基于三维生态足迹模型的上海市生态安全研究

关青青

摘要：生态足迹指标是评价区域生态环境状况和资源利用状况的有效工具之一，本文选用三维生态足迹模型和生态安全评价指数，刻画上海市不同类型土地生态足迹和足迹广度与深度的2010—2018年的时序动态分析，并评估其生态安全状况。结果表示，2010—2018年上海市总三维生态足迹变化与能源用地足迹呈现基本相似的下降走势;人均生态足迹深度持续增长及足迹广度逐步减少，生态压力水平持续增大及生态赤字现象持续严重;生态经济协调指数处于低水平，经济发展和环境生态不平衡。上海市应积极采取战略对策，满足城市快速发展的土地需要，重视城市安全状况和文明构建，保证城市生态安全迈向更高水平。

关键词：三维生态足迹;足迹广度;足迹深度;生态安全评价指数

中图分类号：X36文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）09-0247-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

生态安全是地区安全能力建设和安全管理体系的重要部分，体现着地区间的竞争力水平与环境生态状况[1]，能够破解经济发展与环境保护并行的问题，保障人民群众优美环境和健康需求。同时，在社会经济文明建设的大方向下城市生态安全研究已是各界学者所关注和探讨的热点，既是现实所需又是未来可持续发展战略的重要领域。生态足迹（Ecological Footprint）是衡量一个地区可持续发展水平较为全面的方法，1992年由加拿大生态经济学家William Rees提出，后经其学生Wackernagel进行深化的理论方法[2-3]。在此基础上Niccolucci等新增足迹广度和足迹深度指标，使传统二维平面认识扩展到三维时空尺度，为生态安全研究更新了新方法[4-5]。方恺等将三维生态足迹概念方法引进国内并改进优化[6]，深化了生态可持续发展的量化研究并应用于中国分省、全国及全球尺度进行实证探究[7-8]。生态足迹的方法多应用生态安全方面的分析，生态足迹指标是评价区域生态环境状况和资源利用状况的有效工具之一，应用该模型能够有效分析社会经济发展和自然生态系统的协调性。三维生态足迹模型是国际最新研究进展，我国正处于从二维向三维研究的过渡阶段[9-16]。本文选用三维生态足迹模型和生态安全评价指数，刻画上海市不同土地类型的生态足迹和足迹广度与深度的2010—2018年的时序动态分析，并评估其安全状况为城市生态保障和可持续提供重要基础和科学依据。

2 研究区域概况

2.1  区位概况

上海是金融贸易和科技创新中心，是国际化现代化特大型大都市，地处于南北海岸中央之处及长江黄浦江入海之地，东濒东海，南临杭州湾，西接江苏与浙江两省，位置介于东经120°52′E-122°12′E，北纬30°40′N-31°53′N之间[17]，地理位置优异独特、经济实力雄厚但自然资源相对贫乏，人类活动强度极大。新的时代条件下，人民美好生活同物质文化水平高需求，环境安全方面提出更高要求，随着中国城市化历程发展迅猛，城市生态安全已是关乎人民幸福未来的要事。上海市是我国经济化最活跃、城市化最高的地区之一，同时也是生态安全问题最突出的地区之一，人多地少，承载有限，生态环境保护的压力较大，上海作为人口集聚与高度开放的城市生态系统，具有典型性和代表性[18-19]。

2.2  生态安全现状

根据《2019年上海市生态环境状况公报》所发布数据显示，上海环境空气方面质量大体改善，但臭氧污染仍较显著;水环境方面由于持续加大截污治污力度，地表水环境质量有序改善，而影响全市地表水环境质量状况的主要污染指标仍为氮磷，地下水水质与海洋水环境总体保持稳定态势;土壤环境质量方面农用地土壤环境总体较好;全城整体生态环境状况评价等级为“良”[20]。然而本市生态安全问题仍突出，表现为经济社会发展同生态环境保护不够平衡协调，资源环境承载能力超限负重，城市发展与环境基础设施处理能力水平不相匹配，能源结构产业比重偏高，交通运输污染问题显现，局部环境矛盾表现突出，全社会环境治理体系不够健全等现实问题显著。生态安全问题既是上海生态之城建设的短板瓶颈，也是进一步持续发力的方向。城市生态环境是地区经济实力和社会建设的重要基础和战略资源，推进上海生态安全型城市发展要求，可为城市构建社会—经济—自然的复合生态系统提供动力和支撑。城市发展任重而道远，明确上海城市总規划（2017—2035年）奋斗目标，对标国际最高标准水平，探索上海市构建卓越全球城市之路。

3 数据来源和研究方法

3.1 数据来源

依据生态足迹模型和区域实际状况，主要选取2010—2018各年上海市的统计年鉴、国土资源、社会经济数据等，收集生物资源产量与化石能源消费两类六种数据类型。因选择的上述消费品单位面积的生物产能具有较大不同，在运算过程中需要利用均衡因子与产量因子来折算成相应的土地面积。本文均衡因子选用2018年Global Footprint Network National Footprint Accounts数据[22]，耕地为2.52、林地为1.29、草地为0.46、水域为0.37、建设用地为2.52、能源用地为1.29;产量因子选用2010年刘某承的测算[23]，耕地为1.74、林地为0.86、草地为0.51、水域为0.74、建设用地为1.74、能源用地为0。具体数据细则及来源见表1：

3.2  研究方法

3.2.1  三维生态足迹模型

三维生态足迹模型由传统二维方法演变而来，是足迹广度（EFsize）和足迹深度（EFdepth）相乘得到的一个时空计算方法。在模型中，足迹由圆圈表达发展描述为一个圆柱体表达，EFsize表示圆柱体的底面积，EFdepth表示圆柱体的高度。圆柱体的底面积减小表明广度越小，圆柱体的高度增高表明深度越大，说明库存消耗就越快，人类消费的可持续性就越差，反之亦然，具体由图1所示[6]。

其中，足迹深度具有时间属性，指维系区域现有资源的消耗水平理论上所需的土地面积倍数，它表明超出区域生态承载力范围的消费自然资本存量的水平;足迹广度具有空间属性，指区域生态承载力限度内实际上占用的生物生产性土地面积，表明占用自然资本流量的程度。其计算公式为：

[EFsize=i=1nmin{EFi，BCi}]

[EFdepth=1+EDBC=1+i=1nmax{EFi-BCi，0}i=1nBCi]

[EF3D=EFsize×EFdepth]

式中：EF表示生态足迹;BC表示生态承载力（需减除12%的生物多样性保护面积）;ED表示生态赤字;EF3D表示三维生态足迹;EFdepth表示足迹深度、EFsize表示足迹广度;1表示自然深度。

3.2.2 生态安全评价指标

（1）生态压力指数

ETI=ef/bc

式中：ETI为生态压力指数;ef是人均生物资源生态足迹;bc是人均生态承载力。该指标表现区域发展生态经济环境的承压程度。

（2）生态占用指数

EOI=ef/ef

式中：EOI是生态占用指数，ef是该时期的全球人均生态足迹。该指标表示区域经济发展程度和人均消费能力。

（3）生态经济协调指数

EECI= EOI/ETI

式中：EECI是生态经济协调指数。该指标表示地区经济水平与环境生态协调平衡状态。

野生动物基金会（World Wildlife Fund International）为保证指标评价的合理性，根据全球数据定制了等级划分标准[24]，具体见表2所示。

4 结果分析

4.1 三维生态足迹变化

由图2可看出，2010—2018年上海人均三维生态足迹与能源用地足迹变化走向相似，总体上呈现下降的走势，计算所得人均三维生态足迹由2010到2018年减少率约为10%，能源用地足迹减少率约为8%;耕地用地足迹图幅上整体呈微弱下降走势;林地、草地、水域与建设用地的足迹微小对整体的足迹发展作用也较小。上海城市建设任务繁重，制造业占比较高，能源构成具有“富碳”及“偏重”的重大安全问题[25]，时间序列结果上呈现的能源用地足迹走向的下降变化，反映出上海市近年来提倡的绿色节能减排、产业结构调整策略有所成效，然而能源消费依旧是当前与未来城市环境污染的主要源头，由此可见能源用地对上海市总体足迹脚步具有关键性作用。

4.2 人均生态足迹深度与广度变化

由图3可看出，2010—2018年上海人均生态足迹深度表现为整体增加趋向，数值上由2010年27.5418hm2/人波动增长至2018年36.4780hm2/人，计算所得增长率约为33%，结果表明上海的自然资源消耗已经超出其再生速度，资本存量的消费水平日渐增加。上海的人均生态足迹广度在2010—2018年间呈持续下降趋势，由2010年0.1073hm2/人波动减少至2018年的0.0728hm2/人，计算所得减少率约为32%，这表明了上海的自然资本流量占用的日渐减小。人均生态足迹深度持续提升，足迹广度逐步缩小，二者的反向足迹说明了上海的生态压力程度逐年升高，生态赤字状况持续严峻，环境负荷状态延续加强，沉重了生态安全水平负担。

4.3  生态安全评价

由图4可看出，2010—2018年上海生態压力指数（ETI）均大于2且整体上表现为升高趋向;生态占用指数（EOI）年际始终位于1.012到3.013之间;城市生态经济协调指数（EECI）均低于1。结果说明了上海区域经济发展程度和人均消费水平较富裕，但城市环境承压程度居于极不安全的状况，社会经济和环境生态属于不协调不持续状态。生态与经济良性和谐的发展环境是城市综合实力的构成要素，是全球城市得以健康可持续发展的坚实基础，是推进城市高质量发展的关键之处，上海应探寻生态与经济良性和谐的发展模式，奏鸣城市生态建设与环境民生改善的主旋律。

5 结论

上海在城镇化建设高速发展的阶段，生态安全状态表现出不可持续的波动，生态环境压力水平不断增大。根据所得人均生态足迹的组成及生态安全评价状况可见，能源用地占据很高比例，生态赤字现象严重，以及城市的快速发展和人们生活收入水平的富裕使得对自然资源的索取、对生物资源的需求的较高，阻碍了上海生态文明城市的践行脚步。由此，上海市持久发展应该在现有的生态承载力范围内，尊重环境现状要求的前提下进行，着力构建上海节约资源和环境保护的空间结构和产业布局，为广大人民创建美丽绿色、生态宜居的生产生活条件。生态足迹评价方法应用于区域分析略显狭窄，仍存有些缺憾，我们要辩证地思考上海足迹水平较高和生态安全严重的问题。人民城市为人民建，上海市应积极采取对策，适应城市迅速发展的土地需要，重视城市安全状况和城市文明构建，持续推动区域环境健康质量改善，满足人民日益提升的富裕及幸福生活要求，维系城市生态安全水平迈向更高标准。

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【通联编辑：朱宝贵】