基于本土參數(shù)的流域生態(tài)足跡評(píng)估與不確定分析

李金城,嚴(yán)長(zhǎng)安,高 偉,*

1 云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與環(huán)境學(xué)院,昆明 650091 2 昆明市環(huán)境科學(xué)研究院, 昆明 650032

隨著全球人口的不斷膨脹和經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng),資源消耗、污染排放等人類活動(dòng)日益逼近甚至超過資源環(huán)境承載力,嚴(yán)重制約了人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。自1987年WCED提出可持續(xù)發(fā)展概念后,可持續(xù)發(fā)展已成為全人類共識(shí)的發(fā)展理念和戰(zhàn)略。然而,必須通過定量測(cè)度可持續(xù)性狀態(tài)才能將發(fā)展理念轉(zhuǎn)化為可操作性模式[1]。為此,眾多國(guó)際組織和相關(guān)研究人員從多個(gè)角度探尋測(cè)度國(guó)家和地區(qū)發(fā)展可持續(xù)性的方法和指標(biāo),如：世界銀行提出的“國(guó)家財(cái)富指標(biāo)體系”[2]、Daly[3]等提出的“可持續(xù)經(jīng)濟(jì)福利指數(shù)(ISEW)”、Prescott-Allen等[4]提出的“可持續(xù)性的晴雨表”等。以上研究方法在很多國(guó)家和地區(qū)得到了應(yīng)用,但基于指標(biāo)體系的可持續(xù)性評(píng)價(jià)方法側(cè)重于對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展?fàn)顟B(tài)的評(píng)估,且在評(píng)價(jià)指標(biāo)選取、權(quán)重確定和指數(shù)計(jì)算方法等方面尚存在較大的主觀性和不確定性,如何定量測(cè)度可持續(xù)狀態(tài)始終是可持續(xù)發(fā)展研究中的難題。William Rees 1992年提出了生態(tài)足跡(ecological footprint)的概念[5],生態(tài)足跡將可持續(xù)性量化,通過具體指標(biāo)確定人類生存是否處于生態(tài)系統(tǒng)承載力范圍之內(nèi),很好的解決了生態(tài)影響與承載力的測(cè)量問題[6]。

生態(tài)足跡模型主要是用來計(jì)算區(qū)域內(nèi)維持資源消費(fèi)和吸納人類活動(dòng)所產(chǎn)生廢棄物所必需的生物生產(chǎn)性土地面積[7- 9],將生態(tài)足跡與區(qū)域所能提供的生物生產(chǎn)性土地面積進(jìn)行對(duì)比,從而判斷一個(gè)區(qū)域是否處于可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)[10]。生態(tài)足跡計(jì)算過程中,將不同資源利用和能源消費(fèi)類型轉(zhuǎn)化為耕地、草地、林地、水域、建設(shè)用地、能源用地6種生物生產(chǎn)性土地面積[11]。不同地區(qū)和不同土地類型生產(chǎn)力不同,計(jì)算時(shí)需乘均衡因子和產(chǎn)量因子,均衡因子和產(chǎn)量因子是生態(tài)足跡核算中最主要的參數(shù),對(duì)生態(tài)承載力的評(píng)估結(jié)果有重要影響。目前,國(guó)內(nèi)的生態(tài)足跡案例研究大多借用全球或國(guó)家等大尺度的均衡因子和產(chǎn)量因子[12- 15],如張志強(qiáng)等人采用Wackernagel對(duì)全球生態(tài)足跡計(jì)算時(shí)所取的產(chǎn)量因子、均衡因子計(jì)算了中國(guó)西部12省(區(qū)市)的生態(tài)足跡[16],邱壽豐等人采用國(guó)家生態(tài)足跡賬戶計(jì)算方法和參數(shù)對(duì)福建省生態(tài)足跡進(jìn)行了研究[17],謝文瑄等采用謝高地計(jì)算中國(guó)的生態(tài)空間占用研究所采用的均衡因子計(jì)算了山東半島城市群的生態(tài)足跡[18],尚沒有形成基于流域中小尺度實(shí)際土地生產(chǎn)力的均衡因子和產(chǎn)量因子,這直接影響了生態(tài)足跡模型核算結(jié)果的可靠性和可比性。在流域尺度上,采用本土參數(shù)與大尺度(國(guó)家或全球)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果是否存在差異？差異的不確定性有多大？這些問題尚未得到系統(tǒng)和充分的研究,不利于生態(tài)足跡方法的推廣與應(yīng)用。

基于此,本研究基于生態(tài)足跡模型,以牛欄江流域?yàn)榘咐?計(jì)算牛欄江流域本土生態(tài)足跡均衡因子和產(chǎn)量因子,評(píng)估了2014年生態(tài)足跡、生物承載力和生態(tài)盈余,并分析了均衡因子和產(chǎn)量因子不確定性對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響,為生態(tài)足跡的不確定性研究與小尺度生態(tài)足跡評(píng)估提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

牛欄江為金沙江右岸支流,發(fā)源于昆明市嵩明縣楊林鎮(zhèn),干流長(zhǎng)423 km,落差1660 m,流域面積13320 km2。牛欄江流向大體由南向北,流經(jīng)云南的嵩明、馬龍等縣(市)和貴州威寧縣(25°02′—27°24′ N,102°53′—104°05′ E),在昭通市的麻耗村附近注入金沙江[19],水系成樹枝狀。牛欄江流域是一個(gè)生態(tài)自然環(huán)境相對(duì)完整的區(qū)域,位置及土地利用如圖1所示,流域內(nèi)主要土地利用類型(2014年)為：耕地2145.78 km2,占16.12%,林地8652.98 km2,占67.26%,草地2151.92 km2,占16.17%,建設(shè)用地39.07 km2,占0.29%,水域21.47 km2,占0.16%。2014年牛欄江流域總?cè)丝跀?shù)為2672133人,流域生產(chǎn)總值為704.50億元,人均生產(chǎn)總值為26367元,其中第一產(chǎn)業(yè)93.32億元,占13.25%,第二產(chǎn)業(yè)283.98億元,占40.31%,第三產(chǎn)業(yè)327.20億元,占46.44%。近年來,隨著流域內(nèi)人口增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,流域生態(tài)壓力不斷上升。加之2012年牛欄江-滇池補(bǔ)水工程啟動(dòng),流域每年向滇池補(bǔ)水5.66億m3,流域資源環(huán)境壓力進(jìn)一步加大。牛欄江流域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)不僅關(guān)乎本流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,對(duì)下游昆明市也具有重要影響。

圖1 牛欄江流域位置Fig.1 Location of Niulanjiang Watershed

1.2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.2.1 生態(tài)足跡模型

生態(tài)足跡模型是用來計(jì)算區(qū)域內(nèi)維持人類資源消費(fèi)和廢棄物吸收所必需的生物生產(chǎn)性土地面積。通過等價(jià)因子轉(zhuǎn)換,將資源、能源消費(fèi)項(xiàng)目折算為耕地、草地、林地、建設(shè)用地、能源用地6種生物生產(chǎn)性土地,其中能源用地采用能源折算系數(shù)對(duì)煤、石油、天然氣等化石能源消費(fèi)項(xiàng)目進(jìn)行折算。采用的計(jì)算公式為[17]：

(1)

式中,EF為流域總生態(tài)足跡(ghm2)；N為人口數(shù)(人)；ef為人均生態(tài)足跡(ghm2/人)；rj為均衡因子；aaj為各類生物生產(chǎn)土地面積(hm2),j=1,2,3…6表示6類生物生產(chǎn)土地面積；ai為人均i種消費(fèi)項(xiàng)目折算的生態(tài)生產(chǎn)性面積(hm2)；i為消費(fèi)項(xiàng)目類型；pi為i種消費(fèi)品的平均生產(chǎn)能力(t/hm2)；ci為i種消費(fèi)品的人均年消費(fèi)量(t/人),n為消費(fèi)品類型的數(shù)量。

1.2.2 產(chǎn)量因子

在生態(tài)足跡的計(jì)算過程中,同種生物生產(chǎn)性土地所提供的潛在生物生產(chǎn)空間是不同的,為了能夠?qū)Ρ攘饔蚰撤N生物生產(chǎn)性土地與全球此類土地均值的差異,需乘產(chǎn)量因子[20-22],從而將流域生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化為全球生產(chǎn)力。目前國(guó)內(nèi)對(duì)產(chǎn)量因子的研究較少,本研究中的產(chǎn)量因子采用流域某種土地利用類型平均生產(chǎn)力與全球此類土地利用類型平均生產(chǎn)力的比值來表示,綜合反映流域內(nèi)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素。計(jì)算公式為[20]：

(2)

式中,yi指第i類土地的產(chǎn)量因子；Pi指流域第i類土地的平均生產(chǎn)力(109J/hm2)；GPi指全球第i類土地的平均生產(chǎn)力(109J/hm2)；Qi指流域第i類土地的總產(chǎn)出(109J)；Si指流域第i類土地的總面積(hm2)；GQi指全球第i類土地總產(chǎn)出(109J)；GSi指全球第i類土地的總面積(hm2)。

1.2.3 均衡因子

在生態(tài)足跡的計(jì)算過程中,不同生物生產(chǎn)土地類型的生產(chǎn)不同,為了便于比較,需乘均衡因子將其轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的可比較的生物生產(chǎn)力面積[12,20- 21]。本研究中,在流域土地生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化為全球生產(chǎn)力的基礎(chǔ)上,乘以均衡因子,從而轉(zhuǎn)化為能夠統(tǒng)一對(duì)比的生物生產(chǎn)力面積。因此,均衡因子應(yīng)采用全球均衡因子。國(guó)外對(duì)均衡因子相關(guān)研究較多,本文采用的計(jì)算公式為[18]：

(3)

1.2.4 生物承載力

生物承載力是一個(gè)區(qū)域所能提供給人類生產(chǎn)生活所需要的生物生產(chǎn)性土地面積,用此來表示該區(qū)域生態(tài)容量[22-25]。計(jì)算公式為[20]：

(4)

式中,EC為流域總生物承載力(ghm2)；N為流域總?cè)丝跀?shù)(人)；ec為人均生態(tài)承載力(ghm2/人)；aj為實(shí)際人均占有的j類生物生產(chǎn)土地面積(hm2)；rj為均衡因子；Yj為產(chǎn)出因子；Ylj為流域j類土地的平均生產(chǎn)力(109J/hm2)；Ynj為流域j類土地的世界平均生產(chǎn)力(109J/hm2)。

根據(jù)WCED報(bào)告,生態(tài)供給中減去12%的生物多樣性土地面積來維持生物多樣性[26]。

1.2.5 生態(tài)足跡核算指標(biāo)及數(shù)據(jù)來源

生態(tài)足跡核算指標(biāo)具體分類如表1所示[27-30]。為了客觀的反映牛欄江流域生態(tài)足跡及生態(tài)承載力的特征,考慮材料的可靠性、可獲得性等因素,選擇2014年作為研究年份,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來源于《云南省2015年統(tǒng)計(jì)年鑒》、2015年云南省各州市統(tǒng)計(jì)年鑒、《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒2015》以及《中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒2015》；土地利用類型數(shù)據(jù)主要來源于UCL-Geomatics (Belgium)(http://maps.elie.ucl.ac.be/CCI/viewer/index.php),數(shù)據(jù)采集年份為2015年,空間分辨率為300 m。

表1 牛欄江流域生態(tài)足跡核算指標(biāo)

2 結(jié)果與分析

2.1 牛欄江流域2014年生態(tài)足跡評(píng)估及分析

2014年牛欄江流域生態(tài)足跡及承載力計(jì)算結(jié)果如表2所示,其中,人均生態(tài)足跡為0.730 ghm2,人均生物承載力為0.643 ghm2,人均生態(tài)足跡大于生物承載力,存在生態(tài)赤字,流域人均生態(tài)赤字為0.087 ghm2。這表明當(dāng)?shù)厝藗儗?duì)自然資源的開發(fā)利用超出了生態(tài)承載力的范圍。牛欄江流域進(jìn)出口貿(mào)易不大,流域可能通過消耗自然資源存量來彌補(bǔ)生態(tài)承載力的不足,處于一種不可持續(xù)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。從空間分布看,會(huì)澤縣生態(tài)足跡所占比例最高,為23%,其次是威寧縣14%,官渡區(qū)12%和宣威市11%,這與當(dāng)?shù)厝丝跀?shù)量和發(fā)展程度有關(guān)。

表2 牛欄江流域2014年生態(tài)足跡和生態(tài)承載力計(jì)算結(jié)果匯總表

表中g(shù)hm2表示全球公頃

圖2 牛欄江流域各縣市生態(tài)超載率統(tǒng)計(jì)表 Fig.2 The ecological overload rate statistics table in all cities of Niulanjiang Watershed

通過對(duì)比不同縣市的生態(tài)超載率(圖2)發(fā)現(xiàn),官渡區(qū)的生態(tài)超載率最高,為1659%,是尋甸縣(超載率為59%)的28倍,官渡區(qū)的生態(tài)足跡已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了生態(tài)承載力,處于嚴(yán)重的不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。這與官渡區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展情況有關(guān),2014年官渡區(qū)全年GDP達(dá)到了866億元,其中位于牛欄江流域部分的人均GDP達(dá)到了9.55萬元,為流域內(nèi)人均GDP最高,是尋甸縣的6.2倍。由于官渡區(qū)在本研究區(qū)域內(nèi)的面積很小,因此沒有計(jì)算官渡區(qū)進(jìn)出口生物產(chǎn)品的實(shí)際數(shù)量,這也是官渡區(qū)生態(tài)超載率偏大的原因之一。

通過對(duì)比圖3、圖4以及萬元GDP生態(tài)足跡計(jì)算發(fā)現(xiàn),不同縣市的人均GDP及萬元GDP生態(tài)足跡差異很大,其中人均GDP為9.55萬元/人,萬元GDP生態(tài)足跡為0.138 hm2,是生態(tài)超載率和人均GDP最高,萬元GDP生態(tài)足跡最低的區(qū)縣；巧家縣人均GDP為0.88萬元,萬元GDP生態(tài)足跡為1.502 hm2,是人均GDP最低,萬元GDP生態(tài)足跡最高的區(qū)縣。這從一定程度上說明官渡區(qū)對(duì)資源利用效率,能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以及生態(tài)環(huán)境建設(shè)等方面遠(yuǎn)高于巧家縣。對(duì)人均GDP與萬元GDP生態(tài)足跡相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),人均GDP與萬元GDP生態(tài)足跡呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.76,這說經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)的地區(qū)對(duì)資源的利用效率越高。

圖3 牛欄江流域各縣市總生態(tài)足跡及人均生態(tài)足跡Fig.3 The total and per capita ecological footprint in all cities of Niulanjiang Watershed

圖4 牛欄江流域各縣市生產(chǎn)總值及人均GDPFig.4 The gross product and per capita GDP in all cities of Niulanjiang Watershed

2.2 牛欄江流域生態(tài)足跡不確定性分析

在生態(tài)足跡計(jì)算中,為了便于比較和計(jì)算不同土地利用類型和不同區(qū)域的生態(tài)承載力,采用產(chǎn)量因子和均衡因子兩個(gè)參數(shù)對(duì)生產(chǎn)力進(jìn)行修正。產(chǎn)量因子是根據(jù)本地產(chǎn)量與全球產(chǎn)量比值,將本地某種土地面積轉(zhuǎn)化為此類土地利用的全球公頃,以便與其他地區(qū)研究結(jié)果比較。均衡因子是不同土地利用類型之間生產(chǎn)力的比較,不同土地利用類型乘以相應(yīng)的均衡因子轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的度量單位。本研究先根據(jù)研究區(qū)的產(chǎn)量因子將研究區(qū)不同土地利用類型的面積轉(zhuǎn)化為全球公頃,再乘以相應(yīng)的全球均衡因子,統(tǒng)一度量。

根據(jù)產(chǎn)量因子計(jì)算公式,即本地某類土地的平均產(chǎn)量與全球此類土地的平均產(chǎn)量比值,本地某類土地平均產(chǎn)量為此類土地產(chǎn)品總產(chǎn)量與面積比值,產(chǎn)量數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計(jì)年鑒獲得,全球土地平均產(chǎn)量通過查閱世界農(nóng)糧組織(FAO)獲得,計(jì)算得到牛欄江流域耕地產(chǎn)量因子為0.97；林地產(chǎn)量因子為1.76；草地產(chǎn)量因子為0.77；水域產(chǎn)量因子為0.77；建設(shè)用地產(chǎn)量因子為0.97；能源用地產(chǎn)量因子為0.00。對(duì)比不同研究標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)量因子可以發(fā)現(xiàn)存在不同程度的差異(表3)。其中與Wackernagel等[7]研究中的全球平均標(biāo)準(zhǔn)差異最大,除了標(biāo)準(zhǔn)與方法不同之外,全球尺度忽略了地區(qū)性生物生產(chǎn)力的差異,因此大尺度(全球平均標(biāo)準(zhǔn))并不適用小尺度(流域)計(jì)算。對(duì)比全國(guó)范圍,差異較小,說明在計(jì)算過程中需要進(jìn)行詳細(xì)分類。與劉某承基于凈初級(jí)生產(chǎn)[24]力云南生態(tài)足跡產(chǎn)量因子存在一定差異,主要原因是云南地形上以山地為主,海拔由低到高,地區(qū)之間溫度、降雨等氣候因素差異明顯,因此相同的土地利用類型的生物生產(chǎn)力會(huì)存在很大的差異。其中,草地、水域的產(chǎn)量因子與劉某承基于凈初級(jí)生產(chǎn)力云南生態(tài)足跡產(chǎn)量因子的研究差異很大,主要原因是草地的面積占整個(gè)流域面積的16.12%,畜牧業(yè)發(fā)展程度很低,牧草資源利用率低下,導(dǎo)致草地生產(chǎn)力水平相對(duì)低下,牛欄江流域水域占總面積的0.16%,面積少且漁業(yè)發(fā)展程度低,基于NPP的水域產(chǎn)量因子計(jì)算的是浮游生物的生產(chǎn)力,而伴隨著水華等水環(huán)境污染問題,此項(xiàng)產(chǎn)量因子計(jì)算偏大,因此與本研究差異很大。由此說明,云南省省級(jí)尺度的產(chǎn)量因子不適合流域尺度生態(tài)足跡的計(jì)算,在計(jì)算小尺度生態(tài)足跡時(shí)需進(jìn)行詳細(xì)的分類。

本文采用的均衡因子來自Venetoulis和Talberth[31]的文章：耕地為2.11；林地為1.35；草地為0.47；水域?yàn)?.35；建設(shè)用地為2.11；能源用地為1.35,該均衡因子是全球多年平均值,與本研究的計(jì)算方法一致。通過統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)引用量前20的文章[6,10,32-46]中采用的均衡因子和產(chǎn)量因子,發(fā)現(xiàn)不同研究的均衡因子和產(chǎn)量因子存在很大差異(表3),其中耕地的均衡因子最大值是最小值的4.16倍,草地的產(chǎn)量因子最大值是最小值的4.16倍。與劉某承等基于凈初級(jí)生產(chǎn)力的中國(guó)各地生態(tài)足跡均衡因子測(cè)算中的云南省生態(tài)足跡中云南省生態(tài)足跡均衡因子差異最大,這是由于研究方法和標(biāo)準(zhǔn)不同,本研究的均衡因子基于全球多年平均生產(chǎn)力,而劉某承基于云南省凈初級(jí)生產(chǎn)力。與Wackernagel、謝高地等研究中的均衡因子存在一定差異,說明均衡因子在不同研究尺度及時(shí)間上會(huì)存在一定的差異。

表3 不同研究中的均衡因子、產(chǎn)量因子對(duì)比

采用不同研究中最大和最小均衡因子、產(chǎn)量因子以及本研究中均衡因子、產(chǎn)量因子計(jì)算得到牛欄江流域生態(tài)足跡、生態(tài)承載力和生態(tài)赤字,結(jié)果如表4所示。在3種不同因子計(jì)算下,牛欄江生態(tài)赤字都大于0,處于不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。采用最大值均衡因子和產(chǎn)量因子計(jì)算所得生態(tài)足跡,生態(tài)承載力,生態(tài)赤字分別是最小值計(jì)算所得的2.5倍、3.9倍、1.4倍。本研究所得的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力介于采用最大值和最小值因子所得結(jié)果之間,但生態(tài)赤字均小于前兩者。

在引用量較高及近期的文獻(xiàn)中,與劉某承等[22]基于凈初級(jí)生產(chǎn)力云南生態(tài)足跡因子計(jì)算的生態(tài)赤字與本研究的最為接近,其次是Wackernagel等[7]提供的全球平均值,最后是謝高地基于凈初級(jí)生產(chǎn)力全國(guó)生態(tài)足跡因子平均值。這從另一個(gè)角度說明了中國(guó)各地區(qū)土地生產(chǎn)力差異很大,在計(jì)算流域尺度的生態(tài)足跡時(shí)不能采用全國(guó)平均值。

表4 不同研究均衡因子、產(chǎn)量因子下牛欄江流域生態(tài)赤字/ghm2

3 結(jié)論

基于本土產(chǎn)量因子參數(shù)計(jì)算,牛欄江流域2014年人均生態(tài)足跡為1.126 ghm2/人,可利用人均生物承載力為0.872 ghm2/人,人均生態(tài)赤字為0.087 ghm2/人,處于不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài),流域生態(tài)超載率存在較大的空間異質(zhì)性,以官渡區(qū)最高。

生態(tài)足跡模型中的均衡因子及產(chǎn)量因子在不同文獻(xiàn)中取值差異較大,對(duì)核算結(jié)果具有顯著影響。采用最大值均衡因子和產(chǎn)量因子計(jì)算所得牛欄江流域生態(tài)足跡、生態(tài)承載力、生態(tài)赤字分別是最小值計(jì)算所得的2.5倍、3.9倍、1.4倍。

根據(jù)牛欄江流域本土參數(shù)所得的產(chǎn)量因子與大尺度研究采用的因子差異較大,主要原因是云南地形上以山地為主,海拔由低到高,地區(qū)之間溫度、降雨等氣候因素差異明顯,相同土地利用類型的生物生產(chǎn)力會(huì)存在很大的差異,加之畜牧業(yè)、漁業(yè)發(fā)展程度很低,因此差異明顯。由此可見,計(jì)算小尺度生態(tài)足跡需要進(jìn)行詳細(xì)的分類,不能直接借用全球或全國(guó)的因子。