基于能值生态足迹分析的宁海县可持续发展潜力评价

纪荣婷, 陈 梅, 刘 溪, 苏良湖, 刘臣炜, 陈苏娟, 张龙江*

1.生态环境部南京环境科学研究所, 江苏 南京 210042

2.宁波市生态环境局宁海分局, 浙江 宁海 315600

当前，自然资源的匮乏已成为限制人类发展的重要要素，同时伴随着工业化和城镇化的快速推进，经济快速发展带来的人与自然之间的矛盾愈发突出[1-3]. 如何在满足当代人必要生产生活的需求下，实现资源环境的可持续发展已成为解决当前资源环境问题的重要途径和我国必须长期坚持的发展战略[4-5]. 科学评估区域可持续发展水平和能力是可持续发展研究的重要步骤，有助于制定区域发展政策，促进人类福祉和生态系统健康发展[6-7].

1992年，Rees等[8-9]首次提出利用生态足迹来衡量可持续发展水平，并开展了系列研究. 目前生态足迹法已被用于量化环境影响及相关环境足迹[10-11]，是定量评估区域可持续发展水平的重要工具. 然而，生态足迹模型也存在一定局限性，如仅考虑土地的生产性指标，而风能、潮汐能等逐渐为人类开发利用的新能源并未在模型中体现出来[12-13]. 能值评估是一种客观且突出的用于评价不同尺度区域生态经济系统可持续发展能力的分析方法[14]. 能值生态足迹模型将能值理论与生态足迹模型相结合，可定量分析区域社会经济活动与自然环境之间的关系[15-16]. 同时，与传统生态足迹模型相比，能值生态足迹方法更能反映可持续发展现状，且采用的能值转换率、能值密度等参数更符合区域实际特征[13]. 因此，可采用能值生态足迹模型来评估地区生态安全与可持续发展状况.

宁海县作为生态环境部第三批“绿水青山就是金山银山”(简称“两山”)实践创新基地，近年来坚定不移地举生态旗、走生态路、打生态牌，在“两山”转化路径和成效中做了大量创新和实践，在生态环境保护和经济协调发展方面取得了较大进展[17]. 目前生态安全及可持续发展潜力评估多是针对于一些生态脆弱地区，而对宁海县等国家“两山”基地地区生态安全状况及可持续发展潜力目前仍有待明确[18-19]. 笔者以宁海县为例，开展2003—2017年生态安全和可持续发展潜力研究，旨在开拓“两山”新常态下宁海县生态环境与资源利用可持续发展新方向，同时也为推进我国其他“两山”基地地区生态安全及可持续发展潜力评价研究及发展方向提供借鉴.

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

宁海县(29°06′N～29°32′N、121°09′E～121°49′E)地处我国长江三角洲南翼，浙江省东部、宁波市南部沿海，是宁波市辖县. 宁海县位于天台山脉和四明山脉之间，属沿海低山丘陵地区，素有“七山一水二分田”之称. 县域总面积 1 931 km2，其中陆域面积 1 843 km2，主要用地类型为林地、耕地、水域，分别占55%、18%和15%左右，建设用地、园地、其他用地类型等约占12%. 近年来，宁海县人口数量稳步增长，由2003年的58.2×104人增至2017年的68.2×104人，尤以2016—2017年增长较为显著(见图1). 2017年，宁海县地区生产总值542.20×108元，三次产业比例由2003年的14.0∶58.5∶27.5调整到2017年的8.6∶51.5∶39.9，产业结构以第二产业和第三产业为主(见图1). 2017年，全县人均生产总值85 895元，比上年增长7.4%.

图1 2003—2017年宁海县产业发展模式及人口数量变化

1.2 研究方法

1.2.1可持续发展潜力评估指标及计算方法

1.2.1.1生态赤字盈余(Ed)

(1)

式中：Eec为区域生态承载力，hm2；Eef为区域生态足迹，hm2；当Ed<0时，区域处于生态赤字；当Ed>0时，区域处于生态盈余.

该研究利用能值生态足迹法计算生态足迹，将研究区域内各种物质、能量换算成统一的太阳能值，在实际计算中，先将各个项目原始数据通过能值转化率转换成可比性能值，并按照耕地、草地、林地、水域、化石能源地和建设用地等6种生态生产性土地分类进行汇总，再利用区域能值密度计算该区域能值生态足迹[14].

式中：N为区域总人口数；i为各生产或消费项目类型；ai为第i种生产项目或消费项目的人均能值生态足迹，hm2；Ci为第i种生产项目或消费项目的人均太阳能值，sej；P2为区域能值密度，由区域可更新资源总能值除以区域面积计算得出，sejhm2. 将Eef除以地区总人口数(N)即为地区人均生态足迹(eef).

影响生态承载力的因素很多，主要分为可再生资源和不可再生资源，由于不可再生资源开发后难以再生，因此在计算宁海县生态承载力时主要考虑可再生资源. 根据宁海县地理位置特征，生态承载力计算时主要考虑5种可更新资源，即风能、雨水化学能、地球旋转能、雨水势能与太阳辐射能[20-21]. 生态承载力计算公式：

Eec=N×eec=N×ep1

(3)

式中：eec为人均生态承载力，hm2；e为人均太阳能值，sej；p1为全球平均能值密度，取3.10×1014sejhm2. 根据生态足迹模型理论，需预留12%用于区域生物多样性保护.

1.2.1.2生态压力指数(EPI)

生态压力指数(EPI)是指区域生态足迹与生态承载力的比值，反映了区域生态环境的承压程度，该值越大，表明区域的生态压力越大，生态安全性越差.

EPI=EefEec

(4)

根据世界自然基金会(WWF)2004年制定的生态足迹和生态承载力划分标准，当EPI为0～0.5时，表明区域生态系统处于安全状态；当EPI为0.5～0.8时，表明区域生态系统处于较安全状态；当EPI为0.8～1.0时，表明区域生态系统处于轻度不安全状态；当EPI为1.0～1.5时，表明区域生态系统处于中度不安全状态；当EPI为1.5～2.0时，表明区域生态系统处于重度不安全状态；当EPI>2.0时，表明区域生态系统处于极度不安全状态[22].

1.2.1.3生态可持续指数(ESI)

生态可持续指数(ESI)是区域生态承载力占生态承载力与生态足迹总和的比例，反映了区域生态供给可持续能力，该值越大，生态可持续性越强.

ESI=Eec(Eec+Eef)

(5)

ESI值介于0～1.0之间，其值越大，表明区域生态可持续供给越能满足人类生态需求，区域可持续发展能力越好；当ESI>0.7时，表明区域生态强可持续发展；当ESI为0.5～0.7时，表明区域生态弱可持续发展；当ESI为0.3～0.5时，表明区域生态弱不可持续发展；当ESI<0.3时，表明区域生态强不可持续发展[23].

1.2.2可持续发展潜力预测方法

指数平滑法模型是一种常见的预测方法，于1957年由Robert Goodell Brown提出，后经Charles C. Holt改进，目前已应用于可持续发展潜力预测研究[24]. 该方法是移动平均法中的一种，其特点在于对过去观测值的加权平均，权重随着观测值的变化而呈指数衰减，其在短期和中期预测中准确性较高. 因此，该研究利用指数平滑法，通过得到的2003—2017年宁海县生态压力指数和可持续发展指数对未来生态可持续潜力进行预测. 预测模型如下：

St=ayt+(1-a)St-1

(6)

St(1)=ayt+(1-a)St-1(1)

(7)

St(2)=aSt-1+(1-a)St-1(2)

(8)

式中：St为第t期的指数平滑值;yt为第t期的实际值;St-1为第t-1期的指数平滑值;a为平滑系数，其取值范围为[0,1]；St(1)为第t期的一次指数平滑值;St(2)为第t期的二次指数平滑值;St-1(2)为t-1期的二次指数平滑值.

1.3 本底参数确定与数据来源

各能源有效能计算方法及能值转化率见表1. 为避免重复计算，总的太阳能值由太阳辐射能、风能、雨水势能、雨水化学能中数值较大的一项与地球旋转能的数值总和计算得出[20-21]. 在计算不同账户能值生态足迹时，分为生物资源账户和能源账户，其中生物资源主要包括农产品、畜产品、林产品和水产品，其主要对应生态生产性用地(包括耕地、草地、林地、水域)；能源账户包括各类化石能源和电力，对应化石能源地和建设用地[25]. 该文在计算宁海县能值生态足迹时，包括21个项目，即生物资源账户中16个项目和能源账户中5个项目，各项目能量折算系统见表2.

表1 5种可更新资源的太阳能值转化率[20-21]

表2 不同用地类型主要产品消费项及相应能值转化率

该文研究时段为2003—2017年，所需的降雨量、风速等气象数据来自中国气象数据网，生物资源账户中各项产品产量和能源账户中各项能源和电力数据获取自2003—2017年《宁海县国民经济和社会发展统计公报》和《宁海县统计年鉴》，并根据相应的能量折算系数和太阳能值转换率转化为能值数据. 通过Excel 2007软件，对2003—2017年宁海县人均能值生态足迹、人均能值生态承载力所需的数据进行处理和分析，计算区域生态安全和可持续发展指数，并利用SPSS 20.0软件进行可持续发展指数预测分析.

2 结果与讨论

2.1 基于能值分析的生态足迹及生态赤字盈余分析

从不同足迹账户来看，2003—2017年宁海县能源账户的人均能值生态足迹变化幅度远大于生物资源账户，生物资源账户生态足迹相对稳定〔见图2(a)〕. 2003—2017年，生物资源账户人均能值生态足迹介于0.798～1.186 hm2之间，变幅为48.62%；能源账户的人均能值生态足迹为0.355～3.280 hm2，变幅达823.94%，尤以2006—2010年能源账户足迹较高，为2.485～3.280 hm2. 从不同用地类型的足迹结构来看：①占比最大的是化石能源用地，为34.54%，该比例由2003—2005年的不足15%逐渐升至2010年的71.90%，其后迅速降至20%左右. ②生态足迹占比次之的是水域，为27.11%. 宁海县地处东部沿海地区，作为宁波市的供水地，拥有白溪等五大溪流，水资源丰富，海岸线长176 km，海水养殖业和淡水养殖业发展迅速. ③生态足迹中比位于第三的是建设用地，其占比为9.19%～34.25%，且该比例在15年间逐步提高. 根据宁海县产业发展结构，耕地、林地、草地3种用地类型面积占比较低，其占比之和为6.76%～30.18%〔见图2(b)〕. 分析生态足迹总体变化发现，宁海县2003—2017年人均生态足迹在1.148～4.070 hm2范围内波动；2006—2010年人均生态足迹较高，为2.716～4.070 hm2，增幅为49.85%. 研究期间人均生态承载力呈波动变化，总体趋势有所上升，最大值出现在2010年，为3.727 hm2；其次是2016年，为3.571 hm2. 综上，宁海县2003—2007年和2010—2017年均处于生态盈余状态，仅有2007—2010年4个年份处于生态赤字状态. 2005年和2016年生态盈余值较高，分别为2.226和1.970 hm2；2008年生态赤字较高，为1.332 hm2〔见图2(c)〕.

图2 2003—2017年宁海县不同账户及用地类型生态足迹和人均生态足迹盈余赤字动态变化分析

2006—2010年，随着经济的快速发展，能源消耗量大幅增加，造成化石能源生态足迹显著上升，且宁海县始终坚持“工业立县、工业强县、工业兴县”不动摇，因此能源足迹一直占据着相对较高的比例[26]，社会经济发展与生态环境的协调性较差[27]. 2011年以后，宁海县持续推进经济发展模式转型，舍弃“黑色GDP”，推进生态经济和循环经济发展，对能源的消耗逐渐降低，能源账户生态足迹不断下降，甚至低于生物资源账户的人均能值生态足迹[28]. 同时，伴随着人们收入水平不断提高，生活质量逐步改善，水域、草地、耕地和林地总的产品提供量显著上升，生物账户生态足迹增加. 随着城镇化进程的不断加快和城镇发展环境的优化，城镇建设用地面积不断增加，因此建设用地生态足迹占比一直维持在稳中有升的状态[29]. 总体而言，近年来，宁海县“两山”建设成效显著，生态保护取得了长足发展，生态经济比例不断提升，因此，除前期部分年份外，研究期间基本处于生态盈余状态. 作为“两山”基地，宁海县生态环境保护工作扎实，淘汰落后产能，推进能源结构优化，目前生态安全状况持续向好，生态足迹基本盈余[30].

2.2 基于能值生态足迹的可持续发展指数分析

宁海县2003—2017年生态压力指数的动态变化如图3所示，结果表明，宁海县生态压力指数总体呈现先上升后下降的趋势. 2005年和2016年生态压力指数分别为0.340和0.448，为安全状态，2007—2010年生态压力处于中度不安全状态，研究期间其余9个年份均处于安全至轻度不安全状态. 研究期间大部分年份宁海县生态压力指数均在较安全和轻度不安全状态，表明近年来经济社会发展仍然给当地资源发展带来了一定压力，但生态状况总体处于较安全水平. 宁海县2003—2017年生态可持续指数动态变化如图4所示. 近15年来，宁海县生态可持续指数主要呈现波动中上升趋势. 除2007—2010年宁海县生态可持续指数处于弱不可持续状态外，研究期间其余年份均处于弱可持续状态至可持续状态，其中2005年生态可持续指数为0.746，达强可持续状态.

图3 2003—2017年宁海县生态压力指数动态变化

图4 2003—2017年宁海县生态可持续指数动态变化

研究[20]表明，生态安全和可持续发展指数取决于人口、社会经济、产业结构、城镇化水平等多种因素. 宁海县“七山二水一分田”，区位优势和资源优势较好，生态承载力较高，能源结构和产业结构逐步优化，生态安全指数和可持续发展指数趋于改善. 2003—2017年宁海县万元GDP生态足迹的变化趋势[31]也验证了该结果. 研究期内，宁海县万元GDP生态足迹由2008年的1.12 hm2降至2016的0.22 hm2. 2010年前，宁海县经济社会发展主要依托于高能耗和高污染，资源利用效率较低，可持续发展水平较低. 2010年后万元GDP生态足迹迅速下降，并逐渐保持缓慢下降趋势，说明宁海县在经济社会发展的同时，资源与环境利用率在逐步提高. 近年来，宁海县不断推进生态文明建设和“两山”转化路径，以科技创新驱动新旧动能转化，以“亩均论英雄”改革撬动经济治理转型. 全面“关、停、并、转”铝氧化、铸钢、造纸、印染等行业的高污染企业近200家，舍弃“黑色GDP”上百亿元，形成了循环经济产业链[32]. 以生态制度创新，不断保障绿色发展，促进生态环境与经济社会协调发展，推动实体经济高质量发展[33]. 因此，宁海县由传统工业经济发展逐渐向生态经济方向发展，资源利用效率不断提高，可持续发展指数处于基本安全和可持续状态.

2.3 宁海县未来可持续发展状况预测

为更好地评估宁海县未来生态安全和可持续发展潜力变化，将宁海县2003—2017年生态压力指数和生态可持续指数的计算结果分别作为因变量、时间序列为自变量，运用指数平滑法进行时间序列模拟[34]，开展预测值和实际值分析(见图5). 结果表明，宁海县2021—2025年生态压力指数逐渐降低，年降低率为0.47%～0.48%；生态可持续指数逐渐升高，年增长率为0.070%～0.089%；至2025年，生态压力指数和可持续指数分别为0.904和0.565，分别处于轻度不安全和弱可持续状态，生态安全状态和可持续发展潜力逐步提升. 该结果不同于已报道的中亚干旱等地区的研究结论，其原因可能是该类地区生态状况较为脆弱，随着资源消耗和生态环境的不断恶化，生态赤字逐年增长，因此可持续发展指数呈下降趋势[35]. 与鲁洋等[36]研究结果相似，宁海县作为国家“两山”基地，可持续发展能力较好，潜力较高，预测结果表明其生态安全与可持续发展水平逐渐向好，但生态系统仍存在一定压力. 因此面对未来5年的生态安全和可持续发展情况，应在落实生态文明建设和“两山”建设相关政策基础上，进一步降低生态系统承受压力，促进经济与环境高质量协调发展[17].

图5 基于指数平滑法的2021—2025年宁海县生态压力和可持续指数预测分析

2.4 不确定性及“两山”基地可持续发展潜力再提升路径分析

在利用能值生态足迹进行宁海县可持续发展潜力评估时，数据资料的局限性可能导致部分资源项目尚未统计，使得计算得到的人均生态足迹比实际情况略小. 同时，鉴于生态系统的复杂性和多样性，使得能量折算系统和能值转化率的计算可能存在误差，导致最终计算结果可能存在一定偏差. 由于“两山”基地地域尺度的复杂性，目前计算中仅选择了宁海县为代表，进行了“两山”基地生态安全与可持续发展潜力评估，后续研究中将继续加强其他县域间的横向比较. 应当注意到，由于生态系统的复杂性，仅2003—2017年宁海县各项可持续发展指数的变化，并不简单等同与生态状况变好或变差，研究结果仍存在一定不确定性. 但总体来说，与一般的生态脆弱地区或工业城市相比，作为“两山”基地，宁海县生态优先，生态保护成效显著，随着近年来能源结构和经济发展模式的转变，生态文明和“两山”建设不断深化，其生态安全和可持续发展水平相对较高，且趋势不断向好. 对于如何进一步提升如宁海县等生态优先的国家“两山”基地地区生态安全与可持续发展潜力，提出如下建议：

a) 坚持生态优先不动摇，建立统一的生态价值核算方法和绿色生态价值考核指标体系. 在“两山”地区生态价值整体核算基础上，构建生态发展考核指标体系，进一步提升“两山”地区生态保护和生态治理的能动性，实现“两山”地区政绩考核和生态考核的双重考核机制，切实提升“两山”地区可持续发展动能.

b) 推进地区生态经济政策，促进生态价值的市场化. 研究出台相关政策，鼓励金融机构认可生态服务价值，引导相关金融机构在已经开展的以自然资源资产抵押贷款的基础上，研究开发以生态价值为标准的融资方式，为“两山”建设提供融资支持，推进“两山”地区可持续发展水平的提质增效.

c) 拓宽“两山”转化路径，提高产业绿色化水平. 进一步理解“两山”理论，深挖“两山”内涵，拓展其外延，发展生态经济、智慧产业、转化内生动力，加强“绿水青山”和“金山银山”的协同发展，促进地区生态安全保护与经济社会发展的同步增益. 凝练和创新“两山”转化新模式，高效转化生态优势.

3 结论

a) 2003—2017年，宁海县能源账户人均能值生态足迹变化幅度远高于自然资源账户，不同用地类型中，以化石能源用地、水域和建设用地的生态足迹占比较高.

b) 2003—2017年，宁海县人均生态承载力呈现波动上升趋势，人均生态足迹呈波动下降趋势，宁海县总体处于生态盈余状态.

c) 2003—2017年，宁海县生态压力指数处于较安全和轻度不安全状态，生态可持续指数弱可持续状态，需进一步加强生态安全保护.

d) 建议坚持生态优先不动摇，建立统一的生态价值核算方法和绿色生态价值考核指标体系；推进地区生态经济政策，促进生态价值的市场化；拓宽“两山”转化路径，提高产业绿色水平，切实提升宁海县等国家“基地”生态环境承载力和可持续发展水平.