沿?？焖俪鞘谢貐^(qū)能值生態(tài)足跡變化分析

馬 赫,張?zhí)旌?羅宏森,唐明方,石龍宇,*

1 中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所城市環(huán)境與健康重點實驗室, 廈門 361021 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 四川師范大學(xué), 成都 610066 4 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085

最先研究能值的是Odum等學(xué)者[1- 2]。能值分析就是以能值為基準,把生態(tài)系統(tǒng)不同類、不可比的能量轉(zhuǎn)換成同一標準——能值來分析和衡量,以評價其在系統(tǒng)中的作用和功能。由于任何形式的能量均源于太陽能,即任何產(chǎn)品、資源或勞務(wù)形成過程中直接或間接消耗的太陽能。因此,在實際應(yīng)用中以“太陽能值”來衡量各種能量的能值就是其所具有的太陽能值,單位為太陽能焦耳。這種方法的優(yōu)點是將生態(tài)系統(tǒng)中的各種不同性質(zhì)、不同來源的能量通過能值轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化為具有統(tǒng)一量綱的太陽能值,系統(tǒng)中各種不同類別、不同性質(zhì)的能量轉(zhuǎn)化統(tǒng)一到共同的標準尺度,就可以將它們進行比較和匯總。自從能值理論建立以來,能值理論和分析方法備受國際生態(tài)學(xué)界、經(jīng)濟學(xué)界和政府決策者的關(guān)注。EEF模型的獨特優(yōu)勢使其能提高區(qū)域生態(tài)承載力計算的穩(wěn)定性和精確性,為生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)評價提供了新思路。當前,我國正處于工業(yè)和城市化快速發(fā)展階段,同時也面臨嚴重的生態(tài)環(huán)境問題[3]。因此,運用有特殊優(yōu)勢的能值生態(tài)指標,對快速城市化地區(qū)進行研究具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

生態(tài)足跡方法通過比較人類活動消耗自然資源與自然生態(tài)系統(tǒng)的承載力能力進行對比,自其建立以來就成為反映可持續(xù)發(fā)展的重要指標[4- 5],不過其計算方式仍然受到廣大學(xué)者的質(zhì)疑[6]。一些學(xué)者聲稱能值評價可以轉(zhuǎn)化為可量化的空間均衡值,提供計算生態(tài)足跡的其他方式[7]。因此Zhao嘗試在這個途徑上做一些先驅(qū)性的工作,這種新方法主要的目的是實現(xiàn)對人類對自然資源的需求和自然服務(wù)供給之間轉(zhuǎn)換的理解[8- 9]。Zhao將建立的基于能值分析的生態(tài)足跡模型應(yīng)用于甘肅省的生態(tài)足跡實證研究之中,并與傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型進行了對比[8]。Chen 等利用能值生態(tài)足跡模型計算了中國在1953—2006年五十多年之間的能源消費的生態(tài)足跡變化[10]。Siche 等以秘魯為例對能值分析與生態(tài)足跡模型的結(jié)合進行了探索[11]。國內(nèi)近幾年針對生態(tài)足跡模型的研究逐漸增多[12-14],也有其他學(xué)者對能值生態(tài)足跡做了研究與應(yīng)用[15-17]?？傮w來說,基于能值法計算生態(tài)足跡研究起步較晚,相關(guān)研究不多,尤其對城市方面的研究較少,但該方法在評價城市生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性方面具有系統(tǒng)性、客觀性以及可定量化等特點,既考慮系統(tǒng)自身的持續(xù)性,也將系統(tǒng)外部性納入其評價指標體系,能夠更全面、更準確地測度資源消耗及環(huán)境影響。

本文應(yīng)用有特殊優(yōu)勢的能值生態(tài)足跡模型組分法,選擇經(jīng)濟發(fā)展、城鎮(zhèn)化和資源利用、環(huán)境保護之間矛盾突出的典型城市——廈門市,研究其從1980年到2010年30年間對生物、能源資源消耗的動態(tài)變化情況。探討快速城市化地區(qū)在30年改革過程中工業(yè)化、城市化發(fā)展的資源消耗特征,面臨的問題和可能的解決途徑。尤其是著重分析影響資源消耗的關(guān)鍵因素,時間序列上動態(tài)變化的差異性,以期為緩解生態(tài)環(huán)境壓力、保護區(qū)域資源,實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展提供對策和參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本文選擇沿海地區(qū)處于快速城市化進程中的廈門市為研究區(qū)。該市位于福建省東南,24°23′—24°54′N、117°53′—118°26′E之間,全市陸地面積1699.39 km2,海域面積390 km2,截至2015年底,全市總常住人口為386萬人。廈門屬南亞熱帶海洋性季風氣候。年平均氣溫20.9℃,年平均降水量1143.5 mm,可更新能源如海洋潮汐能、雨水勢能、風能、太陽能等比較充足[18-19]。

廈門市由廈門本島、鼓浪嶼島、北部內(nèi)陸部分及附近海域組成,其地勢由南向北傾斜。廈門市風景優(yōu)美,早在1995年廈門市就將城市性質(zhì)確定為“我國經(jīng)濟特區(qū)、東南沿海重要的中心城市、港口和風景旅游城市”。2009年,廈門市發(fā)展戰(zhàn)略的城市定位為海峽西岸重要的中心城市,廈門市的城市空間不斷拓展,努力營建廈泉漳同城化,同時不斷推進兩岸金融中心、東南國際航運中心、大陸對臺貿(mào)易中心的建設(shè)。2014年12月12日起,國務(wù)院決定設(shè)立中國(福建)自由貿(mào)易試驗區(qū),其中廈門片區(qū)共43.78 km2[18-19]。

但是由于廈門市土地面積狹小,境內(nèi)多丘陵山地,耕地資源十分有限,在快速城市化過程中大量耕地和灘涂被改變?yōu)榻ㄔO(shè)用地,經(jīng)濟、城市化發(fā)展和資源環(huán)境之間矛盾尖銳,廈門市的可持續(xù)發(fā)展面臨極大的挑戰(zhàn)。因此本文選擇廈門市作為研究區(qū),對于研究城市化與可持續(xù)發(fā)展健康協(xié)調(diào)問題具有典型代表性和現(xiàn)實意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源

(1)該年份的生物資源、能源消耗數(shù)據(jù),生物資源土地數(shù)據(jù)來自廈門市統(tǒng)計局[18]。

(2)訪問世界糧農(nóng)組織產(chǎn)量年鑒網(wǎng)站,獲取1980到2010年全球各種農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和收獲面積,如肉類、蔬菜、木材、水果等[19],確定1980到2010年的全球平均產(chǎn)量。計算每種產(chǎn)品的全球平均產(chǎn)量。

(3)生物、能源資源的太陽能值通過中國統(tǒng)計局、能源足跡全球平均產(chǎn)量、中國國家標準(GB 2589—1990)的能源折算系數(shù)等折算得到[20-21]。

(4)每種消耗單位千克的能量含量由能值評價手冊確定[2]。每種消耗品的能值轉(zhuǎn)換率由Ulgiati文章中獲得[1]。

全球能量密度、世界表面積等參數(shù)由查詢Ortega文章得到[11]。能值轉(zhuǎn)換率由查詢金丹等文章得到[22-24]。能值生態(tài)承載力計算所用其他參數(shù)由查詢陳惠、黃英志、趙云華文章得到[25-27]。

1.3 能值生態(tài)足跡

1.3.1 計算區(qū)域能值密度

全球可再生能源的總量是生態(tài)承載力的基礎(chǔ),也是可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。引入全球平均能值密度作為太陽能值與生態(tài)足跡互換的基礎(chǔ)。全球平均能值密度等于全球一年中的自然能值數(shù)量與全球土地面積之比。

可以用下面的公式來表達：

GED=TRE/WSA

(1)

式中,GED是全球能量密度 (sej/hm2);TRE是地球可更新能源(sej/a),其值為1.583×1025sej/a;WSA是世界表面積(hm2),其值為5.1×1010hm2。

因為全球能量密度代表一個平均值,可以用全球公頃ghm2為單位(global hectare)。因此,全球平均能量密度是3.1×1014sej ghm-2a-1[10- 11]。

1.3.2 計算生態(tài)承載力

自然資源可以分為可更新能源和不可更新能源,由于不可更新資源的消耗速度要快于其再生速度,隨著人類的不斷利用,會日益枯竭,只有利用可更新資源,生態(tài)承載力才具有可持續(xù)性,區(qū)域的發(fā)展才具有連續(xù)性。因此,在計算生態(tài)承載力時,只考慮可更新資源的能值(潮汐能、海浪能、太陽能、地球旋轉(zhuǎn)能、風能、雨水化學(xué)能、雨水勢能、地熱能等)。

一切自然資源所包含的能量均來源于太陽能,為了避免重復(fù)計算,取可更新資源人均能值中的最大值,再折算出相對應(yīng)的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積,作為研究區(qū)域的人均生態(tài)承載力值。

能值生態(tài)承載力計算方式如下：

EBC=e/p1

(2)

式中,EBC是人均生態(tài)承載力(ghm2);e為可更新資源的人均太陽能值;p1為全球平均能值密度(sej ghm-2a-1)。

1.3.3 計算生態(tài)足跡

計算各主要消費項目的人均太陽能值。首先劃分消費項目,然后引入能值轉(zhuǎn)換率,計算區(qū)域各消費項目的太陽能值,將能值轉(zhuǎn)換率乘以給定項目的能量,該給定的能量就換算為能值。最后計算各消費項目的人均太陽能值,并將各消費項目的人均能值換算成對應(yīng)的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積。計算生態(tài)足跡時,其包含的消費項目主要分為兩類：生物資源消費和能源資源消費。生物資源消費分為農(nóng)、林、畜和水等大類產(chǎn)品,大類下還有細小的分類,其中農(nóng)產(chǎn)品包括糧食、蔬菜、食糖、油類、水果等,畜產(chǎn)品包括牛肉、羊肉、豬肉、家禽、蛋類、奶類等,水產(chǎn)品即魚蝦等。能源資源消費項目的劃分主要根據(jù)中國能源統(tǒng)計年鑒的劃分,主要包括煤炭、油類和電力等。大類下也有細小的分類,其中煤包括洗精煤、原煤、焦炭等。

能值生態(tài)足跡計算方式如下[8,10- 11]：

(3)

式中,EEF是人均能值生態(tài)足跡(ghm2);i是自然資源種類;ai是i種資源的人均生態(tài)足跡(ghm2);ci是i種資源的人均能值(sej);p2是區(qū)域能值密度(sej m-2a-1)。

對于ci其計算公式為：

ci=Ci×Ei×Ti

(4)

式中,Ci為i種資源的消耗量(kg);Ei為i種資源的含能量(J);Ti為i種資源的能值轉(zhuǎn)換率(sej/J)。

1.3.4 計算生態(tài)赤字或盈余

將計算的各消費項目的人均能值生態(tài)足跡與能值生態(tài)承載力進行分別匯總和比較,計算得到生態(tài)赤字(ED, ecological deficit)或生態(tài)盈余(ER, ecological reserve),從而衡量研究區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展狀況。

2 結(jié)果

廈門市1980—2010年間能值生態(tài)足跡計算結(jié)果如下(表1)。

表1 廈門市1980—2010年能值生態(tài)足跡、生態(tài)承載力和生態(tài)盈余/(ghm2)

ghm2：全球公頃,global hectare

從計算結(jié)果來看,1980—2010年人均能值足跡分階段上升,人均能值承載力逐年下降。30 年中,除了2009、2010年,人均盈余均為正值,說明此前長期時間內(nèi)人類活動壓力尚未超過生態(tài)環(huán)境的承載力。

能值生態(tài)足跡的計算,以2010年為例,各類資源的消耗,各類型生物生產(chǎn)性土地面積及生態(tài)足跡的計算過程和結(jié)果見表2。按照公式(3)計算得到該年廈門市能值-生態(tài)足跡賬戶結(jié)果見表2,全年人均能值-生態(tài)足跡為52.8 ghm2。從計算結(jié)果組分來看,人均耕地能值足跡為4.2 ghm2,人均水域能值足跡為0.4 ghm2,人均草地能值足跡為2.3 ghm2,人均化石燃料用地能值足跡為5.5 ghm2,它們對能值足跡的貢獻率達到了36.4%,反映出廈門市對生態(tài)環(huán)境造成消耗和壓力最大的是能源工業(yè)。

表2 生態(tài)足跡中生物資源和能源資源消耗計算過程

能值生態(tài)承載力的計算中,以2010年為例,區(qū)域可更新資源能值計算結(jié)果見表3。為避免重復(fù)計算,取可更新能源中最大值計算生態(tài)承載力[24],即2010年廈門市最大可更新能源能值為3.02×1021sej。按照公式(2),計算得到2010年廈門市人均能值-生態(tài)承載力為47.52 ghm2。

表3 2010年可更新資源能值計算結(jié)果

綜合能值生態(tài)足跡和生態(tài)承載力計算結(jié)果(圖1),2010年廈門人均生態(tài)盈余為-5.28 ghm2,表明該年份廈門市已經(jīng)面臨初步供不應(yīng)求的生態(tài)環(huán)境壓力。

通過對近 30 年人均能值足跡與承載力動態(tài)變化進行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：研究期內(nèi)廈門市人均能值生態(tài)足跡呈階段增加趨勢,其值由1980年的8.6 ghm2增加到2010年的52.8 ghm2,總增長率達614.0%,其中1980年到1990年間比較平穩(wěn),2000后增速明顯加快。

廈門的人均能值生態(tài)承載力由1980年的181.2 ghm2持續(xù)下降到47.5 ghm2,下降為1980年的26.2%。這種情況的出現(xiàn)主要是由于導(dǎo)致人均能值生態(tài)承載力在30年間大幅減小。

圖1 能值生態(tài)足跡和生態(tài)承載力變化圖Fig.1 Component of emergy ecological footprint and bio-capacity of Xiamen CityEEF：能值生態(tài)足跡,emergy ecological footprint;EBC：能值生態(tài)承載力,emergy bio-capacity

圖2 能值方法計算下的各年份生態(tài)足跡Fig.2 Emergy ecological footprint of Xiamen City over 30 years

從組分圖來看(圖2),最初耕地的生態(tài)足跡最高,其次為水域,但是二者之后逐年下降,到2010年已成為各個組分中比例最小部分。30年間化石燃料用地和建設(shè)用地的生態(tài)足跡增長迅速,二者對廈門市人均能值生態(tài)足跡變化貢獻最大,并且成為2000年后總體足跡中所占比例最大的組分,各自占比超過20%。

3 討論

從表1可以發(fā)現(xiàn),30年間廈門市能值生態(tài)足跡整體增長趨勢顯著,增長量巨大,反映出隨著廈門市工業(yè)化和城市化建設(shè)的迅速發(fā)展,各類生產(chǎn)、生活活動對自然資源的利用、消耗強度持續(xù)增大,居民生活水平不斷提高,生態(tài)環(huán)境承受的負荷與壓力日益加重。

廈門能值盈余的變化趨勢是逐年縮小,由1980年的172.6 ghm2減少到2010年的-5.3 ghm2,并在2010年由生態(tài)盈余轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)赤字,表明從該年起,廈門市對生態(tài)環(huán)境的資源需求開始超出生態(tài)系統(tǒng)閾值,城市可持續(xù)發(fā)展面臨壓力。同時也應(yīng)看到,在28年里廈門市可以一直保持生態(tài)盈余,說明境內(nèi)太陽能、風能、水能、地熱資源等可更新自然資源充足,具有很大的開發(fā)利用空間和潛力。

考慮到2009年廈門市的城市化率達到為88.4%(2010年11月1日零時為標準時點進行的第六次全國人口普查,常住人口353萬,城鎮(zhèn)人口312萬),遠高于2010年全國城市化率49.68%(2010年11月1日零時為標準時點進行的第六次全國人口普查),因此調(diào)整廈門市的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和控制城市化發(fā)展非常必要。一方面,應(yīng)該降低第二產(chǎn)業(yè)的比例,降低對化石能源的使用,同時促進第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和第一產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化,以此為城市提供更多的資源供給并降低資源需求,特別是化石能源的需求。

4 結(jié)論與展望

本研究采用能值生態(tài)足跡方法,對廈門市1980—2010年的資源環(huán)境壓力進行了時間序列的動態(tài)分析和可持續(xù)發(fā)展評價。計算分析結(jié)果顯示,廈門市的能值生態(tài)足跡需求隨著城市經(jīng)濟的發(fā)展、城市化的快速推進(建成區(qū)的快速大規(guī)模擴張)而持續(xù)增長,并且表現(xiàn)出明顯的階段性特征。而供給方面的能值生態(tài)承載力卻在逐年持續(xù)減少,并最終在2009、2010年由生態(tài)盈余轉(zhuǎn)為生態(tài)赤字。偏高的城市化率(88.4%,遠高于全國水平49.68%),已經(jīng)出現(xiàn)的生態(tài)赤字(-5.3 ghm2),反映出廈門市目前所處的經(jīng)濟、城市化發(fā)展階段和面臨的生態(tài)環(huán)境壓力問題,表明從該時間節(jié)點起,廈門市的可持續(xù)發(fā)展問題應(yīng)當引起更進一步的重視。

能值生態(tài)足跡模型為衡量城市的可持續(xù)發(fā)展提供了一種新的度量方法,將能值理論引入到生態(tài)足跡模型中,集合了兩種方法的優(yōu)點,與傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型相比,能值生態(tài)足跡模型將物質(zhì)循環(huán)與能量流動緊密結(jié)合,從能量的角度分析區(qū)域,特別是城市化進程中,人類的物質(zhì)需求與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的關(guān)系。而在能值計算方法中,研究區(qū)域的各種能量被統(tǒng)一為同一太陽能值標準,更真實準確地反映了研究區(qū)實際生態(tài)足跡現(xiàn)狀。其中,能值方法中的能值轉(zhuǎn)換率相比傳統(tǒng)方法中的全球平均生產(chǎn)力因子更具有穩(wěn)定性。此外,為便于將研究中生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的計算結(jié)果與其他地區(qū)進行比較,在能值密度的選擇上,計算能值-生態(tài)承載力和能值-生態(tài)足跡時都采用全球能值密度,對不同城市之間可持續(xù)發(fā)展水平的對比有重要參考意義。

能值生態(tài)足跡用能值轉(zhuǎn)化率、能值密度等指標取代了傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型中均衡因子、產(chǎn)量因子、世界平均生產(chǎn)力等指標,雖然在一定程度上解決了傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型中的空間互斥性等問題,實現(xiàn)了對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的定量測算和評價,但是對于人類的主觀能動作用以及城市生態(tài)系統(tǒng)的開放性、區(qū)域功能定位之間的差異性、生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的復(fù)雜多樣性等一系列問題仍沒有解決。此外,能值生態(tài)足跡模型中能值轉(zhuǎn)換率的計算也比較困難。