淮南市三維生態足跡及其驅動因子研究

程艷妹, 任彩鳳, 鄭欣, 周立志

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淮南市三維生態足跡及其驅動因子研究

程艷妹, 任彩鳳, 鄭欣, 周立志*

安徽大學資源與環境工程學院, 安徽大學礦山環境修復與濕地生態安全協同創新中心, 合肥 230601

三維生態足跡綜合考慮生態足跡的深度和廣度, 對于理解城市可持續發展具有重要意義。基于三維生態足跡模型測度了淮南市2007—2014年的生態足跡動態變化, 并建立生態足跡影響因素指標體系, 利用多元線性回歸模型對其驅動因子進行了分析。結果表明, 淮南市人均三維生態足跡由2007年的3.8138增加至2014年的8.7164, 人均生態承載力下降至0.2458; 生態足跡深度年均上升12.55%，足跡廣度處于相對穩定狀態, 人均三維生態足跡受足跡深度與足跡廣度共同影響, 但主要受足跡深度影響, 消耗存量資本逐漸成為區域發展的主流。模型分析表明, 經濟發展、生態環境污染等因素對淮南市生態足跡有正向驅動作用; 生態環境建設、社會發展等因素對生態足跡有負向作用, 可減緩生態壓力的擴大趨勢。建議未來應轉變經濟發展模式, 優化產業結構，提高能源利用效率, 以減少足跡深度; 加大生態環境保護力度、保護耕地, 合理控制人口增長以減少足跡廣度, 提高淮南市可持續發展能力。

三維生態足跡; 足跡深度; 足跡廣度; 淮南市

1 前言

城市是以人類活動為中心的社會—經濟—自然復合生態系統, 人類對生態系統的需求和生態系統的供給二者之間的平衡維持復合生態系統的穩定。生態足跡(Ecological Footprint)用來表達人類對生態系統的需求, 即能夠持續地提供資源或消納廢物的、具有生物生產力的地域面積(Biologically Produc-tive Areas)。通過測量人類對自然生態環境的需求與自然生態環境所能提供的物質資源之間的差距, 在不同尺度上比較人類對自然資源的消費量與自然資源的承載量, 定量測度區域可持續發展狀態[1–2]。

隨著社會、經濟發展和城市化進程的加快, 城市生產與消費水平日漸提高, 對自然資源與生態環境產生了巨大的壓力, 產生的生態環境問題也日益嚴重, 逐漸成為限制城市經濟發展可持續性的主要因素。正確處理城市發展與生態環境的關系, 是可持續發展戰略的關鍵所在, 因此評價、監測城市可持續發展的狀態逐漸成為人們關注與研究的焦點[3]。煤炭資源型城市往往因采掘地下煤炭形成并發展起來, 煤炭采選業在很長時間內在城市經濟社會結構中占據重要地位[4]。煤炭的長期開采, 帶來耕地喪失、環境污染、社會矛盾等系列問題, 對城市的生態環境產生巨大壓力, 使得生態系統非常脆弱, 制約地方經濟的可持續發展。

傳統生態足跡模型為基于生物生產性土地面積的二維模型, 無法區分自然資本流量與存量的關系, 也無法體現生態透支在時間維度上的積累與不可持續狀況[5]。生態足跡三維模型(Three dimensional ecological footprint, EF3D)引入生態足跡深度與生態足跡廣度指標, 使生態足跡研究的尺度由二維拓展到三維[6–7]。其中, 生態足跡深度表示維持區域現有消費水平, 人類消耗自然資本存量的程度, 反映資源積累的需求, 因而具有時間屬性；生態足跡廣度表示人類對自然資本流量占用大小, 即對生物生產性土地的占用, 具有空間屬性[8]。因此三維生態足跡模型既強調了土地資源在空間上的稀缺性, 又表現了資源消費與資源再生在時間上的不同步性, 使生態足跡研究在縱向上拓展, 可以更加準確的反映城市的可持續發展狀況[9]。

淮南市為一座典型的煤炭資源型老工業城市[10]。已有學者對淮南市生態足跡現狀和時間序列進行了研究, 但多數還是基于二維尺度[11–12]。本研究通過三維生態足跡模型定量分析淮南市2007—2014年的三維生態足跡動態變化特征, 進而分析區域生態可持續發展的趨勢, 從足跡深度與足跡廣度角度, 構建淮南市三維生態足跡影響因子指標體系, 運用熵值法與多元線性回歸模型分析社會、經濟、生態環境等因素對三維生態足跡的驅動機制, 診斷淮南市生態足跡的影響因子, 以期為淮南市可持續發展提供決策依據。

2 研究區域概況

淮南市位于安徽省中部偏北, 是華東地區重要的能源基地, 中國13個億噸煤炭基地之一。地處東經116°21′21″—117°11′59″與北緯32°32′45″—33°0′24″之間。區內擁有豐富的礦產資源, 主要以能源和非金屬礦產資源為主, 能源資源占主導地位, 現已發現的有煤炭、煤層氣、地熱等資源, 尤其煤炭資源優勢突出, 分布集中, 且煤質優良, 長期以來淮南市形成了以煤炭、電力、化工為支柱的重型工業結構布局。《淮南市2015年國民經濟和社會發展統計公報》表明, 截止2014年末, 全市總面積2585 km2, 市轄6區1縣, 全市常住人口為237.5萬人, 生產總值為789.3億元, 城鎮化率達到67.9%。隨著經濟、社會的快速發展, 伴隨著能源與資源的大量消耗, 驅動城市化與社會生活水平的快速提高的同時, 隨之而來的是人地矛盾突出、生態環境不斷惡化, 經濟社會的可持續發展受到嚴重考驗。

3 研究方法

3.1 數據來源及參數選取

統計數據：淮南市統計年鑒(2008—2015年)、淮南市年鑒(2008—2015)、淮南市國民經濟和社會發展統計公報、淮南市土地利用總體規劃(2006—2020)、聯合國國際糧農組織(FAO)統計數據。本文計算的土地類型分為5類：耕地、草地、水域、化石燃料用地、建筑用地。其中生物資源消費分為農產品、林產品、動物產品、水產品；能源消費分為煤炭、汽油、柴油、天然氣、電力、燃料油、煤氣、液化石油氣等。

參數選取：由于耕地、林地、草地、建筑用地、化石能源用地等用地的生物生產能力差異很大, 需以相應的均衡因子與產量因子進行轉換, 而因我國地域遼闊, 土地生產水平差異大, 均衡因子與產量因子因地域不同有很大差別, 因此采用劉某承、李文華等基于凈初級生產力的中國生態足跡產量因子與均衡因子的測算結果[13–14], 結合淮南市區域特點選取產量因子與均衡因子, 具體數值見表1。

3.2 三維生態足跡模型

二維模型強調生態足跡()為生態承載力(內圓)、生態赤字(外圓)之和, 反映在圖形上是面積；而三維生態足跡模型將生態足跡定義為足跡深度(底面)和足跡廣度(柱高)的乘積, 反映在圖形上是體積, 如圖1所示[3,7]。

3D, region＝depth·size

式中：3D, region表示區域三維生態足跡；depth為足跡深度；size表示生態足跡廣度；表示生態承載力。

(1)生態足跡深度 足跡深度指人類對于自然資本的消耗程度, 其意義有兩層：人類要滿足實際資源的消費量需要多少現有土地面積；人類要滿足實際資源消耗量, 再生這些資源需要的時間, 因而具有時間屬性[3,16]。其計算公式為：

式中：為生態赤字。由式(1)可知,depth≧1：當生態足跡小于生態承載力時(﹤),depth＝1, 表明此時消耗自然資本能夠滿足資源消費需求；當生態足跡大于生態承載力時(﹥), 開始出現生態赤字, 則depth﹥1, 表明此時人類對于自然資本的消耗程度已不能滿足消費需求, 必須對資本存量加以動用。因此,depth是人類對于資源利用可持續性的一個客觀表征,depth越大, 表明所消耗的資源越多, 資本的消耗量越大, 區域發展的不可持續性越強。

(2)生態足跡廣度 足跡廣度指在區域生態承載力限度內, 實際所占用的生物生產性面積, 表征了人類占用自然本流量的程度大小, 是人類對于自然資本的最大消耗程度[17]。足跡廣度表示為：

3.3 熵值法

熵值法是一種根據指標間離散程度, 利用信息熵來決定指標權重的方法[18–19]。三維生態足跡定量反映了區域的可持續發展程度和自然資源的消費利用狀況, 與地區的社會和經濟發展及生態環境狀況有著緊密的聯系。本研究參考前人研究, 選取社會、經濟、生態環境、區域交流等影響生態足跡的指標[17,20–21], 從中選取25個指標。指標數據來源于《淮南市統計年鑒》。運用熵值法, 根據2007—2014年各指標的初始值差異程度, 確定指標權重, 可減小主觀因素的影響, 使評價結果更具科學性[18]。

對于一個由個樣本,個指標做綜合評價的問題, 其信息熵及權重的主要計算步驟如下所示：

e＝④

式中常數與系統樣本有關, 對于一個信息處于完全無序的系統, 有序度為零,＝1；當個樣本處于完全無序分布狀態時, Y＝1/,＝1/ln, 0≦≦1。

某項指標的信息效用價值d取決于該指標的信息熵e與1之間的差值：

d＝1－e⑤

最后可以得到第項指標的權重為：

4 結果與分析

4.1 人均生態足跡深度變化

4.1.1 總體變化

2007—2014年淮南市人均生態足跡深度呈持續增加趨勢, 并呈現階段性變化特征(表2)。由表2可以看出, 2007—2008年人均生態足跡深度由15.5069大幅增加至22.3089, 2008—2012年, 人均生態足跡深度由22.3089增加至26.5119, 增加幅度較小, 2013年人均生態足跡深度大幅增加至31.1148, 2014年增加至35.4664。表明淮南市對自然資源的利用已超過自然資源再生的速度, 對資本存量的消耗程度日益加大。

表1 各類生物生產土地均衡因子、產量因子的選取

圖1 傳統生態足跡模型與三維模型的對比[15]

4.1.2 地類組分變化

從人均生態足跡深度構成來看, 草地人均生態足跡深度變動明顯, 研究期間下降了17.5146, 其中2007—2008年, 由54.9407 減小至35.1218, 2009年增加至53.1803后, 至2012年波動下降至35.4566, 2013—2014年增長至37.4261。化石能源用地生態足跡深度2007—2014年, 處于持續增長狀態, 由3.6180 增長至8.4980。2007—2014年淮南市耕地的生態足跡深度總體呈波動增加的趨勢, 2007—2011年人均足跡深度處于自然原長狀態, 2011年之后, 耕地人均足跡深度超出自然原長, 2012—2013年耕地人均足跡深度持續增加至1.0865, 2014年下降至1.0685。由此表明, 淮南市過度使用了耕地、化石能源用地、草地等的自然資本存量；林地、水域、建筑用地的生態足跡深度一直為1, 是因為這些生態用地類型的生態承載力一直大于生態足跡, 處于生態盈余狀態, 淮南市對林地、水域、建筑用地等自然資本流量的消耗即可滿足對林地、水域、建筑用地的自然資源的消費需求。

4.2 人均生態足跡廣度變化

4.2.1 總體變化

由表3可知, 2007—2014年淮南市人均足跡廣度整體呈增加趨勢, 由0.1620波動增加至0.1863, 共增加了0.0243, 反映了淮南市占用的自然資本流量日漸增多。

4.2.2 地類組分變化

2007—2014年, 淮南市一直處于生態赤字狀態, 需要動用自然資本存量來滿足日益增加的消費需求。生態足跡廣度實際取生態足跡與生態承載力中的較小值。草地的人均生態承載力小于生態足跡, 其人均足跡廣度與人均生態承載力一致；耕地在2008年及2012—2014年, 人均生態承載力小于人均生態足跡, 其人均足跡廣度與人均生態承載力一致, 2007年及2009—2011年, 人均生態足跡小于人均生態承載力, 人均足跡廣度與人均生態足跡一致；林地、水域、建筑用地的人均生態足跡小于生態承載力, 其人均生態足跡廣度與其人均足跡一致。由2014年淮南市年生態足跡廣度的構成, 可以發現, 耕地生態足跡廣度占83.04%, 林地占4.50%, 草地占0.32%, 水域占1.51%, 建筑用地生態足跡廣度占10.63%, 表明耕地與建筑用地是生態足跡廣度的主要組成部分；其次是林地、水域、草地, 說明淮南市的人均占用土地面積以耕地和建筑用地為主, 自然資本流量的承載者主要是耕地, 其次是建筑用地。隨著采煤沉陷的持續進行, 區域內水域的面積會進一步擴大, 其承載能力會進一步增長。

表2 2007—2014年淮南市人均生態足跡深度

表3 2007—2014年淮南市人均足跡廣度

4.3 人均三維生態足跡供需變化

由表4所示, 根據三維生態足跡模型得到淮南市人均三維生態足跡和人均生態承載力的計算結果。2007—2014年, 淮南市人均三維生態足跡總體增加比較明顯, 由3.8138增加至8.7164, 以年均21.98%的速率遞增。人均生態承載力總體呈現先減少后增加趨勢, 由2007年的0.2459波動減少至2012年的0.2352, 之后增加至2014年的0.2458, 這主要與2012年之后, 淮南市總人口的下降有關。2014年淮南市人均三維生態足跡為8.7164, 人均生態承載力為0.2458, 人均生態赤字為8.4706, 三維生態足跡約為人均生態承載力的30倍, 生態環境壓力逐漸增大, 經濟和社會發展主要以消耗區域內自然資本為主, 如果要維持淮南市現有的人均消費水平, 至少需要30個淮南市的全球平均空間的生物生產面積。由表4可知, 2007—2014年耕地、水域、建筑用地足跡處于波動上升趨勢；草地足跡呈波動下降趨勢；能源足跡一直是淮南市三維生態足跡的主導部分, 所占比例在90%以上, 并且保持不斷上升的趨勢, 與人均三維生態足跡保持一致的變化趨勢。

4.4 三維生態足跡影響因素指標體系及驅動模型建立

4.4.1 影響因素指標體系

三維生態足跡影響因素指標體系及子指標層權重結果如表5所示。

4.4.2 社會經濟等因素與人均三維生態足跡的相關性分析

通過對各子指標的加權求和, 獲得五個各目標層的綜合值。利用SPSS軟件對淮南市2007—2014年的五個目標層的綜合值與人均三維生態足跡時間序列值進行相關性分析, 各相關系數結果見表6。結果顯示人均三維生態足跡與經濟發展(b)、生態環境污染(c)呈正相關, 與社會發展(a)、生態環境建設(d)、區域交流(e)呈負相關。其中與社會發展、環境污染、區域交流的相關系數最大, 分別為0.819、0.793、0.837。

表4 2007—2014年淮南市人均三維生態足跡

表5 淮南市三維生態足跡影響因素及權重

4.4.3 生態足跡驅動模型的建立

以淮南市2007—2014年的三維生態足跡值為因變量, 5項目標層綜合值為自變量, 建立多元線性回歸模型, 反映社會、經濟、生態環境、區域交流等因素驅動生態足跡的機制, 得到多元線性回歸模型：

＝－5.366＋14.697＋0.364－1.375＋2.222⑦

式中：、、、、分別對應表5中的5個目標層, 反映了社會、經濟、生態環境及區域交流等因子在驅動生態足跡變化過程中所承擔的權重。通過式⑦可知, 經濟發展、生態環境污染、區域交流因素對生態足跡起到正向作用, 表明這三者對生態足跡的增加有驅動作用；社會發展、生態環境建設的回歸系數為負值, 表明這二者對生態赤字的持續增加有減緩作用。

表6 人均三維生態足跡與其影響因子的相關系數

5 討論

從本文的結果可知, 研究時間段內, 淮南市三維生態足跡與生態承載力相差較大, 生態赤字日漸增長。與前人研究中淮南市生態足跡, 生態赤字日漸增長趨勢相似[11-12], 增加了對于淮南市自然資本流量與自然資本存量利用情況、生態足跡驅動因子的研究。流量資本的占用主要受可再生資源稟賦的限制, 而存量資本的消耗程度是區域可持續發展的標志[22]。由淮南市2007—2014年的足跡深度與足跡廣度的變化結果可知, 其人均足跡廣度總體變化不大, 耕地、草地、水域、建筑用地足跡廣度在逐年增加, 林地的足跡廣度逐漸降低, 其中建筑用地的足跡廣度增加較為明顯；足跡深度總體呈不斷上升趨勢, 耕地與化石能源用地足跡深度不斷增長, 草地足跡深度逐漸下降, 林地、水域、建筑用地足跡深度處于自然原長狀態, 化石能源用地足跡深度增加較為突出, 說明淮南市化石能源用地作為存量資本載體的地位逐漸增加, 在存量資本的消耗中所占的比例逐漸增加, 這與南京市、徐州市賈汪區的足跡深度組成中化石能源用地比例逐漸增加的變化趨勢相似[17,23]。與同為資源型城市的焦作市的化石能源用地作為存量資本載體與流量資本的比例逐漸減小不同[24], 淮南市在社會經濟發展的過程中仍較為依賴礦產等化石能源的自然資本存量消耗。

從足跡深度、足跡廣度和人均三維生態足跡的時間序列變化來看, 淮南市足跡深度與人均三維生態足跡的變化有較好的一致性。人均足跡廣度與二者相比, 具有一定的滯后性, 說明淮南市人均三維生態足跡的變化雖然受到足跡深度與足跡廣度的共同影響, 但足跡深度對人均三維生態足跡的影響大于足跡廣度。這種現象與張家口市、南京市、珠江三角洲城市群等城市相似, 足跡深度對于三維生態足跡的影響遠遠大于生態足跡廣度[3,17,25]。由足跡深度的組成可知, 足跡深度大于1的主要是耕地、草地與化石能源用地。其中化石能源用地占比較高, 且增長速度最快, 與生態足跡發展趨勢相同, 因此化石能源足跡深度對人均三維生態足跡的影響較大。另外盡管耕地足跡深度, 與化石能源用地足跡深度、草地足跡深度相比較低, 但2007年以來, 一直呈增加趨勢, 且耕地在人均足跡廣度中占用的比例較高, 在焦作市、張家口市等城市, 耕地在人均足跡廣度與人均足跡深度中的比例也較高[3,24], 因此耕地足跡深度的增加對淮南市人均三維生態足跡的影響同樣需要重視。

結合三維生態足跡模型計算結果與生態足跡驅動模型的分析結果, 在淮南市社會經濟發展與生態環境矛盾不斷激化的狀態下, 要實現淮南市的可持續發展, 應做好經濟發展的轉型, 社會結構的調整與生態環境的建設。經濟發展過程中應不斷降低GDP能耗和污染排放, 均衡產業發展, 提高化石能源的利用效率, 促進新能源的開發與推廣, 減小生態足跡的同時, 降低構成成分中的化石能源生態足跡占比；社會發展方面, 應合理控制區域人口數量及結構組成, 減小人口增加對生態環境的壓力, 促進第三產業人員比例的增加, 并堅持倡導生態環保、節約的消費與飲食模式, 減小對于自然資源的過度消費；生態環境建設方面, 應嚴格保護作為生態承載力及自然資本流量主要承擔者的可用耕地, 保護林地, 合理規劃建設用地范圍, 增加生態用地面積；針對采煤沉陷持續產生大面積水域的現狀, 應加大合理開發利用此類水域的力度, 開發其作為生態承載力的潛力。協調經濟社會發展與區域生態環境之間的關系, 減小生態足跡, 緩解區域內生態壓力的同時, 維持進而增加區域生態承載能力, 從而提高淮南市可持續發展能力。

6 結論

淮南市2007—2014年人均三維生態足跡呈持續增長狀態, 人均生態赤字嚴重, 主要依靠消耗存量資本維持自身的發展, 生態壓力日漸增大。在各類生物生產性土地中, 化石能源用地的人均生態足跡不斷增加, 成為生態足跡的最主要構成, 體現了淮南市經濟發展處于高能耗狀態, 經濟發展模式較為單一。此外, 人均生態足跡深度與人均足跡廣度不斷上升, 表明淮南市經濟發展對自然資本存量與自然資本流量的消耗程度日益增大, 生態環境處于不可持續發展狀態。

淮南市三維生態足跡增長的驅動因子主要有經濟發展、生態環境污染、區域間交流；社會發展與生態環境建設力度的增加對生態足跡的增長有減緩作用。因此要降低三維生態足跡, 提高淮南市的可持續發展能力, 應做好經濟結構的合理化轉型, 提高能源的利用效率；促進社會人口結構的轉變, 適當控制人口數量, 改變消費方式以降低生態足跡；從保護耕地, 保護林地, 增加生態用地, 合理規劃建設用地, 開發利用因采煤沉陷出現的水域等方面, 增加淮南市生態承載力。

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The Three Dimensional Ecological Footprint and driving forces in Huainan, Anhui

CHENG Yanmei, REN Caifeng, ZHENG Xin, ZHOU Lizhi*

Collaborative Innovation Center for Mine Environmental Remediation and Wetland Ecological Security, School of Resource and Environment Engineering, Anhui University, Hefei 230601, China

The Three Dimensional of Ecological Footprint(EF3D)model including the ecological footprint depth and size is helpful to understand the sustainable development of cities. Based on the EF3Dmodel, the per capita three-dimensional ecological footprint from 2007-2014 in Huainan City was calculated. The indicator system for ecological footprint factors was established, and multiple linear regression model was adopted to analyze the driving factors. The results show that the per capita ecological footprint of Huainan City increased from 3.8138 in 2007 to 8.7164 in 2014, and the ecological carrying capacity decreased to 0.2458. Ecological footprint depth per capita increased by 12.55%, and ecological footprint size per capita was relatively stable. The 3D ecological footprint per capita was influenced by footprint depth and footprint size, but mainly affected by ecological footprint depth. Consumption of capital stocks has gradually become the mainstream of regional development. Through the model analysis, the findings indicate that the factors such as economic development and ecological environment construction are the strong drivers for the ecological footprint of Huainan City. And other factors such as social development and ecological environment construction have negative effects on ecological footprint and can reduce ecological deficit. Therefore, in order to improve the ability of sustainable development of Huainan City, the model of economic development is required to be changed, the industrial structure should be optimized, and the resource utilization efficiency should be improved to reduce ecological footprint depth; ecological environment and arable land should be protected, and population growth should be controlled to reduce ecological footprint size.

three-dimensional ecological footprint; footprint depth; footprint size; Huainan City

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.06.014

F205, X22

A

1008-8873(2018)06-106-08

2017-11-08;

2017-12-05

國家社會科學基金項目(編號: 14ZDB145)

程艷妹(1991一), 女, 安徽宿州人, 碩士, 主要從事濕地生態學研究, E-mail: 1373855141@qq.com

周立志, 男, 博士, 教授, 主要從事水鳥與濕地生生態學和生態經濟學研究, E-mail: zhoulz@ahu.edu.cn

程艷妹, 任彩鳳, 鄭欣, 等. 淮南市三維生態足跡及其驅動因子研究[J]. 生態科學, 2018, 37(6): 106-113.

CHENG Yanmei, REN Caifeng, ZHENG Xin, et al. The Three Dimensional Ecological Footprint and driving forces in Huainan, Anhui[J]. Ecological Science, 2018, 37(6): 106-113.