基于生態(tài)足跡與生態(tài)信息法的廣州市可持續(xù)性研究

王興輝　龍妍

摘要：生態(tài)足跡法和生態(tài)信息法分別廣泛應(yīng)用于城市可持續(xù)發(fā)展評(píng)估和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性及有序性評(píng)價(jià)。由于廣州市的發(fā)展對(duì)中國(guó)其他城市具有借鑒作用，因此文章運(yùn)用生態(tài)足跡法和生態(tài)信息法分別對(duì)廣州市1995-2013年期間可持續(xù)性的外部維度和內(nèi)部維度進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，從可持續(xù)性外部維度來說廣州市的消費(fèi)是不可持續(xù)的，1995-2013年廣州市生態(tài)足跡分為三個(gè)階段：平穩(wěn)增加階段、加速上升階段和穩(wěn)定階段。從可持續(xù)性內(nèi)部維度來說，1995-2013年廣州市能源與物質(zhì)消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有序性經(jīng)歷了先上升、再下降、后平穩(wěn)的過程，整個(gè)消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有序性或效率降低，更多的資源消耗在資源傳輸過程中。通過對(duì)比廣州市人均生態(tài)足跡、消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有序性和人口數(shù)量的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)人口的急劇變化導(dǎo)致了人均生態(tài)足跡的增加和城市消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有序性降低，人口是影響城市可持續(xù)性的根本因素之一 。

關(guān)鍵詞：生態(tài)足跡；生態(tài)信息法；信息熵；可持續(xù)發(fā)展；

中圖分類號(hào)：X24文獻(xiàn)識(shí)別碼：A

The sustainable research based on ecological footprint and ecological information-based approach in Guangzhou

Wang Xinghui1， Long Yan1

（1.School of Energy and Power Engineering of Huazhong University of Science &Techonoligy， Wuhan， Hubei， 430074， China）

Abstract：Ecological footprint and ecological information-based approach are applied in assessment of sustainability and assessment of ecosystems stability. Due to the development of the Guangzhou city could be a reference for other cities in China， the interiorand exterior dimensions of sustainability in Guangzhou city during 1995-2013 are studied via ecological footprint and ecological information-based approach. The results showed that， the consumption in Guangzhou was not sustainable for the exterior dimensions of sustainability. The ecological footprint of Guangzhou during 1995-2013 is divided into three phases： the steadily increasing phase， the quickly increasing phase and the stead phase. The order of energy and material consumption network structure went up， down and smooth during 1995-2013. By comparing the relationship among per capita ecological footprint， the order of network structure and thepopulation in Guangzhou，it can be found that the dramatic change of population led to the increase of per capita ecological footprint and reduction of urban consumptionnetwork structure order.The population is one of the fundamental factors which affect urban sustainability.

Key Words： Ecological footprint；Ecological information-based approach；Information entropy； Sustainable development；

一、引言

城市化進(jìn)程的加速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的騰飛，使人們?cè)趽碛辛烁辔镔|(zhì)基礎(chǔ)的同時(shí)也使得環(huán)境問題變得越來越復(fù)雜，1972年布倫蘭特等人的可持續(xù)發(fā)展概念就是為應(yīng)對(duì)社會(huì)發(fā)展和環(huán)境之間的矛盾提出來的。目前，對(duì)可持續(xù)性這一概念的表述有多種多樣，但是應(yīng)用最廣泛的還是世界環(huán)境發(fā)展委員會(huì)的定義，即生態(tài)系統(tǒng)能夠在可預(yù)見的未來為人類提供消費(fèi)和活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)和服務(wù)[1]。

隨著研究人員對(duì)這一概念的不斷探討，生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性逐漸從定性框架[2-3]轉(zhuǎn)為定量計(jì)算[4-5]。對(duì)于不同的定量分析方法，其側(cè)重點(diǎn)一般表現(xiàn)為兩個(gè)方面[6]：對(duì)于某一個(gè)系統(tǒng)而言，一方面是研究資源的數(shù)量和效率等可持續(xù)性的外部維度，本質(zhì)上是從經(jīng)濟(jì)社會(huì)消費(fèi)或生產(chǎn)的角度出發(fā)探討存量和流量之間的關(guān)系，主要有生態(tài)足跡法、能值分析法、火用分析法、物質(zhì)流分析法等[7-10]；另一方面是探究系統(tǒng)在外界刺激的情況下系統(tǒng)的彈性和穩(wěn)定性等可持續(xù)性的內(nèi)部維度，主要有生態(tài)信息法，本質(zhì)上是從信息論的角度出發(fā)探究系統(tǒng)級(jí)別的信息熵問題[11-12]。

在以往的研究當(dāng)中，生態(tài)信息法主要用于能量流或物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性或彈性分析，無法有針對(duì)性地同時(shí)對(duì)能量流網(wǎng)絡(luò)和物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究[13]。而生態(tài)足跡方法能夠?qū)⒛芰亢臀镔|(zhì)消費(fèi)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的生產(chǎn)性土地。過往的研究都單純地研究城市消費(fèi)的外部維度或內(nèi)部維度，未曾有從兩個(gè)維度同時(shí)出發(fā)的相關(guān)研究。

因鑒于此，本文結(jié)合生態(tài)信息方法和生態(tài)足跡方法，以廣州市為例，將能量流與物質(zhì)流轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)性土地，以生產(chǎn)性土地為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)探究系統(tǒng)可持續(xù)性的內(nèi)部維度和外部維度，研究廣州市可持續(xù)性的特性及產(chǎn)生的原因。本文選取廣州市的原因主要有兩個(gè)方面：一方面廣州市“十三五”規(guī)劃提出了“大力推動(dòng)綠色低碳發(fā)展”、“加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)和治理”、“構(gòu)建清潔高效安全能源報(bào)賬體系”、“完善人口戰(zhàn)略，促進(jìn)人口可持續(xù)發(fā)展”等目標(biāo)，與可持續(xù)性發(fā)展的內(nèi)涵是一致的，因此研究廣州市可持續(xù)發(fā)展的特性及其背后的原因具有重要意義。另一方面廣州的城市發(fā)展對(duì)國(guó)內(nèi)城市的發(fā)展具有借鑒意義，探究它的發(fā)展特性能夠?yàn)槠渌鞘械陌l(fā)展提供一定的借鑒作用。

二、模型與方法

1.生態(tài)足跡法

生態(tài)足跡方法是一種重要的生態(tài)評(píng)估方法，其本質(zhì)是探究自然資源中流量與存量之間的關(guān)系。對(duì)某一個(gè)地區(qū)來說，本地區(qū)消耗的資源大于生產(chǎn)的資源，則認(rèn)為這種消耗方式會(huì)影響未來生態(tài)系統(tǒng)的供給能力，即該地區(qū)的消耗減少了自然資源的存量。通過測(cè)算經(jīng)濟(jì)社會(huì)中消費(fèi)品所需要的生態(tài)支撐并與某地區(qū)實(shí)際的生態(tài)支撐作對(duì)比，判斷該國(guó)家或地區(qū)為生態(tài)平衡、生態(tài)赤字或是生態(tài)盈余[14-15]。

生態(tài)足跡方法主要涉及6個(gè)假設(shè)[16]，在6個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)之上延伸出生產(chǎn)性土地、均衡因子和產(chǎn)量因子等三個(gè)重要概念。生產(chǎn)性土地分為6類，分別是：耕地、草地、水域、建筑用地、化石能源用地和林地，這6類土地基本囊括了人類消費(fèi)品的來源。均衡因子作用是將不同類型生產(chǎn)性土地面積進(jìn)行折算；而產(chǎn)量因子是將各區(qū)域產(chǎn)量調(diào)整為世界平均產(chǎn)量。雖然這兩個(gè)概念的出現(xiàn)引起了巨大的爭(zhēng)議[17-18]，但是不失為一種高明的做法，細(xì)節(jié)上的特性會(huì)有所損失和欠缺，但是卻為標(biāo)準(zhǔn)化處理提供了極大的方便，使得可持續(xù)性有了客觀標(biāo)準(zhǔn)且世界范圍內(nèi)的可持續(xù)性可化為統(tǒng)一單位進(jìn)行對(duì)比。

生態(tài)足跡計(jì)算公式如下：

（1）

（2）

式中， 為總生態(tài)足跡； 為人口數(shù)； 為人均生態(tài)足跡； 為所消費(fèi)的商品與投入類型； 為人均 種交易商品折算的生物生產(chǎn)面積； 為 種消費(fèi)商品的平均生產(chǎn)能力； 為 種商品的人均消費(fèi)量。

人均生態(tài)承載力計(jì)算公式如下：

（3）

其中 為人均生態(tài)承載力； 為人均生物生產(chǎn)面積； 為均衡因子； 為產(chǎn)量因子.

生態(tài)足跡方法能夠判斷整個(gè)城市對(duì)能源與物質(zhì)的消耗與城市行政區(qū)域內(nèi)所能提供的能源與物質(zhì)的供應(yīng)之間的關(guān)系，但是生態(tài)足跡法無法探究整個(gè)城市消費(fèi)的內(nèi)部情況，對(duì)于城市內(nèi)部消費(fèi)的細(xì)節(jié)刻畫需要其他方法的輔助。在生態(tài)足跡計(jì)算原理的基礎(chǔ)上構(gòu)建能源與物質(zhì)傳輸消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)圖，并在網(wǎng)絡(luò)圖的基礎(chǔ)上利用生態(tài)信息法研究整個(gè)系統(tǒng)的有序性、穩(wěn)定性，并探究影響有序性的內(nèi)部原因。

2.生態(tài)信息法

生態(tài)信息法是生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法與信息理論的結(jié)合。1976年P(guān)atten首次發(fā)表了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法的相關(guān)論文[19]，引起了生態(tài)學(xué)界的關(guān)注并迅速成為生態(tài)學(xué)界主流的分析方法。Ulanowicz等人在信息論的基礎(chǔ)上結(jié)合生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析法對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和上升性進(jìn)行了研究[11，20]。隨著時(shí)代的發(fā)展，生態(tài)信息法不僅僅運(yùn)用于分析生態(tài)系統(tǒng)，也越來越多地應(yīng)用于分析經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的一些現(xiàn)象[12，13]。

生態(tài)信息法主要是利用系統(tǒng)的物質(zhì)流、能量流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)探究系統(tǒng)的穩(wěn)定性和上升性，是研究系統(tǒng)內(nèi)部維度的重要方法。整個(gè)體系內(nèi)部主要包含有總系統(tǒng)吞吐量、信息熵、平均互信息、條件熵等概念。

總系統(tǒng)吞吐量是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間流量的總和，它反映的是一個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的總量特征。將系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 到節(jié)點(diǎn) 的流量定義為 ；從節(jié)點(diǎn) 出發(fā)的所有流流量總和為 ；進(jìn)入節(jié)點(diǎn) 的所有流流量之和為 ；因?yàn)榭傁到y(tǒng)吞吐量是內(nèi)部節(jié)點(diǎn)間流量的總和，因此 。

信息熵、平均互信息和條件熵等概念源于信息理論。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的某a個(gè)輸出流的節(jié)點(diǎn) 和具有b個(gè)輸入流的節(jié)點(diǎn) ，平均信息熵為 ，其中 表示節(jié)點(diǎn) 的第 個(gè)輸出流， 表示第 個(gè)輸出流出現(xiàn)的概率， 表示常數(shù)。平均信息熵反映的是 節(jié)點(diǎn)中每個(gè)流向出現(xiàn)的平均信息量，即關(guān)于節(jié)點(diǎn) 的先驗(yàn)不確定性。對(duì)于有多個(gè)節(jié)點(diǎn) 和節(jié)點(diǎn) 組成的網(wǎng)絡(luò)來說平均信息熵 反映的是網(wǎng)絡(luò)自組織的容量。

對(duì)于 的第 流出方向流入到 節(jié)點(diǎn)的第 流入方向內(nèi)是統(tǒng)計(jì)依賴關(guān)系，也就是在 節(jié)點(diǎn)第 流入方向接收到流后關(guān)于 節(jié)點(diǎn)第 流出流的后驗(yàn)概率為 ，因此對(duì)節(jié)點(diǎn) 的后驗(yàn)熵為 ，再對(duì) 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均可得到關(guān)于 的條件熵為 。對(duì)某個(gè)多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)來說條件熵反映的是網(wǎng)絡(luò)中無序部分，是獲取信息之后殘余的不確定度。

根據(jù)Rutledge[21]等人的研究平均信息熵能夠分解成兩部分的和，即信息熵等于條件熵和平均互信息之和，因此平均互信息可以表示為：

因此平均互信息 表示 接收到流之后獲得的關(guān)于 的平均信息量。對(duì)于某個(gè)系統(tǒng)來說平均互信息量化的是整個(gè)系統(tǒng)的有序和效率的部分，反映系統(tǒng)中接收到的信息所消除的不確定度，因此平均互信息的提升是整個(gè)系統(tǒng)效率和有序度提升的一個(gè)指標(biāo)。

由于實(shí)際系統(tǒng)中獲取概率比較困難，Ulanowicz等人在流網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行了部分創(chuàng)造性處理[20]，即假設(shè) ， ， ，因此可得到關(guān)于系統(tǒng)中各支流的概率，從而得到信息熵、條件熵和平均互信息，為了簡(jiǎn)化起見，信息熵、條件熵和平均互信息分別采用 、 和 表示：

， ， （4）

生態(tài)信息法是建立在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，該方法實(shí)質(zhì)上是提供了一種探究網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和有序性的數(shù)學(xué)模型。利用生態(tài)信息法一方面可以從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上直觀地了解網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)物質(zhì)流、能量流細(xì)節(jié)，另一方面通過數(shù)學(xué)模型可以探究網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有序性和無序性。因此生態(tài)信息法是從內(nèi)部了解網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一種有效方式。

三、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

城市的消耗主要包括從環(huán)境中獲取自然資源、傳輸資源、消耗資源、排放廢料這幾個(gè)過程。首先，廣州市從環(huán)境中獲取相應(yīng)的能源與物質(zhì)資源，然后將資源直接傳輸至能源轉(zhuǎn)換部門、第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)、生活消費(fèi)等部門；而傳輸至能源轉(zhuǎn)換部門的能源與物質(zhì)資源經(jīng)過轉(zhuǎn)化之后再次傳輸至第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)、生活消費(fèi)等部門。其中箭頭表示能源與物質(zhì)傳輸方向；環(huán)境部門表示自然資源消費(fèi)的總和；第一產(chǎn)業(yè)表示農(nóng)林牧漁業(yè)的能源與物質(zhì)消費(fèi)總和；第二產(chǎn)業(yè)表示工業(yè)和建筑業(yè)的能源與物質(zhì)消費(fèi)總和；第三產(chǎn)業(yè)表示交通運(yùn)輸、倉儲(chǔ)、餐飲批發(fā)等行業(yè)的能源與物質(zhì)消費(fèi)總和；生活消費(fèi)包含城鎮(zhèn)與農(nóng)村的能源與物質(zhì)消費(fèi)總和。

本文根據(jù)上述關(guān)系和方法，并結(jié)合歷年統(tǒng)計(jì)年鑒[23]制作出了廣州市2013年能源與物質(zhì)傳輸網(wǎng)絡(luò)圖，如圖1所示。圖中的數(shù)據(jù)表示資源量，該資源量數(shù)據(jù)是在廣州市物質(zhì)消費(fèi)數(shù)據(jù)和能源消費(fèi)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上根據(jù)生態(tài)足跡方法計(jì)算得來，物質(zhì)消費(fèi)數(shù)據(jù)主要包括糧食、油料、糖類、蔬菜、水果、木材、肉類、奶類、禽類、水產(chǎn)品等，能源消費(fèi)數(shù)據(jù)主要包括煤炭、焦炭、原油、汽油、柴油、燃料油、液化石油氣、熱力、電力等。此處能源與物質(zhì)可以采用統(tǒng)一單位的原因就是利用生態(tài)足跡理論將能源與物質(zhì)轉(zhuǎn)化為以生產(chǎn)性土地衡量的量，稱之為全球均衡面積（Gha）。

從圖1可以看出廣州市能源轉(zhuǎn)換部門從自然資源中獲取了1.0791Gha的資源量，因此可類推第一、第二、第三、生活消費(fèi)等部門分別獲得相應(yīng)的資源量。根據(jù)式（4）可計(jì)算出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均互信息和條件熵：由 =5.799Gha，則分別得出 =1.2732， =0.5428。

圖1 廣州市2013年能源與物質(zhì)傳輸網(wǎng)絡(luò)圖

四、數(shù)據(jù)分析

根據(jù)《廣州統(tǒng)計(jì)年鑒》所搜集到的物質(zhì)和能源數(shù)據(jù)，通過生態(tài)足跡方法可計(jì)算得到1995-2013年期間廣州市的人均消費(fèi)生態(tài)足跡、人均生態(tài)承載力和人均生態(tài)赤字情況，如圖2所示。對(duì)于廣州市的人均消費(fèi)生態(tài)足跡，可按照六類土地生產(chǎn)面積分別展示為耕地、林地、水域、草地、建筑用地和化石能源用地的人均消費(fèi)生態(tài)足跡（圖3）。對(duì)圖3中所示的六類土地生產(chǎn)面積進(jìn)行加權(quán)，即得到圖2中所示的人均消費(fèi)生態(tài)足跡曲線，其表示廣州市在對(duì)應(yīng)年份內(nèi)所消耗的物質(zhì)、能源折算成生產(chǎn)性土地面積的結(jié)果。同樣，圖2中的生態(tài)承載力曲線也可由圖4所示的廣州市六類生產(chǎn)土地面積的人均占有量計(jì)算得到。該曲線表示廣州市對(duì)應(yīng)年份內(nèi)所能提供的資源。

由圖2可知，廣州市從1995年到2013年間人均消費(fèi)生態(tài)足跡遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于生態(tài)承載力，整個(gè)廣州社會(huì)的資源消費(fèi)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于廣州行政區(qū)域內(nèi)所能提供的資源量。1995-2013年期間，廣州市的人均消費(fèi)生態(tài)足跡變化主要分為三個(gè)階段：1995-2002年為第一階段，此階段人均消費(fèi)生態(tài)足跡平穩(wěn)增加；2002-2011年為第二階段，此階段人均消費(fèi)生態(tài)足跡加速上升；2011-2013年為第三階段，此階段人均消費(fèi)生態(tài)足跡趨于平穩(wěn)或略有回落。與此相對(duì)應(yīng)的19年時(shí)間內(nèi)人均生態(tài)承載力幾乎沒有變化。

廣州市人均消費(fèi)生態(tài)足跡從1995年的2.0581Gha增加到2013年的4.2353Gha，19年間人均消耗增長(zhǎng)了兩倍，原因最主要是由于化石能源消耗引起生態(tài)足跡的增長(zhǎng)。如圖3所示，廣州市的人均生態(tài)足跡主要由兩部分組成，一部分是耕地；另一部分是化石能源用地，其中化石能源用地占據(jù)了主要地位，而且可以發(fā)現(xiàn)化石能源消費(fèi)生態(tài)足跡也呈現(xiàn)出三階段變化特征，因此廣州市人均消費(fèi)生態(tài)足跡的三階段變化最主要的原因在于化石能源消費(fèi)生態(tài)足跡的變化。而導(dǎo)致化石能源消耗增加的一個(gè)重要原因是這19年的時(shí)間里廣州市第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的急速發(fā)展，2013年期間，廣州市第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)能源消費(fèi)占到了終端能源消費(fèi)量的86.8%。因此為了減少化石能源消費(fèi)足跡，需要從這兩個(gè)產(chǎn)業(yè)上進(jìn)行政策突破。

反觀廣州市人均生態(tài)承載力，從1995年到2013年幾乎沒有變化，變化的量級(jí)相比于生態(tài)足跡的量級(jí)幾乎可以忽略。19年間人均生態(tài)承載力基本無變化的原因主要有兩方面：一方面是因?yàn)槿丝诘脑鲩L(zhǎng)，圖5展示了人口增長(zhǎng)的變化；另一方面是建筑用地供應(yīng)急劇增加。從圖4中可以看出廣州市人均生態(tài)承載力主要由建筑用地和耕地兩方面組成，而建筑用地占了最主要的地位。因此建筑用地的增加是導(dǎo)致人均生態(tài)承載力的關(guān)鍵因素。此處也可看出生態(tài)足跡方法在各類生產(chǎn)性土地的轉(zhuǎn)換過程中是存在一定缺陷的。

圖2 1995-2013年廣州市人均消費(fèi)生態(tài)足跡、人均生態(tài)承載力和人均生態(tài)赤字

圖3 1995-2013年廣州市六類生產(chǎn)性土地表示的人均消費(fèi)生態(tài)足跡

圖4 1995-2013年廣州市六類生產(chǎn)土地面積的人均占有量

圖5 1995-2013年廣州市人口變化

資料來源：《廣州統(tǒng)計(jì)年鑒》，1995-2013年

從廣州市常住人口數(shù)量隨時(shí)間的變化情況來看（如圖5所示），2005-2013年期間廣州市人口變化也主要分為三個(gè)階段：平穩(wěn)變化期，加速上升期和穩(wěn)定期三個(gè)時(shí)期，1995-2004年為平穩(wěn)發(fā)展期，2004-2010年為加速上升期，2010-2013年為穩(wěn)定期，其時(shí)間點(diǎn)基本與廣州市人均生態(tài)足跡變化的三個(gè)階段基本吻合，即人口急劇增加的時(shí)間也與人均生態(tài)足跡的時(shí)間重合。人口急劇增加的原因主要是廣州的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展引起的人口遷徙[22]。

綜合圖2、圖3、圖4、圖5的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)人口變化、人均生態(tài)足跡變化和人均化石能源足跡的變化具有相同的趨勢(shì)，通過SPSS軟件相關(guān)性分析得出pearson相關(guān)系數(shù)大于0.9，說明人口變化與人均生態(tài)足跡變化具有很強(qiáng)的相關(guān)性。從整個(gè)城市可持續(xù)性的外部特性來說廣州市從1995-2013年處于生態(tài)赤字狀態(tài)，廣州市行政區(qū)域內(nèi)提供的生態(tài)承載力不足以支撐整個(gè)廣州市內(nèi)的消費(fèi)。而廣州市內(nèi)消費(fèi)最大的部分是化石能源消費(fèi)產(chǎn)生的生態(tài)足跡。人口變化與人均生態(tài)足跡變化的強(qiáng)相關(guān)性顯示人口的變化可能會(huì)導(dǎo)致人均生態(tài)足跡的變化，人口急劇增加可能會(huì)導(dǎo)致人均化石能源生態(tài)足跡的增加，也即人口的增加可能導(dǎo)致城市系統(tǒng)內(nèi)部能源利用效率的降低。

以上分析是根據(jù)生態(tài)足跡法從可持續(xù)性的外部維度來研究的。若考慮可持續(xù)性的內(nèi)部維度，可應(yīng)用生態(tài)信息法，在構(gòu)建歷年廣州市城市消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，計(jì)算得到廣州市各部門間能源物質(zhì)傳輸網(wǎng)絡(luò)的平均互信息量和條件熵從1995年至2013年之間的變化情況曲線（如圖6所示）。如前所述，平均互信息量反映的是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有序部分，而條件熵反映的是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無序部分，兩者之和即為信息熵。從圖6中可以看出，1995-2013年期間，廣州市各部門間能源物質(zhì)傳輸網(wǎng)絡(luò)的平均互信息量也分為三階段，1995-2004年平均互信息量增加，2004-2010年平均互信息量急劇減少，2010-2013年平均互信息量趨于穩(wěn)定。從整個(gè)能源與物質(zhì)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來說，其有序性也分為三階段：上升期、急劇下降期和平穩(wěn)期。從結(jié)果上來說2013年的有序度低于1995年的有序度，有序度的減少意味著系統(tǒng)內(nèi)部損耗的增加，19年的發(fā)展中雖然有序度曾經(jīng)有升有降，但是從研究的初始年份到終止年份廣州市能源與物質(zhì)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的效率是降低的。對(duì)比圖5發(fā)現(xiàn)能源與物質(zhì)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三階段變化與人口的三階段變化時(shí)間點(diǎn)基本一致：第一階段為人口的有序變化與能源與物質(zhì)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有序度的增加；第二階段為人口的急劇增加與能源與物質(zhì)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有序度的急劇減少；第三階段為人口的平穩(wěn)與能源與物質(zhì)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有序度的平穩(wěn)。利用SPSS軟件人口變化與能源與物質(zhì)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有序性進(jìn)行相關(guān)性分析，其pearson相關(guān)系數(shù)大于0.9，說明人口變化與物質(zhì)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有序性有很強(qiáng)的相關(guān)性。人口數(shù)量的變化是能源與物質(zhì)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有序性變化的根本性因素。

圖6 1995-2013年廣州市部門間能源物質(zhì)傳輸網(wǎng)絡(luò)平均互信息量和條件熵

五、結(jié)論及政策建議

綜上所述，在1995-2013年期間，廣州市的人均消費(fèi)生態(tài)足跡總體呈增加趨勢(shì)，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人均生態(tài)承載力，說明從可持續(xù)性外部維度來說，廣州市的消費(fèi)是不可持續(xù)的。此外，從整個(gè)城市消費(fèi)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)這一內(nèi)部維度來說，從1995-2013年廣州市消費(fèi)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有序性經(jīng)歷了先增加后減少的過程，表明整個(gè)廣州市的內(nèi)部損耗是先減少后增加的，但2013年的有序性明顯低于1995年的有序性，因此從初始點(diǎn)與終止點(diǎn)的角度廣州市的內(nèi)部損耗是增加的。人均生態(tài)足跡的增加從可持續(xù)性的外部維度說明了城市內(nèi)部損耗的增加，而城市消費(fèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有序性的減少從可持續(xù)性的內(nèi)部維度說明了城市內(nèi)部損耗的增加。根據(jù)以上分析可知，廣州市的內(nèi)部損耗一直在增加，從人均生態(tài)足跡、系統(tǒng)有序性與人口變化的現(xiàn)象來看，人口的急劇增加導(dǎo)致了系統(tǒng)內(nèi)部損耗的增加，因此人口是影響城市可持續(xù)性的最根本因素之一。

為了保證廣州市的可持續(xù)發(fā)展，提出以下幾點(diǎn)建議：

1. 盡量減少廣州市的生態(tài)足跡。在廣州市整個(gè)社會(huì)消費(fèi)中，能源消費(fèi)引起的生態(tài)足跡占了最大的比例，而與此相對(duì)應(yīng)的第二產(chǎn)業(yè)、第三產(chǎn)業(yè)是最主要的耗能產(chǎn)業(yè)。因此，可從第二、第三產(chǎn)業(yè)著手，引導(dǎo)第二、第三產(chǎn)業(yè)積極進(jìn)行節(jié)能減排，從轉(zhuǎn)換和運(yùn)輸兩個(gè)角度提升整體能源效率，同時(shí)在能源利用上鼓勵(lì)使用生物質(zhì)、風(fēng)能等新能源。

2. 積極增加廣州市的生態(tài)承載力。在有條件的情況下可以從增加林木面積、增加耕地面積等，引導(dǎo)市民增加廣州市的綠化率，同時(shí)更加科學(xué)地利用現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)林地。

3. 提升廣州市消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的有序性。一方面提升整個(gè)城市輸運(yùn)效率，減少整個(gè)城市在輸運(yùn)角度的損耗，可以從輸運(yùn)智能化、路線規(guī)劃選擇、能源種類等角度出發(fā)設(shè)計(jì)輸運(yùn)系統(tǒng)；第二方面提升轉(zhuǎn)化效率，減少轉(zhuǎn)化過程中的損耗，特別是對(duì)于能源方面的效率轉(zhuǎn)化，加大研發(fā)投入從化石能源和新能源兩類能源形式的角度提升轉(zhuǎn)化效率，減少能源損耗。

4.研究城區(qū)最適人口和區(qū)域人口密度分布。這是能否實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)性的一項(xiàng)關(guān)鍵的步驟，人口的變化直接關(guān)乎整個(gè)城市的運(yùn)行效率和可持續(xù)發(fā)展程度。

以上建議與廣州市“大力推動(dòng)綠色低碳發(fā)展”、“完善人口戰(zhàn)略，促進(jìn)人口可持續(xù)發(fā)展”的目標(biāo)在本質(zhì)上是一致的，可持續(xù)發(fā)展的問題不僅僅是表層的能源、物質(zhì)問題，其最深層次的原因還在于人，在研究可持續(xù)發(fā)展問題除了需要協(xié)同物質(zhì)流、能量流等因素之外，還需要考慮人口流這一關(guān)鍵因素，只有這樣才能更好地理解城市可持續(xù)發(fā)展并制訂適合的政策。從可持續(xù)外部維度和內(nèi)部維度的研究角度表明廣州市的“大力推動(dòng)綠色低碳發(fā)展”、“完善人口戰(zhàn)略，促進(jìn)人口可持續(xù)發(fā)展”是契合實(shí)際的。

參考文獻(xiàn)

[1]Our Common Future[J]. Oup Catalogue， 1987， 78（1）：53-78.

[2] Zhou D， Lin Z， Liu L， et al. Assessing secondary soil salinization risk based on the PSR sustainability framework[J]. Journal of Environmental Management， 2013， 128（20）：642-654.

[3] Ekins P， Simon S， Deutsch L， et al. A framework for the practical application of the concepts of critical natural capital and strong sustainability ☆[J]. Ecological Economics， 2003， 44（2–3）：165-185.

[4]Zhang L X， Pang M Y， Wang C B. Emergy analysis of a small hydropower plant in southwestern China[J]. Ecological Indicators， 2014， 38（3）：81-88.

[5] Lo-Iacono-Ferreira V G， Torregrosa-López J I， Capuz-Rizo S F. Use of Life Cycle Assessment methodology in the analysis of Ecological Footprint Assessment results to evaluate the environmental performance of universities[J]. Journal of Cleaner Production， 2016， 133：43-53.

[6] Kharrazi A， Kraines S， Lan H， et al. Advancing quantification methods of sustainability： A critical examination emergy， exergy， ecological footprint， and ecological information-based approaches[J]. Ecological Indicators， 2014， 37（2）：81-89.

[7] Wackernagel M， Rees W E. Perceptual and structural barriers to investing in natural capital： Economics from an ecological footprint perspective[J]. Ecological Economics， 1997， 20（1）：3-24.

[8] Vega-Azamar R E， Glaus M， Hausler R， et al. An emergy analysis for urban environmental sustainability assessment， the Island of Montreal， Canada[J]. Landscape & Urban Planning， 2013， 118（8）：18-28.

[9] Nielsen S N， J?rgensen S E. Sustainability analysis of a society based on exergy studies – a case study of the island of Sams? （Denmark）[J]. Journal of Cleaner Production， 2015， 96：12-29.

[10] Kalmykova Y， Rosado L， Patrício J. Resource consumption drivers and pathways to reduction： economy， policy and lifestyle impact on material flows at the national and urban scale[J]. Journal of Cleaner Production， 2015， 76.

[11] Ulanowicz R E. Information theory in ecology[J]. Uspekhi Sovremenno? Biologii， 2001， 25（4）：393-399.

[12] Huang J， Ulanowicz R E. Ecological network analysis for economic systems： growth and development and implications for sustainable development.[J]. Plos One， 2014， 9（6）：e100923.

[13] Kharrazi A， Rovenskaya E， Fath B D， et al. Quantifying the sustainability of economic resource networks： An ecological information-based approach[J]. Ecological Economics， 2013， 90（3）：177-186.

[14] Dang X， Liu G， Xue S， et al. An ecological footprint and emergy based assessment of an ecological restoration program in the Loess Hilly Region of China[J]. Ecological Engineering， 2013， 61（8）：258-267.

[15] Erdas C， Fokaides P A， Charalampous C. Ecological footprint analysis based awareness creation for energy efficiency and climate change mitigation measures enhancing the environmental management system of Limassol port[J]. Journal of Cleaner Production， 2015， 108：716-724.

[16] Wackernagel M， Schulz N B， Deumling D， et al. Tracking the ecological overshoot of the human economy.[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences， 2002， 99（14）：9266-9271.

[17]Jeroen C.J.M van den Bergh， Verbruggen H. Spatial sustainability， trade and indicators： an evaluation of the ‘ecological footprint[J]. Ecological Economics， 1999， 29（1）：61-72.

[18] Ayres R U. Commentary on the utility of the ecological footprint concept[J]. Ecological Economics， 2000， 32（3）：347-349.

[19] Patten B C， Bosserman R W， Finn J T， et al. Propagation of Cause in Ecosystems - Systems Analysis and Simulation in Ecology， Volume IV - 17[J]. Systems Analysis & Simulation in Ecology， 1976， 25（3）：457–579.

[20] Ulanowicz R E， Goerner S J， Lietaer B， et al. Quantifying sustainability： Resilience， efficiency and the return of information theory[J]. Ecological Complexity， 2009， 6（1）：27-36.

[21] Rutledge R W， Basore B L， Mulholland R J. Ecological stability： An information theory viewpoint ☆[J]. Journal of Theoretical Biology， 1976， 57（2）：355-371.

[22]游珍，王露，封志明等.珠三角地區(qū)人口分布時(shí)空格局及其變化特征[J]. 熱帶地理， 2013， 33（2）：156-163.

[23]廣州市統(tǒng)計(jì)局. 廣州統(tǒng)計(jì)年鑒[M]. 中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社， 1995-2013.

項(xiàng)目基金：1.國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.51106055）. 2.湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（No.2015BCA292）3.中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（No. 2016YXZD007）

作者簡(jiǎn)介：王興輝（1991-），男，福建省龍巖市人，工程熱物理，碩士研究生；研究方向：碳排放、城市生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估等；

*通訊作者：龍妍（1975-），女，貴州省都勻市人，郵箱：ly_hust@163.com，工程熱物理，副教授；研究方向：能源經(jīng)濟(jì)與管理、大系統(tǒng)物質(zhì)流能量流信息流協(xié)同等。