基于能值生態(tài)足跡模型的泰安市生態(tài)安全研究

周慧　鄭昭佩　梁興軍　王文華

摘要運(yùn)用能值-生態(tài)足跡模型計(jì)算山東省泰安市2003～2012年的人均能值生態(tài)承載力和人均能值生態(tài)足跡，通過構(gòu)建生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)其生態(tài)安全現(xiàn)狀做了動(dòng)態(tài)分析與評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，泰安市的人均能值生態(tài)承載力在0.399 6 hm2上下波動(dòng)。人均能值生態(tài)足跡從5.561 2 hm2增至7.950 6 hm2，生態(tài)壓力指數(shù)由11.482 6增至25.596 4，生態(tài)安全狀態(tài)從“輕度不安全”過渡到“中度不安全”，在2012年已變?yōu)椤爸囟炔话踩睜顟B(tài)。通過建立灰色GM（1，1）預(yù)測模型，對(duì)泰安市2013～2022年的生態(tài)安全狀況進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果顯示，到2022年，泰安市的人均能值生態(tài)承載力將變?yōu)?.213 7 hm2，人均能值生態(tài)足跡將高達(dá)10.146 1 hm2，生態(tài)壓力指數(shù)將增至47.484 8，泰安市的生態(tài)安全將持續(xù)為“極度不安全”狀態(tài)，可見，泰安市生態(tài)安全的發(fā)展前景不容樂觀。

關(guān)鍵詞能值-生態(tài)足跡模型；泰安市；生態(tài)安全；灰色預(yù)測

中圖分類號(hào)S181.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）04-01164-04

作者簡介周慧（1988-），女，山東泰安人，碩士研究生，研究方向：生態(tài)環(huán)境修復(fù)與保護(hù)。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事生態(tài)環(huán)境修復(fù)與保護(hù)研究。

人類活動(dòng)依托于自然環(huán)境，生態(tài)系統(tǒng)為人類提供了從事各種活動(dòng)必需的最基本的物質(zhì)資源。然而，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)飛速發(fā)展的今天，生態(tài)系統(tǒng)正承受著前所未有的壓力，全球范圍的生態(tài)問題越來越突出[1-2]。生態(tài)安全問題已成為當(dāng)今世界研究的重要領(lǐng)域。生態(tài)安全評(píng)價(jià)（Ecological Security Assessment， ESA）是對(duì)生態(tài)系統(tǒng)完整性及在面對(duì)各種風(fēng)險(xiǎn)的情況下，維持生態(tài)系統(tǒng)健康的可持續(xù)發(fā)展能力的判斷與識(shí)別研究，是生態(tài)安全的核心問題[3-4]。評(píng)價(jià)方法主要有生態(tài)模型、數(shù)字地面模型、景觀生態(tài)模型以及基于PSR的數(shù)學(xué)模型等4種模型[5-6]。其中，生態(tài)模型的代表性方法為生態(tài)足跡法。

生態(tài)足跡分析方法的基本思想是：把人類生產(chǎn)生活所需要的自然資產(chǎn)的“利息”（生態(tài)足跡）與自然資產(chǎn)本身所產(chǎn)生的“利息”（生態(tài)承載力）通過轉(zhuǎn)化，用能夠進(jìn)行比較的土地面積來衡量，從而判斷人類對(duì)自然資產(chǎn)的利用情況[7]。隨著生態(tài)足跡研究的不斷深入，專家學(xué)者們不斷嘗試結(jié)合能值分析方法對(duì)傳統(tǒng)生態(tài)足跡理論進(jìn)行改進(jìn)。王建源等[8]、陳春鋒等[9]運(yùn)用能值分析方法分別對(duì)山東省和黑龍江省的生態(tài)足跡進(jìn)行了研究，結(jié)果表明基于能值分析的生態(tài)足跡模型比傳統(tǒng)生態(tài)足跡理論更能真實(shí)地反映出區(qū)域的生態(tài)安全狀況。因此，筆者構(gòu)建能值-生態(tài)足跡模型，對(duì)泰安市2003～2012年的生態(tài)安全狀況進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，并運(yùn)用灰色GM（l，l）預(yù)測模型，對(duì)泰安市2013～2022年的生態(tài)安全狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測與分析，以期為泰安市的可持續(xù)發(fā)展提供一定的參考。

1研究區(qū)概況

泰安市位于山東省中部，北靠山東省會(huì)濟(jì)南，南連儒家文化發(fā)源地曲阜，東臨淄博，西頻黃河，其具體位置為160°20′～117°59′ E、35°38′～36°28′ N，東西長約 176.6 km，南北寬約93.5 km，面積7 762 km2?，F(xiàn)包括泰山區(qū)、岱岳區(qū)、新泰市、肥城市、東平縣和寧陽縣 6 個(gè)縣市區(qū)。泰安地處魯中山區(qū)，北枕泰山，地勢(shì)自東北向西南傾斜，境內(nèi)有山地、丘陵、平原、洼地等多種地貌類型。泰安是一座歷史文化名城，具有豐富的自然資源和人文資源，其主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)為旅游業(yè)和煤炭采礦業(yè)。2012年末，全市的總?cè)丝谶_(dá)552.89萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值為254 7.01萬元 ，比2011年增長10.7%，人均地區(qū)生產(chǎn)總值為46 130元，其中，第一產(chǎn)業(yè)占9.1%，第二產(chǎn)業(yè)占50.7%，第三產(chǎn)業(yè)占40.2%。泰安市人口眾多，資源相對(duì)不足，生態(tài)環(huán)境承載能力較弱。在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的過程中，能源、水資源、土地資源等不足的矛盾日益突出，產(chǎn)生了一系列生態(tài)問題。

2研究方法

2.1傳統(tǒng)生態(tài)足跡基本理論及其研究方法生態(tài)足跡（Ecological Footprint）理論是由加拿大生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)家William與其博士生Wackernagel于20世紀(jì)90年代初提出的，是基于土地面積計(jì)算的，用于度量人類對(duì)自然資源利用程度，并由一系列易于量化的指標(biāo)組成的一種分析方法[10]。Wackernagel對(duì)生態(tài)足跡的定義是：在給定人口和經(jīng)濟(jì)的條件下，維持人們的資源消費(fèi)和吸納人們所產(chǎn)生的廢棄物需要的生物生產(chǎn)性土地面積[11]。

2.2能值-生態(tài)足跡模型能值理論是由美國著名的系統(tǒng)生態(tài)學(xué)家H.T.Odum創(chuàng)立的，該模型將傳統(tǒng)生態(tài)足跡理論框架與能值分析法相結(jié)合，把各種計(jì)算模型中需要用到的各種不同等級(jí)、不同類型的能量流通過能值轉(zhuǎn)換率，換算成可以直接進(jìn)行加減的太陽能值，從而定量分析研究區(qū)的生態(tài)狀況。

2.2.1人均能值生態(tài)承載力的計(jì)算。ec=e/p1（1）

式中，ec為人均生態(tài)承載力；e是可更新資源的人均太陽能值；p1為全球平均能值密度。

在計(jì)算生態(tài)承載力時(shí)，主要考慮太陽輻射能、風(fēng)能、雨水化學(xué)能、雨水勢(shì)能和地球旋轉(zhuǎn)能這5種可更新資源的能值。太陽光在能量流動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)換為風(fēng)能、雨水化學(xué)能和雨水勢(shì)能等，為了避免重復(fù)計(jì)算，在同一性質(zhì)的能量中，只選取其中的最大值，因此，可更新資源總能值等于前4種能量的最大值加上地球旋轉(zhuǎn)能的能值。研究區(qū)可更新資源的人均太陽能值等于可更新資源的總能值除以該區(qū)人口數(shù)。

最后，將計(jì)算出的人均生態(tài)承載力減去12%的用于保護(hù)生物多樣性的用地之后，剩余的88%就是實(shí)際可供人類利用的人均能值生態(tài)承載力面積[12]。

2.2.2人均能值生態(tài)足跡的計(jì)算。首先計(jì)算區(qū)域能值密度p2，然后計(jì)算人均太陽能值和人均能值生態(tài)足跡，利用能量折算系數(shù)和能值轉(zhuǎn)換率將不同形式的能值轉(zhuǎn)換成太陽能值，將各項(xiàng)目的人均太陽能值除以區(qū)域能值密度p2即得到各項(xiàng)目的人均能值生態(tài)足跡。最后將各項(xiàng)人均生態(tài)足跡分類匯總，計(jì)算公式為：

2.3生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.3.1人均生態(tài)赤字/盈余。將人均能值生態(tài)承載力與人均能值生態(tài)足跡相減，其差值為負(fù)時(shí)，表示人均生態(tài)承載力供給小于需求，其差值稱為生態(tài)赤字；差值為正時(shí)，則表示該地區(qū)人均生態(tài)承載力的供給大于需求，即為生態(tài)盈余。差值為零時(shí)，表示人均生態(tài)承載力供給等于需求，該區(qū)域處于生態(tài)平衡狀態(tài)。

2.3.2生態(tài)壓力指數(shù)。生態(tài)壓力指數(shù)又稱為生態(tài)足跡強(qiáng)度指數(shù)（Ecological Footprint Intensity Index）[13]，指一個(gè)國家或地區(qū)單位生態(tài)承載面積上的生態(tài)足跡。該指數(shù)代表了一個(gè)區(qū)域環(huán)境所承受壓力的程度。其計(jì)算公式為：

2.3.3生態(tài)協(xié)調(diào)系數(shù)。生態(tài)協(xié)調(diào)系數(shù)表示一個(gè)地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)性，其計(jì)算公式為：

2.4生態(tài)安全預(yù)測模型灰色動(dòng)力學(xué)模型（Grey Dynamics Medel，GM）是模糊數(shù)學(xué)派生的一種預(yù)測方法，具有所需原始數(shù)據(jù)少、預(yù)測精度高等特點(diǎn)[14]，適用于少樣本、貧信息、概率分布不典型的數(shù)據(jù)分析，是一種轉(zhuǎn)換原始無規(guī)律的數(shù)列，使之變?yōu)檩^有規(guī)律的生成數(shù)列后再用數(shù)列建立方程的預(yù)測方法，現(xiàn)已被廣泛運(yùn)用于自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)實(shí)際需要，該研究選用灰色系統(tǒng)理論中最常用的一階線性灰色數(shù)列模型GM（1，1）實(shí)現(xiàn)對(duì)泰安市未來十年的生態(tài)安全狀況的預(yù)測分析。

計(jì)算步驟如下：首先建立原始數(shù)據(jù)序列，將所需研究對(duì)象的值按時(shí)間進(jìn)行升序排列。

3.2人均能值生態(tài)足跡由表3可知，泰安市2003～2012年的人均能值生態(tài)足跡總體上呈增大的趨勢(shì)。其中，2004年和2009年的增幅較大，該兩年的生態(tài)足跡中化石能源用地和建筑用地的漲幅較大。這說明近年來，泰安市經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展依托于消耗大量的自然資源和能源，若不盡快改善這一現(xiàn)狀，該市的生態(tài)環(huán)境將進(jìn)一步惡化。

3.3生態(tài)安全評(píng)價(jià)由表4可知，泰安市近十年的生態(tài)壓力指數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，其中，2006年和2012年增幅較大。

經(jīng)過公式變形、計(jì)算和作圖分析可知，生態(tài)協(xié)調(diào)系數(shù)隨著生態(tài)壓力指數(shù)的增加而降低，且遞減趨勢(shì)由快到慢，最后趨于平緩。這種變化可反映生態(tài)安全狀況。當(dāng)生態(tài)壓力較小時(shí)，生態(tài)協(xié)調(diào)性較高，環(huán)境處于安全狀態(tài)，隨著生態(tài)壓力的增加，生態(tài)協(xié)調(diào)性明顯下降，生態(tài)安全程度隨之降低，當(dāng)生態(tài)壓力增大到一定程度時(shí)，生態(tài)環(huán)境趨于不協(xié)調(diào)，不安全。換言之，生態(tài)協(xié)調(diào)系數(shù)由大幅下降到趨緩的過程反映了生態(tài)環(huán)境由較安全進(jìn)入不安全的狀態(tài)。因此，利用生態(tài)協(xié)調(diào)系數(shù)趨緩變化的臨界值可確定生態(tài)壓力指數(shù)的閾值，進(jìn)而確定生態(tài)安全等級(jí)，見表5。