城市化對(duì)區(qū)域生態(tài)足跡的影響及其耦合關(guān)系

劉世梁,朱家蘺,許經(jīng)緯,武 雪,趙 爽,侯笑云

北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875

在我國(guó)快速城市化的背景下,城市擴(kuò)展進(jìn)程導(dǎo)致了一系列生態(tài)環(huán)境和土地利用問(wèn)題,如耕地面積減少、動(dòng)植物棲息地破壞、水體大氣污染嚴(yán)重等[1],使得城市生態(tài)足跡超過(guò)區(qū)域生態(tài)承載力。因此,需要對(duì)城市化的資源環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行定量評(píng)價(jià),為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

為衡量城市化影響背景下自然條件對(duì)人類生產(chǎn)生活的支持能力,具備研究?jī)r(jià)值與應(yīng)用價(jià)值的資源環(huán)境承載力評(píng)價(jià)體系受到越來(lái)越多的關(guān)注[2- 3]。一方面,單一要素的資源環(huán)境承載力向著多維度、深化方向發(fā)展。另一方面,包含多要素的資源環(huán)境綜合承載力正力圖延伸概念,并與城鎮(zhèn)化建設(shè)[4]、工業(yè)發(fā)展[5]、旅游開(kāi)發(fā)等產(chǎn)生交互聯(lián)系[6]。綜合承載力評(píng)價(jià)一般利用指標(biāo)體系法與空間疊置分析,因此結(jié)果的可比性、可參照性和簡(jiǎn)易性越來(lái)越引起重視。

在各類資源環(huán)境綜合承載力評(píng)價(jià)方法中,尤其是針對(duì)城市擴(kuò)展的生態(tài)效應(yīng)影響方面,生態(tài)足跡法[7]被國(guó)內(nèi)外廣泛運(yùn)用。近20年來(lái),生態(tài)足跡法不斷被全球?qū)W者修正改進(jìn)[8],國(guó)內(nèi)也不乏學(xué)者對(duì)生態(tài)足跡模型適應(yīng)性進(jìn)行調(diào)整[9],并在此基礎(chǔ)上衍生了諸多探究生態(tài)足跡與其他要素相互關(guān)聯(lián)的分析方法。以上方法已被應(yīng)用于區(qū)域案例,尤其是城市案例的分析：如寇曉東通過(guò)計(jì)算生態(tài)足跡分析比較了中國(guó)若干城市的生態(tài)效率[10]；李東從生態(tài)足跡出發(fā)研究攀枝花市的旅游業(yè)可持續(xù)發(fā)展[11],鄭辛酉則以生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)的視角將生態(tài)足跡法用于上海城市化過(guò)程人類生態(tài)的研究[12]。然而,作為城市生態(tài)足跡的計(jì)算,現(xiàn)有研究往往直接沿用六種生態(tài)足跡賬戶的計(jì)算方法,忽略了城市人群生產(chǎn)生活中排放的各類污染物以及消耗的大量水資源,未能突出城市與其他區(qū)域的差異性。

而在城市化給資源環(huán)境帶來(lái)負(fù)面影響的同時(shí),資源環(huán)境作為城市化運(yùn)行的空間載體,對(duì)城市化運(yùn)行的反作用強(qiáng)度也在逐步增大[13]。調(diào)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾,追求生態(tài)與城市化水平之間的均衡協(xié)調(diào),對(duì)推動(dòng)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[14]。因此時(shí)下不少研究著眼于城市化與生態(tài)環(huán)境的交互耦合關(guān)系,探討兩者交互作用機(jī)理[15]、耦合協(xié)調(diào)度測(cè)度及協(xié)調(diào)發(fā)展類型[16]。然而,鮮有學(xué)者運(yùn)用生態(tài)足跡模型對(duì)耦合度進(jìn)行計(jì)算,生態(tài)足跡模型的應(yīng)用價(jià)值有待進(jìn)一步挖掘。

為全面客觀評(píng)價(jià)城市化的生態(tài)環(huán)境效應(yīng),本研究首先在建立生態(tài)足跡模型時(shí)將污染物吸納、治理以及水產(chǎn)養(yǎng)殖外水資源占用的生態(tài)足跡納入計(jì)算,客觀全面地反映城市區(qū)域所占據(jù)的自然環(huán)境資源；同時(shí)利用生態(tài)足跡建立城市化系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)耦合模型,進(jìn)一步分析城市化與生態(tài)系統(tǒng)的相互作用,判定系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r。本研究選取云南省昆明市作為案例分析,一方面,相對(duì)于東部城市,昆明城市化的生態(tài)效應(yīng)研究相對(duì)薄弱；而另一方面,昆明市正在進(jìn)行以滇池為核心的“新昆明建設(shè)”[17],城市化水平快速增長(zhǎng),亟需平衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)[18]。因此對(duì)昆明市生態(tài)足跡、城市發(fā)展的深入研究不僅為當(dāng)?shù)匕l(fā)展提供科學(xué)依據(jù),也將為西南城市群的可持續(xù)發(fā)展提供借鑒。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

昆明位于云貴高原中部、滇池盆地北部,是中國(guó)西部第四大城市、云南省第一且唯一特大城市,地處滇中城市群的核心圈,面積21473 km2。昆明以山原地貌為主,地勢(shì)大致呈現(xiàn)北高南低的特征,且多伴溶洞和溶巖地貌。昆明屬北亞熱帶低緯高原山地季風(fēng)氣候,年平均氣溫16.5℃,年均降雨量1450 mm,作為中國(guó)面向東南亞、南亞開(kāi)放進(jìn)程中的“橋頭堡”,發(fā)揮著日益重要的作用。

近20年來(lái),云南省城鎮(zhèn)化等重大戰(zhàn)略的實(shí)施,極大促進(jìn)了省會(huì)昆明城市化的進(jìn)程。以滇池為核心建立的開(kāi)放式城鎮(zhèn)體系重新整合了市區(qū)、邊緣開(kāi)發(fā)區(qū)、衛(wèi)星城和小城鎮(zhèn),經(jīng)濟(jì)總值取得了較快平穩(wěn)發(fā)展,經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)得到了有效改善,周邊產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展,對(duì)外貿(mào)易活動(dòng)逐年攀升。但同時(shí),昆明的城市建設(shè)戰(zhàn)略也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成一定壓力：建筑用地急速擴(kuò)張導(dǎo)致土地利用轉(zhuǎn)移,污染物積累與跨境傳輸導(dǎo)致城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)受阻,人口積聚導(dǎo)致生態(tài)足跡遠(yuǎn)超生態(tài)承載力,區(qū)域可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展面臨挑戰(zhàn)。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與標(biāo)準(zhǔn)化處理

昆明市的主要消費(fèi)品包括生物資源消費(fèi)品與能源消費(fèi)品,生物資源消費(fèi)品項(xiàng)目包括耕地農(nóng)產(chǎn)品(小麥、玉米、茶葉、稻谷、豆類、烤煙、蔬菜、甘蔗、薯類農(nóng)產(chǎn)品、蜂蜜、油料)、草地動(dòng)物產(chǎn)物(羊肉、豬肉、綿羊毛、奶類、牛肉、禽蛋)、林地林產(chǎn)品及水果產(chǎn)品(板栗、核桃、水果、松脂、棕片)、水域水產(chǎn)品；主要能源消費(fèi)品項(xiàng)目為化石燃料用地和建筑用地,前者包含煤氣(人工天然氣)、液化石油氣,后者僅有電力。兩類消費(fèi)品數(shù)據(jù)均來(lái)源于《昆明統(tǒng)計(jì)年鑒(2000—2015)》、《云南統(tǒng)計(jì)年鑒(2000—2015)》、《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒(2000—2015)》以及《中國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒(2000—2015)》。為統(tǒng)一數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)口徑,采用昆明農(nóng)作物產(chǎn)量替代農(nóng)產(chǎn)品消費(fèi)量。

結(jié)合我國(guó)實(shí)際,各農(nóng)產(chǎn)品項(xiàng)目平均生產(chǎn)能力主要采用謝鴻宇[19]更新計(jì)算出的中國(guó)主要農(nóng)產(chǎn)品全球平均產(chǎn)量,部分未進(jìn)行更正計(jì)算的消費(fèi)品項(xiàng)目如烤煙、蜂蜜,則采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)官方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。對(duì)于草地動(dòng)物產(chǎn)品,謝鴻宇的計(jì)算只考慮了產(chǎn)于草地部分的平均產(chǎn)量,而未納入產(chǎn)于可耕地部分(主要是飼料)的平均產(chǎn)量,故而有必要采用WWF將二者合并考慮后計(jì)算出的數(shù)值。各類生產(chǎn)性土地的均衡因子采用楊屹[20]計(jì)算出的平均值。

城市化與生態(tài)足跡的耦合分析前,應(yīng)對(duì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,具體方法如下：

(1)

(2)

式中,i代表年份,j代表指標(biāo)類型,xij為指標(biāo)原始數(shù)據(jù),max(xj)與min(xj)分別代表指標(biāo)j的最大值與最小值。當(dāng)指標(biāo)起正向作用時(shí),選用(1)式做標(biāo)準(zhǔn)化處理,得zij；若為逆向作用,則選用(2)式,得zij。

1.2.2 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

土地利用轉(zhuǎn)移矩陣可以表征城市化中用地轉(zhuǎn)變方向和速率。采用2000年、2005年、2010年和2015年昆明土地利用數(shù)據(jù)(http://resdc.cn/)。對(duì)土地利用分類6類,即林地、草地、水域、耕地、居民用地以及其他用地等。進(jìn)行轉(zhuǎn)移矩陣分析,主要分析建設(shè)用地對(duì)其他生態(tài)用地的占用,表征昆明城市化對(duì)土地利用類型轉(zhuǎn)化的影響。矩陣的建立方法參考劉瑞等[21],將兩個(gè)時(shí)點(diǎn)T1、T2的土地利用類型分別作為矩陣的行與列,矩陣中各元素Pij代表T1—T2時(shí)間進(jìn)程中土地類型i轉(zhuǎn)換為土地類型j的面積占土地總面積的百分比,由此得到一個(gè)方陣,對(duì)其進(jìn)行用地結(jié)構(gòu)與變化方向分析[22],并在此基礎(chǔ)上繪制土地利用轉(zhuǎn)化示意圖。

1.2.3 生態(tài)足跡計(jì)算

(1)生態(tài)足跡計(jì)算

在能源消費(fèi)品項(xiàng)目的生態(tài)足跡的具體計(jì)算中,根據(jù)王禹錫等[23]的方法將各類能源的消費(fèi)量轉(zhuǎn)化為標(biāo)煤量,進(jìn)而計(jì)算各類能源消費(fèi)所占用的生態(tài)足跡。同時(shí)引進(jìn)折算系數(shù),從而統(tǒng)一各種化石燃料單位。根據(jù)劉樂(lè)冕[24]提出的生態(tài)足跡改進(jìn)模型增加了污染物生態(tài)足跡,從而計(jì)算出廢水、廢氣、固體廢棄物等排放物直接或間接占用土地的生態(tài)足跡。廢水主要被濕地所消納,其占用濕地面積按照每年365 t/hm2的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行換算[25]。廢氣生態(tài)足跡可通過(guò)轉(zhuǎn)換為吸收大氣污染物所需的林地面積來(lái)計(jì)算[26]：林地對(duì) SO2的平均吸收能力88.65 kg/hm2。固體廢棄物的生態(tài)足跡主要是通過(guò)填埋和堆放處理固體廢棄物所占用的生產(chǎn)性土地面積,按照單位土地面積可堆積固體廢棄物10.19萬(wàn)t/hm2的標(biāo)準(zhǔn)換算[27]。

同時(shí),在傳統(tǒng)模型中,水域作為生物生產(chǎn)性面積僅考慮了漁業(yè)生產(chǎn)功能,并沒(méi)有反映出水體作為一種必需資源在支撐城市發(fā)展中起到的重要作用,因此有必要加入水資源生態(tài)足跡的計(jì)算。水資源生態(tài)足跡的計(jì)算是將消耗的水資源量轉(zhuǎn)化為水資源用地面積,具體方法參考于冰等[28]。

(2)生態(tài)承載力計(jì)算

在生態(tài)承載力的計(jì)算過(guò)程中,需扣除12%的土地面積用于生物多樣性保護(hù)[29],水資源生態(tài)承載力則需扣除60%用于維持生態(tài)環(huán)境和生物多樣性的水資源量[30]。

(3)三維生態(tài)足跡

生態(tài)足跡深度(EFdepth)反映了人類消耗自然資本存量的程度,用于表征人類對(duì)超出生態(tài)承載力部分資源的累積需求,表現(xiàn)出時(shí)間屬性,其計(jì)算公式如下：

(3)

式中,EF為總生態(tài)足跡,EC為生態(tài)承載力總量,ED為生態(tài)赤字總量。

生態(tài)足跡廣度(Esize)反映了人類占用自然資本流量的水平,用于表征在一定區(qū)域的生態(tài)承載力限度內(nèi)人類活動(dòng)實(shí)際占用的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積,表現(xiàn)出空間屬性,其計(jì)算公式如下：

EFsize=min (EF,EC)

(4)

1.2.4 城市化與生態(tài)足跡的耦合度分析

(1)城市化水平計(jì)算

城市化評(píng)價(jià)體系從人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和空間等4個(gè)方面出發(fā)闡釋城市化內(nèi)涵[31]。人口城市化選取非農(nóng)業(yè)人口數(shù)量(P1)、人口比重(P2)、從業(yè)人員數(shù)量(P3)等反映城市化本質(zhì)內(nèi)涵的基本指標(biāo)；社會(huì)城市化主要反映城市的科教文衛(wèi)建設(shè)體系,重點(diǎn)涵蓋公共設(shè)施建設(shè)中的圖書(shū)館藏書(shū)數(shù)量(C1)、醫(yī)院床位數(shù)(C2)、公共汽車數(shù)量(C3)、初中以上學(xué)歷人數(shù)(C4)等內(nèi)容；經(jīng)濟(jì)城市化評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)涉及非農(nóng)產(chǎn)業(yè),即人均可支配收入(E1)、人均工業(yè)總產(chǎn)值(E2)與人均第三產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值(E3)；空間城市化則從建成區(qū)面積(S1)出發(fā),反映城市化的空間性特征。

針對(duì)城市化評(píng)價(jià)體系下的多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。為避免主觀賦權(quán)導(dǎo)致的偏差性與不客觀性[32],同時(shí)避免單一賦權(quán)方法的局限性,本文選取了兩種客觀賦權(quán)法——變異系數(shù)法[33]與熵值法[34]進(jìn)行權(quán)重計(jì)算并取平均值,具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

(2)耦合分析

本研究將生態(tài)足跡、生態(tài)承載力分別和城市化水平的相互作用與影響定義為城市生態(tài)系統(tǒng)與城市化的耦合。耦合度計(jì)算公式為：

(5)

式中,Ux、Uy分別代表生態(tài)系統(tǒng)的指標(biāo)值與城市化發(fā)展系統(tǒng)指標(biāo)值,C代表耦合度。耦合度分為如下4個(gè)階段：0

耦合協(xié)調(diào)度計(jì)算公式為：

T=αUx+βUy

(6)

(7)

表1 昆明城市化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 結(jié)果與分析

2.1 昆明城市化分析

根據(jù)昆明市2000—2005年、2005—2010年以及2010—2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣,分別繪制昆明市土地利用轉(zhuǎn)化示意圖(圖1)。綜合圖表可以看出：2000—2005年,動(dòng)態(tài)變化最大的2類用地為水域和耕地,有0.08%的水域和0.62%的耕地等流入轉(zhuǎn)為建設(shè)用地；2005—2010年,除建設(shè)用地?zé)o面積流出以外,其他5類均或多或少地向其他地類有所轉(zhuǎn)移,動(dòng)態(tài)變化最大的2類用地是耕地和建設(shè)用地,2.5%的耕地流入建設(shè)用地,另有0.28%的水域、0.08%的林地及0.03%的草地等流入建設(shè)用地；2010—2015年,6類用地動(dòng)態(tài)變化都很劇烈,除林地未向其他用地轉(zhuǎn)入外,其余各類用地相互之間均存在轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出。同時(shí),2000—2005年、2005—2010年和2010—2015年3個(gè)時(shí)間段內(nèi)水域及耕地被開(kāi)發(fā)為建設(shè)用地的轉(zhuǎn)化比例呈遞增關(guān)系；自2005年始,草地和林地向建設(shè)用地流轉(zhuǎn)的比例也呈遞增趨勢(shì),說(shuō)明城市化建設(shè)的開(kāi)發(fā)強(qiáng)度和面積范圍在逐年上升,這與昆明近十幾年來(lái)的大規(guī)模城市開(kāi)發(fā)建設(shè)密切相關(guān),反映了人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的干擾和破壞。

圖1 2000—2015年昆明市6類用地間的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化Fig.1 The dynamic transformation of 6 categories of land uses in Kunming from 2000 to 2015

圖2 2000—2015年昆明市城市化指標(biāo)時(shí)間動(dòng)態(tài) Fig.2 The temporal dynamics of urbanization indicators in Kunming from 2000 to 2015

2000—2015年間昆明市城市化發(fā)展特征也可以通過(guò)4種城市化水平得分體現(xiàn)(圖2)。分析圖表得出,昆明市經(jīng)濟(jì)城市化水平上升態(tài)勢(shì)明顯,且隨城市化發(fā)展所占比例逐漸增大,反映了經(jīng)濟(jì)發(fā)展在昆明市城市化中表現(xiàn)較為突出。昆明市空間城市化水平逐年上升,但相比其他要素占比不大。人口城市化水平在2007年前增長(zhǎng)顯著,2007年以后曲折上升,主要原因在于“非農(nóng)業(yè)人口占總?cè)丝诒壤敝笜?biāo)有所波動(dòng)。社會(huì)城市化水平在2007—2011年有所下跌,這可能由于科教文衛(wèi)發(fā)展初期速度相比人口增長(zhǎng)速度較慢,故而人均指標(biāo)下降；2012年后,科教文衛(wèi)發(fā)展相對(duì)速度高于人口增長(zhǎng),社會(huì)城市化水平上升?？傮w看來(lái),盡管土地流轉(zhuǎn)中建設(shè)用地開(kāi)發(fā)強(qiáng)度和面積占比在逐年擴(kuò)大,但昆明市15年間的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步、城市人口增加在城市化中的體現(xiàn)更為突出。

2.2 昆明市生態(tài)足跡的時(shí)間動(dòng)態(tài)

昆明2000—2015年期間人均生態(tài)足跡基本呈上升態(tài)勢(shì)。2000—2009年、2011—2013年期間,人均生態(tài)足跡上升幅度均大于30%,2014年有所下降, 2015年回升至1.53 hm2/人(圖3)。這表明總體上昆明市對(duì)自然資源的消耗水平逐年上升。

分部門(mén)來(lái)看,15年間草地與林地消費(fèi)量的逐年增加導(dǎo)致人均草地、林地生態(tài)足跡分別上升181.6%、82.0%,同時(shí)化石燃料的人均生態(tài)足跡上升幅度也較大,達(dá)157.2%,這與昆明10年間的大規(guī)模城市開(kāi)發(fā)建設(shè)密切相關(guān)。人均耕地生態(tài)足跡在2010—2011年間下降至最低點(diǎn),其他年份基本維持在0.2 hm2/人左右的水平。人均污染吸納用地波動(dòng)較大,2010—2012年間顯著上升,并于2012年達(dá)到最大值0.52 hm2/人,2014年短暫回落后于2015年再度上升。水產(chǎn)品消耗占據(jù)的水域生態(tài)足跡在2010年下降28.4%,并在之后一直維持較低水平；水資源消耗占據(jù)的人均水資源生態(tài)足跡15年間下降約54.6%,兩者在一定程度上體現(xiàn)出昆明在以滇池為核心的水資源保護(hù)上取得了一定成效,但沒(méi)有改變總?cè)司鷳B(tài)足跡的上升趨勢(shì)。人均建設(shè)用地生態(tài)足跡隨社會(huì)用電量變化,在2012年前顯著增加,9年間上漲342.9%,在2013—2015年后有微弱下降,側(cè)面反映出昆明市近年對(duì)建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的重視。

就生態(tài)足跡構(gòu)成來(lái)看,草地、耕地資源消費(fèi)品占據(jù)了生態(tài)足跡的絕大部分,污染吸納用地平均占據(jù)的生態(tài)足跡也高達(dá)27.8%,這一定程度上反映了昆明市居民生產(chǎn)生活方式對(duì)自然資源消費(fèi)量依賴程度較高,同時(shí)城市化發(fā)展導(dǎo)致的污染排放貢獻(xiàn)了相當(dāng)份額的生態(tài)足跡(圖4)。

2.3 昆明市生態(tài)承載力的時(shí)間動(dòng)態(tài)

昆明2000—2011年人均生態(tài)承載力基本呈下降趨勢(shì),比例達(dá)到25.8%,2011年后,人均生態(tài)承載力有小幅上升(圖3)。這表明昆明市在前10年的城市化開(kāi)發(fā)可能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成了較大壓力,而后5年隨著對(duì)生態(tài)文明建設(shè)的重視提高,城市化發(fā)展中也愈發(fā)提升對(duì)生態(tài)環(huán)境的關(guān)注,自然資源的承載壓力有所減輕。

分部門(mén)看,水資源用地的人均生態(tài)承載力在前10年下降幅度最大,達(dá)52.0%；其次是水域生態(tài)承載力,下降幅度達(dá)44.9%；林地、草地人均生態(tài)承載下降幅度均為13.5%。耕地人均生態(tài)承載力在經(jīng)歷2000—2010年的緩慢下降之后逐步回升,上升比例約為12.8%。研究期內(nèi),建筑用地人均生態(tài)承載力大幅上升,幅度達(dá)到288.1%,這與前文土地利用流轉(zhuǎn)變化中大量土地流向建設(shè)用地的趨勢(shì)基本一致。人均生態(tài)承載力賬戶構(gòu)成的時(shí)間動(dòng)態(tài),同樣側(cè)面反映出土地流轉(zhuǎn)過(guò)程中建設(shè)用地占比逐年擴(kuò)大的趨勢(shì)(圖5)。

綜合分析人均生態(tài)足跡、人均生態(tài)承載力,可以引入人均生態(tài)赤字的概念,即生態(tài)承載力與生態(tài)足跡的差值,用于表征昆明市生態(tài)足跡的供需矛盾(圖3)。結(jié)果顯示,昆明市人均生態(tài)足跡一直處于赤字狀態(tài),且在2013年前逐年增加,增幅達(dá)到329.3%,這表明2000—2015年間昆明人均生態(tài)足跡與生態(tài)系統(tǒng)承載能力之間的矛盾逐年擴(kuò)大。分部門(mén)研究,草地貢獻(xiàn)的生態(tài)赤字最大,其次是水域。盡管10年間耕地、林地、水資源用地的生態(tài)承載力稍高于生態(tài)足跡,但有差距逐漸縮小、二者相互逼近的趨勢(shì)。

圖3 2000—2015年昆明市人均生態(tài)足跡、人均生態(tài)承載力、人均生態(tài)赤字時(shí)間動(dòng)態(tài)Fig.3 The temporal dynamics of ecological footprint, ecological carrying capacity and ecological deficit per capita in Kunming from 2000 to 2015

圖4 2000—2015年昆明市人均生態(tài)足跡賬戶構(gòu)成時(shí)間動(dòng)態(tài)Fig.4 The structural change of the account composition of ecological footprint per capita in Kunming from 2000 to 2015

圖5 2000—2015年昆明市人均生態(tài)承載力構(gòu)成時(shí)間動(dòng)態(tài)Fig.5 The structural change of the composition of ecological carrying capacity in Kunming from 2000 to 2015

2.4 昆明市三維生態(tài)足跡時(shí)空動(dòng)態(tài)

2000—2015年,昆明市單位萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡逐年遞減,從2000年0.74 hm2/萬(wàn)元下降到2015年0.26 hm2/萬(wàn)元,降幅達(dá)到65.4%。這表明昆明市在增加資源消費(fèi)的同時(shí),對(duì)資源的利用率也實(shí)現(xiàn)了一定程度的提高,推進(jìn)資源的循環(huán)發(fā)展(圖6)。

昆明市生態(tài)足跡深度在2000—2011年期間波動(dòng)上升,上升幅度達(dá)到100.2%,2011—2015則經(jīng)歷了先穩(wěn)定后下降的趨勢(shì)。其中草地的生態(tài)足跡深度從2000年的444.5倍上升到2013年的935.0倍,表明昆明在2013年需要935倍的草地面積才能滿足當(dāng)前居民對(duì)草地資源產(chǎn)品的需求量,草地生態(tài)承載力與生態(tài)足跡的矛盾最為突出,發(fā)展最不可持續(xù)。此外,15年間昆明市也過(guò)度使用了水域自然資本存量。耕地生態(tài)足跡深度接近1,勉強(qiáng)維持承載力與需求間的平衡。林地、水資源用地生態(tài)足跡深度小于1,基本實(shí)現(xiàn)自然資源承載力與城市需求消費(fèi)間的協(xié)調(diào)(圖6)。

生態(tài)足跡廣度在15年間基本不變,這表明整體自然資源土地總量面積仍維持在相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。其中耕地生態(tài)足跡廣度先下降后趨于平緩,可能的原因在于耕地面積的減少速度放慢。草地、林地、水資源用地生態(tài)足跡廣度始終處于下降態(tài)勢(shì),水域生態(tài)足跡廣度則經(jīng)歷先上升后大幅下降的過(guò)程,最主要原因在于水域養(yǎng)殖面積的下降以及人口的增加。建設(shè)用地生態(tài)足跡廣度由于城市開(kāi)發(fā),則一直處于上升趨勢(shì),15年間的上升幅度達(dá)到288.1%。結(jié)合總量不變的特征,將建設(shè)用地生態(tài)足跡廣度與其他用地進(jìn)行比較也可以得出,昆明城市化進(jìn)程中存在其他生態(tài)用地向建設(shè)用地流轉(zhuǎn)的情況(圖6)。

圖6 2000—2015年昆明市萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡、生態(tài)足跡深度、生態(tài)足跡廣度時(shí)間動(dòng)態(tài)Fig.6 The temporal dynamics of the ecological footprint per ten thousand (yuan) GDP, footprint depth and footprint size in Kunming from 2000 to 2015

2.5 生態(tài)足跡的影響因素分析

三維生態(tài)足跡模型進(jìn)一步反映出資源的稀缺性以及資源消費(fèi)與資源再生之間的不同步性[36],這直接或間接地受到區(qū)域城市化綜合發(fā)展的影響。本文參考已建立的城市化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,選取11個(gè)分別反映人口、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、空間城市化的標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)作為自變量,包括：非農(nóng)人口數(shù)量(P1)、非農(nóng)人口比例(P2)、鄉(xiāng)村從業(yè)人口數(shù)(P3)、每萬(wàn)人公交車數(shù)量(C1)、每百人醫(yī)院床位數(shù)量(C2)、每百人圖書(shū)館藏書(shū)量(C3)、初中畢業(yè)人數(shù)(C4)、人均可支配收入(E1)、人均第三產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值(E2)、人均工業(yè)總產(chǎn)值(E3)、建成區(qū)面積(S1)。再以人均生態(tài)足跡(ED)、生態(tài)足跡深度(EFdepth)、生態(tài)足跡廣度(EFsize)、萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡(EFGDP)先后作為因變量,利用SPSS軟件建立線性回歸方程,結(jié)果如下：

ED=-0.293P1+0.09P2+0.245P3-0.093C1+0.231C2+0.301C3+0.395C4+2.343E1- 2.315E2+

0.051E3+0.406S1(R2=0.985)

(8)

EFdepth=-0.259P1-0.16P2+0.447P3+0.078C1+0.29C2+0.211C3+0.578C4+3.427E1- 3.711E2-

0.297E3+0.654S1(R2=0.974)

(9)

EFsize=-0.589P1+2.026P2- 1.336P3-0.522C1-0.59C2-0.181C3- 1.056C4- 4.305E1+7.016E2+

1.164E3- 2.601S1(R2=0.844)

(10)

EFGDP=-0.326P1+0.422P2-0.216P3-0.072C1+0.004C2+0.109C3-0.245C4-0.812E1+0.612E2+

0.335E3-0.656S1(R2=0.991)

(11)

上述結(jié)果模型R2均較高,表明模型有一定參考價(jià)值。為進(jìn)一步比較各城市化要素在相對(duì)獨(dú)立的情況下對(duì)三維生態(tài)模型的影響程度大小,本文利用SPSS軟件對(duì)數(shù)值進(jìn)行偏相關(guān)性分析,對(duì)比各要素偏相關(guān)系數(shù)大小(圖7)。

圖7 三維生態(tài)足跡各影響因素偏相關(guān)系數(shù)比較Fig.7 The partial correlation coefficient of 3 dimension ecological footprint impact factors in Kunming

結(jié)果顯示,針對(duì)人均生態(tài)赤字與生態(tài)足跡深度,人均第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值起主要負(fù)向作用,社會(huì)城市化中的圖書(shū)館藏書(shū)量、初中畢業(yè)人數(shù)以及居民可支配收入起主要正向作用,同時(shí)人口城市化指標(biāo)中的鄉(xiāng)村人口從業(yè)數(shù)也有相對(duì)較大的正向影響。這表明社會(huì)城市化進(jìn)程中農(nóng)村、城市居民生活水平的提升會(huì)直接或間接地造成生態(tài)赤字的擴(kuò)大以及對(duì)自然資本存量的過(guò)度消耗,而產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)調(diào)整可以在一定程度上擺脫對(duì)資源的過(guò)度依賴,使生態(tài)赤字與生態(tài)足跡深度有減小趨勢(shì)。

針對(duì)生態(tài)足跡廣度,僅非農(nóng)人口占比、人均第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值與其呈中等程度正相關(guān)。這表明非農(nóng)人口所占比例的提升以及第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展極有可能會(huì)導(dǎo)致所占用生態(tài)用地面積的擴(kuò)大。而從其他負(fù)相關(guān)指標(biāo)中可以得出,人口素質(zhì)上升、居民生活水平上升所代表的高質(zhì)量城市化發(fā)展對(duì)維持一定自然資源土地總量有一定的積極影響作用。

針對(duì)人均GDP生態(tài)足跡,非農(nóng)業(yè)人口占比指標(biāo)的正相關(guān)程度較高,表明非農(nóng)人口所占比例上升可能導(dǎo)致資源利用效率的下降。而從業(yè)人數(shù)的上升、受教育人口增加以及建成區(qū)面積上升對(duì)促進(jìn)資源的循環(huán)利用發(fā)展有一定積極影響。

綜合以上結(jié)果可以得出城市化發(fā)展各項(xiàng)指標(biāo)與三維生態(tài)足跡模型之間的復(fù)雜關(guān)系。人口城市化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在非農(nóng)人口占比上升在空間上占據(jù)更大自然資源用地、降低資源利用效率,鄉(xiāng)村從業(yè)人員上升一方面會(huì)消耗更多資源量,但另一方面可能提升資源利用效率、節(jié)約生態(tài)資源用地；社會(huì)城市化的生態(tài)效應(yīng)主要表現(xiàn)為間接消耗自然資源,但從長(zhǎng)遠(yuǎn)效益來(lái)看能有助于維持一定自然資源土地總量、促進(jìn)資源的循環(huán)利用。經(jīng)濟(jì)城市化進(jìn)程中產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)必存在資源消耗,但也可以通過(guò)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提高資源利用率、控制總量消耗。而空間城市化普遍相關(guān)系數(shù)較低,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)效應(yīng)不顯著。

2.6 區(qū)域生態(tài)足跡和承載力與城市化水平耦合分析

根據(jù)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算得到的昆明城市化水平的時(shí)間動(dòng)態(tài),可與標(biāo)準(zhǔn)化后的城市總生態(tài)足跡與城市總生態(tài)承載力進(jìn)行耦合分析,進(jìn)一步分析城市化與生態(tài)系統(tǒng)之間復(fù)雜的相互關(guān)系。

對(duì)耦合度分析可得知,2000年到2015年的15年間,昆明市總生態(tài)足跡與城市化之間的耦合程度均屬于拮抗階段。2000—2003年間耦合度從0.37的較低水平開(kāi)始顯著向磨合階段逼近,上升幅度達(dá)到34.0%,之后一直維持在0.49的大致水平,這表明城市化發(fā)展與生態(tài)足跡的變化基本一致。昆明市人均生態(tài)承載力與城市化之間的耦合程度波動(dòng)較為明顯,2006年前耦合度緩慢上升至15年間的最高點(diǎn),并于2006—2009年基本維持在較高水平,這表明此時(shí)城市化發(fā)展對(duì)生態(tài)系統(tǒng)尚未造成嚴(yán)重影響。2010—2011年生態(tài)系統(tǒng)承載力對(duì)城市化有較明顯的負(fù)向反饋,耦合度下降幅度達(dá)到15.2%。2011年后耦合度緩慢提升,其原因可能在于2011年后對(duì)生態(tài)環(huán)境的重視逐漸上升,使得城市化子系統(tǒng)與生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)耦合度逐漸上升(圖8)。

圖8 2000—2015年昆明市總生態(tài)足跡、總生態(tài)承載力與城市化耦合度時(shí)間動(dòng)態(tài)Fig.8 The temporal dynamics of interactive coupling level between ecological footprint, ecological carrying capacity and urbanization in Kunming from 2000 to 2015

對(duì)耦合協(xié)調(diào)度進(jìn)行分析,總生態(tài)足跡與城市化協(xié)調(diào)程度在2006年前從嚴(yán)重失調(diào)階段向?yàn)l臨失調(diào)階段快速過(guò)渡,2007年之后協(xié)調(diào)度基本達(dá)到協(xié)調(diào)階段。此時(shí)3種計(jì)算模型結(jié)果差異不大,此時(shí)可選取將生態(tài)系統(tǒng)與城市化系統(tǒng)視為同等重要的模型①用于進(jìn)一步分析。生態(tài)足跡與城市化協(xié)調(diào)度在2000—2007年間以穩(wěn)定速度上升,幅度為170.8%,提升過(guò)程顯著。2008年數(shù)據(jù)顯示有小幅度回落,之后則以相對(duì)較緩慢速度繼續(xù)上升,在2015年達(dá)到0.69的最高水平(圖9)。

總生態(tài)承載力與城市化協(xié)調(diào)度變化相對(duì)復(fù)雜。3種模型計(jì)算結(jié)果均顯示在2006年前,生態(tài)系統(tǒng)與城市化均處于失調(diào)階段,若計(jì)算模型偏重城市化發(fā)展,失調(diào)狀況更為嚴(yán)重。同時(shí),3種計(jì)算模型顯示,經(jīng)歷2007—2008年的勉強(qiáng)協(xié)調(diào)階段后,在2009—2012年間協(xié)調(diào)度均有不同程度回落,2012年后,協(xié)調(diào)度重新回升,在2013年基本進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)階段。這表明2009年前城市化發(fā)展水平盡管快速增長(zhǎng),但尚未超過(guò)資源承載力。2009年后城市化發(fā)展對(duì)生態(tài)系統(tǒng)逐漸積累的負(fù)向作用開(kāi)始顯現(xiàn),同時(shí)這一時(shí)段內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的退化也對(duì)城市化發(fā)展造成約束作用,故而兩系統(tǒng)間的耦合協(xié)調(diào)度失穩(wěn)。2013年后對(duì)生態(tài)保護(hù)的重視一定程度彌補(bǔ)了前期粗放的城市化發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)向效應(yīng),追求可持續(xù)的協(xié)調(diào)發(fā)展道路取得一定成效(圖9)。

圖9 2000—2015年昆明市總生態(tài)足跡、總生態(tài)承載力與城市化協(xié)調(diào)度時(shí)間動(dòng)態(tài)Fig.9 The temporal dynamics of coordination degree between ecological footprint, ecological carrying capacity and urbanization in Kunming from 2000 to 2015

3 結(jié)論與討論

城市化發(fā)展與區(qū)域生態(tài)環(huán)境之間必然形成復(fù)雜而深刻的相互作用,為充分考慮二者交互關(guān)聯(lián),一方面現(xiàn)有資源環(huán)境承載力評(píng)價(jià)體系中須納入城市區(qū)域所占據(jù)的特殊自然環(huán)境資源；另一方面利用綜合承載力評(píng)價(jià)結(jié)果建立城市化系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)的耦合模型,客觀全面地分析城市化與生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展?fàn)顩r。本研究以昆明市為案例,在分別測(cè)算2000—2015年間昆明生態(tài)足跡與城市化水平時(shí)間動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究了生態(tài)足跡模型變化的主要驅(qū)動(dòng)因子以及生態(tài)足跡模型與城市化體系耦合協(xié)調(diào)程度的時(shí)間動(dòng)態(tài)。研究表明：

(1)城市化水平逐年提高體現(xiàn)在土地利用流轉(zhuǎn)變化加劇,建設(shè)用地比例提升,經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng),社會(huì)進(jìn)步,城市人口增多；居民消費(fèi)增加、污染排放加劇使得人均生態(tài)足跡逐年上升；人均生態(tài)承載力在前期下降態(tài)勢(shì)明顯,近年對(duì)生態(tài)文明的重視促使資源壓力有所減輕。

(2)考察年份期間生態(tài)赤字逐年減小、生態(tài)足跡廣度基本不變、生態(tài)足跡深度先上升后下降、萬(wàn)元GDP生態(tài)足跡逐年減小,表明昆明市存在生態(tài)足跡與生態(tài)承載力不匹配、過(guò)度使用自然資本存量的狀況,但情況趨于好轉(zhuǎn),資源利用效率也逐年增加。其主要驅(qū)動(dòng)因素在于社會(huì)層面的對(duì)人口素質(zhì)及居民生活水平的提升以及經(jīng)濟(jì)層面的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。

(3)耦合模型測(cè)算中,生態(tài)足跡與城市化耦合水平及協(xié)調(diào)度均呈逐年穩(wěn)定上升,生態(tài)承載力與城市化耦合水平及協(xié)調(diào)度均呈波動(dòng)上升態(tài)勢(shì),這與城市化負(fù)向作用逐漸積累、集中凸顯相關(guān)。

昆明特殊的地形地貌和地理區(qū)位在為其提供了絕佳自然資源優(yōu)勢(shì)的同時(shí),也對(duì)其城市化發(fā)展提出了更高要求：以保存自然風(fēng)貌為前提開(kāi)展城市建設(shè),彌補(bǔ)本世紀(jì)初高速的城市化發(fā)展模式對(duì)生態(tài)環(huán)境積累的負(fù)面影響[37],追求更高質(zhì)量城市化發(fā)展,從而達(dá)到生態(tài)系統(tǒng)與城市系統(tǒng)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

在資源環(huán)境承載力方面,本研究通過(guò)計(jì)算污染物的生態(tài)足跡,更好地衡量城市化的區(qū)域生態(tài)脅迫。未來(lái)研究可以此為出發(fā)點(diǎn),聚焦昆明核心—滇池水生態(tài)環(huán)境與城市化水平的交互關(guān)聯(lián),兼顧水質(zhì)達(dá)標(biāo)和生態(tài)需水滿足[38],從而針對(duì)性地提出管理措施。

針對(duì)評(píng)價(jià)方法,本研究將生態(tài)足跡、碳足跡、水足跡等概念進(jìn)行了有機(jī)整合[39],使其更方便運(yùn)用于云南省乃至西南城市群的城市化生態(tài)效應(yīng)研究?？偨Y(jié)分析我國(guó)西南區(qū)域城市化與生態(tài)環(huán)境的交互響應(yīng)機(jī)制,對(duì)區(qū)域生態(tài)安全屏障建設(shè)與城市群發(fā)展模式調(diào)整提供理論價(jià)值和實(shí)際意義。