基于能值生態足跡的長山群島人地關系分析

曹威威,孫才志,楊璇業,崔 瑩

1 遼寧師范大學城市與環境學院,大連 116029 2 海南大學應用科技學院,儋州 571737 3 遼寧師范大學海洋經濟與可持續發展研究中心,大連 116029 4 大連海洋大學馬克思主義學院,大連 116023

從人類社會發展初期一直到后工業化社會時期,人地關系在人類對資源環境要素開發利用方式轉變過程中不斷演進,使區域可持續發展及人地關系機理調控研究被社會各界高度關注[1- 5]。海島作為獨立的自然、社會綜合體,脆弱的生態環境和獨特的生態系統,使其成為人地關系研究的典型代表[6- 7]。國外學者早在20世紀60年代就已經開始關注和研究海島人地關系[8],研究內容主要集中在人類活動對海島生態系統的影響[9]、人類活動干預下的海島可持續發展[10]、海島資源環境承載力[11]、人類與海島資源環境的交互作用[12]等方面。國內海島人地關系理論研究在20世紀80年代中后期逐步展開,研究內容包括人類對海島資源開發利用[13- 14]、海島環境保護[15]、海島生態系統服務價值與生態安全評價[16]、海島生態整治修復與管理[17]等。從國內外研究來看,海島人地關系研究注重人類社會系統與海島資源環境系統關系的探討,但對海島人地關系演化機制、人地關系系統要素及其相互關系、作用機制等方面的研究不夠系統。此外,多數研究側重點在于人類與海洋的地域關系。在海島型人地關系地域系統中,人類與海洋、人類與陸地和海洋與陸地之間構成了生態系統最基本的相互關系[18]。因此,海島型人地關系地域系統不能簡單以陸域或海域視角研究,而應綜合考慮“人-陸-海”三者之間關系。

長山群島自2009年實施對外開放政策以后,經濟持續快速發展,尤其是以漁業為主的第一產業和以旅游業為主的第三產業發展速度明顯加快。由于島陸資源不足和海洋漁業資源過度開發,海島生態環境日趨脆弱,資源環境壓力持續增加[19]。因此,有必要對長山群島人地關系展開系統評價。

在人地關系研究方法中,能值生態足跡模型將能值分析和生態足跡模型結合,克服了傳統生態足跡模型存在的缺陷,能夠更全面、準確地評價人類經濟發展的資源消耗和環境影響[20]。20世紀90年代“脫鉤”概念的提出為以經濟發展與資源環境之間的關聯性為主要內容的人地關系研究提供了理論方法[21]。因此,本文針對長山群島資源環境特點,改進能值生態足跡模型,并利用脫鉤效應模型,分析1996—2016年長山群島人地關系的變化特征,探究人類活動對海島資源環境的影響規律,以期為系統研究海島型人地關系演化機制和海島型人地關系地域系統要素的交互影響機制提供理論依據,并為長山群島人地關系可持續發展提供理論指導。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

長山群島地處遼東半島東側、黃海北部海域,是我國地理分布最北的群島。長山群島分外長山群島、里長山群島和石城群島三部分(圖1),島陸面積153 km2,海域面積7720 km2 [22]。外長山群島和里長山群島行政歸屬遼寧省大連市長海縣管轄,轄大長山島鎮、獐子島鎮、廣鹿島鎮、小長山島鎮、海洋島鎮等五鎮；石城群島歸屬大連市莊河市(縣級)管轄,轄王家鎮、石城鄉等兩個鄉鎮[23]。考慮數據可得性,本研究區為外長山群島和里長山群島所在的長海縣。近年來,長海縣經濟快速發展,產業結構有所優化,地區生產總值從1996年6.58億元增長到2016年84.2億元(以1990年不變價計算),三次產業構成比例由2006年最高75∶10∶14,調整到2016年55∶6∶39；但受海島區位影響,人口數量呈倒“V”形變化趨勢,1996—2002年基本保持增長態勢,到2002年達到歷史最高水平,為8.95萬人,其后開始持續下降,2016年降至7.19萬人(圖2)。

圖1 長山群島區位圖Fig.1 Changshan Archipelago

圖2 1996—2016年長山群島產業和人口變化 Fig.2 Industrial and population change in Changshan Archipelago from 1996 to 2016

1.2 數據來源與處理

研究數據來自《長海縣史志資料》(1996—2002年)和《長海統計年鑒》(2003—2016年)。其中,1996—2016年GDP數據均以1990年不變價換算。長山群島海域初級生產力數據源于2009年國家海洋環境監測中心《長海縣海域養殖容量與增殖潛力調查研究報告》[24]。各項目能量由項目實際數量×能量折算系數計算得來,能量折算系數參考文獻[25- 27]。次級加工產品數據為生產數據,表征工業生產對生物原料的消費,通過轉換因子將次級加工產品量轉換為生產該產品所需要的主要原材料數量之后,再計算其能值和生態足跡,轉換因子參考文獻[26- 27]。各消費項目能值由項目能量×能值轉化率計算得來。水產品由人類通過捕撈和養殖活動從自然界獲取,因此用水產品產量數據表示人類對漁業資源的消費量。

2 研究方法

2.1 賬戶構建

長山群島產業結構以第一、三產業為主,第二產業較為薄弱。在第一產業中,漁業占主導地位,2017年農林牧漁業產值118.8億元,其中漁業達101.8億元。長山群島能源短缺,電力、煤炭、石油、天然氣消費,主要依賴島外輸入。受海島區位條件限制,海島居民生活消費結構較為單一,糧食、蔬菜、水果、肉、蛋、奶類等初級農業產品主要由島內農業生產和島外市場調入,食用油、糕點、酒類、糖類等次級加工產品主要由島外供給。因此,為清晰反映海島人地關系地域系統要素間的作用關系,從人類活動消費和資源環境供給兩個端口構建包含生物產品賬戶、能源賬戶、海洋賬戶在內的生態足跡賬戶體系(圖3)。根據生態足跡理論,結合長山群島實際情況,將其生物生產性土地分為耕地、林地、園地和水域四類。長山群島生物產品賬戶中,肉、蛋、奶等畜牧產品以農畜結合和工業化飼養方式生產,飼料主要來自糧食類作物,因此將其歸為耕地；生態足跡中并沒有為吸收化石能源燃燒所排放CO2的專門用地[27],根據生態足跡理論有關化石能源用地的定義和生物生產用地的“空間互斥假設”[28],本研究將化石能源消費用地歸為林地,與資源環境供給端的林地對應；長山群島園地主要為水果種植用地,林地為生態保護用地,二者有明顯界線,故將園地作為獨立生物生產性土地。在生態足跡賬戶體系中,生物產品賬戶主要為生活性消費,能源賬戶和海洋賬戶雖然也為居民生活提供所需能源產品和水產品,但為經濟發展提供的生產性原材料所占比重更高,因此將二者歸為生產性消費。

圖3 人地關系地域系統賬戶體系Fig.3 Account system of man-land relationship

2.2 能值生態足跡模型

(1)基于傳統生態足跡理論中生態承載力計算方法,對能值生態承載力方法進行改進[27,29]。海洋賬戶能值生態承載力由海域漁業資源最大可持續供給量決定,公式為：

(1)

式中,EEC海洋表示海洋賬戶能值生態承載力；EP為區域所能提供的海域漁業資源能值；D1為全球能值密度,基于9.44×1024sej/a的全球能值基準計算D1為3.10×1014sej/hm2；Tr為能值轉化率(單位為sej/J)；MSY為最大可持續開發量,采用營養動態模型估算,計算公式：

MSY=0.5×BP=0.5×B×ETL

(2)

式中,BP為漁業資源年生產力,即生物生產量；B為初級生產量(濕重)(初級生產量濕重=干重÷0.35,100g干重相當于35 g有機碳[30]),根據國家海洋環境監測中心調查數據,長山群島海域初級生產力為78605.46 kg km-2a-1,由此計算初級產量為4.95×106t/a[24]；E為生態效率,取15%,TL為海域漁獲物營養級,取TL=3.0[30-31]。

能源賬戶能值生態承載力表示林地吸收化石能源燃燒排放的CO2能力。但是,在能值分析方法中碳足跡的承載力不能簡單以林地面積計算,需要根據能源的碳排放系數和單位面積林地碳吸收量,轉化為單位面積林地能夠承載的能源消費量。具體公式為：

(3)

式中,EEC林地為林地承載力；A林地為林地面積；α為單位面積林地承載的能源消費量(折標煤),按照原煤碳排放因子26 tC/TJ,1 t原煤能量為0.0293 TJ,根據相關研究,中國森林植被碳吸收量為1.04 tC hm-2a-1,則長山群島1 hm2林地能夠吸收1.04/(26×0.0293)=1.3652 t標煤產生的CO2[32]。

生物產品賬戶承載力由區域所能提供的相應土地面積決定,公式為：

(4)

式中,Ai為i類項目的實際土地面積；D2為研究區能值密度,其計算公式為：

(5)

式中,a,b,c,d,e,f,g分別代表太陽輻射能、風能、雨水化學能、雨水勢能、波浪能,地球旋轉能和潮汐能(表1)。太陽輻射能、風能、雨水化學能、雨水勢能、波浪能由太陽輻射作用產生,為了避免重復計算,取其中最大值。地球旋轉能和潮汐能分別由地球內能和地月日引力引起,需加總計算。

(2)能值生態足跡計算公式為：

(6)

式中,EEF為能值生態足跡；EMci為第i類消費項目能值。

表1 長山群島1996—2016年平均可更新資源能值

“—”代表無數據

(3)能值生態盈余公式為：

EER=EEC-EEF

(7)

式中, EER為能值生態盈余。當EEC>EEF時,EER為正數,表示人地關系地域系統處于可持續狀態；當EEC

2.3 人地關系脫鉤模型

能值生態足跡模型僅衡量了人類活動對資源環境占用與生態系統供給能力間的平衡關系,但難以衡量“人”與“地”之間的復雜關系[33]。因此,運用脫鉤理論[34],構建長山群島經濟發展與能值生態足跡脫鉤模型,對其二者關系進行定量評價,公式為：

(8)

式中,Di為第i時期的脫鉤指數；ΔE為能值生態足跡變化率,表征資源環境壓力；Estart、Eend分別為第i時期始年和末年能值生態足跡,ΔG為GDP的變化率,Gstart、Gend分別表示第i時期始年和末年GDP值。脫鉤狀態及其含義見表2[35-36]。

表2 彈性脫鉤指數劃分標準

ΔE為能值生態足跡變化率 Change rate of emergy ecological footprint;ΔG為GDP的變化率 Change rate Gross Domestic Product;Di為第i時期的脫鉤指數 Decoupling index of periodi;

3 結果

3.1 能值生態足跡模型計算結果

長山群島能值生態承載力呈下降趨勢,2008年最低,較1996年下降了22.03%；2009—2016年基本保持穩定,平均為8.31×105hm2(圖4)。1996—2016年長山群島能值生態足跡大幅增長,尤其是2009年以后,增長速度明顯加快,2013年達到最高,較1996年增長了256.46%,其后有所下降,2016年降到2.78×107hm2(圖4)。長山群島能值生態赤字不斷擴大,1996年生態赤字為8.33×106hm2,2016年增加到2.70×107hm2,增幅達到224.13%(圖4)。圖5反映了耕地、園地、林地、水域等四類生物生產性土地的能值生態承載力、能值生態足跡和能值生態盈余及其人均指標變化狀況,結合圖2可知,長山群島近年來人口出現緩慢下降,但總體保持平穩,因此其人均指標變化趨勢和總量變化基本保持一致。

圖4 長山群島能值生態承載力、生態足跡、生態赤字/盈余動態變化Fig.4 Change of emergy ecological capacity, ecological footprint and ecological reserve in Changshan Archipelago

3.2 海島人地關系脫鉤效應

長山群島人地關系脫鉤效應表示一時間段內始年和末年之間的海島生態占用(以能值生態足跡表征)與海島經濟發展(以 GDP表征)之間的彈性關系,為保證研究期內各時間段脫鉤效應測度的連續性,根據公式(8),以三年為期、以第i-1期的末年為第i期始年,將研究期劃分為10期(T1—T10),計算得到長山群島能值生態足跡與GDP的脫鉤指數和各時間段脫鉤狀態以及各類型的生物生產性土地占用與GDP之間脫鉤狀態(表3、4)。

表3 1996—2016 年長山群島能值生態足跡與GDP脫鉤效應

T為時間段 Time

表4 1996—2016年不同土地能值生態足跡與GDP脫鉤狀態

圖5 長山群島各類生物生產性土地能值生態承載力、生態足跡、生態盈余變化Fig.5 Emergy ecological capacity, footprint and reserve of various biological productive areas in Changshan Archipelago

4 討論

4.1 長山群島人地關系供需平衡變化

一般而言,人口增長以及經濟發展帶來的生活性資料消費和能源消耗是生態足跡增加的主要原因[37]。但長山群島作為海島型人地關系地域系統,產業結構較為單一,島內居民生活消費以糧食、蔬菜、肉蛋奶類等基礎性產品為主,且近年來人口數量持續下降。隨著長山群島經濟的發展,居民的生活消費結構發生較大變化,發展性物質消費總量和人均消費水平均有較大幅度提高,糧食、蔬菜等基本性物質消費總量和人均消費數量呈下降趨勢,總體上耕地和園地足跡總量和人均足跡水平在2009年后出現上升趨勢。作為經濟發展的動力基礎和物質條件,能源賬戶和海洋賬戶足跡變化顯著。尤其是長山群島對外開放以后,漁業資源和能源的消費快速增長。自然環境系統在供給人類消費需求方面具有有限性[38],過度捕撈使漁業資源環境受到破壞,限制了海洋漁業發展,使得海洋賬戶足跡在2013年以后呈現下降趨勢。

生態系統為人類提供了賴以生存的物質基礎,其承載能力受到自身屬性和外部環境的雙重影響。學者認為,經濟發展和城市擴張侵占了生態系統資源,使生態承載力下降[39]。近年來,長山群島經濟快速發展和產業結構調整,海島城鎮化加快推進,使大量耕地資源被占用,園地面積縮減,導致島陸系統生態承載力下降。根據圖5分析,耕地承載力變化是造成1996—2003年能值總生態承載力下降的主要原因。2004年以后隨著生態環境保護的加強和產業結構調整,土地資源被占用的態勢得到有效遏制,同時由于退耕還林和封山育林政策的實施,林地有一定幅度增長,長山群島整體生態環境得到恢復,能值生態承載力得以保持穩定。

生態盈余反映了人地關系地域系統中人類活動需求與資源環境供給的平衡關系。由于對土地、能源、海洋漁業資源的過度依賴,尤其是對海洋漁業資源的長期過度開發[40],導致長山群島長期處于生態赤字,并呈擴大趨勢。但各賬戶生態赤字涵義不盡相同[41-43]。首先,生物產品賬戶赤字表示人口消費超過了本地生物產品供給能力,可通過貿易彌補資源短缺。長山群島所屬島嶼中,大長山島、廣鹿島、小長山島面積較大,耕地資源相對較多,但其他島嶼耕地資源有限,生物產品無法滿足居民生活需求。因此,糧食、蔬菜、肉蛋奶類等島內短缺的初級農產品和酒類、食用油等島內無法生產的次級加工產品,需要通過市場從大陸地區補給。其次,能源賬戶的生態赤字表示化石能源燃燒產生的CO2超出本區生態系統吸收能力,其反映了地區應承擔的碳排放責任。近年來,隨著經濟的快速發展,長山群島能源需求加大,加上能源基礎設施建設的增強,能源供給能力顯著增加,使化石能源足跡大幅增加。再次,海洋賬戶生態赤字表示人類開發海洋漁業資源的強度超出了海域生態系統生產能力,表明漁業資源系統已經處于過度開發狀態。1996—2013年隨著海洋漁業資源開發力度不斷加大,海洋賬戶生態赤字逐步加劇；2013年以后,由于漁業資源保護力度加強,漁業資源的捕撈強度有所下降,生態赤字縮小。

4.2 長山群島人地關系脫鉤效應變化

根據脫鉤效應分析,長山群島能值生態足跡與GDP之間經歷了“擴張連接-弱脫鉤-擴張連接-弱脫鉤-強脫鉤”的轉變,反映了海島經濟發展從以資源環境消耗為基礎的粗放型增長向以提高生產效率為動力的集約型增長的轉變歷程。1996—2000年,脫鉤指數表現為介于脫鉤與負脫鉤之間的連接狀態,GDP受第一產業變化影響出現小幅波動,與能值生態足跡同步變化。2000—2008年,隨著外部經濟社會環境的快速變化,第一產業持續增長,第二、三產業有一定程度發展,能值生態足跡也相應增加,脫鉤指數增大,但總體處于弱脫鉤狀態。這一時期主要得益于技術進步使生產效率提升,對資源依賴一定程度減弱。2008—2012年,第一產業和第三產業快速發展,第二產業也有一定增幅,使海洋漁業資源和能源消耗增加,GDP與能值生態足跡同步增長。2012—2014年,以旅游業主的第三產業加速發展,海水養殖業和水產品加工業快速提升,產業結構升級,資源和能源消耗降低,能值生態足跡一定程度降低,經濟對資源環境依賴減弱。2014—2016年,由于海洋賬戶能值生態足跡降低,GDP與能值生態足跡之間出現強脫鉤。

從能值生態足跡與GDP間的脫鉤效應變化來看,經濟發展的速度、產業結構和增長方式對能值生態足跡強度產生影響,使各類型的生物生產性土地占用與經濟增長之間表現出不同的脫鉤關系。1996—2008年,長山群島產業體系以第一產業為主導,對化石能源和海洋漁業資源依賴較強,GDP與林地和水域足跡表現為弱脫鉤關系,而與耕地和園地足跡表現為強脫鉤關系。2009年開始第一產業持續增長,第二產業規模縮減,第三產業發展速度明顯加快,第一、二產業比重下降,對化石能源和漁業資源的需求的降低使GDP與林地和水域足跡分別出現弱脫鉤和擴張連接。2012—2016年,由于漁業資源的衰退,促使第一產業轉變增長方式,GDP與水域由弱脫鉤向強脫鉤轉變；以旅游業為核心的第三產業轉型升級使經濟發展重心從海洋轉向島陸,GDP與耕地、園地、林地足跡出現了擴張連接、弱脫鉤向擴張負脫鉤的轉變。

5 結論

本文通過改進能值生態足跡模型,計算了1996—2016年長山群島能值生態足跡和能值生態承載力,分析了海島人地關系供需平衡變化情況,并利用脫鉤模型探討了海島經濟發展與能值生態足跡之間的關系。結論如下：(1)1996—2016年,經濟發展速度和海島居民生活水平的提高,加大了資源和能源的需求,使長山群島能值生態足跡快速增長。其中,海洋漁業資源開發和化石能源利用對能值生態足跡影響最大。(2)長山群島經濟發展和城鎮擴張,導致耕地和園地資源供給減少,能值生態承載力從1996—2003年持續下降。2004年以后隨著耕地資源和生態環境保護的加強,能值生態承載力得以保持穩定。耕地資源的減少是造成生態承載力下降的主要原因。(3)長山群島人地關系始終處于生態赤字狀態并呈擴大趨勢,漁業資源過度開發是能值生態赤字的主導因素。各賬戶生態赤字應區別對待：生物產品賬戶赤字表示海島對生物產品外部依賴的程度；能源賬戶赤字表示海島應當承擔的碳排放責任；海洋賬戶赤字表示人類過度開發海洋漁業資源的強度。(4)長山群島GDP與能值生態足跡的關聯性經歷了“擴張連接-弱脫鉤-擴張連接-弱脫鉤-強脫鉤”的轉變過程。經濟發展速度、產業結構和增長方式是影響其脫鉤狀態的重要因素,隨著經濟重心由第一產業向第三產業轉移,經濟增長與耕地、園地、林地間的脫鉤效應轉向擴張性負脫鉤狀態,表明產業轉移使人類生態足跡的影響從海洋轉向島陸。

基于能值生態足跡模型的長山群島人地關系供需平衡和脫鉤效應變化,反映了海島人類生產和生活活動與資源環境的關聯性、海島發展過程中人地關系的變化特征以及海島人類活動對資源環境的影響規律,為進一步深入研究海島型人地關系演化機制和海島型人地關系地域系統要素交互影響機制提供了參考依據,也可為長山群島在科學引導海島人類生產活動、保護海島和海洋資源提供理論依據。但是由于缺乏污染物排放數據,污染足跡未能計入計算范疇,因此在能值生態足跡指標選取的全面性方面仍需進一步完善。此外,“海洋初級生產力不變”的假設對海洋漁業資源承載力的精確性造成一定影響,有待深化研究。

致謝：遼寧師范大學城市與環境學院李悅錚教授為本研究提供基礎資料，特此致謝。