基于生態足跡模型修正的忻州市生態承載力空間差異變化

趙鵬宇，郭勁松，劉秀麗，崔 嬙，張俊卿，馮文勇

(1.忻州師范學院 五臺山文化研究中心,山西 忻州 034000；2.廣西壯族自治區環境保護科學研究院，廣西 南寧 530000；3.忻州師范學院旅游管理系, 山西 忻州 034000)

生態足跡法是一種以生物生產性為媒介，從生產端和消費端核算人類一定條件下生態承載力供給與需求，進而判明區域自然資源是否被過度利用的方法。自1995年Wackernagelt[1]和Rees[2]提出的生態足跡基本模型，在廣泛應用之后又擴展出基于投入產出、生命周期分析技術或物質流分析技術的生態足跡模型，不同時空尺度的實證研究相繼涌現，對模型參數、項目的計算，賬戶擴展等方面做了調整與修正[3-7]。生態足跡模型存在一定的缺陷，主要表現為：一是核算的足跡是不準確不完整的，如某些產品用生產數據代替實際消費數據，沒有充分考慮地下水在內的地下資源，污染物的足跡因計量復雜被忽略；二是模型僅可以測算已發生年份生態足跡大小，得到的結論是瞬時性的，不能預測未來，缺乏動態性。但因其計算方法簡單、結果表達形象、易理解等優點，依然不失為核算生態承載力的良好方法。

基于上述分析，本文將對生態足跡模型參數、賬戶進行修正擴展，并以忻州市為研究對象，探討重點生態功能、能源開采、旱作農業復合區生態足跡和生態承載力的測評研究，對于生態資源稀缺、生態環境脆弱區域的可持續發展十分重要。

1 研究區概況

忻州市位于山西省北中部，地理坐標范圍為E110°56′—E113°58′、N38°09′—N39°40′，北臨恒山山脈，南接太原盆地，西隔黃河，東倚太行山，總面積2.51×104km2,占全省土地總面積的16%。下轄1市、1區、12縣，2013年全市人口為311.4×104人，其中農業人口185.7×104人，耕地64.5×104hm2，土地資源中山地、丘陵與平原所占比例分別為53.5%、35.96%、10.54%。全市河流有汾河、滹沱河、清水河等，區域水資源總量為18.7×108m3。主要面臨的生態問題為水土流失，局部地區水資源短缺以及能源開采帶來的生態問題。隨著山西省國家資源型經濟轉型綜合配套改革試驗區戰略的實施，忻州迎來新的發展機遇，2013年全市能源生產總量4773.9×104t，國內生產總值654.7億元。與此同時資源和環境的剛性約束在忻州市的發展中愈加明顯。現已表現出諸多問題，如資源供需矛盾突出、生態環境演變和區域發展不平衡等，影響到區域經濟和社會的可持續發展。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

在計算人均生態盈虧的基礎上，引入生態壓力指數、萬元GDP生態足跡、生態足跡多樣性指數以及區域發展能力指數等指標來描述區域可持續發展水平。具體指標計算如下。

生態足跡計算公式一般可表示為：

EF=N×ef=N×∑(ri×ci/pi)

(1)

式中，i、ri、N、ef、EF分別為消費項目類型、均衡因子、人口數量，人均生態足跡、總生態足跡。pi、ci分別為第i種項目的世界平均生產能力和人均消費量。

生態承載力(EC)計算公式為：

EC=N×ec=N×∑(ai×ri×yi)

(2)

式中，ai、yi、N、ec分別為人均生物生產面積、產量因子、人均生態承載力，ri、N同前。

生態盈虧(ed)反映生態足跡與生態承載力差額。公式為：

ed=ec-ef

(3)

式中，當ed<0時顯示為生態赤字，表明生態環境虧損，反之則為生態盈余，直接反映區域發展是否處于生態承載力范圍之內。

生態壓力指數(Epi)反映人類活動對生態系統的干擾強度。計算公式為：

Epi=ef/ec

(4)

式中，Epi﹤1表明干擾強度未達到區域生態系統的自反饋上限，生態系統平衡，反之表明生態安全已受到威脅。Epi指數越大，生態系統遭受的干擾強度越大。

萬元GDP生態足跡反映的是區域經濟發展對系統資源利用率高低。指標值越大，區域系統資源的利用效率越低。公式表示為：

萬元GDP生態足跡=EF/GDP

(5)

生態足跡多樣性指數(H)用來描述區域內各種消費所需生物生產性土地面積的均衡程度，通過Shannon-Weaver[8]公式計算：

H=-∑(pi×lnpi)

(6)

式中，pi、lnpi分別表示第i類土地類型在生態足跡中的比例與分配狀況。H值越高，則表明區域內類型比例適中，生態系統結構處于穩定狀態。

按照Ulanowicz[9]的方法，發展能力指數的計算公式為：

C=ef×H=ef×[-∑(pi×lnpi)]

(7)

2.2 模型修正及數據處理

2.2.1 模型修正 模型主要在以下幾個方面進行了修正：

(1)生態足跡賬戶中加入污染排放與水資源。為體現污染物及為治理污染所占用的生態足跡，在原始模型以耕地、草地、林地、水域、化石能源地、建筑用地6大類生態足跡計算的基礎上，將污染排放賬戶納入其中。以廢污水(灰水)、廢氣、固體廢棄物等排放量衡量污染直接或間接占用土地的生態足跡。同時，基本模型中的水域僅體現了生物生產功能，水資源(藍水)生態足跡的意義可以表述為人類在生活生產中消耗水資源的過程。為此加入水資源賬戶，計算方法就是將消耗的水資源量轉化為相應賬戶的生產面積——水資源用地面積。水資源生態足跡EFw可以表示為：

EFw=N×efw=riw×(W/p)

式中，efw、riw、W、p分別代表水資源賬戶的人均生態足跡、均衡因子、水資源消耗量、水資源全球平均生產能力。

水資源生態承載力體現為區域某一時間段內水資源最大供給量可供支持該區域資源、環境和社會(生態、生產和生活)可持續發展的能力。根據劉樂冕[10]的方法在計算中扣除60%維持生態環境的水資源量，水資源承載力ECw公式可表示為：

ECw=N×ecw=0.4×rwi×yiw×Q/p

式中,ecw、rwi、yiw、Q、p分別為水資源人均承載力、水資源均衡因子、產量因子、區域水資源總量、水資源全球平均生產能力。

(2)修正均衡因子以減少誤差。40多年來，Wackernagel學者[1]、世界自然基金會(WWF)、倫敦動物協會、全球足跡網絡(GFN)、水足跡網絡等學者組織多次發布了6類賬戶的均衡因子，其變動幅度不大。參照楊屹[11]計算均值的辦法，選取各因子均值用于計算，即耕地、建設用地、林地、化石能源用地、草地、水域分別取2.34、2.34、1.64、1.64、0.48、0.32。同時，假設土地為生物生產能力較差的土地，根據吸納污染與水資源用地含義及相關文獻[10]，將二者均衡因子設定為1.0。

2.2.2 數據來源與處理 研究數據來源于忻州統計年鑒(2008-2014年)[12]、忻州國民經濟和社會發展統計公報(2008-2013年)[13]、忻州市環境狀況公報(2009-2013年)[14]、忻州市水資源公報(2004-2014年)[15]以及忻州市國土資源局提供的土地利用變更數據(2008-2013年)資料。部分數據經過計算整理并在文中注明。為統一數據統計口徑，采用農作物產量替代消費量。

(1)生物賬戶全球平均產量表的處理。國內文獻提及的生物賬戶全球平均產量主要有三種來源：一是直接采用1993年聯合國糧食及農業組織(FAO)的統計[16]；二是Wackernagel等[1]在測算1993年意大利平均生態足跡時提出的全球賬戶平均產量；三是以上述數據為主，個別類別采用我國學者謝鴻宇[17]對中國主要農產品全球平均產量更新計算結果。本文在收集1999—2009年FAO統計年鑒[2]基礎上，計算了部分生物產量，見表1。由此發現個別類別結果差異較大。

在忻州統計年鑒上查閱各項生物賬戶年產量。本文確定忻州生物賬戶全球平均產量的原則為，為了與同類研究成果相比較，以及保證數據的完整性，主要采用1993年Wackernagel等[1]提出的全球平均產量。核桃、花椒和羊絨3個科目無法歸類，為此，采用如下方法估算全球平均產量：核桃直接采用謝鴻宇等[17]的測算結果(2 322 kg·hm-2)，商務部特辦資訊資料顯示，我國花椒產量世界領先，采用楊屹[11]計算陜西生態足跡時的結果，花椒全球平均產量為385 kg·hm-2。由于羊絨產量較少，認為其產量與羊毛相同。

在消費項目劃分以及其所對應的用地類型方面，考慮到忻州的具體情況，豬肉主要由規模化飼養廠生產，飼料來源以本地玉米為主，若將其用地類型歸為耕地，則存在較大程度的重復計算，因此將豬肉的用地類型劃歸為草地。將水果劃分為林地原因有以下兩點，一是本地果園林木生態功能各方面與林地相似，二是退耕還林工程的實施，退耕地變成經濟果林，按林地類型計算。

(2)能源賬戶數據處理。忻州市能源消費主要包括有煤炭、焦炭、天然氣、汽油、柴油及社會電力等，共6個消費項目。利用全球單位化石能源土地面積的平均發熱量將其轉化為化石能源土地面積，具體為：天然氣折算系數單位是 GJ·104m-3；電力折算系數單位是GJ·104kW-1·h-1，電力千瓦時與熱量折算系數是單位千瓦時耗煤397 g的熱量換算[18-21]。

表1 忻州市生物賬戶全球平均產量/(kg·hm-2)

注：*為部分數據計算，無法比較。Note: * calculated for part of data, not comparable.

(3)污染排放賬戶處理。廢水和廢氣的生態足跡分別指用于處理廢水、大氣污染物使之達到排放標準所占用的生物生產性土地面積。根據劉樂冕[10]，楊屹[11]居民生活污水排放占用濕地面積以365 t·hm-2的標準進行換算；工業廢水比生活污水成分復雜得多，處理難度大，但考慮到計算的可行性，將工業廢水視同生活污水處理。計算廢氣生態足跡時，將其轉換為吸收大氣污染物所需的林地面積，并按照闊葉林對SO2的平均吸收能力88.65 kg·hm-2、對煙塵和粉塵的滯塵能力10.11 t·hm-2的標準換算。處理固體廢棄物主要方法是填埋和堆放，按照單位土地面積可堆積固體廢棄物10.19萬t·hm-2的標準換算。

(4)水資源賬戶處理。水資源全球平均生產能力根據資料取3 140 m3·hm-2[10]。水資源產量因子根據劉樂冕[10]取山西省的平均水平，其值為2.45。

(5)生態承載力數據處理。本文生態承載力采用面積轉換法，利用忻州市2008-2013年數據計算。根據生態足跡的土地類型，需要對忻州的耕地、水域、林地、草地、化石能源地、建設用地面積進行轉換。耕地以忻州市農村土地利用現狀二級分類面積為準。耕地包括水田、水澆地、旱地。林地包括有林地、灌木林地、其他有林地，同時將園地歸為林地。草地包括天然牧草、人工牧草、其他草地。化石能源地，理論上是指專門用于吸收能源燃燒排放的CO2的森林，但目前并沒有為此建立專門的用地，所以能源用地承載力面積取為零。

(6)產量因子。土地類型產量因子選取Wackernagel等[1]計算中國生態足跡時采用的平均值，耕地、建筑用地為1.66，林地為0.91，草地為0.19，水域為1.00，化石原料用地為0。

3 結果與分析

分別選取“十五”、“十一五”與“十二五”中的2004、2009年與2013年3個時間節點，比較忻州市域內部生態足跡、承載力、盈虧空間變化。

3.1 生態足跡空間分布

圖1為各縣域人均生態足跡構成表。總體上，2004年以來忻州各縣的人均生態足跡基本上呈快速增長的；其中也表現出一些特點，虛態足跡即化石能源足跡呈現明顯的增長趨勢，2004年全市人均能源足跡1.171 9 hm2，其中，靜樂、河曲、保德與原平高于上述水平，保德甚至達到4.104 hm2，說明社會經濟系統對生態服務消費由以往的供給服務為主向調節服務為主轉變。除化石能源外的足跡稱為實態足跡，其變化比較緩慢。從人均生態足跡空間分布來看，3個時間節點上均表現為靜樂、河曲、保德、原平高于全市平均水平，主要是這些區域能源資源相對豐富，影響能源利用規模與結構的結果。而其余8縣(區)生態足跡又低于全市平均水平，其共同點是生物資源賬戶足跡能占到50%～70%,尤其在定襄、神池和五寨表現突出。空間分布上總足跡與人均足跡基本類似，忻府區總足跡高于全市區總足跡平均水平，河曲、保德、原平同樣高于全市平均水平，靜樂總足跡在2009、2013年低于全市平均水平。

注 Note：XF-忻府 Xinfu；DX-定襄 Dingxiang；WT-五臺 Wutai;DX-代縣 Daixian；FX-繁峙 Fanshi；NW-寧武 Ningwu；JL-靜樂 Jingle;SC-神池 Shenchi;WZ-五寨 Wuzhai;KL-岢嵐 Kelan;HQ-河曲 Hequ;PG-偏關 Pianguan;YP-原平 Yuanping。下同 The same below。圖1 忻州市生態足跡空間分布Fig.1 Spatial distribution of ecological footprint in Xinzhou city

3.2 生態承載力空間分布

從承載力組成來看，忻州生態承載力以生態資源為主，主要集中在耕地與林地中。耕地中表現尤其明顯的是處于晉西北旱作農業區的神池、五寨等，可以占到總承載力的70%以上，另外滹沱河沿岸各縣耕地承載力也較高，約占50%，林地承載力較高的地區主要集中在五臺山與管涔山各縣。水資源承載力五臺與岢嵐較高，而缺水嚴重的忻府、定襄以及晉西北保德、河曲承載力較小。

從圖2人均承載力來看，寧武、靜樂、神池、五寨、岢嵐、偏關較高。這些區域人口相對較少，相對資源富裕，而忻定盆地各縣雖為全市主要糧食主產區，但人口基數較大，在一定程度上降低了人均生態承載力。總承載力表現為，忻府、五臺、繁峙、寧武、原平高于全市平均水平，靜樂、神池、五寨、岢嵐接近或超過全市平均水平，定襄、代縣、河曲、保德、偏關低于全市平均水平。

圖2 忻州市生態承載力空間分布Fig.2 Spatial distribution of ecological carrying capacity in Xinzhou city

3.3 生態盈虧與壓力空間分布

生態盈虧計算結果見圖3，發現在2004、2009、2013年三個時間段，14個縣級行政區域顯示出不同的特征。2004年生態盈余或保持平衡的共有7個縣，分別為五臺、繁峙、寧武、神池、五寨、岢嵐、偏關。其中岢嵐、神池、偏關生態盈余排在前3位分別為1.750 7、1.463 1、1.061 3 hm2·人-1。按照WWF中國生態足跡報告標準[22]，生態赤字區共有4個級別(見表1)，2004年有7個縣屬于生態赤字區，其中保德、原平生態赤字分別為4.581 7、2.053 6 hm2·人-1，進入嚴重生態赤字區級別。2009年生態盈余或保持平衡的共有8個縣，分別為五臺、代縣、繁峙、寧武、神池、五寨、岢嵐、偏關，但生態盈余均有所下降，其中五寨、偏關、神池人均生態盈余排在前三位分別為0.853 6、0.822 9、0.803 9 hm2，生態赤字區雖數量較2004年減少1個，但有整體上向嚴重赤字區集中的傾向；2013年生態盈余或持平區有5個，赤字區進一步擴大達到8個，其中嚴重生態赤字級別擴展到河曲、保德、原平、靜樂，人均生態赤字分別為23.209 4、15.531 5、7.356 1、4.446 4 hm2。由此可見忻州生態盈虧空間分布上極不均勻，表現為生態赤字高度集中，且數值已達到嚴重生態赤字區下限的數倍。而盈余區向平衡區過渡，最終進入生態赤字區，如五臺、代縣、寧武、岢嵐屬于此類，由2009年的盈余區變成2013年的赤字區。從總生態盈虧來看，2013年忻府、五臺、繁峙、原平高于全市平均水平，而河曲、保德低于全市平均水平，人口基數和人均生態足跡大小同時決定著總生態盈虧。

圖4顯示為14個縣(區)在Epi=1分布的情況，保德、河曲遠離中心線。從2004年到2013年生態壓力指數大于1的區域出現的縣(區)明顯增多。

圖3 忻州市生態盈虧空間分布Fig.3 Spatial distribution of ecological profit and loss in Xinzhou city

生態赤字區 Ecological deficit area200420092013生態赤字區Ecological deficit area769嚴重生態赤字區Serious ecological deficit area(<-2.0)234較嚴重生態赤字區More serious ecological deficit area(-2.0≤ed<-1.0)112中度生態赤字區Moderate ecological deficit area(-1.0≤ed<-0.5)222輕度生態赤字區Light ecological deficit area(-0.5≤ed<-0.1)201生態盈余或持平區Ecological surplus or flat area785生態基本持平區Basic ecological flat area(-0.1≤ed<0.1)011生態盈余區Ecological surplus area(ed≥0.1)774

注：劃分標準來源于WWF中國生態足跡報告[22]。

Note: Classification criteria derived from WWF China Ecological Footprint Report[22].

3.4 綜合可持續發展能力空間變化

生態足跡的大小受該地區的人口、經濟發展和技術效率等因素的影響，為了利用生態足跡概念分析生態、經濟和社會之間的關系，引入IPAT等式[6]加以推導和分析。

圖5反映了忻州生態、經濟和社會協調發展的空間狀態。分別以2004、2009、2013年忻州總體人均生態足跡為參數，在環境因子不變的情況下，用人均GDP反映經濟發展程度即區域富裕度，用萬元GDP占用生態足跡衡量經濟活動的自然空間占用率即技術效率，圖中的曲線表示其動態關系。若分布在曲線以上表明創造相同的GDP，該地區的經濟活動對自然空間的占用率高于全市平均水平，區域技術效率較低，對生態環境的擾動較大；反之則表明，該地區的資源能源利用率高于全市水平，其技術效率較高，對生態環境的影響較小。

圖4 忻州市生態壓力指數空間分布Fig.4 Spatial distribution of ecological pressure index in Xinzhou city

由圖5所示，河曲、保德、原平、靜樂等4個地區在三個時間節點上都不同程度地處于曲線以上區域。資源、能源利用效率和經濟發展程度不匹配，維持經濟又好又快發展，技術創新成為減少生態占用的驅動力。分布在曲線下方的縣域在其相應的經濟條件下，資源利用效率高于全市平均水平，或者說其經濟活動中突出了技術要素的貢獻率，在保護好環境的同時不斷提高人民生活的富裕度。

4.結論與討論

在生態足跡模型中增加了包括廢氣、廢水和固體廢棄物科目的污染排放賬戶和水資源賬戶，重新確定了忻州各項生物賬戶全球平均產量與生產性土地均衡因子。采用修正后的生態足跡模型測算了忻州市14個縣(區)生態足跡和生態承載力空間差異。結論為：(1)人均生態足跡集中于區域能源資源相對豐富的縣域，如靜樂、河曲、保德、原平。(2)忻州生態承載力主要來自于耕地與林地，人均生態承載力主要集中于相對資源富裕人口較多的縣域，如寧武、靜樂、神池、五寨、岢嵐、偏關。(3)2004—2009年間生態赤子縣域數量呈上升趨勢，且整體上向嚴重赤字區、壓力指數大于1的區域集中。(4)從資源、能源利用效率和經濟發展程度的匹配上，可以分為兩類區域，河曲、保德、原平、靜樂等4縣經濟活動的自然空間占用率高于全市平均水平。

針對各縣域生態承載力的空間差異，其主導因素為能源利用與城鎮發展[23-25]。忻州市內的“東六縣、西八縣”地理區位、資源稟賦、自然環境有著明顯差異。“東六縣”所處的地區主要為滹沱河寬谷山區，土地平坦肥沃，農業生產水平較高、城鎮集中，人口稠密。“西八縣”所處黃土高原丘陵溝壑區，干旱少雨，以能源開采為主。因此，忻州市減少生態赤字緩解生態供需矛盾必須同區域實情結合，可以結合“十三五”規劃，“西八縣”通過降低過剩產能，降低能源生態足跡，同時結合精準扶貧政策，實行扶貧移民搬遷。“東六縣”以持續改善農業生產條件，降低工農業生產能耗與污染，減少生態赤字。研究結果可為礦糧復合區與重點生態功能區生態環境治理提供科學依據。

圖5 忻州2004、2009、2013年各地生態、經濟和社會IPAT分析Fig.5 Analysis on IPAT of ecology, economy and society in Xinzhou city in 2004, 2009 and 2013