基于能值生態(tài)足跡的區(qū)域生態(tài)承載力研究

張萌萌,王廣成

(山東工商學院a.管理科學與工程學院;b.發(fā)展規(guī)劃處,山東 煙臺 264005)

一、引言

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展,環(huán)境惡化、資源短缺越來越嚴重,對于這些制約經(jīng)濟發(fā)展的因素,導(dǎo)致對人們利用自然環(huán)境資源和生態(tài)環(huán)境自身的承載力之間的研究,越來越得到廣大學者的關(guān)注。能值生態(tài)足跡是生態(tài)足跡和能值理論的結(jié)合,其中,生態(tài)足跡最早是由加拿大生態(tài)經(jīng)濟學家Willian Rees及其博士生Wackernagel在1996年提出,是一種衡量人類對自然資源利用程度以及自然界為人類提供的生命支持服務(wù)功能的方法[1],該方法通過估算維持人類生存所必須的各種自然環(huán)境資源和人類生產(chǎn)的廢棄物所需要的生態(tài)空間,并統(tǒng)一折算為生物生產(chǎn)性土地面積,與區(qū)域生態(tài)承載力進行比較,衡量區(qū)域的生態(tài)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展能力,而能值理論和分析方法是由H.T.Odum創(chuàng)立的,給出了能值定量分析方法, 能值既可以衡量自然資源財富,也可以衡量人類經(jīng)濟活動;既可以衡量產(chǎn)品生產(chǎn)的各種投入,也可衡量產(chǎn)品價值[2]。能值與資源、生產(chǎn)、流動、消費息息相關(guān),與整個生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)緊密相連,是衡量自然和人類系統(tǒng)的客觀標準[3]。對于能值和生態(tài)足跡結(jié)合的研究方法在我國已有很多研究,如2006年張芳怡等提出能值分析理論的生態(tài)足跡模型,并對江蘇省2003年的生態(tài)經(jīng)濟環(huán)境狀況進行研究,得出江蘇省處于生態(tài)赤字狀態(tài),與傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型研究結(jié)果一致[4];楊燦等運用改進的能值生態(tài)足跡模型對湖南省的可持續(xù)發(fā)展能力進行研究,結(jié)果表明湖南省存在生態(tài)赤字,生態(tài)承載力存在波動,萬元GDP生態(tài)足跡處于下降趨勢且資源和能源的利用率上升[5];盛業(yè)旭等通過在能值生態(tài)足跡模型的基礎(chǔ)上增加人工投入指標、統(tǒng)一能值密度以及修正折算系數(shù),對江蘇省南通市的可持續(xù)發(fā)展狀況進行研究,得出處于不可持續(xù)的發(fā)展狀態(tài)[6];唐廉等運用改進的能值生態(tài)足跡模型對貴州省1995～2014年的生態(tài)經(jīng)濟數(shù)據(jù)進行研究,為貴州省相關(guān)部門制度經(jīng)濟發(fā)展決策提供一定的理論依據(jù)[7];童悅等采用改進的能值生態(tài)足跡模型對浙江省耕地狀況進行研究,得出耕地仍處于不可持續(xù)利用狀態(tài)[8];此外,還有很多學者對此進行了研究,對算法和模型進行改進,使結(jié)果更精確更可靠,為區(qū)域的發(fā)展提供理論依據(jù)和決策支持[9-16]。

但是,現(xiàn)有的能值生態(tài)足跡模型主要考慮生物生產(chǎn)性土地對如溫室氣體二氧化碳的吸納能力,忽視了其他污染廢棄物,并不能完全反映人類各種活動和生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系,另外,均衡因子反映了在自然或人為干擾下各種生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)實生物量,體現(xiàn)在滿足生產(chǎn)食物和供給原料之外產(chǎn)生的生態(tài)價值,所以需要擴展模型。將能值分析理論與傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型有機結(jié)合,引入污染廢棄物用地指標建立起能值生態(tài)足跡模型,應(yīng)用劉某承等[17]對中國生態(tài)足跡的均衡因子研究成果,以江蘇省為例測算能值生態(tài)足跡和能值生態(tài)承載力,反映江蘇省的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)和可持續(xù)發(fā)展能力。

二、模型構(gòu)建

能值生態(tài)足跡是能值分析和生態(tài)足跡分析相結(jié)合的一種分析方法,匯聚了兩種方法的優(yōu)點,充分展現(xiàn)能量流動和物質(zhì)循環(huán)兩個因素,利用能值折算系數(shù)和能值轉(zhuǎn)換率,將單位不統(tǒng)一的指標統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為同一可比的單位太陽能值,并引入能值密度,將各指標最終統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為生物生產(chǎn)性土地面積,比較能值生態(tài)足跡和能值生態(tài)承載力之間的大小關(guān)系,據(jù)此判斷區(qū)域生態(tài)承載力大小和可持續(xù)發(fā)展能力。

(一)能值生態(tài)足跡

生態(tài)足跡是人口數(shù)和人均物質(zhì)消費的函數(shù),是每種消費商品的生物生產(chǎn)面積的總和。人均生態(tài)足跡是表示一定區(qū)域內(nèi)為維護資源消費和廢棄物吸收所必需的人均生物生產(chǎn)面積,是人類生存必需的真實生物生產(chǎn)面積。將消費項目分為七類,即耕地、草地、林地、水域、化石能源用地、建筑用地和污染廢棄物用地,每種土地類型根據(jù)江蘇省的實際情況選取具有代表性的指標進行計算。耕地選擇有代表性的糧食作物、經(jīng)濟作物以及瓜果蔬菜為指標;草地選擇動物肉類產(chǎn)量和畜禽產(chǎn)品產(chǎn)量代表;林地則以果樹產(chǎn)量為指標;水域以水產(chǎn)品產(chǎn)量代表;化石能源以規(guī)模以上企業(yè)耗用的主要能源為代表;建筑用地主要是人類居住的范圍,以全社會用電量為指標;污染廢棄物以廢水、廢氣和固體廢棄物為指標。

首先將各類消費項目按照各自的能值折算系數(shù)和能值轉(zhuǎn)換率轉(zhuǎn)換為單位統(tǒng)一的太陽能值,再除以每年對應(yīng)的人口數(shù),得出各年人均太陽能值。

然后,使用改進后能值生態(tài)足跡模型[7]:

(1)

式中:Eef為能值生態(tài)足跡,N為區(qū)域人口,ef為人均能值生態(tài)足跡,Ci為第i中資源消費的人均能值,P為區(qū)域能值密度,rj為均衡因子。

其中,能值密度分為全球能值密度和區(qū)域能值密度,它是將太陽能值轉(zhuǎn)化為生物生產(chǎn)性土地面積的關(guān)鍵,本文中計算人均能值生態(tài)足跡時用區(qū)域能值密度。計算公式為:

區(qū)域能值密度(P)=區(qū)域總能值/區(qū)域土地面積.

(2)

均衡因子采用劉某承等[17]基于凈初級生產(chǎn)力測算中國生態(tài)足跡的結(jié)果,耕地為1.74,林地1.41,草地0.44,水域0.35,建筑用地1.74,化石能源用地1.41。

(二)能值生態(tài)承載力

影響生態(tài)足跡的因素很多,主要分為可再生資源和不可再生資源,由于不可再生資源在開發(fā)后很長一段時間內(nèi)不能再生,所以在計算生態(tài)承載力時主要考慮可再生資源。另外,江蘇省地理位置的原因,本文主要考慮太陽能、風能、雨水化學能、雨水勢能和地球旋轉(zhuǎn)能五類可再生資源為研究對象,每種資源都可以通過公式和相應(yīng)的能值轉(zhuǎn)換率計算得到。本文可再生資源計算公式及參數(shù)主要來自O(shè)dum(1996)能值專著和標注文獻整理[2]以及王廣成等[18]關(guān)于煤炭礦區(qū)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的科研報告。區(qū)域可再生資源人均能值等于區(qū)域可再生資源總能值除以區(qū)域人口數(shù)[5]。

另外,為避免重復(fù)計算,本文選取太陽能、雨水化學能和地球旋轉(zhuǎn)能計算可再生資源能值。

可再生資源能值=原始數(shù)據(jù)*能值折算系數(shù)*能值轉(zhuǎn)換率.

(3)

改進后能值生態(tài)承載力[7]:

(4)

式中:Eec為能值生態(tài)承載力,ec為人均能值生態(tài)承載力,Zi為第i種可再生資源的人均消費能值,D指全球能值密度為3.1×1014sej/hm2,常數(shù)0.88是扣除了12%的生物多樣性修正系數(shù)。

(三)污染廢棄物用地指標

污染廢棄物主要是指廢水、廢氣和固體廢棄物,因為林地和水域?qū)ξ廴緩U棄物有不同程度的吸納能力,需相應(yīng)扣除這部分。本文根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果[19],林地每平方公里吸收二氧化硫88.65千克,每平方公里滯塵能力10.11噸,單位面積水域每平方公里對廢水的吸納量是365噸,單位面積固體廢棄物可堆積量每平方公里109 000噸。

計算公式[19]:

(5)

式中,EF為污染廢棄物用地生態(tài)足跡(hm2)Qci表示第i種污染物排放總量(t),Aci表示林地或水域?qū)Φ趇類土地的吸納能力,rj為均衡因子,本文中假設(shè)污染廢棄物有較差吸納土地的生物生產(chǎn)能力,所以均衡因子取1[20]。

(四)生態(tài)盈余(赤字)

計算出能值生態(tài)足跡和能值生態(tài)承載力之后,需要對兩者進行比較,確定該區(qū)域是處于生態(tài)赤字還是生態(tài)盈余,當EecEef時,出現(xiàn)生態(tài)盈余,其大小就是兩者差額。公式為:

生態(tài)盈余(赤字)=能值生態(tài)承載力-能值生態(tài)足跡.

(6)

(五)萬元GDP生態(tài)足跡

萬元GDP生態(tài)足跡是指該區(qū)域內(nèi)能值生態(tài)足跡與該區(qū)域生產(chǎn)總值(GDP)的比值,它涉及生態(tài)保護和經(jīng)濟發(fā)展兩個因素,是反應(yīng)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力的關(guān)鍵指標,計算公式如下:

萬元GDP生態(tài)足跡=Eef/GDP。

(7)

三、實證研究

(一)江蘇省概況

江蘇省位于我國大陸東部沿海地區(qū),介于東京116°18′～121°57′,北緯30°45′～35°20′之間,省內(nèi)有13個地級市;54個市轄區(qū)、27個縣級市、25個縣。全省面積10.72萬平方公里,占全國總面積的1.1%,2015年人口為7 976.3萬人,糧食作物以小麥、大豆、蠶豌豆、玉米、水稻為主,經(jīng)濟作物有棉花、油料等。江蘇省氣候具有明顯的季風特征,處于亞熱帶向暖溫帶過渡地帶,全省氣候溫和,雨量適中,四季分明,地處美麗富饒的長江三角洲,平原遼闊,平均海拔在50米以下。江蘇以地形地勢低平,河湖眾多為特點,平原、水面所占比例之大,在全國居首位,成為江蘇一大地理優(yōu)勢。

(二)數(shù)據(jù)與資料搜集

本文的數(shù)據(jù)主要來自于《江蘇省統(tǒng)計年鑒》(2005～2016)《江蘇省環(huán)境狀況公報》《江蘇省農(nóng)業(yè)氣象年鑒》,涉及到能值折算系數(shù)和能值轉(zhuǎn)換率主要參考陳阜的《農(nóng)業(yè)生態(tài)學教程》[21]和藍盛芳等的《生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析》[22],污染廢棄物的折算主要參考高陽等的期刊論文[10]。區(qū)域能值密度和萬元GDP生態(tài)足跡計算參考楊燦等的期刊論文[5]。

(三)數(shù)據(jù)測算

根據(jù)江蘇省歷年統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)和參考的能值折算系數(shù)及能值轉(zhuǎn)換率,按照公式(3)計算得出2005～2015年七類用地的各指標太陽能值。

根據(jù)可再生資源的計算公式,參考太陽能值轉(zhuǎn)換率,計算得出2005～2015年江蘇省可再生資源各指標的變化。

根據(jù)公式(2)計算江蘇省能值密度,參考美國生態(tài)學家Odum等的研究結(jié)果[2],全球年均總能值1.583×1025sej,全球平均能值密度3.1×1014sej/hm2,按照公式(1)和公式(4)計算出人均能值生態(tài)足跡和人均能值生態(tài)承載力,由此計算出能值生態(tài)足跡和能值生態(tài)承載力。公式(6)計算得出生態(tài)盈余(赤字)。具體結(jié)果見表1。

根據(jù)公式(7)計算得出江蘇省萬元GDP生態(tài)足跡,具體數(shù)據(jù)見表2。

在這段時間內(nèi),為了解各用地足跡對江蘇省能值生態(tài)足跡的貢獻程度,給出表3數(shù)據(jù)。

四、結(jié)果及分析

(一)能值生態(tài)承載力和能值生態(tài)足跡比較分析

江蘇地處平原,氣候變化不明顯,所以太陽能、風能和地球旋轉(zhuǎn)能沒有變化,根據(jù)江蘇省氣象局統(tǒng)計的數(shù)據(jù),每年降雨量有所不同,因此雨水勢能和雨水化學能有所變化。從數(shù)值上看,影響可再生資源大小變化的主要是太陽能和雨水化學能,如果可以提高對這兩種可再生資源的利用效率,那么在一定程度上也就提高了可再生資源儲量。

雨水化學能在2008年達到最大值9.17×1021sej,2005年為最小值5.09×1021sej；雨水勢能在2008年達到最大值8.76×1016sej,2005年為最小值4.86×1016sej,對應(yīng)圖1所示。

圖1 江蘇省2005～2015年可再生資源能值

從圖1可以看出,2008年可再生資源能值達到最大值1.07×1022sej,最小值是2005年6.64×1021sej,變動幅度達到61%,主要是2008年國家大力倡導(dǎo)低碳、綠色消費和綠色出行,提高了太陽能、風能和水能等的利用效率,生態(tài)環(huán)境良好,2008年之后,雖有下滑,但是之后幾年波動不大,處于平穩(wěn)趨勢。

隨著太陽能電池板和風力發(fā)電設(shè)備的發(fā)展,政府出臺了有關(guān)可再生資源利用優(yōu)惠政策,加大對可再生資源的利用已成為趨勢,所以2014年之后,可再生資源能值又開始大幅上升。

從圖2可以看出,人均能值生態(tài)足跡在2008年最小值0.458hm2,2014年最大值0.565hm2,增幅23.4%,人均能值生態(tài)承載力在2005和2014年為最小值0.25hm2,最大值在2008年為0.39hm2。2008年人均能值生態(tài)足跡最低和人均能值生態(tài)承載力最大主要由于國家出臺相關(guān)政策,倡導(dǎo)節(jié)能減排,降低資源消耗, 提高對太陽能、風能等可再生資源的利用效率；2008年之后人均能值生態(tài)足跡又開始逐漸上升,人均能值生態(tài)承載力開始下降,直到2014年之后兩個指標的差距開始減小,主要是因為政府再次出臺生態(tài)經(jīng)濟政策,使資源、環(huán)境、社會和經(jīng)濟之間的矛盾稍有緩和,生物生產(chǎn)性土地面積人均占用量降低。江蘇省雖然已經(jīng)重視生態(tài)環(huán)境保護問題,致力于發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟,但是不可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)狀依然存在,能值生態(tài)足跡和能值生態(tài)承載力之間呈現(xiàn)生態(tài)赤字,經(jīng)濟建設(shè)與生態(tài)保護的矛盾依然比較突出。

表1 江蘇省2005～2015年能值生態(tài)足跡和能值生態(tài)承載力變化

表2 江蘇省2005～2015年萬元GDP生態(tài)足跡變化 單位:hm2/萬元GDP

表3 江蘇省2005～2015年各類用地能值生態(tài)足跡變化 單位:hm2

(二)生態(tài)盈余(赤字)和萬元GDP分析

根據(jù)表1和圖2可知,人均能值生態(tài)承載力小于人均能值生態(tài)足跡,這十一年一直處于生態(tài)赤字狀態(tài),2008年生態(tài)赤字最小為0.066hm2/人,2014年生態(tài)赤字最大0.318hm2/人,變動幅度達到381.8%,2008年之后,生態(tài)赤字大小一直處于上下波動狀態(tài),但整體生態(tài)赤字是處于增大的趨勢,主要是人均能值生態(tài)足跡一直處于上升趨勢,人均能值生態(tài)承載力的波動不足以彌補生態(tài)足跡的上漲,而人均能值生態(tài)足跡變大也反映區(qū)域資源利用效率低,人均消費占用生物生產(chǎn)性土地面積大,經(jīng)濟發(fā)展對自然環(huán)境資源產(chǎn)生較大壓力,江蘇省生態(tài)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展能力較弱。

圖2 江蘇省2005～2015年生態(tài)足跡相關(guān)指標

萬元GDP生態(tài)足跡表示地區(qū)對資源的利用程度,越小表示每萬元GDP需要的生物生產(chǎn)性土地面積越小,土地利用程度越高；按圖2,2005年是人均最大值0.219hm2每萬元GDP,2015年是最小值0.059hm2,萬元GDP一直處于緩慢下降趨勢,最大最小值變動幅度73%,說明江蘇省在發(fā)展經(jīng)濟和科技的同時,生態(tài)環(huán)境保護和土地及能源利用效率在緩慢提高。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可以看出,除化石燃料用地、建筑用地和污染廢棄物用地能值生態(tài)足跡最小值出現(xiàn)的年份不同外,其余最小值都出現(xiàn)在2008年,除草地和污染廢棄物用地最大值出現(xiàn)在不同年份外,其余最大值都出現(xiàn)在2014年,最大最小間波動浮動最高的是林地足跡為214.8%,其次是建筑用地足跡為168.2%,波動最小的是污染廢棄物用地足跡12.5%。在這幾年時間里,七大足跡消費用地大小依次排序為污染廢棄物用地足跡>化石燃料用地足跡>建筑用地足跡>耕地足跡>草地足跡>水域足跡>林地足跡。

出現(xiàn)這種情況主要是因為2005年以后,江蘇省GDP持續(xù)增長,經(jīng)濟發(fā)展迅速,資源能源利用較多,但也出現(xiàn)浪費、利用率低下等問題,因此污染廢棄物用地足跡較高。總體上根據(jù)萬元GDP生態(tài)足跡的變化看,江蘇經(jīng)濟發(fā)展,政府也及時采取措施保護生態(tài)環(huán)境,才使得萬元GDP生態(tài)足跡保持穩(wěn)定且有緩慢下降的趨勢。但是根據(jù)圖2可以看出,江蘇省還處于生態(tài)赤字、不可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)。

五、結(jié)論

2005～2015年間,江蘇省的萬元GDP生態(tài)足跡雖然緩慢下降,但是能值生態(tài)足跡遠大于能值生態(tài)承載力,一直是生態(tài)赤字,經(jīng)濟發(fā)展處于不可持續(xù)狀態(tài)。此外,本文引入了污染廢棄物用地指標和均衡因子最新研究成果,與傳統(tǒng)能值生態(tài)足跡方法相比,指標更加細化,結(jié)果也更準確,但是,影響廢水、廢氣、固體廢棄物排放的因素很多,本文只選擇了有較大影響的個別指標,可以單一研究污染廢棄物用地生態(tài)足跡,細化指標,精確污染廢棄物用地對經(jīng)濟的影響程度。

自2005年,由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,經(jīng)濟發(fā)展方式由粗放型向資源節(jié)約型轉(zhuǎn)變,推動信息化和工業(yè)化發(fā)展,合理高效利用資源越來越得到國家的重視,江蘇省也制定一系列生態(tài)保護政策。但是,由于二胎生育政策和居民生活水平的提高,人口數(shù)量、資源消費結(jié)構(gòu)及利用效率都是影響生態(tài)足跡的重要因素,同樣,在生態(tài)承載力不變的情況下,人口數(shù)量提高、資源浪費都將導(dǎo)致人均生態(tài)承載力的下降和人均生態(tài)足跡的上升,生態(tài)赤字必然擴大。現(xiàn)階段,在不降低居民生活水平和經(jīng)濟發(fā)展速度的情況下,增強生態(tài)承載力,降低江蘇省的生態(tài)赤字,緩解人地矛盾,具體有以下幾點建議:

第一,加大高新科技引入力度,提高資源利用效率,減少污染廢棄物和化石能源的用地需求量,進而提高生態(tài)承載力。經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生的污染廢棄物占地越多說明資源利用效率越低,江蘇礦產(chǎn)資源豐富,應(yīng)積極引進先進開采科技與設(shè)備,提高礦產(chǎn)資源綜合利用效率;推廣應(yīng)用低碳技術(shù),實現(xiàn)綠色發(fā)展、清潔生產(chǎn)。

第二,大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和低碳經(jīng)濟,降低生態(tài)足跡。提高可再生資源的利用率,降低對不可再生資源的依賴,為區(qū)域環(huán)境整治和關(guān)閉高能耗高污染企業(yè)提供保障,同時加大生態(tài)補償力度,鼓勵企業(yè)綠色發(fā)展,降低化石能源和污染廢棄物用地生態(tài)足跡。

第三,正確引導(dǎo)人口流動,提高人均生態(tài)承載力。雖然江蘇的人口總量變化不大,但是隨著二胎生育政策放開,應(yīng)提前做好應(yīng)對措施,適度控制人口,積極引導(dǎo)和鼓勵綠色消費,促進消費結(jié)構(gòu)多元化,實現(xiàn)人口與經(jīng)濟社會的協(xié)調(diào)發(fā)展,減緩人口規(guī)模對生態(tài)環(huán)境的壓力,降低生態(tài)足跡。

第四,優(yōu)化城鎮(zhèn)化進程,建立綠色生態(tài)城鎮(zhèn),提高生態(tài)承載力。促進新型城鎮(zhèn)化生態(tài)文明建設(shè),加快能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),實現(xiàn)生活垃圾資源化和能源化、城鎮(zhèn)建筑用地集約化,提高生態(tài)承載力。