豐富型。包括安徽蕪湖、馬鞍山、合肥以及江蘇鹽城。其生態承載力特征為自然資源的承載力較低,但建設用地承載力較高。這類城市在長三角地區處于經濟快速發展階段,較高的建設用地為其提供了較好的發展條件,但自然資源承載力的不足也使得其依賴于外來資源。III:建設用地與自然資源豐富型。代表城市為滁州。該市的水域、草地和建設用地的生態承載力都較高。 IV:資源匱乏型。包含長三角剩余的所有城市。其生態承載力特征為各類型生態承載力都較低,說明這些城市的各項自然資源都十分匱乏,極其依賴于外來資源的輸入。

圖5 26市2010年人均生態足跡(a)、人均生態承載力(b)、人均生態赤字(c)空間分布Fig.5 The spatial distribution of per capita ecological footprint(a),per capita ecological carrying capacity(b)and per capita ecological deficit(c)of 26 cities in 2010

圖6 26市2010年各類型生態足跡聚類分析結果Fig.6 The clustering results of 26 cities’different types of ecological footprint in 2010

圖7 26市2010年各類型生態承載力聚類分析結果Fig.7 The clustering results of 26 cities’different types of ecological carrying capacity in 2010

對26市的各類型人均生態赤字進行聚類分析,在類間距離2到3的區間將長三角26市分為6大類(圖8):I:能源問題突出型。包含安徽馬鞍山和銅陵。與生態足跡對應,這類城市的第二產業以鋼鐵、石化等極其依賴化石燃料的重工業為主,超高的能源生態足跡造成嚴重的能源生態赤字。II:能源與水域問題突出型。代表城市為寧波。同樣與生態足跡對應,重工業及其漁業消耗了大量的能源用地與水域用地,使得寧波這兩種用地的人均生態赤字較大。III:耕地短缺突出型。代表城市為江蘇鹽城。大量的農產品生產已嚴重超過其耕地的生態承載力,使得其相應的生態赤字較為嚴重。IV:建設用地短缺突出型。包含上海、浙江舟山、安徽池州以及蘇南的蘇州、常州、無錫、鎮江、南京。較高的經濟發展水平要求較多的建設用地,所以這類城市的建設用地生態赤字較高。但這8座城市的耕地生態足跡普遍偏低,所以耕地生態赤字較小。V:短缺均一型。各類型都存在生態赤字,相比于其他類城市(除第VI類外)短缺問題相對緩和。VI:可持續發展型。其作為長三角人均生態赤字最小的城市,林地與建設用地呈生態盈余,且其他用地的生態赤字都很小,說明蕪湖有極高的可持續發展潛力。

5 結論與討論

根據本文的分析,得到以下結論:(1)2010長三角城市群26市的人均生態足跡都大于人均生態承載力,所有城市均出現了生態赤字。整個長三角城市群處于不可持續發展的狀態,區域內城市自身資源與環境條件無法滿足大量人口的消耗以及高速經濟發展的要求。(2)從空間角度看,26座城市間的生態足跡,生態承載力與生態赤字有較大差異。在長三角地區,位于內陸安徽省的城市生態承載力要高于沿海的浙江省、江蘇省和上海,而沿海城市的生態赤字要高于內陸城市。(3)從生態足跡,生態承載力和生態赤字的類型結構看,長三角26市之間特征區分明顯,各區域間可以形成資源的相對互補。

圖8 26市各類型生態赤字聚類分析結果Fig.8 The clustering results of 26 cities’different types of ecological deficit in 2010

針對長三角地區的生態足跡與生態承載力的現狀,區域尺度內的統籌協調規劃顯得極為重要。對此有幾點建議:(1)完成長三角城市群的產業升級與轉型勢在必行,將沿海城市的制造業升級為更為環境友好的高新技術產業,著力提升金融、服務等第三產業在經濟中所占的比例。而內陸城市選擇性承接沿海城市的低能耗制造業。(2)為降低沿海城市非生產性生態足跡的巨大消耗,引導人口從稠密的城市向人口壓力相對較小的城市也是值得考慮的一種手段。(3)需要加強對長三角城市群的生態敏感區(如蘇北地區、長江沿岸城市)的生態保護,重點保護耕地,林地和水域,不能一味地為了經濟發展而盲目開發建設用地。(4)在區域間協同合作方面,如安徽省各市(除銅陵外)生態承

載力較高,在自然資源供給方面可給予上海、蘇州、無錫等生態承載力較低的城市一些支持;上海、杭州、南京等生態足跡相對較低的城市應更多的分享其資源利用效率增強、高新技術產業發展的經驗,幫助馬鞍山、銅陵、寧波等市提高資源利用效率,發展高新產業。

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