基于能值生态足迹模型的泰安市生态安全研究

周慧　郑昭佩　梁兴军　王文华

摘要运用能值-生态足迹模型计算山东省泰安市2003～2012年的人均能值生态承载力和人均能值生态足迹，通过构建生态安全评价指标体系，对其生态安全现状做了动态分析与评价。结果表明，泰安市的人均能值生态承载力在0.399 6 hm2上下波动。人均能值生态足迹从5.561 2 hm2增至7.950 6 hm2，生态压力指数由11.482 6增至25.596 4，生态安全状态从“轻度不安全”过渡到“中度不安全”，在2012年已变为“重度不安全”状态。通过建立灰色GM（1，1）预测模型，对泰安市2013～2022年的生态安全状况进行预测，预测结果显示，到2022年，泰安市的人均能值生态承载力将变为0.213 7 hm2，人均能值生态足迹将高达10.146 1 hm2，生态压力指数将增至47.484 8，泰安市的生态安全将持续为“极度不安全”状态，可见，泰安市生态安全的发展前景不容乐观。

关键词能值-生态足迹模型；泰安市；生态安全；灰色预测

中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）04-01164-04

作者简介周慧（1988-），女，山东泰安人，硕士研究生，研究方向：生态环境修复与保护。*通讯作者，副教授，博士，硕士生导师，从事生态环境修复与保护研究。

人类活动依托于自然环境，生态系统为人类提供了从事各种活动必需的最基本的物质资源。然而，在经济社会飞速发展的今天，生态系统正承受着前所未有的压力，全球范围的生态问题越来越突出[1-2]。生态安全问题已成为当今世界研究的重要领域。生态安全评价（Ecological Security Assessment， ESA）是對生态系统完整性及在面对各种风险的情况下，维持生态系统健康的可持续发展能力的判断与识别研究，是生态安全的核心问题[3-4]。评价方法主要有生态模型、数字地面模型、景观生态模型以及基于PSR的数学模型等4种模型[5-6]。其中，生态模型的代表性方法为生态足迹法。

生态足迹分析方法的基本思想是：把人类生产生活所需要的自然资产的“利息”（生态足迹）与自然资产本身所产生的“利息”（生态承载力）通过转化，用能够进行比较的土地面积来衡量，从而判断人类对自然资产的利用情况[7]。随着生态足迹研究的不断深入，专家学者们不断尝试结合能值分析方法对传统生态足迹理论进行改进。王建源等[8]、陈春锋等[9]运用能值分析方法分别对山东省和黑龙江省的生态足迹进行了研究，结果表明基于能值分析的生态足迹模型比传统生态足迹理论更能真实地反映出区域的生态安全状况。因此，笔者构建能值-生态足迹模型，对泰安市2003～2012年的生态安全状况进行分析和评价，并运用灰色GM（l，l）预测模型，对泰安市2013～2022年的生态安全状况进行动态预测与分析，以期为泰安市的可持续发展提供一定的参考。

1研究区概况

泰安市位于山东省中部，北靠山东省会济南，南连儒家文化发源地曲阜，东临淄博，西频黄河，其具体位置为160°20′～117°59′ E、35°38′～36°28′ N，东西长约 176.6 km，南北宽约93.5 km，面积7 762 km2。现包括泰山区、岱岳区、新泰市、肥城市、东平县和宁阳县 6 个县市区。泰安地处鲁中山区，北枕泰山，地势自东北向西南倾斜，境内有山地、丘陵、平原、洼地等多种地貌类型。泰安是一座历史文化名城，具有丰富的自然资源和人文资源，其主导产业为旅游业和煤炭采矿业。2012年末，全市的总人口达552.89万人，地区生产总值为254 7.01万元 ，比2011年增长10.7%，人均地区生产总值为46 130元，其中，第一产业占9.1%，第二产业占50.7%，第三产业占40.2%。泰安市人口众多，资源相对不足，生态环境承载能力较弱。在经济高速发展的过程中，能源、水资源、土地资源等不足的矛盾日益突出，产生了一系列生态问题。

2研究方法

2.1传统生态足迹基本理论及其研究方法生态足迹（Ecological Footprint）理论是由加拿大生态经济学家William与其博士生Wackernagel于20世纪90年代初提出的，是基于土地面积计算的，用于度量人类对自然资源利用程度，并由一系列易于量化的指标组成的一种分析方法[10]。Wackernagel对生态足迹的定义是：在给定人口和经济的条件下，维持人们的资源消费和吸纳人们所产生的废弃物需要的生物生产性土地面积[11]。

2.2能值-生态足迹模型能值理论是由美国著名的系统生态学家H.T.Odum创立的，该模型将传统生态足迹理论框架与能值分析法相结合，把各种计算模型中需要用到的各种不同等级、不同类型的能量流通过能值转换率，换算成可以直接进行加减的太阳能值，从而定量分析研究区的生态状况。

2.2.1人均能值生态承载力的计算。ec=e/p1（1）

式中，ec为人均生态承载力；e是可更新资源的人均太阳能值；p1为全球平均能值密度。

在计算生态承载力时，主要考虑太阳辐射能、风能、雨水化学能、雨水势能和地球旋转能这5种可更新资源的能值。太阳光在能量流动过程中，转换为风能、雨水化学能和雨水势能等，为了避免重复计算，在同一性质的能量中，只选取其中的最大值，因此，可更新资源总能值等于前4种能量的最大值加上地球旋转能的能值。研究区可更新资源的人均太阳能值等于可更新资源的总能值除以该区人口数。

最后，将计算出的人均生态承载力减去12%的用于保护生物多样性的用地之后，剩余的88%就是实际可供人类利用的人均能值生态承载力面积[12]。

2.2.2人均能值生态足迹的计算。首先计算区域能值密度p2，然后计算人均太阳能值和人均能值生态足迹，利用能量折算系数和能值转换率将不同形式的能值转换成太阳能值，将各项目的人均太阳能值除以区域能值密度p2即得到各项目的人均能值生态足迹。最后将各项人均生态足迹分类汇总，计算公式为：

2.3生态安全评价指标

2.3.1人均生态赤字/盈余。将人均能值生态承载力与人均能值生态足迹相减，其差值为负时，表示人均生态承载力供给小于需求，其差值称为生态赤字；差值为正时，则表示该地区人均生态承载力的供给大于需求，即为生态盈余。差值為零时，表示人均生态承载力供给等于需求，该区域处于生态平衡状态。

2.3.2生态压力指数。生态压力指数又称为生态足迹强度指数（Ecological Footprint Intensity Index）[13]，指一个国家或地区单位生态承载面积上的生态足迹。该指数代表了一个区域环境所承受压力的程度。其计算公式为：

2.3.3生态协调系数。生态协调系数表示一个地区的社会经济发展状况与当地生态环境的协调性，其计算公式为：

2.4生态安全预测模型灰色动力学模型（Grey Dynamics Medel，GM）是模糊数学派生的一种预测方法，具有所需原始数据少、预测精度高等特点[14]，适用于少样本、贫信息、概率分布不典型的数据分析，是一种转换原始无规律的数列，使之变为较有规律的生成数列后再用数列建立方程的预测方法，现已被广泛运用于自然科学、社会科学等多个领域。根据实际需要，该研究选用灰色系统理论中最常用的一阶线性灰色数列模型GM（1，1）实现对泰安市未来十年的生态安全状况的预测分析。

计算步骤如下：首先建立原始数据序列，将所需研究对象的值按时间进行升序排列。

3.2人均能值生态足迹由表3可知，泰安市2003～2012年的人均能值生态足迹总体上呈增大的趋势。其中，2004年和2009年的增幅较大，该两年的生态足迹中化石能源用地和建筑用地的涨幅较大。这说明近年来，泰安市经济的迅速发展依托于消耗大量的自然资源和能源，若不尽快改善这一现状，该市的生态环境将进一步恶化。

3.3生态安全评价由表4可知，泰安市近十年的生态压力指数呈现增大趋势，其中，2006年和2012年增幅较大。

经过公式变形、计算和作图分析可知，生态协调系数随着生态压力指数的增加而降低，且递减趋势由快到慢，最后趋于平缓。这种变化可反映生态安全状况。当生态压力较小时，生态协调性较高，环境处于安全状态，随着生态压力的增加，生态协调性明显下降，生态安全程度随之降低，当生态压力增大到一定程度时，生态环境趋于不协调，不安全。换言之，生态协调系数由大幅下降到趋缓的过程反映了生态环境由较安全进入不安全的状态。因此，利用生态协调系数趋缓变化的临界值可确定生态压力指数的阈值，进而确定生态安全等级，见表5。