李 坦,王 靜,張慶國,崔玉環,姚佐文
1 安徽農業大學理學院,合肥 230036 2 云南財經大學統計與數學學院,昆明 650221 3 安徽農業大學經濟管理學院,合肥 230036
21世紀以來,合肥市地區生產總值已由2000年全國省會城市排名第26名增長到2014年的全國前十,取得了省會城市增幅全國第一的矚目成績,經濟的增長、城鎮化進程的加快也必然會催化經濟發展與生態環境建設之間的矛盾。怎樣擺脫快速城鎮化進程中對自然資源環境的過度依賴,脫鉤經濟增長與土地資源消耗、提升土地利用效率是合肥市城鎮化進程中亟待解決的一個重要議題,也是合肥市實現新型城鎮化的必經之路。因此,如何掌握合肥市資源環境需求量的變化,協調經濟增長與自然資源環境承載力之間的關系,走新型城鎮化道路,嚴守生態紅線,是當前面臨的主要問題。
生態足跡是評價資源消耗強度與生態承載力協調與否的有效手段,最初由Rees[1]提出,后由Wackernagel[2]于1992年進行了完善。自1999年“生態足跡”概念正式引入我國,李利鋒[3]、成升魁[4- 5]、陳東景[6]、謝高地[7]等學者分別研究了生態足跡的理論、方法和計算模型,并利用此模型對我國及部分地區的生態狀況進行實證分析[8]。概括來看,近20年間,學術界研究主要集中于3個方面:一是理論方法的研究;二是不同研究對象、不同時空尺度的研究;三是不同領域的擴展研究,如能源、林業等領域及對生態安全評價的擴展研究等。目前來看,運用生態足跡可以測量區域的生態狀況,但不能充分反映地區經濟發展與資源利用效率之間的平衡關系,同時,從時空角度對區域內部的動態變化及差異的研究尚不多見。
“脫鉤”一詞源于20世紀60年代的物理學領域,指兩個或多個物理量之間最初的相互關系降低或不復存在,脫鉤理論因此產生。20世紀末,OECD(Organization for economic co-operation and development,經濟合作與開發組織)逐步將脫鉤理論的概念引入到環境與經濟等領域[9];眾多學者也開始利用脫鉤理論來判斷地區發展狀態健康與否,如Kovanda等采集歐盟主要國家1990—2002年的相關數據,利用脫鉤理論對各個國家的資源消耗與GDP脫鉤情況進行分析和對比[10];Mattila[11]利用生態足跡與經濟投入產出分析相關聯的原理判斷芬蘭經濟是否可持續脫鉤。國內如蓋美等[12]對長江三角洲地區16個城市的環境壓力與經濟發展脫鉤程度進行定量評價和綜合分析;鐘太洋等[13]利用IPAT模型改進了環境領域的脫鉤評價方法,并建立關于經濟增長與建設用地擴張的脫鉤分析方法?;诿撱^分析與效率變化之間存在的內部關聯性,本研究試圖將脫鉤理論與合肥市的土地利用效率變化分析相結合,構建合肥市土地利用效率變化的脫鉤分析范式。
綜上可知,生態足跡能夠定量分析當前區域生態承載力,而脫鉤分析能夠判斷當前經濟發展與生態承載力之間是否平衡,因此,將二者相結合能夠較全面地分析地區發展狀況,為區域的可持續發展政策提供建議?,F有研究一般采用定量分析方法對生態承載力進行計算,較少結合具體區域對當前的經濟環境協調發展效率做出綜合評價,有必要通過生態足跡的空間化合理配置區域資源,指導并約束區域的空間發展。此外,對具體地區的生態狀況進行動態分析與預測的研究尚不充分?;诖?本研究以合肥市為研究區域,合肥市是長三角城市群副中心城市,曾是全國首批國家園林城市,近年來,其經濟快速發展,與此同時,生態與資源可持續利用問題也日益突出。研究構建生態足跡與脫鉤分析模型,探究2000—2014年間合肥市生態足跡與脫鉤情況的時空演變特征,并利用灰色預測方法對合肥市“十三五”期間的生態狀況進行預測,對合肥市實施主體功能區劃優化,推進新型城鎮化與可持續發展戰略,探求社會-經濟-生態的協調發展意義深遠。
合肥市地處華東地區、江淮之間,巢湖之濱,范圍為30°57′—32°32′N,116°41′—117°58′E(圖1)。合肥市總面積11445 km2(包括巢湖水域面積770 km2),其中,市區面積458 km2,主城區地勢由西北向東南傾斜,以丘陵崗地地貌為主。合肥作為安徽省省會,是長三角城市群副中心城市,也是“一帶一路”和長江經濟帶戰略雙節點城市,已逐漸形成米字型全國交通樞紐,是全國第二個綜合性國家科學中心,年科技研發投入占GDP比重遠超全國平均水平。研究期間,合肥市下轄9區縣,常駐人口由2000年的438.17萬增長到2014年的712.81萬,增長率為62.68%;能源消費總量也由2000年的229.91萬t標準煤上升至2014年的2035.15萬t標準煤,增長近8倍。2014年《合肥市經濟和社會發展統計公報》[14]顯示,2000年以來,合肥市GDP增長率高達13.57%,第一、二、三產業平均增長速度分別為4.1%、16.7%、10.5%;2014年,合肥市實現地區生產總值5180.58億元,三次產業結構比為5.0∶55.7∶39.3,人均GDP為67394元,全年居民人均可支配收入為24272元,城鎮化率達到69.1%,森林覆蓋率26.78%。同年,規模以上工業企業原煤消耗總量為1208萬t,廢水排放量為6919萬t,SO2、煙粉塵排放總量分別為4.2萬t、10.6萬t。

圖1 研究區域Fig.1 Study area
生態足跡分析法是一種依據可持續發展的方式提供給定的人口消費所需要的生物生產型土地面積的綜合評估方法,此方法能夠估算維持人類的自然資源的消費量與既定數量下的人口規模需要消耗的物質生產型土地的面積,與既定區域內生態承載力(一個區域內能提供給人類的生產型土地的面積總和)的大小進行比較分析,綜合衡量區域的可持續發展狀態。基于此,本研究采用國際通用的公式計算生態足跡與生態承載力[15]。先利用均衡因子將消費量轉化成生產性土地(公式(1)),再利用公式(2)計算生態承載力。生態盈虧表示一個地區的生態狀況,是生態足跡與生態承載力之間的差額(公式(3));若前者大于后者,則說明該城市生態赤字,反之,則為生態盈余。具體計算公式如下:
(1)
EC=N×ec=N×∑(ai×ri×yi)
(2)
ED=EC-EF
(3)
式中,EF為總生態足跡;EC為總生態承載力;ED為總生態盈虧;ec是人均生態承載力,ef為人均生態足跡;i為第i種消費商品,N為人口,ri為均衡因子,pi為第i種消費商品的平均生產能力,ai為人均生物生產面積,yi為產量因子[16-17],ci為第i種商品的人均消費量。
脫鉤理論可以通過經濟變量和環境變量等相關數據來表征變量間的阻斷關系。為量化脫鉤情況,增加度量便捷性,OECD建立了反映脫鉤情形的指標體系,它是數據分析的關鍵,一般基于驅動力-壓力-狀態-影響-反應的模式來設計。脫鉤指數的測量方法有很多,本文運用的是Tapio[18]在OECD基礎上加以完善的指標構建形式,對脫鉤類型的界定更為精確規范,可以計算合肥市土地資源消耗與經濟增長脫鉤的彈性系數。脫鉤指標表示環境壓力變量與經濟驅動變量變化率的比值,其中,EP為環境壓力變量,DF為經濟驅動變量,ΔEP,ΔDF表示其變化量,下標0表示基期。
(4)
本文用生態足跡衡量環境壓力,用GDP表示經濟驅動變量,以此測量二者間的脫鉤彈性關系。
(5)
式中,DI為脫鉤彈性指數,EFt、EFt-1表示合肥市在t、t-1年份的生態足跡,GDPt、GDPt-1表示t、t-1年份的經濟生產總值,Vt為第t年的生態足跡增長率,Kt為第t年的GDP增長率。
Tapio以0、0.8、1.2為臨界值把脫鉤彈性指數分成如下8類,見表1。

表1 脫鉤指數與脫鉤狀態
資料來源:根據Tapio(2005)[18]整理
灰色預測方法[19-21]由鄧聚龍教授于20世紀80年代首次提出,近年來已發展為成熟的預測方法。與其他諸如回歸分析等預測方法相比,GM(1,1)模型對樣本量的要求低,建模所需信息少,是處理小樣本預測問題的有效工具。
在本研究中,GM(1,1)模型的表達形式為:
(6)

為了客觀統一反映合肥市近年來生態盈虧的時空特征及演變趨勢,依據資料的可獲得性和實時性等條件,篩選基礎數據,如2000—2014年合肥市GDP、總人口、三次產業產品產量、各項能源消耗、各類型土地面積、農作物產量等均來自(2001—2015年)《合肥統計年鑒》[22]、《合肥市經濟和社會發展統計公報》[14]以及安徽省、合肥市統計局網站;2000—2014年污染物的排放量等數據,來自《安徽省環境質量報告書》[23]。同時,為統一數據口徑,本研究利用平均化方法對原始數據進行無量綱處理;因研究期間合肥市對行政區域劃分進行多次調整,為方便分析,將蜀山區、包河區等9個固定的區縣作為研究對象,其中,由于2011年原巢湖地級市變為縣級巢湖市,劃歸合肥市代管,巢湖市下轄廬江縣也劃到合肥市,本研究將2011年以前的巢湖原市區居巢區和廬江縣與2011年以后的巢湖縣級市與廬江縣也作為統一的研究對象。
利用各類型土地面積以及各商品產量,結合當年全球數據,計算產量因子和均衡因子,因各年因子數值不同且相差較小,為方便計算,取15年的平均數為統一的因子值,如表2所示。

表2 合肥市生態足跡賬戶
3.1.1 生態足跡時間演化分析
如圖2所示,2000—2014年間,人均生態足跡和人均生態承載力的波動上升趨勢明顯且相似,但二者的波動幅度差異顯著。其變化趨勢大致分為3個階段,2000—2004年為快速上升階段,增長率分別為44.83%與105%,此階段合肥市貫徹大力發展經濟的政策,進行城鎮化擴張,導致人均生態足跡大幅度增加,而人口的增加也帶來了人均生物生產面積的大幅增加,從而引起了生態承載力也大幅度提升;2004—2010年波動下降,但下降幅度較小,分別為13.1%和19.5%,說明在經歷生態破壞后,合肥市政府積極響應國家號召,開始落實節能減排政策,大力發展高科技企業,提高科技研發投入,人均生態足跡與人均生態承載力均有所降低;2010—2014年為波動上升階段,這一時期,合肥市致力于經濟與環境的協同發展,孵化大量高新技術企業,但由于工業污染仍然存在,生態環境的恢復有一定的滯后性,導致人均生態足跡、人均生態承載力均波動上升。在研究期間,人均生態赤字小幅波動,呈現出上升與下降交替進行的趨勢;與研究基期2000年相比,2014年人均生態赤字略有提高,說明經濟高增長帶來的城市建設用地大幅擴張及用地類型調整等問題,導致耕地、林地及湖泊面積減少,實現經濟與環境的協同發展仍需要努力。

圖2 2000—2014年合肥市人均生態足跡、生態承載力、生態赤字時間變化Fig.2 Changes of ecological footprint, ecological capacity and ecological deficit in Hefei City

圖3 合肥市生態足跡結構時間變化Fig.3 Changes of ecological footprint structure in Hefei City

圖4 合肥市建設用地生態足跡時間變化 Fig.4 Changes of ecological footprint of construction land in Hefei City
從結構上看,如圖3所示,2000年耕地的生態足跡所占比重最大(65%),從2001年開始化石能源燃料用地超過耕地,成為生態足跡占比最大(2001年占48%—2014年占70%)的用地類型,其次為耕地(47%—29%),林地、草地、建設用地所占比重較小(5%—1%)。原因在于,研究初期,合肥市經濟發展速度較快,工業固體廢棄物排放量呈逐年增長趨勢,五年期間增長約5%,且城區擴建吞并周邊耕地與草地;在城鎮化與經濟高速發展中,大量化石能源與增加的生物能源的消耗是促使化石燃料用地生態足跡不斷增長的主要因素;2005年后,合肥市開始加大節能減排力度,并從資源消耗、廢物產生、再生資源產生、社會消費等環節倡導發展循環經濟,搬遷和治理了一批重點污染企業,對化石燃料用地生態足跡的繼續增長有一定遏制作用;2010年后,合肥市雖繼續深入節能減排工作,通過植綠擴大森林覆蓋率,但由于該時期加大城市建設力度,不斷開發高速鐵路與繞城高速、地鐵建設周邊的土地,同時缺乏一般工業固體廢物集中處置場所,導致污染類型從常規污染物向復合型轉變,污染范圍從以城市和局部地區為主向涵蓋區域和流域的尺度轉變,生態資源被大量消耗和占用[24],因此,2010年后化石燃料用地的生態足跡再次出現顯著增幅。此外,該時期外來人口快速增加帶來商品消費量的增加以及草地面積的減少與建設用地的增加,土地結構的變化也導致化石燃料用地的生態足跡波動上升。值得注意的是,由于合肥市近年來以發展高科技企業為主,因此建設用地的生態足跡較小,與草地生態足跡重合,為了更好的顯現建設用地類型生態足跡的差異與趨勢,建設用地的生態足跡如圖4所示。
3.1.2 生態足跡空間演化特征
城市內部區域之間經濟發展程度的參差會帶來生態狀況的差異。由于研究期間涉及年份較多,無法一一比較,根據資料的可獲得性與實時性,選定2005年,2010年,2014年為研究節點。從合肥市各區域的人均生態足跡分布圖(圖5)可知:2005年人均生態足跡最高的是長豐縣,最低區域是廬江縣;2010年,瑤海區的人均生態足跡略高于蜀山區,另外,廬江縣增長速度較為顯著,增長率為58.71%,這一增長速度與合肥市各區域當年的經濟發展情況相符,而相比2005年,長豐縣有所降低,巢湖市、肥東縣、肥西縣、包河區和廬陽區均有不同程度的上升。2014年,蜀山區人均生態足跡變化較小,其他區域均有不同程度下降,肥西縣下降速度最為顯著。由圖5可知,2005年,9區縣人均生態足跡均呈現北高南低的特征;2005—2010年期間,合肥市的經濟快速發展,人口大量遷入、城鎮化率陡增,使9區縣的人均生態足跡整體上均有不同程度的提高; 2010—2014年,合肥市9區縣呈現了不同程度的降低,但西南部地區人均生態足跡仍比東北部地區低,主要原因在于近年來,合肥市已經逐步將西南部地區發展為生態與高科技創新創業基地,因此人均生態足跡較低;而東北部地區發展為重工業基地,因此人均生態足跡較高。

圖5 合肥市各區縣人均生態足跡波動情況Fig.5 The fluctuation of ecological footprint in each county area
合肥市人均生態承載力空間格局分布如圖6所示。2005年人均生態承載力最高的是長豐縣(0.9979 hm2/人),最低是廬江縣(0.4060 hm2/人);2010年,除了廬陽區、包河區、廬江縣、巢湖市略有上漲外,其他區域均處于下降狀態,其中,草地面積的小幅下降以及耕地面積的大規模減少,導致長豐縣成為降幅最大的區域(20.26%),但人均生態承載力依然最高;2014年,蜀山區由于外來人口的流入,人均生態承載力略有下降,而其他區域均在上漲,漲幅排名前三的為肥西縣、廬江縣和巢湖市,分別為36.08%、34.61%和20.18%,其人均生態承載力的增加說明合肥市管理部門近年來采取了積極的新型城鎮化與適度人口、經濟發展政策進行正面引導成效顯著,同時,對于不同區縣發展所采取的差異性定位也促進了人均生態承載力的回升。

圖6 合肥市各區縣人均生態承載力波動情況Fig.6 The fluctuation of ecological bearing capacity in each county area
3.1.3 生態足跡與經濟增長之間脫鉤分析
從效率利用角度來看,環境壓力與經濟增長的脫鉤關系較為樂觀。生態足跡與GDP之間出現強脫鉤、弱脫鉤、擴張連接、擴張負脫鉤的頻率分別為:42.9%,28.6%,7.1%,21.4%。由表3可知,2000—2002年是生態足跡的飛速擴張期,相比之下經濟增長緩慢,出現短暫的擴張負脫鉤。2002—2010年,節能減排政策的推廣使生態足跡的逐年增長率呈現出波動性下降趨勢;與此同時,合肥市經濟發展進入綠燈期,GDP增速遠超生態足跡,二者之間呈現出明顯的趨勢性脫鉤狀態;2010—2014年,過快的經濟增長帶來大規模的能源消耗和污染物排放,生態壓力劇增,擴張負脫鉤狀態再次出現,隨后出現了強脫鉤現象,說明經濟增長的邊際效應小于生態環境的邊際效應。

表3 2000—2014年合肥市生態足跡與GDP增長的脫鉤指數
從空間上看,各縣區生態足跡與經濟增長之間的脫鉤狀態較為樂觀。由表4可知,脫鉤狀態最好的是地處遠郊的肥西縣和長豐縣,這與郊區的經濟發展程度及地域面積有關;近郊或是主城區內有2至3個年份出現擴張負脫鉤或是擴張連接狀態;值得注意的是,2012—2013年間,除肥西縣外,其他區域均表現為擴張負脫鉤或擴張連接狀態。
從土地利用類型看(表5),耕地的生態足跡與經濟增長之間的脫鉤狀態最好,穩定脫鉤情形出現的頻率為85.7%。由于“十一五”期間大力提倡節能減排政策,化石能源燃料用地出現了趨勢性的脫鉤狀態。其他3種用地類型在脫鉤狀態上的波動都較為明顯,表現為擴張負脫鉤、擴張連接和弱脫鉤交替出現,特別是建設用地,脫鉤狀態的交替出現,反映了合肥市經濟發展政策在不同階段的差異性。
為促進合肥市經濟-社會-環境協調發展,建立灰色模型對2015—2020年合肥市的生態足跡進行預測。根據公式(6),本研究的預測模型為:
(7)
先根據該模型對研究期間的生態足跡進行擬合,由表6可知選定年份的擬合結果及殘差情況。

表4 合肥市各區縣生態足跡與GDP增長的脫鉤指數

表5 不同土地利用類型生態足跡與GDP增長的脫鉤指數

表6 預測與殘差表
預測模型的后驗差、殘差與關聯度檢驗均合格,因此可進行預測。
確定各類土地類型的預測模型如下:
以上模型均通過檢驗,精度合格,可進行預測。
利用灰色預測方法,結合2000—2014年的人均生態足跡,對2015—2020年的人均生態足跡進行估計,由于2017年以后的能源消費與用地類型等數據尚未公開,此處僅對2015年、2016年的預測值與真實值進行對比,根據《合肥市國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》[25],設定“十三五”期間合肥市GDP年增長率為10%,常住人口年增長率為7‰,結合預測的生態足跡,可得“十三五”期間的脫鉤情形。由表7可知:2015—2020年間,合肥市人均生態足跡呈逐步上升趨勢,增幅為8.9%,生態足跡與GDP的增長保持持續的弱脫鉤狀態,脫鉤指數較小且基本保持穩定。2015、2016年的預測值與真實值之間誤差較小,說明擬合效果較好,具有一定的參考價值。

表7 2015—2020年合肥市生態足跡及其與GDP增長的脫鉤關系預測
本研究將生態足跡與脫鉤分析相結合,分析合肥市經濟與生態發展之間平衡狀態的時空變化,最后利用GM(1,1)模型對生態效率進行預測。主要結論如下:
人均生態足跡上升趨勢明顯。從時間上看,在2000—2014年間,人均生態足跡以上升為主,增長率高達60.34%。人均生態承載力上升迅速,在研究期間整體上升140%,可以看出,人均生態承載力總增長率高于人均生態足跡,主要原因在于人均生態承載力在2000—2004年期間五年增長率達到105%,這一階段的合肥市工業化與城市化水平都較低,且安徽省全面啟動生態強省建設項目,合肥市作為省會,也大力開展了生態建設,同時,這一時期合肥市人口增長速度較慢,五年人口增長率僅為1.48%,總體來看,較低的工業化水平、較快的產業結構調整、較慢的人口增長均是這一時期人均生態承載力增長迅速的原因。2004年后,合肥市的人均生態承載力的增速放緩,從2004年的0.43到2014年0.48,增長率僅為12%,但由于前期的高速增長基礎,再加上近年來處于技術進步與產業結構調整加速期,因此人均生態承載力在15年間的總增幅超過人均生態足跡。然而,由于人均生態承載力總體基數較小,高速的增長并未改變生態狀況,生態赤字依舊嚴重;人均生態赤字波動上升,幅度較小,在研究前期,人均生態赤字有上升趨勢,中期上升與下降交替出現,但幅度均較小,后期略有上升,與研究基期2000年相比,總體上升18.4%。
從結構上看,2001年后,化石燃料用地生態足跡占總體生態足跡比重最大(2000年時耕地占比最大)。2002年開始,化石燃料用地的生態足跡遠遠超過其他土地類型,說明能源消耗對生態足跡影響顯著;同時,由于合肥市科教投資比重較大,建設用地的生態足跡占比一直較低。
從空間上看,人均生態足跡與生態承載力均存在顯著的空間差異,人均生態足跡與人均生態承載力大致呈現出中心城區低,郊區高的特征,這與合肥市目前的區位發展規劃基本一致。
從土地利用類型來看,耕地的生態足跡與經濟增長間的脫鉤狀態最好,其次是林地,在2000—2014年間,生態足跡與經濟增長間的脫鉤狀態有9個年份出現脫鉤,其中7個年份出現強脫鉤,城市建設用地表現為擴張負脫鉤,擴張連接、弱脫鉤交替出現,說明了近年來合肥市經濟發展政策不同時期側重點的差異性;從區域空間來看,脫鉤狀態最好的是地處遠郊的肥西縣和長豐縣,由于工業化發展較慢,生態足跡較小,所以脫鉤狀態最好;作為老城區的廬陽區,由于各類污染均較少,生態足跡與經濟增長出現6次強脫鉤;從時間上看,合肥市在2006—2010年生態足跡與經濟增長的脫鉤狀態最好,只有2008—2009年出現了弱脫鉤,其余年份均為強脫鉤狀態,原因在于:這一時期,合肥市大力推行節能減排政策,從各個環節提倡循環經濟,大力發展高新技術產業,同時尚未開展高鐵、地鐵的建設,且對科技產業的研發投入、對生態環境的保護都提高了自然資源利用的效率,所以生態足跡在此期間得到緩解,與經濟增長的脫鉤狀態以強脫鉤為主;其余年份以弱脫鉤和擴張負脫鉤為主。
灰色預測結果顯示,合肥市人均生態足跡在2015—2020年呈上升趨勢,且生態足跡與經濟增長表現為持續的弱脫鉤。要實現“十三五”期間合肥市生態狀況的大幅度提升以及與經濟增長的持續脫鉤,必須嚴格監督生態政策的實施,增加第三產業對GDP的貢獻率,減少化石能源的大量消耗,進一步提高生態承載力。
基于以上結論和存在的問題,本研究建議如下:
降低原煤等化石燃料在能源消費中的使用量,轉變能源消費結構,適度削減原煤、原油等化石能源的使用;其次是相關部門應轉變經濟結構和增長方式,大力支持清潔能源的開發、低耗能與高新技術產業的發展,增加第三產業比重;最后要探索新技術,引進先進設備,加強節能減排力度,保證能源利用最大化,遏制化石燃料用地足跡的進一步增長[26-28]。
保護耕地資源。合肥市要加大植樹造林力度,擴大綠地面積;耕地面積的減少是導致生態承載力下降的主要原因,因此要嚴格禁止主城區的盲目擴張,保護耕地與農田,減少化肥使用量,提高土地的質量,對閑置或具備復墾條件的土地進行合理利用[29-31]。
適度控制人口增長。人口增長必然增加商品的消費量,生活區域的擴張帶來土地面積的削減,從而導致生態足跡的增加和生態承載力的減少。因此,合肥市可以通過提升產業結構等引導人口的合理流動,適度將人口數量控制在合理范圍內,有利于可持續發展建設。
同時,合肥市可通過合理規劃城鄉之間的居住空間與交通網絡,鼓勵現有農村與郊區等區域就地進行城鎮化建設,進而減少由交通、城市建設引起的生態足跡上升的問題。根據目前的土地利用情況,開展一系列的新型農業活動如生態農業、休閑觀光等來延長生態鏈,從而提高合肥市的生態承載力。
本研究未來將進一步優化生態足跡計算方法,開展對于城市內部的生態足跡風險評價,為更科學細致的城市土地利用的研究工作提供參考。