基于能源足跡改進(jìn)模型的農(nóng)業(yè)區(qū)可持續(xù)性分析

方 愷,沈萬斌,王黎黎

(吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,吉林長春130012)

基于能源足跡改進(jìn)模型的農(nóng)業(yè)區(qū)可持續(xù)性分析

方 愷,沈萬斌＊,王黎黎

(吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,吉林長春130012)

為克服小尺度區(qū)域生態(tài)足跡計(jì)算中能源足跡比例過高、進(jìn)而導(dǎo)致評價(jià)結(jié)果過于消極的問題,對能源足跡模型進(jìn)行了改進(jìn):將不同類型土地對CO2的吸收均納入計(jì)算,并引入凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力表征植被的碳吸收能力。應(yīng)用改進(jìn)前后的兩個(gè)模型對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)——浙江省桐廬縣金牛村的可持續(xù)性進(jìn)行了分析,結(jié)果顯示:2005-2007年根據(jù)傳統(tǒng)能源足跡計(jì)算的金牛村生態(tài)足跡從0.857 hm2增到1.049 hm2,生態(tài)赤字從0.481 hm2增到0.652 hm2;根據(jù)改進(jìn)能源足跡計(jì)算的生態(tài)足跡從0.743 hm2增到0.936 hm2,生態(tài)赤字從0.368 hm2增到0.539 hm2。與傳統(tǒng)能源足跡相比,改進(jìn)能源足跡降低約0.113 hm2,其占全村生態(tài)足跡的比重減少了12%～15%,結(jié)果較理想。研究表明,人為活動(dòng)對環(huán)境的影響已超出生態(tài)可承載能力,當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)呈現(xiàn)不可持續(xù)的發(fā)展趨勢。改進(jìn)模型更能準(zhǔn)確反映研究區(qū)自然資源的利用狀況,對正確評價(jià)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)性具有積極意義。

生態(tài)足跡;能源足跡;凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力;傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)

國際生態(tài)足跡研究源于20世紀(jì)70年代生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域的諸多研究成果[1]。此后,加拿大生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)家 Rees于1992年提出了生態(tài)足跡的概念[2],并由Wackernagel等加以完善而發(fā)展為生態(tài)足跡模型[3]。生態(tài)足跡的應(yīng)用范圍很廣,可用在全球、國家、地區(qū)、部門等尺度上[1],目前已成為定量測度區(qū)域可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)的重要方法之一[4]。

生態(tài)足跡概念于1999年引入我國[4],王書華等分別對新樂市、遼寧省、中國和全球的生態(tài)足跡進(jìn)行了計(jì)算[5-8],其結(jié)果成為評價(jià)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r的重要依據(jù)。相比之下,對一些小尺度區(qū)域、甚至是沒有工業(yè)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)的研究,卻因能源足跡比例過高而得出了過于消極的評價(jià)結(jié)果[9]。這主要是由于傳統(tǒng)模型以全球森林平均碳吸收能力為基準(zhǔn),將能源足跡表示為吸收CO2所需的林地面積[10],忽略了不同區(qū)域間植被碳吸收能力的差異,也未考慮其他類型土地對CO2的吸收,從而產(chǎn)生很大偏差。事實(shí)上,生態(tài)足跡與空間尺度密切相關(guān),對小尺度區(qū)域而言,人們大多希望通過生態(tài)足跡計(jì)算準(zhǔn)確判斷其可持續(xù)性,所以應(yīng)重點(diǎn)提高小尺度模型的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。為此,本研究從土地的多重生態(tài)功能出發(fā),引入凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(Net Ecosystem Productivity,NEP)表征植被的凈碳吸收能力,對能源足跡傳統(tǒng)模型進(jìn)行改進(jìn),據(jù)此實(shí)證分析江南傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)——浙江省桐廬縣金牛村,旨在為合理評價(jià)當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源利用狀況、促進(jìn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)保護(hù)提供參考。

1 能源足跡改進(jìn)模型的構(gòu)建

1.1 能源足跡定義的改進(jìn)

相關(guān)研究表明[11,12],林地、草地和海洋等生態(tài)系統(tǒng)均具有較強(qiáng)的CO2吸收能力,其中,林地吸收僅占1/3,其他生態(tài)系統(tǒng)占2/3。因此,當(dāng)研究區(qū)域內(nèi)林地面積并未占明顯優(yōu)勢時(shí),忽略其他類型土地對CO2的吸收會(huì)夸大能源足跡的數(shù)值,造成其占當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)足跡的比重偏高[9]。為此,本研究基于土地具有多重生態(tài)功能的角度,將能源足跡的定義修正為:各類植被吸收區(qū)域能源燃燒排放CO2所需的土地面積。

1.2 植被碳吸收系數(shù)的改進(jìn)

碳吸收系數(shù)是一個(gè)相對寬泛的概念,可由總初級生產(chǎn)力(Gross Primary Production,GPP)、凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Production,NPP)、NEP等多種指標(biāo)表征,但無論采用何種指標(biāo),原模型中的1.42 tC/(hm2·a)[13]都明顯偏低。本研究選取NEP(由 GPP扣除植物自養(yǎng)呼吸量和異養(yǎng)呼吸量得到,表示的是地球生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的凈碳通量[14])作為表征植被碳吸收能力的參數(shù),這主要基于以下原因:1)NEP反映了植被實(shí)際具有的凈碳吸收能力;2)NEP對生物圈是否積累大氣中過量CO2起決定作用[15]。

1.3 能源足跡計(jì)算方法的改進(jìn)

(1)傳統(tǒng)能源足跡的計(jì)算公式為:

式中:EEF為能源足跡;N為人口數(shù);ki為i類能源的折算系數(shù);ci為i類能源的人均消費(fèi)量;pi為i類能源的全球平均能源足跡。

(2)改進(jìn)能源足跡的計(jì)算公式為:

其中:

式中:cvi、cei分別為i類能源的燃燒熱值系數(shù)和碳排放系數(shù);SCO2,ij為吸收 i類能源排放1 t CO2所需的 j類土地面積;3.67為C與CO2分子量的換算系數(shù);wj為j類土地的碳吸收比例;λ0為 j類土地的碳吸收與其碳積累量之比(在同一時(shí)期內(nèi),各類土地的碳蓄積量與碳吸收量呈正比);Aj為j類土地的面積。

1.4 改進(jìn)模型與傳統(tǒng)模型的比較

與傳統(tǒng)能源足跡模型相比,改進(jìn)模型的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在:1)擴(kuò)大了參與碳吸收的土地類型,更符合區(qū)域碳吸收實(shí)際;2)引入NEP表征植被碳吸收系數(shù),更能反映植被實(shí)際碳匯能力;3)通過土地利用變化動(dòng)態(tài)調(diào)整不同類型土地的碳吸收比例,體現(xiàn)了能源足跡的區(qū)域性特征和對土地利用變化的響應(yīng)。改進(jìn)后的能源足跡不再單純以能源消費(fèi)量為變量,而是由土地利用結(jié)構(gòu)、植被碳吸收能力和能源消費(fèi)量共同決定。

2 能源足跡計(jì)算與比較

2.1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

金牛村(119°41′～119°43′E,29°44′～29°46′N)地處浙西龍門山系余脈的丘陵區(qū),屬北亞熱帶南緣季風(fēng)氣候,面積170.3 hm2;以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)為主,2008年人均水稻產(chǎn)量高達(dá)287.40 kg,但人均耕地僅為0.067 hm2,人地矛盾較突出。由于其獨(dú)特的農(nóng)業(yè)耕種方式和山區(qū)半封閉環(huán)境,金牛村入圍國家級生態(tài)村候選名單。本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要源于:Landsat TM遙感影像(分辨率20 m);桐廬縣農(nóng)村經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年報(bào)表(金牛村);桐廬縣農(nóng)林牧漁業(yè)綜合統(tǒng)計(jì)年度報(bào)表(金牛村);實(shí)地調(diào)研。

2.2 基于傳統(tǒng)模型的能源足跡

金牛村能源消費(fèi)可分為原煤、焦炭、汽油、柴油、燃料油、液化石油氣和水電等。因2005-2007年全村的能源消費(fèi)量波動(dòng)很小,故以3年消費(fèi)量的均值計(jì)。根據(jù)式(1)計(jì)算的傳統(tǒng)能源足跡結(jié)果見表1。

表1 基于傳統(tǒng)模型的金牛村年人均能源足跡Table 1 The annual average EEF per capita in Jinniu Village based on traditionalmodel

2.3 基于改進(jìn)模型的能源足跡

水域僅占金牛村面積的5.9%,碳吸收能力較弱,而耕地是碳源而非碳匯[16],故認(rèn)為兩者對 CO2的吸收沒有貢獻(xiàn)。此外,該村土地構(gòu)成中沒有草地,也不予考慮。占全村面積一定份額的園地是介于林地和草地之間的過渡類型[17],其NEP取林地與草地的平均值。由式(2)計(jì)算的改進(jìn)能源足跡見表2。

表2 基于改進(jìn)模型的金牛村年均人均能源足跡Table 2 The annual average EEF per capita in Jinniu Village based on modified model

改進(jìn)能源足跡較傳統(tǒng)能源足跡降低約0.113 hm2,產(chǎn)生這種差異的主要原因是:傳統(tǒng)模型將林地作為減少CO2的唯一途徑,而林地吸收實(shí)際只占全村土地碳吸收量的85.35%。改進(jìn)模型則綜合考慮了其他類型土地對CO2的吸收,從而使所得結(jié)果有所減少?？梢?改進(jìn)能源足跡更能真實(shí)反映當(dāng)?shù)刂脖坏奶嘉諣顩r。

3 生態(tài)足跡供需分析

生物資源足跡和生態(tài)承載力的計(jì)算仍采用傳統(tǒng)模型[4]。將兩種能源足跡結(jié)果代入生態(tài)足跡(為能源足跡與生物資源足跡之和)計(jì)算,以比較模型在生態(tài)足跡構(gòu)成和生態(tài)赤字上的差異。如圖1所示,根據(jù)傳統(tǒng)能源足跡計(jì)算的生態(tài)足跡從2005年的0.857 hm2增到2007年的1.049 hm2,根據(jù)改進(jìn)能源足跡計(jì)算的生態(tài)足跡從0.743 hm2增到0.936 hm2;與之對應(yīng),由傳統(tǒng)模型得到的生態(tài)赤字從0.481 hm2增到0.652 hm2,由改進(jìn)模型得到的生態(tài)赤字從0.368 hm2增到0.539 hm2?？傮w上,金牛村的生態(tài)足跡和生態(tài)赤字均呈逐年遞增趨勢,但由改進(jìn)模型得到的結(jié)果較樂觀。從生態(tài)足跡構(gòu)成看,傳統(tǒng)能源足跡占全村生態(tài)足跡的比重高出改進(jìn)能源足跡的12%～15%,而耕地足跡所占比重則下降約10%。可見,改進(jìn)模型更能體現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活中的基礎(chǔ)地位。

圖1 基于兩種模型的金牛村人均生態(tài)足跡供需變化Fig.1 Change of supply and demand for EF per capita in Jinniu Village based on two EEFmodels

2005—2007年生態(tài)承載力基本穩(wěn)定在 0.38 hm2左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于生態(tài)足跡,且各類土地對生態(tài)承載力的貢獻(xiàn)量幾乎沒有變化,從高至低依次是:林地>耕地>園地>建筑用地>水域;生態(tài)赤字逐漸擴(kuò)大,但增幅明顯放緩,分別比上年增加37.58%和6.53%,說明自然供給已不能滿足人們的需要,但這種不可持續(xù)性正在得到遏制。以改進(jìn)后的計(jì)算結(jié)果為例,耕地占全村土地總面積的36.23%～50.09%,但其生態(tài)足跡所占比重卻高達(dá)76.27%～78.20%,且還在攀升?？梢?生態(tài)赤字存在的主要原因是生物資源需求超過了全村可提供的土地面積。因此,金牛村主要通過消耗自身自然資本存量來彌補(bǔ)生態(tài)承載力的不足,這與南京等城市通過大量進(jìn)口化石燃料維持自身發(fā)展[18]有顯著區(qū)別,但都是不可持續(xù)的發(fā)展模式。與其他區(qū)域相比,2005年金牛村的生態(tài)足跡僅為浙江省的40.02%、全國的46.46%,遠(yuǎn)低于同期全球2.2 hm2的平均水平。但全村人均 GDP僅為浙江省的21.44%,即單位生態(tài)足跡創(chuàng)造的 GDP僅為浙江省的53.57%,說明資源利用效率還較低,在東南沿海地區(qū)仍處于相對落后的發(fā)展水平。

生態(tài)足跡供需分析結(jié)果表明,金牛村的生態(tài)赤字逐步擴(kuò)大,生態(tài)壓力迅速增加,人為活動(dòng)對環(huán)境的影響已超出生態(tài)可承載能力,當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)呈現(xiàn)不可持續(xù)的發(fā)展模式。建議一方面加快調(diào)整傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化水平,注重提升單位生態(tài)成本的經(jīng)濟(jì)效益;另一方面,應(yīng)適度開發(fā)以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)文化為特色的休閑產(chǎn)業(yè),提高村民的非生產(chǎn)性收入,抑制由農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量增加造成的生態(tài)足跡上升,進(jìn)而緩解人地矛盾加劇產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境壓力,實(shí)現(xiàn)資源利用與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的良性循環(huán)。

4 討論

本研究分別從定義、參數(shù)和計(jì)算方法三方面對能源足跡傳統(tǒng)模型進(jìn)行了改進(jìn),所得結(jié)果無論是絕對數(shù)值還是占生態(tài)足跡的比例都有較大幅度減少。由于改進(jìn)模型綜合考慮了各類土地的CO2凈吸收能力,因而更能準(zhǔn)確、真實(shí)地反映研究區(qū)的自然資源占用水平,在一定程度上克服了傳統(tǒng)模型過于消極的評價(jià)結(jié)果,對正確評價(jià)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。需要指出,改進(jìn)模型雖是為克服傳統(tǒng)模型在小尺度區(qū)域分析評價(jià)中的缺陷而構(gòu)建,但由于是對能源足跡理論和計(jì)算方法的本質(zhì)性改進(jìn),具有普遍性意義,因而同樣適用于大、中尺度區(qū)域。此外,若有較完善的植被NEP動(dòng)態(tài)測算方法,則基于改進(jìn)模型的能源足跡計(jì)算結(jié)果仍具有全球可比性。同時(shí),能源足跡改進(jìn)模型仍存在以下局限:1)目前我國的植被NEP研究尚處于起步階段,影響了所需資料的可獲取性;2)尚未將生物資源消費(fèi)量化為碳素排放量,無法用改進(jìn)模型計(jì)算該部分生態(tài)足跡,影響了模型的一致性;3)NEP的選取仍需權(quán)衡數(shù)據(jù)精度和可比性。上述問題限制了改進(jìn)模型的應(yīng)用范圍,今后需不斷加以完善。

浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院王莉紅副教授為本研究提供了數(shù)據(jù)資料,此致謝忱!

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Abstract:To solve the p roblem of too high p roportion of energy ecological footp rint in small-scale regional ecological footp rint w hich leaded to a hyper-pessimistic evaluation results,the energy ecological footp rintmodelwasmodified by taking CO2abso rption of diverse lands into account and introducing net ecosystem p roductivity to characterize the carbon absorp tion capacity of vegetation.The sustainability of Jinniu Village,a traditional agricultural area,was analyzed by using traditional and modified models.The results showed that during the period of 2005-2007,the ecological footp rintof Jinniu Village increased from 0.857 hm2to 1.049 hm2and the ecological deficit ascended from 0.481 hm2to 0.652 hm2based on the traditionalmodel,w hile the ecological foo tp rint increased from 0.743 hm2to 0.936 hm2and the ecological deficit ascended from 0.368 hm2to 0.539 hm2based on themodified model.It was indicated that the environmental impact of human activities had exceeded the ecological capacity,w hich rep resented an unsustainable development tendency.Comparing w ith the traditional energy ecological footp rint,the counterpart decreased by app roximately 0.113 hm2,and its p ropo rtion in total ecological foo tp rint descended by 12%～15%, w hich demonstrated amore op timistic result.In themeanw hile,the reason for differences between two models and the advantages and disadvantages of themodified model was analyzed.It was pointed out that the new model reflect the natural resource utilization of study area′s natural resourcesmo re objectively,w hich could p romote the assessment of the sustainability on traditional agriculture area in a p recise way.

Key words:ecological footp rint;energy ecological footp rint;net ecosystem p roductivity;traditional agricultural area

Sustainability Analysis in Agricultural Area Based on Modified Energy Ecological Footprint Model

FANG Kai,SHEN Wan-bin,WANGLi-li
(College of Environment and Resources,Jilin University,Changchun 130012,China)

Q149

A

1672-0504(2010)06-0066-04

2010-05-05;

2010-09-07

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2004CB418505);吉林大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目

方愷(1986-),男,碩士,研究方向?yàn)橘Y源環(huán)境規(guī)劃與管理,發(fā)表論文4篇。＊通訊作者E-mail:shenwanbin@jlu.edu.cn