基于能值生态足迹的宁夏可持续发展分析

罗旖璇，高桂英，冯 骁

（宁夏大学 经济管理学院，宁夏 银川 750021）

能值分析理论与方法由美国著名生态学家H.T.Odum[1]于20世纪80年代创立。能值分析以能值为基准，将生态经济系统中流动和储存的各种不同类别的能量和物质转换为统一标准的能值，用以评价各指标在生态经济系统中的作用和功能。基于此，Zhao S等[2]提出能值生态足迹模型，在生态足迹指标中加入能值，将物质循环与能量流动相互结合，弥补了传统生态足迹模型忽视可再生自然资源账户的不足。近年来，能值生态足迹模型不断被应用于不同空间和时间尺度[3-4]。宋豫秦等[5]从消费角度考察能值生态足迹，并对贸易进行修正，以时间序列计算生态承载力、能值生态足迹、万元GDP生态足迹等；王建事等[6]用生态足迹方法测算了山东省的可持续发展状况，并添加多样性指数予以佐证。总体来说，基于能值的生态足迹模型研究起步较晚，可开发空间较大。杜灵通等[7]、何爱红等[8]、皮泓漪等[9]对宁夏的生态足迹和生态承载力进行了测算分析，但基本都使用传统生态足迹模型，采用能值理论分析生态足迹比较鲜见。

本研究结合能值和生态足迹模型，选择中国西部经济发展、资源能源消耗和生态环境矛盾突出的宁夏为研究区域，分析其从2008—2017年10年间的生态足迹和生态承载力的变化情况，从时间序列分析其动态差异性，以期为区域缓解生态环境压力，促进区域经济生态可持续发展提供参考。

1 研究区概况和数据来源

宁夏回族自治区 （35°14'~39°14'N，104°17'~109°39'E） 位于中国西部黄河上游地区。东邻陕西省，西、北部接内蒙古自治区，南部与甘肃省相连，总面积6.64万km2，2017年总人口681.7万。宁夏全区海拔1 000 m以上，地势南高北低，呈阶梯状下降，属于典型的大陆性气候，为温带半干旱区和半湿润地区，具有雨雪稀少、日照充足、蒸发强烈等特点，年平均降水量约300 mm。比较而言，宁夏有农业、能源等优势。宁夏现有耕地110万hm2，人均0.187 hm2，居全国第二位；草场224万hm2，是全国十大牧区之一。能源方面，年可利用黄河水40亿m3，已探明煤炭储量469亿t，现有大中型火电厂20座[10]。

本研究统计资料来源于2008—2017年的《宁夏统计年鉴》，5种可再生能源的能值折算系数和太阳能值转换率来自参考文献[11]，气象数据来源于“中国气象局数据中心”（http：//www.cma.gov.cn），各指标的能值折算系数和太阳能值转换率来自参考文献[14，16-17]。

2 研究方法

2.1 账户构建

宁夏煤炭资源丰富，但其他资源相对匮乏。居民生活消费结构不断升级，粮食、蔬菜、水果、肉、蛋、奶类等初级农产品主要由区内农业生产和区外市场调入。为清晰反映区域的可持续发展情况，从人类生产生活和废弃物排放角度构建包括生物资源账户、能源账户、废弃物账户在内的生态足迹账户体系。生物资源账户包含耕地、林地、草地和水域；能源账户包括化石能源用地和建设用地。本研究中的废弃物账户中包含废水、废气和固体废弃物3个指标，其中，废水的排放归为水域用地，废气一般由森林吸收归为林地，固体废弃物占用人类生产生活空间因而归为建设用地。

2.2 区域总能值

能值理论认为，自然资源中包含不可更新资源和可更新资源，而生态系统得以维持并实现可持续发展依靠的是可更新资源，只有充分利用可更新资源才能实现区域的可持续发展[1]。由于宁夏地处大陆内部，受海洋气候的干扰小，不计入潮汐能。本研究考虑可更新资源中的太阳辐射能、雨水化学能、雨水势能、风能和地球旋转能5种能源，且由于前4种能源均来自太阳辐射，因此在计算区域总能值时取前4种能值的最大值和地球旋转能的总和。可更新资源的能值计算公式为[11]：

式中：CER——雨水化学能；SA——研究区面积，m2；AR——年降水量，m/a；RD——雨水密度，kg/m3；G——吉布斯自由能，J/kg；RPE——雨水势能；H——云层平均海拔高度差，m；g——重力加速度，m/s2；WE——风能；AD——空气密度，kg/m3；k——阻力系数；WS——平均风速，m/s；HF——热通量，J/（m2·a）；TE——区域总能值，sej。5种可更新资源的太阳能值转化率见表1。

表1 可更新资源太阳能值转化率

2.3 区域能值密度

不同地域的自然生态环境和社会经济发展水平各有不同，地球能值密度不能完全反映地区生态系统的真实需求供给能力[12-14]。计算时采用区域能值密度，更符合地区人类消耗和生态系统的真实供给情况。区域能值密度的计算公式为：

式中：p——区域能值密度，sej/（m2·a）；TE——区域总能值，sej。

本研究通过计算宁夏2008—2017年的区域能值密度平均值，得出宁夏近10年间的区域平均能值密度为 1.36×1016sej/（m2·a），用以计算区域的生态足迹和生态承载力。

2.4 能值生态承载力

与传统生态足迹模型不同，基于能值理论的生态承载力计算考虑到了更多的可更新资源，以此作为区域总能值，用以计算区域的能值生态承载力，并扣除12%的生物多样性保护生态承载力。能值生态承载力计算公式如下：

式中：EC——总能值生态承载力，hm2；ec——人均能值生态承载力，hm2/cap；e——区域人均可再生资源的能值，sej。

2.5 能值生态足迹

能值生态足迹模型加入了能值理论，经过国内外学者的不断发展与改良，将资源能源中包含的太阳能值纳入计算中，在一定程度上弥补了生态足迹模型没有将可更新资源纳入系统评价的不足之处[15]。首先将人类所消耗的各种资源能源通过能值折算密度折算为太阳能值，再利用能值转换率换算为人类消耗和排放资源能源的土地占用量。刘乐冕[16]在生态足迹改进模型增加了污染物生态足迹。废水主要被湿地消纳，其占用湿地面积按照每年365 t/hm2的标准进行换算。废气生态足迹通过转换为吸收大气污染物所需的林地面积来计算：林地对SO2的平均吸收能力88.65 kg/hm2。固体废弃物的生态足迹主要通过填埋和对方处理固体废弃物所占用的生产性土地面积，按照单位土地面积可堆积固体废弃物10.19万t/hm2的标准换算。能值生态足迹的计算模型为：

式中：EF——总生态足迹，hm2；N——区域人口数；ef——总人均生态足迹，hm2；ri——资源i的人均生态足迹，hm2/人；ci——资源i的人均太阳能值，sej；p——区域能值密度，sej/（m2·a）；qi——资源i的消费量或生产量，J或G；s——太阳能值转换率，sej/t或sej/(kWh)。

原始数据中资源i的消耗量单位一般不是能量单位J，而多数资源的太阳能值转换率单位为sej/J，首先，需要将资源消耗量单位运用能值折算系数转换为能量单位J。能值折算系数是指每单位数量的产品或服务中所包含的能量（J/单位）。本研究各指标的能值折算系数和太阳能值转换率参考高新才等[15]、He J等[17]、蓝盛芳等[18]。

2.6 万元GDP生态足迹

万元GDP生态足迹用来衡量区域资源的使用效率情况，是研究区域生态足迹与GDP的比值。所得数值越大说明资源利用效率越低，数值越小说明资源利用效率越高。万元GDP生态足迹的计算公式为：

式中：WEF——万元GDP生态足迹，hm2/万元。

2.7 生态足迹指数

吴隆杰[19]在大量研究国内外生态足迹分析方法的基础上，提出用生态足迹指数评估区域的可持续发展的程度。生态足迹指数（Ecological Footprint Index，EFI）指一定区域的生态承载力与生态足迹的差额占生态承载力的百分比，可以视为区域为今后保留的可持续发展能力的百分比。其计算公式为：

表2 生态足迹计算中各指标能值折算系数和太阳能值转换率

生态足迹指数根据数值大小，通过设定水平区间可以定量确定与可持续发展的关系值，初步提出了可持续发展状况的评估标准。生态足迹指数的可持续发展评估界定见表3。

表3 生态足迹指数评价值界定

2.8 生态协调系数

在对区域可持续发展能力进行评价时，运用绝对数值的生态赤字指标不能够很好地反映其与区域资源禀赋条件的关系，区域间进行比较缺乏说服力。比如一个同样数值的生态赤字对中国西部内陆干旱地区和东南沿海地区的意义因各区域资源禀赋的不同而不同，有时会出现欠发达地区由于消费水平低而出现生态盈余，得出其可持续性强的错误结论[20]。生态协调系数（Ecological Coordination Coefficient，ECC） 通过一个数值区间判断区域的生态协调能力，更具动态性，其计算公式为：

生态协调系数的区间为1＜ECC≤1.414，其数值越接近1，表示协调性越差；越接近1.414，表示协调性越好。当ECC=1.414，区域生态需求与供给达到平衡，处于最佳协调状态。在此区间内，若ef＞ec，区域生态需求大于供给，区域的发展是以不断消耗自然资本的存量为代价，处于生态不协调的状态；当ef＜ec时，区域生态需求小于供给，自然资本未能得到最有效的利用，区域尚待开发。

3 可持续发展评估

3.1 人均能值生态足迹和人均生态承载力分析

通过计算，运用宁夏区域平均能值密度1.36×1016sej/（m2·a），得出宁夏2008—2017年的人均生态承载力和人均生态足迹（见图1）。2008—2017年宁夏人均生态承载力保持在0.322 4～0.527 4 hm2之间，生态承载力极其脆弱，但基本保持稳定，在2014年出现人均能值生态承载力最大值，是当年降水量偏大导致的雨水化学能提高，使可更新资源的总能值偏大。由图可知，2008—2017年宁夏的人均生态足迹在研究期内呈现增长趋势，人均能值生态足迹由1.275 8 hm2增加到2.677 8 hm2，增加了1.402 hm2，年均增长0.14 hm2。人均能值生态足迹快速上涨，主要是由于随着宁夏经济社会的快速发展，人们对生物资源和能源的需求越来越大，同时大量废弃物增加了环境污染的风险，导致人均能值生态足迹持续增长。2012—2017年人均能值生态足迹呈现先小幅波动上升后下降的趋势，原因是在倡导绿色发展理念与生态文明建设的影响下，当地政府与民众的节约资源与环境保护意识增强，保护生态环境举措密集，相对减少了资源的浪费，环境的污染略有改善。

图1 2008—2017年宁夏人均生态足迹和人均生态承载力

总体上，2008—2017年宁夏人均生态承载力远不足以支撑人均生态足迹的占用，反过来人均生态足迹也远远超出了生态承载力的承受能力，宁夏处于生态赤字状态。2008—2014年人均生态赤字呈逐年上升的趋势，之后出现小幅下降，但总体呈现生态赤字扩大的趋势，表明宁夏政府和人民在改善区域生态环境问题上所作出的努力是值得肯定的，但仍需继续努力。

从划分的6类生物生产性土地来看（见图2），10年间宁夏人均生态足迹平均占比依次为：化石能源用地（46%） ＞建设用地（43%） ＞草地（5%） ＞耕地 （3%） ＞林地 （0.7%） ＞水域（0.03%）。化石能源用地（包括原煤、汽油、柴油、煤油、焦炭）和建设用地（包括电力和固体废弃物）占比大，是宁夏生态足迹的主要组成部分。其中，化石能源用地在研究期前期占比最多，2009年更是突破50%，之后呈现小幅度波动下降的趋势，这一现象反映出宁夏经济、社会等方面的发展对资源开采与消耗产生的压力巨大，间接表明宁夏资源能源消耗与生态环境之间矛盾的变化情况；建设用地方面，占比从2008年的38%上升到2017年的56%，建设用地的增加极大地提高了宁夏人均生态足迹，原因之一在于构建指标体系时增加了废弃物账户。其中，废水和废气指标可以由水域和林地所吸纳，一方面，废水的排放不会单独开辟水域，而是大部分经过或不经过处理排入已有水域中；另一方面，废气的一部分可由林地吸收，而固体废弃物的处理不像废水和废气那样拥有直接的排放媒介，需要占用人类生产生活活动的建设用地，从而使建设用地占生态足迹的比重连年增加。

图2 宁夏分土地类型人均生态足迹演变

3.2 生态足迹指数

研究期内宁夏生态足迹指数均小于-200%（见图3）。根据表3生态足迹指数评价值界定，2008—2017年，宁夏一直处于严重不可持续发展状态。其中，2008—2011年的不可持续发展状态极速恶化，这与该阶段宁夏处于快速发展阶段，发展经济的同时忽略了生态系统的完整性有关。生态足迹指数进一步体现了研究期内宁夏人均生态足迹远超过人均生态承载力的范畴。

图3 2008—2017年宁夏人均生态足迹指数变化

3.3 万元GDP生态足迹分析

如图4所示，研究期内宁夏万元GDP生态足迹经历了先小幅上升后波动下降的变化。以2012年为临界点，万元GDP生态足迹的下降表明资源利用效率的提高，资源利用效率的提高表明在生产相同数量的产品时使用的资源量减少，能够有效节约资源能源。资源利用效率的提高离不开技术创新的贡献，2008—2017年10年间宁夏万元GDP生态足迹的波动降低趋势说明，在资源开采和利用方面，宁夏正在改变，向着低能耗的绿色发展模式进步，这和宁夏化石能源用地生态足迹的降低趋势得以关联契合，具有一致性。

图4 2008—2017年宁夏万元GDP生态足迹、生态协调系数

3.4 生态协调系数

生态协调系数相比生态赤字，其给出的数值区间使得不同区域之间更具可比性。通过公式（11） 计算得出2008—2017年宁夏生态协调系数，如图4所示，10年间基本保持在1.11～1.22之间，变化较小，且由于人均生态足迹大于人均生态承载力，区域生态需求大于供给，区域的发展是通过不断消耗自然资本的存量来弥补生态承载力的缺乏的，处于生态不协调的状态。其数值距离生态需求与供给的平衡值（1.414）相差较远，因而，宁夏的生态协调性有很大的发展空间。

4 结论与展望

基于能值的生态足迹模型考虑了区域能值密度，符合区域经济、社会发展的特点，可以定量反映地区资源能源的实际供给能力和消耗能力，能够更有效地评估区域性的可持续发展状态。上述研究得出以下结论：

（1） 2008—2017年，宁夏人均生态足迹呈现先上升后出现小幅波动下降的趋势，2011年之前上升幅度大，2013—2017年增长幅度有所减少，增长缓慢甚至出现小幅下降趋势；人均生态承载力保持基本稳定，人均生态承载力远超过人均生态承载力的限制，处于生态赤字状态，生态赤字有扩大趋势，需要引起重视。

（2）生物生产性土地中，化石能源用地和建设用地的人均生态足迹占比最重，且化石能源用地的生态足迹呈下降趋势，相反，建设用地有所增加，这与增加的固体废弃物指标有一定关系。

（3）连年持续增长的生态需求与相对较稳定的生态承载力使区域的生态压力不断增加，生态足迹指数显示宁夏可持续发展能力波动幅度较大，具有充足的改善空间。区域的发展是通过不断使用自然资源来弥补生态承载力的薄弱，生态不协调状态持续。相反，研究期内的资源利用效率不断提升，有待进一步优化升级。

在生态承载力一定的条件下，如何控制生态足迹是欲待解决的问题；反过来，在生态足迹不断增长的条件下，如何提高区域的人均生态承载力同样是重要课题。研究期间宁夏人均能值生态足迹上升的主要来源是化石能源用地和建设用地的能值生态足迹的增加。一方面来自包括原油、煤油、柴油等化石能源的消耗；另一方面来自用于处理固体废弃物的建设用地的使用。由此可见，减少宁夏人均能值生态足迹的关键在于资源能源的高效利用和废弃物的合理处理等方面。2008—2017年间宁夏人均生态承载力的变动较小，保持基本稳定，相比其他部分省份人均生态承载力呈下降趋势，例如厦门人均生态承载力从2000年的82.5 hm2下降到2010年的47.5 hm2[21]，宁夏人均生态承载力趋于稳定的态势是值得肯定的。这从一定程度反映出宁夏生态工程对于提高生态承载力，促进生态环境可持续发展的重要作用。

展望未来，提高资源能源的利用率对于减少化石能源用地的能值生态足迹多有益处。一方面，通过完善资源能源开采加工法律法规制度，整顿资源能源开采与加工业，促进资源能源利用率的提高，加大清洁能源的使用力度，提高资源能源利用的技术水平；另一方面，对于废弃物的处理，尤其是固体废弃物，要推动分门别类管理制度的妥善执行，促进固体废弃物的循环再利用。宁夏作为典型的生态脆弱区，生态承载力极低，其经济社会发展深受生态环境影响，在双重压力的挑战面前，人口、经济、社会、生态环境的权衡尤为重要。未来宁夏需要采取积极而又不失稳健的措施控制生态足迹的快速增长，促进生态系统的稳定运行，进一步推进可持续发展状态的稳步回转并实现优化升级。