基于改進三維生態足跡的貴州喀斯特山區可持續發展評價

杜雪蓮，井 彤

(貴州財經大學 經濟學院，貴州 貴陽 550025)

1 引言

生態足跡法是定量評估自然資本利用和可持續狀況的重要方法。Rees[1]首次提出生態足跡概念，即能夠滿足人類生產生活需求的生態生產性土地面積。Wackernagel[2]通過引入生態承載力形成二維生態足跡模型，Niccolucci等[3]加入足跡深度和足跡廣度兩個新指標，將模型范圍擴大至三維。方愷[4，5]首次把三維生態足跡模型引進國內，并進一步完善了模型。此后，國內三維生態足跡研究逐漸展開。研究尺度主要涉及國家宏觀層面[6，7]、省市層面[8～10]等，研究內容涉及自然資本利用評估[6，7]、資源環境承載力評價[8]、區域生態安全評價[9]及生態補償研究[10]等領域。但針對喀斯特生態脆弱區的研究尚不多見。貴州是長江和珠江上游重要生態屏障，喀斯特地貌導致其生態環境脆弱，長期以來經濟較為落后。隨著2012年國發2號文件的發布，該區社會經濟發展迅速。如何守好發展和生態兩條底線，是貴州面臨的重大課題。鑒于此，本文以典型喀斯特山區貴州省為研究對象，通過改進三維生態足跡模型評估該區2010～2019年自然資本利用情況以及可持續發展狀況，為該區自然資本的可持續利用和生態文明建設提供依據，也為其他喀斯特生態脆弱區的可持續發展提供一定的參考。

2 研究方法

2.1 改進三維生態足跡模型及補充指標

2.1.1 改進三維生態足跡模型

方愷[27]指出傳統三維生態足跡模型存在不足，為此推導出改進三維生態足跡模型，計算公式如下：

EFsize,i=min{EFi,BCi}

(1)

(2)

(3)

(4)

EF3D,region=EFsize, region×EFdepth, region

(5)

式(1)～式(5)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；EFi、BCi分別為第i地類生態足跡和生態承載力；EFsize, region表示區域生態足跡廣度，EFdepth, region表示區域生態足跡深度，EF3D ,region表示區域三維生態足跡。

2.1.2 模型補充指標

當資本流量未被完全占用時，足跡深度處于自然原長(為1)，不能表示人類對資本流量的實際占用程度。引入資本流量占用率指標，其計算公式為：

(6)

當資本流量被完全占用時，存量資本開始消耗。引入存量流量利用比指標來表征實際利用自然資本中存量與流量的大小關系，其計算公式為：

(7)

2.2 可持續發展綜合指數

2.2.1 生態資源利用效率指數

EE=(N×ef)/GDP

(8)

式(8)中，EE為生態資源利用效率指數，N為人口數，ef為人均生態足跡。

2.2.2 生態壓力指數

生態壓力指數可以反映區域生態環境承壓能力的強弱， 計算公式為：

(9)

式(9)中，PP為生態壓力指數，ef'為可更新資源的人均生態足跡，bc為人均生態承載力。

參考趙先貴等學者[14]對生態壓力指數等級進行了劃分，如表1所示。

表1 生態壓力指數等級

2.2.3 生態多樣性指數

生態多樣性指數可用來衡量各土地類型的占比均勻程度，指數越高代表生態穩定性越高[11]。計算公式為：

(10)

式(10)中，H為生態多樣性指數，Pi為第i類土地生態足跡占總生態足跡的比例。

2.2.4 可持續發展能力綜合指數

(11)

2.3 數據來源

本文選取生物資源、能源和污染物排放的指標及數據源如表2。生物資源賬戶中的畜產品按其飼料來源分別歸入相對應的土地類型，各初級產品全球平均產量來自謝鴻宇等的研究[12]。土地利用數據來自《貴州省國土資源公報》(2010～2017年)和《貴州省自然資源公報》(2018～2019年)，人口數據來自《貴州統計年鑒》(2011～2020年)，化石能源計算參考徐中民等[13]的研究。

表2 指標選取及數據來源 生態足跡/(hm2/人)，占比/%

3 結果與分析

3.1 生態足跡分析

3.1.1 不同地類生態足跡分析

由表3和圖1可知，2010～2019年人均生態足跡呈“倒U型”趨勢變化：2010～2014年人均生態足跡逐年上升，由4.1589 hm2/人增加到4.9048 hm2/人，平均增速4.48%。2016年后，人均生態足跡呈現下降趨勢，由4.9086降至4.4629，表明2016年以來研究區可持續能力增強。2016年《巖溶地區石漠化綜合治理工程“十三五”建設規劃》發布，同年貴州省被列為國家生態文明試驗區，這些都促進了貴州省生態建設和產業轉型，經濟社會發展對生態環境的壓力不斷減小。從表3可知，不同地類生態足跡排名為：化石能源>耕地>草地>林地>建設用地>水域。化石能源總體呈現出“增-減-增-減”的趨勢，2016年后開始下降，說明近年來化石燃料消費的減少緩和了該區生態環境壓力。耕地生態足跡呈現先增加后降低的變化，從2010年的1.6243hm2/人上升到2014年的1.9531hm2/人，隨后持續穩定下降至2019年的1.6529 hm2/人。2016年《貴州省“十三五”現代山地特色高效農業發展規劃》發布，2018年起貴州開展農村產業革命推進農業產業結構調整，進而促進貴州農業高質量發展，農業生產活動對生態環境的影響逐漸減輕。草地生態足跡總體呈上升趨勢，從2010年的0.3166 hm2/人增加到2019年的0.4838 hm2/人，而林地生態足跡總體呈下降態勢，從2010年的0.3851 hm2/人增加到2019年的0.1550 hm2/人。水域和建設用地生態足跡最小，均不到0.1 hm2/人，兩者整體趨于穩定并呈小幅度上升趨勢，10年間均增加了約0.05 hm2/人。

圖1 不同地類生態足跡變化

表3 貴州省不同地類生態足跡 hm2/人

3.1.2 不同賬戶構成分析

本文在傳統足跡賬戶基礎上增加污染物足跡賬戶，其中廢水主要被水域吸納，廢氣主要被林地吸收，固體廢棄物處置主要占用耕地，污染物排放折算土地面積借鑒相關學者研究[16～18]。從生態足跡賬戶構成來看(表4和圖2)，占比最大的是生物資源賬戶，從2010年的46.87%增加到2019年的48.46%，其次是能源消耗賬戶，從2010年的42.46%增加到2010年的46.14%，占比最小的是污染物排放賬戶，從2010年的10.68%下降到2010年的5.41%。由表4可知，研究期內生物資源賬戶和能源消耗賬戶生態足跡呈現先增加后降低的態勢，生物資源賬戶生態足跡從2010年的1.9491 hm2/人增加到2016年的2.4252 hm2/人，隨后逐漸降低，2019年降至2.1625 hm2/人，能源消耗資源賬戶生態足跡從2010年的1.7656 hm2/人增加到2017年的2.2035 hm2/人，隨后逐漸降低，2019年降至2.0590 hm2/人，污染物排放賬戶生態足跡持續穩步下降，研究期內從0.4441 hm2/人降至0.2413 hm2/人，表明貴州省10年來節能減排工作取得顯著成效，但經濟發展仍然嚴重依賴自然資源和能源。

圖2 人均生態足跡賬戶組成

表4 貴州省不同地類生態足跡及占比 hm2/人、%

3.2 足跡深度和足跡廣度分析

3.2.1 三維生態足跡深度分析

通過公式(2)和(4)計算得出貴州省各年生態足跡深度如表5所示。足跡深度表示自然資本存量消耗，指標越小說明區域可持續發展程度越好。可以看出，貴州生態足跡深度(2.7673～3.3311)大于超過同期的全球足跡深度(2.51～2.60)[6]。研究期貴州生態足跡深度呈先上升后降低的態勢。其中，2010～2016年，區域人均生態足跡深度逐年增加，從2.81上升到3.33，增長了1.2倍。2016年以后，人均足跡深度呈現下降趨勢，2019年降至3.13。足跡深度的下降說明貴州省近年自然資本存量消耗有所降低，生態可持續能力逐漸增強，這得益于 “十三五”期間貴州堅持生態優先，全力推進生態文明建設。不同地類情況為，林地足跡深度逐年下降，2016年以后一直為1(處于自然深度)。這與“十三五”期間貴州石漠化綜合治理進程的推進以及退耕還林行動緊密相關，對林地資源流量的消耗即可滿足對林地資源的消費需求。建設用地自2013年以來流量資本已經不能滿足需求，需要動用資本存量，并且消耗的越來越多。這是由于2010年以來貴州經濟快速發展建設用地面積增加所致。耕地、草地和水域的足跡深度均大于1，其中耕地10年來穩定在3附近，即要實現貴州省區域糧食的自給自足，還需要3倍于當前的耕地面積。草地和水域足跡深度多年均值分別達到40.06和62.86，遠高于其他地類。一方面，貴州是典型的喀斯特山區，草地和水域面積較小;另一方面，隨著居民生活水平的提高，對水產品和畜牧產品需求增加。同時，由于研究期內貴州省廢水排放量逐年增加造成水域負荷變大，足跡深度增加了1.7倍。

3.2.2 三維生態足跡廣度分析

足跡廣度上限是生物承載力，反映區域自然資本流動性的強弱。通過公式(1)和(3)的計算得出各年足跡廣度，結果顯示區域人均生態足跡廣度呈現先增加后降低的態勢。從2010年的0.9363增加到2013年的0.9546，隨后呈下降趨勢，2019年降至0.8049。如圖3所示，對足跡廣度貢獻最大的是耕地，從2010年的60.72%增加到2019年的67.83%，這是因為農業是貴州最主要的自然資本利用方式，也是資本流量占用的比較優勢，研究期末占比稍有上升。林地和建設用地對區域足跡廣度也有重要貢獻，研究期內林地足跡廣度占比從2010年的30.35 %降至2019年的19.26%，建設用地足跡廣度從2010年的7.66%提高到2019年的11.49%。貴州位于喀斯特山區，由于小氣候差異大和生境異質性高導致物種多樣性高，區域森林資源豐富，生態承載力較大。研究期內，貴州城鎮化發展迅速，建設用地面積大幅增加，其占生態足跡廣度的比例逐年增加。喀斯特山區草地和水域面積較小，二者對足跡廣度貢獻較小。

表5 貴州省人均生態足跡深度

圖3 人均區域足跡廣度構成

3.3 資本流量占用率和存量流量利用比分析

根據式(6)、(7)計算得出相應模型補充指標結果如表6所示。可以看出，貴州省存量流量利用比與區域足跡深度一致，以2016年為節點呈“倒U型”變化。從不同地類來看，研究區耕地、草地和水域流量資本已完全占用，需消耗存量資本來滿足流量資本的不足。耕地存量流量比呈先增加后降低的態勢，在2014年達到最大值2.4642，2019年降至2.0278，說明耕地生態壓力有所減輕。研究時段內水域存量流量比增速最快，增長了1.8倍。草地存量流量比增長也較快，從2010年的29.0312增加到了2019年的46.7855，增幅為75.28%。建設用地資源流量占用率從2010年的74.44%上升到2012年的93.23%，2013年開始使用自然資本存量，存量流量利用比呈現小幅度增加，表明城市化進程導致城市用地規模的擴大，自然資本占用越來越高。2010～2015年，林地存量流量利用比從0.3549降至0.0269，從2016年起，林地進入流量資本占用狀態，且資本流量占用率持續降低，顯示對林地自然資本利用的持續性相對較強，“十三五”期間貴州加強推進石漠化治理和退耕還林等生態治理措施使林地承載力穩步提升。

表6 資本流量占用率和存量流量利用比

3.4 可持續發展評價

根據公式(8)～式(11)計算得出可持續發展各指數見圖4。可以看出，貴州省生態資源利用效率指數逐年下降，從2010年的3.2018到2019年的0.9642，減少了69.89%，說明貴州10年來經濟高速發展促進產業結構優化升級，資源利用效率不斷提高。生態壓力指數呈現“倒U型”趨勢變化，2015年達到最高值3.4510后開始下降，多年平均值為3.1901，10年來都處于極不安全狀態。生態多樣性指數總體呈現平穩態勢，從2010年的1.2861減少到2019年的1.2696，未來仍要不斷優化土地利用結構，增加生態的穩定性。2010～2019年貴州省可持續發展綜合指數小幅增加，增幅為23.85%。研究時段內貴州經濟增速多年來位于全國前列，產業結構不斷調整優化，資源利用效率提高，石漠化治理和生態建設取得較大成效，生態環境不斷優化，堅持經濟和生態協同發展，充分發揮本省良好的生態環境優勢，大力發展山地特色高效農業，可持續發展能力穩步提升。

圖4 貴州省可持續發展能力綜合指數變化

4 結論與討論

4.1 結論

(1)貴州省2010～2019年人均生態足跡呈“倒U型”趨勢變化：2010～2014年人均生態足跡由4.1589 hm2/人增加到4.9048 hm2/人，2016年以后呈現下降趨勢。化石能源、耕地和林地生態足跡近年來有所下降，草地、建設用地和水域生態足跡趨于穩定并呈小幅度上升趨勢。從不同賬戶看，生物資源賬戶、能源消耗賬戶呈現先增加后降低的態勢，污染物排放賬戶持續降低。

(2)2010～2016年區域人均生態足跡深度逐年增加，從2.81上升到3.33，2016年以后呈現下降態勢。林地2016年開始處于自然深度，建設用地消耗的資本存量越來越多，耕地足跡深度10年來穩定在3附近，草地和水域足跡深度多年均值分別達到40.06和62.86，遠高于其他地類。區域人均足跡廣度2013年達到最大值0.9546，2019年降至0.8049。對足跡廣度貢獻最大的是耕地，研究期末占比上升。其次為林地和建設用地，研究期內二者足跡廣度占比分別為30.35%～19.26%和7.66%～11.49%，草地和水域對足跡廣度貢獻較小。

(3)貴州省存量流量利用比以2016年為節點呈“倒U型”趨勢變化。耕地存量流量比在2014年達到最大值2.4642，研究期內水域和草地存量流量比增速快速，建設用地2013年后存量流量利用比呈現小幅度增加，林地從2016年起進入流量資本占用狀態，且資本流量占用率持續降低。貴州省生態資源利用效率指數逐年下降，減少了69.89%，說明貴州10年來經濟高速發展促進資源利用效率不斷提高。生態壓力指數10年來都處于極不安全狀態，2015年達到最高值3.4510，近年來持續降低，呈現“倒U型”趨勢變化。研究期內貴州省生態多樣性指數小幅下降，總體呈現平穩態勢。2010～2019年貴州省可持續發展綜合指數逐年增加，增幅為23.85%。

4.2 討論

本研究基于三維生態足跡模型對貴州自然資本的可持續利用進行評價研究，但本研究中對于三維生態足跡研究的賬戶設置尚不夠完整。另外，本研究的生態足跡模型是“封閉”的，即假定研究區居民的資源消費和生態占用均由本區承擔。下一步要將區域間的貿易往來考慮到模型當中，同時將水足跡、碳足跡等納入核算范疇形成比較完整的足跡家族框架，從而使評價結果更加全面準確和符合實際。

為實現貴州喀斯特山區可持續發展，提出以下對策措施：

(1)科學推進喀斯特石漠化、水土流失綜合治理，改善提升自然生態系統質量，提供更加優質的生態產品；

(2)加快推進“兩山”轉化，積極發展喀斯特山地特色農業和山地旅游；

(3)優化產業結構和能源結構，提高資源利用效率；

(4)提高人口素質，推動教育高質量發展，大力引進高層次人才。