基于三維生態(tài)足跡模型的西寧市生態(tài)可持續(xù)性研究

伍 芮 李成英

(青海大學土木工程學院，青海 西寧 810000)

城市經(jīng)濟發(fā)展的三個基礎：人力資本，物質(zhì)資本和自然資本。三者之間的協(xié)調(diào)成為當代社會發(fā)展的重中之重。加拿大經(jīng)濟學家William Rees提出生態(tài)足跡的概念，[1]生態(tài)足跡又稱為“合適的承載力”。[2]生態(tài)足跡法是指把一個區(qū)域內(nèi)人們所消耗的生物資源轉(zhuǎn)化為生物生產(chǎn)性土地面積，再用其與該區(qū)域?qū)嶋H面積的差值來判斷該區(qū)域是否處于可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)。本論文的研究成果可作為土地規(guī)劃、利用等重大問題研究的基礎，為未來土地資源管制提供依據(jù)，為西寧市土地利用提供生態(tài)安全預警系統(tǒng)和動態(tài)調(diào)控模型，并提出土地合理利用的管理戰(zhàn)略與措施，提高土地利用規(guī)劃的科學性、政策性和可操作性，為土地合理利用發(fā)展提供決策理論依據(jù)和實踐指導，為西寧市生態(tài)可持續(xù)發(fā)展之路提出更好引導性建議。

一、研究方法與數(shù)據(jù)來源

(一)生態(tài)足跡模型的發(fā)展

生態(tài)足跡一直是國內(nèi)外學者研究的熱點，作為一種把自然資源轉(zhuǎn)化為熱量進行核算的工具，可量化分析可持續(xù)發(fā)展的程度。[3]生態(tài)足跡法是指，把一個區(qū)域內(nèi)人們所消耗的生物資源轉(zhuǎn)化為生態(tài)生產(chǎn)性土地面積，再用其與該區(qū)域?qū)嶋H面積的差值來判斷該區(qū)域是否處于可持續(xù)的狀態(tài)。[4]Hardin從生態(tài)系統(tǒng)的角度定義了生態(tài)承載力，賦予了生態(tài)足跡空間尺度的概念。二維生態(tài)足跡主要用于測量人類自然資源消耗對自然資源流量的占用情況，是對一維生態(tài)足跡模型的拓展。[5]二維生態(tài)足跡作為一種衡量生態(tài)環(huán)境壓力大小的工具，模型有本身的局限性，例如，未區(qū)分自然資本流量與存量。[6]自然資本由兩部分組成：自然資本流量和自然資本存量。資本流量負責可再生資源和生態(tài)服務的年度流動，在供應短缺時由資本存量補充。[7]二維生態(tài)足跡模型作為一種衡量生態(tài)環(huán)境壓力大小的工具，由于其未考慮資源消耗程度大小的影響，很容易得出“地區(qū)經(jīng)濟越不發(fā)達，其生態(tài)環(huán)境越可持續(xù)”這一錯誤的結(jié)論，因為傳統(tǒng)的生態(tài)足跡模型未能充分突出恒定資本存量在維持可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)平衡方面的關鍵作用，特定類型的自然資本沒有分割。[8]

為彌補這一缺陷，Niccolucci等人對傳統(tǒng)的二維生態(tài)足跡進行改進，引入生態(tài)足跡深度與生態(tài)足跡廣度兩個指標，以此構(gòu)建三維生態(tài)足跡。[9]其中跟蹤自然資本存量的消耗和自然資本流動的使用的能力起著核心作用。但方愷在隨后的研究中發(fā)現(xiàn)Niccolucci的計算方法存在問題，如果把研究區(qū)域的總生態(tài)赤字和總生態(tài)盈余相加，會導致不同土地間的生態(tài)足跡與生態(tài)盈余相互抵消，此模型存在的這一缺陷可能會導致計算結(jié)果偏大或者偏小，不能準確反映研究區(qū)域自然資源利用的真實情況。[10]因此，方愷在原有的三維模型上再次進行了改進，對生態(tài)足跡廣度計算進行了修正，主要是通過將生態(tài)承載力與生態(tài)足跡值較小的一方作為不同類型生物生產(chǎn)性土地的足跡廣度，修正后的足跡廣度表示每種土地生態(tài)供給的最大值，表明流量資本與存量資本的核算不再限制于區(qū)域尺度，而是把每種土地類型的資本存量與流量先核算后再匯總，這樣不同土地類型的赤字不存在轉(zhuǎn)移。[11][12]

(二)修正后的三維生態(tài)足跡計算公式

EF3D，region=EFsize，region×EFdepth，region

其中：EF—生態(tài)足跡，EC—生態(tài)承載力，ED—生態(tài)赤字，EF3D—三維生態(tài)足跡，EFsize—三維生態(tài)足跡廣度，EFdepth—三維生態(tài)足跡深度。

(三)研究區(qū)域簡介及數(shù)據(jù)來源

西寧是青海省的省會城市，位于青海省的東部，是西北地區(qū)的重要城市，土地總面積為7679平方公里。2018年常住人口為237.11萬人，市區(qū)海拔2261米，屬于大陸性高原半干旱氣候，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，低層建筑較多，土地粗放利用，土地的利用效率不高，提升空間的潛力巨大。本研究所用生物生產(chǎn)資源與土地面積數(shù)據(jù)來源于2011—2018年《青海省統(tǒng)計年鑒》《西寧市統(tǒng)計年鑒》。統(tǒng)計年鑒中，土地類型分為：耕地、園地、林地、草地、居民點及工礦用地、交通運輸用地、水域、未利用土地。在實際計算中，園地劃入林地范圍、居民點及工礦用地與交通運輸用地面積之和為建設用地，未利用土地則不納入計算。因此，土地類型分為：耕地、林地、牧草地、水域、建設用地。

二、西寧市三維生態(tài)足跡的計算與分析

(一)生物賬戶

生物賬戶主要分四種土地類型：耕地、牧草地、林地、水域。耕地產(chǎn)品主要為：小麥、玉米、青稞、雜糧、薯類、蠶豆、豌豆、蔬菜與食用菌、油菜籽、豬肉、禽蛋等。林地產(chǎn)品主要有：蘋果、梨、葡萄、蜂蜜、木材等。牧草地產(chǎn)品有：牛肉、羊肉、奶類、牛羊毛等。水域產(chǎn)品：魚類。因為豬肉、禽肉等的飼料絕大部分為谷物，因此歸類為耕地產(chǎn)品。

(二)均衡因子與產(chǎn)量因子的計算

1.均衡因子的計算。將每種產(chǎn)品進行土地類型分類，再通過產(chǎn)品單位熱值算出總產(chǎn)熱量，通過將生物總產(chǎn)量轉(zhuǎn)化為熱量的形式，計算出青海省均衡因子?；凇笆」暋毕?010-2017年均衡因子如表1所示。

表1 2010—2017年青海省均衡因子(snhm2/hm2)

從表1可以看出，耕地均衡因子最大，說明青海省以耕地為主要糧食來源，生產(chǎn)能力約是草地的40倍，其次為水域、牧草地。林地生產(chǎn)力相對較低，作用相較于其他三種土地類型較小。對比2012年WWF“全球公頃”均衡因子與2012年我國“國家公頃”計算下的均衡因子，如表2所示。

表2 2012年均衡因子(snhm2/hm2)

對比“全球公頃”均衡因子與青海省“省公頃”均衡因子，可以看出全球相同類型的土地生產(chǎn)力與青海省同類土地的生產(chǎn)力差異十分明顯，與中國“國家公頃”均衡因子數(shù)值相近但依舊存在差異。研究省、市等小區(qū)域生態(tài)足跡使用“全球公頃”或“國家公頃”下的均衡因子會導致計算結(jié)果出現(xiàn)偏差，這是由于在“全球公頃”中，耕地與牧草地是主要的糧食來源，并且各類土地生產(chǎn)力差異不大，差異最大的為耕地與水域，生產(chǎn)力相差6.8倍，然而青海省各類土地生產(chǎn)力差異巨大，“省公頃”下的均衡因子耕地與林地生產(chǎn)力差異高達60倍。

2.產(chǎn)量因子的計算。根據(jù)西寧市五種生物生產(chǎn)性土地的面積與生產(chǎn)情況，每種土地的平均生產(chǎn)力后計算出“省公頃”下2010年—2017年西寧市每種土地類型的產(chǎn)量因子，如表3所示。西寧市除了耕地與建設用地產(chǎn)量因子在1左右，牧草地、林地、水域產(chǎn)量因子遠小于1。說明西寧市地區(qū)牧草地、林地、水域生產(chǎn)能力不強，遠低于青海省的平均生產(chǎn)力。根據(jù)產(chǎn)量因子數(shù)據(jù)分析，西寧市的耕地與建設用地產(chǎn)量因子都在1上下浮動，理論上可保障糧食充足、住房供應穩(wěn)定，交通發(fā)展?jié)M足城市發(fā)展要求。值得注意的是，對牧草地、林地、水域的產(chǎn)量因子的數(shù)值分析，每一年對應的數(shù)據(jù)都遠遠小于1，特別是在水域和林地，需要大量依靠周邊縣區(qū)的資源才能保障消耗平衡。西寧市作為青海省的中心城市，不得不面對人多地少，現(xiàn)有的生產(chǎn)力無法滿足人民日益增長的需求的現(xiàn)狀。西寧市的當務之急是盡快解決生產(chǎn)力與自然資源短缺之間的矛盾。

表3 2010—2017年西寧市產(chǎn)量因子(snhm2/hm2)

(三)西寧市三維生態(tài)足跡計算與分析

1.人均生態(tài)足跡與承載力的計算。根據(jù)西寧市生物生產(chǎn)性土地的總產(chǎn)出量與土地人均占有量，可以計算出2010—2017年西寧市人均生態(tài)足跡與人均生態(tài)承載力(計算中已扣除12%生物多樣性保護面積)。西寧市人均生態(tài)足跡與人均生態(tài)承載力計算結(jié)果如表4和表5所示。

表4 2010—2017年西寧市人均生態(tài)足跡(snhm2/人)

表5 2010—2017年西寧市人均生態(tài)承載力(snhm2/人)

2.人均生態(tài)足跡廣度分析。足跡廣度實際上是生物生產(chǎn)性土地的真實面積、也代表資本流量的使用情況和資源更新速率。根據(jù)西寧市人均生態(tài)足跡與生態(tài)承載力，可計算出西寧市人均生態(tài)足跡廣度見表6。從表5和表6中可以看出，西寧市耕地在2011—2015年間一直處于盈余狀態(tài)，資本流量并未被完全占用。但2014年有下降趨勢，這是由于西寧市基礎設施建設迅速擴張，交通、建設用地占用了一部分耕地，使得耕地總體承載力降低，耕地人均足跡廣度減小。由于牧草地的生態(tài)足跡大于生態(tài)承載力，因此足跡廣度為牧草地的生態(tài)承載力，資本流量從2010—2017年一直被完全占用并且逐年增加。牧草地生態(tài)足跡不斷增大，資本流量一直被占用，會導致資本存量被迅速消耗。林地與水域作為足跡廣度最小的兩類土地，足跡廣度的值一直等于生態(tài)承載力的值。因為足跡廣度取值為生態(tài)足跡與生態(tài)承載力的最小值，林地生態(tài)足跡與生態(tài)承載力總體呈下降趨勢，但承載力下降幅度大于生態(tài)足跡下降幅度，一直處于生態(tài)赤字狀態(tài)，所以林地生態(tài)足跡廣度與林地生態(tài)承載力一樣一直在減小。水域生態(tài)足跡逐年增長且總是大于生態(tài)承載力，水域生態(tài)承載力每年維持在0～0.003snhm2/人，因此水域足跡廣度與生態(tài)承載力一樣保持不變。建設用地與耕地一樣，在2011—2016年足跡廣度等于生態(tài)足跡的值，說明建設用地資本流量未被完全占用，并不需要動用資本存量就能滿足西寧市居民的消費需求。

表6 2010—2017年西寧市人均生態(tài)足跡廣度(snhm2/人)

如果西寧市存量資本被長期過度透支，流量資本則也會消耗殆盡，并且會對資本流量更新產(chǎn)生極為嚴重影響，迫使生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力，從而導致惡性循環(huán)，承載力會越來越低，生態(tài)赤字逐漸增大。

3.人均生態(tài)足跡深度分析。足跡深度代表使用資源程度情況，可作為衡量的指標之一，即足跡深度越大存量資本消耗越快，兩者存在正相關，則地區(qū)發(fā)展的可持續(xù)性越弱。西寧市2010—2017年人均生態(tài)足跡深度計算結(jié)果見表7。從數(shù)據(jù)可以得出，西寧市自2011—2015年間，耕地與建設用地足跡深度的數(shù)值為1，等于原長，說明耕地與建設用地供應基本滿足西寧市居民的需求。牧草地足跡深度處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，這與西寧市居民穩(wěn)定的需求量和牧草地穩(wěn)定的產(chǎn)量相關。鑒于林產(chǎn)品產(chǎn)量較小，并且居民的需求量具有不確定性，致使林地足跡深度數(shù)值起伏較大。值得注意的是，自2016年以后，西寧市足跡深度數(shù)值年均大于1，并且有日趨遞增的走勢。2010年至2017年，西寧市耕地面積持續(xù)減少了6025hm2，建設用地持續(xù)增加了8088hm2，因為城市發(fā)展的需要導致城市擴張，在這個過程中不得不以減少耕地面積為代價來換取城市基礎建設的高速發(fā)展，從而導致了耕地的總體承載力下降，耕地的人均足跡廣度減小使得足跡深度大于1。林地與水域在2010至2017這八年間長期處于生態(tài)赤字，足跡深度數(shù)值偏大，均大于1。這表明牧草地、林地、水產(chǎn)品長時間被透支消耗，以近3倍牧草地面積，5～8倍林地面積才能提供目前的資源消耗量。參照數(shù)據(jù)分析，西寧市林地足跡深度在2010年至2013年深度從6.845下降至3.641，卻又在2014年激增，峰值達到了8.166。依據(jù)年鑒年的數(shù)據(jù)，之后兩年西寧市木材砍伐量走低，使足跡深度穩(wěn)定在4.5左右。

表7 2010—2017年西寧市人均生態(tài)足跡深度

三、結(jié)論

從自然資本存量和自然資本流量的角度來看，西寧市耕地與建設用地屬于高流量資本低存量資本，流量資本占用較多，所以對存量資本的消耗減少。西寧市林地、牧草地自然資本利用強度對比耕地與建設用地較高，這是由于林地與牧草地產(chǎn)品本身產(chǎn)量不高，再加上居民對林地、牧草地產(chǎn)品的需求不斷增加，導致資本存量與資本流量偏大。林地有著較低的生態(tài)足跡廣度但足跡深度偏大，屬于流量資本的極度缺乏需要耗費存量資本來填補。可以發(fā)現(xiàn)，西寧市社會經(jīng)濟的發(fā)展與自然資源的供應屬于較高水平，發(fā)展過程中對資源的需求遠大于其生態(tài)系統(tǒng)供給能力的最大值，生態(tài)發(fā)展壓力較大，發(fā)展過程中呈現(xiàn)出不平衡性。因此，如何找準經(jīng)濟的發(fā)展路徑，解決發(fā)展中的不平衡不充分問題，對于西寧實現(xiàn)新時代的新發(fā)展、新作為意義重大?；谏鲜龇治?，筆者從轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式、綠色發(fā)展、確定城市規(guī)模三個方面提出提高生態(tài)承載力的建議。

1.轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式。經(jīng)濟快速增長的背后往往是巨大能源的支撐，同時會造成環(huán)境污染和環(huán)境治理成本上升、能源供應緊張，直接影響城市可持續(xù)發(fā)展。也可以說西寧市的經(jīng)濟快速增長是依靠高消耗、高投入的粗放型增長方式。西寧市地處高原地帶，日照豐富，政府可加大對新能源產(chǎn)業(yè)的扶持，發(fā)展太陽能，減少煤炭和天然氣的使用，減少碳排放量，把對環(huán)境的污染降到最低，并鼓勵居民使用可再生能源，轉(zhuǎn)變西寧市經(jīng)濟增長方式。

2.綠色發(fā)展提高區(qū)域生態(tài)承載力。為減小土地壓力，減少存量資本占用，提高土地利用效率，可以精準劃分城市功能區(qū)域，確定耕地區(qū)域、牧區(qū)、林區(qū)、建設開發(fā)區(qū)、生態(tài)保護區(qū)等，實現(xiàn)高效利用農(nóng)業(yè)資源與改善生態(tài)環(huán)境這一可持續(xù)發(fā)展目標。西寧市牧草地和林地生態(tài)足跡深度較大，為降低資本存量的占用，應治理河流湖泊等水體污染，穩(wěn)定草場林地生長環(huán)境，大力發(fā)展人工草地林地種植，提高牧草地與林地生態(tài)承載力，保護生態(tài)平衡，建成生態(tài)作用突出、綠色有機無污染的天然牧草地、林地品生產(chǎn)區(qū)。同時降低廢渣廢水對水體污染，優(yōu)化水資源。

3.確定城市發(fā)展規(guī)模。西寧市海拔高，生態(tài)環(huán)境脆弱，如果城市人口過多勢必會對資源環(huán)境帶來巨大壓力。人口增長也是導致生態(tài)足跡增加的原因，確定適合城市發(fā)展的人口數(shù)量，可有效降低生物供給壓力，實現(xiàn)人口資源與經(jīng)濟發(fā)展相協(xié)調(diào)。