新疆生產建設兵團2001—2015年生態足跡及其驅動力因子分析

呂偉, 周宏飛, 柴晨好, 馬進博

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新疆生產建設兵團2001—2015年生態足跡及其驅動力因子分析

呂偉1,2,3, 周宏飛1,2*, 柴晨好1,2,3, 馬進博4

1. 中國科學院新疆生態與地理研究所, 荒漠與綠洲生態國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011 2. 中國科學院阜康荒漠生態系統國家站, 阜康 831505 3. 中國科學院大學, 北京 100049 4. 新疆生產建設兵團十二師二二二團, 阜康 831505

基于生態足跡模型對新疆生產建設兵團2001—2015年生態足跡進行計算, 并運用偏最小二乘回歸以及Pearson相關分析兩種方法分析生態足跡的經濟社會驅動力因子。結果顯示: 2001—2015年, 兵團人均生態足跡從2.765 hm2·cap-1增加到14.329 hm2·cap-1, 人均生態承載力保持較低穩定狀態, 人均生態赤字從0.355 hm2·cap-1增加到11.670 hm2·cap-1。表明兵團經濟快速增長過程中, 生態壓力持續增加, 可持續發展面臨挑戰。人均GDP、第二產業增加值、城鎮居民人均可支配收入、社會消費品零售總額、城鎮化水平、第一產業增加值對兵團人均生態足跡變化有顯著正向驅動作用, 而萬元GDP生態足跡、第三產業增加值比重則表現出對人均生態足跡相對較弱的逆向驅動作用。調整產業結構以及保證生態用水是降低生態足跡, 提高生態承載力, 實現兵團可持續發展的有效途徑。

新疆生產建設兵團; 生態足跡; 可持續發展; 驅動力

0 前言

20世紀90年代, 加拿大生態經濟學家Ree和Wackernagel提出生態足跡模型[1–2], 該模型通過測算人類活動對生態系統的壓力和給定人口區域生態承載力來衡量區域可持續發展程度和狀況。由于模型計算簡單, 結果明確, 被廣泛應用?？v觀近些年生態足跡在我國的發展和運用, 研究主要集中在三個方面, (1)由單一年份生態足跡研究到長時間序列動態分析[3–4], 研究區域也由某一固定區域轉向區域間的比較分析[5–6]; (2)研究對象從區域轉化為各行業, 從宏觀轉向微觀, 涉及農業[7]、重工業[8]、能源[9]、旅游業[10]、交通[11]、水資源[12]、校園[13]、家庭[14]、個人[15]等; (3)在研究方法上傾向于多樣化, 對生態足跡影響因素分析[16–18], 以及對區域未來發展趨勢進行預測[19–20]等。雖然我國學者對生態足跡進行大量研究, 但利用該模型對新疆生產建設兵團長時間序列動態變化, 以及驅動力因子分析并不鮮見。新疆生產建設兵團(簡稱“兵團”)地處西北干旱區, 自然環境惡劣, 經濟條件落后。兵團作為特殊的生產單元, 一邊面臨發展經濟, 提高人民生活的重任; 一邊要承擔保護脆弱生態環境的職責。自2000年以來, 兵團經濟發展迅速, 三次產業增加值分別從2001年62.82、55.81、71.08億元上升到2015年428.04、883.88、623.00億元, 分別增加了5.81、14.84、7.76倍, 各行業經濟快速發展的同時, 也帶來了自然資源過度消耗、污染物大量排放等[21]負面效應, 兵團經濟發展與生態保護矛盾日益加劇, 可持續發展形勢十分嚴峻, 定量評估兵團生態狀況及其背后的驅動機制, 對協調經濟、社會發展與生態環境保護具有重要意義。本文基于生態足跡模型, 評價兵團2001—2015年區域經濟生態可持續發展狀況, 運用偏最小二乘回歸以及Pearson相關分析方法進行驅動力分析, 揭示經濟社會發展對生態足跡驅動作用, 以期為兵團自然資源合理開發利用、經濟生態可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況

新疆生產建設兵團位于中國西北部新疆維吾爾自治區境內, 共14個師, 175個農牧團場, 總面積7.06×106hm2, 是全國最大的農墾墾區之一。兵團屬溫帶大陸性氣候, 多年平均降水145 mm, 蒸發量2000—2500 mm。在過去的60多年里, 兵團在荒漠中建立了約300×104hm2的人工綠洲, 2015年兵團總人口276.56×104人, 耕地面積達124.38×104hm2。此外, 兵團擁有豐富的農業資源和礦產資源, 目前已經建立了優質棉生產基地、瓜果蔬菜生產基地以及現代畜牧業產業基地, 各師規模以上工業企業原煤總產量150.5×104t, 占全疆14.28%。

2 數據來源與方法

2.1 生態足跡模型計算

生態足跡通過測定區域人口維持自身生存而消耗的自然資源, 與區域所能提供人類消費的資源總量進行比較, 進而對區域經濟發展狀況下生態系統可持續進行評價。本文均衡因子和產出因子參考Wackemagel的相關成果[2]。其中, 均衡因子: 耕地、建設用地為2.8, 林地、化石能源用地為1.1, 草地為0.5, 水域為0.2; 產出因子: 耕地和建設用地1.66、草地0.19、林地0.91、水域1.00、化石能源用地0.31。生態足跡、生態承載力以及生態赤字計算方法如下:

式中,為人均生態足跡(hm2·cap-1);C為種商品的人均消費量;D為種消費商品的世界平均生產能力;為生態足跡(hm2);為計算區域的人口數;β為第類土地均衡因子;為人均生態承載力(hm2·cap-1);A為不同類型生態生產性土地面積(hm2);Y為不同類型生態生產性土地產出系數;為人均生態赤字(hm2·cap-1)。此外, 根據世界環境與發展委員會(WCED)報告, 在計算生態承載力時, 扣除12%生物多樣性保護面積[22]。

2.2 數據來源與處理

本文選取生態足跡核算項目見下表1, 6類土地類型, 29種生物性資源或能源。在生態足跡計算中, 兵團主要產品和用地面積數據以及經濟、社會、產業、能源消費等相關數據均來自2002—2016年《新疆生產建設兵團統計年鑒》。生物資源生產面積的折算以聯合國糧農組織1993年計算的有關生物資源的世界平均產量資料[22]為依據進行換算, 采用這一標準主要是為了方便與其他相關研究進行比較。

文中數據預處理采用Excel 2013, 模型分析采用SPSS 21, 作圖采用origin 8.5。

3 結果與分析

3.1 生態足跡及承載力動態變化

人均生態足跡計算結果表明(見圖1), 2001—2015年兵團人均生態足跡總體呈不斷增加趨勢, 由2.765 hm2·cap-1增加到14.329 hm2·cap-1, 年均增長19.65%。從各類型生態足跡來看, 化石能源和耕地人均生態足跡占比重較大,多年平均比重分別為28.61%和50.61%, 而其他四類足跡占比重較小。2001—2015年間, 化石能源人均足跡從2001年0.383 hm2·cap-1增加到2015年7.419 hm2·cap-1, 年均增加了0.503 hm2·cap-1, 化石能源足跡快速增加必然加劇其他土地類型的壓力。耕地人均生態足跡增加也較為突出, 從2001年1.763 hm2·cap-1增加到2015年4.559 hm2·cap-1, 年均增加0.200 hm2·cap-1, 人均耕地生態足跡的持續增加, 表明人類對耕地附屬產品消費依賴性逐漸加強, 同時也說明了農業作為兵團的基礎產業的地位。草地人均生態足跡從2001年0.534 hm2·cap-1增加到2015年1.257 hm2·cap-1, 年均增加0.052 hm2·cap-1。兵團草地面積廣闊, 在區域水土保持, 防風固沙等維護生態穩定中發揮重要作用。草地生態足跡的不斷增加, 表明了人類為了滿足自身消費需求, 對草地資源過度放牧開發, 加劇草地退化以及荒漠化的風險, 草地面積從2001年242.36×104hm2下降為2015年172.10×104hm2。此外, 建設用地、林地、以及水域人均生態足跡也呈現上升的趨勢, 但變化幅度并不明顯, 這種趨勢與兵團人口穩定增長具有一致性(2001年245.36萬人增加到2015年276.56萬人), 表明兵團城鎮化發展與人口的增加促進了生活必需品的消耗, 進而導致區域生態壓力增加。從各類型足跡比重變化來看, 耕地、草地以及水域足跡比重呈現下降趨勢, 其中耕地足跡比重下降最大從2001年63.75%下降到2015年31.82%; 而其它三種類型則表現為上升趨勢, 化石能源足跡上升最為顯著, 從13.84%上升為51.77%, 這表明兵團經濟從以耕地為主的農業資源消耗轉向以化石能源為主的工業資源消耗。

表1 生態足跡核算項目

圖1 2001-2015年人均生態足跡構成

Figure 1 The constitute of ecological footprint from 2001 to 2015

由圖2可知, 兵團人均生態承載力較為穩定, 僅在2009-2010年間有增長趨勢, 但變幅較弱為22.14%。15年間, 人均生態赤字與生態足跡呈現相同的變化趨勢, 增長趨勢較為明顯, 從2001年0.355 hm2·cap-1增加到2015年11.670 hm2·cap-1, 年均增加0.808 hm2·cap-1。表明隨著兵團經濟快速發展, 自然資源消耗已達到超載狀態, 可持續發展面臨挑戰。究其原因, 一方面由于人口不斷增加導致對資源消耗量增加; 另一方面, 兵團位于西北干旱區, 分布在塔克拉瑪干沙漠、古爾班通古特沙漠邊緣以及河流下游地帶, 面臨土壤荒漠化、鹽漬化的危害, 可利用的土地有限, 且質量不高。此外, 在承載力構成中耕地承載力比重多年平均為72.10%, 而其他四類承載力比重較低, 兵團農業結構不合理。加之, 化石能源足跡和耕地足跡的不斷增加, 進一步促進生態赤字上升。

3.2 兵團生態足跡的驅動力因子

生態足跡通過比較人類對資源類經濟產品的消耗與供給量來衡量區域可持續發展, 不能夠充分反映出區域經濟社會指標與生態足跡的相互作用關系, 評價結果具有片面性[23]。為此, 根據兵團對自然資源需求狀況以及經濟社會因子之間的內在關聯性, 選擇相關驅動力來構建驅動力指標體系(見表2), 揭露人均生態足跡時間動態變化的原因。

通過建立人均生態足跡與各因子之間的偏最小二乘回歸模型, 根據模型運行結果, 當提取3個成分時,的預測殘差平方和最小為3.57, 此時模型對和的解釋能力分別為99.53%和99.07%, 回歸方程值遠小于0.01, 符合精度要求且模型可靠。回歸方程如下:

Figure 2 The dynamic change curve of per capita ecological footprint, ecological capacity, ecological deficit from 2001 to 2015

表2 兵團人均生態足跡驅動力指標體系

根據方程可以得出, 在8個指標中, 萬元GDP生態足跡和第三產業比重與人均生態足跡呈負相關關系, 其他指標都表現出與人均生態足跡的正相關關系。模型結果給出各驅動力因子的變量投影重要性(VIP)(見表3), 該指標值越大, 表明對因變量影響能力越強, 通常認為[24], VIP大于1的自變量重要, 0.5-1之間比較重要, 小于0.5則不重要。根據模型運算結果: 人均GDP、第二產業增加值、城鎮居民人均可支配收入、社會消費品零售總額、城鎮化水平、第一產業增加值6個驅動力因子VIP值大于1, 對人均生態足跡影響最顯著, 而萬元GDP生態足跡、第三產業增加值比重VIP值小于1, 對人均生態足跡影響次顯著。為了進一步明確和驗證兵團人均生態足跡驅動力, 采用SPSS21軟件對人均生態足跡及其驅動力因子做Pearson相關性分析。總體上來看, Pearson相關分析與偏最小二乘回歸分析結果呈現出一致性, 所選驅動力因子都與人均生態足跡呈顯著性相關(P<<0.01)。從相關系數大小來看, 人均GDP、第二產業增加值、城鎮居民人均可支配收入、社會消費品零售總額、城鎮化水平、第一產業增加值與人均生態足跡的相關系數都在0.95以上, 表明這6個因子對人均生態足跡驅動作用較強, 且為正向驅動; 而萬元GDP生態足跡和第三產業增加值比重與人均生態足跡相關系數分別為–0.789、–0.682, 表明其對人均生態足跡有相對較弱的逆向驅動作用。

3.3 驅動力因子分析

根據上節中偏最小二乘回歸以及Pearson相關分析結果, 結合新疆生產建設兵團生態環境、社會經濟現狀, 對上述主要驅動力因子對生態足跡的驅動作用作深入分析。

(1)人均GDP與萬元GDP生態足跡。上節中人均生態足跡驅動力的兩種分析方法得出, 人均GDP變量投影重要性為1.059, Pearson相關系數為0.993, 表明人均GDP為驅動人均生態足跡最重要的因子。人均GDP常用來代表區域經濟發展水平, 其值越大, 表示區域經濟發展水平越高, 2001年以來, 兵團經濟快速增長(見表4), 人均GDP從2011年0.77萬元增加到2015年7.00萬元, 比我國2015年高出1.79萬元。然而經濟增長的同時, 也導致了兵團生態足跡的不斷增加, 表明兵團經濟增長是以資源大量消耗為代價。萬元GDP生態足跡與人均生態足跡呈現負相關, 投影變量重要性小于1, 相關系數為-0.789, 對人均生態足跡影響相對較弱。萬元GDP生態足跡表征區域資源利用效率, 其值越小, 資源利用效率越高, 期間萬元GDP生態足跡不斷降低, 從3.58 hm2下降到2.05 hm2,表明兵團資源利用效率不斷提高, 這與兵團主導產業由農業轉變到工業, 以及農業現代化整體推進有很大關系, 但其降幅僅有42.73%, 遠小于人均GDP的上升幅度, 與其他區域相比, 全國2010年萬元GDP生態足跡僅有1.21 hm2[4], 新疆也不足2 hm2[25], 兵團資源利用效率明顯處于較低水平?？傮w來說, 兵團經濟快速發展是以資源大量消耗為支撐, 對生態足跡正向驅動顯著, 而資源利用效率變化相對較小, 且水平較低, 對生態足跡逆向驅動不足, 導致生態足跡不斷上升。

(2)第一、二產業增加值與第三產業增加值比重。第二產業增加值的投影變量重要性為1.057, 相關系數為0.988, 是產業結構指標中對人均生態足跡影響最顯著的因子。根據年鑒統計, 2001年到2015年兵團第二產業增加值從55.81億元增加到883.88億元, 2015年占GDP比重達45.68%, 位居三產之首。在工業多年平均比重占第二產業65.00%狀況下, 兵團重工業占工業比重從2001年38.80%增加到2015年63.70%, 增加了24.90%。兵團具有豐富的煤炭資源,煤炭可控儲量達180×108t, 且品種齊全, 煤質優良[26], 大量的煤炭資源為兵團重工業快速發展提供了能源保障。通過查找相關資料, 發現2001年以來, 兵團煤炭消耗總量占據煤炭、石油以及天然氣能源總消耗量的99%以上, 煤炭利用總量從2001年208.85×104t標準煤快速增加到2015年4819.08×104t標準煤,增加約22倍, 煤炭資源快速消耗與兵團化石能源足跡快速增加相互印證。

表3 變量投影重要性及Pearson相關性分析

注:**表示在0.01水平上顯著

第一產業增加值投影變量重要性為1.023, 相關系數為0.961, 同樣對人均生態足跡有著較為顯著的正向驅動作用。兵團以農業發展起家, 農業作為基礎產業, 對各行業經濟發展有著促進作用。第一產業增加值從62.82億元增加到428.04億元, 發展迅速, 然而, 目前兵團農業內部卻存在許多問題, 例如農業結構不合理, 種植業比重高, 畜牧業比重不足; 農業用水量比重過高, 擠占生態用水; 耕地肥力下降, 土壤局部鹽堿化; 農業面源污染較重, 廢棄物資源化利用技術水平不高等, 都嚴重制約了兵團農業可持續發展。此外, 相對于其他產業, 農業生態資源占用比例較高[27], 隨著農業規模不斷擴大, 將進一步促進生態足跡上升。

表4 2001-2015年兵團人均GDP和萬元GDP生態足跡

第三產業增加值比重對兵團足跡影響較小, 表現為抑制作用, 變量投影重要性為0.768, 相關系數為-0.682。近些年第三產業增加值比重有下降趨勢, 從37.47%下降為32.20%, 第三產業發展滯后。從第三產業結構來看, 傳統的批發零售業、貨物流通倉儲業、餐飲業等服務業占絕對優勢, 而信息、咨詢、IT、金融等新興產業卻發展緩慢, 導致產業內部結構不合理, 發展水平較低。

(3)城鎮化水平、城鎮居民人均可支配收入以及社會消費品零售總額。由兵團生態足跡的驅動力分析結果可知, 以上三個驅動力因子的變量投影重要性都大于1, 且Pearson相關系數都在0.97以上, 表明這三個驅動力因子都對人均生態足跡有顯著影響。一般來說, 城鎮化過程總是伴隨著工業化發展而不斷推進。2001—2015年, 兵團工業化不斷提升, 城鎮化水平也從46%上升到63%。一方面, 由于兵團工業能耗結構不合理、煤炭比重過高, 存在資源高投入、低產出等問題; 另一方面, 城鎮居民消費高于農村居民, 消費產品生態占用較大, 導致其人均生態足跡較高[4], 城鎮居民人口比重的提高, 必然促進區域資源的消耗。此外, 城鎮居民人均可支配收入從2001年0.65萬元增加到2015年3.14萬元, 增加約3.8倍, 居民收入的提高為其消費支出提供了保障。從社會整體消費來看, 兵團社會消費品零售總額從63.46億元增加到552.34億元, 整體上說明人們收入水平提高以后, 對物質追求不斷增加。

4 結論與建議

(1)2001—2015年間, 兵團人均生態足跡從2.765 hm2·cap-1增加到14.329 hm2·cap-1, 耕地和化石能源足跡對人均生態足跡增加有著重要貢獻; 而人均生態承載力處于較低的穩定狀態, 僅在2009-2010年間增加22.14%; 人均生態赤字與人均生態足跡呈現相同的增長變化趨勢, 從2001年的0.355 hm2·cap-1增加到2015年的11.670 hm2·cap-1, 表明兵團經濟快速發展過程中, 生態壓力持續增加, 可持續發展面臨挑戰。

(2)運用偏最小二乘回歸模型以及Pearson相關分析, 進一步探討經濟社會因子對兵團生態足跡驅動作用。結果顯示, 兩種分析方法具有一致性: 人均GDP、第二產業增加值、城鎮居民人均可支配收入、社會消費品零售總額、城鎮化水平、第一產業增加值對兵團人均生態足跡變化有顯著正向驅動作用, 而萬元GDP生態足跡、第三產業增加值比重則表現出對人均生態足跡相對較弱的逆向驅動作用。

(3)研究期內, 兵團經濟社會發展對人均生態足跡增長有較強促進作用。一方面由于兵團經濟發展是以資源消耗為支撐的粗放式模式, 產業結構不合理, 導致資源利用效率較低; 另一方面隨著城鎮化水平以及人均收入水平提高, 人類對社會消費品需求不斷增加, 經濟發展和社會消費共同驅動生態足跡的上升。

為實現兵團經濟、社會、生態可持續協調發展, 提出以下兩點建議: (1)調整產業結構。在保持經濟合理增長的基礎上, 降低第一產業, 優化種植業、草地畜牧業和林業比例; 穩定第二產業, 改變高能耗結構, 發展低耗能產業, 提高對可再生能源的利用; 大力發展第三產業, 打造特色綠洲農業、軍墾文化、沙漠觀光旅游業, 積極推動金融、信息等新興服務產業的發展。(2)增加生態用水。水資源的過度開發利用是生態赤字的重要原因, 需要通過提高單位水量的經濟效益來壓縮生產用水, 使生態用水的比例提高, 擴大自然林草地面積, 恢復天然河道水域, 提高兵團生態承載力。

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Analysis to ecological footprints and its driving forces of Xinjiang Production and Construction Corps from 2001 to 2015

LV Wei1,2,3, ZHOU Hongfeil,2*, CHAI Chenhao1,2,3, MA Jinbo4

1. State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Xinjiang institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011,China 2. Fukang Station of Desert of Ecology, Chinese Academy of Sciences, Fukang 831505,China 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049,China 4.222nd State Farm of twelve Division, Xinjiang Production and Construction Corps, Fukang 831505,China

Based on ecological footprint model, the ecological footprint of the Xinjiang Production and Construction Corps(XPCC) was calculated from 2001 to 2015. Its social and economic driving forces were analyzed using partial least-squares regression and Pearson correlation methods. The results showed that the per capita ecological footprint of XPCC increased from 2.765 hm2·cap-1to 14.329 hm2·cap-1, and the per capita ecological carrying capacity remained stable. The per capita ecological deficit increased from 0.355 hm2·cap-1to 11.670 hm2·cap-1, which indicated the ecological pressure continued to rise and the sustainable development had been facing challenge during the period of rapid economic growth. Per capita GDP, the added value of second industry, average per capita disposable income total retail sales of consumer goods, urbanization level and the added value of the primary industry had significantly positive driving effect to per capita ecological footprint. The proportion of the added value of the third industry and per ten thousand Chinese Yuan GDP had a relatively weak negative effect to per capita ecological footprint. Adjusting industrial structure and adding water for ecological usage was an effective way for XPCC to reduce ecological footprint, improve ecological carrying capacity and achieve sustainable development.

Xinjiang Production and Construction Corps; ecological footprint; sustainable development; driving forces

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.01.027

F062.2

A

1008-8873(2019)01-211-07

2018-1-13;

2018-02-05

中國科學院野外站聯盟項目“新疆兵團農墾生態成效評估”(KFJ-SW-YW027)

呂偉(1991—), 男, 河南信陽人, 碩士, 主要從事水文生態研究, E-mail: lvwei15@mails.ucas.edu.cn

周宏飛, 男, 浙江東陽人, 博士, 研究員, 主要從事干旱區水文水資源研究, E-mail: zhouhf@ms.xjb.ac.cn

呂偉, 周宏飛, 柴晨好, 等. 新疆生產建設兵團2001—2015年生態足跡及其驅動力因子分析[J]. 生態科學, 2019, 38(1): 211-217.

LV Wei, ZHOU Hongfei, CHAI Chenhao, et al. Analysis to ecological footprints and its driving forces of Xinjiang Production and Construction Corps from 2001 to 2015[J]. Ecological Science, 2019, 38(1): 211-217.