湘江城市段能值生态足迹及驱动力分析*

曾晓霞,刘云国,曾光明，胡新将,胡 熙,张娉杨,龚小敏

(湖南大学 环境科学与工程学院 环境生物与控制教育部重点实验室,湖南 长沙 410082)

生态足迹由加拿大生态经济学家Rees W E于20世纪90年代初创建,而后得到了Wackernagel M等人的完善和发展,并将其概念定义为可持续维持某特定区域人口生存和吸纳其所排放的废弃物所需的具有生态生产性的地域面积[1-2].生态足迹模型将人类消耗的自然资源和排放的废弃物转化为相应的生产性面积与现存的土地面积比较来衡量人类社会的可持续发展状况,有效的量化人类社会与自然环境之间的相互关系,且其计算结果直观明了,具有区域可比性,因此该模型迅速发展成为可持续发展定量评价的重要方法[3-4].

然而传统生态足迹模型存在着土地类型功能单一化,温室气体考虑不全面,因子(均衡因子和产量因子)选取口径不统一等缺点.为此,基于能值理论的改进生态足迹模型为生态系统和生态经济系统的定量分析研究开拓了新途径[5-6].能值理论是美国生态学家Odum H T等人以热力学第二定律和能量传递规律为基础创立的以能量分析为核心的系统分析方法.它将人类社会经济系统视为能量系统,以太阳能值为基本单位,把系统中不同种类,不可比较的能量转换成同一标准的能值来衡量和分析,比较系统中流动或储存的不同类别的能量及其在系统中的功能[7].

近年来,能值生态足迹模型得到了广泛的认可和关注.Zhao等人[8]率先将能值理论与生态足迹模型相结合．随后，陆续有国内外学者将该模型运用于城市尺度[9-10],省份尺度[11-12]以及国家尺度[5,13]的生态安全研究,同时也有学者在该理论基础上进行了不同程度的方法完善[3,14-15].江河流域往往是人类文明的发源地,其对社会经济发展起到了关键性的作用.随着经济快速发展,人口迅猛增长以及城市化进程的加快,流域沿岸的城市纷纷面临着经济发展与生态环境的矛盾压力,然而在流域尺度上的生态经济复合系统的定量化评价及关联分析却甚为少有.

本文以湘江流域的6个城市为研究对象,在传统能值生态足迹模型的基础上,从生态资源生产占用与废弃物排放的角度出发,一方面直接计算该城市段对自然资源和土地的利用情况,另一方面量化废弃物的排放对本地环境的影响,探讨区域内部所承受的环境压力.同时,本研究将得到的生态足迹结果与当地的社会经济指标进行关联分析,进一步研究当地社会经济对生态环境的驱动作用,为该流域及同类地区确立生态可持续的社会经济发展机制提供理论依据和借鉴模式.

1 研究区域和研究方法

1.1 研究区域概况

湘江是湖南人民的母亲河,也是长江中游南岸的重要支流之一.其上游称海洋河,在湖南省永州市区与潇水汇合,始称湘江,流经永州、衡阳、株洲、湘潭、长沙,至岳阳入洞庭湖后归长江.干流全长856 km,流域面积9.46万km2.湘江一带属亚热带季风气候,四季分明,分雨旱两季,年平均气温16.8～17.2℃,土壤以红壤、水稻土为主.湘江及其途径的永州、衡阳、株洲、湘潭、长沙和岳阳6大城市承担了重要的生活生产工作,是湖南工农业的核心区域(图1).该6个城市的总面积占全省的40%左右,而其年均GDP总值却占到了全省的65%以上.因此,本文以上述6个城市为基础,分析湘江流域地区的本地生态安全状况.

1.2 研究方法

1.2.1 基础资料来源

本文基础数据的获取采用查阅与分析相关统计资料的方法,并通过实地调查,补充和核对部分数据资料.其中相关统计资料包括1999～2008年的《湖南统计年鉴》和《湖南年鉴》,《湖南经济社会发展60年(1949-2009)》以及各市相关的社会经济统计年鉴及报表等.

1.2.2 生态承载力计算

自然资源分为可更新资源和不可更新资源两类.由于不可更新资源的消耗速度要快于其再生速度,会随着人类的不断利用而日益枯竭,只有利用可更新资源,生态承载力才具有可持续性.因此能值生态足迹模型中的生态承载力计算,只考虑可更新资源的能值.

图1 湘江流域的城市区位图

传统的能值生态足迹模型涉及的可更新能源有太阳辐射能、风能、雨水化学能、雨水势能和地球旋转能5种.然而经研究证实,土壤肥力亦属于再生资源,其有机质每年形成和分解的速率大约在2%～4%左右[16]．因此在计算地表的可再生资源的能值时也应把表层土壤有机能值看作是每年可再生的[3,6],本文折中选取3%的表层土壤有机能值代入计算.

为避免重复计算,根据能值理论,同一性质的能量投入只取其中的最大值.如风能、雨水化学能和雨水势能都是太阳光的转化形式,选其中数值最大的一项代入总能值中.因此,本研究地区获得的能值即由太阳辐射能、地球旋转能以及表层土壤有机能3种类型组成.生态承载力的计算公式为:

(1)

式中:EC为人均生态承载力(hm2/人);E为可更新资源的人均能值(sej);P1为全球平均能值密度(sej/hm2·a),数值为3.12×1015[17];N为区域人口数(人);ei为第i种同类可更新资源能值的最大值(sej).

1.2.3 生态足迹计算

本文将生态足迹账户分为生产性资源账户和废弃物排放账户,账户细分见表1.生产性资源账户从区域的生产角度来计算,用地区的生产量来代替消费量,因为本地生产的产品无论是否被本地消费,均消耗了本地的生态资源.该账户分为本地自产的生物资源账户和能源资源账户;废弃物排放账户则包括废气、废水和废物3种类型,反映出废弃物排放对当地生态环境的压力.相比原有的生态足迹账户分类方式,本分类可明确表达出当地的资源生产和消费对本地环境的直接影响,更能明确生态足迹概念的真正意义.

表1 生态足迹账户的分类

生态足迹账户的项目划分后,首先计算区域能值密度,其计算公式为:

P2=U/S

(2)

式中：P2为区域能值密度(Sej/hm2),U为区域的能值总量(Sej),S为区域面积(hm2).

然后引入太阳能值转换率[6,17],即单位能量或物质中所含的太阳能值之量.计算各项目所包含的能量,将太阳能值转换率乘以给定项目的能量,即可将各项目给定的能量换算为太阳能值.区域各项目的太阳能值除以区域总人口,则为各项目的人均太阳能值.

(3)

式中：Ci为第i种资源的人均太阳能值(Sej/人),Ei为第i种资源所包含的能量(J),Ti为第i种资源的太阳能值转换率(sej·J-1或sej·g-1)[7],N为区域人口数(人).

最后将各项目的人均太阳能值换算成对应的生产性土地面积.其计算公式为:

(4)

式中：EF为人均生态足迹(hm2/人);ai为第i种资源的人均生态足迹(hm2/人).

1.2.4 生态盈亏计算

将各项目的人均生态足迹汇总,与人均生态承载力进行比较,来衡量研究地区的生态安全情况.若人均生态足迹大于人均生态承载力,则该地区存在生态赤字(Ecological Deficit, ED);反之,则该地区存在生态盈余(Ecological Surplus, ES).

ED或ES=EC-EF．

(5)

1.2.5 生态足迹与社会经济的关联分析方法

生态足迹的变化,除了与自然资源的优劣、多寡有关之外,与当地的自然资源管理、人口数量、社会经济、技术水平等社会经济因素也密切相关[18].本文选取人口,GDP,固定投资/GDP,三次产业占GDP的比例,重工业率,家庭恩格尔系数,财政收入/GDP,城乡居民实际收入比,城镇率,进出口总额等12项社会经济指标,量化社会经济对生态足迹的驱动作用.

由于社会经济指标之间具有一定的内在联系,若直接将这些指标作为自变量纳入回归分析,则可能会因指标间的多元共线性而无法得出正确结论.因此,为确定影响湘江城市段本地生态足迹的主驱动因素,首先采用主成分分析法,将选取的多个自变量组合成少数且相互独立的能充分反映总体信息的指标.在此基础上,再将相关系数较大的主成分因子与湘江城市段的人均生态足迹时间序列进行多元线性回归建模分析,找出影响本地区生态足迹变化的关键社会经济驱动因素.主成分分析与多元线性回归分析由SPSS 18中的相应功能完成.

2 结果与讨论

2.1 湘江城市段生态承载力及其区域差异分析

2.1.1 生态承载力的变化情况

如表2所示,1999～2008年,湘江城市段年均获得太阳能值1.51×1022sej,年均生态承载力在0.14 ～0.19 hm2/人之间,平均值为0.16 hm2/人.10年间,生态承载力变化幅度较小,但呈波浪形下降趋势.

2.1.2 生态承载力的区域差异

由于年均获得的太阳能值与区域面积有关,因此在1999～2008年间,湘江沿岸的6个城市所获得的年均太阳能值与其面积的大小排序一致,即永州>衡阳>岳阳>长沙>株洲>湘潭.将各城市的太阳能值代入式(1)中,结果见图2.

表2 湘江城市段的能值变化情况

年均生态承载力最大和最小的城市分别是永州市和湘潭市,分别为0.23 hm2/人和0.11 hm2/人;株洲市的年均生态承载力仅次于永州市,为0.18 hm2/人,这与其人口的数量相对较少且增长率较低有关.相反,衡阳市虽获得的太阳能值较大,但其人口总数在该城市段中最大,导致其年均生态承载力与长沙市、湘潭市接近,仅为0.13 hm2/人.

图2 湘江流域各地市的生态承载力变化

2.2 湘江城市段生态足迹及其区域差异分析

2.2.1 生态足迹的变化情况

1999～2008年间湘江城市段产生的生态足迹能值年均1.68 ×1023sej,是其获得的太阳能值的11倍.该地区的生态足迹年均达到了2.88 hm2/人,是同时段全国年均生态足迹的1.8倍,黄河三角洲的5.14倍[19].从图3可见,该地区的生态足迹呈现出波浪式快速上升趋势,与生态承载力的变化趋势相反.人均生态足迹最小值出现在2002年,为2.15 hm2/人;最大值出现在2007年,为3.79 hm2/人.

年份

从生态足迹结构来看,草地的生态足迹最大,年均达到1.65 hm2/人;其次是耕地,达到0.55 hm2/人;林地的生态足迹最小,为0.03 hm2/人.从变化趋势来看,耕地和草地的生态足迹所占比例呈下降趋势,分别从1999年的21.9%和59.16%下降到了2008年的16.51%和53.52%,耕地的下降速度略快于草地.相反的,化石能源用地、林地和建筑用地的生态足迹比例则呈大幅度上升趋势,在1999年至2008年间其人均生态足迹分别扩大了1.90，1.81和1.76倍.相比之下,水域的生态足迹比例变化不大,年均所占比例均在5%左右.由于呈增长趋势的生态足迹类型的增长幅度远大于呈下降趋势的生态足迹类型的幅度,因此总体的生态足迹需求量亦呈现上升状态.

从各类型生态足迹的变化情况可看出,工业的蓬勃发展,人口数量的增长,居民消费水平及对生活质量要求的提高等是这十年来该地区生态足迹快速提升的重要因素.首先,膳食结构得到了很大的改善,以谷物、小麦、玉米等为主的粮食作物消耗逐渐向猪、牛、羊等高营养的多种膳食结构转变.1999年,粮食和猪牛羊禽肉的人均生态足迹的比例为1∶4.77,到了2008年,该比例转变为1∶5.88.10年间,猪牛羊等农牧产品的人均生态足迹增加了约1.3倍.其次，工业科技的创新,家电的普及,住房条件的改善,均加大了对原油,电力等能源的消耗,直接拉动了资源消耗的力度.10年间化石能源用地和建筑用地的生态足迹人均增长速率较快,分别达到了2.78%和2.21%,是耕地增长速率的6.15倍和4.88倍.

2.2.2 生态足迹的区域差异

1999～2008年间,湘江流域6个城市的年均生态足迹的排序依次为岳阳>衡阳>湘潭>株洲>永州>长沙.

岳阳市的年均生态足迹最大,达到3.41 hm2/人.作为洞庭湖农业经济圈中重要的粮食生产基地,由于长期大力开发粮食作物和水产品,耕地、水域年均生态足迹均明显大于本地区的其他城市(同类生态足迹比较,下同),分别达到了0.80 hm2/人和0.36 hm2/人．其生态足迹年均变化幅度在流域6个城市中也是最大的,方差达到了0.56．这反映出岳阳市在生产方面仍需进一步的科学规划,使其能够实现长期稳定发展.衡阳市的年均生态足迹为3.22 hm2/人,排在本地区的第二位,其中化石能源用地的年均生态足迹大大高于其他城市,达到了0.59 hm2/人,是6个城市该项生态足迹平均值的2.27倍．这与衡阳市工业众多,工业能源消耗大有关.湘潭市的年均生态足迹略小于衡阳市,为3.12 hm2/人.在“长株潭一体化”政策的推动下,湘潭市在城市建设布局以及产业结构调整方面表现积极,体现在草地和建筑用地年均生态足迹在本地区中均为最大值.长沙市的年均生态足迹最小,为2.31 hm2/人,其中耕地,建筑用地以及水域年均生态足迹在本地区中均达到最小.而且,长沙市生态足迹的年均变化幅度亦最小，方差为0.14.这在一定程度上说明了作为湘江流域的综合性城市,长沙市的城市建设水平较为成熟,在生态资源的利用上也逐渐转向了高效化和稳定化,为两型社会的建设创造了一定的条件.

2.3 湘江城市段生态盈亏及其区域差异分析

综上所述,湘江城市段的生态足迹远高于其生态承载力,处于生态不安全状态.湘江城市段整体的年均生态足迹是年均生态承载力的18.35倍,年均生态赤字高达2.75 hm2/人.与生态足迹相似,生态赤字亦呈现出波浪式上升趋势,方差为0.28.年均生态赤字最小和最大的年份出现在2002年和2007年,分别为1.96 hm2/人和3.66 hm2/人.如图4所示,年均生态赤字最高的是岳阳市,达到3.24 hm2/人;其次是衡阳市和湘潭市,分别达到了3.09 hm2/人和3.01 hm2/人;最低的是长沙市,为2.19 hm2/人.

图4 湘江流域各地市的年均生态赤字(按降序排列)

从湘江流域各地市的生态赤字排序可看出,影响生态盈亏的因素除当地的自然地理条件外,社会经济的发展模式和强度对生态盈亏也起着重要的作用,这在永州市表现最为明显.由图4可知,永州市凭借较舒适的气候环境和适中的人口密度,其年均生态承载力在6个城市中取得了最大值,是长沙市的1.86倍和株洲市的1.25倍.永州市近年来承接了珠三角的产业转移,利用其丰富的优势矿产资源,大力发展冶金、矿产品加工、机械制造等重工业.然而,产业技术不成熟,工业园区管理不完善,废物处置设施配备落后等是导致其生态赤字大于工业产值比重更大的长沙市和株洲市的主要原因.这凸显了社会经济与生态足迹的关联性.因此,分析社会经济的内部结构对调整和管理当地生态足迹具有关键作用.

2.4 生态足迹与社会经济的关联分析

2.4.1 主成分分析

为消除通货膨胀影响,社会经济指标按2008年为基期价格计算实际值,单位为元,经济结构指标单位为%.运用SPSS软件对上述12个指标进行主成分分析,提取出2个公因子,累计贡献率高达87.92%,基本可替代全部信息,结果见表3.通过主成分分析可看出,主成分1与固定投资/GDP,人口,GDP,第二产业GDP/GDP,进出口总额,财政收入/GDP呈高度正相关,而与第一产业GDP/GDP呈高度负相关,因此该类主成分主要是经济发展水平和生产消费结构的综合反映,包含了原始变量的大部分信息.主成分2则主要与第三产业GDP/GDP,城乡居民实际收入比,家庭恩格尔系数,城镇率有较大的相关性,因此第二主成分可以看作是社会发展结构的代表.

表3 主成分分析结果

2.4.2 多元回归分析

运用回归模型的向后剔除法(backward removal method)对相关系数较大的主成分因子进行筛选,淘汰sig>0.1的指标.由表4可见,固定投资/GDP,第一产业GDP/GDP,城镇率和家庭恩格尔系数4项指标与人均生态足迹的回归模型拟合效果最好,且具有显著的相关性,证明此四者对于该地区的人均生态足迹变化具有强烈的驱动作用.从各指标变量标准化后的系数来看,固定投资/GDP,第一产业GDP/GDP与人均生态足迹呈正相关,而城镇率,家庭恩格尔系数与人均生态足迹呈负相关,但后者对生态足迹的负向驱动力明显弱于前者对生态足迹的正向驱动力.

近年来,固定资产投资中增大了对房地产,制造业的投入比重,拉动了大量的钢材,煤炭,木材等资源的消耗.经计算,1999～2008年期间,湘江城市段的固定资产投资额占GDP的比重逐年增加,人均生态足迹对固定投资/GDP的一阶导数为正,投入产出的弹性系数为0.59,投资结构拉动了资源的消耗.这也说明湘江城市段的经济增长模式仍属于资源消耗型,经济发展很大程度上依靠对资源的消耗.

通过多元回归模型的分析得出,三次产业的产值对湘江城市段人均生态足迹的影响程度由大到小依次为第一,第三,第二产业.这与刘建兴等人研究得出的第一产业在国内三次产业中对生态资源占用的比例最大的结论一致[20].对于人口密集的国家而言,食物的供给需求对生态足迹的变化起着决定性的作用.随着生活质量的提高,科技的逐步革新,购买力的增强，反映食物在家庭总支出中比例的家庭恩格尔系数也在不断下降.从回归模型可看出,家庭恩格尔系数与生态足迹的负相关联系,在一定程度上可缓解第一产业对生态足迹的压力.但目前其缓冲效果有限,未能与第一产业的影响力抗衡.

城乡差距往往会导致收入分配不均,这一方面会使贫困人群倾向于过度开采自然资源甚至破坏环境;另一方面也会导致资源环境政策的偏离[21].在这10年间,湘江城市段的综合城市化水平从27%提高到了43%.其中,长沙市的实际城市化水平最高而生态赤字最小,这印证了城乡生活水平差距的缩小有助于资源的平均分配,对自然生态的稳定发展具有一定的帮助,值得其它城市借鉴.

表4 基于后退移除法的多元回归模型分析结果

3 结 论

1)1999～2008年间,湘江城市段的生态承载力平均值为0.16 hm2/人;其生态足迹消耗较大,年均达到了2.88 hm2/人,是全国平均水平的1.8倍,且呈现出快速上升趋势.

2)湘江城市段年均生态赤字高达2.75 hm2/人,处于生态不安全状态.其中,长沙市的生态赤字最小,为2.19 hm2/人.这与其城市建设水平较为成熟,城乡生活水平差距较小,资源利用效率较高等有关.

3)湘江城市段的社会经济对人均生态足迹变化的正向驱动力明显强于负向驱动力,其中经济发展模式和食物供给需求对生态足迹增长的贡献最为明显.因此,应通过改造土地生产力,调整产业和能源结构,强化清洁生产等途径降低生态足迹,提高生态承载力;同时,不断缩小城乡差距,科学调控人口规模,合理规划土地利用类型及规模等,控制社会经济发展对生态环境系统的压力.

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