區域生態足跡盈虧測算及其空間特征
——以江蘇省為例

鹿 瑤,李效順,2,*,蔣冬梅,郎文婧,沈春竹,魏旭晨

1 中國礦業大學, 江蘇省資源環境信息工程重點實驗室, 徐州 221116 2 南京農業大學, 中國土地問題研究中心, 南京 210095 3 江蘇省土地勘測規劃院, 國土資源部海岸帶開發與保護重點實驗室, 南京 210024

工業革命以來,發達國家在創造極大物質財富的同時,也引發了沉重的生態環境災難,直接威脅著人類生存和社會持續發展。與國外類似,改革開放以后,我國城鎮化水平從1978年的17.9%提高到2016年的57.4%、年均增長超過1個百分點,GDP保持年均增長約10個百分點,發展成就舉世矚目。然而,發達國家300年中產生的環境問題卻在我國30年間集中式爆發,加速損耗我國經濟社會賴以發展的資源環境家底,并嚴重損毀普通民眾追求美好宜居生活的夢想。尤其伴隨城鎮化進程快速推進和年均超過1000萬城鎮人口加速增長,人們生產生活對土地和自然資源的剛性需求迅速增加,占用了大量的農地、林地及其他類型的生態用地來進行房地產、商業區、工業區的開發建設,土地利用的變化尤其是城市過度蔓延對生態系統服務功能產生了消極影響[1],從而造成了越發嚴重的人地矛盾和區域土地生態承載力嚴重超載。

嚴峻的生態環境形勢給我們敲響了警鐘：模仿西方國家發展模式,靠拼資源、犧牲環境發展經濟的道路難以走通。政府高層也意識到生態環境惡化的嚴重性：黨的十九大報告明確提出要尊重自然、順應自然、保護自然,建設人與自然和諧共生的現代化。因此,如何測算土地資源承載能力,合理利用土地、緩解人地矛盾,從而實現可持續發展,是公眾關注焦點、學者研究重點和政策創新難點。生態足跡可以表現人類對自然資本的利用情況,判斷人類活動是否在生態系統的承載范圍之內,從而評估發展可持續性。生態足跡分析法的提出和發展,為定量測度可持續發展提供了評價方法[2]。

江蘇省作為改革開放的前沿陣地、經濟水平最為發達、區域差異最為顯著和人地矛盾最為尖銳的省份之一,區域土地承載力迅速超載。鑒于此,本文在改進傳統生態足跡模型基礎上,以“國家公頃(nhm2)”為計量單位,對江蘇省及其13個地級市2015年生態足跡、生態承載力和生態盈虧進行測算,并在此基礎上計算研究區萬元GDP生態足跡。與已有研究不同的是,本文利用國家公頃生態足跡模型計算了江蘇省及13個地級市的產量因子,立足于區域生態足跡的空間特征分析,進而把握影響區域生態足跡分布差異的因素,從而在理論上補充、完善生態足跡模型在空間分析方面的不足,研究結果在為江蘇省生態文明建設和土地可持續利用提供定量參考的同時,對統籌江蘇省各市協調、可持續發展具有指導意義。

1 研究區概況

江蘇省位于中國大陸東部沿海中心,地理位置介于116°18′—121°57′E,30°45′—35°20′N之間,屬東亞季風氣候區,平均氣溫介于13—16℃間,年均降水量為1000 mm。江蘇省地勢低平,地形以平原為主,平原面積達700多萬hm2,占江蘇面積的70%以上。江蘇省際陸地邊界線3383 km,面積1072萬hm2,占中國國土面積的1.12%,人均國土面積在中國各省區中最少。其中耕地面積為458萬hm2,占全省土地總面積的42.72%,林地面積為179萬hm2。江蘇省下轄13個地級市。根據地理位置和經濟發展,一般將江蘇省分為蘇北(徐州、連云港、淮安、鹽城、宿遷)、蘇中(南通、揚州、泰州)和蘇南(南京、無錫、常州、蘇州、鎮江)。

江蘇與上海、浙江共同構成的長江三角洲城市群已成為6大世界級城市群之一。《2016年江蘇省國民經濟和社會發展統計公報》顯示,截至2016年末,江蘇省的城鎮化率已達到67.7%,高于全國超過10%,2016年江蘇省地區生產總值達76086.2億元,全省人均生產總值達95259元。全國省域中,江蘇省人均生產總值、地區發展與民生指數均居首位,達到“中上等”發達國家水平。但是江蘇省迅速的城市化進程也導致了一些問題,例如城市建設用地占用生態用地、建設用地供需矛盾突出、土地生態服務功能的減弱,這也是當前亟需解決的問題。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究數據主要采用全國生物生產性土地面積和產量,研究區人口、GDP總值、生物生產性土地面積和產量。根據數據的可獲取性,本研究數據主要來源于2015年《中國新型城鎮化的生態足跡影響分析》,2016年《中國統計年鑒》、《中國城市統計年鑒》、《江蘇統計年鑒》以及江蘇省各地級市的統計年鑒。

2.2 研究方法

2.2.1 生態足跡分析法

生態足跡分析法由加拿大生態經濟學家William Rees于20世紀90年代初首次提出,隨后其學生Mathis Wackernagel對生態足跡進行了完善[3-4]。生態足跡分析法在20世紀90年代末引入中國,被國內學者較多用于土地生態系統的研究[5-6]。生態足跡分析法以其容易理解、計算簡便的特點,被國內外眾多學者應用于生態承載力和可持續發展程度的計量中[7-8]。隨著研究廣度和深度的增加,學者們對傳統生態足跡模型進行了各方面的改進[9-10]。近年來學者們對生態足跡的研究進展主要集中在尺度選擇和方法改進2個方面：(1)時空尺度上,學者們對生態足跡的時間序列變化及未來預測進行了研究,彌補了傳統生態足跡模型瞬時性的不足[11- 14],有學者提出了基于“國家公頃”、“省公頃”和“本地公頃”的改進模型[15- 18],使得生態足跡模型能夠更為準確地表達中小尺度上的生態足跡盈虧情況。(2)計算方法上,學者提出基于能值和凈初級生產力(NPP)的生態足跡模型[19-20],以得到能真實反映研究區消費情況的均衡因子,還有學者引入“足跡廣度”和“足跡深度”兩個指標構建了三維生態足跡模型[21- 23]。近來年,學者們也從空間維度對生態足跡展開了深入探索,武翠芳等利用Gini系數和Theil指數對黑河流域生態足跡的空間差異進行研究[24],李一瓊等采用空間自相關方法,對廣西縣域生態足跡及其影響因子的空間差異進行了定量計算[25],潘洪義等通過計算成都市6年生態足跡和生態承載力,對成都市生態足跡的時間、空間動態演變及其差異性進行分析[26]。總體而言,國內外學者對生態足跡分析法的研究已經相對成熟,但是目前利用國家公頃生態足跡模型,計算研究區均衡因子和產量因子,并在此基礎上對生態足跡空間分布特征及其差異原因進行分析的研究相對較少,且對生態足跡進行分析時較少關注人口、經濟等社會因素的定量影響,導致計算結果無法全面、準確地反映生態環境與經濟發展之間的關系。

2.2.2 國家公頃生態足跡模型

生態足跡模型能夠對區域的生態足跡和生態承載力進行測算,從而評估人類活動對生態系統和環境的影響情況,對合理使用自然資源有一定指導作用。生態足跡通過計算生產性土地和水域面積及其各類產品的產量,估算某一區域人類為了維持自身生產生活而利用自然資源的量,即一定人口(人均、城市、國家等)需要多少生產性土地來生產需要的資源和吸納產生的廢物,進而評估人類的生產生活對地球生態系統和環境的影響[2,5]。生態足跡的值越高,代表人類所需的資源越多,對生態和環境的影響就越嚴重。

生態足跡模型分為生態足跡和生態承載力兩部分。為了在國家范圍內對省、市的生態足跡進行更精確的比較和計算,減少計算結果的偏差,本研究以國家公頃為計量單位,構建了以下國家公頃生態足跡和生態承載力模型[27]：

(1)

式中,EF為總生態足跡(hm2)；N為總人口數；ef為人均生態足跡(hm2/人)；i=1,2,…,6,代表6類生物生產性土地；λi為第i類生物生產性土地的均衡因子；Ai為人均第i類生物生產性土地面積(hm2/人)；j為消費項目類型；aaj為人均第j種消費項目折算的生物生產性土地(hm2/人)；cj為第j種消費品的人均年消費量(kg/人)；pj為j種消費品的平均生產能力(kg/hm2)。

生態承載力計算公式為：

(2)

式中,EC為總生態承載力,N為總人口數,ec為人均生態承載力(hm2/人),ai為人均第i類生物生產性土地面積(hm2/人),λi為第i類生物生產性土地的均衡因子；yi為產量因子。根據聯合國世界環境與發展委員會在《我們共同的未來》一書中提出的,為保護生物多樣性,最終生態承載力應該在均衡生態承載力的基礎上扣除12%用以保護生物多樣性。

生物生產性土地是生態足跡分析法為各類自然資本提供統一度量的基礎[28]。生物生產性土地是指具有生物生產能力的土地或水體,在生態足跡模型中,根據生產力的大小,各種資源和能源消費項目被折算為耕地、草場、林地、水域、建筑用地和化石能源用地6種類型的生物生產性土地面積。用生物生產性土地表示自然資本的物質量,有利于計算各類土地的產量和生態足跡的總量。在生態足跡模型中,將生物生產性土地類型劃分為耕地、草地、林地、水域、化石燃料用地和建筑用地6種類型。根據研究區的生產情況和數據的可獲取性,對生物生產性土地的消費項目進行了劃分,結果如表1。

表1 國家公頃生態足跡模型消費項目分類

將生態足跡與生態承載力進行比較,如果生態足跡大于生態承載力,則為生態赤字,即在當前技術和生產力狀況下,生物生產性土地面積不足以支撐人類生產生活；若生態足跡小于生態承載力,則為生態盈余,即當前生物生產性土地面積能夠支持人類生產生活。

2.2.3 均衡因子

均衡因子是全國某一類生物生產性土地與全國所有生物生產性土地生產能力的比值,表示不同土地類型之間生物生產能力的差異。均衡因子計算公式[29-30]為：

(3)

式中,λi為第i類生物生產性土地的均衡因子,pi為全國第i類生物生產性土地的平均生產力,p為全國全部生物生產性土地的平均生產力。

2.2.4 產量因子

產量因子是研究區某一類土地的生物生產能力與這類土地全國平均生產能力的比值,表示當地和全國平均實際生產能力的差異,計算公式[29-30]為：

(4)

為使計算結果更準確,在計算均衡因子和產量因子時,本研究利用能值轉換率系數表[31],將生物資源和能源資源的產量均轉換為能值,進而計算出均衡因子和產量因子。

2.2.5 萬元GDP生態足跡

由于生態足跡模型主要對生物產量和生產性土地面積進行測算,計算過程中忽略了經濟等社會因素的影響,得到的結果不能全面、準確地反映生態與環境之間的關系。萬元GDP生態足跡是區域總生態足跡與萬元GDP的比值,指產生每萬元GDP需要的資源所占用的生物生產性土地面積,可以用來衡量資源的利用效益[32],計算公式[33]為：

EFG=EF/GDP

(5)

式中,EFG為萬元GDP生態足跡,EF為區域總生態足跡,GDP為區域GDP總值,單位萬元。EFG值越大,表明資源的利用效益越低,反之則表明資源利用效益高。

3 結果與分析

3.1 江蘇省生態足跡測算結果

根據式3、式4,計算得到國家公頃生態足跡模型均衡因子和產量因子,計算結果如表2、表3。

表2 國家公頃生態足跡模型均衡因子

表3 國家公頃生態足跡模型產量因子

本文以江蘇省為例,計算了2015年江蘇省以及13個地級市的人均生態足跡和人均生態承載力,結果顯示研究區的生態盈虧均呈現為生態赤字。在此基礎上,對江蘇省人均生態足跡、生態承載力和生態赤字的空間特征進行了研究。人均生態足跡、生態承載力和生態赤字計算結果如表4—6。

表4 研究區2015年人均生態足跡/(hm2/人)

表5 研究區2015年人均生態承載力/(hm2/人)

3.2 江蘇省生態足跡空間特征

根據生態足跡和生態承載力模型的計算,2015年江蘇省的人均生態足跡為1.7890 hm2/人,人均可利用生態承載力為0.2991 hm2/人,生態赤字為-1.4899 hm2/人。地級市中,常州市人均生態足跡最高為2.9317 hm2/人,宿遷市人均生態足跡最低為1.7348 hm2/人；鹽城市人均可利用生態承載力最高為0.6111 hm2/人,蘇州市人均可利用生態承載力最低0.0812 hm2/人；生態盈虧均表現為生態赤字,常州市人均生態赤字最高為-2.8115 hm2/人,鹽城市人均生態赤字最低為-1.1503 hm2/人。

表6 研究區2015年人均生態赤字/(hm2/人)

人均生態足跡構成方面(圖1),江蘇省以及南京市、蘇州市、無錫市、鎮江市、揚州市、泰州市、南通市、徐州市的人均生態足跡中所占比例最大的均為建筑用地,建筑用地的主要消費項目為電力,可見江蘇省大部分地區對電力的消耗較大；其中,南京市的人均建筑用地生態足跡占到了人均生態足跡總值的88.96%,為研究區中最高。江蘇省人均化石能源用地生態足跡占比在建筑用地之后,達到28.20%；地級市中,常州市的人均化石能源用地生態足跡占比最高,為50.44%。連云港市、鹽城市、宿遷市和淮安市的人均耕地生態足跡在人均生態足跡中占比最高,其中鹽城市最高,為46.78%。徐州市的人均草地生態足跡比例最高,為22.06%。研究區中,水域和林地的生態足跡占比都較小。

圖1 研究區2015年生態足跡構成Fig.1 Composition of ecological footprint in Jiangsu Province in 2015

空間特征上(圖2),人均生態足跡和生態赤字自南向北降低,蘇南地區最高,蘇中地區次之,蘇北地區最低；人均生態承載力自北向南降低,蘇北地區最高,蘇中地區次之,蘇南地區最低。人均生態足跡和生態赤字的空間特征具有相對一致性,與人均生態承載力相反。與江蘇省人均生態足跡相比,蘇北地區5個市和泰州市、揚州市的人均生態足跡低于江蘇省平均值,蘇南地區5個市均高于江蘇省平均值；與江蘇省人均生態承載力相比,蘇北和蘇中地區8個市的人均生態承載力均高于江蘇省平均值,蘇南地區5個市均低于江蘇省平均值；與江蘇省人均生態赤字相比,蘇北和蘇中地區8個市的人均生態赤字均低于江蘇省平均值,蘇南地區5個市均高于江蘇省平均值。

圖2 研究區2015年人均生態足跡、生態承載力和生態赤字空間特征
Fig.2 Spatial characteristics of ecological footprint, ecological carrying capacity and ecological defict of Jiangsu Province in 2015

3.3 江蘇省萬元GDP生態足跡測算結果

根據式5,計算出2015年江蘇省及13個地級市的萬元GDP生態足跡,測算結果如表7所示。

表7 研究區2015年萬元GDP生態足跡/(hm2/萬元)

由測算結果可知,江蘇省整體萬元GDP生態足跡為0.2033 hm2/萬元,無錫市、鎮江市、蘇州市和揚州市的萬元GDP生態足跡低于江蘇省值,表明這4個城市的資源利用效益高于全省平均水平,而其他城市資源利用效益相對較低。

圖3為研究區人均GDP與萬元GDP生態足跡趨勢對比圖。由圖3可知,萬元GDP生態足跡整體上與人均GDP成反比。蘇南地區人均GDP均高于江蘇省平均值,而其中人均GDP較高的無錫市、鎮江市和蘇州市,萬元GDP生態足跡低于江蘇省平均值；蘇北地區5個地級市人均GDP較低,但是萬元GDP生態足跡均高于蘇中和蘇南地區。

圖3 研究區2015年人均GDP、萬元GDP生態足跡Fig.3 Per capita GDP and ten thousand yuan GDP ecological footprint of Jiangsu Province in 2015

上述結果表明,江蘇省城市化進程對自然資源的消耗量遠大于自然資源的供給量,對生態環境造成較大的壓力,影響生態經濟的可持續發展能力。人均生態足跡構成上,江蘇省和蘇中、蘇南地區人均生態足跡中,人均建筑用地生態足跡和化石能源用地生態足跡占較大比重,即電力和能源消耗較多；蘇北地區人均生態足跡貢獻大的是人均草地生態足跡和耕地生態足跡,即糧食和畜牧產品的消耗較大。人均生態足跡空間分布上,人均生態足跡和生態赤字在空間上的分布一致,呈現出南高北低的特征,而人均生態承載力則相反,呈現北高南低的分布特征。由此可見,人均生態足跡的空間分布與地區人均地區生產總值分布呈正相關：人均地區生產總值較高的蘇南地區,人均生態足跡也相對較高,且均高于江蘇省平均水平；人均地區生產總值低于江蘇省平均水平的蘇北地區,人均生態足跡也低于江蘇省平均值。萬元GDP生態足跡測算結果顯示,蘇南地區萬元GDP生態足跡值低,表明蘇南地區資源利用效益較高,資源利用方式較為集中；蘇北地區萬元GDP生態足跡較高,說明資源利用效益低。

4 結論與建議

基于以上分析判斷,本研究主要結論和政策建議如下：

第一,實證結果顯示,2015年江蘇省人均生態足跡為1.7890 hm2/人,人均可利用生態承載力為0.2991 hm2/人,生態赤字為-1.4899 hm2/人,萬元GDP生態足跡為0.2033 hm2/萬元。地級市中,常州市人均生態足跡最高為2.9317 hm2/人,宿遷市人均生態足跡最低為1.7348 hm2/人；鹽城市人均可利用生態承載力最高為0.6111 hm2/人,蘇州市人均可利用生態承載力最低為0.0812 hm2/人；常州市人均生態赤字最高為-2.8115 hm2/人,鹽城市人均生態赤字最低為-1.1503 hm2/人；宿遷市萬元GDP生態足跡最高為0.3956 hm2/萬元,無錫市萬元GDP生態足跡最低為0.1651 hm2/萬元。蘇南地區人類活動對自然資源的需求已經遠超出生態環境的承載力,但是資源利用方式較為集中高效；蘇北地區人類活動需求對生態承載力壓力較小,但是資源利用效益低,也會對生態經濟的可持續發展造成影響。

第二,空間特征發現,江蘇省和蘇南、蘇中地區人均建筑用地生態足跡和化石能源用地生態足跡所占比例較大,蘇北地區人均耕地生態足跡和草地生態足跡所占比例較大；人均生態足跡和生態赤字在空間上的分布一致,呈現出南高北低的特征,而人均生態承載力則相反,呈現北高南低分布特征；萬元GDP生態足跡在空間上分布呈北高南低的特征,總體上與人均地區生產總值成反比。

第三,政策調控建議,江蘇省應當協調社會經濟與生態環境共同發展,加大生態文明建設投入,建立合理的生態足跡調控機制,提高生態承載力,控制并降低生態赤字；統籌蘇北、蘇中、蘇南地區的經濟和生態均衡發展,轉變蘇北地區資源利用方式,提高資源利用效益,促進生態經濟可持續發展,控制、減少蘇南地區城市建設造成的環境問題,從而扭轉生態足跡和生態赤字過高的嚴峻態勢。另外,要盡快落實以及完善生態環境保護制度體系,加快生態紅線的劃定和協調,堅持可持續發展之路,從而保障我國生態安全。