生態(tài)足跡法在煤炭礦區(qū)規(guī)劃環(huán)評中的應(yīng)用及對策探討

程文鵬，耿海清，陳 帆，陸兆華，杜 松

（1.中國礦業(yè)大學(xué)，北京100083；2.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心，北京100012）

1 引言

生態(tài)系統(tǒng)具有提供人類所需的各種產(chǎn)品，對生態(tài)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，保障人居環(huán)境等多種功能。人類對生態(tài)系統(tǒng)這些功能在認(rèn)識(shí)上日益加深，其中生態(tài)承載力在確定一個(gè)地區(qū)發(fā)展定位、產(chǎn)業(yè)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)布局等方面的重要性日漸加強(qiáng)，其研究已經(jīng)成為當(dāng)前熱點(diǎn)。自然體系對內(nèi)外干擾的承載能力是其功能極限或容載量的表達(dá)，生態(tài)承載力是客觀存在的某種類型自然體系調(diào)節(jié)能力的極限值。地球上各等級自然體系都是具有強(qiáng)大活力的自然體系，這些自然系統(tǒng)具有自我維持生態(tài)平衡的功能，但這種功能是有限度的，超過這個(gè)限度將使自然體系發(fā)生質(zhì)的改變。

具體來說，生態(tài)承載力就是指在特定時(shí)期和特定區(qū)域內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)自我維持、自我調(diào)節(jié)和自我發(fā)展的能力[1]。目前，對生態(tài)系統(tǒng)承載力進(jìn)行定量計(jì)算是可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容，因?yàn)樯鷳B(tài)承載力是區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的支撐基礎(chǔ)，也是資源開發(fā)強(qiáng)度、開發(fā)模式是不是具有環(huán)境可持續(xù)性的一項(xiàng)重要判據(jù)。

資源、環(huán)境承載力評價(jià)是煤炭工業(yè)礦區(qū)規(guī)劃環(huán)境影響評價(jià)的重點(diǎn)，而生態(tài)承載力是判斷總體規(guī)劃是否具有環(huán)境合理性的重要依據(jù)。生態(tài)承載力的研究是通過定量預(yù)測規(guī)劃實(shí)施對自然生態(tài)資源的占用，來了解開發(fā)活動(dòng)可能對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的脅迫狀態(tài)，從而盡量減小對生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響，主要方法有綜合評價(jià)法、自然植被凈生產(chǎn)力估測法、差量法、狀態(tài)空間法、生態(tài)足跡法等，其中生態(tài)足跡法的應(yīng)用最為普遍。另外，生態(tài)足跡在城市交通、能源消費(fèi)、餐飲等行業(yè)也得到了較為普遍的應(yīng)用[2]。

2 生態(tài)足跡的計(jì)算方法

2.1 生態(tài)足跡的概念

生態(tài)足跡最早是加拿大生態(tài)學(xué)家William Ree于1922年提出的[3]，之后由Wackernagel將其理論進(jìn)行了完善。它是衡量自然界提供給人類各種自然資源以及人類對這些資源的利用程度的一種方法，并且定量的判斷一定區(qū)域的發(fā)展與其生態(tài)承載力是否相適應(yīng)。

生態(tài)足跡的計(jì)算基于兩個(gè)事實(shí)：人類自身對大多數(shù)資源的消費(fèi)和產(chǎn)生的廢棄物數(shù)是可以確定的；這些資源和廢棄物通過轉(zhuǎn)換能與一定面積的生物生產(chǎn)性土地相對應(yīng)。在生態(tài)足跡模型中，各種資源和能源消費(fèi)項(xiàng)目被折算成可耕地、林地、牧草地、建筑用地、化石能源用地和水域這6種類型的生物生產(chǎn)性土地，雖然它們生產(chǎn)的生物量不同，但通過均衡因子可以將其轉(zhuǎn)化為具有全球生態(tài)系統(tǒng)平均生產(chǎn)力的、可以直接相加的生物生產(chǎn)性土地面積。均衡因子的計(jì)算公式為：

某類土地的均衡因子＝全球該類土地的平均生產(chǎn)力/全球所有各類土地的平均生產(chǎn)力。

2.2 生態(tài)足跡和生態(tài)承載力計(jì)算

使用生態(tài)足跡法評價(jià)某一區(qū)域的生態(tài)承載力，需要分別計(jì)算生態(tài)足跡和生態(tài)承載力，其中生態(tài)足跡的計(jì)算公式為：

式中i為用地消費(fèi)類型（分別為：可耕地、林地、牧草地、建筑用地、石化能源地和水域）；ri為i類用地的均衡因子；ai為i消費(fèi)類型折算的人均生物生產(chǎn)性土地面積；Ci為i種消費(fèi)商品的人均消費(fèi)量；Pi為i種消費(fèi)商品的平均生產(chǎn)能力；N為評價(jià)區(qū)總?cè)丝跀?shù)；ef為人均生態(tài)足跡；EF為總生態(tài)足跡。

生態(tài)承載力的計(jì)算公式為：

式中：yi為i類用地的產(chǎn)量因子；eci為i類用地人均生態(tài)承載力；ec為人均生態(tài)承載力；EC為總生態(tài)承載力。

2.3 生態(tài)足跡與生態(tài)承載力的比較分析

將計(jì)算得出的生態(tài)足跡（EF）與生態(tài)承載力（EC）相比較，如果生態(tài)足跡小于生態(tài)承載力，說明有生態(tài)盈余，表明該地區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)所能提供的生態(tài)資源能夠承載當(dāng)?shù)厝丝诘南M(fèi)；如果生態(tài)足跡大于生態(tài)承載力，說明出現(xiàn)了生態(tài)赤字，表明當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展處于不可持續(xù)的狀態(tài)，自然生態(tài)系統(tǒng)提供的生態(tài)資源不能夠滿足當(dāng)?shù)厝丝诘南M(fèi)，得依賴外部提供一定資源。

3 生態(tài)足跡在礦區(qū)規(guī)劃環(huán)評中的應(yīng)用

煤炭是我國的主要能源，其生產(chǎn)量居世界首位。我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，能源需求也持續(xù)增長，可以預(yù)見，我國煤炭開發(fā)規(guī)模還將進(jìn)一步加大。然而，在煤炭開發(fā)過程中，土地利用類型將發(fā)生改變，天然草場、灌叢的面積將逐漸減少，人工草地和沙地面積有所增加，區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力則將削弱。隨著人類對生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)不斷加深和評價(jià)手段的更新，近年來在環(huán)境影響評價(jià)工作中對生態(tài)影響給予了充分的重視。煤礦建設(shè)區(qū)域的生態(tài)承載能力受到了很大的關(guān)注，對其生態(tài)承載能力進(jìn)行量化，充分注重分析煤炭資源開發(fā)利用與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展之間的關(guān)系是環(huán)評工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

近年來，生態(tài)足跡方法逐漸發(fā)展、完善，并被普遍地應(yīng)用于規(guī)劃環(huán)評中生態(tài)承載力的分析與評價(jià)中，成為礦區(qū)規(guī)劃環(huán)評中應(yīng)用最為普遍的方法。例如，中國環(huán)境科學(xué)研究院在河北省蔚縣礦區(qū)規(guī)劃環(huán)境影響報(bào)告書中[4]，根據(jù)2005年蔚縣對農(nóng)村居民的消費(fèi)統(tǒng)計(jì)資料，以全球糧食平均產(chǎn)量為基準(zhǔn)，計(jì)算了蔚縣的生態(tài)足跡；再根據(jù)礦區(qū)所屬的幾個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出了評價(jià)區(qū)內(nèi)的生態(tài)承載力。最后，比較得出了人口承載力有盈余，土地承載力會(huì)隨著礦區(qū)的開發(fā)下降的結(jié)論，提出要嚴(yán)格控制人口，同時(shí)加強(qiáng)土地復(fù)墾。在遼寧省沈陽礦區(qū)總體規(guī)劃環(huán)境影響報(bào)告書（沈陽環(huán)科院編）中[5]，生態(tài)足跡被應(yīng)用于評價(jià)礦區(qū)開發(fā)對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的壓力，并預(yù)測規(guī)劃礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)和發(fā)展趨勢，得出區(qū)域生態(tài)環(huán)境已經(jīng)沒有承載力，生態(tài)環(huán)境受人類開發(fā)破壞嚴(yán)重的結(jié)論，指出需進(jìn)行區(qū)域綜合整治和養(yǎng)護(hù)才能維持區(qū)域的發(fā)展。

總體而言，生態(tài)足跡方法因其概念形象生動(dòng)、易于理解、指標(biāo)可比性強(qiáng)，社會(huì)意義明顯且計(jì)算方法相對簡單等優(yōu)點(diǎn)在礦區(qū)規(guī)劃環(huán)評中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，隨著礦區(qū)規(guī)劃環(huán)評工作更加深入細(xì)致，生態(tài)足跡在礦區(qū)生態(tài)承載力分析方面的一些缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn)出來。

4 生態(tài)足跡法應(yīng)用于礦區(qū)規(guī)劃環(huán)評中存在的問題

4.1 預(yù)測能力不強(qiáng)

生態(tài)足跡模型設(shè)計(jì)中并未考慮消費(fèi)過程變化的特點(diǎn)[6]，且數(shù)據(jù)的計(jì)算統(tǒng)計(jì)通常是以一年為基本單位的，而年內(nèi)各個(gè)時(shí)期的變化并不能顯示出來。同時(shí)，生態(tài)足跡的研究不具備合理預(yù)測以后一定年份內(nèi)生態(tài)足跡變化的能力，只具有橫向比較的意義。在實(shí)際情況下，一定區(qū)域內(nèi)的人口、技術(shù)、物質(zhì)消費(fèi)水平是變動(dòng)的，礦區(qū)的開發(fā)會(huì)極大的影響當(dāng)?shù)氐南M(fèi)水平，一般情況下會(huì)使消費(fèi)水平提高，甚至?xí)淖儺?dāng)?shù)氐纳罘绞?。目前，很多礦區(qū)環(huán)評報(bào)告的結(jié)論并未體現(xiàn)出煤炭開采帶來的這些影響，沒有對礦區(qū)開發(fā)的影響做出合理的預(yù)測。同時(shí)，很多環(huán)評在計(jì)算生態(tài)足跡時(shí)僅限于礦區(qū)范圍內(nèi)的生態(tài)足跡，而計(jì)算生態(tài)承載力時(shí)卻把整個(gè)縣的生產(chǎn)性土地面積都包括在內(nèi)，從而得出有生態(tài)盈余的結(jié)論，這樣的結(jié)論顯然不合理。

4.2 模型參數(shù)選取的針對性不足

目前，生態(tài)足跡模型通用的參數(shù)是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)估值結(jié)果，這個(gè)參數(shù)的選擇是基于全球平均生產(chǎn)力而得來的[7]。然而，不同區(qū)域的生物生產(chǎn)和資源消耗的過程是不同的，有的極為復(fù)雜，直接采用這個(gè)參數(shù)來計(jì)算使區(qū)域的個(gè)性化不能被體現(xiàn)出來，參數(shù)的賦值不能得到完善，評價(jià)的結(jié)果更不能真實(shí)的反映出區(qū)域可持續(xù)性的實(shí)際情況。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，仍舊使用全球均衡因子作為模型參數(shù)的生態(tài)足跡方法會(huì)與實(shí)際情況之間有較大的差別，因?yàn)殡S著土地利用率和生產(chǎn)能力的變化區(qū)域均衡因子也是變化的，且各個(gè)均衡因子之間是相互依賴還是相互替代的關(guān)系也會(huì)對評價(jià)結(jié)果產(chǎn)生影響。

4.3 土地功能和質(zhì)量的復(fù)雜性被忽略

生態(tài)足跡模型之所以對幾類生物生產(chǎn)性土地進(jìn)行直接的加和計(jì)算，其隱含假設(shè)了這幾類生物生產(chǎn)性土地在空間上具有互斥性[8]，但同時(shí)也機(jī)械地限定了某一地塊、某一時(shí)刻唯一的生物生產(chǎn)功能，而否認(rèn)了這一地塊同時(shí)具有的其它的生物生產(chǎn)功能。這一假設(shè)忽略了土地在某些程度上的功能替代性和土地本身具有的多種功能，使土地功能被人為地單一化，導(dǎo)致生態(tài)足跡計(jì)算系統(tǒng)誤差的出現(xiàn)，結(jié)果是生態(tài)承載力計(jì)算偏低。

生態(tài)足跡方法對土地的數(shù)量及其生產(chǎn)性強(qiáng)調(diào)過甚，而土地質(zhì)量本來就是良莠不齊的，這一事實(shí)卻被忽略，它將土地具有的多種生態(tài)功能人為地單一化，將參差不齊的土地質(zhì)量按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，土地利用的持續(xù)性與合理性也未被考慮在內(nèi)。它忽略了不同的生物產(chǎn)品和服務(wù)對特定區(qū)域發(fā)展的功效性差異，也忽略了不同類型土地在功能上對特定區(qū)域發(fā)展某種程度上的獨(dú)立性和不可替代性。而不同區(qū)域各類用地的生產(chǎn)力差別很大，很多環(huán)評報(bào)告中并沒有考慮這一因素，如中國煤炭資源最為豐富的西北地區(qū)，土地的生產(chǎn)力很低，生態(tài)承載力也很低。

4.4 對自然系統(tǒng)提供資源、消納廢棄物的功能描述不全

生態(tài)足跡計(jì)算方法過于注重資源消耗，而對廢棄物的處理處置與其帶來的污染不夠重視。煤炭開采產(chǎn)生的地表沉陷會(huì)導(dǎo)致土地利用屬性發(fā)生變化，改變表土的理化性狀，減少農(nóng)用地面積，造成土地資源受損；對區(qū)域地下水資源會(huì)產(chǎn)生一定程度的影響，生態(tài)足跡并沒有將水資源和地下水資源的估算納入其中[9]；礦區(qū)開發(fā)可能造成環(huán)境空氣、水環(huán)境污染，生態(tài)環(huán)境惡化等，對環(huán)境質(zhì)量的影響不容忽視。礦區(qū)內(nèi)除各煤炭企業(yè)（含煤炭開采、洗選、矸石利用等企業(yè)）外，一般還分布有鋼鐵、電力、煤化工、建材、裝備制造等產(chǎn)業(yè)的大中型企業(yè)[10]。

這些都是高污染企業(yè)，在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生各種廢棄物，污染環(huán)境，對生態(tài)系統(tǒng)造成壓力。另外，礦區(qū)的矸石堆存也是一個(gè)比較突出的問題，會(huì)壓占土地資源。這些生活和生產(chǎn)過程中所排放的廢水、廢氣、廢渣等污染物同樣需要生物生產(chǎn)性土地加以消納，而且還會(huì)對現(xiàn)有生態(tài)資源的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)過程產(chǎn)生嚴(yán)重不良影響，生態(tài)足跡并沒有將這些影響完全描述，因此，礦區(qū)的生態(tài)足跡實(shí)際上高于現(xiàn)行的評估結(jié)果。

4.5 能源足跡計(jì)算不全

在對能源足跡進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的過程中，生態(tài)足跡只考慮了CO2而忽略了其他溫室氣體，即沒有考慮對其他污染物吸收所需的生物生產(chǎn)性土地面積，只對CO2的吸收所需要的生物生產(chǎn)性面積進(jìn)行計(jì)算和分析。生態(tài)足跡一般只計(jì)算評價(jià)范圍內(nèi)的人口消費(fèi)的資源的生態(tài)占用，而礦區(qū)生產(chǎn)的煤炭、電力等則主要是供區(qū)外使用，這樣就會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出來的生態(tài)占用偏低，而對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)造成的實(shí)際影響則很大。煤炭外地消費(fèi)產(chǎn)生的二氧化碳由區(qū)外的化石燃料地消納即可，而電力生產(chǎn)產(chǎn)生的二氧化碳則對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)造成了實(shí)際影響，這部分影響不可能轉(zhuǎn)移。

4.6 生態(tài)承載力計(jì)算偏高

礦區(qū)的開發(fā)往往涉及到區(qū)域的自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、森林公園等禁止開發(fā)區(qū)，在對這些區(qū)域的生態(tài)承載力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)該扣除相應(yīng)的生態(tài)承載力。而很多環(huán)評并沒有做到，因此，有些環(huán)評得出的生態(tài)盈余結(jié)論與實(shí)際不符，對于將來各類生物生產(chǎn)性土地面積的變化預(yù)測也過于樂觀。

5 提高生態(tài)足跡法在礦區(qū)規(guī)劃環(huán)評中實(shí)用性的建議

針對上述問題，筆者認(rèn)為，從提高生態(tài)足跡法在礦區(qū)規(guī)劃環(huán)境影響評價(jià)中的實(shí)用性的角度出發(fā)，生態(tài)足跡模型在具體應(yīng)用中應(yīng)在以下方面加以改進(jìn)。

5.1 合理確定生態(tài)足跡的評價(jià)范圍

收集有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)要精確合理，對礦區(qū)的評價(jià)要真實(shí)可靠。評價(jià)區(qū)域內(nèi)生態(tài)足跡計(jì)算的范圍要與生態(tài)承載力的范圍相對應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，如果將生態(tài)足跡分析的指標(biāo)做進(jìn)一步類型細(xì)化以更好的反映指標(biāo)之間的屬性差異，并建立若干可持續(xù)評價(jià)的子系統(tǒng)作為生態(tài)足跡與生態(tài)承載力比較的底層單元，就可以獲得一個(gè)區(qū)域可持續(xù)程度或能力的多層面信息，從而增強(qiáng)評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5.2 根據(jù)礦區(qū)實(shí)際情況修正相關(guān)參數(shù)

通過現(xiàn)場調(diào)查、專家咨詢等方式了解評價(jià)區(qū)域的土地利用概況，靈活調(diào)整參數(shù)，加強(qiáng)針對性。相關(guān)參數(shù)的修正可以從兩方面考慮：一是對模型參數(shù)的選擇可以基于評價(jià)區(qū)域所在的省、市的多年土地平均生產(chǎn)力為基礎(chǔ)，而不是以大尺度的全球范圍內(nèi)的土地生產(chǎn)能力為基礎(chǔ)，即以有針對性的區(qū)域土地生產(chǎn)力代替全球平均生產(chǎn)力對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；二是在計(jì)算產(chǎn)量因子時(shí)考慮土地?cái)_動(dòng)的影響。對于土地?cái)_動(dòng)對評價(jià)結(jié)果影響較大的區(qū)域，應(yīng)考慮加入相應(yīng)的擾動(dòng)系數(shù)，使yi＝DiYi，其中：Di＝F（P，T，E），P、T、E 分別是指政策、科技、環(huán)境因素對i類土地產(chǎn)生的影響，并收集多組數(shù)據(jù)形成評價(jià)區(qū)域特有的均衡因子體系。

對不同類型的土地區(qū)域生態(tài)足跡計(jì)算中對于能源部分的計(jì)算，尤其是煤炭、電力計(jì)算應(yīng)該提高相應(yīng)的量。加強(qiáng)對評價(jià)區(qū)域內(nèi)土地生態(tài)功能與質(zhì)量的關(guān)注，對于差距較大的區(qū)域，要分別進(jìn)行評價(jià)，不能一概而論。對于評價(jià)區(qū)域內(nèi)煤炭開采產(chǎn)生的地表沉陷以及重污染企業(yè)污染物的排放需加強(qiáng)關(guān)注，將產(chǎn)生的生態(tài)足跡計(jì)算完整。

5.3 增強(qiáng)生態(tài)足跡的動(dòng)態(tài)預(yù)測功能

生態(tài)足跡模型對所評價(jià)區(qū)域的動(dòng)態(tài)預(yù)測功能有所欠缺，預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性在很大程度上受其采用數(shù)據(jù)來源真實(shí)性和可靠性的限制；對土地利用、土地干擾等影響生態(tài)承載力計(jì)算結(jié)果的因素體現(xiàn)不明顯。有鑒于此，應(yīng)該對生態(tài)足跡采用時(shí)間序列進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分析，增強(qiáng)生態(tài)足跡模型在分析和預(yù)測不確定性方面的功能；應(yīng)對土地利用狀況、土地質(zhì)量等情況進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，確保生態(tài)承載力的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符，以此為基礎(chǔ)，引入多情景生態(tài)足跡分析，使其動(dòng)態(tài)預(yù)測的功能得到增強(qiáng)。另外，需對數(shù)據(jù)來源嚴(yán)格把關(guān)，以確保預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。這樣，才能使得生態(tài)足跡模型較為準(zhǔn)確的反映并預(yù)測資源與能源消費(fèi)的發(fā)展趨勢。

5.4 應(yīng)與其他方法對比印證

生態(tài)足跡分析一個(gè)明顯的缺陷是對生態(tài)系統(tǒng)功能描述不全。針對這一缺陷，可以將生態(tài)足跡方法與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、景觀生態(tài)評價(jià)方法和生態(tài)系統(tǒng)健康等相結(jié)合，建立綜合的環(huán)境經(jīng)濟(jì)評價(jià)體系，從而提供可分析的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)過程耦合的框架[11～14]。

6 結(jié)語

生態(tài)足跡法在礦區(qū)規(guī)劃環(huán)評中存在的不足，有些是其固有缺陷造成的，有些是與礦區(qū)特點(diǎn)結(jié)合不緊密造成的。為此，一方面應(yīng)該通過與其它方法的結(jié)合等途徑來彌補(bǔ)[15]，另一方面應(yīng)通過有效的多學(xué)科合作研究，從拓展應(yīng)用范圍，提高評價(jià)結(jié)果的說服力，完善基礎(chǔ)理論和模型方法中存在的明顯漏洞，進(jìn)一步提升模型評價(jià)結(jié)果的精度等方面盡快解決目前存在的各種問題，使生態(tài)足跡分析基本原理和方法逐步得到完善，增強(qiáng)其在煤炭工業(yè)礦區(qū)環(huán)評中應(yīng)用的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，力求為相關(guān)理論和應(yīng)用研究提供強(qiáng)更多有力的技術(shù)支撐。

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