基于生態足跡模型的安徽池州市可持續發展研究

1生態足跡與可持續發展指數生態行為分析方法是一種測量和生態可持續發展的定量方法，也是一種測量和影響人類活動與生態系統之間的新形式。生態足跡模型通過跟蹤人類利用的消費品和產生的大部分廢棄物,估算生產和維持這些消費品的資源以及同化廢棄物所需要的生物生產性土地面積,將生態足跡與研究區實際的生態承載力進行對比可揭示出研究區的可持續發展狀況,由于其新穎的視角倍受世界各國關注,被譽為是近20年來定量測量可持續發展領域最重要的進展。生態足跡(EcologicalFootprint,EF)是指在一定的經濟規模條件下,維持特定人口的資源消費和廢棄物消納所必需的生物生產土地面積,包括化石能源地、耕地、林地、草地、建筑地、水域6種類型。生態足跡概念最早由Rees于1992年提出,Wackernagel對其理論、方法作了進一步完善,其基本思想是將人類消費需要的自然資產轉化為土地面積,并于自然界提供的自然資產(生態承載力)進行比較,以此來判斷人類對自然資產的過度利用情況。以生態足跡表征人類可持續發展狀況有6個假設前提:(1)人類對資源的消費量和廢物流量可折算為土地面積;(2)可獲得資源的年消費量和產生的廢物量;(3)可賦予不同類型土地面積一定權重,將其轉換成一個標準化的全球公頃單位;(4)各種土地利用都是排他性的;(5)人類消費需要的自然資產與自然提供自然資產可直接對比;(6)人類需求可超過供給。國際上生態足跡研究方法主要有三種:(1)綜合法,由Wackernagel等創立,是應用最長、范圍最廣的一種方法;(2)成分法,由Simmons等于1998年提出,主要應用于小尺度生態足跡的研究;(3)投入產出法,由Bicknell等提出,并經Ferng、Lenzen、Senbel等進行了改進,在國際貿易、消費、產業等經濟領域應用較廣。生態足跡方法自提出以來,在全球、國家尺度上得到了廣泛的應用。世界野生生物基金會(WWF)決定自2000年起每兩年公布一次世界各國的生態足跡,目前已有20多個國家利用生態足跡指標計算各類可持續發展和承載力問題。國內生態足跡研究始于1999年,理論研究多圍繞生態足跡理論與方法而展開,雖取得了不少成果,但與國外先進水平比較尚有一定差距,應用層面,多位學者采用不同研究方法在全國尺度[21~24]、省級區域尺度[25~28]、地(市)級尺度對生態足跡進行過靜態或時間序列研究。文獻檢索表明,學者對宏觀、中觀尺度研究較多,地(市)級的微觀尺度相對較少,近年來,我國地(市)級尺度區域城市化、工業化水平不斷提升,經濟發展迅猛,給區域生態環境帶來了較大壓力,研究其生態足跡并評價其可持續發展狀態意義重大。安徽省池州市是國家首個生態經濟示范區,也是“生態安徽”建設首批綜合示范市,其可持續發展狀態的動態測度研究具有代表性、典型性。2001年以來,快速發展的經濟對生態環境形成了較大壓力,可持續發展面臨較大挑戰,基于此,本文采用模型研究、文獻分析、比較研究等方法,研究2001~2010年生態足跡與生態承載力動態變化,旨在定量揭示出池州經濟發展對生態環境的影響,可為池州市政府準確把握可持續發展狀況提供依據,也可為同類地級市可持續發展測度研究提供示范。2池州市北帶地區北帶風導因子資源量和水文量池州市位于安徽省西南部,長江下游南岸,介于東經116°38′~118°05′,北緯29°33′~30°51′之間,總面積8272km2。池州市地貌類型以丘陵山地為主,氣候屬暖濕性亞熱帶季風氣候,年平均氣溫16.5°C,平均降水量1400~2200mm。植被類型具有北亞熱帶典型特征,有常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、落葉闊葉林、針葉林、竹林等,還有一些栽培的亞熱帶經濟林木。池州市擁有較豐富的森林、水、礦產等資源。水資源總量為67.9億m3,森林蓄積量為2570萬m3,森林面積466.67萬hm2,森林覆蓋率為57.85%。2010年,池州市總人口為160.46萬,GDP總量為300.84億元,城鄉居民人均可支配收入15997元,農民人均收入5827元。3數據來源與研究方法3.1能源轉換標準本研究中2001~2010年數據來源于池州統計年鑒(2002~2011),計算過程由二部分構成:生物資源生態足跡、能源生態足跡。生物資源主要包括農產品、動物產品、水產品、水果、木材和林產品。能源包括煤、石油、電力和天然氣。能源折算系數和熱能轉換標準選取學術界普遍采用值:1t原煤=0.7143tce,1t原油=1.4286tce,1m3天然氣=1.33kgce,1kWh電力=0.1229kgce,1kgce熱能=7000kcal,1kcal=4.1868kJ,1MJ=1×106J,1GJ=1×109J。全球平均足跡(ghm2),煤及煤制品為55GJ/ghm2·年,石油及石油制品為73GJ/ghm2·年,天然氣為93GJ/ghm2·年,電力為1000GJ/ghm2·年。3.2學習方法3.2.1生態足跡均衡因子生態足跡三種計算方法中,應用頻率最高的有綜合法、投入產出法,由Wackernagel等創立的綜合法,具有科學完善的理論基礎,形象明了的概念框架,精簡統一的指標體系,因而,得到了國內外學者和機構的廣泛應用,本文采用此方法,模型公式為:式中,ef為人均生態足跡;bc為人均生態承載力;ed(er)表示人均生態赤字或人均生態盈余;j為生物生產土地的類型,包括耕地、林地、草地、水域、能源用地、建筑用地6類;rj為j類土地利用的均衡因子;i為消費項目類型;ci為i商品的人均消費量;gpi和lpi分別指第i種消費項目單位面積的全球產量和研究區域平均產量;YFi指產量因子;nyi為第i消費項目的區域總產量。均衡因子、產量因子是影響生態足跡和生態承載力計算結果的關鍵因素。均衡因子不同學者或研究機構結果不一,劉某承等從凈初級生產力視角對中國各地生態足跡均衡因子作了測算。筆者認為,NPP是綠色植物在單位面積、單位時間內所累積的有機物數量,是由光合作用所產生的有機質總量中扣除自氧呼吸后的剩余部分,它直接反映不同生態系統中植物群落在自然或人工環境條件下的真實生產能力,因此,利用不同土地類型的NPP來計算均衡因子具有理論上的合理性,本研究采用其研究結果。國內外學者對產量因子的引用存在可變單產法、不變單產法、混合法(耕地、建筑用地產量因子依研究區域每年糧食平均產量與全球平均產量比較得出,其余采用Wackernagel在計算中國生態足跡時采用的值)三種,為了使計算結果具有可比性,本文采用不變單產法(表1)。3.2.2各因素之間的關聯分析灰色預測是一種對含有不確定因素的系統進行預測的方法。通過鑒別系統因素之間發展趨勢的相異程度,即進行關聯分析,并對原始數據進行生成處理來尋找系統變動的規律,生成有較強規律性的數據序列,然后建立相應的微分方程模型,從而預測事物未來發展趨勢的狀況,具體建模過程可參見文獻。4結果分析4.1生態足跡分析以池州統計年鑒(2002~2011)相關數據為基礎資料,利用公式(1),計算可得池州市人均生態足跡如表2;利用公式(2),可得池州市人均生態承載力如表3;利用公式(3)可得池州市人均生態足跡盈虧如表4。由表2、表3可知,2001~2010年,池州市人均生態足跡與人均生態承載力均有所上升,人均生態足跡由2001年的1.2458hm2/人增加至2010年的2.2483hm2/人,年平均增長11.14%;人均生態承載力從2001年的0.4013hm2/人上升至2010年的0.4217hm2/人,年平均增長0.23%,人均生態足跡增長速度明顯高于人均生態承載力增長速度。由表4的生態足跡供需狀況可以看出,2001~2010年池州生態足跡需求大于供給,生態足跡一直處于赤字狀態,赤字數量由2001年的0.8445hm2/人上升至2010年的1.8266hm2/人,年平均增長10.91%,上述結果表明:2001~2010年,池州市人類生產消費活動負荷超過了其生態安全度,生態供需矛盾尖銳,生態系統的不穩定性日漸增強。生態足跡增長源于人均消費物質量的不斷增加,生態足跡赤字不斷擴大意味著對自然資源利用強度的加劇。究其原因,同人口增加、居民消費水平上升及能源消費量增加有關,2001~2010年,池州市人口、居民消費水平、能源消費量年均增長率分別為0.43%、22.93%、65.17%。將人均生態足跡、居民消費水平、能源消費量進行偏相關分析,人均生態足跡與居民消費水平相關系數為0.844,t檢驗(雙側)的sig值(即P值)小于0.05,在0.05水平上顯著,人均生態足跡與能源消費量相關系數為0.945,t檢驗的sig值小于0.01,在0.01水平上顯著,表明池州人均生態足跡上升及生態赤字擴大同居民消費水平的提升、能源消費量的增加存在較大關聯。4.2生態行為結構的變化趨勢(1)根據池州市生態遺跡的組成圖1，從2001年到2010年，各種生態遺跡都呈現上升趨勢。耕地年上升幅度為0.35%，牧場年上升幅度為1.86%，水面年上升幅度為3.38%。林地年上升幅度為44.92%，下降幅度很小。金石能源地的年平均增長為83.75%。建設用地年平均增長為77.25%，增長幅度較大。分析其原因與經濟增長率和經濟結構有關。2001年至2010年，池塘經濟增長率為12.65%，2006年至2010年，年平均增長率為15.3%，超過安徽省經濟增長率的1.9個百分點，超過全國經濟增長率的4.1個百分點。它是快速發展的。就經濟結構而言，第二產業的比例從2001年的31.52%增加到2010年的46.62%。工業經濟和固定資產投資是經濟驅動的主要推動力。經濟的快速發展和第二產業的經濟結構需要足夠的資源和能源來支持。因此，石化能源和建設用地的生態軌跡迅速增加(2)生物資源足跡總體下降,但能源生態足跡的重要食由池州人均生物資源生態足跡與能源足跡比例構成(圖2)可以看出,人均生物資源生態足跡平均所占比例達76.11%,人均能源足跡平均所占比例為23.89%,說明池州居民物質生活水平的消費是導致較高生態足跡的主要因素,為生態足跡的主要貢獻者。2001~2010年,人均生物資源足跡總體呈下降趨勢,而人均能源生態足跡呈上升趨勢;2006~2010年,人均能源生態足跡所占比例平均達32.07%,為生態足跡的重要貢獻者。究其原因,同池州工業經濟的快速發展有關。2006年以來,池州實施了“工業強市”戰略,工業經濟呈高速增長態勢,工業經濟對經濟增長貢獻率由2005年36.37%提高到2010年的46.62%,工業經濟的快速增長需要消耗大量能源,由此形成了較高的能源生態足跡。4.3資源績效的對比分析池州市萬元GDP生態足跡(圖3)顯示:萬元GDP生態足跡由2001年的2.98hm2/萬元下降至2010年的1.20hm2/萬元,平均年降幅為19.78%。研究時期內,萬元GDP生態足跡降幅可發為兩個階段:2001~2004年,年降幅較少,平均年降幅為15.67%,2005~2010,降幅較大,平均年降幅為21.83%。之所以出現上述情況,同池州市的資源、能源績效有關,2000年池州撤地建市,在國家宏觀產能政策寬松及池州工業基礎薄弱的背景下,政府放松了高能耗、高排放、低效益企業的準入門檻,小水泥、小煤窯、小鋼鐵等企業(多是民營企業)紛紛上馬,這些企業設備落后,生產績效差,使萬元年GDP生態足跡較高。2005年以來,池州市政府積極響應國家號召,強力推進節能減排,淘汰了一大批小火電、小水泥、小煤窯等落后產能,優化了產業結構,同時,積極發展循環經濟,資源、能源利用效率逐步提高,從而,使萬元GDP生態足跡降幅明顯。4.4均生態痕跡分析由池州人均生態足跡、萬元GDP生態足跡與安徽省及全國平均水平比較表5可知,2003年,池州人均生態足跡均低于安徽省及全國平均水平,表明池州人均消費的物質量較少,經濟發展及居民消費水平較低,而生態赤字高于全國平均水平,表明池州生物供給力過小,土地的平均產出率較低。池州萬元GDP生態足跡均高于安徽省及全國平均水平,說明池州資源、能源利用率較低,經濟發展粗放,發展質量較差。4.5預測模型建立假設社會經濟和自然資源利用均維持現行發展趨勢(慣性發展情景),即影響生態足跡的居民消費水平、能源消費量因素與2001~2010年保持一致,以池州市2001~2010年人均生態足跡、人均承載力(表2、表3)及萬元GDP生態足跡值作原始數據序列,將其輸入灰色GM(1,1)預測模型系統,運行建模計算,可得預測結果如表6,預測檢驗如表7。(2)池州市經濟持續發展,生態痕跡加大由表6可知,池州市2015年人均生態足跡將達到3.2336hm2/人,2020年將升至4.4896hm2/人,人均生態足跡赤字2015年將擴大到2.7926hm2/人,2020年將增至4.0308hm2/人,由此表明:隨著池州市經濟的持續發展,居民消費水平與能源消費量的提高,池州市未來人均生態足跡將進一步攀升,人均生態赤字將進一步擴大,生態足跡供需矛盾會進一步加劇,發展的風險性和不穩定性增加,可持續發展將面臨巨大挑戰。萬元GDP生態足跡2015年將降至0.7501hm2,2020年降至0.4390hm2,表明池州節能減排尚有一定空間,能源利用率還可進一步提高。5人工干預生態痕跡下降,土地多種資源豐富,能源生態足跡上升,城市(1)依據生態足跡計算綜合法,以池州統計年鑒(2002~2011)相關數據為基礎,對2001~2010年安徽省池州市人均生態足跡作了測度分析,揭示出在研究時間序列內,池州市人均生態足跡與人均生態承載力均有所上升,但人均生物供給速度遠不及人均生態足跡需求速度,生態足跡一直處于赤字狀態,且赤字呈逐年擴大態勢,由此表明:池州市人類生產消費活動負荷已超過其生態安全度,生態供需矛盾尖銳,發展的風險性和不穩定性在增加,生態已處于不安全狀態。(2)居民消費所致的生物資源生態足跡所占比例高,能源消費所致的生態足跡所占比例低,但生物資源生態足跡呈下降態勢,而能源生態足跡呈上升態勢,2006~2010年,增幅最明顯。池州市萬元GDP生態足跡呈下降態勢,2001~2004年,降幅較少;2005~2010,降幅較大。(3)池州人均生態足跡與居民消費水平及能源消費量呈正相關,相關系數分別為0.844、0.945,是池州生態足跡變化的主要驅動因素。(4)灰色GM(1,1)模型預測表