基于三維生態(tài)足跡模型的上海市生態(tài)安全研究

關(guān)青青

摘要：生態(tài)足跡指標(biāo)是評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況和資源利用狀況的有效工具之一，本文選用三維生態(tài)足跡模型和生態(tài)安全評價指數(shù)，刻畫上海市不同類型土地生態(tài)足跡和足跡廣度與深度的2010—2018年的時序動態(tài)分析，并評估其生態(tài)安全狀況。結(jié)果表示，2010—2018年上海市總?cè)S生態(tài)足跡變化與能源用地足跡呈現(xiàn)基本相似的下降走勢;人均生態(tài)足跡深度持續(xù)增長及足跡廣度逐步減少，生態(tài)壓力水平持續(xù)增大及生態(tài)赤字現(xiàn)象持續(xù)嚴(yán)重;生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)處于低水平，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境生態(tài)不平衡。上海市應(yīng)積極采取戰(zhàn)略對策，滿足城市快速發(fā)展的土地需要，重視城市安全狀況和文明構(gòu)建，保證城市生態(tài)安全邁向更高水平。

關(guān)鍵詞：三維生態(tài)足跡;足跡廣度;足跡深度;生態(tài)安全評價指數(shù)

中圖分類號：X36文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）09-0247-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

生態(tài)安全是地區(qū)安全能力建設(shè)和安全管理體系的重要部分，體現(xiàn)著地區(qū)間的競爭力水平與環(huán)境生態(tài)狀況[1]，能夠破解經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)并行的問題，保障人民群眾優(yōu)美環(huán)境和健康需求。同時，在社會經(jīng)濟(jì)文明建設(shè)的大方向下城市生態(tài)安全研究已是各界學(xué)者所關(guān)注和探討的熱點，既是現(xiàn)實所需又是未來可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要領(lǐng)域。生態(tài)足跡（Ecological Footprint）是衡量一個地區(qū)可持續(xù)發(fā)展水平較為全面的方法，1992年由加拿大生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)家William Rees提出，后經(jīng)其學(xué)生Wackernagel進(jìn)行深化的理論方法[2-3]。在此基礎(chǔ)上Niccolucci等新增足跡廣度和足跡深度指標(biāo)，使傳統(tǒng)二維平面認(rèn)識擴(kuò)展到三維時空尺度，為生態(tài)安全研究更新了新方法[4-5]。方愷等將三維生態(tài)足跡概念方法引進(jìn)國內(nèi)并改進(jìn)優(yōu)化[6]，深化了生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的量化研究并應(yīng)用于中國分省、全國及全球尺度進(jìn)行實證探究[7-8]。生態(tài)足跡的方法多應(yīng)用生態(tài)安全方面的分析，生態(tài)足跡指標(biāo)是評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況和資源利用狀況的有效工具之一，應(yīng)用該模型能夠有效分析社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和自然生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性。三維生態(tài)足跡模型是國際最新研究進(jìn)展，我國正處于從二維向三維研究的過渡階段[9-16]。本文選用三維生態(tài)足跡模型和生態(tài)安全評價指數(shù)，刻畫上海市不同土地類型的生態(tài)足跡和足跡廣度與深度的2010—2018年的時序動態(tài)分析，并評估其安全狀況為城市生態(tài)保障和可持續(xù)提供重要基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)域概況

2.1? 區(qū)位概況

上海是金融貿(mào)易和科技創(chuàng)新中心，是國際化現(xiàn)代化特大型大都市，地處于南北海岸中央之處及長江黃浦江入海之地，東瀕東海，南臨杭州灣，西接江蘇與浙江兩省，位置介于東經(jīng)120°52′E-122°12′E，北緯30°40′N-31°53′N之間[17]，地理位置優(yōu)異獨特、經(jīng)濟(jì)實力雄厚但自然資源相對貧乏，人類活動強度極大。新的時代條件下，人民美好生活同物質(zhì)文化水平高需求，環(huán)境安全方面提出更高要求，隨著中國城市化歷程發(fā)展迅猛，城市生態(tài)安全已是關(guān)乎人民幸福未來的要事。上海市是我國經(jīng)濟(jì)化最活躍、城市化最高的地區(qū)之一，同時也是生態(tài)安全問題最突出的地區(qū)之一，人多地少，承載有限，生態(tài)環(huán)境保護(hù)的壓力較大，上海作為人口集聚與高度開放的城市生態(tài)系統(tǒng)，具有典型性和代表性[18-19]。

2.2? 生態(tài)安全現(xiàn)狀

根據(jù)《2019年上海市生態(tài)環(huán)境狀況公報》所發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，上海環(huán)境空氣方面質(zhì)量大體改善，但臭氧污染仍較顯著;水環(huán)境方面由于持續(xù)加大截污治污力度，地表水環(huán)境質(zhì)量有序改善，而影響全市地表水環(huán)境質(zhì)量狀況的主要污染指標(biāo)仍為氮磷，地下水水質(zhì)與海洋水環(huán)境總體保持穩(wěn)定態(tài)勢;土壤環(huán)境質(zhì)量方面農(nóng)用地土壤環(huán)境總體較好;全城整體生態(tài)環(huán)境狀況評價等級為“良”[20]。然而本市生態(tài)安全問題仍突出，表現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展同生態(tài)環(huán)境保護(hù)不夠平衡協(xié)調(diào)，資源環(huán)境承載能力超限負(fù)重，城市發(fā)展與環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施處理能力水平不相匹配，能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)比重偏高，交通運輸污染問題顯現(xiàn)，局部環(huán)境矛盾表現(xiàn)突出，全社會環(huán)境治理體系不夠健全等現(xiàn)實問題顯著。生態(tài)安全問題既是上海生態(tài)之城建設(shè)的短板瓶頸，也是進(jìn)一步持續(xù)發(fā)力的方向。城市生態(tài)環(huán)境是地區(qū)經(jīng)濟(jì)實力和社會建設(shè)的重要基礎(chǔ)和戰(zhàn)略資源，推進(jìn)上海生態(tài)安全型城市發(fā)展要求，可為城市構(gòu)建社會—經(jīng)濟(jì)—自然的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)提供動力和支撐。城市發(fā)展任重而道遠(yuǎn)，明確上海城市總規(guī)劃（2017—2035年）奮斗目標(biāo)，對標(biāo)國際最高標(biāo)準(zhǔn)水平，探索上海市構(gòu)建卓越全球城市之路。

3 數(shù)據(jù)來源和研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

依據(jù)生態(tài)足跡模型和區(qū)域?qū)嶋H狀況，主要選取2010—2018各年上海市的統(tǒng)計年鑒、國土資源、社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等，收集生物資源產(chǎn)量與化石能源消費兩類六種數(shù)據(jù)類型。因選擇的上述消費品單位面積的生物產(chǎn)能具有較大不同，在運算過程中需要利用均衡因子與產(chǎn)量因子來折算成相應(yīng)的土地面積。本文均衡因子選用2018年Global Footprint Network National Footprint Accounts數(shù)據(jù)[22]，耕地為2.52、林地為1.29、草地為0.46、水域為0.37、建設(shè)用地為2.52、能源用地為1.29;產(chǎn)量因子選用2010年劉某承的測算[23]，耕地為1.74、林地為0.86、草地為0.51、水域為0.74、建設(shè)用地為1.74、能源用地為0。具體數(shù)據(jù)細(xì)則及來源見表1：

3.2? 研究方法

3.2.1? 三維生態(tài)足跡模型

三維生態(tài)足跡模型由傳統(tǒng)二維方法演變而來，是足跡廣度（EFsize）和足跡深度（EFdepth）相乘得到的一個時空計算方法。在模型中，足跡由圓圈表達(dá)發(fā)展描述為一個圓柱體表達(dá)，EFsize表示圓柱體的底面積，EFdepth表示圓柱體的高度。圓柱體的底面積減小表明廣度越小，圓柱體的高度增高表明深度越大，說明庫存消耗就越快，人類消費的可持續(xù)性就越差，反之亦然，具體由圖1所示[6]。

其中，足跡深度具有時間屬性，指維系區(qū)域現(xiàn)有資源的消耗水平理論上所需的土地面積倍數(shù)，它表明超出區(qū)域生態(tài)承載力范圍的消費自然資本存量的水平;足跡廣度具有空間屬性，指區(qū)域生態(tài)承載力限度內(nèi)實際上占用的生物生產(chǎn)性土地面積，表明占用自然資本流量的程度。其計算公式為：

[EFsize=i=1nmin{EFi，BCi}]

[EFdepth=1+EDBC=1+i=1nmax{EFi-BCi，0}i=1nBCi]

[EF3D=EFsize×EFdepth]

式中：EF表示生態(tài)足跡;BC表示生態(tài)承載力（需減除12%的生物多樣性保護(hù)面積）;ED表示生態(tài)赤字;EF3D表示三維生態(tài)足跡;EFdepth表示足跡深度、EFsize表示足跡廣度;1表示自然深度。

3.2.2 生態(tài)安全評價指標(biāo)

（1）生態(tài)壓力指數(shù)

ETI=ef/bc

式中：ETI為生態(tài)壓力指數(shù);ef是人均生物資源生態(tài)足跡;bc是人均生態(tài)承載力。該指標(biāo)表現(xiàn)區(qū)域發(fā)展生態(tài)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的承壓程度。

（2）生態(tài)占用指數(shù)

EOI=ef/ef

式中：EOI是生態(tài)占用指數(shù)，ef是該時期的全球人均生態(tài)足跡。該指標(biāo)表示區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度和人均消費能力。

（3）生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)

EECI= EOI/ETI

式中：EECI是生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)。該指標(biāo)表示地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平與環(huán)境生態(tài)協(xié)調(diào)平衡狀態(tài)。

野生動物基金會（World Wildlife Fund International）為保證指標(biāo)評價的合理性，根據(jù)全球數(shù)據(jù)定制了等級劃分標(biāo)準(zhǔn)[24]，具體見表2所示。

4 結(jié)果分析

4.1 三維生態(tài)足跡變化

由圖2可看出，2010—2018年上海人均三維生態(tài)足跡與能源用地足跡變化走向相似，總體上呈現(xiàn)下降的走勢，計算所得人均三維生態(tài)足跡由2010到2018年減少率約為10%，能源用地足跡減少率約為8%;耕地用地足跡圖幅上整體呈微弱下降走勢;林地、草地、水域與建設(shè)用地的足跡微小對整體的足跡發(fā)展作用也較小。上海城市建設(shè)任務(wù)繁重，制造業(yè)占比較高，能源構(gòu)成具有“富碳”及“偏重”的重大安全問題[25]，時間序列結(jié)果上呈現(xiàn)的能源用地足跡走向的下降變化，反映出上海市近年來提倡的綠色節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整策略有所成效，然而能源消費依舊是當(dāng)前與未來城市環(huán)境污染的主要源頭，由此可見能源用地對上海市總體足跡腳步具有關(guān)鍵性作用。

4.2 人均生態(tài)足跡深度與廣度變化

由圖3可看出，2010—2018年上海人均生態(tài)足跡深度表現(xiàn)為整體增加趨向，數(shù)值上由2010年27.5418hm2/人波動增長至2018年36.4780hm2/人，計算所得增長率約為33%，結(jié)果表明上海的自然資源消耗已經(jīng)超出其再生速度，資本存量的消費水平日漸增加。上海的人均生態(tài)足跡廣度在2010—2018年間呈持續(xù)下降趨勢，由2010年0.1073hm2/人波動減少至2018年的0.0728hm2/人，計算所得減少率約為32%，這表明了上海的自然資本流量占用的日漸減小。人均生態(tài)足跡深度持續(xù)提升，足跡廣度逐步縮小，二者的反向足跡說明了上海的生態(tài)壓力程度逐年升高，生態(tài)赤字狀況持續(xù)嚴(yán)峻，環(huán)境負(fù)荷狀態(tài)延續(xù)加強，沉重了生態(tài)安全水平負(fù)擔(dān)。

4.3? 生態(tài)安全評價

由圖4可看出，2010—2018年上海生態(tài)壓力指數(shù)（ETI）均大于2且整體上表現(xiàn)為升高趨向;生態(tài)占用指數(shù)（EOI）年際始終位于1.012到3.013之間;城市生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)指數(shù)（EECI）均低于1。結(jié)果說明了上海區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度和人均消費水平較富裕，但城市環(huán)境承壓程度居于極不安全的狀況，社會經(jīng)濟(jì)和環(huán)境生態(tài)屬于不協(xié)調(diào)不持續(xù)狀態(tài)。生態(tài)與經(jīng)濟(jì)良性和諧的發(fā)展環(huán)境是城市綜合實力的構(gòu)成要素，是全球城市得以健康可持續(xù)發(fā)展的堅實基礎(chǔ)，是推進(jìn)城市高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵之處，上海應(yīng)探尋生態(tài)與經(jīng)濟(jì)良性和諧的發(fā)展模式，奏鳴城市生態(tài)建設(shè)與環(huán)境民生改善的主旋律。

5 結(jié)論

上海在城鎮(zhèn)化建設(shè)高速發(fā)展的階段，生態(tài)安全狀態(tài)表現(xiàn)出不可持續(xù)的波動，生態(tài)環(huán)境壓力水平不斷增大。根據(jù)所得人均生態(tài)足跡的組成及生態(tài)安全評價狀況可見，能源用地占據(jù)很高比例，生態(tài)赤字現(xiàn)象嚴(yán)重，以及城市的快速發(fā)展和人們生活收入水平的富裕使得對自然資源的索取、對生物資源的需求的較高，阻礙了上海生態(tài)文明城市的踐行腳步。由此，上海市持久發(fā)展應(yīng)該在現(xiàn)有的生態(tài)承載力范圍內(nèi)，尊重環(huán)境現(xiàn)狀要求的前提下進(jìn)行，著力構(gòu)建上海節(jié)約資源和環(huán)境保護(hù)的空間結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)布局，為廣大人民創(chuàng)建美麗綠色、生態(tài)宜居的生產(chǎn)生活條件。生態(tài)足跡評價方法應(yīng)用于區(qū)域分析略顯狹窄，仍存有些缺憾，我們要辯證地思考上海足跡水平較高和生態(tài)安全嚴(yán)重的問題。人民城市為人民建，上海市應(yīng)積極采取對策，適應(yīng)城市迅速發(fā)展的土地需要，重視城市安全狀況和城市文明構(gòu)建，持續(xù)推動區(qū)域環(huán)境健康質(zhì)量改善，滿足人民日益提升的富裕及幸福生活要求，維系城市生態(tài)安全水平邁向更高標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] WACKERNAGEL M， REES W.Our ecological footprint：reducing human impact on the earth[M]. Canada：New Society Publishers，1998.

[2] Wackernagel M，Onisto L，Bello P，et al.National natural capital accounting with the ecological footprint concept[J].Ecological Economics，1999，29（3）：375-390.

[3] Niccolucci V，Bastianoni S，Tiezzi E B P，et al.How deep is the footprint？A 3D representation[J].Ecological Modelling，2009，220（20）：2819-2823.

[4] Niccolucci V，Galli A，Reed A，et al.Towards a 3D national ecological footprint geography[J].Ecological Modelling，2011，222（16）：2939-2944.

[5] 方愷.生態(tài)足跡深度和廣度：構(gòu)建三維模型的新指標(biāo)[J].生態(tài)學(xué)報，2013，33（1）：267-274.

[6] 方愷，李煥承.基于生態(tài)足跡深度和廣度的中國自然資本利用省際格局[J].自然資源學(xué)報，2012，27（12）：1995-2005.

[7] 方愷，高凱，李煥承.基于三維生態(tài)足跡模型優(yōu)化的自然資本利用國際比較[J].地理研究，2013，32（9）：1657-1667.

[8] Wang Y N，Jiang Y T，Zheng Y M，et al.Assessing the ecological carrying capacity based on revised three-dimensional ecological footprint model in Inner Mongolia，China[J].Sustainability，2019，11（7）：2002.

[9] 王業(yè)寧，周強，王豪偉.中國34個省級行政區(qū)三維生態(tài)足跡動態(tài)研究[J].生態(tài)學(xué)報，2020，40（18）：6434-6444.

[10] 金夢婷，徐麗萍，李鵬輝.南北疆區(qū)域經(jīng)濟(jì)差異化三維生態(tài)足跡自然資本利用的時空演變[J].生態(tài)學(xué)報，2020，40（13）：4327-4339.

[11] 胡悅，王溧.京津冀三維生態(tài)足跡演變趨勢及驅(qū)動因素[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（18）：309-313.

[12] 杜悅悅，彭建，高陽，等.基于三維生態(tài)足跡的京津冀城市群自然資本可持續(xù)利用分析[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2016，35（10）：1186-1196.

[13] 張星星，曾輝.珠江三角洲城市群三維生態(tài)足跡動態(tài)變化及驅(qū)動力分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2017，37（2）：771-778.

[14] 王祥榮，樊正球，謝玉靜，等.城市群生態(tài)安全保障關(guān)鍵技術(shù)研究與集成示范——以長三角城市群為例[J].生態(tài)學(xué)報，2016，36（22）：7114-7118.

[15] 楊舒涵，劉錚.習(xí)近平生態(tài)文明思想的“上海實踐”[J].改革與戰(zhàn)略，2019，35（10）：18-25.

[16] 劉某承，李文華.基于凈初級生產(chǎn)力的中國各地生態(tài)足跡均衡因子測算[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報，2010，26（5）：401-406.

[17] 肖林.未來30年上海邁向全球城市的生態(tài)和能源戰(zhàn)略[J].科學(xué)發(fā)展，2015（10）：5-11.

[18] 向詩月，劉紫玟，代艷萍，等.基于改進(jìn)三維生態(tài)足跡模型的上海市生態(tài)足跡動態(tài)研究[J].中國資源綜合利用，2017，35（10）：127-130.

[19] 胡正李，葛建平，韓愛萍.中國大都市生態(tài)足跡的比較研究——以北京、上海、天津和重慶為例[J].現(xiàn)代城市研究，2017，32（2）：84-93

[20] 姜綿峰，葉春明.上海城市生態(tài)足跡動態(tài)研究——基于ARIMA模型[J].華東經(jīng)濟(jì)管理，2015，29（1）：18-24.

[21] 楊一旸，盧宏瑋，梁東哲，等.基于三維生態(tài)足跡模型的長江中游城市群平衡性分析與生態(tài)補償研究[J].生態(tài)學(xué)報，2020，40（24）：9011-9022.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】