2006-2014年延安市生態足跡和承載力變化分析

吳 歌, 符素華, 楊艷芬, 馮永忠

(1.中國科學院大學, 北京 100049; 2.北京師范大學 地理學部, 北京 100875;3.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌712100; 4.陜西省循環農業工程技術研究中心, 陜西 楊凌 712100;5.西北農林科技大學 農學院, 陜西 楊凌 712100; 6.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

世界環境與發展委員會1982年提出的可持續發展理念如今已經成為人們心中的共識，實現生態環境和社會經濟的可持續發展是區域發展的目標，生態足跡模型的提出為可持續發展提供了一個度量的指標。生態足跡是由Rees[1]在1992年提出，該模型計算過程簡便、結果清晰易懂，提出后被廣泛應用于多個國家和領域，隨后Rees的博士生Wackernagel及其他學者進一步發展和完善了該模型。在模型改進方面，針對生態足跡模型在實際計算過程中并沒有如模型假設條件那樣將人類社會消費的所有產品和產生的所有廢棄物全部換算成生產或消納這些產品和廢棄物所需的土地的這個問題，學者們提出了水足跡[2]、碳足跡[3]、氮足跡[4]以及基于生態系統服務的新足跡模型[5]。另外，學者們還采用不同方法修正模型中的兩個重要參數即產量因子和均衡因子，例如劉某承等[6]基于凈初級生產力的概念計算出我國的產量因子，顧曉薇等[7]提出用“國家hm2”代替“全球hm2”，提高了生態足跡模型的科學性和準確性。在對生態足跡的研究熱點方面，美國傾向于將生態足跡同環境問題中的社會經濟因素聯系起來，英國比較注重國際貿易中生態足跡轉移的問題[8]。我國主要通過計算生態足跡來衡量某一區域可持續發展水平或某一行業對環境的影響，例如徐中民等[9]將生態足跡概念引入我國后計算了甘肅省、全國的生態足跡[10]，為地區和國家制訂、調整發展策略提供了依據；曹淑艷[11]和張丹[12]等分別計算了農產品生產的生態足跡、城市餐飲業食物浪費的生態足跡，研究成果可促進行業提高資源利用率、降低成本，并引導普通民眾關注自身行為對環境的影響。生態足跡模型的計算方法目前有生命周期評價法、投入產出分析法、基于能值或基于凈初級生產力的計算方法、時間序列動態分析法以及三維生態足跡模型等計算方法[13]。

近年來延安經濟發展迅速，但是延安地區生態環境脆弱，自然災害頻發，生態環境嚴重制約著經濟發展。學者們從土地利用、產業結構、國家政策等不同角度分析延安市的可持續發展狀況，而對延安整體發展狀況的分析多出現在以陜西或西北地區為研究對象的研究中，延安作為單獨研究對象的研究比較少。邢華超[14]、肖玲[15]等分別分析了2001—2006年、1989—2004年延安市的生態足跡，但分析指標僅限于生態足跡和可持續發展指數，本文在這些研究的基礎上，利用改進后的生態足跡模型，結合萬元GDP、生態足跡多樣性指數、生態經濟系統發展能力指數、生態足跡指數，對2006—2014年延安市生態、經濟整體發展狀況進行全面、細致的分析，以期為促進延安市可持續發展提供決策依據。

1 研究區概況

延安市地處黃河中游，東連山西省呂梁和臨汾市，西依子午嶺與甘肅省慶陽市，南接銅川、渭南和咸陽市，北面與榆林市相靠，介于107°40′—110°30′E，35°11′—37°30′N，總面積3.7×105km2。延安市平均海拔1 200 m左右，地勢西北高東南低，地貌類型以黃土高原、丘陵為主[16]。延安市四季分明、日照充足，晝夜溫差大，年均氣溫7.7～10.6℃，年均無霜期170 d，年均日照數2 300～2 700 h，年均降水量500 mm左右，屬內陸干旱半干旱氣候。延安市生態環境脆弱、水土流失嚴重，但是從20世紀90年代我國在延安地區開展退耕還林等生態工程以來，年平均土壤侵蝕模數由9 000 t/km2減少到7 000 t/km2，入黃泥沙由每年的2.58億t下降到1.96億t，延安市生態環境明顯改善[17]。

延安市下轄1區12縣，常住人口225萬人，延安市地下資源十分豐富，2016年生產總值為1 082.91億元，第二產業約占53%，人均生產總值4.83萬元[18]，在陜西省經濟、社會發展中有重要影響。

2 研究方法與數據來源

2.1 生態足跡計算模型

生態足跡是指生產一定區域內的所有人口消費的生物資源、化石能源所需生態生產性土地面積以及消納這些人口產生廢棄物所需的生態生產性土地面積之和。本文在原有土地類型中增加了消納生活垃圾的污染排放用地[19]，即一共有7類生態生產性土地：耕地、林地、草地、水域、建設用地、化石能源地和污染排放用地。生態足跡的計算模型[20]為：

EF=N×ef=N×ri×∑aai=N×ri×∑(ci/pi)

(1)

式中：EF為總生態足跡；N為總人口數；ef為人均生態足跡；aai代表第i種消費的人均生態足跡；ci代表第i種消費項目的年人均消費量；pi表示第i種消費項目的世界平均產量；ri表示均衡因子，用于將不同類型生態生產性土地轉換為具有等價生產能力的土地面積。在本文中，均衡因子采用楊屹等[19]的計算結果，即耕地為2.34，林地為1.64，草地為0.48，水域為0.32，建設用地為2.34，污染排放用地按照單位土地面積可堆積生活垃圾1.02×105t/hm2的標準換算。化石能源地的生態足跡采用謝鴻宇等[21]的計算方法。

由于缺少延安市生物資源和化石能源的消費量數據，通過比較延安市和陜西省平均居民可支配收入發現二者基本持平(圖1)，因此本文計算延安市的生態足跡時用陜西省人均消費生物資源量代替延安市人均生物資源消費量，沒有進行貿易調整。

萬元GDP生態足跡可以衡量區域發展過程中資源利用效率，萬元GDP生態足跡越大表明區域資源利用效率越低，不利于區域經濟可持續發展，反之則資源利用效率越高、有利于區域經濟可持續發展[22]。計算公式為：

(2)

圖1陜西省和延安市居民可支配收入對比

2.2 生態承載力計算模型

生態承載力表示區域生態環境可提供的各類生態生產性土地面積總和。為了保護生物多樣性，扣除總生態承載力的12%得到可用生態承載力[22]。計算模型[19]為：

EC=N×ec=N×∑(ai×yi×ri)

(3)

式中：EC為總生態足跡；N為人口總數；ec為人均生態足跡；ai為第i種生態生產性土地的人均面積；yi為產量因子，表示當地與全球第i類土地生產能力之比；ri為均衡因子。本文根據《陜西統計年鑒》、《延安統計年鑒》、《延安年鑒》以及世界聯合國糧農組織(FAO)網站數據，計算了延安市2006—2016年的產量因子(表1)。

表1 延安市產量因子

注：(1) 因缺少2008年統計數據，故本文2008年耕地產量因子用2006—2007年、2009—2014年耕地產量因子平均值代替；(2) 草地產量因子采用徐中民等[23]的計算結果；(3) 根據謝鴻宇等[21]計算結果，延安水域產量因子按照全球水產品產量1.48×103kg/hm2計算得到，化石能源地產量因子根據溫帶森林溫室氣體吸收能力為4.5 t/hm2、全球森林平均吸收溫室氣體能力為3.81 t/hm2計算得到。

2.3 生態盈余/赤字

生態盈余/赤字表示生態承載力與生態足跡之差，當差值為負值時稱為生態赤字，表明區域內人口的生產消費活動對自然生態系統產生了壓力，超出了生態環境系統容量；當差值為正值時稱為生態盈余，表示區域內人口生產消費活動沒有對自然生態系統產生顯著影響。計算公式為：

ED(ES)=EC-EF=N×(ec-ef)

(4)

式中：ED，ES分別代表生態赤字、生態盈余。

2.4 生態足跡多樣性指數和生態經濟系統發展能力指數

生態足跡多樣性指數可以反映生態系統穩定性，用Shannon-Weaver[24]公式計算:

H=-∑PilnPi

(5)

式中：H為生態足跡多樣性指數；Pi為第i類土地在總生態足跡中占的比例。H值越大表明各類土地生態足跡分配越均衡，生態系統多樣性越高，系統的穩定性越高。

生態經濟系統發展能力可以用生態經濟系統發展能力指數衡量。如果生態足跡一定、生態足跡多樣性指數H值越大，那么生態經濟系統發展能力指數越大，說明當地生態經濟系統發展能力越強。生態經濟系統發展能力指數可由生態足跡乘以從系統組織角度推導的生態足跡多樣性指數得到，按Ulanowicz[25]的計算公式，生態經濟系統發展能力指數可以表述如下：

C=ef×H=ef×(-∑PilnPi)

(6)

式中：C代表生態經濟系統發展能力指數。

2.5 生態足跡指數

生態足跡指數(Ecological Footprint Index,EFI)指一定區域的生態赤字/盈余占生態承載力的百分比，可視為區域為今后保留的可持續發展能力的百分比，可以用來評估區域可持續發展的潛力[26]。計算公式為：

(7)

式中：EFI為生態足跡指數，其等級標準見表2。

表2 生態足跡指數等級標準

3 結果與分析

3.1 生態足跡與生態承載力

2006—2014年延安市人均生態足跡迅速增長，2006年為1.01 hm2/cap，2014年增加至1.86 hm2/cap,平均每年比上一年增長7.80%。人均生態承載力緩慢增加，2006—2014年延安市人均可用生態承載力分別為0.17，0.13，0.18，0.20，0.22，0.22，0.24，0.24，0.27 hm2/cap，平均每年比上一年增加7.20%，人均生態承載力的增長速度小于生態足跡的增長速度，人均生態赤字逐年增加(圖2)。

圖22006-2014年延安市人均生態足跡、

生態承載力和生態赤字變化

在人均生態足跡和生態承載力中，各類土地貢獻不一(圖3)。在人均生態足跡中，2006—2014年化石能源地平均比例達80.43%；草地為15.00%；耕地在人均生態足跡中約占4.14%；其他土地類型(包括林地、水域、建設用地、污染排放用地)在人均生態足跡中所占比重很小，總共約為0.43%。在人均生態承載力中，耕地占57.23%，林地占30.47%，化石能源地占11.44%，其他土地類型(包括草地、水域、建設用地和污染排放用)地在生態承載力中所占比例僅為0.86%。

圖32006-2014年延安市各類土地在生態足跡和

生態承載力中的平均比例

2006—2014年，各類土地人均生態足跡和生態承載力變化略有差異(圖4)。2006—2014年延安市人均化石能源地生態足跡持續增加，2006年延安市人均化石能源地生態足跡為0.68 hm2/cap，2014年增至1.72 hm2/cap,平均每年比上一年增長12.40%，延安市化石能源地生態足跡增大主要原因是能源消費量的不斷增加。化石能源地人均生態承載力整體呈上升趨勢，平均每年比上一年增長26.29%。本文將延安市防護林作為吸收CO2的化石能源地，化石能源地生態承載力的增加主要來自防護林面積增加。延安市人均化石能源地生態承載力增長速度大于人均化石能源地生態足跡，生態赤字逐年加大。本文草地生態承載力包括兩部分：一是牧草地生態承載力，二是用于吸收CO2的草地承載力，其中牧草地面積用《延安年鑒》中年末人工種草保留面積計算，因缺乏退耕還草、封山育草面積而將吸收CO2的草地面積記為0(即吸收CO2的草地的承載力為0)。從圖4B可看出延安市人均草地生態足跡整體呈現下降趨勢，這主要是鮮牛乳和牛肉等來自草地的生物產品消費量降低引起的。草地雖然出現生態赤字但是生態赤字在減小，這與延安地區畜牧業發展模式以及國家實施的一系列保護草地等生態措施有關。

人均耕地生態足跡逐漸減小，人均耕地承載力除了在2007年有明顯降低外整體上升趨勢明顯，生態盈余增加。延安市人均耕地生態足跡減小是由2006—2014年延安市人口對耕地產品消費量減少、延安市耕地產量因子(表1)提高引起的；人均耕地生態承載力增加則是耕地面積和產量因子提高引起的。

人均林地生態足跡變化平穩，2013年、2014年由于水果消費量下降引起這兩年人均林地生態足跡減小、變化趨勢出現波動。人均林地生態承載力平均每年比上一年增長11.77%，這是因為延安市果園面積和產量因子增加引起的。2006—2014年延安市林地的人均生態盈余呈上升趨勢。水域的人均生態足跡變化較平穩，2013年和2014年因水產品消費量驟減使得生態足跡迅速減小。人均水域生態承載力雖有波動但整體呈平緩增加趨勢，這與水域面積變化有關。人均水域雖然出現生態赤字，但赤字在不斷減小。

建設用地的人均生態足跡呈增大趨勢，人均生態承載力呈波動式上升，該類型土地的人均生態盈余也為波動式增加。在本文中，建設用地的生態足跡主要來自水電消費，因此水電消費量增加是造成建設用地生態足跡增大的主要原因。建設用地人均生態承載力增加是建設用地面積增加和建設用地產量因子提高引起的。

人均污染排放用地生態足跡變化波動較大，2006—2012年變化相對平穩，在2013年和2014年大幅增加。本文以延安市生活垃圾產生量來計算人均污染排放用地生態足跡，人均污染排放用地生態足跡增加是垃圾量增加造成的。在本文中，將延安市污染排放用地生態承載力設為0。從圖4G可以看出人均污染排放用地生態赤字在增大。

圖42006-2014年延安市各類型土地的人均生態足跡、生態承載力和生態赤字或盈余的變化

綜上所述，各土地類型人均生態足跡、生態承載力和生態赤字/盈余差異較大。在7種土地類型中，只有耕地、林地、建設用地生態壓力比較小，處于生態盈余狀態；化石能源用地、草地、水域、污染排放用地均出現生態赤字，其中化石能源用地的生態赤字最嚴重，而且化石能源地生態赤字在不斷增大，草地、水域、污染排放用地生態赤字在減小。因此在進行產業結構調整時應既結合土地類型特點又兼顧全局，合理制定發展規劃。

3.2 可持續發展能力的綜合分析

延安市萬元GDP生態足跡從2006年的0.40 hm2/萬元降低到2014年的0.30 hm2/萬元，平均每年比上一年降低3.05%(圖5)。萬元GDP生態足跡的下降說明延安市發展過程中資源利用效率在提高。但是延安市萬元GDP下降的速度明顯小于人均生態足跡增加的速度，所以應進一步增強節能減排意識，不斷優化改進管理、生產方式，提高資源利用率，促進可持續發展。

圖52006-2014年延安市萬元GDP生態足跡、

生態足跡多樣性指數和生態經濟系統發展指數變化

由圖5可知，2006—2014年延安市生態足跡多樣性指數逐年降低，從2006年的1.28減小到2014年的0.96，平均每年比上一年減少3.39%，這表明延安市生產性土地類型分配比例越來越不均衡，系統穩定性在降低。從各類土地在總生態足跡中的比例(圖3)可知，延安市生態生產性土地分配比例單一，延安市2006—2014年生態足跡多樣性指數不斷減小反映出當地生態系統穩定性降低，這不利于生態系統的穩定。此外，生態經濟系統發展能力指數C呈明顯上升趨勢，平均每年比上一年增加4.30%，增加速率高于生態足跡多樣性指數H的變化速率。這表明延安市的生態經濟系統發展能力逐漸增強，生態經濟系統發展能力指數主要是由生態足跡升高驅動。

延安市2006—2014年的生態足跡指數EFI均小于-1，表明該地區的未來的可持續發展能力較弱(表3)。結合公式(7)可知，延安市生態赤字增加是引起延安市生態足跡指數EFI嚴重偏小的主要原因，而化石能源地是生態赤字的主要貢獻者。

表3 延安市生態足跡指數EFI

4 結論與建議

(1) 2006—2014年延安市人均生態足跡的增長速度大于生態承載力，生態赤字逐年增大。

(2) 2006—2014年，延安市除化石能源用地和污染排放用地生態赤字逐年增大外，耕地、林地、草地、水域等土地類型生態盈余逐漸增加，但是化石能源地產生的生態赤字超過了其他土地類型增加的生態盈余，這是造成延安市整體出現生態赤字的根本原因。

(3) 2006—2014年，延安市萬元GDP生態足跡減小，表明延安市能源利用效率提高、生態經濟系統發展能力增強，但是生態足跡多樣性指數和生態足跡指數偏低，表明延安市可持續發展潛力較弱。

建議在延安市的發展過程中，首先應提高資源利用效率，積極開發綠色能源；其次應逐漸調整產業結構，合理發展畜牧業，加強草地管理；發揚當地林果業優勢，加強果園土壤資源管理，建立產業鏈條，增加經濟效益；引進符合當地實際情況的農業技術，保護耕地減少水土流失；繼續保護植被，增加綠地面積。