“省公頃”標準下內蒙古生態足跡動態分析及預測

趙 昕，馬越峰

(內蒙古科技大學 經濟與管理學院，內蒙古 包頭 014010)

十九大精神與“十四五”規劃明確提出我國生態文明建設與可持續發展長期發展戰略。內蒙古作為資源大省，在西部大開發、東北振興戰略等一系列區域協調發展的政策措施積極推進下，全區經濟發展取得巨大成就。與此同時，社會經濟與生態環境發展不協調問題日益嚴重。因此如何實現生態環境保護與可持續發展，需要引入“生態足跡”的概念[1]，進一步評估區域生態環境狀況。

生態足跡是評估自然資本消耗與生態承載力協調與否的有效方法。國內外學者紛紛將生態足跡理論運用到區域生態可持續發展的研究中。在研究對象上，國內外學者將研究視角從國家、省域、市縣延伸到了城市群和流域。Folk等研究測算了歐洲波羅的沿海流域的近30個城市的生態足跡情況，結果表明整個波羅海流域的生態經濟系統嚴重失衡[2]；在國內，楊屹、王昕宇、朱文娟等學者分別測算了陜西省、四川省宜賓市、浙江省溫州市泰順縣的生態足跡[3-5]。在應用領域上，生態足跡從生態環境逐漸拓展到了交通[6]、土地[7，8]、旅游[9，10]等方面。關于生態足跡預測的研究，Vuuren 等將時間序列預測模型應用于生態足跡的研究中[11]。其中灰色GM(1，1)模型被大多數學者所選用，朱高立等預計2028年江蘇鹽城生態的不可持續狀況更加嚴重[12]；郭榮中等預測長株潭地區到2026年人均生態赤字將上升到-2.3406 hm2[13]；ARIMA模型與GM(1，1)模型相比，能夠較為精確地預測非平穩性時間序列，在生態領域中主要被應用于水資源研究中[14]。

當前已有大量有關內蒙古生態足跡的研究[15，16]，筆者在傳統生態足跡模型的基礎上，以內蒙古土地實際生產力為標準，運用改進后的“省公頃”生態足跡模型，計算符合內蒙古自然條件的當量因子，建立生物資源、能源消耗和污染排放賬戶，測算內蒙古生態足跡及其相關指標；在此基礎上預測了未來5年的人均生態足跡、承載力和赤字，對科學合理地改善內蒙古區域生態協調可持續發展有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

在祖國的北疆，橫跨西南到東北的狹長區域是內蒙古自治區，其面積占全國國土面積的12.3%。有多種地貌形式，如高原、平原、山地等，其海拔高度平均在1 000 m左右；全區光照資源豐富；降水量相對較少且不勻，絕大部分地區雨水每年平均下降不達400 mm，由東向西，降水逐漸減少。2019年末常住人口2 539.56萬人，農作物總播種面積888.6萬 hm2，糧食生產收貨頗豐，畜牧業、工業總體發展穩定，服務業發展規模擴大。

1.2 數據來源

通過調整足跡賬戶類型對生態足跡模型做出改進，選取農業產品等共18種生物資源項目，原煤、焦炭、原油、燃料油、天然氣、電力共6種能源消耗項目，水污染、二氧化硫排放、氮氧化物排放、煙粉塵排放、固體廢物污染共5種污染排放項目。以內蒙古為研究樣本，2008年—2020年為時間尺度，計算并分析區域耕地、草地、林地、建設用地、水域、化石能源用地等6類基礎用地的生態足跡及生態承載力。測算所需數據來源于2009年—2021年《內蒙古統計年鑒》，部分缺失數據查詢統計公報或運用線性插值方法進行處理。

1.3 研究方法

1.3.1 生態足跡模型。William Rees是最早開始生態足跡相關研究的學者[1]。其計算公式如下所示。

(1)

式中，EF是生態足跡；N為某一區域內的總人口數，ef表示人均生態足跡；rj是均衡因子；Ci表示某一項目的人均消費量；Pi表示平均生產能力；i是消費項目；j表示土地類型，如耕地、林地等。

生態承載力，又被稱為“生態容量”或“生態供給”。其計算公式如下所示。

EC=N·ec=N·Σaj·rj·yj

(2)

式中，EC、ec分別表示某一區域內總生態承載力及人均生態承載力；aj為某一類型土地的面積；yj為產量因子。按照國際慣例，考慮生物多樣性保護，生態承載力測算結果要扣除12%。

生態盈余/赤字的計算公式如下所示。

E=EC-EF=N(ec-ef)

(3)

式中，若EC>EF，E>0，則生態處于盈余狀態；若EC

三維生態足跡的計算公式如下所示：

(4)

EF3D=EFsize×EFdepth

(5)

式中，EF3D為三維生態足跡模型中的生態足跡，其數值與傳統模型中生態足跡的值相同；EFdepth稱為足跡深度，EFsize是足跡廣度，分別表明了資本存量與流量的占用水平，其足跡廣度的上限為生物承載力。

1.3.2 參數說明。①參考李瑩的研究[17]，結合我國畜牧養殖的實際情況，生物資源賬戶中有同一產品對應不同土地利用類型的情況，如牛肉產品的86%對應于耕地，14%對應于草地；羊肉及羊毛絨產品的57%對應于耕地，43%對應于草地；奶類產品的72%對應于耕地，28%對應于草地。②不同地類生物生產性面積及平均生產力的值均從“聯合國糧食及農業組織”官網獲取。在計算能源消耗賬戶生態足跡時，能源折算系數參考Wackernagel研究[18]。③污染排放賬戶生態足跡計算時，各類污染項目土地吸納面積換算系數均參考前人研究成果[19]，水污染排放占用單位面積耕地的平均吸納量為365 t/hm2；二氧化硫、煙粉塵、二氧化碳分別占用單位林地的平均吸納量為88.65 kg/hm2、10 110 kg/hm2、3 590 kg/hm2；固體廢棄物占用單位面積耕地平均可堆積量為1.09×108kg/hm2。④為精確反映內蒙古的社會經濟發展特征，基于“省公頃”生態足跡改進模型，根據內蒙古土地平均生產力，計算均衡因子與產量因子，與世界自然基金會(WWF)計算“全球公頃”標準下當量因子的方法相比較，更切合不同地區不同環境的客觀規律，計算結果更具針對性。

計算2008年—2020年內蒙古地區的均衡因子和產量因子，但由于篇幅有限，僅選取近3年的結果列表展示，如表1所示。

表1 不同土地類型的均衡因子與產量因子

1.3.3 ARIMA模型。 ARIMA模型是由AR自回歸模型與MA移動平均模型組合而成的，被廣泛應用于非平穩時間序列的研究中[20]。建立該模型需要確定p、d、q 3個參數，其中q由MA模型確定，表示移動平均的階數；d是非平穩序列處理成平穩序列需要差分的階數；p是AR自回歸模型的階數。

2 結果與分析

2.1 生態足跡模型測算結果分析

根據生態足跡模型中公式(1)(2)(3)，對2008年—2020年內蒙古自治區人均生態足跡、人均生態承載力和人均生態赤字/盈余做了測算。結果如圖1所示，人均生態足跡整體呈下降趨勢，從2008年的19.36 hm2/人降低到2020年的17.39 hm2/人；在2016年出現了近13年來的最低值，為14.38 hm2/人。但在2016年之后，又表現為增長趨勢。這得益于政府環保理念的宣傳與人們意識水平的提升，使得生態足跡呈下降趨勢。但近3年，隨著脫貧攻堅與全面小康國家大政策下，人們對自然資源的消耗也逐漸增加。

圖1 人均生態足跡、承載力及赤字

人均生態承載力受資源稟賦的影響，2008年-2020年間變化幅度不明顯，呈緩慢增長狀態，從2008年的2.36 hm2/人增長到2020年的4.64 hm2/人；在2012年漲幅較明顯，年增長率為31.6%。這得益于生態保護建設的成果。天然林資源保護二期工程于2011年正式啟動，對森林資源恢復性增長與生態狀況逐步改善起到了重要的作用；2012年完成了退牧還草工程建設任務1 567萬 hm2，到2011年累計完成草地治理面積633.6萬 hm2。生態建設工程的實施使得內蒙古生態承載力有了明顯的提升。

但總體來看，近13年內蒙古生態環境處于嚴重生態赤字狀態。人均生態赤字與人均生態足跡呈對稱變化狀態，從2008年的17 hm2/人降低到2020年的12.619 hm2/人，表現為緩慢下降趨勢；2008年—2014年人均生態赤字保持在17 hm2/人左右，于2016年出現最高值，為10.04 hm2/人。生態足跡與生態赤字變化幅度相同，均為先減后增，并且在2008年—2015年無較大變化；出現這種變化的原因是在這13年間人均生態承載力變化平穩。

運用ArcGIS 10.7軟件，取2008年—2020年12個盟市人均生態足跡深度和足跡廣度年平均值作為空間維度參考，再以每2年為跨度取各盟市人均足跡深度和足跡廣度作為時間維度參考，繪制時空分布圖，從橫向、縱向兩個角度可視化分析內蒙古生態壓力狀況。

內蒙古12個盟市生態足跡深度時空分布情況如圖3所示，按數值大小將足跡深度分為極高、高、中、低、極低5個水平，其中興安盟、通遼市、包頭市、鄂爾多斯市人均足跡深度最高，年均數據分布在3.75 hm2/人～4.89 hm2/人范圍內；錫林郭勒盟和赤峰市人均足跡深度次之，在3.21 hm2/人～3.75 hm2/人之間變化；呼倫貝爾市和呼和浩特市人均足跡深度屬于中等水平，年均數據在1.95 hm2/人～3.21 hm2/人范圍內；烏海市與烏蘭察布市人均足跡深度較低，在0.97 hm2/人～1.95 hm2/人之間變化；阿拉善盟和巴彥淖爾市人均足跡深度最低，年均數據在0.89 hm2/人～0.97 hm2/人范圍內。從時間序列來看，呼倫貝爾市、興安盟、通遼市、赤峰市、包頭市人均足跡深度有顯著的增長；呼和浩特市、鄂爾多斯市、阿拉善盟的人均足跡深度呈緩慢增長趨勢；錫林郭勒盟的人均足跡深度有先減少后增加的趨勢，烏海市則相反，呈現出先增加后減少的趨勢；巴彥淖爾市的人均足跡深度在2008年處于最高值，在2010年迅速減少，之后逐漸趨于穩定；烏蘭察布市人均足跡深度在近12年保持平穩狀態。

圖2 人均生態足跡-模型擬合和預測

圖3 內蒙古足跡深度時空分布

內蒙古12個盟市生態足跡廣度時空分布情況如圖4所示，與足跡深度一樣，按數值大小將足跡廣度分為5個水平，其中巴彥淖爾市和呼倫貝爾市人均足跡廣度最高，年均數據分布在8.03 hm2/人～10.86 hm2/人范圍內；阿拉善盟人均足跡廣度次之，在3.10 hm2/人～8.03 hm2/人之間變化；烏海市、鄂爾多斯市、烏蘭察布市、錫林郭勒盟和興安盟人均足跡廣度屬于中等水平，年均數據在2.20 hm2/人～3.10 hm2/人范圍內；赤峰市和通遼市人均足跡廣度較低，在1.27 hm2/人～2.20 hm2/人之間變化；包頭市和呼和浩特市人均足跡廣度最低，年均數據在1.25 hm2/人～1.27 hm2/人范圍內。從時間序列來看，巴彥淖爾市2008年與2018年的人均足跡廣度相比較有顯著的增長；阿拉善盟和呼倫貝爾市人均足跡廣度有著相同的變化規律，均表現為前期平穩變化，后期大幅度減少；烏海市、鄂爾多斯市、赤峰市、通遼市的人均足跡廣度均在2018年有明顯減少；包頭市、呼和浩特市、烏蘭察布市、錫林郭勒盟、興安盟的人均足跡廣度在近12年變化不顯著。

圖4 內蒙古足跡廣度時空分布

2.2 ARIMA模型預測分析

ARIMA模型的建立主要經過4個步驟：序列平穩性檢驗、模型識別、模型建立和模型預測[21]。通過ADF序列平穩性檢驗，可得人均生態足跡這一非平穩的時間序列，經過一階差分變為平穩序列，所以參數d=1；一階差分后的自相關系數(AC)和偏自相關系數(PAC)都是拖尾的，其中自相關函數值在一次滯后出現明顯的幾何遞減，則p=1，q=0；所以確定為ARIMA(1，1，0)模型，進一步通過Q統計量檢驗，判斷模型的殘差情況為白噪聲，基本滿足要求。

人均生態足跡序列進行模型的回歸擬合和預測的結果，如圖2所示，模型的擬合值和真實值相比，有較為一致的起伏趨勢，說明模型擬合效果較好，該模型從一定程度上來說還是比較理想的。

采用同樣的方法，可以得到人均生態承載力時間序列預測模型為ARIMA(0，2，0)，人均生態赤字時間序列預測模型為ARIMA(0，1，1)。人均生態承載力與人均生態赤字的模型擬合和預測結果分別如圖5和圖6所示，模型擬合效果均較為理想。

圖5 人均生態承載力-模型擬合和預測

圖6 人均生態赤字-模型擬合和預測

通過構建不同參數的ARIMA模型，分別預測了內蒙古未來5年的生態壓力狀況，結果見表2。

表2 人均生態足跡、承載力、赤字的結果

預計在2025年人均生態足跡減少至16.493 hm2/人，人均生態承載力逐漸提高，生態赤字的程度縮小，但變化幅度均較小。這說明生態環境治理工程起到了初步成效。

3 結束語

在“省公頃”標準下，筆者所得2008年-2020年生態足跡動態分析結果與已有的研究[22]相比存在差異。從整體來看，不同地類均衡因子按值大小排列依次為耕地、林地、水域、草地，產量因子為草地、耕地、林地、水域，當量因子的值與其存在較小的差別；人均生態足跡、承載力及赤字的變化趨勢與其相近。究其原因，這與研究所選取的足跡賬戶核算項目有關，出于現實情況的考究，調整了足跡賬戶，在王業寧學者研究[25]的基礎上，增加了污染排放賬戶。與其他資源型大省，如山西省[23]、黑龍江省[24]相比，內蒙古自治區的人均生態足跡較高，人均生態承載力較低，人均生態赤字較高?？梢?，2008年—2020年內蒙古存在過度消耗自然資源的現象，面臨著嚴重的生態環境壓力。

基于文中分析研究，可以得出以下結論：①2008年—2020年內蒙古生態呈現出非良性的發展狀態，從2008年起至2020年每年都表現為生態赤字，生態足跡在2016年處于最低值，在此后4年表現為增加的趨勢，而人均生態承載力保持在基本穩定狀態，呈緩慢增加的趨勢。②2008年—2020年各盟市自然資源消耗水平不同，呼倫貝爾市、阿拉善盟和巴彥淖爾市的足跡深度較小，足跡廣度較大；包頭市、呼和浩特市和通遼市的足跡深度較大，足跡廣度較小。這符合足跡深度與廣度相對變化的規律，即自然資本流量消耗增加，則存量消耗減少，反之亦然。③預計在2021年—2025年內蒙古生態壓力狀況得到緩解，通過預測分析，可得人均生態足跡在未來5年有所減小，生態承載力有所增大，預計到2025年生態赤字狀態會有明顯的改善。