沿海快速城市化地區能值生態足跡變化分析

馬 赫,張天海,羅宏森,唐明方,石龍宇,*

1 中國科學院城市環境研究所城市環境與健康重點實驗室, 廈門 361021 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 四川師范大學, 成都 610066 4 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085

最先研究能值的是Odum等學者[1- 2]。能值分析就是以能值為基準,把生態系統不同類、不可比的能量轉換成同一標準——能值來分析和衡量,以評價其在系統中的作用和功能。由于任何形式的能量均源于太陽能,即任何產品、資源或勞務形成過程中直接或間接消耗的太陽能。因此,在實際應用中以“太陽能值”來衡量各種能量的能值就是其所具有的太陽能值,單位為太陽能焦耳。這種方法的優點是將生態系統中的各種不同性質、不同來源的能量通過能值轉化率轉化為具有統一量綱的太陽能值,系統中各種不同類別、不同性質的能量轉化統一到共同的標準尺度,就可以將它們進行比較和匯總。自從能值理論建立以來,能值理論和分析方法備受國際生態學界、經濟學界和政府決策者的關注。EEF模型的獨特優勢使其能提高區域生態承載力計算的穩定性和精確性,為生態系統可持續評價提供了新思路。當前,我國正處于工業和城市化快速發展階段,同時也面臨嚴重的生態環境問題[3]。因此,運用有特殊優勢的能值生態指標,對快速城市化地區進行研究具有重要的理論和現實意義。

生態足跡方法通過比較人類活動消耗自然資源與自然生態系統的承載力能力進行對比,自其建立以來就成為反映可持續發展的重要指標[4- 5],不過其計算方式仍然受到廣大學者的質疑[6]。一些學者聲稱能值評價可以轉化為可量化的空間均衡值,提供計算生態足跡的其他方式[7]。因此Zhao嘗試在這個途徑上做一些先驅性的工作,這種新方法主要的目的是實現對人類對自然資源的需求和自然服務供給之間轉換的理解[8- 9]。Zhao將建立的基于能值分析的生態足跡模型應用于甘肅省的生態足跡實證研究之中,并與傳統生態足跡模型進行了對比[8]。Chen 等利用能值生態足跡模型計算了中國在1953—2006年五十多年之間的能源消費的生態足跡變化[10]。Siche 等以秘魯為例對能值分析與生態足跡模型的結合進行了探索[11]。國內近幾年針對生態足跡模型的研究逐漸增多[12-14],也有其他學者對能值生態足跡做了研究與應用[15-17]。總體來說,基于能值法計算生態足跡研究起步較晚,相關研究不多,尤其對城市方面的研究較少,但該方法在評價城市生產系統的可持續性方面具有系統性、客觀性以及可定量化等特點,既考慮系統自身的持續性,也將系統外部性納入其評價指標體系,能夠更全面、更準確地測度資源消耗及環境影響。

本文應用有特殊優勢的能值生態足跡模型組分法,選擇經濟發展、城鎮化和資源利用、環境保護之間矛盾突出的典型城市——廈門市,研究其從1980年到2010年30年間對生物、能源資源消耗的動態變化情況。探討快速城市化地區在30年改革過程中工業化、城市化發展的資源消耗特征,面臨的問題和可能的解決途徑。尤其是著重分析影響資源消耗的關鍵因素,時間序列上動態變化的差異性,以期為緩解生態環境壓力、保護區域資源,實現城市可持續發展提供對策和參考依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況

本文選擇沿海地區處于快速城市化進程中的廈門市為研究區。該市位于福建省東南,24°23′—24°54′N、117°53′—118°26′E之間,全市陸地面積1699.39 km2,海域面積390 km2,截至2015年底,全市總常住人口為386萬人。廈門屬南亞熱帶海洋性季風氣候。年平均氣溫20.9℃,年平均降水量1143.5 mm,可更新能源如海洋潮汐能、雨水勢能、風能、太陽能等比較充足[18-19]。

廈門市由廈門本島、鼓浪嶼島、北部內陸部分及附近海域組成,其地勢由南向北傾斜。廈門市風景優美,早在1995年廈門市就將城市性質確定為“我國經濟特區、東南沿海重要的中心城市、港口和風景旅游城市”。2009年,廈門市發展戰略的城市定位為海峽西岸重要的中心城市,廈門市的城市空間不斷拓展,努力營建廈泉漳同城化,同時不斷推進兩岸金融中心、東南國際航運中心、大陸對臺貿易中心的建設。2014年12月12日起,國務院決定設立中國(福建)自由貿易試驗區,其中廈門片區共43.78 km2[18-19]。

但是由于廈門市土地面積狹小,境內多丘陵山地,耕地資源十分有限,在快速城市化過程中大量耕地和灘涂被改變為建設用地,經濟、城市化發展和資源環境之間矛盾尖銳,廈門市的可持續發展面臨極大的挑戰。因此本文選擇廈門市作為研究區,對于研究城市化與可持續發展健康協調問題具有典型代表性和現實意義。

1.2 數據來源

(1)該年份的生物資源、能源消耗數據,生物資源土地數據來自廈門市統計局[18]。

(2)訪問世界糧農組織產量年鑒網站,獲取1980到2010年全球各種農產品的產量和收獲面積,如肉類、蔬菜、木材、水果等[19],確定1980到2010年的全球平均產量。計算每種產品的全球平均產量。

(3)生物、能源資源的太陽能值通過中國統計局、能源足跡全球平均產量、中國國家標準(GB 2589—1990)的能源折算系數等折算得到[20-21]。

(4)每種消耗單位千克的能量含量由能值評價手冊確定[2]。每種消耗品的能值轉換率由Ulgiati文章中獲得[1]。

全球能量密度、世界表面積等參數由查詢Ortega文章得到[11]。能值轉換率由查詢金丹等文章得到[22-24]。能值生態承載力計算所用其他參數由查詢陳惠、黃英志、趙云華文章得到[25-27]。

1.3 能值生態足跡

1.3.1 計算區域能值密度

全球可再生能源的總量是生態承載力的基礎,也是可持續發展的基礎。引入全球平均能值密度作為太陽能值與生態足跡互換的基礎。全球平均能值密度等于全球一年中的自然能值數量與全球土地面積之比。

可以用下面的公式來表達：

GED=TRE/WSA

(1)

式中,GED是全球能量密度 (sej/hm2);TRE是地球可更新能源(sej/a),其值為1.583×1025sej/a;WSA是世界表面積(hm2),其值為5.1×1010hm2。

因為全球能量密度代表一個平均值,可以用全球公頃ghm2為單位(global hectare)。因此,全球平均能量密度是3.1×1014sej ghm-2a-1[10- 11]。

1.3.2 計算生態承載力

自然資源可以分為可更新能源和不可更新能源,由于不可更新資源的消耗速度要快于其再生速度,隨著人類的不斷利用,會日益枯竭,只有利用可更新資源,生態承載力才具有可持續性,區域的發展才具有連續性。因此,在計算生態承載力時,只考慮可更新資源的能值(潮汐能、海浪能、太陽能、地球旋轉能、風能、雨水化學能、雨水勢能、地熱能等)。

一切自然資源所包含的能量均來源于太陽能,為了避免重復計算,取可更新資源人均能值中的最大值,再折算出相對應的生態生產性土地面積,作為研究區域的人均生態承載力值。

能值生態承載力計算方式如下：

EBC=e/p1

(2)

式中,EBC是人均生態承載力(ghm2);e為可更新資源的人均太陽能值;p1為全球平均能值密度(sej ghm-2a-1)。

1.3.3 計算生態足跡

計算各主要消費項目的人均太陽能值。首先劃分消費項目,然后引入能值轉換率,計算區域各消費項目的太陽能值,將能值轉換率乘以給定項目的能量,該給定的能量就換算為能值。最后計算各消費項目的人均太陽能值,并將各消費項目的人均能值換算成對應的生態生產性土地面積。計算生態足跡時,其包含的消費項目主要分為兩類：生物資源消費和能源資源消費。生物資源消費分為農、林、畜和水等大類產品,大類下還有細小的分類,其中農產品包括糧食、蔬菜、食糖、油類、水果等,畜產品包括牛肉、羊肉、豬肉、家禽、蛋類、奶類等,水產品即魚蝦等。能源資源消費項目的劃分主要根據中國能源統計年鑒的劃分,主要包括煤炭、油類和電力等。大類下也有細小的分類,其中煤包括洗精煤、原煤、焦炭等。

能值生態足跡計算方式如下[8,10- 11]：

(3)

式中,EEF是人均能值生態足跡(ghm2);i是自然資源種類;ai是i種資源的人均生態足跡(ghm2);ci是i種資源的人均能值(sej);p2是區域能值密度(sej m-2a-1)。

對于ci其計算公式為：

ci=Ci×Ei×Ti

(4)

式中,Ci為i種資源的消耗量(kg);Ei為i種資源的含能量(J);Ti為i種資源的能值轉換率(sej/J)。

1.3.4 計算生態赤字或盈余

將計算的各消費項目的人均能值生態足跡與能值生態承載力進行分別匯總和比較,計算得到生態赤字(ED, ecological deficit)或生態盈余(ER, ecological reserve),從而衡量研究區域的可持續發展狀況。

2 結果

廈門市1980—2010年間能值生態足跡計算結果如下(表1)。

表1 廈門市1980—2010年能值生態足跡、生態承載力和生態盈余/(ghm2)

ghm2：全球公頃,global hectare

從計算結果來看,1980—2010年人均能值足跡分階段上升,人均能值承載力逐年下降。30 年中,除了2009、2010年,人均盈余均為正值,說明此前長期時間內人類活動壓力尚未超過生態環境的承載力。

能值生態足跡的計算,以2010年為例,各類資源的消耗,各類型生物生產性土地面積及生態足跡的計算過程和結果見表2。按照公式(3)計算得到該年廈門市能值-生態足跡賬戶結果見表2,全年人均能值-生態足跡為52.8 ghm2。從計算結果組分來看,人均耕地能值足跡為4.2 ghm2,人均水域能值足跡為0.4 ghm2,人均草地能值足跡為2.3 ghm2,人均化石燃料用地能值足跡為5.5 ghm2,它們對能值足跡的貢獻率達到了36.4%,反映出廈門市對生態環境造成消耗和壓力最大的是能源工業。

表2 生態足跡中生物資源和能源資源消耗計算過程

能值生態承載力的計算中,以2010年為例,區域可更新資源能值計算結果見表3。為避免重復計算,取可更新能源中最大值計算生態承載力[24],即2010年廈門市最大可更新能源能值為3.02×1021sej。按照公式(2),計算得到2010年廈門市人均能值-生態承載力為47.52 ghm2。

表3 2010年可更新資源能值計算結果

綜合能值生態足跡和生態承載力計算結果(圖1),2010年廈門人均生態盈余為-5.28 ghm2,表明該年份廈門市已經面臨初步供不應求的生態環境壓力。

通過對近 30 年人均能值足跡與承載力動態變化進行分析,結果發現：研究期內廈門市人均能值生態足跡呈階段增加趨勢,其值由1980年的8.6 ghm2增加到2010年的52.8 ghm2,總增長率達614.0%,其中1980年到1990年間比較平穩,2000后增速明顯加快。

廈門的人均能值生態承載力由1980年的181.2 ghm2持續下降到47.5 ghm2,下降為1980年的26.2%。這種情況的出現主要是由于導致人均能值生態承載力在30年間大幅減小。

圖1 能值生態足跡和生態承載力變化圖Fig.1 Component of emergy ecological footprint and bio-capacity of Xiamen CityEEF：能值生態足跡,emergy ecological footprint;EBC：能值生態承載力,emergy bio-capacity

圖2 能值方法計算下的各年份生態足跡Fig.2 Emergy ecological footprint of Xiamen City over 30 years

從組分圖來看(圖2),最初耕地的生態足跡最高,其次為水域,但是二者之后逐年下降,到2010年已成為各個組分中比例最小部分。30年間化石燃料用地和建設用地的生態足跡增長迅速,二者對廈門市人均能值生態足跡變化貢獻最大,并且成為2000年后總體足跡中所占比例最大的組分,各自占比超過20%。

3 討論

從表1可以發現,30年間廈門市能值生態足跡整體增長趨勢顯著,增長量巨大,反映出隨著廈門市工業化和城市化建設的迅速發展,各類生產、生活活動對自然資源的利用、消耗強度持續增大,居民生活水平不斷提高,生態環境承受的負荷與壓力日益加重。

廈門能值盈余的變化趨勢是逐年縮小,由1980年的172.6 ghm2減少到2010年的-5.3 ghm2,并在2010年由生態盈余轉變為生態赤字,表明從該年起,廈門市對生態環境的資源需求開始超出生態系統閾值,城市可持續發展面臨壓力。同時也應看到,在28年里廈門市可以一直保持生態盈余,說明境內太陽能、風能、水能、地熱資源等可更新自然資源充足,具有很大的開發利用空間和潛力。

考慮到2009年廈門市的城市化率達到為88.4%(2010年11月1日零時為標準時點進行的第六次全國人口普查,常住人口353萬,城鎮人口312萬),遠高于2010年全國城市化率49.68%(2010年11月1日零時為標準時點進行的第六次全國人口普查),因此調整廈門市的產業結構和控制城市化發展非常必要。一方面,應該降低第二產業的比例,降低對化石能源的使用,同時促進第三產業的發展和第一產業的現代化,以此為城市提供更多的資源供給并降低資源需求,特別是化石能源的需求。

4 結論與展望

本研究采用能值生態足跡方法,對廈門市1980—2010年的資源環境壓力進行了時間序列的動態分析和可持續發展評價。計算分析結果顯示,廈門市的能值生態足跡需求隨著城市經濟的發展、城市化的快速推進(建成區的快速大規模擴張)而持續增長,并且表現出明顯的階段性特征。而供給方面的能值生態承載力卻在逐年持續減少,并最終在2009、2010年由生態盈余轉為生態赤字。偏高的城市化率(88.4%,遠高于全國水平49.68%),已經出現的生態赤字(-5.3 ghm2),反映出廈門市目前所處的經濟、城市化發展階段和面臨的生態環境壓力問題,表明從該時間節點起,廈門市的可持續發展問題應當引起更進一步的重視。

能值生態足跡模型為衡量城市的可持續發展提供了一種新的度量方法,將能值理論引入到生態足跡模型中,集合了兩種方法的優點,與傳統生態足跡模型相比,能值生態足跡模型將物質循環與能量流動緊密結合,從能量的角度分析區域,特別是城市化進程中,人類的物質需求與生態系統服務供給的關系。而在能值計算方法中,研究區域的各種能量被統一為同一太陽能值標準,更真實準確地反映了研究區實際生態足跡現狀。其中,能值方法中的能值轉換率相比傳統方法中的全球平均生產力因子更具有穩定性。此外,為便于將研究中生態足跡和生態承載力的計算結果與其他地區進行比較,在能值密度的選擇上,計算能值-生態承載力和能值-生態足跡時都采用全球能值密度,對不同城市之間可持續發展水平的對比有重要參考意義。

能值生態足跡用能值轉化率、能值密度等指標取代了傳統生態足跡模型中均衡因子、產量因子、世界平均生產力等指標,雖然在一定程度上解決了傳統生態足跡模型中的空間互斥性等問題,實現了對區域可持續發展的定量測算和評價,但是對于人類的主觀能動作用以及城市生態系統的開放性、區域功能定位之間的差異性、生態經濟系統的復雜多樣性等一系列問題仍沒有解決。此外,能值生態足跡模型中能值轉換率的計算也比較困難。