基于凈初級生產(chǎn)力模型的福州市能源生態(tài)足跡和生態(tài)承載力研究

摘要?生態(tài)足跡是研究區(qū)域可持續(xù)狀況的常用方法。分別采用傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型和加入凈初級生產(chǎn)力改進(jìn)的模型，計(jì)算福州市2011—2017年化石能源地生態(tài)足跡，并對2組結(jié)果進(jìn)行了比較分析。同時，采用凈初級生產(chǎn)力改進(jìn)模型計(jì)算福州市2011—2017年的化石能源地生態(tài)承載力和生態(tài)盈余。結(jié)果表明，2011—2017年，傳統(tǒng)模型計(jì)算的福州市人均化石能源地生態(tài)足跡由1.281 hm2減少到0.978 hm2，凈初級生產(chǎn)力模型計(jì)算的人均化石能源地生態(tài)足跡由0.456 hm2減少到0.408 hm2。2種模型的計(jì)算結(jié)果整體變化趨勢較為一致，但年變化速率和具體構(gòu)成份額都存在差別。福州市2011—2017年的人均化石能源地生態(tài)承載力呈下降趨勢，從2.873 hm2減少到2.681 hm2。在人均化石能源地生態(tài)承載力的構(gòu)成中，水域近海和林地占85%以上。福州市化石能源地的生態(tài)盈余在逐漸減少，區(qū)域可持續(xù)狀況不樂觀。

關(guān)鍵詞?生態(tài)足跡，生態(tài)承載力，化石能源地，凈初級生產(chǎn)力，福州市

中圖分類號?S181文獻(xiàn)標(biāo)識碼?A

文章編號?0517-6611（2020）06-0064-04

Abstract?Ecological footprint was a common method to study regional sustainable development. By applying the traditional model and the net primary productivity（NPPEEF） model， the ecological footprint of fossil energy land of Fuzhou City from 2011 to 2017 were calculated， and the results between the two models were compared and analyzed.At the same time， the NPPEEF model was used to calculate the ecological carrying capacity and ecological surplus of fossil energy sources in Fuzhou City from 2011 to 2017.The results showed that， from 2011-2017， the ecological footprint of fossil energy land per capita decreased from 1.281 hm2 to 0.978 hm2 by the traditional model， while the ecological footprint of fossil energy land per capita decreased from 0.456 hm2 to 0.408 hm2 by NPPEEF model.The results of the two models were consistent in the overall trend of change， but the annual rate of change and the proportion of composition were different. During 2011 to 2017， the ecological carrying capacity of fossil energy land decreased from 2.873 hm2 to 2.681 hm2. In the composition of the ecological carrying capacity of per capita fossil energy sources， the offshore waters and forest land account for more than 85%. The ecological surplus of fossil energy land of Fuzhou was gradually decreasing， and the regional sustainability is not optimistic.

Key words?Ecological footprint，Ecological carrying capacity，F(xiàn)ossil energy land，Net primary productivity，F(xiàn)uzhou City

由加拿大生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)家William Rees首先提出的生態(tài)足跡法[1]，是已知常用于評價區(qū)域可持續(xù)狀態(tài)的方法之一。在各國學(xué)者對生態(tài)足跡和生態(tài)承載力研究中，化石能源地生態(tài)足跡和承載力是受到重視卻又頗具爭議的重要組成部分?；茉吹厣鷳B(tài)足跡和承載力計(jì)算方法，能直接影響生態(tài)足跡計(jì)算結(jié)果的精確程度，以及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展評價結(jié)論是否準(zhǔn)確有效。近年來，應(yīng)用生態(tài)足跡模型對單類土地進(jìn)行的研究越來越多，研究區(qū)域也從國家尺度向區(qū)域、省甚至單個城市等更小尺度發(fā)展。一些國內(nèi)外學(xué)者選擇區(qū)域綜合碳吸收能力為著眼點(diǎn)，用實(shí)際生物生產(chǎn)力取代潛在生物生產(chǎn)力表征碳吸收能力，研究化石能源地生態(tài)足跡和承載力，如Venetoulis等[2]將凈初級生產(chǎn)力（net primary productivity， NPP） 加入和改進(jìn)生態(tài)足跡模型，計(jì)算各類型生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收能力、各類土地的均衡因子，并計(jì)算生態(tài)足跡。國內(nèi)也涌現(xiàn)了一些基于NPP改進(jìn)生態(tài)足跡及其參數(shù)的研究，如王紅旗等[3]運(yùn)用基于NPP的生態(tài)足跡法探討了內(nèi)蒙古的均衡因子、產(chǎn)量因子和生態(tài)足跡，湯榕珺等[4]評估了蘇州市吳中區(qū)生態(tài)狀況 ，魯鳳等[5]計(jì)算了江蘇省生態(tài)足跡模型中的參數(shù)，周寧[6]從時空動態(tài)變化的角度研究重慶市的生態(tài)承載力等。

在已有研究基礎(chǔ)上，筆者從碳吸收角度入手，運(yùn)用基于NPP的改進(jìn)生態(tài)足跡模型及生態(tài)承載力計(jì)算模型，對福州市2011—2017年的化石能源地生態(tài)足跡（以下簡稱能源足跡）和化石能源地生態(tài)承載力（以下簡稱能源生態(tài)承載力）進(jìn)行動態(tài)分析，豐富和深化區(qū)域生態(tài)可持續(xù)狀態(tài)的研究內(nèi)容。

1?研究方法

1.1?基于傳統(tǒng)模型的能源足跡計(jì)算方法?參考《國家生態(tài)足跡賬戶計(jì)算基本方法和框架（2011版）》計(jì)算能源足跡，所用的計(jì)算模型和所選取的各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)都出自其中[7-9]。計(jì)算公式如下：

式中，EEF為區(qū)域能源足跡，N為區(qū)域總?cè)丝跀?shù)，eef為人均能源足跡，Qi為第i種能源消費(fèi)量，n為能源消費(fèi)種類數(shù)，ki為第i種能源的折算系數(shù)，pi為第i種能源的全球平均足跡。

1.2?基于NPP模型的能源足跡計(jì)算方法

1.2.1?基本原理。

基于NPP模型認(rèn)同傳統(tǒng)模型2個基本假設(shè)，即：可以確定區(qū)域消耗的絕大多數(shù)能源及其產(chǎn)生的廢棄物種類和數(shù)量，這些能源消費(fèi)量和廢棄物產(chǎn)生量能被換算成生物生產(chǎn)性土地面積[9-10]。由于各種類型的土地可以同時具有生產(chǎn)生物產(chǎn)品和碳吸收等多種功能，基于NPP模型計(jì)算區(qū)域碳吸收總量時注意到了這一點(diǎn)，因此，采用區(qū)域各類型生物生產(chǎn)性土地面積和對應(yīng)的各類生態(tài)系統(tǒng)的NPP計(jì)算碳吸收總量[9-10]，然后算出經(jīng)過土地利用變化調(diào)整的區(qū)域NPP，進(jìn)而算出區(qū)域能源足跡，它可以解釋為吸收能源消耗產(chǎn)生CO2的土地面積。

1.2.2?計(jì)算方法。

將研究區(qū)域內(nèi)各類生物生產(chǎn)性土地面積、對應(yīng)類型生態(tài)系統(tǒng)的NPP以及各類土地總面積計(jì)算后得到區(qū)域NPP。計(jì)算公式為：

式中，NPP為區(qū)域平均凈初級生產(chǎn)力，NPPj為第j類生物生產(chǎn)性土地生態(tài)系統(tǒng)的凈初級生產(chǎn)力，Aj為第j類生物生產(chǎn)性土地面積，m為生物生產(chǎn)性土地類型數(shù)。該研究采用區(qū)域各類生物生產(chǎn)性土地生態(tài)系統(tǒng)NPP的全球平均值（表1）進(jìn)行計(jì)算，以便于國際對比。

能源消費(fèi)量經(jīng)過燃燒熱值系數(shù)和碳排放系數(shù)折算成區(qū)域碳排放量，對比區(qū)域NPP值，得出區(qū)域能源足跡[2，7，9-11]。計(jì)算公式為：

1.3?基于NPP的能源生態(tài)承載力計(jì)算模型

1.3.1?基本原理。

基于NPP的能源生態(tài)承載力計(jì)算和傳統(tǒng)模型一樣是基于碳吸收轉(zhuǎn)化思想，增加了碳吸收的土地類型，計(jì)算區(qū)域所能提供的用于碳吸收的土地面積上限[12-13]。由于土地碳吸收功能往往會隨著土地類型的不同、區(qū)域或者時間變化而變化。因此，在生態(tài)承載力計(jì)算模型中加入了表征土地碳吸收能力時空差異特征的NPP，用于將能源生態(tài)承載力計(jì)算結(jié)果調(diào)整為具有全球平均NPP便于在區(qū)域間橫向比較的土地面積。

1.3.2?均衡因子和能源轉(zhuǎn)換因子計(jì)算。用公式（2）將全球各類型生物生產(chǎn)性土地面積數(shù)據(jù)和對應(yīng)的各類生態(tài)系統(tǒng)的全球平均NPP（表1）代入，可求得全球NPP，然后分別用各類土地生態(tài)系統(tǒng)的全球平均NPP與全球NPP算出該類土地的均衡因子rj[12-13]，數(shù)值如表1所示。計(jì)算公式為：

式中，rj為第j類生物生產(chǎn)性土地均衡因子，NPPj，glo為第j類生物生產(chǎn)性土地全球平均凈初級生產(chǎn)力，NPPglo為全球凈初級生產(chǎn)力。

能源轉(zhuǎn)換因子cffel的計(jì)算公式如下[12-13]：

1.3.3?能源生態(tài)承載力計(jì)算公式。

各類生物生產(chǎn)性土地面積經(jīng)過均衡因子以及能源轉(zhuǎn)換因子換算成具有全球平均NPP的土地面積[12-13]，具體計(jì)算公式為：

2?研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

2.1?研究區(qū)域概況?福州市為福建省省會，位于福建省東部沿海，共有6 個市轄區(qū)、1 個縣級市、6 個縣，全市總面積12 251 km2，海岸線長1 137 km。2017年常住人口766萬（含平潭）。福州市是我國（福建）自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)三片區(qū)之一，是“海上絲綢之路”的永久會址，經(jīng)濟(jì)增速快，2017年實(shí)現(xiàn)地區(qū)生產(chǎn)總值7 086 億元[14]。

2.2?研究數(shù)據(jù)來源?計(jì)算福州市能源足跡所選取的能源消費(fèi)類型包括原煤、焦炭、原油、汽油、柴油、煤油、燃料油、液化石油氣、電力和天然氣共10 項(xiàng)（新能源占比低，統(tǒng)計(jì)資料不甚完備，故不在統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)），原始消費(fèi)數(shù)據(jù)來自《福州統(tǒng)計(jì)年鑒》[14]。計(jì)算能源生態(tài)承載力所涉及的福州市各類生物生產(chǎn)性土地類型包括耕地、林地、草地、建設(shè)用地、近海和水域、遠(yuǎn)海和低生產(chǎn)力地，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自《第二次全國土地調(diào)查主要數(shù)據(jù)成果公報(bào)》的數(shù)據(jù)成果[15]和《福州統(tǒng)計(jì)年鑒》[14]。

3?數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

3.1?能源足跡

將數(shù)據(jù)代入公式（1），采用傳統(tǒng)模型計(jì)算福州市2011—2017年人均能源足跡，結(jié)果見表2。將數(shù)據(jù)代入公式（2）、（3），采用基于NPP模型計(jì)算福州市2011—2017年人均能源足跡，結(jié)果見表3?；?種模型計(jì)算的人均能源足跡結(jié)構(gòu)分析見圖1和圖2。

由表2可知，傳統(tǒng)模型計(jì)算的福州市2011—2017年人均能源足跡數(shù)值雖在2013年和2017年都比之前一年有所上升，但7年內(nèi)總體下降，從2011年的1.281 hm2下降到2017年的0.978 hm2，下降了23.7%，在2016年達(dá)到7年間的最低值0.794 hm2。

由表3可知，基于NPP模型計(jì)算的福州市2011—2017年人均能源足跡數(shù)值起伏不大，總體亦平緩下降，從2011年的0.456 hm2下降到2017年的0.408 hm2，下降了10.5%，在2016年達(dá)到7年間的最低值0.347 hm2。

由表2～3可見，2種模型計(jì)算出的能源足跡變化趨勢一致，除了總體下降幅度不同，在每年的變化速率上也存在差別，如下降最明顯的3年的年降幅，2012年分別為14.0%和9.0%，2015年分別為18.4%和14.0%，2016年分別為14.9%和9.2%，而兩者的最大增幅都出現(xiàn)在2017年，分別為23.2%和17.6%?？梢?，基于NPP模型計(jì)算的能源足跡計(jì)算結(jié)果變動幅度更緩和。

對比分析能源足跡的組成結(jié)構(gòu)，基于2種模型的計(jì)算結(jié)果都是電力足跡明顯上升，汽油足跡也略有上升，其余各成分足跡都在下降，尤其原煤足跡下降最多（圖1～2）。兩組能源足跡結(jié)構(gòu)比例中，原煤、焦炭足跡之和（可以歸為煤炭類足跡）所占比例皆為最大，原油、柴油、汽油、燃料油、煤油、液化石油氣足跡之和（可以歸為石油類足跡）居于次位，電力足跡位于第3，天然氣足跡居于末位。而能源足跡組成結(jié)構(gòu)的不同點(diǎn)在于，各組分占比數(shù)值有較明顯不同，煤炭類足跡差別相當(dāng)明顯，基于NPP模型的計(jì)算結(jié)果比傳統(tǒng)模型的低了近32百分點(diǎn)。電力足跡差異也很大，基于NPP模型的計(jì)算結(jié)果約為傳統(tǒng)模型的6 倍?；趥鹘y(tǒng)模型和基于NPP模型的計(jì)算基礎(chǔ)和方法有所不同，尤其是后者在計(jì)算電力足跡時，先將電力耗能用平均熱值換算成與之相當(dāng)?shù)脑合牧?，再按原煤足跡進(jìn)行計(jì)算，這種計(jì)算方法，修正了傳統(tǒng)模型存在的部分誤差，使得電力足跡數(shù)值能更準(zhǔn)確反映實(shí)際狀況。

3.2?能源生態(tài)承載力

將數(shù)據(jù)代入公式（5）、（6），運(yùn)用基于NPP模型，計(jì)算得到福州市2011—2017年人均能源生態(tài)承載力，并將其與同樣基于NPP模型計(jì)算的能源足跡相比，得出生態(tài)盈余，具體見圖3，分析福州市2011—2017年人均能源生態(tài)承載力組成結(jié)構(gòu)，具體見圖4。

圖3表明，福州市2011-2017年人均能源生態(tài)承載力緩慢勻速下降，從2011年的2.873 hm2減少到2017年的2.681 hm2，減少了6.7%。說明福州市區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳吸收能力以及生態(tài)環(huán)境承受能源消費(fèi)的能力在逐漸削弱。

由圖4可見，2011—2017年，福州市人均能源生態(tài)承載力構(gòu)成比例數(shù)值大小順序保持不變，居于前3的土地類型是水域近海、林地和耕地，尤其是水域近海和林地2項(xiàng)比例之和，每年都超過85%。這種構(gòu)成比例是由于福州地處福建東部沿海，天然的大陸架漁場面積大，區(qū)域資源稟賦決定了當(dāng)前的生態(tài)承載力構(gòu)成狀況。

基于NPP模型計(jì)算的福州市2011-2017年每年的人均能源足跡，基本保持在同年能源生態(tài)承載力的15%左右，說明在研究期間化石能源地存在較大生態(tài)盈余，區(qū)域碳吸收能力可以支撐能源消費(fèi)。同時，能源足跡和能源生態(tài)承載力都逐年下降，但是后者下降的數(shù)值更多，這就導(dǎo)致生態(tài)盈余持續(xù)減少，表明區(qū)域生態(tài)狀況正往不可持續(xù)方向發(fā)展。

4?結(jié)論與建議

4.1?結(jié)論

基于傳統(tǒng)模型和NPP模型計(jì)算出的福州市2011—2017年人均能源足跡逐年下降，這是福州市近年來節(jié)能減排措施政策的逐步推廣、能源消耗降低產(chǎn)生的效果。基于NPP模型計(jì)算出的能源足跡，不僅與區(qū)域能源消費(fèi)情況有關(guān)，還與區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)以及各類生態(tài)系統(tǒng)的碳吸收能力密切相關(guān)，因此計(jì)算結(jié)果比傳統(tǒng)模型計(jì)算結(jié)果數(shù)值低，且偏低的幅度和區(qū)域NPP值的高低有關(guān)。從計(jì)算公式可看出，若區(qū)域NPP值較高，計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)模型的相差較大，反之，則計(jì)算結(jié)果的相差較小。福州市目前的林地面積和近海水域面積占總面積比例較大，這2種土地類型都屬于高NPP生態(tài)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算得出的區(qū)域NPP值較高，所以，基于NPP模型的能源足跡數(shù)值比傳統(tǒng)模型的計(jì)算結(jié)果減少較多。

分別對基于2種模型計(jì)算出的福州市2011—2017年人均能源足跡進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，煤炭類足跡和石油類足跡所占比例居于第一、二位，這說明目前福州市能源結(jié)構(gòu)依然是以不可再生資源為主。但同樣可以看到，在研究期間，電力足跡上升最多，而原煤足跡下降最多，這在一定程度上是福州市整體能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的結(jié)果。

對福州市2011—2017年能源生態(tài)承載力的研究表明，人均能源生態(tài)承載力總體呈下降趨勢，部分原因是福州市城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速，導(dǎo)致低NPP類型土地面積擴(kuò)張，高NPP類型土地面積減少。在福州市人均能源生態(tài)承載力結(jié)構(gòu)中，所占比例最高的土地類型是近海水域和林地。福州市2011—2017年的化石能源地始終存在生態(tài)盈余，但生態(tài)盈余數(shù)值在逐漸減少，表明能源消費(fèi)對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響正增大，生態(tài)狀況正往不可持續(xù)的方向發(fā)展。

4.2?建議

根據(jù)目前福州市的能源足跡和能源承載力狀況，建議采取以下措施改善區(qū)域生態(tài)可持續(xù)狀況：

首先，進(jìn)一步加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)政策的引導(dǎo)，繼續(xù)推廣低碳環(huán)保新能源的使用，提升其使用行業(yè)范圍，擴(kuò)大其使用比例，降低社會對不可再生資源的依賴。依靠技術(shù)升級和科技革新改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，逐步降低單位GDP能源足跡。

其次，努力優(yōu)化生活能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，提倡綠色出行、綠色生活，減少生活能源消費(fèi)量，鼓勵能源節(jié)約型社會消費(fèi)習(xí)慣，降低生活能源足跡。

最后，改善土地利用方式，合理保護(hù)和充分發(fā)揮自然植被的碳吸收能力，進(jìn)一步保持和提升區(qū)域能源生態(tài)承載力。

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