区域生态足迹盈亏测算及其空间特征——以江苏省为例

鹿 瑶,李效顺,2,*,蒋冬梅,郎文婧,沈春竹,魏旭晨

1 中国矿业大学, 江苏省资源环境信息工程重点实验室, 徐州 221116 2 南京农业大学, 中国土地问题研究中心, 南京 210095 3 江苏省土地勘测规划院, 国土资源部海岸带开发与保护重点实验室, 南京 210024

工业革命以来,发达国家在创造极大物质财富的同时,也引发了沉重的生态环境灾难,直接威胁着人类生存和社会持续发展。与国外类似,改革开放以后,我国城镇化水平从1978年的17.9%提高到2016年的57.4%、年均增长超过1个百分点,GDP保持年均增长约10个百分点,发展成就举世瞩目。然而,发达国家300年中产生的环境问题却在我国30年间集中式爆发,加速损耗我国经济社会赖以发展的资源环境家底,并严重损毁普通民众追求美好宜居生活的梦想。尤其伴随城镇化进程快速推进和年均超过1000万城镇人口加速增长,人们生产生活对土地和自然资源的刚性需求迅速增加,占用了大量的农地、林地及其他类型的生态用地来进行房地产、商业区、工业区的开发建设,土地利用的变化尤其是城市过度蔓延对生态系统服务功能产生了消极影响[1],从而造成了越发严重的人地矛盾和区域土地生态承载力严重超载。

严峻的生态环境形势给我们敲响了警钟：模仿西方国家发展模式,靠拼资源、牺牲环境发展经济的道路难以走通。政府高层也意识到生态环境恶化的严重性：党的十九大报告明确提出要尊重自然、顺应自然、保护自然,建设人与自然和谐共生的现代化。因此,如何测算土地资源承载能力,合理利用土地、缓解人地矛盾,从而实现可持续发展,是公众关注焦点、学者研究重点和政策创新难点。生态足迹可以表现人类对自然资本的利用情况,判断人类活动是否在生态系统的承载范围之内,从而评估发展可持续性。生态足迹分析法的提出和发展,为定量测度可持续发展提供了评价方法[2]。

江苏省作为改革开放的前沿阵地、经济水平最为发达、区域差异最为显著和人地矛盾最为尖锐的省份之一,区域土地承载力迅速超载。鉴于此,本文在改进传统生态足迹模型基础上,以“国家公顷(nhm2)”为计量单位,对江苏省及其13个地级市2015年生态足迹、生态承载力和生态盈亏进行测算,并在此基础上计算研究区万元GDP生态足迹。与已有研究不同的是,本文利用国家公顷生态足迹模型计算了江苏省及13个地级市的产量因子,立足于区域生态足迹的空间特征分析,进而把握影响区域生态足迹分布差异的因素,从而在理论上补充、完善生态足迹模型在空间分析方面的不足,研究结果在为江苏省生态文明建设和土地可持续利用提供定量参考的同时,对统筹江苏省各市协调、可持续发展具有指导意义。

1 研究区概况

江苏省位于中国大陆东部沿海中心,地理位置介于116°18′—121°57′E,30°45′—35°20′N之间,属东亚季风气候区,平均气温介于13—16℃间,年均降水量为1000 mm。江苏省地势低平,地形以平原为主,平原面积达700多万hm2,占江苏面积的70%以上。江苏省际陆地边界线3383 km,面积1072万hm2,占中国国土面积的1.12%,人均国土面积在中国各省区中最少。其中耕地面积为458万hm2,占全省土地总面积的42.72%,林地面积为179万hm2。江苏省下辖13个地级市。根据地理位置和经济发展,一般将江苏省分为苏北(徐州、连云港、淮安、盐城、宿迁)、苏中(南通、扬州、泰州)和苏南(南京、无锡、常州、苏州、镇江)。

江苏与上海、浙江共同构成的长江三角洲城市群已成为6大世界级城市群之一。《2016年江苏省国民经济和社会发展统计公报》显示,截至2016年末,江苏省的城镇化率已达到67.7%,高于全国超过10%,2016年江苏省地区生产总值达76086.2亿元,全省人均生产总值达95259元。全国省域中,江苏省人均生产总值、地区发展与民生指数均居首位,达到“中上等”发达国家水平。但是江苏省迅速的城市化进程也导致了一些问题,例如城市建设用地占用生态用地、建设用地供需矛盾突出、土地生态服务功能的减弱,这也是当前亟需解决的问题。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究数据主要采用全国生物生产性土地面积和产量,研究区人口、GDP总值、生物生产性土地面积和产量。根据数据的可获取性,本研究数据主要来源于2015年《中国新型城镇化的生态足迹影响分析》,2016年《中国统计年鉴》、《中国城市统计年鉴》、《江苏统计年鉴》以及江苏省各地级市的统计年鉴。

2.2 研究方法

2.2.1 生态足迹分析法

生态足迹分析法由加拿大生态经济学家William Rees于20世纪90年代初首次提出,随后其学生Mathis Wackernagel对生态足迹进行了完善[3-4]。生态足迹分析法在20世纪90年代末引入中国,被国内学者较多用于土地生态系统的研究[5-6]。生态足迹分析法以其容易理解、计算简便的特点,被国内外众多学者应用于生态承载力和可持续发展程度的计量中[7-8]。随着研究广度和深度的增加,学者们对传统生态足迹模型进行了各方面的改进[9-10]。近年来学者们对生态足迹的研究进展主要集中在尺度选择和方法改进2个方面：(1)时空尺度上,学者们对生态足迹的时间序列变化及未来预测进行了研究,弥补了传统生态足迹模型瞬时性的不足[11- 14],有学者提出了基于“国家公顷”、“省公顷”和“本地公顷”的改进模型[15- 18],使得生态足迹模型能够更为准确地表达中小尺度上的生态足迹盈亏情况。(2)计算方法上,学者提出基于能值和净初级生产力(NPP)的生态足迹模型[19-20],以得到能真实反映研究区消费情况的均衡因子,还有学者引入“足迹广度”和“足迹深度”两个指标构建了三维生态足迹模型[21- 23]。近来年,学者们也从空间维度对生态足迹展开了深入探索,武翠芳等利用Gini系数和Theil指数对黑河流域生态足迹的空间差异进行研究[24],李一琼等采用空间自相关方法,对广西县域生态足迹及其影响因子的空间差异进行了定量计算[25],潘洪义等通过计算成都市6年生态足迹和生态承载力,对成都市生态足迹的时间、空间动态演变及其差异性进行分析[26]。总体而言,国内外学者对生态足迹分析法的研究已经相对成熟,但是目前利用国家公顷生态足迹模型,计算研究区均衡因子和产量因子,并在此基础上对生态足迹空间分布特征及其差异原因进行分析的研究相对较少,且对生态足迹进行分析时较少关注人口、经济等社会因素的定量影响,导致计算结果无法全面、准确地反映生态环境与经济发展之间的关系。

2.2.2 国家公顷生态足迹模型

生态足迹模型能够对区域的生态足迹和生态承载力进行测算,从而评估人类活动对生态系统和环境的影响情况,对合理使用自然资源有一定指导作用。生态足迹通过计算生产性土地和水域面积及其各类产品的产量,估算某一区域人类为了维持自身生产生活而利用自然资源的量,即一定人口(人均、城市、国家等)需要多少生产性土地来生产需要的资源和吸纳产生的废物,进而评估人类的生产生活对地球生态系统和环境的影响[2,5]。生态足迹的值越高,代表人类所需的资源越多,对生态和环境的影响就越严重。

生态足迹模型分为生态足迹和生态承载力两部分。为了在国家范围内对省、市的生态足迹进行更精确的比较和计算,减少计算结果的偏差,本研究以国家公顷为计量单位,构建了以下国家公顷生态足迹和生态承载力模型[27]：

(1)

式中,EF为总生态足迹(hm2)；N为总人口数；ef为人均生态足迹(hm2/人)；i=1,2,…,6,代表6类生物生产性土地；λi为第i类生物生产性土地的均衡因子；Ai为人均第i类生物生产性土地面积(hm2/人)；j为消费项目类型；aaj为人均第j种消费项目折算的生物生产性土地(hm2/人)；cj为第j种消费品的人均年消费量(kg/人)；pj为j种消费品的平均生产能力(kg/hm2)。

生态承载力计算公式为：

(2)

式中,EC为总生态承载力,N为总人口数,ec为人均生态承载力(hm2/人),ai为人均第i类生物生产性土地面积(hm2/人),λi为第i类生物生产性土地的均衡因子；yi为产量因子。根据联合国世界环境与发展委员会在《我们共同的未来》一书中提出的,为保护生物多样性,最终生态承载力应该在均衡生态承载力的基础上扣除12%用以保护生物多样性。

生物生产性土地是生态足迹分析法为各类自然资本提供统一度量的基础[28]。生物生产性土地是指具有生物生产能力的土地或水体,在生态足迹模型中,根据生产力的大小,各种资源和能源消费项目被折算为耕地、草场、林地、水域、建筑用地和化石能源用地6种类型的生物生产性土地面积。用生物生产性土地表示自然资本的物质量,有利于计算各类土地的产量和生态足迹的总量。在生态足迹模型中,将生物生产性土地类型划分为耕地、草地、林地、水域、化石燃料用地和建筑用地6种类型。根据研究区的生产情况和数据的可获取性,对生物生产性土地的消费项目进行了划分,结果如表1。

表1 国家公顷生态足迹模型消费项目分类

将生态足迹与生态承载力进行比较,如果生态足迹大于生态承载力,则为生态赤字,即在当前技术和生产力状况下,生物生产性土地面积不足以支撑人类生产生活；若生态足迹小于生态承载力,则为生态盈余,即当前生物生产性土地面积能够支持人类生产生活。

2.2.3 均衡因子

均衡因子是全国某一类生物生产性土地与全国所有生物生产性土地生产能力的比值,表示不同土地类型之间生物生产能力的差异。均衡因子计算公式[29-30]为：

(3)

式中,λi为第i类生物生产性土地的均衡因子,pi为全国第i类生物生产性土地的平均生产力,p为全国全部生物生产性土地的平均生产力。

2.2.4 产量因子

产量因子是研究区某一类土地的生物生产能力与这类土地全国平均生产能力的比值,表示当地和全国平均实际生产能力的差异,计算公式[29-30]为：

(4)

为使计算结果更准确,在计算均衡因子和产量因子时,本研究利用能值转换率系数表[31],将生物资源和能源资源的产量均转换为能值,进而计算出均衡因子和产量因子。

2.2.5 万元GDP生态足迹

由于生态足迹模型主要对生物产量和生产性土地面积进行测算,计算过程中忽略了经济等社会因素的影响,得到的结果不能全面、准确地反映生态与环境之间的关系。万元GDP生态足迹是区域总生态足迹与万元GDP的比值,指产生每万元GDP需要的资源所占用的生物生产性土地面积,可以用来衡量资源的利用效益[32],计算公式[33]为：

EFG=EF/GDP

(5)

式中,EFG为万元GDP生态足迹,EF为区域总生态足迹,GDP为区域GDP总值,单位万元。EFG值越大,表明资源的利用效益越低,反之则表明资源利用效益高。

3 结果与分析

3.1 江苏省生态足迹测算结果

根据式3、式4,计算得到国家公顷生态足迹模型均衡因子和产量因子,计算结果如表2、表3。

表2 国家公顷生态足迹模型均衡因子

表3 国家公顷生态足迹模型产量因子

本文以江苏省为例,计算了2015年江苏省以及13个地级市的人均生态足迹和人均生态承载力,结果显示研究区的生态盈亏均呈现为生态赤字。在此基础上,对江苏省人均生态足迹、生态承载力和生态赤字的空间特征进行了研究。人均生态足迹、生态承载力和生态赤字计算结果如表4—6。

表4 研究区2015年人均生态足迹/(hm2/人)

表5 研究区2015年人均生态承载力/(hm2/人)

3.2 江苏省生态足迹空间特征

根据生态足迹和生态承载力模型的计算,2015年江苏省的人均生态足迹为1.7890 hm2/人,人均可利用生态承载力为0.2991 hm2/人,生态赤字为-1.4899 hm2/人。地级市中,常州市人均生态足迹最高为2.9317 hm2/人,宿迁市人均生态足迹最低为1.7348 hm2/人；盐城市人均可利用生态承载力最高为0.6111 hm2/人,苏州市人均可利用生态承载力最低0.0812 hm2/人；生态盈亏均表现为生态赤字,常州市人均生态赤字最高为-2.8115 hm2/人,盐城市人均生态赤字最低为-1.1503 hm2/人。

表6 研究区2015年人均生态赤字/(hm2/人)

人均生态足迹构成方面(图1),江苏省以及南京市、苏州市、无锡市、镇江市、扬州市、泰州市、南通市、徐州市的人均生态足迹中所占比例最大的均为建筑用地,建筑用地的主要消费项目为电力,可见江苏省大部分地区对电力的消耗较大；其中,南京市的人均建筑用地生态足迹占到了人均生态足迹总值的88.96%,为研究区中最高。江苏省人均化石能源用地生态足迹占比在建筑用地之后,达到28.20%；地级市中,常州市的人均化石能源用地生态足迹占比最高,为50.44%。连云港市、盐城市、宿迁市和淮安市的人均耕地生态足迹在人均生态足迹中占比最高,其中盐城市最高,为46.78%。徐州市的人均草地生态足迹比例最高,为22.06%。研究区中,水域和林地的生态足迹占比都较小。

图1 研究区2015年生态足迹构成Fig.1 Composition of ecological footprint in Jiangsu Province in 2015

空间特征上(图2),人均生态足迹和生态赤字自南向北降低,苏南地区最高,苏中地区次之,苏北地区最低；人均生态承载力自北向南降低,苏北地区最高,苏中地区次之,苏南地区最低。人均生态足迹和生态赤字的空间特征具有相对一致性,与人均生态承载力相反。与江苏省人均生态足迹相比,苏北地区5个市和泰州市、扬州市的人均生态足迹低于江苏省平均值,苏南地区5个市均高于江苏省平均值；与江苏省人均生态承载力相比,苏北和苏中地区8个市的人均生态承载力均高于江苏省平均值,苏南地区5个市均低于江苏省平均值；与江苏省人均生态赤字相比,苏北和苏中地区8个市的人均生态赤字均低于江苏省平均值,苏南地区5个市均高于江苏省平均值。

图2 研究区2015年人均生态足迹、生态承载力和生态赤字空间特征
Fig.2 Spatial characteristics of ecological footprint, ecological carrying capacity and ecological defict of Jiangsu Province in 2015

3.3 江苏省万元GDP生态足迹测算结果

根据式5,计算出2015年江苏省及13个地级市的万元GDP生态足迹,测算结果如表7所示。

表7 研究区2015年万元GDP生态足迹/(hm2/万元)

由测算结果可知,江苏省整体万元GDP生态足迹为0.2033 hm2/万元,无锡市、镇江市、苏州市和扬州市的万元GDP生态足迹低于江苏省值,表明这4个城市的资源利用效益高于全省平均水平,而其他城市资源利用效益相对较低。

图3为研究区人均GDP与万元GDP生态足迹趋势对比图。由图3可知,万元GDP生态足迹整体上与人均GDP成反比。苏南地区人均GDP均高于江苏省平均值,而其中人均GDP较高的无锡市、镇江市和苏州市,万元GDP生态足迹低于江苏省平均值；苏北地区5个地级市人均GDP较低,但是万元GDP生态足迹均高于苏中和苏南地区。

图3 研究区2015年人均GDP、万元GDP生态足迹Fig.3 Per capita GDP and ten thousand yuan GDP ecological footprint of Jiangsu Province in 2015

上述结果表明,江苏省城市化进程对自然资源的消耗量远大于自然资源的供给量,对生态环境造成较大的压力,影响生态经济的可持续发展能力。人均生态足迹构成上,江苏省和苏中、苏南地区人均生态足迹中,人均建筑用地生态足迹和化石能源用地生态足迹占较大比重,即电力和能源消耗较多；苏北地区人均生态足迹贡献大的是人均草地生态足迹和耕地生态足迹,即粮食和畜牧产品的消耗较大。人均生态足迹空间分布上,人均生态足迹和生态赤字在空间上的分布一致,呈现出南高北低的特征,而人均生态承载力则相反,呈现北高南低的分布特征。由此可见,人均生态足迹的空间分布与地区人均地区生产总值分布呈正相关：人均地区生产总值较高的苏南地区,人均生态足迹也相对较高,且均高于江苏省平均水平；人均地区生产总值低于江苏省平均水平的苏北地区,人均生态足迹也低于江苏省平均值。万元GDP生态足迹测算结果显示,苏南地区万元GDP生态足迹值低,表明苏南地区资源利用效益较高,资源利用方式较为集中；苏北地区万元GDP生态足迹较高,说明资源利用效益低。

4 结论与建议

基于以上分析判断,本研究主要结论和政策建议如下：

第一,实证结果显示,2015年江苏省人均生态足迹为1.7890 hm2/人,人均可利用生态承载力为0.2991 hm2/人,生态赤字为-1.4899 hm2/人,万元GDP生态足迹为0.2033 hm2/万元。地级市中,常州市人均生态足迹最高为2.9317 hm2/人,宿迁市人均生态足迹最低为1.7348 hm2/人；盐城市人均可利用生态承载力最高为0.6111 hm2/人,苏州市人均可利用生态承载力最低为0.0812 hm2/人；常州市人均生态赤字最高为-2.8115 hm2/人,盐城市人均生态赤字最低为-1.1503 hm2/人；宿迁市万元GDP生态足迹最高为0.3956 hm2/万元,无锡市万元GDP生态足迹最低为0.1651 hm2/万元。苏南地区人类活动对自然资源的需求已经远超出生态环境的承载力,但是资源利用方式较为集中高效；苏北地区人类活动需求对生态承载力压力较小,但是资源利用效益低,也会对生态经济的可持续发展造成影响。

第二,空间特征发现,江苏省和苏南、苏中地区人均建筑用地生态足迹和化石能源用地生态足迹所占比例较大,苏北地区人均耕地生态足迹和草地生态足迹所占比例较大；人均生态足迹和生态赤字在空间上的分布一致,呈现出南高北低的特征,而人均生态承载力则相反,呈现北高南低分布特征；万元GDP生态足迹在空间上分布呈北高南低的特征,总体上与人均地区生产总值成反比。

第三,政策调控建议,江苏省应当协调社会经济与生态环境共同发展,加大生态文明建设投入,建立合理的生态足迹调控机制,提高生态承载力,控制并降低生态赤字；统筹苏北、苏中、苏南地区的经济和生态均衡发展,转变苏北地区资源利用方式,提高资源利用效益,促进生态经济可持续发展,控制、减少苏南地区城市建设造成的环境问题,从而扭转生态足迹和生态赤字过高的严峻态势。另外,要尽快落实以及完善生态环境保护制度体系,加快生态红线的划定和协调,坚持可持续发展之路,从而保障我国生态安全。