基于改進三維生態(tài)足跡模型的廣西土地自然資本利用狀況研究

張慶虹，楊小雄，梁 博

(南寧師范大學 自然資源與測繪學院，廣西 南寧 530001)

1 引言

隨著經(jīng)濟全球化的快速發(fā)展，經(jīng)濟建設背后所帶來的生態(tài)環(huán)境問題越來越突出，地區(qū)發(fā)展對資源環(huán)境的持續(xù)需求，造成了資源過度消耗，生物多樣性持續(xù)減少等嚴峻的問題[1]。植被減少、水土流失、空氣污染、生態(tài)環(huán)境惡化等成為了制約地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。為此，加強生態(tài)文明建設成為了我國重要的發(fā)展戰(zhàn)略，如何協(xié)調(diào)好經(jīng)濟社會發(fā)展與環(huán)境保護兩者之間的矛盾，也是研究可持續(xù)發(fā)展問題的重點。

自然資本利用評價是量化地區(qū)可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)的重要概念，它是生態(tài)系統(tǒng)所提供的自然資源和生態(tài)服務的總稱，由流量資本和存量資本兩部分組成。生態(tài)足跡理論是評價自然資本是否可持續(xù)利用的一個重要理論，是基于存量資本是否穩(wěn)定評判依據(jù)。

生態(tài)足跡最早由Rees提出，強調(diào)了需要多少生產(chǎn)性土地才能滿足人類對資源的需求[2]；隨后Wackernagel在Rees研究的基礎上提出了二維生態(tài)足跡模型并對國家和區(qū)域的發(fā)展進行了可持續(xù)評價[3]；隨著研究的不斷深入，傳統(tǒng)的生態(tài)足跡模型暴露出了一定的局限性，因此，Niccolucci等通過引進足跡廣度和足跡深度兩個新的指標，對傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型進行了改進，構(gòu)建了三維生態(tài)足跡模型，從空間的角度對流量資本的占用和存量資本的消耗狀況進行研究[4，5]。

當前，三維生態(tài)足跡模型已經(jīng)廣泛的應用于自然資本的相關(guān)研究中。靳相木等把生態(tài)足跡模型作為一種自然資源的算法，以判斷土地利用是否處于超載狀態(tài)[6]；方愷針對Niccolucci三維模型的缺陷提出了改進，改進后的三維足跡模型可以用于分析省際、國家和國際等尺度的自然資本利用時空特征，進行“產(chǎn)品-地類-區(qū)域”之間的轉(zhuǎn)換計算，克服地類間赤字轉(zhuǎn)移的問題[7～10]。改進后的生態(tài)足跡模型被一些學者用于計算地區(qū)自然資本的研究中，靳相木等改進足跡深度的取值范圍，將生態(tài)盈余狀態(tài)納入了三維足跡模型中對溫州市的土地承載力指數(shù)進行研究[11]；吳健生等基于改進后的三維足跡模型，增加了足跡廣度基尼系數(shù)等指標，對關(guān)中地區(qū)的土地自然資本利用狀況進行了研究[12]；朱高立等新增了剪刀差等指標，運用改進后的三維足跡模型對鹽城市自然資本利用特征進行了實證分析[13]。各學者在進行土地自然資本利用的研究時，把生產(chǎn)性土地分為六大類：耕地、林地、草地、水域、化石能源用地及建筑用地。由于化石能源用地并沒有相對應的土地承載力，屬于“虛態(tài)”足跡，將其計入后會推高足跡深度，不能夠準確的反映地區(qū)的真實生態(tài)承載力[14]。因此，本文在研究中不把化石能源用地作為研究的對象，以改進后的三維生態(tài)足跡模型為基礎，對2009～2018年間廣西壯族自治區(qū)自然資本動態(tài)利用情況進行實證研究，并把修正后的生產(chǎn)性生態(tài)足跡作為土地足跡，其對應的生物承載力稱為土地承載力。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

廣西壯族自治區(qū)地處我國大陸東、中、西3個地帶的交匯點，是華南經(jīng)濟圈、西南經(jīng)濟圈與東盟經(jīng)濟圈的結(jié)合部，是西南乃至西北地區(qū)最便捷的出海通道，也是聯(lián)結(jié)粵港澳與西部地區(qū)的重要通道，在自由貿(mào)易區(qū)建設和泛珠三角區(qū)域合作中發(fā)揮重要戰(zhàn)略作用。根據(jù)2019年廣西壯族自治區(qū)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報中顯示，全年全區(qū)生產(chǎn)總值為21237.14億元，比2018年增長6.0%。其中，第一產(chǎn)業(yè)增加值3387.74億元，增長5.6%；第二產(chǎn)業(yè)增加值7077.43億元，增長5.7%；第三產(chǎn)業(yè)增加值10771.97億元，增長6.2%。第一、二、三產(chǎn)業(yè)增加值占地區(qū)生產(chǎn)總值的比重分別為16.0%、33.3%和50.7%，對經(jīng)濟增長的貢獻率分別為15.2%、32.5%和52.3%。按常住人口計算，全年人均地區(qū)生產(chǎn)總值42964元,比2018年增長5.1%。全員勞動生產(chǎn)率為74497元/人，比2018年提高5.8%。

本文研究數(shù)據(jù)主要來源于《廣西統(tǒng)計年鑒(2009-2018年)》《廣西壯族自治區(qū)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報(2009-2018)》、廣西土地網(wǎng)以及聯(lián)合國糧農(nóng)組織官方網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)。本文將生態(tài)足跡賬戶分為生物資源賬戶和建設用地賬戶兩大類，如表1所示。其中生物資源賬戶包括農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)和漁業(yè)，為此，可以將廣西生物生產(chǎn)性用地劃分為耕地、林地、草地和水域。

3 研究方法

3.1 改進的三維生態(tài)足跡模型

相比于三維生態(tài)足跡模型，傳統(tǒng)的二維生態(tài)足跡模型只適用于某一種地類的核算，對研究存在較大的限制。因此，本文采用方愷等基于生產(chǎn)性視角改進后的三維生態(tài)足跡模型，對廣西的自然資本利用狀況進行測算。

3.1.1 土地足跡計算方法

土地足跡定義為支撐區(qū)域生物產(chǎn)品(農(nóng)產(chǎn)品、畜牧產(chǎn)品、林產(chǎn)品和水產(chǎn)品)生產(chǎn)和城鎮(zhèn)用地擴張所需的生物生產(chǎn)性土地面積。其計算公式為：

(1)

式(1)中，EF為總的生態(tài)足跡；P為人口數(shù)；ef為人均生態(tài)足跡；bi為第i種商品的人均消費量；ci為第i種 消費商品的平均生產(chǎn)能力；aai為人均第i種交易商品折算的生物生產(chǎn)性面積；ej為均衡因子。均衡因子表示全球范圍內(nèi)某類生產(chǎn)性土地平均生產(chǎn)力與全球范圍內(nèi)所有生產(chǎn)性土地平均生產(chǎn)力之比。本文的均衡因子采用GFN所提供的最新數(shù)據(jù)，其中耕地的均衡因子為2.52，林地為1.28，草地為0.43，水域為0.35，建設用地為2.52。

3.1.2 土地承載力計算方法

在維持一定生活水平并不引起土地退化前提下，一個區(qū)域能永久供養(yǎng)的人口數(shù)量及人類活動水平，或土地退化前區(qū)域所能容納的最大人口數(shù)量，稱為土地承載力。其計算公式為：

(2)

式(2)中，EC為區(qū)域總生態(tài)承載力；ec為人均生態(tài)承載力(hm2/人)；aj為人均生物生產(chǎn)性土地面積；ej為均衡因子，yj為產(chǎn)量因子。產(chǎn)量因子等于該類土地的區(qū)域平均生物生產(chǎn)力與全球或國家平均生物生產(chǎn)力之比。本文采用經(jīng)劉某承根據(jù)我國情況修正后的產(chǎn)量因子作為參考，耕地的產(chǎn)量因子為1.74，林地為0.86，草地為0.51，水域為0.74，建設用地為1.74[15]。

3.1.3 足跡廣度計算方法

三維生態(tài)足跡模型在傳統(tǒng)的生態(tài)足跡模型上增加了足跡廣度和足跡深度兩個新指標。其中，足跡廣度的定義為生物生產(chǎn)性土地在土地承載力的限度下，人類對自然資本流量利用的規(guī)模，其取值范圍為0

EFsize,j=min{EFi×ECi}

(3)

(4)

式(3)、式(4)中，EFi為i類土地足跡(hm2)，ECi為i類土地承載力(hm2)，EFsize,i為i類土地的足跡廣度(hm2)，EFsize,reg為各地類所組成區(qū)域的足跡廣度(hm2)。

3.1.4 足跡深度計算方法

足跡深度的定義為對自然存量資本的消耗程度，是再生產(chǎn)人類所消耗的自然資源所需要的年數(shù)。即當某地區(qū)自然資本存量開始被透支時，其透支的程度需要多少年才能被該地區(qū)的生物生產(chǎn)性土地生產(chǎn)完成。其計算方式如下：

(5)

(6)

式(5)、式(6)中，EFdep,i為i類土地的足跡深度，EFdep,reg為各地類所組成區(qū)域的足跡深度。當EF≤EC時，處于生態(tài)盈余狀態(tài)，有EFdepth=1，此時自然資本流量即可滿足人類需求；當EF>EC時，處于生態(tài)赤字狀態(tài)，有EFdepth>1，此時自然資本流量已被消耗完，開始消耗存量資本。

3.2 模型補充

3.2.1 自然資本流量利用率

當自然資本流量尚有剩余時，生態(tài)系統(tǒng)處于生態(tài)盈余狀態(tài)，這時可以用自然資本流量收益率(UEflo)來衡量對自然資本的占用量，計算公式如下：

(7)

3.2.2 存量-流量資本利用比

當自然資本被完全消耗時，生態(tài)系統(tǒng)處于生態(tài)赤字狀態(tài)，此時開始對存量資本進行消耗，計算公式如下：

(8)

4 結(jié)果分析

4.1 人均土地足跡等計算結(jié)果

4.1.1 耕地人均土地足跡和土地承載力分析

由表2可知，2009～2018年間，耕地始終為土地足跡的第一大地類。2009～2018年間耕地的土地足跡的范圍為0.1446～0.2329 hm2/人，而耕地的土地承載力范圍為0.2992～0.3358 hm2/人，人均土地足跡在土地承載力的范圍之內(nèi)，表現(xiàn)出了生態(tài)盈余。因此，廣西的耕地目前尚處于可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)。盡管如此，耕地生態(tài)承載力由2009年的0.3558下降到2018年的0.2992 hm2/人，下降的幅度達到16%，土地足跡逐漸與土地承載力持平，表明人們對耕地的需求不斷擴大，耕地的可持續(xù)利用性受到威脅。為了加強對耕地的保護，廣西出臺了《關(guān)于加強耕地保護和改進占補平衡的實施意見》，該意見要求到2020年，廣西耕地保有量不少于436.4萬hm2，永久基本農(nóng)田保護面積不少于365.4萬hm2，建成181.66萬hm2高標準農(nóng)田的指標，以此來保證耕地的可持續(xù)發(fā)展。

4.1.2 林地土地足跡和土地承載力分析

由表2可知，2009～2018年廣西林地的土地足跡范圍為0.0051～0.0094 hm2/人，土地承載力的范圍為0.0076～0.2207 hm2/人，人均土地足跡尚未超過人均土地承載力，表現(xiàn)出生態(tài)盈余狀態(tài)。其中，在2009～2010年間生態(tài)承載力的漲幅最大，從0.2207 hm2/人上漲到0.2505 hm2/人，漲幅達12%。自2010年后，林地的土地承載力開始下降，盡管在2017年有過短暫的回升，但總體還是呈現(xiàn)了下降的趨勢。由于廣西的地質(zhì)特性，石漠化地區(qū)的林地植被恢復難度大，綜合治理任務艱巨，并且由于集體林經(jīng)營管理的粗放，造成林地的生產(chǎn)力降低，優(yōu)質(zhì)林地減少，生態(tài)和林產(chǎn)品產(chǎn)出潛力下降，加之林地用途監(jiān)管不到位，非法改變林地性質(zhì)的情況依然存在。盡管林地的人均生態(tài)足跡上漲的幅度仍遠低于林地生態(tài)承載力，但它們之間的差距已經(jīng)由2009年的43倍下降到2018年的24倍，10年的差距縮小了近一半，林地的可持續(xù)發(fā)展能力大幅下降，需要引起一定的重視。

4.1.3 草地人均土地足跡和人均承載力分析

由表2可知，2009～2018年草地的人均土地足跡范圍為0.0306～0.0315 hm2，人均土地承載力范圍為0～0.027 hm2，人均土地足跡遠超人均土地承載力，表現(xiàn)出生態(tài)赤字狀態(tài)。草地的人均土地足跡呈現(xiàn)出一個波動的狀態(tài)，在2009～2018年期間，草地的人均土地足跡于2013年達到最高點，為0.0337 hm2，其余的年份都處于緩慢下降的階段，于2018年有小幅度的回升。目前，草地人均土地承載力的狀況令人擔憂。除了2009～2010年人均土地承載力有過較大幅度的上漲外，從2013年開始，草地的人均土地承載力從0.0041 hm2/人下降至0.0000 hm2/人，該狀況一直持續(xù)到2018年仍未得到改善，草地的可持續(xù)發(fā)展受到嚴重的威脅。廣西存在重林輕草的觀念，退耕還林的政策遠優(yōu)先于退耕還草。廣西還存在有嚴重的草地石漠化現(xiàn)象，廣西有灌叢類草地面積202.82 hm2，其中石漠化草地面積112.07 hm2，占廣西灌叢類草地面積的55.26%，石漠化的生態(tài)環(huán)境嚴重影響草地的可持續(xù)性[16]。隨著人民生活水平的逐漸提高，人們開始注重飲食營養(yǎng)的均衡搭配，對肉類和奶類制品的需求也日益增加。消費者需求的增加也給草地生態(tài)承載力帶來了前所未有的壓力

4.1.4 水域人均土地足跡和土地承載力分析

由表2可知，2009～2018年的水域人均土地足跡范圍為0.0018～0.0029 hm2，人均土地承載力的范圍為0.0028～0.0035 hm2，人均土地足跡在人均土地承載力范圍內(nèi)，表現(xiàn)出生態(tài)盈余。從2009年開始，水域人均土地足跡開始逐年上漲，于2015年達到最高峰0.0031 hm2/人，隨后開始小幅回落，表明了廣西對水產(chǎn)品的需求不斷增大。2009年12月廣西頒布了《對我區(qū)水污染防治情況的報告的意見和建議》，對廣西內(nèi)的水域開展了治理和防護，使水域的人均土地承載力自2009年開始上漲，目前處在一個較為穩(wěn)定的狀態(tài)。從總體上來看，廣西的水域目前尚處于可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)，但是可以看出，水域的人均土地足跡和人均土地承載力日趨平衡，由2009年差距的36倍縮小至2018年的17倍，廣西水域的可持續(xù)發(fā)展能力逐漸降低。

4.1.5 建設用地人均土地足跡和土地承載力分析

由表2可知，2009～2018年建設用地的人均土地足跡范圍為0.2103～0.3098 hm2，人均土地承載力的范圍為0.0042～0.0052 hm2，人均土地足跡遠遠超過人均土地承載力的范圍，表現(xiàn)為生態(tài)赤字。建設用地人均土地足跡在2012年出現(xiàn)小幅回落，其余時間都處于上漲狀態(tài)，于2018年達到最高峰0.3098 hm2。盡管建設用地人均土地承載力也在緩慢的上漲，但遠遠小于建設用地的帶來的資源消耗，廣西的建設用地可持續(xù)發(fā)展能力較差。這表明，廣西還處在城鎮(zhèn)化發(fā)展的快速時期，經(jīng)濟的快速發(fā)展需要消耗更多的建設用地資源，但由此引發(fā)的一系列生態(tài)問題也必將會給其它生產(chǎn)性土地帶來巨大的影響，例如水土流失、土地荒漠化、耕地占用等問題。因此，廣西出臺了《廣西壯族自治去建設用地控制指標》，對各項建設用地的合理利用進行了規(guī)定，一定程度上緩解了廣西建設用地的生態(tài)壓力，為實現(xiàn)建設用地可持續(xù)發(fā)展提供了政策支持。

4.2 足跡廣度和人跡深度

4.2.1 足跡廣度分析

足跡廣度可以在一定程度上反映區(qū)域占用流量資本的情況。2009～2018年足跡廣度呈現(xiàn)出先增長后降低隨后又持續(xù)增長的一個波動狀態(tài)。由2009年的0.1584 hm2增長到2011年的0.2452 hm2，后又從2012年開始降低到2014年的0.0925 hm2，隨后持續(xù)增長，到2018年達到近10年內(nèi)的最高值0.2504 hm2。對足跡廣度的構(gòu)成進行分析，人均足跡廣度的構(gòu)成份額大小依次為耕地>林地>建設用地>水域>草地。耕地占據(jù)了足跡廣度構(gòu)成的絕大部分，保證了廣西內(nèi)糧食的供給；林地主要被用來吸收人類生產(chǎn)生活活動中所產(chǎn)生的CO2等溫室氣體；建設用地和水域的占比相對較少，除林地外，草地也承擔了部分溫室氣體的吸收。足跡廣度的緩慢增加，表明了廣西對區(qū)域內(nèi)的資本流量的占用水平也在緩慢增加，這是城鎮(zhèn)化發(fā)展、區(qū)域經(jīng)濟建設的助推作用所帶來的結(jié)果。

4.2.2 人均足跡深度分析

足跡深度表示當流量資本被完全消耗時，開始消耗存量資本。由表3可知，2009～2018年廣西的足跡深度均大于1，說明廣西已經(jīng)進入了生態(tài)赤字時代，流量資本已經(jīng)被完全消耗，開始消耗存量資本。從增長速度看，廣西足跡深度的增長速度迅速，由2009年的7.69增長至2018年的12.44，10年來增長了1.6倍。在2014年，足跡深度達到近10年來的最高點13.69，意味著當?shù)匕l(fā)展對資源的需求需要13.69倍現(xiàn)有的土地面積，或需要13.69年自然資本的供給量來滿足廣西2014年1年的自然資源消耗量。長久以往，存量資本的過度消耗將使區(qū)域處于不可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)。廣西的足跡深度可以分為兩個階段分析，2014年以前，足跡深度緩慢降低但是隨后急速增長，表明這段時間內(nèi)由于廣西經(jīng)濟快速發(fā)展，所帶來的資源消耗速度也隨之加快；2014年后足跡深度開始平穩(wěn)降低，這是由于我國的發(fā)展模式開始由高速度發(fā)展轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展，從以量取勝轉(zhuǎn)向以質(zhì)取勝，生產(chǎn)結(jié)構(gòu)也隨之進行了調(diào)整，這也反映出廣西生態(tài)文明建設已初見成效。

表3 足跡廣度和足跡深度計算結(jié)果

4.3 自然資本利用分析

為了更清楚的反映廣西內(nèi)各生產(chǎn)性土地自然資本的利用狀況，衡量該地區(qū)自然資本的可持續(xù)性，通過式(7)(8)計算自然資本流量收益率和自然資本存量-流量利用比。由表4可以看出，隨著時間的推移，廣西的草地和建設用地均消耗自身的存量資本來彌補兩者流量資本不足的問題，表明當前通過透支自然資本存量已經(jīng)成為當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展的常態(tài)，這嚴重制約草地和建設用地的可持續(xù)發(fā)展。耕地、林地和水域尚處于生態(tài)盈余的狀態(tài)，所以目前僅消耗流量資本。由于耕地的足跡廣度較大，自然資源稟賦條件優(yōu)異，生態(tài)承載力較高，所以對環(huán)境的壓力相對較弱；盡管林地也尚未開始消耗存量資本，但是林地的自然流量利用率不足10%，利用水平較低。由表5可以看出，隨著時間的增長，利用率開始出現(xiàn)了逐漸增加的趨勢；水域的自然資源利用率達到65%以上，處于較高的水平，但隨著消費者對水產(chǎn)品需求的增加，自然資源流量利用率也逐漸趨于最高值，需要引起一定的重視。

表4 自然資本存量-流量利用比計算結(jié)果

表5 自然資本流量收益率計算結(jié)果

5 結(jié)論

本文基于改進后的三維模型，分別對廣西境內(nèi)5種生物生產(chǎn)性土地的生態(tài)足跡、生態(tài)承載力、足跡廣度、足跡深度進行計算，并引入自然資本流量利用率和自然資本存量-流量利用比，來更準確地反映廣西境內(nèi)自然資本的消耗。分析得出以下結(jié)論。

(1)在各地類生態(tài)足跡中，耕地的生態(tài)足跡占比最高，草地與建設用地次之，林地和水域的生態(tài)足跡較小。

(2)廣西的土地生態(tài)承載力表現(xiàn)為部分超載，其中，耕地、林地、水域在研究期限內(nèi)的生態(tài)承載力保持相對穩(wěn)定，但草地和建設用地的生態(tài)承載力在研究期內(nèi)均低于各自的土地生態(tài)足跡，表現(xiàn)出超載狀態(tài)。

(3)廣西境內(nèi)足跡廣度和足跡深度都呈現(xiàn)出整體上漲的趨勢，這表明廣西的存量資本被過度消耗的趨勢仍在加快，說明動用存量資本已經(jīng)成為廣西滿足消費需求的主要方式。

(4)2009～2018年間，耕地、林地和水域的資本流量利用率雖然逐年上漲，但一直低于100%，表明廣西的耕地、林地和水域系統(tǒng)尚處于盈余狀態(tài)；而草地和建設用地的資本流量早已消耗完并開始消耗存量資本，隨著時間的推移，草地和建設用地的存量-流量利用比逐漸降低并達到平穩(wěn)，說明廣西采取了一定的控制的措施并取得了成效。