長江經濟帶自然資源可持續利用評價研究
——基于改進三維生態足跡模型

張 露，夏正儀

（河海大學商學院，南京 211100）

習近平總書記指出，可持續發展是破解當前全球性問題的“金鑰匙”。作為中國可持續發展問題的重中之重，長江經濟帶的生態發展尤為重要。長江經濟帶因豐富的自然資源、多樣性的經濟文化和地理區位優勢，成為中國資源最豐富、經濟最集中的巨型產業帶，在中國經濟區域中具有極其重要的戰略地位。長江經濟帶建設已經上升為國家戰略，但長江生態環境正面臨嚴重威脅，大量資源消耗和嚴峻的生態環境問題正制約著長江經濟帶的發展。由于過度放牧、植被破壞、基礎設施建設和坡耕地侵蝕，造成了長江上游段水資源枯竭、水土流失以及石漠化。長江中下游城鎮化進程加速，沿線大量蓄水和排污，導致下游淡水湖泊被污染、濕地萎縮、居民用水困難等問題。隨著工業化、城鎮化和農業現代化的發展要求，流域內水資源大規模的時空調配必然促使各方資源需求增強。

研究可持續發展需要從全局視角協調生態系統和經濟系統的運行，自然資本作為聯結生態可持續與經濟可持續的最優媒介，是研究可持續發展的最佳評價指標。1991 年，Pearce 等［1］首次提出自然資本的概念，Daly［2］對自然資本的概念進行了擴充，并提出自然資本能夠在現在或未來提供有用的產品流或服務流的自然資源及環境資產的存量。為了研究自然資源核算，1992 年，Rees［3］首次提出了生態足跡的概念；1994 年，Wackernagel 等［4］將其完善為一種衡量自然資本可持續利用的生物物理定量測度方法，是界定和度量人類活動對地球生態系統影響的可操作的指標和方法。1999 年，生態足跡研究引入國內后，主要應用于3 個方面：①國家和省市等區域層面。徐中民等［5，6］首先進行了甘肅省生態足跡和中國生態足跡實證研究；謝高地等［7］利用生態足跡對中國近25 年生態服務消耗進行評估，揭示了生態債務的本質；張可云等［8］對比全國31 個省級區域的生態足跡和生態承載力，討論了區域生態破壞轉移的問題；楊屹等［9］利用修正生態足跡測算了陜西省生態足跡和生態承載力。此后，研究區域尺度向城市延伸，張穎［10］、周靜等［11］分別對北京市和南京市生態足跡進行了測算和可持續化發展分析研究；②多層次拓展研究。從土地拓展到旅游、資源利用、進出口貿易、城市發展等領域［12-15］，從空間和時間序列上進行多方面橫向和縱向對比研究；③研究方法的改進與評價。趙文暉等［16］提出“省公頃”模型提高精準性；劉某承等［17］利用凈初級生產力改進產量因子的測算方法。

諸多學者對生態足跡計算模型進行修正和改進，但研究重點仍然主要集中于生態赤字，而非自然資本的存量，并且無法區分自然資本流量和存量，因此會出現“偽持續”情況，即一個區域傳統生態足跡的盈余狀態是通過大量消耗自然資源存量資本換取的，實際上是不可持續的。針對模型缺陷，Niccolucci等［18］提出了三維生態足跡模型，在傳統生態足跡的基礎上引入了生態足跡深度和生態足跡廣度2 個新指標，構建了三維生態足跡模型，實現了從時空序列對流量資本和存量資本的分類測度；并利用三維生態足跡模型分析了1961—2006 年全球生態足跡深度和廣度的時空變化特征［19］；方愷等［20-23］在現有三維生態足跡模型作出改進，更好地測算區域尺度和地類尺度的三維生態足跡，利用改進三維生態足跡對11 個國家、中國以及各省的自然資本利用情況進行分析；杜悅悅等［24］、張星星等［25］、楊敏［26］比對了京津翼、珠三角和長三角城市群內部自然資本利用狀態；三維生態研究覆蓋了全球、國家和省市尺度，流域尺度上的研究還處于探索階段。部分學者對陜西省、溫州市、南京市、鹽城市等進行研究［27-30］；流域尺度上，馬維兢等［31］對福建省九龍江流域的自然資本動態作出了評估。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源與測算方法

本研究選取2007—2017 年長江經濟帶9 省2 市各項指標作為研究數據來源。表1 展示了各類土地的特征界定以及產品構成。各省市的農林牧漁業產值來自《中國農業統計年鑒》，各類土地、城市建設面積及其消費值均來自《中國統計年鑒》和省市統計年鑒，各省市煤炭、石油、天然氣消費量來自《中國能源統計年鑒》，而各類化石能源地能轉換系數采取世界自然基金會（WWF）的相關文件（表2）。對于均衡因子和產量因子的測算，將各土地類型產品的產量轉換為產值，可以協調不同產品產量計量單位的可比性。傳統生態足跡測算時，將化石能源土地設定為能夠吸收CO2土地，且僅設定林地吸收能源排放的CO2，因此化石能源用地產量因子與林地相同。實際中，各區域建設沒有為化石能源預留土地，因此化石能源產量因子為0。世界環境與發展委員會（WCED）建議，應該預留出12%的生物生產性土地用來保護生物多樣性，實際計算生物承載力面積時應扣除。上述部分年份缺失的數據根據前后相關年份數據推算。

表1 傳統生態足跡測算方法指標

表2 化石能源轉換系數

1.2 “流域公頃”生態足跡模型

生態足跡是指給定人口和經濟條件下維持消費和吸收廢棄物的生物生產型土地面積［6］。基本思想是將人類消費需要的自然資產的“利息”（生態足跡）與自然資產產生的“利息”（生態承載力）轉化為可以共同比較的土地面積，若生態足跡土地面積大于生態承載力面積即為生態盈余，若生態足跡土地面積小于生態承載力面積即為生態赤字。傳統的生態足跡模型以全球所有土地及部分水域的平均生產力作為基準，確定模型參數，即全球公頃模型。李金城等［32］明確指出，對于地形、海拔、自然氣候差異較大的流域生態足跡測算，相同土地利用類型的生物生產力存在很大分歧，直接利用全球或者全國因子不能準確反映流域內土地生產力。但是長江屬于大江大河范圍的流域類型，測算基準級別過小，導致操作難度太大，因此本研究將采取介于“國家公頃”和“省公頃”之間的“流域公頃”模型，提高流域生態足跡分析的準確性以及增強上下游之間的橫向可比性，具體如圖1 所示。

1）均衡因子。長江流域內各類土地的平均生物生產力相差較大，需要乘以各自的均衡因子轉化為可以直接比較的標準面積。某類土地所貢獻的平均生產力占全部土地平均生產力的比重即為流域內某類土地均衡因子的大小。具體計算公式如下：

式中，qi為長江流域第i類土地的均衡因子；WPi為長江流域第i類土地的平均生產力；WP為長江流域的平均生產力；WQi為長江流域第i類土地的總生物產量；WSi為長江流域內第i類土地的生物生產面積；WQ為長江流域土地的總生物產量；WS為長江流域土地的生物生產面積。

2）產量因子。長江流域內不同地區的同類生物生產性土地的生產力具有明顯的差異，因此各地同類生物生產性土地的實際面積不能直接對比，需要通過產量因子來調節。產量因子表示為各地同類土地的平均生產力與流域總體同類土地平均生產力水平的差異，也綜合反應了流域內各地環境和社會經濟發展水平。具體計算公式如下：

圖1 “流域公頃”生態足跡

式中，yi指第i類土地的產量因子；Pi指某地第i類土地的平均生產力；WPi是指流域內第i類土地的平均生產力；Qi是指某地第i類土地的總產出；Si指某地第i類土地的總面積；WQi指流域內第i類土地的總產出；WSi指流域內第i類土地的總面積。

3）生態足跡模型。

式中，EF為流域內總生態足跡；N為人口數；ef為人均生態足跡；qi為均衡因子；ai為人均i種消費項目折算的生態生產性面積；i為消費項目；pi為i種消費項目的平均生產能力；ci為i種消費品的人均年消費量，n為年消費類型的數量。

4）流域生態承載力模型。生態承載力是一個流域內所能提供給人類生產生活所需要的生物生產性土地面積，以此來表示該區域生態容量：

式中，EC為流域總生物承載力；N為流域總人口；ec為人均生態承載力；ai為實際人均占有的j類生物生產土地面積；qi指流域i類土地的均衡因子；yi指第i類土地的產量因子；Ylj為某行政區域j類土地的平均生產力；Ynj為流域內j類土地的平均生產力。

1.3 三維生態足跡模型

1）現有三維足跡模型。在生態足跡、生物承載力和生態赤字等二維生態足跡的指標基礎上，三維生態足跡模型引入足跡廣度和足跡深度2 個新指標。足跡廣度表示人類對流量資本的占用水平，足跡深度表示人類對存量資本的消耗程度。其計算公式為：

式中，EFsize為足跡廣度；EC為生態承載力；EFdepth為足跡深度（等于 1 時稱為原長）；ED為生態赤字；EF為生態足跡。

足跡深度和足跡廣度可以理解為三維足跡在空間截面和時間軸2 個方向上的分量。因此，三維足跡是表體積的物理量（單位與二維生態足跡相同）。具體公式如下：

式中，EF3D為三維模型的生態足跡，EFclassic為二維模型的生態足跡。

相較于傳統的二維生態足跡模型，三維生態足跡將存量資本不減少作為可持續發展判定的基本依據，通過增維使生態足跡成為時空模型，對流量資本和存量資本分類測度，既關注土地資源的空間稀缺性（代內公平），又關注化石礦物資源的不可再生性（代際公平）。

2）改進三維模型。三維生態足跡模型忽視了生態赤字與生態盈余的自然資本性質的差異，在區域尺度上會高估足跡廣度、低估足跡深度，比較適用于單一地類的生態赤字測算。方愷等［20］推導出針對區域尺度的足跡廣度和足跡深度計算公式：

式中，EFsize為區域足跡廣度；EFdepth為區域足跡深度；EFi為第i地類的生態足跡；ECi為第i地類的生物承載力；EF3D為區域三維足跡。相應地，地類尺度上的普適性計算公式應為：

式中，EFsize,i為第i地類的足跡廣度；EFdepth,i為第i地類的足跡深度。

1.4 模型補充

1）資本流量占用率。當資本流量未被完全占用時，足跡深度處于原長，即值為1。引入資本流量占用率指標來表示人類對資本流量的實際占用程度，計算公式如下：

2）存量流量利用比。當資本流量被完全占用時，生態處于赤字狀態，此時存量資本開始被消耗，引入存量流量利用比來表征實際自然資本中存量與流量之間的關系，計算公式如下：

3）剪刀差。可以用來表示某時刻2 種變化趨勢之間的差異程度。引用此指標來描述某年長江經濟帶內各地區足跡廣度與足跡深度變化之間的差異程度，計算公式如下：

式中，α為剪刀差，其值變化越大，表明二者變化差異越大。y′1(t0)、y′2(t0)分別表示為t0時刻足跡廣度和足跡深度的變化率。當足跡深度增加（變化率為正值）時剪刀差為正值，反之則為負值。剪刀差絕對值表現為足跡廣度和足跡深度的拮抗性。

2 結果與分析

2.1 長江經濟帶各地區區域生態足跡

1）生態足跡、生態承載力和生態赤字分析。根據上述公式，利用長江經濟帶內各地類的生物生產性土地總面積及其產值總量數據，計算出長江經濟帶2007—2017 年均衡因子，結果如表3 所示。由表3 可知，長江經濟帶內建設用地均衡因子最高，水域和草地次之，表明建設用地是區域內單位面積產值最高的土地類型，而自然資源領域內水域和草地單位面積產值明顯高于耕地和林地。2007—2013 年建設用地均衡因子變化呈穩定上升趨勢，偶有回落，從2014 年開始下降明顯。水域和草地均衡因子均呈先下降后上升趨勢，2007—2013 年逐年下降，2014—2017 年上升趨勢明顯。耕地和林地則在近10 年內產出水平穩定。

表3 長江經濟帶2007—2017 年均衡因子

由圖2 可知，在傳統生態足跡模型測算下，長江經濟帶生態足跡整體呈上升趨勢，主要依靠人口和人均消耗的日趨增長。從區域方面來看，江蘇省人均生態足跡增長勢頭最猛，從2007 年人均2.50 hm2增加到2013 年人均3.25 hm2，之后年份有些許回落，浙江省和四川省緊隨其后。從地類方面來看，建設用地和化石能源用地增速遠遠超過其他自然資本。

圖2 長江經濟帶人均生態足跡

由圖3 可知，生態承載力方面，整體同樣呈增長趨勢，這是由于技術進步促使各行業生產力提升，湖北省生態承載力的增長優于其他省市，而江蘇省生態承載力在全經濟帶整體上升態勢中有所下降。總體來說，生態承載力增長幅度比生態足跡更小，而且各地類之間的生態承載力增速相差不遠。整個經濟帶中，建設用地對生態承載力貢獻率最高，其次是耕地和林地，最后是草地和水域，有些區域耕地生態承載力超過了建設用地。

生態赤字指標主要用于說明一個區域的資源占用是否超過其承載力。長江經濟帶的生態赤字主要來自建設用地和化石能源用地，其次來自耕地和草地，整個流域面臨的耕地赤字問題都很嚴重，再次來自林地。水域赤字問題比其他自然資本更低，這是源于長江流域水域資源生態稟賦較高，也是長江經濟帶得天獨厚之處。各地類之間生態赤字問題也與均衡因子大致吻合。

圖3 長江經濟帶人均生態承載力

由圖4 可見，江蘇、浙江、四川3 省人均生態赤字從絕對值和增長率均高于其他省市。江蘇省生態赤字主要源于建設用地和草地，而浙江省和四川省生態赤字則來自建設用地、耕地和草地3 方面，也側面證明江蘇省耕地資源優于其他省市。

圖4 長江經濟帶人均生態赤字

2）三維生態足跡空間分析。①人均足跡廣度。足跡廣度反映自然資本流動性強弱以及人類對流量資本的占用程度。由圖5可知，2007—2017年整個長江經濟帶的足跡廣度呈不斷增加狀態，表明整個流域經濟社會發展過程中，人類活動消耗對資本流量的占用越來越大。觀察不同省市可以發現，首先，江蘇省、浙江省、上海市是整個經濟帶中足跡廣度最大的區域，意味著這3個省市為了維持高速的發展需要持續不斷地占用流量資本。其次，湖北省足跡廣度攀升速度與其他地區相比尤其明顯，2013—2017 年人均足跡廣度已可以和江蘇省、浙江省、上海市3 地比肩。貴州省人均足跡增速非常穩定，從2007 年人均0.18 hm2增加至2017 人均0.33 hm2，云南省次之。其余省市足跡廣度雖有增加，但都處于穩定范圍之內。②人均足跡深度。與足跡廣度相同，長江經濟帶整體足跡深度處于逐步加深的狀態，并且均大于1，只消耗自然資本流量已經無法滿足人類對自然資源的需求，需消耗存量資本以維持生態需求，由此出現生態赤字。存量資本的減少會對流量資本產生負面影響，一定程度上削弱了該地區自然資本的收益率。由圖6 可見，同屬于經濟發達區域的浙江省、上海市足跡深度遠高于江蘇省。從2015年開始上海市人均足跡深度已經突破3.5 hm2，2016 年開始浙江省人均足跡深度高于2.0 hm2，這樣的消耗水平遠高于流域內其他省市。安徽省足跡深度水平略領先于其他省市，為1.7 hm2，但還是相對較低，表明安徽省經濟發展對資源的消耗主要依靠存量而不是流量，可能原因是資源稟賦限制了自然資本流動。云南、貴州2 省2010 年足跡深度水平高于其他省市，之后增速放緩，其余地區逐漸趕上。③三維生態足跡。由圖7 可知，2007—2017 年，長江經濟帶人均三維生態足跡總體呈上升趨勢，2013 年之后增速加快，流域上游和下游生態足跡高于中游。與傳統生態足跡測算結果不同，上海市三維生態足跡處于經濟帶首位（2017 年達 8.6），浙江省仍然位居第二（2017 年達7.2），而江蘇省雖然高于平均值，但遠不及浙江省、上海市，湖南省則低于整體平均水平。該測算結果更加符合各區域經濟發展程度和地理資源環境的現實情況。

圖5 長江經濟帶人均足跡廣度地理空間分布

圖6 長江經濟帶人均足跡深度地理空間分布

圖7 長江經濟帶人均三維生態足跡變化

2.2 自然資本可持續利用評價

1）自然資本利用比率分析。長江經濟帶各省市的自然資本利用情況如圖8 所示。依據資本流量占用率和自然資本存量流量利用比，本研究將長江經濟帶各省市分為3 類：①資本流量占用率和存量流量利用比皆上升。該情況主要存在流域的中下游，包括上海市、浙江省、江蘇省、安徽省和江西省。2007 年，上海市和浙江省的資本流量占用率已突破100%，此后10 年始終維持該狀態；2011 年上海市存量流量利用比超過1.0，2016 年浙江省存量流量利用

比超過1.0，意味著需要100%的存量對流量資本進行補充；2015 年，上海市存量流量利用比超過2.0，區域對資源的需求不再依靠流量，而被存量滿足，同時，這一比例逐步接近于2.5，表明資源需求開始嚴重消耗存量資本，意味著這種發展不可持續。江蘇省、安徽省、江西省資本流量占用率自2013 年起突破100%，但是存量流量利用比未突破1.0；②資本流量占用率和存量流量利用比皆下降或增速放緩。湖北省呈現兩比率先下降、后增速放緩的情況，并且資本流量占用率穩定低于100%、存量流量利用比穩定在0.5 左右，貴州省呈現兩比率比下降的情況，同樣是由于地理位置和資源稟賦迫使貴州省繼續消耗存量資本。③資本流量占用率和存流量利用比有升有降。包括四川省、湖南省、重慶市和云南省，該情況主要存在于流域的中上游。湖南省資本流量占用率和存量流量利用比總體上升，重慶市資本流量占用率下降、存量流量利用比上升，湖南省和重慶市地資本流量占用率均未突破100%，但是存量流量利用比處于0.3～0.6，可能原因是地理位置和資源稟賦阻礙了自然資本流動，需要利用存量資本進行補充。

圖8 不同省市自然資本利用比率

2）生態足跡變化率與剪刀差。由圖9 可見，2013—2015 年，長江經濟帶對自然資本的消耗整體上了一個新的臺階，除個別省市外，其余省市生態足跡在此時間段均有較大波動。根據公式（15）計算得出，2007—2017 年各省市剪刀差數據值大于0 且小于П/2（表4），表征長江經濟帶具有拮抗性較小的特點，即足跡深度的增加趨勢與足跡深度、足跡廣度的變動趨勢相同。依據足跡廣度和足跡深度變化率，可將長江經濟帶內各省市分為4 類：第一類為上海市、浙江省、安徽省，足跡深度的波動大于足跡廣度，存量資本消耗高；第二類為江蘇省、湖北省，足跡深度的波動小于足跡廣度，流量資本消耗高；第三類為湖南省、重慶市、四川省、江西省，足跡廣度的波動和足跡深度均不明顯；第四類為貴州省、云南省，足跡深度和廣度均有明顯強烈波動。

3 結論與建議

3.1 結論

1）10 年間長江經濟帶各省（市）區域生態足跡使用程度不一，2007—2012 年，長江經濟帶開始實現增速發展，2013 年后自然資本需求更甚，具體表現為長三角城市群和川渝城市群的三維生態足跡快速增長，且足跡廣度和足跡深度同步增長。城鎮化是區域生態足跡增加的主要原因，城鎮化要求工業快速發展來完成城市建設，城市建設用地和化石能源用地不斷擴張，有限的區域內城市建設用地不斷蠶食生物用地（耕地、林地、草地、水域），且化石能源消耗中產生的大量CO2需要生物用地來吸收，卻沒有實際生物土地承載，是造成生態赤字重要因素之一。城鎮化帶來大量城市人口，加劇了生物用地供給服務的壓力。長江流域生態系統形勢嚴峻，其中耕地和草地生態赤字問題最為嚴重。建設用地的擴張，雖然帶來足跡廣度的增加，但并未滿足區域經濟社會發展的需求，開始消耗資本存量。由于地理環境和自然資源稟賦的不同，各省市對自然資本流量和存量的消耗程度不盡相同。相近地區如江蘇省、浙江省和上海市，江蘇省由于自然資源豐富，雖然資本流量占用率高于100%，存量流量利用比仍低于0.5，而相同發展速度中，浙江省和上海市存量流量利用比已接近2.5 左右。安徽省由于自然環境限制，發展速度慢于江蘇省，但是資本存量利用比已達0.7。

2）2013 年政府注意到經濟社會發展和資源需求不匹配的問題，從可持續發展理念到推進綠色發展理念，密切關注長江流域生態環境狀況。因此，長江中上游生態環境明顯得到改善，各地三維生態足跡增速放緩，湖北省資本流量占用率不斷下降，湖南省資本流量占用率仍未突破100%，四川省、重慶市存量流量利用比緩慢攀升，貴州省資本流量占用率從較高水平緩慢降低，但同時帶來了新問題，資本流量消耗降低，資本存量消耗卻在增加，足跡深度不斷加深。耕地和草地是經濟帶發展相對比較重要的生物土地資源，其產品與人民生活息息相關，卻面臨最嚴重的生態赤字，盡管建設用地的足跡廣度擴張，卻以犧牲耕地和草地資本流量為代價。

3.2 政策建議

1）盡快升級長三角地區產業，從主要依靠高能耗產業轉變為依靠高新技術產業，發展前景仍然較好的高能耗行業可適當往長江中游地區轉移，以平衡長江全流域的自然資本消耗狀態。工業環境效率較高的江浙地區可以和工業環境效率較低的云貴地區進行產業結構調整［33］，加強上下游產業和生態治理互動［34］，提高云貴地區經濟發展速度同時緩解過度存量資本消耗問題。

2）針對全流域存在的草地過度消耗和耕地安全，需要提高土地利用率，尤其是耕地，優化各類生物土地之間的利用布局，減少建設用地對耕地的侵占情況，突出耕地、草地的保護。長江上游環境治理對于經濟帶整體生態積極意義更大［35］，因此對云貴地區需要采取更加積極的草地保護政策，以提升該區域的流量自然資本。合理劃分人口密集的城鎮區域，將耕地集中化生產以提高農業生產力。

3）制定高效的水能、太陽能等可再生能源和清潔能源開發計劃，更好地利用長江流域豐富的水資源，減少化石能源消耗。從根源上降低生態足跡，發展技術逐漸提升生態承載力，真正促進長江綠色發展事業，實現“長江大保護”。

圖9 不同省市生態足跡年均變化率

表4 長江經濟帶變化率剪刀差