基于三维生态足迹模型的长江中游城市群平衡性分析与生态补偿研究

杨一旸,卢宏玮,梁东哲,陈义忠,田沛佩,夏 军

1 华北电力大学水利与水电工程学院, 北京 102200 2 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室, 北京 100101 3 河北工业大学经济管理学院, 天津 300401 4 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室, 武汉 430072

生态系统为人类活动提供了必要的空间载体和基本保障,充沛的自然资源和良好的生态环境是维持经济社会发展的根本。随着工业化和城镇化的急剧发展,人们的生产生活和消费水平极大提高,生态资源超负荷问题也逐渐显露出来。生态足迹法是评价资源消耗强度与生态承载能力协调与否的有效手段,最初由加拿大生态经济学家Rees[1]于1992年提出,Wackernagel和Rees[2]进一步完善,并在国内外广泛应用[3-4]。近几年来,生态足迹模型在研究中得到了不断地改进和发展,国外学者Niccolucci等[5-6]在已有研究基础上,引入足迹深度和足迹广度两项指标,提出三维生态足迹的概念;方恺等[7-8]首次将该模型引入国内并加以优化,以中国为例进行了实证分析;靳相木和柳乾坤[9]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和生态赤字(盈余)情况。然而,自然资源在时空分布上具有不平衡性,不同的经济发展水平、技术水平也影响着自然资源消耗与生态环境的变化,因此急需提出一种判断区域生态足迹与经济增长是否协调的方法[10]。基尼系数能够较好的评价区域资源配置及平衡性问题[11-12]。曾永明和张利国[13]应用基尼系数对中国县域尺度人口分布格局进行非均衡性测度研究;程超等[14]以滇中城市群为例,应用基尼系数对水资源生态承载力的供需平衡、时空平衡以及平衡性的偏离程度进行分析。由于经济发展与生态资源利用在不同区域存在差异,导致区域发展的不平衡,众多学者开始从生态补偿主体与补偿机制[15]、生态价值当量[16]以及生态补偿额度[17]等方面展开了大量研究,对生态环境质量的不断改善与区域之间的协同发展具有重要意义。

我国十九大明确提出要加快生态文明体制改革,要以“共抓大保护、不搞大开发”为导向推动长江经济带发展。由此可见,着力解决资源环境问题,推动长江经济带绿色可持续发展刻不容缓。长江中游城市群是长江经济带的重要组成部分,随着国家深入实施区域发展总体战略和新型城镇化战略,全面深化改革开放,大力推进生态文明建设,长江中游城市群开发开放水平、整体实力和竞争力得以显著提升,但中心城市辐射带动能力不强,产业结构和空间布局不尽合理,环境污染问题较多,城乡区域发展不够平衡,总体上生态承载压力较大,生态安全问题较为突出,一体化发展机制还有待完善。城市群已成为推进国家新型城镇化的空间主体,是中国城镇化发展的战略依托,理清长江中游城市群之间的生态状况和发展程度的差异,制定合理的生态发展策略,对区域一体化发展具有重要意义。

因此,采用三维生态足迹模型,定量分析长江中游城市群2000—2015年各区域生态足迹、生态承载力时空变化特征,同时引入基尼系数对生态足迹的空间平衡性进行分析,探究其生态可持续发展趋势,并基于此对长江中游城市群各市生态补偿进行测算,以期为城市群生态建设和管理提供决策依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区域概况

长江中游城市群(108°21′—118°28′E,20°09′—33°20′N)是以武汉城市圈、环长株潭城市群、环鄱阳湖城市群为主体形成的特大型国家级城市群(图1),地处我国长江流域中段,承东启西、连南接北,范围包括湖北、湖南和江西省共31个地级市和部分县(区),总面积约32.61×104km2,是长江经济带的重要组成部分。区域地形地貌繁杂,平原、山地、丘陵交错分布,河流水系纵横,耕地、林地、水体一直处于土地利用的主体地位,同时拥有4个生物多样性保护生态功能区,承担着重要的生态服务功能[18-19]。受经济发展的影响,近些年来长江中游城市群耕地、林地面积呈现波动下降趋势,建筑用地面积显著上升[20],城市化发展持续加快。

图1 长江中游城市群位置示意图Fig.1 The location of the middle reaches of the Yangtze River

1.2 研究方法

1.2.1三维生态足迹模型

传统生态足迹模型重点在于对流量资本的测度,忽略了存量资本对地区生态系统平衡所起的关键作用。三维生态足迹模型在此基础上,引入足迹深度和足迹广度两个指标,以分别表征人类消耗自然资本存量和占用自然资本流量的程度。其计算公式如下：

EF3D=EFdepth×EFsize

(1)

式中：EF3D表示三维生态足迹;EFdepth表示生态足迹深度;EFsize表示生态足迹广度。足迹深度指维持区域现有资源消费水平理论上所需土地面积倍数,反映了超出生态承载力部分的自然资本存量消耗;足迹广度指在区域承载能力范围内,实际占用生物生产性土地的面积,反映了人类占用自然资本流量的水平。其计算公式如下：

(2)

(3)

式中：ED为生态赤字;BC表示生态承载力。当EFdepth=1时,表示流量资本刚好能够满足资源消费需求;当EFdepth>1时,表示此时流量资本已经无法满足消费需求,必须消耗存量资本。

1.2.2生态承载力

生态承载力是指一个区域能够提供给人类生存和发展所需自然资源的生物生产性土地面积的总和。在计算生态承载力时,应扣除12%的生物多样性保护面积。其计算公式如下：

(4)

式中：BC表示该地区总的生态承载力;N表示区域人口总数;bc表示该地区人均生态承载力;rk表示人均实际占有第k类生物生产性土地面积;ek表示均衡因子;yk表示产量因子。

1.2.3生态足迹空间平衡性评价指标

基尼系数是指国际上通用的、用以衡量一个国家或地区居民收入差距的常用指标。系数介于[0,1]之间,越接近0表明分配越趋近公平。按照国际惯例,通常取0.4作为基尼系数的“警戒线”[21]。基尼系数的变化反映了人口分布、经济发展以及水资源量等要素区域集聚程度的变化,由于人口、GDP、水资源量对用生态资源的分配影响可视为同等重要,3个影响因子可作为生态足迹的评价指标,赋予权重,计算出综合基尼系数,来综合分析长江中游城市群生态足迹的空间平衡性。计算公式为：

(5)

Gt=(G1+G2+G3)/3

(6)

式中：Gi为基尼系数;Xi为人口、GDP、水资源量等影响因素指标的累计百分比;Yi为人均生态足迹的累计百分比,其值根据三维生态足迹模型得到;i为区域位置序号,且当i=1时,(Xi-1,Yi-1)视为(0,0);Gt为综合基尼系数。一般地,基尼系数在0.2以下表示“绝对平均”;[0.2,0.3)表示“相对平均”;[0.3,0.4)表示“相对合理”;[0.4,0.5)表示“集聚程度较大”;在0.5及以上表明所考察的要素在区域内高度偏集[22]。

1.2.4基于生态足迹的生态补偿模型

在环境系统整体性和环境利益公平分配原则的指导下,依据三维生态足迹模型与研究区域实际情况,通过生态资源转化效率和支付意愿指标,确定各区域实际应得的生态补偿金额。

(1)生态资源转化效率

(7)

式中：UR为R市万元GDP生态足迹;efR为R市人均生态足迹,其值根据三维生态足迹模型得到;pR为R市人均GDP。

(2)支付意愿指标

(8)

(9)

(10)

(3)生态服务供给系数

(11)

VR=M×βR

(12)

式中：βR为R市生态服务供给系数;BCR为R市生态承载力总量;VR为R市因供给生态服务而应获得的金额;M为各省生态服务总金额(以污染治理投资代表)。

(4)生态服务消费系数

(13)

(14)

FR=M×αR

(15)

式中：RecR为R市综合修正系数;-U为某省万元GDP生态足迹平均水平;-W为某省支付意愿平均水平;αR为R市生态服务消费系数;FR为R市因消费生态服务而应给与的金额。

(5)生态补偿金额

XR=VR-FR

(16)

式中：XR为R市应获得的生态补偿金额。若XR为正值,说明该市生态补偿金额为净流入;若为负值,则为净流出。

1.3 数据来源

本文数据来源于2000—2015年《湖北统计年鉴》、《湖南统计年鉴》、《江西统计年鉴》以及研究区域内各市统计年鉴;土地分类数据通过ArcGIS提取所得(空间分辨率为1 km1 km),土地利用类型分为耕地、草地、林地、水域、建设用地、化石燃料用地六类;均衡因子和产量因子采用刘某承和李文华[23-24]对中国及各省市的测算结果。根据三维生态足迹计算方法和长江中游城市群的实际情况,收集了生物资源消费和能源消费两大类数据。其中,生物资源分为农产品、动物产品、林产品和水产品,能源分为工业消费能源及电力,共计30项统计条目(表1)。

表1 三维生态足迹指标评价体系

2 结果分析

2.1 人均生态足迹

根据公式(2—3)分别计算长江中游城市群及子城市圈足迹深度和足迹广度(表2、表3),进而得到三维人均生态足迹。结果表明,长江中游城市群及子城市圈2000—2015年人均生态足迹呈上升趋势(图2)。其中,襄荆宜城市群与武汉城市圈趋势相似,人均生态足迹增长速率较快且持续上升,与2000年相比,2015年分别增长了146.22%和119.00%,这是由于湖北省重视并大力发展工业,生态环境恢复滞后,同时积极进行城镇化扩张,导致人均生态足迹大幅度增加。环长株潭城市群与环鄱阳湖城市群人均生态足迹增长速率较慢且逐渐趋缓,其变化趋势均可分为两个阶段：环长株潭城市群2000—2007年人均生态足迹年增长率为21.78%,2007—2015年人均生态足迹年增长率为4.80%,说明湖南省早期大力发展经济,随着人口的显著增多,对生态资源的掠夺式开发和过度依赖导致该地区人均生态足迹增长迅速,2007年长株潭城市群获批“两型”社会综合改革试验区,湖南省由此拉开了绿色发展大幕,人均生态足迹增长速率随之放缓;环鄱阳湖城市群2000—2008年人均生态足迹年增长率为19.98%,2008—2015年人均生态足迹年增长速率为2.12%,究其原因,与人们对自然资源的依赖与需求程度不断提高有关,但该城市群人口增长优势不明显,且在2009年国务院审批通过“建设鄱阳湖生态经济区”的重大战略决策,近年来环鄱阳湖城市群人均生态足迹增长趋于平缓。长江中游城市群整体人均生态足迹处于线性增长状态,年增长率为7.52%。

表2 长江中游城市群2000—2015年人均生态足迹深度

表3 长江中游城市群2000—2015年人均生态足迹广度/(hm2/人)

图3可见,2000—2015年间对长江中游城市群人均生态足迹贡献最多的是襄荆宜城市群(29.91%)和武汉城市圈(26.91%),其次是环长株潭城市群(25.12%),贡献最少的是环鄱阳湖城市群(18.06%)。从土地利用类型来看,2000—2015年长江中游城市群人均生态足迹从大到小排序为：耕地>草地>化石燃料用地>林地>水域>建筑用地。耕地的人均生态足迹最大,占整体的43.02%,草地和化石燃料用地次之,二者的生态足迹总量超过整体的1/2,说明农业、养殖业和工业在长江中游城市群经济社会发展中占有举足轻重的地位,这一结论与张星星和曾辉[25]、董建红等[26]研究结果基本一致。长江中游地区自古就是中国的粮仓,具有坚实的农业生产基础,是全国农产品资源最丰富、农产品贸易最活跃的地区之一。同时,长江中游地区积极发挥生猪养殖的优势,大力推进建设生猪养殖基地。除此之外,长江中游地区工业化水平也有显著提升,三大核心城市群及整体均处于以加工危重心的工业化发展中期阶段。

图2 2000—2015年长江中游各城市圈与城市群人均生态足迹时空变化Fig.2 The per capita ecological footprint of each urban circle and urban agglomeration in the middle reaches of the Yangtze River changed in time and space from 2000 to 2015

图3 长江中游城市群2000—2015年平均生态足迹构成Fig.3 Composition of the average ecological footprint of the urban agglomeration in the middle reaches of the Yangtze River from 2000 to 2015

2.2 人均生态承载力时空演变特征

生态承载力是生物生产性土地面积的总和,故与各土地利用类型密切相关。长江中游各城市群生态承载能力差异明显(表4),2015年人均生态承载力最大的是环鄱阳湖城市群(37.86%),其次是武汉城市圈(22.69%)和环长株潭城市群(22.05%),襄荆宜城市群(17.40%)最小。各种土地利用类型对其生态承载能力的贡献也有所不同：武汉城市圈耕地人均生态承载力贡献率达到64.34%,为整体最高值;环鄱阳湖城市群的林地次之,为54.56%;环长株潭城市群的林地和襄荆宜城市群的耕地人均生态承载力贡献率也分别达到了49.49%、49.41%。

表4 长江中游各城市群2015年人均生态承载力空间格局/(hm2/人)

研究期间,长江中游城市群人均生态承载力详见表5,除水域和建筑用地外,其他土地类型生态承载能力在2000—2015年间均有所下降,尤以耕地、林地最为严重。与2000年相比,2015年耕地和林地人均生态承载力均下降了0.31 hm2/人,这是因为在推进城市化进程中,受冲击最大的是农田和林地,土地面积分别减少了49.81%和49.98%,尽管如此,耕地和林地仍占长江中游城市群生态承载能力的主导地位,二者生态承载能力之和约为整体的90%,因此在发展中应加大对耕地、林地的保护力度,以提高长江中游城市群整体生态承载能力。

2.3 生态足迹公平性分析

基尼系数可反映生态足迹在空间分布上的平衡状态。以2000—2015年的三维生态足迹、人口、GDP以及水资源量的数据为基础,按照式(5—6)计算出长江中游城市群不同影响因子之间的基尼系数以及综合基尼系数(图4)：

(1)从人口基尼系数变化看,整体呈“W”型变化,2000、2008年以及2011—2015年的基尼系数均超过“0.4的警戒线”,处于“集聚程度较大”的区间范围,其他年份则处于“相对合理”的区间范围内。

(2)对于GDP基尼系数,2000—2015年年均基尼系数为0.457,除2013年处于“高度偏集”状态外,其他年份均处于“集聚程度较大”的区间范围。这是由于经济发达地区GDP增加相对较多,而人均生态足迹增加相对较少;相反,经济欠发达地区的GDP增加相对较少,生态足迹相对增加较多,这也表明长江中游城市群的经济发展与自然资本占用之间的不平衡性。

表5 长江中游城市群2000—2015年人均生态承载力动态变化/(hm2/人)

图4 长江中游城市群2000—2015年基尼系数动态变化 Fig.4 Changes of the Gini coefficient in the urban agglomeration of the middle reaches of the Yangtze River from 2000 to 2015

(3)各年均水资源量基尼系数超过“警戒线”0.4,基尼系数在2001年达到峰值,并在2001—2012年期间先下降后上升,在2012年后呈下降趋势,呈现“M”型变化动态,整体上处于“高度偏集”的区间范围。表明研究期间水资源量和生态足迹处在一种高度不平衡的发展状态,同时说明水资源的空间分布不是影响生态资源消费的最主要因素。

(4)2000—2015年,长江中游城市群生态足迹综合基尼系数变化范围处在0.425—0.488之间,16年年均综合基尼系数为0.456,总体上处于“集聚程度较大”的区间范围。人口分布、经济发展以及资源环境与生态足迹空间分布不协调,发展关系未对应,三维生态足迹在空间分布上呈现出不平衡性,这种变化趋势应引起重视。

2.4 长江中游城市群区域生态补偿

通过三维生态足迹模型对长江中游各城市群2000—2015年生态补偿金额进行测算,结果如图5所示。环鄱阳湖城市群中,南昌市平均支付生态补偿金额最高(14.28 亿元),上饶市平均获得生态补偿金额最高(17.11 亿元);环长株潭城市群中,岳阳市平均支付的生态补偿金额最高(6.89 亿元),长沙市平均获得补偿金额最高(7.15 亿元);襄荆宜城市群和武汉城市圈中,武汉市平均支付的生态补偿金额最高(1.40 亿元),宜昌市平均获得生态补偿金额最高(1.65 亿元)。从人均水平来看,环鄱阳湖城市群中,人均需支付生态补偿和获得生态补偿最高的城市分别是新余市(476.71 元/人)和上饶市(258.63 元/人),新余市人均水平高于南昌市的原因可能是,尽管南昌整体支付生态补偿金额高,但新余人口基数远小于南昌;环长株潭城市群中,人均需支付生态补偿和获得生态补偿最高的城市分别是岳阳(125.18 元/人)和株洲(160.44 元/人);荆宜城市群和武汉城市圈中,人均需支付生态补偿和获得生态补偿最高的城市分别是鄂州(84.35 元/人)和宜昌(41.24 元/人)。导致这两个城市群人均生态补偿水平与整体水平不同的原因同样可能是各市人口基数差异。支付生态补偿的城市多集中在各省中心位置或为地市级中心城市,经济发展较快、GDP总量较高,为经济发展而消耗的生态资源量超出本地区生态承载力,需通过占用其他地区生态资源进行弥补;受偿区因受地理位置和地形的限制,经济发展较为缓慢,生态承载能力较强,可为其他城市供给生态服务,同时获得相应的生态补偿。

图5 长江中游各城市群2000—2015年生态补偿Fig.5 Ecological compensation in urban agglomerations of the middle reaches Yangtze River from 2000 to 2015

从时间尺度上来看,长江中游城市群生态补偿支付区与补偿金额持续增加,生态补偿差异呈扩大趋势。其中,环鄱阳湖城市群整体生态补偿差异最大且增长速度最快,在2015年支付区与受偿区补偿金额差异达到峰值(99.05 亿元);环长株潭城市群生态补偿差异于2014年达到最大值(52.86 亿元),2015年缩小至47.70 亿元;武汉城市圈和襄荆宜城市群整体生态补偿差异最小,且呈现波动缓慢增长趋势,在2013年达到最大值(4.92 亿元)后随即下降,2015年生态补偿差异缩小至2.18 亿元。研究时段内,武汉城市圈和襄荆宜城市群各地市经济发展处于相对平衡状态,但是由于湖北省在发展进程中,对环境污染治理投资较少,导致其生态补偿标准较低,因此在未来发展中应加强对环境保护的重视与投资力度。

3 结论

基于2000—2015年面板数据,采用三维生态足迹模型和基尼系数对长江中游城市群生态足迹、生态承载力进行测算,分析了其时空动态变化特征与空间平衡性,并依据研究区域生态服务供给和消费比重,确定各市生态补偿金额。主要结论为：

(1)2000—2015年长江中游城市群整体处于生态不可持续发展状态。生态足迹呈现快速增长的趋势,农牧业发展与化石能源消耗是生态足迹增长的主要原因;生态承载力波动下降,主要是由于耕地和林地面积受城市化影响而大幅度减少。因此,在推动长江中游城市群发展的同时,应加大对耕地、林地和草地等自然生态资源的保护力度,同时控制能源消费。

(2)从生态足迹的空间平衡差异看,2000—2015年长江中游城市群三维生态足迹综合基尼系数呈现波动变化,总体上处于“集聚程度较大”的区间范围,即研究区生态足迹在空间分布上不平衡。这反映出长江中游城市群人口分布、经济发展以及资源环境与三维生态足迹之间的发展关系不协调和空间分布不合理。

(3)2000—2015年长江中游城市群生态补偿支付区和补偿金额呈上升趋势,支付区与受偿区的生态补偿差异逐渐扩大。在城市群未来发展进程中,应加强中心城市辐射带动能力,经济发展较慢的地区,可适度加大发展力度,提高自身经济水平。