生态足迹方法在武汉可持续发展研究中的应用

张长城，陈晓杰，张金亭

(1.湖北省地质局武汉水文地质工程地质大队，湖北 武汉 430051；2.武汉大学 资源与环境科学学院，湖北 武汉 430079)

随着人类社会经济高速发展，社会发展与资源之间的矛盾越来越严重，各种生态问题日益凸显，人类的生存环境受到了一定的威胁。因此如何准确评价人类活动对环境产生的影响，是实现可持续发展所要考虑的关键问题[1]。在20 世纪90 年代初期加拿大生态学家William Rees[2]首次提出了生态足迹的概念，在评价人类生存与社会发展对生态系统需求，反映其对生态系统的消耗量。生态足迹方法一经提出，得到国内外学者的肯定，被大量运用。国外学者在理论方面展开了大量研究，深刻认识到只有保护好生态环境，才能保证人类持续发展[3-5]。我国学者徐中民等[6]最早于1999 年首次使用生态足迹方法。此后国内研究主要集中在三个方面：一是理论研究方法，如产量因子的选择和模型的修正问题[7-8]；二是针对不同尺度的研究，分别从国家[9-10]、省域[11-12]、城市[13-14]等不同尺度展开实证研究；三是针对不同的领域，如能源消费、旅游、水资源等领域的区域可持续发展能力和生态安全分析评价等[15-17]。通过研究发现，对比分析地区生态承载力与生态足迹，可以得到人类生存对环境的消费程度，进而判断该区域目前所处的状态。基于此，本文选择武汉市为例，从其发展的不同阶段来分析生态足迹的影响因子变化规律。2000 年来，我国经济的迅速发展，城市快速发展，自然资源消耗越来越大，城市能否持续发展前景严峻[18]。城市是人类活动最集中区域，对自然生态系统影响也最大[19]，其生态承载早已超过自身最大限度[20]。由此带来不平等的土地利用，耕地面积减少，自然能源消耗，以及破坏环境等问题。

21 世纪以来，武汉市开始高速发展，迅速成为中部核心城市，城市化进程不断提速，相反耕地面积减少，土地利用越来越不均衡。因此，本文以武汉市为研究对象，运用生态足迹模型，分析2008—2019 年年间武汉市人均生态足迹、人均生态承载力、生态盈亏的趋势关系，同时通过生态压力指数和万元GDP 生态足迹等指标对武汉市城市化发展进行研究，表现为以城市发展为前提研究自然资源的变化，可以帮助政府部门在政策制定上有参考依据。

一 研究方法与数据来源

（一）研究区概况

武汉市地处湖北省东部，全市东西最大横距134 km，南北最大纵距约155 km，总面积达到8 569.15 km2，2018 年末，全市常住人口达到1 089 万人，实现地区生产总值1.56 万亿元。武汉市多年平均降水量1 261.2 mm，年平均气温15.8 ℃～17.5 ℃，极端最高气温41.3 ℃，极端最低气温为-18.1 ℃。总体来看，地形西北高，东南低，以残丘和平原地形为主，低山仅在黄陂区和新洲区出露。市区主要河流为长江、汉江，湖泊以东湖、汤逊湖、后官湖、金银湖、墨水湖等为主，有“百湖之市”的称号，作为长江经济带和中部地区的核心城市，武汉市的生态安全越来越重要。

（二）研究方法

1.生态足迹

生态足迹也就是“生态占用”，指的是能维持人、地区、国家生存所需要的资源或容纳排放废弃物的有生物生产力的土地面积，计算基于以下假设[21]：一是人类使用的资源和排放废弃物的数量；二是使用的资源和排放的废弃物能统一转换为生态生产性土地。主要为6 大类：可耕地、森林地、牧草地、建成地、水域和化石能源地。其计算公式如下[22]：

EF＝N×ef（1）

式中：EF为生态足迹的总和（hm2）；N为人口总数；ef为人均生态足迹（hm2/ 人）；aai为第i种消费项目折算的人均生态足迹值；rj为均衡因子（j＝1,2,3,…,6，表示6 种土地面积）；ci为第i种消费项目的人均消费量；pi表示第i种消费项目的平均生产能力（kg/hm2）。

2.生态承载力

生态承载力定义为特定区域实际最大提供给人类各类生态生产性土地( 包含水域面积)的总和，计算公式为[23]：

式中：EC为生态承载力的总和（hm2）；ec为人均生态承载力（hm2/ 人）；aj为人均生物生产面积；yj表示产量因子。

通过世界环境与发展委员会（WCED）发布的《我们共同的未来》可知，如果想保护生物多样性，必须存储不少于12% 的生态容量，所以本文在计算过程中扣减了12% 的保护面积。

3.生态赤字或盈余

用生态赤字或盈余来表示生态承载力和生态足迹比较结果，公式为：

ED＝EC-EF（4）

式中：ED为生态赤字或盈余，当ED＞0 时，表现为生态盈余，即生产生活所需的资源小于区域所能提供的资源，说明该地区土地利用、环境状况较好。当ED＜0 时，表现为生态赤字，即生产生活所需的资源大于区域所能提供的资源，区域生态压力大。

4.三维生态足迹计算

三维生态足迹是利用足迹深度和足迹广度来表示。足迹深度指的是人类消耗自然资源的程度，指的是人类对资本存量的利用水平。足迹广度指的是自然资源的产出量大小，指的是对资本流量的利用水平[24]。公式为：

式中：EFdepth和EFsize为足迹深度和广度；EFi指第i类土地的生态足迹，而ECi表示第i类土地的生态承载力。当EF≤EC时，表示生态盈余，EFdepth＝1。当EF＞EC时，表示生态赤字，EFdepth＞1。

5.生态压力指数

生态压力指数（EPI）为某一国家或地区人均生态足迹与生态承载力的比值，该指数以“经济—资源—生态”循环系统为基础，可作为区域承压能力。公式为[25-26]：

式中：EPI＜1 时，表示生产生活对生态系统的影响小，即生态系统处于平衡状态，生态压力较小。EPI＞1 时，则说明生产活动对生态系统影响大，存在生态安全的风险[27]。

6.万元GDP 生态足迹

该模型即生态足迹与生产总值的比值，在对二者进行量化比较，能比较真实客观地反映出一个地区在发展过程中对生态生产性用地的利用效率，其值越小，则表示资源利用率越高，反之利用率则越低[28]。公式为：

式中：GDPEF指的是万元GDP 生态足迹。

7.生态可持续指数

生态可持续指数（ESI）表示区域生态可持续利用的程度。公式为：

式中：EF、EC的含义同前。0 ＜ESI＜1，当ESI值越小，说明生态可持续性越弱，反之则越强。

（三）数据来源

以武汉市为研究区域，数据主要源于2009—2020 年《武汉市统计年鉴》《湖北省统计年鉴》和《湖北省农村统计年鉴》，武汉市生态足迹的计算包括两个方面，包括生物资源和能源污染账户。其中生物资源账户主要由农场品、林产品、畜产品和水产品等18 项消费项目组成。在世界粮农组织（FAO）数据库中检索生物资源产量。需要说明的是：国际贸易相对复杂，导致生物资源账户数据存在误差，本文在计算过程中，使用各个项目的产量来替代其消费量[29]。武汉市能源污染账户主要为原煤、汽油、焦炭、石油、电力等九项组成。其各个土地类型面积均衡因子和产量因子来自全球生态足迹网发布的《Working Guidebook to the National Footprint and Biocapacity Accounts》，为了方便统计，本文把化石能源地包含原煤、焦炭、汽油、石油和天然气，把电力列为建设用地。在自然资源部土地调查成果共享应用服务平台、湖北省自然资源厅的《国土资源公报》、武汉市自然资源和规划局等网站下载土地数据。

二 结果与分析

（一）人均生态足迹时间动态分析

通过表1 可知，2008—2019 年武汉市人均生态足迹表现为降低趋势，表现为：化石燃料用地＞水域＞草地＞耕地＞林地＞建设用地，化石燃料用地人均生态足迹所占比例最大，年均占比达到57.01%，建设用地人均生态足迹所占比例最小，年均占比为0.11%。

其中，耕地、草地生态足迹总体表现为下降趋势，耕地生态足迹由2008 年的0.271 5 hm2/ 人下降到2019 年的0.195 6 hm2/ 人，其年均生态足迹占比为7.90%。同期，草地由0.477 8 hm2/ 人下降到0.157 0 hm2/ 人，其年均生态足迹占比为10.58%。化石燃料用地生态足迹与总人均生态足迹变化一致，有所下降，主要因为武汉采取相关措施，如限制机动车出行和减少煤炭等化石能源的使用。除此之外，林地和建筑用地的生态足迹基本无变化，年均生态足迹变化率仅0.14%和0.11%。化石能源用地、水域和牧草地在6 类生态生产性用地占比很高，达到了91.84%，主要贡献了人均生态足迹，其中水域仅次于化石燃料用地，这与武汉水资源丰富息息相关。

表1 2008—2019 年武汉市人均生态足迹

（二）人均生态承载力时间动态分析

由表2 可知，2008—2019 年武汉人均生态承载力表现为持续下降趋势。表现为：耕地＞林地＞建筑用地＞水域＞草地，其中耕地生态承载力占总生态承载力的均值比重最大，其值为58.70%。耕地生态承载力与总人均生态承载力变化一致，表现为逐年下降趋势，由0.107 1 hm2/人降至0.074 4 hm2/ 人，其年均减少率为3.96%；林地所占比重仅次于耕地，同期也表现为下降趋势；草地和水域生态承载力占总生态承载力的比重也表现为下降趋势，草地由0.21% 下降到0.19%；水域由0.56% 下降到0.52%；只有建筑用地所占比重为上升趋势，由12.28% 上升到15.34%，由于总生态承载力在下降，表明占用的是耕地面积。从生态承载力的贡献而言，耕地、林地和建设用地三类生态生产用地成为主要贡献者。

表2 2008—2019 年武汉市人均生态承载力

（三）人均生态盈亏时间动态分析

由表3 可知，武汉市2008—2019 年生态盈亏表现为亏损状态，但是在逐年减少。由2008 年的2.909 2 hm2/ 人减少至2019 年的2.479 6 hm2/ 人，年均下降率为1.76%。生态盈余的仅有林地和建筑用地，其余四类均处于生态亏损状态，处于生态盈亏状态的生态生产性土地所占比例为：化石燃料用地（64.73%）＞水域（20.60%）＞草地（11.15%）＞耕地（5.18%）。耕地生态赤字由0.164 5 hm2/人减少至0.121 2 hm2/人，年均下降率为3.3%；草地生态赤字由0.477 4 hm2/人减少至0.156 8 hm2/人，年均下降率为11.6%；林地的生态盈余由0.029 hm2/人下降至0.021 1 hm2/人，年均下降率为3.5%；生态赤字变幅度最小为化石燃料用地和水域，变化趋势不明显。通过研究表明该地区总体盈亏在向好的方向转变，主要原因是在生态足迹的计算中，采用农产品产量代替消费量，所以导致生态赤字的下降原因并不是因为生态承载力提高。生态足迹主要评估区域人类活动对生态环境影响。其主要由居民生产生活方式和生态环境决定。

表3 2008—2019 年武汉市各土地类型生态赤字或盈余

（四）三维生态足迹的动态分析

由图1 可知，武汉市的足迹深度在2008—2019 年呈现先增加后减少的趋势，足迹广度表现为逐渐减少的趋势。相比较而言，武汉市足迹广度较低且变化幅度较为平缓，表现为逐年下降趋势，说明武汉市在发展过程中占用的资本流量越来越少。这一结论表明武汉市发展模式有所改变，即不再以资本存量换取经济发展，自然资本的可持续性利用增强。2008—2014 年足迹深度上升，表示该时期消耗了过多的资本存量，资源逐渐减少；2014—2019 年逐渐降低则说明武汉市发展模式发生改变，在生态文明建设的大力推进下，资本存量消耗逐渐减少。武汉市的足迹深度均较大，说明武汉市在资源的利用上需求大于供给，需要依靠资本存量或其他区域资本来补充。

图1 2008—2019 年武汉市足迹深度和足迹广度动态变化

（五）生态压力指数与生态可持续指数动态分析

由公式（7）和公式（9）计算出武汉市2008—2019 年的生态压力指数和生态可持续指数，如图2 所示。生态压力指数EPI 大体呈上升趋势，由15.74 上升至20.16，增加1.3 倍，年均增速为2.72%，表明武汉市生态超载严重，生态压力凸显。武汉市的生态可持续指数ESI 表现为2010 年以前下降，2010 年以后平稳波动。具体表现为由2008 年的0.059 7 下降到2011 年的0.046 0，之后几年一直在0.043 7 ～0.048 6 区间内呈平稳波动状态。总体来看，研究期内武汉市的生态可持续指数较低，武汉市可持续发展的压力较大，人类活动与生态系统的承受能力之间的矛盾依旧严峻。

图2 2008—2019 年武汉市生态压力指数和生态可持续指数动态变化

（六）万元GDP 人均生态足迹动态分析

运用武汉市2008—2019 年生态足迹数据和GDP，根据公式（8）计算出武汉市万元GDP 人均生态足迹，其可表示研究区的资源利用效率，如图3 所示。

武汉市万元GDP 人均生态足迹表现为逐年下降，由2008 年的0.703 7 hm2/ 万元下降到2019 年的0.180 3 hm2/ 万元，年均下降率为14%。这说明经济贡献在逐渐提高，武汉市的资源利用方式由以往的简单的粗放型向多样的集约型转变，产业结构优化。总的来说，研究区有明显的降低趋势，资源利用效率逐渐提高。

（七）总体变化趋势

由于武汉市人口基数大且增速快，2008—2019 年年间人口从897 万增长到1 121.2 万，使得武汉市的生态足迹较大，因此对武汉市的生态环境的影响加大。通过计算2008—2019 年武汉市人均生态足迹、生态赤字或盈余和生态承载力可以看出（图4），2008—2019 年武汉市人均生态足迹表现为降低趋势，由2008 年的3.106 6 hm2/ 人下降到2019 年的2.609 hm2/ 人，下降率为1.92%。主要原因为经济飞速发展和城市化加快，城市土地资源的供需问题日益凸显。首先占比最大的耕地面积在2008—2019 年年间由33.83 hm2下降到29.39 hm2，从而导致武汉市的生态可生产性土地减少。加之人口压力，使得武汉人均生态承载力逐年下降，由2008 年0.197 4 hm2/ 人下降到2019 年的0.129 4 hm2/ 人，下降率为4.58%。将二者的差值定义为人均生态赤字，由于2008—2019 年年间武汉市人均生态足迹基数大于人均生态承载力，所以其发展规律与人均生态足迹基本一致，由2008 年的2.909 2 hm2/人下降到2019 年的2.479 6 hm2/人，下降率为1.76%。武汉市的生态赤字在中国属于较严重生态赤字区，对照全球生态标杆1.6 hm2/ 人[30]，武汉属于非可持续性发展区域，表现为非可持续性状态。

图3 2008—2019 年武汉市万元GDP 生态足迹动态变化

图4 2008—2019 年武汉市生态足迹动态变化

三 结论和讨论

2008—2019 年年间武汉市人均生态足迹总体表现为降低趋势，各类生态土地中人均生态足迹占例化石燃料用地最大，建设用地最小。同时人均生态承载力也表现为降低，且下降速度快于人均生态足迹，因此武汉市生态赤字显著，在中国属于较严重生态赤字区，生态环境压力较大，其中生态赤字的出现主要是由于化石能源消费增加。足迹深度呈先增加后减少的趋势，表示资本存量被持续消耗的问题得到改善；而足迹广度变化平缓下降趋势，表示资本流量的占用逐年递减。

通过计算武汉市2008—2019 年生态压力指数、可持续指数和万元GDP 生态足迹，对武汉市的可持续发展情况进行评估。得出生态压力指数ETI大体呈上升趋，生态超载严重；生态可持续指数ESI表现为2010 年以前下降，2010 年以后平稳波动，总体处于强不可持续发展阶段；随着经济快速发展，武汉市万元GDP 人均生态足迹逐渐降低，可见经济贡献在逐渐提高，区域内资源利用效率得以改善；然而，人类活动与生态系统的承受能力之间的矛盾依旧严峻。

研究发现，为了促进武汉生态可持续发展，经济稳步增长，减少生态赤字，应该在农业发展中科学布局；推出共享经济，提倡环保出行，尽量减少化石能源使用量；加大耕地保护力度，以维持生态承载力平衡。

由于受到数据资料来源限制，本文利用生物资源产量值替代消费值，不能涵盖生物资源消费额中的贸易数据，因此得到的人均生态足迹时会存在一定偏差。