淮南市2001-2015年可持续发展研究——基于改进的生态足迹模型

许昱堃，陈广洲，尤朝辉，焦利锋，李长城

(安徽建筑大学 环境与能源工程学院，合肥 230601)

0 引言

生态足迹(Ecological Footprint，EF)能够揭示人类对自然生态服务的需求，并表明人类如何使用生态资产，同时能在多少程度上保护这些资产[1]。生态足迹是由加拿大生态经济学家William Rees教授于1992年在《国家生态足迹》中提出，并与其博士生Wackernagel于1993年研究出具体的计算方法，计算了52个国家的生态足迹，随后作出一定的改进[2，3]，对全球的可持续发展起到了很大的影响。“生态足迹模型”于1999年引入国内，之后很多学者运用生态足迹模型对不同区域空间进行了大量的生态足迹计算分析研究，并对该模型进行了一些改进。不同区域和领域上的应用研究有:省域[4]、城市[5]、县域[6]、矿业区[7]、城市交通[8]等。经过学者改进后的研究方法也逐渐增多[9，10，11]。

尽管改进的方法和角度不同，但在一定的区域、空间、时间条件下，该地区生态足迹与生态承载力之间的实际比例应是客观不变的[12]。另外，由《地球生命力报告-中国2015》[13]可知，在中国不同地区的生态承载力是不均一的。鉴于不同地区之间存在差异，因此，本文所采取的均衡因子、产量因子细化至安徽省[14，15]，采用该区域性因子在一定程度上可以提高计算结果的准确性与适用性，有利于进一步准确分析淮南市的生态足迹变化状况。

1 生态足迹模型

生态足迹是基于一个基本的理论假设和两个基本的事实。一个假设是指“空间互斥性”假设，以保证该模型的可行性。其中一个基本事实是，能够量化人类消耗的绝大多数资源，以及随之产生的废弃物数量；另一个是，以上所指资源和废弃物的数量可再次转化为生态生产性土地面积，而生态生产性土地是指能够提供人类所需资源或吸收人类排放产物的土地[16]。生态足迹计算公式为:

其中，EF为区域总的生态足迹，N为区域总人口数，ef是人均生态足迹。α是均衡因子，ai为第i种消费产品转化得到的生态生产性面积，i为消费类型。pi为第i种消费产品的年均生产能力，ci则是i种消费产品的人均年消费数量。

1.1 生态足迹需求(EF)计算

按上述方法进行计算各土地类型的生态足迹分量，并对各生态足迹分量进行标准化，而后相加，得到此次研究区域的生态足迹:

式中，k=1,2,3,4,5,6分别表示六种土地类型；γk是第k类生产性土地的均衡因子；n为该地区由第k类土地生产的生物质的种类数量；Pki、Yki分别是由第k类土地生产的第i种生物质的年总产量与全球平均生产力；γe是化石能源地的均衡因子；j=1,2,...,9依次代表化石能源中九种主要的消费项目；Cj、Yj分别表示第j种能源的年消费量和世界平均生产力；γb、Ab分别表示建筑类土地的均衡因子和年需求量。

1.2 生态足迹供给(EC)计算

生态足迹供给又称生态承载力(Ecological carrying capacity):

式中，ri为均衡因子。aj表示第j类生态生产性土地的人均真实面积。yj表示产量因子。

最后所得到的可利用生态承载力，应在均衡生态承载力的基础上，再扣除12%的生物多样性保护面积。

1.3 GDP生态足迹(GE)计算

GDP生态足迹(Ecological Footprint of GDP)反映的是生态足迹的经济效益即资源的利用效率。GDP生态足迹的值越大，表明生态资源的利用效率越低；反之资源的利用效率则越高。计算公式为:

1.4 生态赤字/盈余(ED)计算

当一个地区的生态足迹(EF)大于其生态承载力(EC)，即ED(Ecological Deficit)＞ 0时，则出现生态赤字，表明该地区自然生态系统承受压力较大，生态足迹的供给不足，不利于经济可持续性发展。反之则为生态盈余，经济发展具有可持续性。计算公式为:

1.5 生态可持续发展指数(ESI)

生态可持续发展指数(Ecological Sustainability Index)是对一个特定区域其生态可持续利用程度的判定指标[17，18]。计算公式为:

该指数的阈值是从0至1，中点为可持续与否的临界处，并划分为六个等级以确定区域可持续发展的程度，具体见表9。

2 淮南市生态足迹计算与分析

2.1 淮南市概况

淮南市位于安徽中北部，依矿建市，是中国能源之都、华东工业粮仓、安徽省重要的工业城市。截止2015年末，淮南市面积为2597 km2，常住人口为239.7万人。淮南位于沿海、中原和西部地区梯度发展的网络节点上，具有承东启西、贯通南北、联络沿海、发展中原的功能和区位特性。

作为以煤而建的城市，煤炭产业在其经济发展中具有重要的地位，是全国大型的煤炭基地，也是煤电、化工基地。但长期以来，过度地依赖煤炭产业给其可持续发展带来重要影响，从2012年起，随着煤炭行业的波动以及城镇化的推进[19，20]，淮南市的经济社会发展受到了一定的影响。因此，采用生态足迹方法衡量其可持续发展水平具有一定的实际意义和应用价值。

2.2 数据来源

以淮南市2001-2015年为研究时间段，计算出淮南市各年份的生态足迹和生态承载力。生态足迹由生物资源消费和能源消费构成。生物资源数据、能源消费数据和各类土地面积数据均来自于历年《淮南市城市总体规划(2010-2020》[21]、《淮南市统计年鉴》[22]、《淮南市人民政府工作报告》等。鉴于未能获得研究区生物资源的实际消费数据(本地生产量+输入量-输出量)，本文采用该区的生物资源生产数据进行计算，均衡因子、产量因子分别采用全球平均产量因子和安徽省的区域性产量因子两种方法，并对两种结果进行对比分析；能源部分计算采用的系数是全球平均能源足迹、折算系数[23，24]。

2.3 参数修正

由于各个地区或国家的生产水平不同，因而各地区的产量因子也具有较大的差异[25，26]；淮南市作为煤炭资源型城市，采煤带来的生态环境污染以及土地退化等对本地生产力的影响程度将更加突出。因此在采用国际通用的参数计算时，又与基于NPP计算的均衡因子和产量因子为参数所计算的结果进行了对比分析(各参数见表1)。

表1 产量因子和均衡因子

2.3.1 均衡因子

基于NPP计算的均衡因子反映了不同生态系统在自然或人为干扰条件下的现实生物量，更体现了在满足食物生产和原料供给之外的生态价值，如:气候调节，水土涵养，生物多样性保护，养分循环，废物吸收等。不同类型土地的生产力会存在差异，故应赋予各类型土地对应的均衡因子，使之标准化。

2.3.2 产量因子

中国幅员辽阔，不同省份区域分布具有不同的气候、地形特征。不同生态系统的生产力具有较大的差异，陆地平均净初级生产力也随之不同。不同地区6类生物生产性土地的相对生产力各不相同，因而它们的产量因子也各不相同[27，28]。为使其结果可以进行比较，分别赋予各类型的生态生产性土地相对应的产量因子。

2.4 计算结果

采用以上计算方法和步骤，对淮南市2001年至2015年的生态足迹进行计算和汇总。同时为了反映资源的利用效率，结合资源投入和产出来考虑生态效率，本文根据公式和参数计算了淮南市不同年份的(万元)GDP生态足迹(见表2、表3)。

2.5 结果分析

由表2和表3可知，采用不同的因子参数，计算结果具有一定的差异；但对比两种计算结果，表明变化总体趋势是一致的。而表2中的基于EFNPP方法所获得的数据变化较为灵敏、稳定，实际参考价值高于表2中的数据。

2.5.1 淮南市生态足迹(EF)分析

图1显示了15年来淮南市生态足迹的变化情况。由图1可得，人均生态生物足迹略有波动，基本保持稳定；人均能源生态足迹占总生态足迹的比例较大，且变化趋势较为剧烈。该市人均生态足迹总体表现为迅速增长趋势，平均每年增长速率达0.30 hm2/人。从阶段划分来看，2001年至2007年，本市的人均生态足迹状态处于平稳期。随着社会、经济等方面的快速发展，2008年至2014年表现为快速增长期，2014年达到生态需求的高峰值:7.51 hm2/人。

根据《淮南市矿产资源总体规划(2008-2015年)》[29]，2008年淮南市已形成了以煤炭资源为依托，以煤炭电力化工为产业支柱，其它多种工业综合协调发展的经济体系，成为华东地区重要的煤电基地和安徽省重要的煤化工基地。2008年末的主要因素是其能源足迹中原煤的消耗量由2007年约1 951.34万吨增长到2008年约2 909.14万吨。其中以煤炭火力发电为主要耗能，2009年淮南市建设用地生态足迹中的电力与热力需求增长约1.5倍，该高消费状态持续至2015年末。

淮南市人均能源生态足迹于2012年、2013年出现回落趋势，而2014年突然增加，增长速率高达36.17%，主要是由化石能源消费增长引起的；2015年又开始下降，主要原因是:原煤消费量降低6.45%以及电力和热力消费量减少了7.99%。而从人均生态足迹的组成来看，2015年林地所占生态需求比例约为0.3%，比例虽低但处于上升阶段。与此同时，淮南市也采取了一定措施，例如加强生态环境保护、进行矿山生态环境修复等，这相应增加了生产性土地的面积。

化石能源足迹在近15年生态足迹中所占比例维持在80%左右，这主要是因为淮南市是煤炭型城市以及电力输出区域。若要减少生态足迹，那么降低化石能源足迹是重中之重。而作为煤矿资源型城市，淮南市面临着资源型城市转型的问题。

表2 淮南市2001年-2015年生态足迹结果汇总(国际常用均衡因子和产量因子(中国))

表3 淮南市2001年-2015年生态足迹汇总(即基于NPP的均衡因子和产量因子(安徽省)计算结果)

图1 淮南市2001-2015年生态足迹变化趋势

2.5.2 淮南市生态承载力(EC)分析

从图2中可以看出，淮南市2001年至2009年的可利用生态承载力处于0.096 hm2/人降至0.077 hm2/人。对应该时间段，随着淮南市的煤炭开采量在不断扩大，采煤塌陷区逐年增加，耕地减少，导致生态承载力呈微弱的下降趋势。

淮南市煤矿区塌陷区域等生态环境问题日渐突出，引起了当地政府的重视，并采取了一定的治理措施。因此，从2010年至2014年，本地区生态承载力处于持续上升阶段，年均增长率仅有2.44%。至2015年，随着淮南市林地、草地、耕地面积的大幅增加，EC的增长趋势较2014年较为明显，达到23.15%。

图2 淮南市近十五年生态承载力组成及其变化

从人均生态承载力的构成来看，耕地、林地等生产性土地占据了较大比重，是生态承载力的重要组成部分。其中耕地部分占整个生态承载力的64.19%-82.05%，水域、草地承载力较为脆弱。从2001年至2010年，水域、草地和林地三种地类总承载力的变化与可利用生态承载力的变化是一致的；从2010年至2013年，淮南市建设用地面积增加了34.38%，生物生产性土地面积减少4.47%，可利用EC只有约9%的上升幅度。对比2013年至2015年，生物生产性土地面积增加31.70%的同时(其中以林地、耕地承载力增幅较大)，可利用EC则增加了23.80%。由此可知，草地、水域、林地面积是使淮南市可利用EC变化的灵敏因素。而建设用地的增加对当地生态承载力的影响程度较低，应适当控制该项用地的增长速度。

2.5.3 淮南市万元GDP生态足迹(GE)分析

由统计年鉴可知，淮南市在近15年里的地区生产总值GDP是持续增长的，但GE整体上呈现下降的趋势。

图3 淮南市GDP生态足迹的变化过程

如图3所示，GE的实际变化呈波动式下降，下降趋势较为明显。其中，2008年与2014年的GE局部峰值是不可忽视的。2008年淮南市的GDP下降了9.7%，而生态足迹增加了40%，主要原因是其中的化石能源足迹比2007年增加了40.45%。2014年度较2013年的GDP生态足迹增加了29.98%。该市2001年至2015年淮南市万元GDP生态足迹的总体主导趋势是降低的，这表明该市资源的利用效率在不断提高。

该市资源利用效率虽然在波动中提高，但随着煤炭产业的衰退，淮南市作为煤炭资源型城市经济发展情况并不乐观；而且仅依靠经济条件来控制环境退化可能不是一个完善的解决办法[30]。故应在保持经济增长的同时，减少生态足迹，来进一步缩小与发达地区资源利用效率的差距。

2.5.4 淮南市生态赤字(ED)分析

由表3的计算结果可知，淮南市2015年人均生态足迹为7.101 hm2，而实际生态承载力为0.11 hm2，故2015年其人均生态赤字为6.99 hm2，这表明淮南市生态需求超过了淮南市实际生态承载力的阈值。

图4反映了淮南市2001年至2015年的生态赤字情况。人均生态赤字总体是上升趋势，从2001年的 3.20 hm2上升为 2015年为 6.99 hm2。淮南市的生态赤字表明该市居民对本地自然生态系统的影响超出其生态承载力的范畴，即仅仅依赖该区域生态系统的自我反馈与调节能力短期内难以满足当地居民生产生活的发展需求，主要原因如下。

图4 淮南市近15年生态赤字的走势

首先，研究期间淮南市自身的地区生态承载力较低是其生态压力产生的主要原因之一。由于生态承载力主要依赖于土地生产力，故及时实行生态修复等措施间接或直接地增加当地生产性土地面积，这是提升生态承载力进而减少当地生态赤字较有效的方法。

其次，生态需求在淮南市煤炭业消费主导的经济发展模式下呈现逐年增加的明显趋势；这是导致生态赤字不断加剧的另一个主要原因。消费结构与产业结构相互影响。从2001年起至2015年期间产业结构演化过程如下:第一产业在产业结构中的比重较低且逐年下降；第二产业人均产值于2012年达到峰值，比重亦升至66%，之后呈下降的趋势；第三产业的比重随第二产业变化，至2012年降至最低即26.9%，之后开始上升。淮南市煤矿资源丰富，煤炭资源是产业发展的主要基础能源，且研究期间当地的煤炭等化石能源资源消费需求占据生态足迹需求的80%以上。

淮南市产业结构的演变分析表明:生态赤字不断的增加与当地的产业结构有一定关系。这表明该城市应转变过度依赖煤炭的现状，以促进自身的生态可持续发展。

2.5.5 淮南市生态可持续发展指数(ESI)分析

经计算，淮南市2001-2015年的生态可持续指数ESI(如图5)处于0.01至0.03之间，均小于0.2。这表明该地区的生态环境处于严重不可持续发展阶段，地区生态可持续程度等级划分如表4。

图5 淮南市近15年的生态可持续发展程度

表4 生态可持续程度等级划分

3 淮南市可持续发展的途径

在淮南市总体发展规划的指导下，该地区积极对煤矿工业及其他产业的优化调控、对煤矿塌陷区进行治理，其生态承载力EC于研究后期呈现递增趋势。减少生态赤字、提高生态安全指数，就要减少生态足迹、提高生态承载力，摆脱依赖煤炭产业的现状，以促进城市转型并提高淮南市生态可持续发展能力。

3.1 区域生态环境综合整治

(1)在经济社会发展的过程中，对生态环境问题进行源头控制和实时解决，可以通过建立EF-EC基础模型，分析环境质量变化趋势并提高经济发展质量，使经济社会和生态环境达到协调发展。

(2)化石能源用地的生态足迹总体占据淮南市总生态足迹的80%以上，应及时对矿区土地进行复垦或改造，以提高土地资源的利用水平。

3.2 进行产业升级改造转型，提高发展质量

(1)提高科技投入水平如新能源、新材料、环保等产业，引进高层次科技人才，优化产业结构，实现节能降耗。对于消耗电力与热力较高的建筑业，应积极研究开发绿色节能型、智能型建筑。对于煤炭业，一方面是研发和引进智能开采设备，提高煤炭开采产业技术水平，将人力资源转向第三产业，调整产业结构，提高资源配置效率，逐步改变过度依赖煤炭产业的状况。另一方面，重视生产设备的技术革新，有效治理在煤炭开采、选洗、运输、加工和使用等环节存在的生态环境污染问题，从而提高生态环境容量。

(2)淮南市塌陷区域逐年扩大，在治理过程中，可在塌陷区边缘进行回填，对较浅的准稳沉区进行充填，发展种植业。对非稳沉区的积水区域，通过控制水质，发展水产养殖。也可以因地制宜，根据本市的地理优势以及人文历史，投资拓展相关的旅游、文化产业(如生态旅游、渔家旅游文化体验、工业遗产景观、矿产资源博物馆等)。

3.3 引导城乡居民绿色消费，减少个人生态足迹

(1)大力发展循环经济，倡导节约资源、绿色消费，促使消费结构合理化。积极构建节约型社会，提高能源利用效率。

(2)提高个人的生态足迹意识。积极进行生态足迹相关方面的宣传教育，如开展个人生态足迹测算活动，进而增强全社会的生态环保意识。

4 结语

通过定量计算2001-2015年的生态足迹、生态承载力、GDP生态足迹、生态赤字、可持续发展指数等指标，综合分析了淮南市15年来的可持续发展变化状态，并提出了一些促进生态可持续发展的对策和建议。

结果表明:(1)研究区生态足迹呈增加趋势，生态赤字较大，能源足迹在总的生态足迹中的占比逐渐增大；生态承载力较低，研究期间先下降后上升，生物生产性土地承载力占比较大。(2)万元GDP生态足迹呈波动下降的趋势，表明资源利用效率有所增加；ESI表明淮南市处于不可持续发展状态。