基于改進(jìn)生態(tài)足跡因子的長(zhǎng)株潭地區(qū)可持續(xù)發(fā)展

郭榮中, 申海建, 楊敏華

(1.長(zhǎng)沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410004; 2.湖南省測(cè)繪科技研究所,長(zhǎng)沙 410004; 3.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410083)

當(dāng)今社會(huì)可持續(xù)發(fā)展理念已經(jīng)得到了廣泛共識(shí)，各國(guó)都積極致力于可持續(xù)發(fā)展的量化研究中，其中20世紀(jì)90年代提出的生態(tài)足跡模型能很好的應(yīng)用于可持續(xù)性發(fā)展的定量分析中。國(guó)外學(xué)者在理論[1]和應(yīng)用[2-5]方面展開(kāi)了大量的研究，深刻認(rèn)識(shí)到保護(hù)環(huán)境的根本目的在于確保人類(lèi)持續(xù)發(fā)展。國(guó)內(nèi)學(xué)者基于生態(tài)足跡模型[6]分別從國(guó)家[7-8]、省域[9-12]、城市[13-16]等不同尺度對(duì)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行了實(shí)證研究。研究表明，通過(guò)生態(tài)足跡與生態(tài)承載力的對(duì)比，可以確定區(qū)域?qū)ι鷳B(tài)價(jià)值的消費(fèi)程度。同時(shí)基于可持續(xù)發(fā)展觀，探討人們?nèi)绾卧谏鷳B(tài)系統(tǒng)承載力范圍內(nèi)高質(zhì)量地生活，同時(shí)為其他生物留有健康的生存空間，可以評(píng)價(jià)生活質(zhì)量發(fā)展水平和人類(lèi)消費(fèi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)需求的關(guān)系，定量判斷某一區(qū)域目前可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)。本文以長(zhǎng)株潭地區(qū)為研究對(duì)象，為了充分體現(xiàn)地域特色，對(duì)生態(tài)足跡因子進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)生態(tài)足跡計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)(均衡因子和產(chǎn)量因子)進(jìn)行本地化修正。在對(duì)產(chǎn)量因子的修正上，根據(jù)本地區(qū)不同類(lèi)型作物產(chǎn)量因子加權(quán)計(jì)算出了耕地的產(chǎn)量因子，并首次采用長(zhǎng)株潭地區(qū)2002—2014年13 a耕地產(chǎn)量因子的算術(shù)平均數(shù)做為調(diào)整系數(shù)，在劉某承等[17]的研究基礎(chǔ)上，同比修正長(zhǎng)株潭地區(qū)區(qū)域內(nèi)草地、林地、建筑用地、水域、CO2吸收的產(chǎn)量因子。在確定研究區(qū)域均衡因子時(shí)，直接采用劉某承等[18]的研究成果應(yīng)用于生態(tài)足跡的計(jì)算中。并結(jié)合萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡、生態(tài)適度人口、生態(tài)足跡利用效率、生態(tài)可持續(xù)指數(shù)對(duì)長(zhǎng)株潭地區(qū)近13 a的可持續(xù)發(fā)展情況進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，反映在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的背景下研究區(qū)域資源的供需變化情況，以期為政府制定相關(guān)政策提供科學(xué)依據(jù)。

研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于2003—2015年的《湖南統(tǒng)計(jì)年鑒》、《湖南農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》。

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)株潭地區(qū)位于湖南省中東部丘陵區(qū)，下轄3個(gè)地級(jí)市，共12個(gè)市轄區(qū)，4個(gè)縣級(jí)市，7個(gè)縣。2014年，長(zhǎng)株潭地區(qū)生產(chǎn)總值11 735.39億元，經(jīng)濟(jì)總量占全省比重超過(guò)四成，人均地區(qū)生產(chǎn)總值83 317元，固定資產(chǎn)投資8 776.20億元，地方財(cái)政收入959.56億元，農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值956.03億元，規(guī)模以上工業(yè)總值15 387.54億元，社會(huì)消費(fèi)品零售總額4 361.22億元，城市化水平65.99%。

2 研究方法

2.1 生態(tài)足跡

在計(jì)算生態(tài)足跡時(shí)，由于每一類(lèi)土地類(lèi)型的生產(chǎn)力不同，將各種類(lèi)型的生物生產(chǎn)性土地面積乘以一個(gè)相應(yīng)的均衡因子。首先是計(jì)算各類(lèi)消費(fèi)帳戶(hù)的人均生態(tài)足跡(Ai)。計(jì)算公式為：

Ai=Ci/Yi=(Pi+Ii-Ei)/(Yi×N)

(1)

式中：i為消費(fèi)項(xiàng)目的類(lèi)型；N為人口數(shù)；Yi和Ci分別為第i種消費(fèi)項(xiàng)目的世界平均產(chǎn)量和當(dāng)?shù)氐娜司M(fèi)量；Pi，Ii，Ei分別為年生產(chǎn)量、年進(jìn)口量、年出口量。

區(qū)域人均生態(tài)足跡(ef)的計(jì)算公式：

ef=∑riAi=∑ri(Pi+Ii-Ei)i/(Yi×N)

(2)

式中：ri為均衡因子，本文均衡因子直接采用劉某承等[18]的研究成果，即農(nóng)地、林地、畜牧地、漁業(yè)水域、建筑用地、能源用地分別取值1.32，0.82，0.71，0.56，1.32，0.82。

區(qū)域總?cè)丝诘纳鷳B(tài)足跡(EF)計(jì)算公式：

EF=N×(ef)

(3)

式中：N為人口數(shù)。

2.2 生態(tài)承載力

在計(jì)算生態(tài)承載力時(shí)，為不同區(qū)域同類(lèi)生物生產(chǎn)性土地面積可進(jìn)行對(duì)比，將其面積乘以一個(gè)相應(yīng)的產(chǎn)量因子。區(qū)域人均生態(tài)承載力(ec)的計(jì)算公式：

ec=∑Cj=∑aj×rj×yj

(4)

式中：Cj為第j種消費(fèi)項(xiàng)目的人均生態(tài)承載力分量；aj為人均生物生產(chǎn)面積；yj為產(chǎn)量因子；rj同上。

區(qū)域總生態(tài)承載力(EC)的計(jì)算公式：

EC=N×(ec)

(5)

式中：N為人口數(shù)。

在對(duì)生態(tài)足跡模型產(chǎn)量因子的修正上，本文通過(guò)不同類(lèi)型作物產(chǎn)量因子加權(quán)計(jì)算得耕地的產(chǎn)量因子實(shí)現(xiàn)研究區(qū)域耕地的產(chǎn)量因子修正。2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地產(chǎn)量因子計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，最終確定2014年度耕地產(chǎn)量因子為2.164 5。

采用上述產(chǎn)量因子計(jì)算方法，分別計(jì)算出長(zhǎng)株潭地區(qū)2002—2013年年度耕地產(chǎn)量因子參數(shù)，最終取13 a算術(shù)平均數(shù)2.180 4為長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地產(chǎn)量因子，調(diào)整系數(shù)為1.524 8，詳見(jiàn)表2。

結(jié)合劉某承等[17]的研究成果，即湖南省耕地、草地、林地、建筑用地、水域、CO2吸收的產(chǎn)量因子分別取值1.43，3.00，1.10，1.43，3.00，0.00。同時(shí)以表2計(jì)算出的長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地調(diào)整系數(shù)(2.180 4/1.43=1.524 8)為基準(zhǔn)，同比將長(zhǎng)株潭地區(qū)區(qū)域內(nèi)草地、林地、建筑用地、水域、CO2吸收的產(chǎn)量因子同步修正為4.574 4，1.677 3，2.180 4，4.574 4，0.000 0，修正結(jié)果詳見(jiàn)表3。

2.3 生態(tài)盈余/赤字

生態(tài)盈余/赤字是指生態(tài)足跡與生態(tài)承載力之差，計(jì)算公式如下：

ED=EF-EC=N×(ef-ec)

(6)

式中：EF，EC，N，ef，ec的含義同前。

若ED<0，就出現(xiàn)生態(tài)赤字；ED>0，則表現(xiàn)為生態(tài)盈余。

表1 2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地產(chǎn)量因子

表2 2002-2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)耕地產(chǎn)量因子

表3 長(zhǎng)株潭地區(qū)產(chǎn)量因子

2.4 區(qū)域可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)

為了全面評(píng)價(jià)長(zhǎng)株潭地區(qū)的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展程度，本文引入了以下評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.4.1 萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡 萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡可以表明單位面積生物生產(chǎn)性土地的產(chǎn)出率的高低。其計(jì)算公式為：

eg=ef/(GDP/N)

(7)

式中：ef，N的含義同前。

2.4.2 生態(tài)適度人口 生態(tài)適度人口是指在一定的條件下區(qū)域能夠維持生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的人口數(shù)量。其計(jì)算公式為：

P=N×(ec/ef)

(8)

式中：ec，ef，N的含義同前。

2.4.3 生態(tài)足跡利用效率 生態(tài)足跡利用效率是指在單位生態(tài)足跡下產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)量。其計(jì)算公式為：

EE=GDP/EF×100%

(9)

式中：EF的含義同前。

2.4.4 生態(tài)可持續(xù)指數(shù) 生態(tài)可持續(xù)指數(shù)(ESI)用來(lái)反映區(qū)域生態(tài)可持續(xù)利用的程度。計(jì)算公式為：

ESI=EC/(EC+EF)

(10)

式中：EF，EC的含義同前。0

本文通過(guò)征詢(xún)專(zhuān)家意見(jiàn)，將可持續(xù)發(fā)展程度分為6個(gè)等級(jí)[19]，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 生態(tài)可持續(xù)指數(shù)分級(jí)表

2.5 灰色GM(1,1)模型

本文利用灰色GM(1,1)模型[20]，對(duì)長(zhǎng)株潭地區(qū)的生態(tài)狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，即：

(11)

(12)

式中：e為常量，其值為2.718 28；t為預(yù)測(cè)時(shí)間。

3 結(jié)果與分析

3.1 長(zhǎng)株潭地區(qū)2002-2014年生態(tài)足跡和生態(tài)承載力動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)式(3)和式(5) ，計(jì)算出長(zhǎng)株潭地區(qū)2002—2014年生態(tài)足跡和生態(tài)承載力動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果詳見(jiàn)表5。由表5可知：長(zhǎng)株潭地區(qū)生態(tài)足跡由2002年的2 120.50萬(wàn)hm2逐年增加到2014年3 181.29萬(wàn)hm2；同期生態(tài)承載力由554.57萬(wàn)hm2逐年持續(xù)上升到560.40萬(wàn)hm2。其中湘潭市生態(tài)足跡增加最多，由2002年的681.41萬(wàn)hm2逐年增加到2014年1 110.12萬(wàn)hm2，長(zhǎng)沙市的生態(tài)承載力上升最多，由2002年的235.66萬(wàn)hm2逐年持續(xù)上升到2014年的240.06萬(wàn)hm2。研究期間，長(zhǎng)株潭地區(qū)生態(tài)足跡呈上升發(fā)展趨勢(shì)，生態(tài)承載力呈水平波動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 可利用生態(tài)承載力和生態(tài)赤字動(dòng)態(tài)變化

根據(jù)式(6)，結(jié)合長(zhǎng)株潭地區(qū)研究期間人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出長(zhǎng)株潭地區(qū)2002—2014年可利用生態(tài)承載力和生態(tài)赤字動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果詳見(jiàn)表6。

表5 長(zhǎng)株潭地區(qū)2002-2014年生態(tài)足跡及生態(tài)承載力

表6 長(zhǎng)株潭地區(qū)2002-2014年可利用生態(tài)承載力和生態(tài)赤字

注：可利用生態(tài)承載力是指生態(tài)承載力扣除了要預(yù)留的12%的生物多樣性保護(hù)用地后的值。

由表6可知：長(zhǎng)株潭地區(qū)可利用生態(tài)承載力由2002年的488.02萬(wàn)hm2逐年增加到2014年493.15萬(wàn)hm2；同期生態(tài)赤字由-1 632.48萬(wàn)hm2逐年持續(xù)下降到-2 688.14萬(wàn)hm2。其中長(zhǎng)沙市可利用生態(tài)承載力增加最多，由2002年的207.38萬(wàn)hm2逐年增加到2014年211.25萬(wàn)hm2，湘潭市生態(tài)赤字下降最多，由2002年的-586.04萬(wàn)hm2逐年持續(xù)下降到2014年的-1 014.75萬(wàn)hm2。研究期間，長(zhǎng)株潭地區(qū)可利用生態(tài)承載力呈水平波動(dòng)狀態(tài)，生態(tài)赤字呈持續(xù)增加發(fā)展趨勢(shì)。

3.3 長(zhǎng)株潭地區(qū)可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)

3.3.1 萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡評(píng)價(jià) 運(yùn)用表5中長(zhǎng)株潭地區(qū)2002—2014年生態(tài)足跡數(shù)據(jù)和GDP數(shù)據(jù)，根據(jù)式(7) ，計(jì)算出長(zhǎng)株潭地區(qū)2002—2014年的萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡，結(jié)果詳見(jiàn)表7。

表7 長(zhǎng)株潭地區(qū)萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡

萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡可以間接反映研究區(qū)域的資源利用效率，由表7可以看出，2002—2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)的萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，由2002年的1.434 1 hm2/萬(wàn)元減少到2014年的0.271 1 hm2/萬(wàn)元。其中湘潭市減少最多，由2002年的2.597 9 hm2/萬(wàn)元減少到2014年的0.664 2 hm2/萬(wàn)元。這說(shuō)明長(zhǎng)株潭地區(qū)的資源利用方式已由粗放型逐漸集約型轉(zhuǎn)變，由消耗型逐漸向節(jié)約型轉(zhuǎn)變，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)得到了一定程度的優(yōu)化。

3.3.2 生態(tài)適度人口 根據(jù)式(8)，運(yùn)用長(zhǎng)株潭地區(qū)2002—2014年人口規(guī)模、人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力數(shù)據(jù)，計(jì)算出長(zhǎng)株潭地區(qū)2002—2014年生態(tài)適度人口，結(jié)果詳見(jiàn)表8。由表8可知，2002—2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)的實(shí)際人口規(guī)模持續(xù)上升，人口增加主要集中在省會(huì)長(zhǎng)沙市。同期生態(tài)適度人口呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，由2002年的326.82萬(wàn)人減少到2014年的248.12萬(wàn)人。其中株洲市下降最多，由2002年的129.74萬(wàn)人減少到2014年的94.13萬(wàn)人。

表8 長(zhǎng)株潭地區(qū)生態(tài)適度人口

3.3.3 生態(tài)足跡利用效率和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展指數(shù) 根據(jù)式(9)和式(10)，運(yùn)用長(zhǎng)株潭地區(qū)2002—2014年GDP和生態(tài)足跡數(shù)據(jù)，計(jì)算出長(zhǎng)株潭地區(qū)2002—2014年生態(tài)足跡利用效率和生態(tài)可持續(xù)指數(shù)，結(jié)果詳見(jiàn)表9。由表9可知，2002—2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)的生態(tài)足跡利用效率呈現(xiàn)逐漸快速上升的趨勢(shì)，由2002年的0.70%增加到2014年的3.69%。其中長(zhǎng)沙市上升最快，由2002年的1.00%增加到2014年的6.34%。

由表9可知，長(zhǎng)株潭地區(qū)的生態(tài)可持續(xù)指數(shù)呈前期下降，后期平穩(wěn)波動(dòng)趨勢(shì)，ESI指數(shù)具體由2002年0.207 3下降到2007年的0.151 6，之后一直呈平穩(wěn)波動(dòng)狀態(tài)，到2014年ESI指數(shù)下降到0.149 8。對(duì)比表4的生態(tài)可持續(xù)分級(jí)表可以看出，2002年研究區(qū)域處于中等不可持續(xù)狀態(tài)，2003年已經(jīng)下降為強(qiáng)不可持續(xù)狀態(tài)，2008—2014年未持續(xù)惡化，呈平穩(wěn)波動(dòng)態(tài)勢(shì)。

其中長(zhǎng)沙市ESI指數(shù)由2002年的0.214 4下降為2014年的0.160 9；株洲市ESI指數(shù)由2002年的0.267 8下降為2014年的0.205 6；湘潭市ESI指數(shù)由2002年的0.137 2下降為2014年的0.088 9。當(dāng)?shù)卣畱?yīng)該積極采取措施加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度，走可持續(xù)發(fā)展道路。

表9 長(zhǎng)株潭地區(qū)生態(tài)足跡利用效率和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)

3.4 長(zhǎng)株潭地區(qū)生態(tài)足跡的預(yù)測(cè)分析

以2002—2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)人均生態(tài)足跡、人均可利用生態(tài)承載力為基礎(chǔ)，利用灰色GM(1,1)模型即式(11)和式(12)，預(yù)測(cè)研究區(qū)域2017—2026年生態(tài)赤字狀況，預(yù)測(cè)模型見(jiàn)表10。

表10 長(zhǎng)株潭地區(qū)生態(tài)足跡預(yù)測(cè)模型

通過(guò)計(jì)算相對(duì)誤差來(lái)檢驗(yàn)預(yù)測(cè)模型的精度，相對(duì)誤差越小，表示精度越高。由表10可知，人均生態(tài)足跡、人均可利用生態(tài)承載力、人均生態(tài)承載力的相對(duì)誤差值分別為0.32%，0.20%，0.20%，這表明預(yù)測(cè)模型可信度高。同時(shí)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，本文將通過(guò)預(yù)測(cè)模型計(jì)算出來(lái)的2014年的人均生態(tài)足跡、人均生態(tài)承載力、人均可利用生態(tài)承載力與實(shí)際值進(jìn)行比較，并計(jì)算出相對(duì)誤差，見(jiàn)表11。計(jì)算結(jié)果表明，相對(duì)誤差均小于5%，模型通過(guò)檢驗(yàn)。

根據(jù)表10中的預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)長(zhǎng)株潭地區(qū)2017—2026年生態(tài)狀況，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表12，到2026年人均生態(tài)足跡達(dá)到2.652 9 hm2，人均可利用生態(tài)承載力為0.312 3 hm2，生態(tài)赤字由期初的-2.097 7 hm2持續(xù)上升到期末的-2.340 6 hm2。由此可見(jiàn)，必須采取一系列有效的措施改善生態(tài)環(huán)境。

表11 2014年人均生態(tài)足跡與人均生態(tài)承載力模型值與實(shí)際值對(duì)比

表12 2017-2026年人均生態(tài)足跡與人均可利用生態(tài)承載力預(yù)測(cè)

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

生態(tài)足跡方法是基于土地面積的、最具代表性的可持續(xù)發(fā)展的量化指標(biāo)，提供了一種直接的、可比的評(píng)價(jià)資源可持續(xù)利用的手段。本文實(shí)現(xiàn)了對(duì)生態(tài)足跡計(jì)算中關(guān)鍵參數(shù)的本地化修正，但是沒(méi)有深入對(duì)項(xiàng)目計(jì)算、賬戶(hù)擴(kuò)展等方面的研究，從而影響了研究結(jié)果的指導(dǎo)意義。而且由于數(shù)據(jù)的可獲取性和統(tǒng)計(jì)年鑒的局限性，本文在計(jì)算生態(tài)足跡時(shí)，沒(méi)有考慮研究區(qū)域的貿(mào)易數(shù)據(jù)，影響了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要在以后的工作中做進(jìn)一步研究。

4.2 結(jié) 論

(1) 在2002—2014年，長(zhǎng)株潭地區(qū)生態(tài)足跡由2002年的2 120.50萬(wàn)hm2逐年增加到2014年3 181.29萬(wàn)hm2；可利用生態(tài)承載力由2002年的488.02萬(wàn)hm2逐年增加到2014年493.15萬(wàn)hm2；同期生態(tài)赤字由-1 632.48萬(wàn)hm2逐年持續(xù)增加到-2 688.14萬(wàn)hm2。研究期間生態(tài)足跡一直存在生態(tài)赤字。

(2) 通過(guò)計(jì)算出長(zhǎng)株潭地區(qū)2002—2014年萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡、生態(tài)適度人口、生態(tài)足跡利用效率和生態(tài)可持續(xù)指數(shù)等指標(biāo)，對(duì)長(zhǎng)株潭地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：2002—2014年長(zhǎng)株潭地區(qū)的萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡和生態(tài)適度人口呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。生態(tài)足跡利用效率呈現(xiàn)逐漸快速上升的趨勢(shì)。生態(tài)可持續(xù)指數(shù)呈前期下降，后期平穩(wěn)波動(dòng)趨勢(shì)，ESI指數(shù)具體由2002年0.207 3下降到2007年的0.151 6，之后一直呈平穩(wěn)波動(dòng)狀態(tài)，到2014年ESI指數(shù)下降到0.149 8。由此可見(jiàn)研究期間研究區(qū)域已經(jīng)由中等不可持續(xù)狀態(tài)向強(qiáng)不可持續(xù)狀態(tài)發(fā)展。

(3) 利用灰色GM(1,1)模型，對(duì)研究區(qū)域2017—2026年生態(tài)赤字情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，該區(qū)域到2026年人均生態(tài)赤字將上升到-2.340 6 hm2。呼吁當(dāng)?shù)卣仨毑扇∮行Т胧└纳粕鷳B(tài)環(huán)境。