基于三维生态足迹的重庆市自然资本利用动态分析

何逸帆，杨庆媛,b*， 张忠训

(西南大学a.地理科学学院，b. 绿色低碳研究所，重庆 400715)

0 引言

2015年9月中央政府颁布的《生态文明体制改革总体方案》强调，要树立“自然价值和自然资本的理念，自然生态是有价值的，保护自然就是增值自然价值和自然资本的过程”。党的十九大报告指出，“绿水青山就是金山银山”的理念必须贯彻实行，才能形成有效的生态环境保护制度、绿色发展方式和生活方式。区域绿色发展最核心的议题之一是促进自然资本增值，因此，自然价值和自然资本的定量化研究就成为了当前可持续发展定量研究的热点问题。

自然资本的概念，源于可持续发展思想。英国环境经济学家皮尔斯和特纳在1990年出版的《自然资源与环境经济学》中，首次提出自然资本这一概念，但没有给予明确的定义。目前，学术界关于自然资本比较公认的定义，指在一定的时空条件下，能从中获得促进生计的资源流及服务的自然资源存量(例如土地和水)以及环境服务(例如水循环)，不仅包括为人类所利用的水资源、矿物、木材等资源，还包括森林、草原、沼泽等生态系统及生物多样性。自然资本与人造资本、人力资本和社会资本并称四大资本，而其中，自然资本是人类发展的首要影响因素[1]。

自然资本是对经济学中资本含义的拓展。从自然资源到自然资产、再到自然资本，体现出人类对自然资源的认识从单纯的资源属性，到兼具资产属性和资本属性不断发展衍变的过程。自然资源的资源属性，主要表现在为社会经济发展提供物质基础和空间载体的自然功能与环境属性，更加注重资源的合理配置与有效利用；自然资产属性派生于资源属性，表现为产权关系与经济价值属性，更加强调产权关系的厘清和价值属性的显化；自然资本属性又派生于资产属性，表现为流通功能与增值属性，更加强调通过市场的价值发现促进资本增值。因此，研究自然资本的增值，需要从整体、系统的视角，统筹考虑其资源属性与资产属性。从某种意义上讲，资源的高效配置、合理利用与资产量化确权，都是为了更好地实现资本增值，更好地促进自然资本可持续利用。同时，只有促进城乡自然资源向自然资产、自然资产向自然资本转化，并加快自然资本增值，才能为城市提升、乡村振兴提供更充足的发展动能。

在众多可持续发展的定量化研究中，应用最为广泛的为生态足迹模型。生态足迹(Ecological Footprint)概念最初由Ree[2]提出，后由Wackernagel等[3]人完善。当前，生态足迹模型的应用日益广泛，如基于改进的生态足迹模型研究省域水生态足迹[4]；以县域为单位构建生态供需平衡指数研究生态足迹[5]；基于传统生态足迹模型、改进生态足迹模型和EF-NPP模型，测算、分析了2006—2013年四川省耕地生态赤字等的变化趋势，评价了四川省耕地资源利用状况[6]；将生态足迹模型运用于省域生态安全分析、评价及预测[7]以及将世界不同国家的可持续性发展划分为若干典型形态[8]，并研究了澳大利亚近75年的土地利用需求[9]。然而，以上生态足迹模型的运用仅涉及生态足迹和生态承载力2个维度，关注的重点在自然资本流量[10]，而自然资本存量对全球生态系统平衡的关键性作用尚未体现出来。因此，Niccolucci等[11-12]人尝试构建生态足迹三维模型，以展示人类对于自然资本流量和存量的利用水平，方恺等[13-14]对该三维模型加以改进和优化，定量研究区域内资本流量占用和资本存量消耗情况，以便为区域可持续发展提供科学的理论参考和决策依据。当前，在明确三维生态足迹模型的概念、计算方法和主要优势的基础上，不断对该模型进行改善，并将其应用于自然资本和生态承载力的核算领域[15]，如基于改进的三维生态足迹模型，引入生态承载力供需平衡指数，定量评价了2014年泉州市各县域生态承载力供需平衡状况[16]；运用扩展后的三维生态足迹模型计算了2000—2012年间温州市的生态足迹、足迹深度、生态赤字(盈余)[17]；在对水资源进行流量资本和存量资本区分的基础上，运用三维生态足迹方法测算分析了中国31个省市1997—2014年的水生态足迹广度与深度[18]，生态脆弱区榆林三维生态足迹动态变化及其驱动因素[19]，评估了2000—2015年九龙江流域人均足迹广度、人均足迹深度及三维生态足迹，并对不同地类之间的差异进行了详细分析[20]。以上基于三维生态足迹的研究从不同尺度和不同区域分析了自然资本的利用状况，为生态文明建设任务繁重生态脆弱地区自然资本的测算及利用状况分析提供了理论及方法指导。

2016年1月，习近平总书记视察重庆时，明确指示“重庆具有好山好水的自然基础……推动城乡自然资本加快增值，使重庆成为山清水秀美丽之地。”重庆是一个集大城市、大农村、大库区、大山区于一体的直辖市，是长江三峡库区腹地，也是长江经济带的重要结点和重要的生态屏障区域，其自然生态和自然资本有其特殊性，自然资本增值的路径也更加多元。本研究采用三维生态足迹模型，通过对重庆市2000—2015年的足迹广度、足迹深度以及三维生态足迹核算与对比，分析自然资本的利用变化特点，探讨自然资本利用过程中存在的问题，以期为重庆市绿色发展和生态文明建设的相关决策提供依据。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区自然资源概况

重庆是中国中西部唯一的直辖市，地处西南，位处“一带一路”和长江经济带联结点的特殊区位。位于东经105°17′～110°11′、北纬28°10′～32°13′，东西横跨475.61 km，南北纵贯447.93 km，幅员面积8.24×104km2。全市辖38个区县，2017年GDP达到1.95×104亿元，户籍人口3 390万人，常住人口3 075万人，常住人口城镇化率64%。

重庆市土地总面积82 374.09 km2，共划定生态保护红线管控面积2.04×104km2，占全市幅员面积的24.82%。截至2017年，全市耕地面积23 695.23 km2，其中，水田占9 592.50 km2，旱地占14 094.77 km2，水浇地占7.96 km2；人均耕地约700 m2，远低于全国平均水平(73.33 m2)；全市划定永久基本农田1.62×104km2，占耕地保有量1.91×104km2的84.79%。矿产资源种类较为齐全，特色明显，呈现油气资源丰富、非金属矿多、金属矿少的特征，主要优势矿产为页岩气、天然气、煤层气、地热、锰、铝土矿、锶、毒重石、岩盐等，分带明显，分布相对集中。水资源丰富，2016年全市水资源总量为604.87×108m3，折合径流深734.10 mm。地表水资源量为604.87×108m3，地下水资源量112.26亿m3，重复计算量112.26×108m3，平均产水系数0.59，产水模数73.41×104m3·km-2；全市林地面积446.61×104hm2，森林面积374.07×104hm2，森林覆盖率45.40%，林木蓄积20 533.90×104m3。

独特的自然资源禀赋及区位条件，以及近年来国家“统筹城乡综合配套改革”、“生态文明建设”、“乡村振兴战略”等系列制度政策的出台，特别是习近平总书记对重庆的“两点”定位(西部大开发的重要战略支点，“一带一路”和长江经济带的联接点)和“两地”(内陆开放高地，山清水秀美丽之地)、“两高”(推动高质量发展，创造高品质生活)目标要求，将引领重庆市在加强生态保护与建设的同时，科学合理利用自然资源，自然资本存在较大的增值潜力。

1.2 数据来源

本研究涉及的自然资源消费数据主要由生物资源消费数据和能源消费数据组成，区域内主要生物资源包括农产品(如粮食、蔬菜等)、林产品(如茶叶、瓜果)、畜产品(如鲜奶、牛羊肉等)、水产品的产量，计算时将生物消费转化为提供该消费所需要的生物生产性土地面积；能源主要包括煤炭、油料、天然气、电力，计算时以单位化石燃料生产性土地面积的平均发热量为标准，将能源消费所消耗的热量转化为化石燃料用地面积(其中电力消费转化为建筑用地面积)。以上数据皆来源于《重庆市统计年鉴》(2000—2016年)、重庆市土地利用现状变更调查(2000—2016年)、世界粮农组织(FAO)、《中国农村统计年鉴》(2000—2016年)、《国际统计年鉴》(2000—2016年)。计算过程中的生物生产性土地产量因子和生物生产性土地均衡因子采用国际通用的指标[21]。另外，在计算化石能源用地的生态承载力时，因土地分类中没有化石能源用地，因此用0代替[22]，但在计算存量流量利用比和资本流量占用率的时候，考虑到森林用地是最主要的固碳用地[23-24]，因此采用林地生态承载力代替。

2 研究方法

2.1 传统的二维生态足迹模型

生态足迹法是可持续性定量研究的一种重要方法，传统二维生态足迹模型由生态承载力和生态赤字相加得到[25]。

生态承载力(Ecological Carrying Capacity)是指一个区域内自然生态系统所能提供给人类生存和发展所需资源的生物生产性土地的面积总和[26]。根据“世界环境与发展委员会”(WCED)在《我们共同的未来》的报告中提出的建议：留出12%的生物生产性土地面积以保护生物的多样性。因而在一个地区实际人均生态承载力的计算中，要减去12%的生物多样性保护面积。因此其计算公式为：

BC=bc×N

(1)

式(1)中：BC是指该地区总的生态承载力，bc为该地区的人均生态承载力，N为区域人口总量，其中

(2)

式(2)中：rk表示实际人均占有第k类生物生产性土地面积，ek表示第k种生物生产性土地均衡因子，yk表示第k种生物生产性土地产量因子。

生态赤字(Ecological Deficit)是用来判断区域内人类的生态需求是否处在区域生态供给范围之内的指标[27]，其数值为生态足迹与生态承载力之差，当差值为正时，表明处于生态盈余，该地区的人类生产活动在生态承载能力范围之内，生态系统处于安全状态；如果差值为负，则表明其处于生态赤字状态，此时区域内生态承载力已经不能担负人类生产活动，生态系统存在危机。

二维生态足迹模型计算公式[28]为：

(3)

式(3)中：ED表示生态赤字/盈余(hm2)，EF表示总生态足迹(hm2)，BC表示生态承载力(hm2)，N表示区域人口数量，ef表示人均生态足迹，bc表示人均生态承载力。k表示生物生产性土地(k=1，2，3…，6)，i表示消费品类别(i=1，2，3，…，n)，ci表示第i种消费品资源人均产量，pi表示第i种消费品资源的世界平均产量。

2.2 三维生态足迹模型及其改进

2.2.1 三维生态足迹模型

三维生态足迹模型即是在二维生态足迹模型的基础上引入足迹深度和足迹广度来测算生态足迹总量，该2个方面的指标引入不仅克服了传统模型对资本存量重视不足的缺陷[21]，也增强了对不同时期和区域之间生态承载能力的可比性，具体公式如下：

EF=EFdepth×EFsize

(4)

式(4)中：EFdepth为足迹深度，具有时间属性，代表人类对于自然资本存量的消耗程度，其含义包括人类一年中消费的资源量需要多少年才能再生，需要多少土地面积才能满足资源消费量。计算公式为：

(5)

式(5)中：EFsize为足迹广度，具有空间属性，代表人类对于自然资本流量的占用程度，指区域生物承载力范围内实际占用的生物生产性土地面积。足迹广度取值范围为：

0

(6)

2.2.2 模型改进

对于单一的地类而言，生态足迹等于生态承载力和生态赤字相加之和，但一个地区通常有多种土地类型，不同土地类型的生态赤字和生态盈余相互重叠会导致最终计算所得足迹深度偏小，足迹广度偏大。因此，一个区域的生态赤字计算需要基于详细的各地类生态赤字，改进的三维生态足迹模型[14]计算公式为：

EDregion=∑inEDi=∑inmax{EFi-BCi,0}

(7)

因此可以推算出区域足迹深度公式为：

(8)

Hicks在经济学理论[29]中提出，生物圈中生态承载力为自然资本流量的上限，根据以往研究得出的定义，各地类生态足迹和生态承载力中的较小值之和[15]为足迹广度。计算公式为：

EFdepth，region=∑inmin{EFi-BCi,0}

(9)

2.3 模型补充

2.3.1 自然资本存量流量利用比

存量流量利用比表明，当自然资本流量耗尽时，生态处于赤字状态，此时开始动用存量资本，存量与流量在自然资本中的比例计算公式为[15]：

(10)

2.3.2 自然资本流量占用率

资本流量占用率表明仍有剩余资本流量时，生态处于盈余状态，人类活动对于资本流量的实际占用程度的计算公式为[14]：

(11)

3 结果与分析

3.1 重庆市生态足迹、生态承载力与生态赤字变化

图 1 2000—2015年重庆市人均生态足迹、人均生态承载力、人均生态赤字变化曲线Figure 1 Changing curves of per capita ecological footprint, per capita ecological carrying capacity and per capita ecological deficit in Chongqing from 2000 to 2015

根据上述计算模型，将人均生态足迹、人均生态承载力、人均生态赤字绘制成折线图(图1)，从图1中可以看到，随着年份的增加，人均承载力受耕地承载力影响提升幅度较小，但人均生态足迹却在剧增，导致人均赤字随之增大，二者变化趋势十分相似。2000—2015年重庆市人均生态足迹呈上升趋势，15年来一共增长了0.953 hm2，涨幅为128%，提升了一倍多。六大主要地类中，耕地生态足迹变化不大，水域生态足迹虽然相比较总生态足迹增长不多，但涨幅相比2000年提高了3倍，除耕地和水域外其他地类生态足迹上升都较为明显，林地、草地、建筑用地和化石燃料用地分别增加了0.035 2 hm2、0.034 0 hm2、0.006 6 hm2和0.862 8 hm2，其中化石燃料用地增加量最大，说明这十几年来重庆市对化石能源利用量巨大。

重庆市人均生态承载力在2000—2015年间变化幅度不大，分地类来看，2000—2015年间人均耕地承载力变化幅度不大，从2000年的0.669 3 hm2上涨到2002年的0.713 2 hm2，2013年略微有所下降，2004年和2005年有所回升，2005到2015年呈先下降后上升趋势。林地、草地、水域和建筑用地的人均生态承载力从2000年的0.010 6 hm2、0.003 2 hm2、0.000 4 hm2和0.006 hm2上涨到2015年的0.039 6 hm2、0.010 9 hm2、0.001 5 hm2和0.021 3 hm2，涨幅分别为273.58%、240.63%、275%和255%。综上可见，人均生态承载力主要由耕地承载力构成，其他地类承载力对生态承载力影响小，人均生态承载力变化最主要原因是耕地承载力变化导致。

2000年至2015年重庆市生态赤字呈逐年上升趋势，从0.054 7 hm2增长到了0.918 3 hm2，增长15倍之多，其中林地、草地和化石燃料用地处于赤字状态，而且生态赤字每年都在增加，而耕地和建筑用地则呈现生态盈余状态，水域则趋于一种生态平衡状态。

3.2 重庆市生态足迹深度与足迹广度变化

图 2 2000—2015年重庆市足迹深度和足迹广度动态变化Figure 2 Dynamic changes of footprint depth and footprint breadth in Chongqing from 2000 to 2015

足迹深度代表人类对于自然资本存量的消耗程度，数值越大消耗越多，重庆市2000—2015年区域足迹深度呈递增趋势，变动区间为1.469 5至2.565(图2)，表明重庆市依靠流量资本占用对于不断扩大的资源消费需求已无法满足，并长期处于生态赤字阶段，维持自身发展需消耗大量存量资本。2015年区域足迹深度达到2.565，表明需要2.565倍的现有区域土地面积才能满足区域发展需求。生态赤字的现象愈演愈烈，阻碍流量资本的可再生性最主要是由存量资本的严重消耗引起的。

足迹广度是对一个地区自然资本流动性的反映。足迹广度面积大的区域通常具有一定的资源禀赋，在某种程度上，反映了流量资本的数量和较大的生态容量。2000—2015年区域足迹广度呈现出阶段性变化的特点，2000—2001年足迹广度跌减3%，2001—2002年增涨9%，2002—2004年足迹广度先降后升，随后的一年内稳定在0.454 9 hm2左右，2005—2010，2010—2013年分别呈凹型变化趋势，2013—2015年变化幅度不大，稳定在0.483 5 hm2到0.478 2 hm2，并且在2014年达到最高值0.485 0 hm2，说明此时自然资本的占用达到阈值，区域内的土地、人口等将会是制约区域发展的决定性因素(图2)。

3.3 重庆市资本流量占用率与存量流量利用比变化

根据公式计算得到各地类的资本流量占用率和存量流量利用比(表1)，其中，生态足迹大于生态承载力的地类开始动用存量资本，表1中用存量流量利用比表示，生态足迹小于生态承载力的地类处于生态盈余状态，资本流量还有剩余，表中用资本流量占用率表示。从表1可以看出，2000—2015年，存量流量利用比超过1，表明资源需求不再由自然资本流量去满足，而被存量资本所取代，存量资本是经济发展的主要推动力。从2010年开始，随着生态赤字的加大，存量流量利用比年均增长6.4%，到2015年一共增长96.4%，2015年自然资本存量消耗超出自然资本流量占用2倍之多。由此可见，大幅消耗资本存量已成为重庆市发展的常态，能源利用效率低下、环境污染等问题接踵而至。从各地类来看，林地存量流量利用比由0.085增加至0.179，共计增长110.6%；草地存量流量利用比由5.125减少至3.917，共计减少23.6%；水域和化石燃料用地存量流量利用比处于稳定状态；耕地和建筑用地并未启用资本存量，其中耕地的资本流量占用率保持不变，建筑用地资本流量占用率在不断下降，由53.33%减少至46.01%。

可以看出，林地、草地、化石燃料用地资本存量的消耗是区域资本存量消耗的主要原因，其中林地存量流量利用虽然不大，但仍然不能满足区域发展的需要，资本存量消耗逐渐增加；化石能源用地的消耗量过大，加快了资本存量消耗的速度。

3.4 三维生态足迹与二维生态足迹对比分析

三维生态足迹与二维生态足迹相比较差别并不大(图3)，总体上，三维生态足迹较之二维生态足迹而言会在数值上略低，但得出的结论更佳：从模型理论和指数内涵分析，生态赤字可被解析成足迹深度以及足迹广度，分别表征时间维度和空间维度，反映了前者对生态持续性的显著影响。与传统二维模型相比，实现了对自然资本存量和流量的分类测度，完善了生态足迹的方法以及经济学内涵，并可以用足够的信息分析生态可持续性的结构和质量差异，不仅强调土地资源的空间稀缺性，更加注重资源消耗与资源再生之间的关系；客观上，在自然资本利用格局方面，三维足迹指标评价比二维评价更能显示该区域资本分配导向、资源聚集以及经济发展程度，提高各个地区和不同时期之间结果的可比性。因此，三维生态足迹模型更能直观地表现出资源消耗与供给之间的矛盾。

4 结论与讨论

本研究在二维生态足迹模型的基础上，运用三维生态足迹模型计算重庆市各类自然资源的生态足迹，将存量和流量资本的测度扩宽到区域具体的地类层级，从而减少了生态赤字与生态盈余相互抵消的误差状况，关注重庆市因资源消费引起的供需矛盾。研究得出以下结论：

表 1 2000—2015年重庆市资本流量占用率与存量流量利用比Table 1 Capital flow occupancy ratio and stock flow utilization ratio in Chongqing from 2000 to 2015

图 3 2000—2015年重庆市二维生态足迹及三维生态足迹变化 Figure 3 Changes of two-dimensional ecological footprint and three-dimensional ecological footprint in Chongqing from 2000 to 2015

1)重庆市2000—2015年期间生态足迹大幅度上升，共增长0.953 hm2，主要原因是化石燃料用地生态足迹占总生态足迹比重最大，化石燃料的过度使用导致生态足迹增幅最为明显，因此生态赤字大幅上升，15年增长了0.863 6 hm2，高达15倍之多，其中处于生态赤字的有林地、草地以及化石燃料用地，处于生态盈余的有耕地和建筑用地。

2)足迹深度受到生态赤字影响，2000—2015年由于生态赤字加剧使得足迹深度从1.469 5上升至2.565，而足迹广度则有起伏，由2000年的0.420 5 hm2上升到2015年的0.478 2 hm2，可以看出重庆市自然资本流动性，资源禀赋优势无法体现。经济的快速增长主要基于大量能源消耗，能源利用效率低，高能耗和低产出的经济发展方式还没有得到改变。

3)从2000年开始，重庆市的总存量流量利用比已超过1，到2015年资本存量消耗量已接近资本流量占用量的2.18倍，其中耕地、建筑用地资本流量还有富余，系统仍处于盈余状态，不需要动用存量资本；而林地、草地、化石燃料用地则需要动用存量资本，尤其是化石燃料用地，近年来工业化发展过快导致了大量二氧化碳的排放，化石能源用地存量流量利用比高达30，即便是所有林地都用来吸收二氧化碳，仍然不足以抵消区域的碳排放量。

通过重庆的案例分析表明，为促进重庆市区域生态可持续发展，需要尽可能加大耕地资源保护力度，从改善耕地质量和稳定耕地面积出发，发展优质生态农业，稳固现代化农业发展基础；并不断调整和优化产业结构，推动产业结构转型，降低生态足迹，提高生态承载力，缓解生态赤字，减少重庆市发展对资源的需求和消耗。除此之外，应结合乡村振兴战略实施建立起与生态环境承载力相适应的现代化农业产业经营体系，协调好城市工业化发展与耕地草地退化之间的矛盾，减少化石能源消费量并优化能源消费结构以减小足迹深度，使得各个地区健康合理的发展以及经济的增长建立在低能耗基础上，并通过生态补偿等措施来引导资本流量的增加、资本存量消耗的减少，提高自然资本的流动性和盈利能力，减少存量资本消耗来促进重庆市持续发展。

本研究中三维生态足迹模型是对二维生态足迹模型的继承与创新，三维生态足迹模型为研究某一特定区域自然资本动态变化、不同区域间自然资本差异比较具有较好的适用性。白婷[30]曾在2017年发表的《基于改进生态足迹模型的重庆市可持续发展能力研究》中用三维生态足迹对重庆市可持续发展进行了评估，其中重点探讨了二维和三维生态足迹对可持续发展的影响区分，并引进了方恺在2013年发表的《生态足迹深度和广度：构建三维模型的新指标》中所提出的足迹深度和足迹广度2个概念，以此深化对生态足迹的计算，本研究在此基础上做出了改进，研究了不同区域间足迹深度和足迹广度的相互作用影响，细化了存量流量等概念，并对其利用比和占用率做出了分类，更能挖掘出产业结构与自然资本需求间的平衡点。与此同时，研究依旧存在一些缺陷，在与方恺等人的文章做比较时发现，主要问题为(1)未能从更细致的区县层面分析自然资本利用动态，重庆市主城区和周边区县的自然资本利用动态无疑是有较大区别的，还需要将不同区域之间差别带来的自然资本流动的因素加以考虑，并进一步揭示出自然资本流量和存量之间的转移机制；(2)在研究重庆市自然资本利用动态时，还缺少剪刀差，变化率，以及GDP等相关概念的分析，导致了内容较为空洞，不够饱满；(3)对于重庆市自然资本利用动态可以用马尔科夫模型做一个时空上的演变研究，以此来充实内容并且在未来的展望上可以做出一个预测。此外，以后研究中若能得出一个区域存量资本消耗的定量估算模型，无疑将更好地促进区域可持续发展的定量化研究。