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生態(tài)模型傳承力安全研究
1992年加拿大經(jīng)濟學(xué)家里斯(Rees)提出了生態(tài)足跡的概念,并在1996年與其博士生瓦克納格爾(Wackernagel)共同研究得到了衡量區域資源利用與生態(tài)承載力關(guān)系的生態(tài)足跡方法[1]。該方法從客觀(guān)形象的角度將人類(lèi)一切活動(dòng)所消耗的原始物質(zhì)及能源折合成生物生產(chǎn)性土地面積,并將其與區域內所能提供的生物生產(chǎn)性土地面積對比,通過(guò)研究區域剩余的生態(tài)容量衡量區域可持續發(fā)展的程度[2]。生態(tài)足跡方法因其直觀(guān)、綜合操作性強的優(yōu)勢,被國內外學(xué)者在不同尺度的區域生態(tài)安全評價(jià)和可持續發(fā)展研究上廣泛使用[3]。生態(tài)足跡理論及概念于1999年被引入國內,隨后有關(guān)生態(tài)足跡的研究在國內迅速展開(kāi)[4]。廣東省作為改革開(kāi)放和經(jīng)濟發(fā)展的先行區域,其生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也一直受到各界的重視。早在2003年胡新艷等人就采用生態(tài)足跡模型對2001年廣東省生態(tài)容量進(jìn)行了評價(jià),研究結果顯示,由于能源消耗及耕地資源的大量流轉,廣東省生態(tài)占用遠遠超過(guò)其生態(tài)承載能力[5]。高長(cháng)波等對廣東省1990~2002年的生態(tài)足跡及生態(tài)承載力進(jìn)行了計算和動(dòng)態(tài)分析,結果顯示在全球尺度上廣東省處于生態(tài)可持續發(fā)展狀態(tài),但是生態(tài)系統的壓力和強度甚高[6]。劉強等基于生態(tài)足跡與生態(tài)承載力對廣東省各市2006年生態(tài)補償進(jìn)行了量化分析,結果表明各地級市均呈現生態(tài)赤字狀態(tài),且赤字水平由珠三角經(jīng)濟發(fā)達地區向外逐漸遞減[7]。然而,目前的相關(guān)研究所引用的生態(tài)足跡模型均采用全球尺度的參數,并沒(méi)有考慮土地利用及生產(chǎn)力的區域性特征,從而導致計算結果存在一定的偏差。因此本文從“國家公頃”的角度出發(fā),基于我國各類(lèi)生產(chǎn)性土地的相互關(guān)系和廣東省土地的平均生產(chǎn)力,構建生態(tài)足跡的改進(jìn)模型,并計算了1996~2008年間廣東省的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力變化,更為準確地評價(jià)了廣東省的生態(tài)空間供需狀況。
1“國家公頃”生態(tài)足跡模型“國家公頃”的概念是相對全球尺度提出來(lái)的,是指國家土地平均生產(chǎn)力的標準面積,為在國家生產(chǎn)力水平上衡量省際土地供需量提供了方法。傳統的生態(tài)足跡模型將生態(tài)生產(chǎn)性土地劃分成相對獨立且不相重復的耕地、林地、牧草地、水域(不包括海洋)、化石燃料用地和建筑用地六大類(lèi),按照全球平均產(chǎn)量將消費項目轉換成土地面積,并利用均衡因子將各類(lèi)生物生產(chǎn)性土地面積轉換成可以運算的總面積,即得到研究區域土地需求量,然后運用產(chǎn)量因子和區域土地面積計算得到區域土地供給量。在“國家公頃”生態(tài)足跡模型中,用全國單位公頃土地的平均生產(chǎn)能力與省際各地類(lèi)生物產(chǎn)量計算得到的均衡因子和產(chǎn)量因子替代傳統模型中全球尺度的相應參數。
1.1“國家公頃”生態(tài)足跡模型中的轉換因子
1.1.1全國平均產(chǎn)量全國平均產(chǎn)量是指單位公頃土地上生物作物的產(chǎn)量[1],即:
1.1.2均衡因子均衡因子是為不同類(lèi)型的土地消除生物生產(chǎn)力差異從而轉化成可比較的標準面積的轉換因子[8]。“國家公頃”的均衡因子是通過(guò)各類(lèi)土地平均生物生產(chǎn)力占全國全部土地平均生物生產(chǎn)力的比例計算得到的,其計算公式為:式中,ri是國家第i類(lèi)土地的均衡因子;代表第i類(lèi)土地的平均生產(chǎn)力(109J/hm2),代表全國全部土地的平均生產(chǎn)力(109J/hm2),Qi表示第i類(lèi)土地的總生物產(chǎn)量(109J),Si表示第i類(lèi)土地的生物生產(chǎn)性面積(hm2);表示第i類(lèi)土地的第k種生物產(chǎn)品產(chǎn)量(kg),表示第i類(lèi)土地上第k種生物產(chǎn)品的單位熱值(103J/kg)。
1.1.3產(chǎn)量因子不同區域因氣候環(huán)境、生產(chǎn)技術(shù)和社會(huì )經(jīng)濟等差異會(huì )導致同類(lèi)土地生物生產(chǎn)力不同,因此需將省域各類(lèi)土地平均生產(chǎn)力與同類(lèi)全國土地平均生產(chǎn)力相比,得到產(chǎn)量因子,從而把省際生物生產(chǎn)性土地而換算成“國家公頃”的標準面積。產(chǎn)量因子的計算公式如下:其中,指j省第i類(lèi)土地的產(chǎn)量因子,指j省第i類(lèi)土地的平均生產(chǎn)力(109J/hm2),代表全國第i類(lèi)土地的平均生產(chǎn)力(109J/hm2),表示j省第i類(lèi)土地的總產(chǎn)出(109J),表示j省第i類(lèi)土地的總面積(hm2),Qi表示全國第i類(lèi)土地的總生物產(chǎn)量(109J),Si表示全國第i類(lèi)土地的總面積(hm2),代表j省第i類(lèi)土地的第k種產(chǎn)品的年產(chǎn)量(kg),其他系數如上式(2)中含義一樣。
1.2“國家公頃”生態(tài)足跡模型的計算方法瓦克納格爾等學(xué)者在假設人類(lèi)能確定資源、能源消費及廢棄物數量并折算成相應的不重復的生物生產(chǎn)土地面積等條件成立的基礎上,將生態(tài)足跡模型概括為三個(gè)部分,即生態(tài)足跡計算、生態(tài)承載力計算和生態(tài)盈余/赤字的計算[8]。
1.2.1生態(tài)足跡的計算根據生物生產(chǎn)性土地的六大分類(lèi),可以將生態(tài)足跡的計算概括為生物資源賬戶(hù)、能源資源賬戶(hù)和建設用地賬戶(hù)核算三個(gè)方面,其中生物資源賬戶(hù)包括了耕地、林地、草地和水域四類(lèi)用地,能源資源賬戶(hù)核算用于計算化石燃料用地的生態(tài)足跡,建設用地生態(tài)足跡的計算方法與其承載力計算方法相同[1]。(1)生物資源賬戶(hù)。生物資源的生態(tài)足跡計算是將不同生物生產(chǎn)性土地的面積通過(guò)均衡因子轉換成可比較的統一生物生產(chǎn)性面積,其計算方法如式(4)所示。(4)式中,efi為人均生態(tài)足跡(nhm2?人-1),i為消費商品及投入的類(lèi)型,j為土地類(lèi)型;rj為第j類(lèi)土地的均衡因子,aai為第j類(lèi)土地上第i種生物產(chǎn)品轉化的人均土地需求面積(hm2?人-1),ci為區域第i類(lèi)消費品的人均消費量(kg?人-1),epi為第i類(lèi)消費品的全國平均產(chǎn)量(kg/hm2)。其中,廣東省消費品的人均消費量由年人均總生物產(chǎn)量代替,并通過(guò)徐中民提出的價(jià)值比例換算方法[9]調整得到人均生態(tài)足跡,即按照產(chǎn)品凈貿易量占總產(chǎn)量的價(jià)值比例扣減對應生物生產(chǎn)性面積。(2)能源消費賬戶(hù)。能源消費賬戶(hù)的生態(tài)足跡是通過(guò)核算吸收人類(lèi)經(jīng)濟活動(dòng)消耗的化石燃料所需的林地面積得到的,在此采用碳匯法計算化石燃料用地的生態(tài)足跡,其方法如下[10]:(5)式中,efc為吸納化石能源排放CO2的人均土地面積(nhm2?人-1),rc為林地的均衡因子,f為人均CO2的排放量(t),是通過(guò)人均標準煤年消耗量與有效氧化系數和單位標準煤的含碳量的乘積計算得到的,其中,有效氧化系數為0.982,單位標準煤含碳量為2.67t[11],且人均CO2排放量中只有2/3的CO2被林地吸收,1/3被海洋吸收;ω為每公頃林地所能吸納的CO2量,根據IPCC的報告顯示每公頃林地吸收CO23.67t[12]。
1.2.2生態(tài)承載力的計算生態(tài)承載力是指區域能夠提供的生物生產(chǎn)性土地面積的綜合,即可視為區域生態(tài)足跡供給量。(6)式中,ecj表示j類(lèi)土地的人均生態(tài)承載力(nhm2?人-1),a為j類(lèi)土地的人均生物生產(chǎn)性面積(hm2?人-1),rj為j類(lèi)土地的均衡因子,yj是產(chǎn)量因子。
1.2.3生態(tài)盈余/赤字的計算將代表區域生物生產(chǎn)性土地面積供給量的生態(tài)承載力與代表生物生產(chǎn)性土地面積消費需求量的生態(tài)足跡相減,就能得到判斷區域生產(chǎn)性土地是否滿(mǎn)足消費需求的生態(tài)盈余/赤字。(7)式中,ed為人均生態(tài)盈余/赤字(nhm2?人-1),ec為人均生態(tài)承載力(扣除12%的保留生物多樣性用地),ef為人均生態(tài)足跡,是生物資源賬戶(hù)、能源消費賬戶(hù)和建設用地賬戶(hù)三類(lèi)賬戶(hù)人均生態(tài)足跡的綜合。當ed>0時(shí),區域生態(tài)系統狀態(tài)為生態(tài)盈余,表明該地區的生態(tài)承載力足以承受人類(lèi)對自然生態(tài)系統的消費,區域經(jīng)濟發(fā)展為可持續狀態(tài);當ed=0時(shí),區域生態(tài)系統處于發(fā)展均衡狀態(tài);當ed<0時(shí),區域生態(tài)系統狀態(tài)為生態(tài)赤字,說(shuō)明該地區人均占用資源量超過(guò)了自然資源的生態(tài)承載能力,區域經(jīng)濟發(fā)展為不可持續的狀態(tài)。
2數據整理與計算結果
2.1數據整理通過(guò)收集和整理,將全國及廣東省1996~2008年間農業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)和漁業(yè)的生物產(chǎn)量共計43個(gè)項目的動(dòng)態(tài)數據,分別對應于耕地、林地、草地和水域,再按照《農業(yè)技術(shù)經(jīng)濟手冊(修訂版)》[13]的生物產(chǎn)品單位熱值統計,將每種生物產(chǎn)品產(chǎn)量轉化為能量的形式,并通過(guò)上述(2)、(3)式計算得到了歷年全國各類(lèi)土地的均衡因子與廣東省的產(chǎn)量因子。其中,把水果對應的生物生產(chǎn)性土地歸為耕地,耕地數據為原園地與耕地數據加總,草地面積為原牧草地與未利用地面積的總和,水域為其他農用地(即養殖水面和坑塘水面)與河流湖泊的面積之和。通常情況下,化石燃料排放的CO2是由林地吸收,因此化石燃料用地的均衡因子與林地相同,而建設用地的擴張通常是占用耕地,所以其產(chǎn)量因子與耕地相同。將廣東省生物資源消費賬戶(hù)分為27項,能源消費賬戶(hù)分為20項,全國平均產(chǎn)量參照李智強相關(guān)研究中的數據[14],分別計算得到1996~2008年廣東省各類(lèi)土地利用的人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力。其中,由于化石燃料用地是通過(guò)轉換成吸收CO2的林地面積核算的,為不重復細算林地生態(tài)承載力,將化石燃料用地的生態(tài)承載力記為0,建設用地的生態(tài)承載力與其生態(tài)足跡相同。計算數據分別來(lái)源于《中國統計年鑒》(1997~2009)[15]、《廣東農村統計年鑒》(1997~2009)[16]、《中國能源統計年鑒》(1997~2009)[17]和廣東省土地變更調查統計資料。
2.2計算結果與分析
2.2.1均衡因子基于“國家公頃”的土地均衡因子如表1所示,我國單位面積耕地的相對平均生產(chǎn)力最高,其次是林地、水域和草地,隨著(zhù)近年來(lái)土地利用結構和生物性生產(chǎn)作物結構的變化,耕地相對平均生產(chǎn)力總體呈現下降趨勢,草地和水域的相對平均生產(chǎn)力則不斷增加。
2.2.2產(chǎn)量因子1996~2008年廣東省各類(lèi)土地的產(chǎn)量因子如表2所示,由表中數據可見(jiàn),廣東省各類(lèi)土地產(chǎn)出水平較高,其中林地的產(chǎn)量水平與全國平均水平相當,耕地、草地、水域的產(chǎn)量水平均高于全國平均水平,13年間的平
2.2.3人均生態(tài)足跡通過(guò)計算,得到1996~2008年間廣東省各類(lèi)土地的人均生態(tài)足跡如表3所示,廣東省人均生態(tài)足跡呈現出先下降再上升的總體態(tài)勢,其中各地類(lèi)人均生態(tài)足跡所占比重及其變化趨勢又各有不同。耕地人均生態(tài)足跡呈現明顯的下降趨勢,從1996年的0.6075nhm2?人-1下降到2007年的0.4186nhm2?人升幅度高達103.37%,說(shuō)明城鎮化的迅速發(fā)展推動(dòng)了廣東省生產(chǎn)生活中能源消費的迅速增加,需要留作吸收CO2的化石燃料用地需求也在逐步擴大。另外,人均草地生態(tài)足跡與人均水域生態(tài)足跡也呈現出持續增長(cháng)的態(tài)勢,分別從1996年的0.0003nhm。從整體構成比重來(lái)看,耕地人均生態(tài)足跡占總生態(tài)足跡的比重在下降,而草地、水域和化石燃料用地的人均生態(tài)足跡占總生態(tài)足跡的比重在持續上升,林地與建設用地的人均生態(tài)足跡比重呈現上升且有微弱波動(dòng)的趨勢。綜合上述人均生態(tài)足跡變化可知,隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展,1996~2008年期間廣東省的消費結構發(fā)生了一定的變化,對糧食作物的依賴(lài)程度正在逐漸減小,對水果和水產(chǎn)品的消費正在逐步增加,對建筑用地與能源的需求逐步提高。
2.2.4人均生態(tài)承載力1996~2008年廣東省人均生態(tài)承載力組成及變化數據如表4所示,土地利用總生態(tài)承載力波動(dòng)較大但總體呈現下降趨勢,其中人均耕地生態(tài)承載力的比重最大,其總體下降趨勢也最為明顯,從1996年的0.4300nhm2?人-1下降到2008年的0.3061nhm2?人-1,占人均生態(tài)承載力的比重由72.24%下降到65.74%;人均建筑用地的生態(tài)承載力比重從24.19%上升至29.40%,顯示出微弱的上升態(tài)勢,同時(shí),牧草地和水域的人均生態(tài)承載力也均呈現出微弱的上升趨勢,分別從1996年的0.0010nhm,而林地的人均生態(tài)供給卻持續下降,由0.0104nhm2?人。由此可見(jiàn),建筑用地的擴張和農業(yè)內部產(chǎn)業(yè)調整帶動(dòng)的土地利用結構調整是導致1996~2008年廣東省人均生態(tài)承載力變化的主要原因。在扣除12%的生物多樣性預留地的前提下,將人均生態(tài)承載力與人均生態(tài)足跡相減,得到表5中廣東省各類(lèi)土地的人均生態(tài)盈余/赤字。數據結果顯示,人均耕地、林地和建設用地持續出現供給赤字,其中人均耕地供給赤字在1996~2005年間呈現下降趨勢,并在2005年出現微弱的供給盈余,而后又持續出現赤字;在其他地類(lèi)中,林地人均生態(tài)赤字顯著(zhù)上升,建設用地的人均生態(tài)赤字持續波動(dòng)但變化不大,與此同時(shí),草地與水域的生態(tài)供給由盈余轉向赤字,并不斷擴大?傮w而言,1996~2008年間廣東省生態(tài)土地供給持續赤字,人均生態(tài)赤字呈現先下降后上升的趨勢。行為效應大約滯后兩年。
3結論
本文通過(guò)計算國家公頃定義下各類(lèi)土地的均衡因子和廣東省的產(chǎn)量因子,得到了1996~2008年年間廣東省人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力,從國家尺度上更準確的衡量了廣東省土地供需量的變化。與傳統全球尺度的生態(tài)足跡模型(均衡因子與產(chǎn)量因子均引用瓦克納格爾等人的值)[1]結果相比較(如圖2),國家公頃生態(tài)足跡模型縮小了全球模型中因忽略區域土地生產(chǎn)力差異性而引起的誤差,更精細的突出了人均生態(tài)足跡逐年的變化趨勢,而人均生態(tài)赤字計算結果也有較大的區別。從變化趨勢上看,由全球公頃模型計算的人均生態(tài)赤字從1997年起呈現不斷上升的趨勢,尤其是在2003~2005年期間飛速上升,而國家公頃模型計算得到的人均生態(tài)赤字在研究期間經(jīng)歷了先下降后上升的過(guò)程,且波動(dòng)幅度和變化范圍較小;從人均生態(tài)赤字數值結果來(lái)看,全球公頃計算結果相對國家公頃計算結果較大,前者為后者的6倍左右,由此進(jìn)一步證明了全球尺度計算得到的土地供需量相對于國家尺度的計算結果有較大的誤差。雖然國家公頃生態(tài)足跡模型計算得到的人均生態(tài)赤字相對全球尺度的計算結果較小,但是在研究時(shí)段內廣東省人均土地生態(tài)供給依然持續呈現赤字狀況,說(shuō)明1996~2008年間廣東省社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展過(guò)于依賴(lài)自然生態(tài)資源,導致其透支現象明顯,而生態(tài)赤字的累積性和自然生態(tài)功能恢復的長(cháng)久性必然導致區域發(fā)展處于不可持續狀態(tài)。另一方面,在人均收入增加引起人均生態(tài)赤字增長(cháng)的同時(shí),也對未來(lái)減緩生態(tài)赤字起到了一定的作用,說(shuō)明廣東省在經(jīng)濟發(fā)展的同時(shí),對生態(tài)環(huán)境的保護行為有一定的效果但效應有所滯后。因此,廣東省在協(xié)調人口、經(jīng)濟社會(huì )和生態(tài)環(huán)境均衡發(fā)展方面仍需進(jìn)一步深入實(shí)施轉變經(jīng)濟增長(cháng)方式、提升自主創(chuàng )新水平、倡導企業(yè)和個(gè)人的綠色消費行為等關(guān)鍵舉措。低。評價(jià)結果還顯示,廣州市在生態(tài)文化建設方面有待提升,其生態(tài)文化準則層得分較低的原因主要因為公眾調查中對城市環(huán)境的滿(mǎn)意率不盡如人意,且大專(zhuān)以上受教育人口比例不高,且其生態(tài)制度方面的建設也有待加速。4結論城市生態(tài)文明建設的評價(jià)方法研究是我國生態(tài)文明建設過(guò)程中的一項重大實(shí)際需求,也是目前學(xué)界的研究熱點(diǎn)之一。本文以經(jīng)濟發(fā)達城市為研究切入點(diǎn),按照其生態(tài)文明建設的現階段特征,使用層次分析法原理構建了包含37項單項指標的經(jīng)濟發(fā)達城市生態(tài)文明建設評價(jià)指標體系,并用北上廣深等一線(xiàn)城市數據對評價(jià)體系進(jìn)行了時(shí)序數據和橫截面數據的案例應用,驗證了模型的有效性和實(shí)用性。評價(jià)結果顯示,深圳在2001~2010年生態(tài)文明建設水平逐步提高,特別是生態(tài)環(huán)境和生態(tài)制度建設方面進(jìn)步顯著(zhù),4個(gè)一線(xiàn)城市中,深圳市生態(tài)文明建設水平相對較優(yōu),下一階段,北京市需要在生態(tài)環(huán)境方面,廣州市需要在生態(tài)文化和生態(tài)制度方面加強建設力度。本研究既可為經(jīng)濟發(fā)達城市提供生態(tài)文明建設評價(jià)技術(shù),也可為我國其他類(lèi)型地區生態(tài)文明指標體系研究提供參考和借鑒。限于筆者水平所限,評價(jià)體系在指標選取如何更具操作性、歸一化限值如何更具客觀(guān)性、評價(jià)指數的表達如何更具權威性方面仍存在一定不足之處,還需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。
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