基于三維生態足跡擴展模型的中國海岸帶生態足跡及其影響因素研究

曹慧博， 張 穎， 楊 靜， 孟偉慶,2

(1.天津師范大學 地理與環境科學學院, 天津 300387; 2.天津市環境變化與生態修復校企協同創新實驗室, 天津 300387)

可持續發展是實現人地和諧的重要途徑。隨著社會經濟的發展，人們對自然資源的需求量日益增加，可持續發展受到社會各界的廣泛關注。可持續發展評價的一個常用方法是生態足跡法。加拿大經濟學家Rees[1]于1992年首先提出了生態足跡的概念，即通過判斷生態供需平衡來判斷區域經濟發展是否保持在合理的承載能力范圍內，是一種以生產性土地面積作為衡量單位的可持續發展評估方法。Wackernagel等[2-3]在此基礎上提出生態足跡模型并將模型應用于全球和國家層面的自然資本核算。生態足跡在一定程度上可以反映出生態赤字問題，但缺少對自然資本流量和自然資本存量的分析[4]。Niccolucci等[5]在2009年提出三維生態足跡模型，引入足跡深度和足跡廣度的概念，從自然資源存量角度解釋人類對資源的過度消耗，實現了生態足跡模型從二維平面向三維立體空間的擴展研究。

國內研究中，徐中民等[6]率先運用生態足跡模型對甘肅省生態足跡進行核算。之后，生態足跡被廣泛運用于不同空間尺度的可持續發展評價[7-8]。隨著生態足跡研究的深入，針對生態足跡研究的一些不足，生態足跡模型的應用逐漸從自然資本核算轉向能值、生態安全、生態系統服務等其他領域[9]。此外，一些學者還對三維生態足跡模型進行了改進。方愷[10]采用改進三維生態足跡模型，分析了11個國家的自然資本利用特征；靳相木等[11]對三維生態足跡模型做了改進，實現了生態盈余和生態赤字三維分析的統一。已有的研究大大推動了生態足跡相關研究的深入。

作為海陸之間相互作用的地帶，海岸帶地區擁有優越的資源條件和環境條件[12]。全球超過1/3的人口分布在面積占地球約4%的海岸帶地區，平均的人口密度是內陸地區的3倍，并且還在增長[13]。與此同時，海岸帶受到來自陸地和海洋的共同作用，既要為經濟社會發展提供土地等資源需求，又要消納人類活動帶來的生態環境壓力，因此，從整體上把握中國海岸帶地區的可持續發展狀態，對協調陸海統籌，促進海岸帶可持續發展具有重要的現實意義。通過文獻查詢，針對中國海岸帶地區的可持續發展評估方面的研究還比較少。因此，本文采用三維生態足跡擴展模型對中國大陸海岸帶地區2008—2017年的生態足跡進行計算和分析，以了解其可持續發展特征和動態變化，并利用偏最小二乘法分析生態足跡變化的影響因素，以期為中國大陸海岸帶地區可持續發展水平的提高提供參考和決策依據。

1 研究區概況

本文的研究范圍為中國大陸海岸帶地區。關于海岸帶目前還沒有統一的定義。千年生態系統評估報告中的海岸帶定義：海洋與陸地間的生境(包括島嶼)，空間范圍為從近海等深線50 m并延伸到陸地100 km或海拔低于50 m的地帶。另外還有很多學者從不同角度和各自的研究目標出發給出了不同的定義，閆麒[14]基于海洋生態系統服務功能探討海岸帶空間規劃時將海岸帶定義為由部分海域和部分陸域組成的海域和陸域的結合部；魏超等[15]把海岸帶定義為海洋-10 m等深線到沿海地級市(縣)行政區邊界之間的范圍。這些定義導致海岸帶在空間上的差異很大。中國學者針對海岸帶多以沿海地區的九省二市的行政范圍作為研究邊界[16-17]，這樣的研究范圍方便之處在于統計數據容易獲取。因此為了數據的獲取方便，并與其他學者研究結果的可比性，本文也以沿海地區九省二市的行政范圍為研究邊界。

中國的大陸海岸帶地區由北向南依次為遼寧省、河北省、天津市、山東省、江蘇省、上海市、浙江省、福建省、廣東省和廣西壯族自治區，大體呈朝東南方向外凸的弧形。10省市面積總計1.25×106km2，僅占中國國土面積的12.99%，卻承載全國總人口的42.96%和經濟產值的54.59%(2019年中國統計年鑒)。在城鎮化快速發展和經濟增長的背景下，中國海岸帶地區也面臨著嚴重的生態環境壓力，人工岸線從1990年的6 287.08 km增加到2013年的10 685.22 km[18]，從1979到2014年，中國圍填海面積達到了11 162.89 km2[19]，2017年中國大陸海岸帶地區的污水排放量約為3.69×1010t，占全國總排放量的52.68%(2019年中國統計年鑒)，赤潮面積達到3 679 km2，近海海洋生態系統有超過93.83%的面積處于亞健康和不健康狀態(2017年中國海洋生態環境狀況公報)，環境問題的日益突出，已經嚴重影響到中國海岸帶地區的可持續發展。

2 研究方法與數據

2.1 三維生態足跡擴展模型

三維生態足跡擴展模型在傳統二維生態足跡模型和三維生態足跡模型基礎上不斷完善形成(圖1)[11]。三維生態足跡模型通過引入足跡深度和足跡廣度的概念，從自然資源存量與自然資源流量角度解釋人類對資源的過度消耗。足跡廣度反映了人類活動對自然資源流量的占用程度，數值上取生態足跡和生態承載力中的最小值，而足跡深度則反映的是人類活動對自然資源存量的占用程度，其數值表示再生產人類一年中資源消耗量以滿足區域發展需求所需年數，具有時間屬性。在三維生態足跡模型中足跡深度取值范圍始終大于或者等于1，其中，1表示足跡自然深度，即在生態足跡大于生態承載力的情況下，足跡深度表示為1，說明當前自然資源能夠滿足人類活動的資源消費；反之，足跡深度大于1，此時人類活動過度消耗自然資本，現有的自然資本已不能滿足人類活動的消費需求。

圖1 三維生態足跡擴展模型的演變過程

三維生態足跡擴展模型將足跡深度取值范圍由三維生態足跡模型中的EFdepth≥1擴展到EFdepth≥0，擴展后的三維生態足跡模型中足跡深度取生態足跡與生態承載力的比值，表示為：

(1)

式中：EFdepth為足跡深度；EF為生態足跡；EC為該區域的生態承載力。在該模型中，可以劃分為3個生態狀態。當EFdepth=1時，生態足跡和生態承載力大小相等，即自然資源流量占用和自然資源消耗相等，處于生態盈余和生態赤字的臨界狀態；當0≤EFdepth≤1時，此時處于生態盈余(ER)的狀態，此時以人類活動對自然資源流量占用為特點；當EFdepth>1時，處于生態赤字(ED)的狀態，自然資源流量已耗盡，人類消費活動開始占用自然資源存量。

三維生態足跡擴展模型以圓柱體積來表征生態盈余和生態赤字，彌補了三維生態足跡模型中足跡廣度二維概念的缺陷，從而實現自然資源流量和自然資源存量占用程度核算的統一。

2.2 驅動因素分析方法

2.2.1 驅動因素指標體系及權重 本文在參考國內外研究基礎上[20-23]，綜合考慮城市規模、經濟發展、生態建設、科學技術、區際交流、環境污染幾個方面，建立包含6個目標層和20個子指標的中國大陸海岸帶區域生態足跡及足跡深度驅動因素指標體系，利用熵權法求得各子指標的權重，具體指標體系和權重見表1。

表1 中國大陸海岸帶區域生態足跡及足跡深度驅動因素指標體系及權重

2.2.2 偏最小二乘回歸 同傳統的回歸模型相比，偏最小二乘回歸(partial least square analysis， PLS)可以解決自變量間多重共線的問題，同時在提取成分過程中重組信息，以提高模型的精度和穩定性[24-25]。在利用熵權法確定各指標權重基礎上，通過加權求和求得各目標層的綜合值，并將此作為解釋變量，選取生態足跡、足跡深度作為被解釋變量，即因變量Y1和Y2，以構建PLS模型。在建模之前，首先通過SPSS 20.0獲取各省市自變量的相關系數矩陣(表2)，結果表明部分驅動因子之間的相關系數在0.8～1.0之間，這表明自變量之間存在著明顯的多重共線的關系。由此可見本文選取偏最小二乘回歸的方法對中國大陸海岸帶區域生態足跡和足跡深度的驅動因素進行分析是合理且可取的。本文運用SIMCA-P 14.0進行自變量的擬合，構建偏最小二乘回歸模型。

表2 中國大陸海岸帶區域生態足跡及足跡深度各驅動因子之間的相關系數

2.3 數據來源

文中生物資源消費和化石能燃料費涉及6種土地類型，所選取的指標和數據來源見表3。借鑒謝鴻宇等[26]的計算方法，以聯合國糧農組織(FAO)基礎數據庫2008—2017年數據為基礎重新計算了全球平均生產力(表4)。均衡因子和產量因子均采用劉某承等[27-28]的計算結果。

表3 中國大陸海岸帶區域生態足跡及足跡深度驅動因素數據來源

表4 農業初級產品的全球平均產量計算結果 kg/hm2

3 結果與分析

3.1 生態足跡和生態承載力分析

生態足跡與生態承載力包括總的生態足跡、生態承載力和人均生態足跡和生態承載力。從整體來看(圖2)，中國大陸海岸帶地區總生態足跡和總生態承載力呈現逐年增加的趨勢，且2008—2012年增速加快，2012—2018年增速開始減緩。

圖2 2008-2017年中國大陸海岸帶地區總生態足跡和總生態承載力變化趨勢

從人均角度來看(圖3)，中國大陸海岸帶地區人均生態足跡逐年增加，人均生態足跡由2008年3.837 3 hm2/人增長到2017年的4.590 1 hm2/人，增長幅度為19.60%，進一步顯示中國大陸海岸帶地區對自然資源的消耗在不斷增加。人均生態承載力具有相對穩定性，人均生態承載力2008—2017年變化不大，由于人口基數較大，人均生態承載力有呈現先增加后減小的趨勢，人均生態承載力由2008年的0.298 8 hm2/人減少到2017年0.290 9 hm2/人，變化幅度很小。

圖3 2008-2017年中國大陸海岸帶地區人均生態足跡和人均生態承載力變化趨勢

分省市來看(圖4)，2008—2017年10 a來遼寧、河北和山東的人均生態足跡相對較大，廣東、上海、浙江、福建人均生態足跡較小。從時間序列動態變化來看，遼寧、河北、天津人均生態足跡變化趨勢相同，均呈現出“增加—減少”的趨勢，河北、遼寧在2008—2012年人均生態足跡呈增加趨勢，到2012年時最大，此后開始呈減少的趨勢。天津的人均生態足跡在2011年時最大，此后也開始呈現出逐年下降的趨勢。山東、江蘇、廣西整體呈上升的趨勢。廣西的人均生態足跡呈現出逐年增加的趨勢。

圖4 2008-2017中國大陸海岸帶各省市人均生態足跡變化趨勢

在組分結構方面，2008—2017年中國大陸海岸帶區域人均生態足跡占比最大的是化石燃料用地，其次是草地、耕地，其他土地類型如林地、水域、建筑用地比重較小。從貢獻率來看，化石燃料對人均生態足跡的貢獻率從2008年的54.36%上升到2017年的58.65%(圖5)。中國大陸海岸帶區域各省市之間生態足跡組分占比存在差異。2017年十個省市各組分人均生態足跡占比計算結果(圖6)可知，大部分省市化石燃料用地占比最大，廣西省則以林地占比最大，約占47.26%。

圖5 2008-2017年中國大陸海岸帶區域各組分生態足跡比例

圖6 2008-2017年中國大陸海岸帶區域各省市各組分人均生態足跡比例

對于人均生態承載力而言(表5)，廣西人均生態承載力始終最大，上海人均生態承載力始終最小，這與自然資源稟賦有極大的關系，廣西自然資源豐富，尤其是林地和草地資源豐富，上海作為4大直轄市之一，自然資源稟賦較差，同樣地，同為直轄市的天津，資源短缺是其城市發展的短板，因此，天津人均生態承載力在中國大陸海岸帶10個省市中處于僅高于上海的位置。中國大陸海岸帶地區10個省市人均生態承載力也較為穩定，變化幅度不明顯。

表5 2008-2017年中國大陸海岸帶各省市人均生態承載力 hm2/人

3.2 足跡深度分析

足跡深度表示自然資本流量或自然資本存量的消耗程度，從圖7可以看出，2008—2017年，中國大陸海岸帶區域足跡深度呈逐年增加的趨勢，足跡深度由2008年的12.841 0擴大到2017年的15.776 5，同總生態足跡和人均生態足跡變化趨勢相同，2012年是足跡深度增速變化的一個轉折點，2008—2012年足跡深度增加率為16.06%，2012—2017年足跡深度增加率則下降到5.86%。從中國大陸海岸帶區域生態足跡空間分布來看，中北部省市足跡深度普遍較大，南部的廣西、廣東、福建3省足跡深度則相對較低。在2017年計算結果中，10個省市的足跡深度依次為上海(64.047 1)>天津(36.883 4)>山東(26.480 5)>河北(23.407 9)>浙江(21.312 9)>江蘇(20.913 2)>遼寧(15.759 4)>廣東(8.978 8)>福建(6.835 1)>廣西(6.774 4)，本文計算中，2008—2017年中國大陸海岸地區的10個省市足跡深度均大于1，均處于生態赤字的狀態。2017年廣西足跡深度最小為6.774 4，這意味著廣西省自然資本在6～7 a才能得到更新，其自然流量資本已經無法滿足當地的發展需要；上海足跡深度最大，為64.047 1，已經處于嚴重的生態赤字狀態，依賴于自然資本存量的供給；中國大陸海岸帶區域人均足跡深度則位于江蘇省和遼寧省之間。由此可見，中國大陸海岸帶區域處于不可持續發展的狀態。

圖7 2008-2017年中國大陸海岸帶地區足跡深度變化趨勢

3.3 驅動因素分析

Y1=23.048 3+0.148 6A+1.661 5B-

0.687 8C-0.601 5D+

0.111 8E+0.526 7F

(2)

Y2=14.094 9+0.248 2A+1.339 6B-

0.369 0C-0.428 9D+

0.063 2E+0.251 7F

(3)

式中：A，B，C，D，E，F分別對應表1的6個目標層。

由式(2)—(3)可以看出，經濟發展、城市規模、區際交流和環境污染的回歸系數為正值，與生態足跡、足跡深度正相關，經濟快速發展、城市規模擴大、區際交流、環境污染加大了對自然資本的消耗和生態環境的壓力，因此帶來中國大陸海岸帶區域生態足跡的擴大和足跡深度的加深。生態建設和科學技術回歸系數為負值，在一定程度上，可以緩解該區域的生態赤字狀況。

在偏最小二乘回歸分析中，變量投影重要性(variable importance in the projection，VIP)可以反映不同驅動因子對因變量影響的重要程度。VIP大于1時，因子非常顯著；當VIP的值介于0.5與1之間，因子較為顯著；當VIP小于0.5時，則為不重要的因子。按驅動因素對解釋生態足跡和足跡深度的重要程度由大到小排序：經濟發展(1.210 2)>城市規模(1.153 4)>科學發展(1.132 6)>生態建設(0.900 6)>環境污染(0.751 4)>區際交流(0.738 9)，其中經濟發展、城市規模和科學發展的VIP值大于1，說明對中國大陸海岸帶區域生態足跡和足跡深度有顯著影響。

4 討論與結論

4.1 討 論

三維生態足跡擴展模型與和三維生態足跡模型比較，其將足跡深度的取值范圍進行了擴展，自然資源流量和自然資源存量占用在核算上能夠統一。與中國其他地區相比，東部沿海省市資本流量占用率高，自然資本利用可持續性相對較弱[29]。通過三維生態足跡擴展模型計算結果顯示2017年中國大陸海岸帶區域人均生態足跡為4.590 1 hm2/人，足跡深度為15.776 5，說明該區域需要大量的存量資本消耗來滿足自身發展需要，已處于較為嚴重的生態赤字狀態。

從驅動因素來看，經濟發展、環境污染、城市規模和區際交流是中國大陸海岸帶區域生態足跡和足跡深度的重要驅動因素。經濟發展是中國大陸海岸帶地區生態足跡和足跡深度增長最為重要的原因。但就中國大陸海岸帶地區各省市而言，其生態足跡影響因素存在不同。遼寧省作為中國重工業基地，GDP增長和能源消費增加是導致生態足跡增加較為重要的因素[30]。河北省是人口和農業大省，城鎮居民消費支出、第一產業產值、能源消費和社會消費品零售總額是影響對其生態足跡影響最大的4個因素；天津資源相對短缺是典型的“二、三、一”產業結構發展城市，第二產業產值和第三產業產值對其生態足跡影響較大[31]。從整體來看，近10 a來，中國大陸海岸帶區域地區生產總值年均增長14.26%，經濟總量的快速增加會導致自然資源的過度消耗，此外，以煤炭為主的化石能源消費導致環境污染也增大了該地區的生態壓力，能源生態足跡比重增大。城市規模擴大對生態足跡和足跡深度的影響主要表現在兩方面，首先人口增多會增加對自然資源的需求，從而導致更多的資源占用及能源消費；另外，城市規模擴大也體現在城市建設用地面積的增加，加速了自然資本由生物資源逐漸轉向城市基礎設施建設的過程，自然資本利用結構發生改變。生態建設對于減少環境污染和生態破壞有著積極的作用，科學技術提高可以提高資源利用效率和資源供給能力，因此，對于中國大陸海岸帶區域，應該增加生態建設，如增加綠化面積，提高綠地覆蓋率；提高科學技術水平和資源利用效率；改善優化自然資本利用結構。

三維生態之擴展模型仍采用通過均衡因子和產量因子調整后各地類面積加和求得生態足跡和生態承載力，在一定程度上忽視了不同地類生產力和功能的不可替代性，但是該計算方法實現了各地類生產力和功能在量綱上的統一，研究結果可以反映研究區域內的總體情況，對中國大陸海岸帶地區提高可持續發展的水平有一定指導意義。從區域數據獲取層面考慮，本文選取2008—2017年的數據，數據獲取過程中存在局限性，以致研究結果與研究區域的實際情況存在些許差異，但未對整個研究造成較大的影響。此外，目前關于區域閉合系統生態足跡的研究較多，很少考慮區域間的物質流動，因此，核算開放系統的生態足跡，即綜合考慮本地與外界物質流動的態足跡核算有待進一步研究。

4.2 結 論

三維生態足跡擴展模型是衡量一個地區可持續發展的一個重要方法。本文通過計算中國大陸海岸帶區域及該區域各省市生態足跡變化來評估可持續發展狀況，并在此基礎上利用偏最小二乘回歸模型來揭示生態足跡和足跡深度的驅動因素，研究表明：

(1) 2008—2017年中國大陸海岸帶地區總生態足跡、人均生態足跡呈現出逐年增長的趨勢，總生態足跡和人均生態足跡變化相同，2008—2012年間增長較快，2012—2017年增長緩慢。

(2) 各省市人均生態承載力變幅不大，廣西人均生態承載力始終最大，上海人均生態承載力始終最小。

(3) 足跡深度由2008年的12.841 0增長到2017年的15.776 5，生態赤字進一步加大，可見自然資本流量早已不能滿足該區域的發展，嚴重依賴于自然資本存量，可持續發展能力較差，分省來看2017年人均足跡深度最大值和最小值分別為上海(64.047 1)和廣西(6.774 4)。此外，足跡深度在空間分布上呈現出中北部省市相對于南部省市相對較高的現象。

(4) 經濟快速發展、城市規模擴大、環境污染加劇和區際交流的擴大是該區域生態足跡和足跡深度增加的主要驅動力，生態建設和科學技術提高對緩解生態足跡和足跡深度加大有著積極作用。