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生態(tài)模型傳承力安全研究
1992年加拿大經(jīng)濟學家里斯(Rees)提出了生態(tài)足跡的概念,并在1996年與其博士生瓦克納格爾(Wackernagel)共同研究得到了衡量區(qū)域資源利用與生態(tài)承載力關系的生態(tài)足跡方法[1]。該方法從客觀形象的角度將人類一切活動所消耗的原始物質(zhì)及能源折合成生物生產(chǎn)性土地面積,并將其與區(qū)域內(nèi)所能提供的生物生產(chǎn)性土地面積對比,通過研究區(qū)域剩余的生態(tài)容量衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的程度[2]。生態(tài)足跡方法因其直觀、綜合操作性強的優(yōu)勢,被國內(nèi)外學者在不同尺度的區(qū)域生態(tài)安全評價和可持續(xù)發(fā)展研究上廣泛使用[3]。生態(tài)足跡理論及概念于1999年被引入國內(nèi),隨后有關生態(tài)足跡的研究在國內(nèi)迅速展開[4]。廣東省作為改革開放和經(jīng)濟發(fā)展的先行區(qū)域,其生態(tài)環(huán)境問題也一直受到各界的重視。早在2003年胡新艷等人就采用生態(tài)足跡模型對2001年廣東省生態(tài)容量進行了評價,研究結果顯示,由于能源消耗及耕地資源的大量流轉,廣東省生態(tài)占用遠遠超過其生態(tài)承載能力[5]。高長波等對廣東省1990~2002年的生態(tài)足跡及生態(tài)承載力進行了計算和動態(tài)分析,結果顯示在全球尺度上廣東省處于生態(tài)可持續(xù)發(fā)展狀態(tài),但是生態(tài)系統(tǒng)的壓力和強度甚高[6]。劉強等基于生態(tài)足跡與生態(tài)承載力對廣東省各市2006年生態(tài)補償進行了量化分析,結果表明各地級市均呈現(xiàn)生態(tài)赤字狀態(tài),且赤字水平由珠三角經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)向外逐漸遞減[7]。然而,目前的相關研究所引用的生態(tài)足跡模型均采用全球尺度的參數(shù),并沒有考慮土地利用及生產(chǎn)力的區(qū)域性特征,從而導致計算結果存在一定的偏差。因此本文從“國家公頃”的角度出發(fā),基于我國各類生產(chǎn)性土地的相互關系和廣東省土地的平均生產(chǎn)力,構建生態(tài)足跡的改進模型,并計算了1996~2008年間廣東省的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力變化,更為準確地評價了廣東省的生態(tài)空間供需狀況。
1“國家公頃”生態(tài)足跡模型“國家公頃”的概念是相對全球尺度提出來的,是指國家土地平均生產(chǎn)力的標準面積,為在國家生產(chǎn)力水平上衡量省際土地供需量提供了方法。傳統(tǒng)的生態(tài)足跡模型將生態(tài)生產(chǎn)性土地劃分成相對獨立且不相重復的耕地、林地、牧草地、水域(不包括海洋)、化石燃料用地和建筑用地六大類,按照全球平均產(chǎn)量將消費項目轉換成土地面積,并利用均衡因子將各類生物生產(chǎn)性土地面積轉換成可以運算的總面積,即得到研究區(qū)域土地需求量,然后運用產(chǎn)量因子和區(qū)域土地面積計算得到區(qū)域土地供給量。在“國家公頃”生態(tài)足跡模型中,用全國單位公頃土地的平均生產(chǎn)能力與省際各地類生物產(chǎn)量計算得到的均衡因子和產(chǎn)量因子替代傳統(tǒng)模型中全球尺度的相應參數(shù)。
1.1“國家公頃”生態(tài)足跡模型中的轉換因子
1.1.1全國平均產(chǎn)量全國平均產(chǎn)量是指單位公頃土地上生物作物的產(chǎn)量[1],即:
1.1.2均衡因子均衡因子是為不同類型的土地消除生物生產(chǎn)力差異從而轉化成可比較的標準面積的轉換因子[8]。“國家公頃”的均衡因子是通過各類土地平均生物生產(chǎn)力占全國全部土地平均生物生產(chǎn)力的比例計算得到的,其計算公式為:式中,ri是國家第i類土地的均衡因子;代表第i類土地的平均生產(chǎn)力(109J/hm2),代表全國全部土地的平均生產(chǎn)力(109J/hm2),Qi表示第i類土地的總生物產(chǎn)量(109J),Si表示第i類土地的生物生產(chǎn)性面積(hm2);表示第i類土地的第k種生物產(chǎn)品產(chǎn)量(kg),表示第i類土地上第k種生物產(chǎn)品的單位熱值(103J/kg)。
1.1.3產(chǎn)量因子不同區(qū)域因氣候環(huán)境、生產(chǎn)技術和社會經(jīng)濟等差異會導致同類土地生物生產(chǎn)力不同,因此需將省域各類土地平均生產(chǎn)力與同類全國土地平均生產(chǎn)力相比,得到產(chǎn)量因子,從而把省際生物生產(chǎn)性土地而換算成“國家公頃”的標準面積。產(chǎn)量因子的計算公式如下:其中,指j省第i類土地的產(chǎn)量因子,指j省第i類土地的平均生產(chǎn)力(109J/hm2),代表全國第i類土地的平均生產(chǎn)力(109J/hm2),表示j省第i類土地的總產(chǎn)出(109J),表示j省第i類土地的總面積(hm2),Qi表示全國第i類土地的總生物產(chǎn)量(109J),Si表示全國第i類土地的總面積(hm2),代表j省第i類土地的第k種產(chǎn)品的年產(chǎn)量(kg),其他系數(shù)如上式(2)中含義一樣。
1.2“國家公頃”生態(tài)足跡模型的計算方法瓦克納格爾等學者在假設人類能確定資源、能源消費及廢棄物數(shù)量并折算成相應的不重復的生物生產(chǎn)土地面積等條件成立的基礎上,將生態(tài)足跡模型概括為三個部分,即生態(tài)足跡計算、生態(tài)承載力計算和生態(tài)盈余/赤字的計算[8]。
1.2.1生態(tài)足跡的計算根據(jù)生物生產(chǎn)性土地的六大分類,可以將生態(tài)足跡的計算概括為生物資源賬戶、能源資源賬戶和建設用地賬戶核算三個方面,其中生物資源賬戶包括了耕地、林地、草地和水域四類用地,能源資源賬戶核算用于計算化石燃料用地的生態(tài)足跡,建設用地生態(tài)足跡的計算方法與其承載力計算方法相同[1]。(1)生物資源賬戶。生物資源的生態(tài)足跡計算是將不同生物生產(chǎn)性土地的面積通過均衡因子轉換成可比較的統(tǒng)一生物生產(chǎn)性面積,其計算方法如式(4)所示。(4)式中,efi為人均生態(tài)足跡(nhm2?人-1),i為消費商品及投入的類型,j為土地類型;rj為第j類土地的均衡因子,aai為第j類土地上第i種生物產(chǎn)品轉化的人均土地需求面積(hm2?人-1),ci為區(qū)域第i類消費品的人均消費量(kg?人-1),epi為第i類消費品的全國平均產(chǎn)量(kg/hm2)。其中,廣東省消費品的人均消費量由年人均總生物產(chǎn)量代替,并通過徐中民提出的價值比例換算方法[9]調(diào)整得到人均生態(tài)足跡,即按照產(chǎn)品凈貿(mào)易量占總產(chǎn)量的價值比例扣減對應生物生產(chǎn)性面積。(2)能源消費賬戶。能源消費賬戶的生態(tài)足跡是通過核算吸收人類經(jīng)濟活動消耗的化石燃料所需的林地面積得到的,在此采用碳匯法計算化石燃料用地的生態(tài)足跡,其方法如下[10]:(5)式中,efc為吸納化石能源排放CO2的人均土地面積(nhm2?人-1),rc為林地的均衡因子,f為人均CO2的排放量(t),是通過人均標準煤年消耗量與有效氧化系數(shù)和單位標準煤的含碳量的乘積計算得到的,其中,有效氧化系數(shù)為0.982,單位標準煤含碳量為2.67t[11],且人均CO2排放量中只有2/3的CO2被林地吸收,1/3被海洋吸收;ω為每公頃林地所能吸納的CO2量,根據(jù)IPCC的報告顯示每公頃林地吸收CO23.67t[12]。
1.2.2生態(tài)承載力的計算生態(tài)承載力是指區(qū)域能夠提供的生物生產(chǎn)性土地面積的綜合,即可視為區(qū)域生態(tài)足跡供給量。(6)式中,ecj表示j類土地的人均生態(tài)承載力(nhm2?人-1),a為j類土地的人均生物生產(chǎn)性面積(hm2?人-1),rj為j類土地的均衡因子,yj是產(chǎn)量因子。
1.2.3生態(tài)盈余/赤字的計算將代表區(qū)域生物生產(chǎn)性土地面積供給量的生態(tài)承載力與代表生物生產(chǎn)性土地面積消費需求量的生態(tài)足跡相減,就能得到判斷區(qū)域生產(chǎn)性土地是否滿足消費需求的生態(tài)盈余/赤字。(7)式中,ed為人均生態(tài)盈余/赤字(nhm2?人-1),ec為人均生態(tài)承載力(扣除12%的保留生物多樣性用地),ef為人均生態(tài)足跡,是生物資源賬戶、能源消費賬戶和建設用地賬戶三類賬戶人均生態(tài)足跡的綜合。當ed>0時,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)為生態(tài)盈余,表明該地區(qū)的生態(tài)承載力足以承受人類對自然生態(tài)系統(tǒng)的消費,區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展為可持續(xù)狀態(tài);當ed=0時,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)處于發(fā)展均衡狀態(tài);當ed<0時,區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)為生態(tài)赤字,說明該地區(qū)人均占用資源量超過了自然資源的生態(tài)承載能力,區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展為不可持續(xù)的狀態(tài)。
2數(shù)據(jù)整理與計算結果
2.1數(shù)據(jù)整理通過收集和整理,將全國及廣東省1996~2008年間農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)和漁業(yè)的生物產(chǎn)量共計43個項目的動態(tài)數(shù)據(jù),分別對應于耕地、林地、草地和水域,再按照《農(nóng)業(yè)技術經(jīng)濟手冊(修訂版)》[13]的生物產(chǎn)品單位熱值統(tǒng)計,將每種生物產(chǎn)品產(chǎn)量轉化為能量的形式,并通過上述(2)、(3)式計算得到了歷年全國各類土地的均衡因子與廣東省的產(chǎn)量因子。其中,把水果對應的生物生產(chǎn)性土地歸為耕地,耕地數(shù)據(jù)為原園地與耕地數(shù)據(jù)加總,草地面積為原牧草地與未利用地面積的總和,水域為其他農(nóng)用地(即養(yǎng)殖水面和坑塘水面)與河流湖泊的面積之和。通常情況下,化石燃料排放的CO2是由林地吸收,因此化石燃料用地的均衡因子與林地相同,而建設用地的擴張通常是占用耕地,所以其產(chǎn)量因子與耕地相同。將廣東省生物資源消費賬戶分為27項,能源消費賬戶分為20項,全國平均產(chǎn)量參照李智強相關研究中的數(shù)據(jù)[14],分別計算得到1996~2008年廣東省各類土地利用的人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力。其中,由于化石燃料用地是通過轉換成吸收CO2的林地面積核算的,為不重復細算林地生態(tài)承載力,將化石燃料用地的生態(tài)承載力記為0,建設用地的生態(tài)承載力與其生態(tài)足跡相同。計算數(shù)據(jù)分別來源于《中國統(tǒng)計年鑒》(1997~2009)[15]、《廣東農(nóng)村統(tǒng)計年鑒》(1997~2009)[16]、《中國能源統(tǒng)計年鑒》(1997~2009)[17]和廣東省土地變更調(diào)查統(tǒng)計資料。
2.2計算結果與分析
2.2.1均衡因子基于“國家公頃”的土地均衡因子如表1所示,我國單位面積耕地的相對平均生產(chǎn)力最高,其次是林地、水域和草地,隨著近年來土地利用結構和生物性生產(chǎn)作物結構的變化,耕地相對平均生產(chǎn)力總體呈現(xiàn)下降趨勢,草地和水域的相對平均生產(chǎn)力則不斷增加。
2.2.2產(chǎn)量因子1996~2008年廣東省各類土地的產(chǎn)量因子如表2所示,由表中數(shù)據(jù)可見,廣東省各類土地產(chǎn)出水平較高,其中林地的產(chǎn)量水平與全國平均水平相當,耕地、草地、水域的產(chǎn)量水平均高于全國平均水平,13年間的平
2.2.3人均生態(tài)足跡通過計算,得到1996~2008年間廣東省各類土地的人均生態(tài)足跡如表3所示,廣東省人均生態(tài)足跡呈現(xiàn)出先下降再上升的總體態(tài)勢,其中各地類人均生態(tài)足跡所占比重及其變化趨勢又各有不同。耕地人均生態(tài)足跡呈現(xiàn)明顯的下降趨勢,從1996年的0.6075nhm2?人-1下降到2007年的0.4186nhm2?人升幅度高達103.37%,說明城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展推動了廣東省生產(chǎn)生活中能源消費的迅速增加,需要留作吸收CO2的化石燃料用地需求也在逐步擴大。另外,人均草地生態(tài)足跡與人均水域生態(tài)足跡也呈現(xiàn)出持續(xù)增長的態(tài)勢,分別從1996年的0.0003nhm。從整體構成比重來看,耕地人均生態(tài)足跡占總生態(tài)足跡的比重在下降,而草地、水域和化石燃料用地的人均生態(tài)足跡占總生態(tài)足跡的比重在持續(xù)上升,林地與建設用地的人均生態(tài)足跡比重呈現(xiàn)上升且有微弱波動的趨勢。綜合上述人均生態(tài)足跡變化可知,隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,1996~2008年期間廣東省的消費結構發(fā)生了一定的變化,對糧食作物的依賴程度正在逐漸減小,對水果和水產(chǎn)品的消費正在逐步增加,對建筑用地與能源的需求逐步提高。
2.2.4人均生態(tài)承載力1996~2008年廣東省人均生態(tài)承載力組成及變化數(shù)據(jù)如表4所示,土地利用總生態(tài)承載力波動較大但總體呈現(xiàn)下降趨勢,其中人均耕地生態(tài)承載力的比重最大,其總體下降趨勢也最為明顯,從1996年的0.4300nhm2?人-1下降到2008年的0.3061nhm2?人-1,占人均生態(tài)承載力的比重由72.24%下降到65.74%;人均建筑用地的生態(tài)承載力比重從24.19%上升至29.40%,顯示出微弱的上升態(tài)勢,同時,牧草地和水域的人均生態(tài)承載力也均呈現(xiàn)出微弱的上升趨勢,分別從1996年的0.0010nhm,而林地的人均生態(tài)供給卻持續(xù)下降,由0.0104nhm2?人。由此可見,建筑用地的擴張和農(nóng)業(yè)內(nèi)部產(chǎn)業(yè)調(diào)整帶動的土地利用結構調(diào)整是導致1996~2008年廣東省人均生態(tài)承載力變化的主要原因。在扣除12%的生物多樣性預留地的前提下,將人均生態(tài)承載力與人均生態(tài)足跡相減,得到表5中廣東省各類土地的人均生態(tài)盈余/赤字。數(shù)據(jù)結果顯示,人均耕地、林地和建設用地持續(xù)出現(xiàn)供給赤字,其中人均耕地供給赤字在1996~2005年間呈現(xiàn)下降趨勢,并在2005年出現(xiàn)微弱的供給盈余,而后又持續(xù)出現(xiàn)赤字;在其他地類中,林地人均生態(tài)赤字顯著上升,建設用地的人均生態(tài)赤字持續(xù)波動但變化不大,與此同時,草地與水域的生態(tài)供給由盈余轉向赤字,并不斷擴大�?傮w而言,1996~2008年間廣東省生態(tài)土地供給持續(xù)赤字,人均生態(tài)赤字呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。行為效應大約滯后兩年。
3結論
本文通過計算國家公頃定義下各類土地的均衡因子和廣東省的產(chǎn)量因子,得到了1996~2008年年間廣東省人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力,從國家尺度上更準確的衡量了廣東省土地供需量的變化。與傳統(tǒng)全球尺度的生態(tài)足跡模型(均衡因子與產(chǎn)量因子均引用瓦克納格爾等人的值)[1]結果相比較(如圖2),國家公頃生態(tài)足跡模型縮小了全球模型中因忽略區(qū)域土地生產(chǎn)力差異性而引起的誤差,更精細的突出了人均生態(tài)足跡逐年的變化趨勢,而人均生態(tài)赤字計算結果也有較大的區(qū)別。從變化趨勢上看,由全球公頃模型計算的人均生態(tài)赤字從1997年起呈現(xiàn)不斷上升的趨勢,尤其是在2003~2005年期間飛速上升,而國家公頃模型計算得到的人均生態(tài)赤字在研究期間經(jīng)歷了先下降后上升的過程,且波動幅度和變化范圍較小;從人均生態(tài)赤字數(shù)值結果來看,全球公頃計算結果相對國家公頃計算結果較大,前者為后者的6倍左右,由此進一步證明了全球尺度計算得到的土地供需量相對于國家尺度的計算結果有較大的誤差。雖然國家公頃生態(tài)足跡模型計算得到的人均生態(tài)赤字相對全球尺度的計算結果較小,但是在研究時段內(nèi)廣東省人均土地生態(tài)供給依然持續(xù)呈現(xiàn)赤字狀況,說明1996~2008年間廣東省社會經(jīng)濟發(fā)展過于依賴自然生態(tài)資源,導致其透支現(xiàn)象明顯,而生態(tài)赤字的累積性和自然生態(tài)功能恢復的長久性必然導致區(qū)域發(fā)展處于不可持續(xù)狀態(tài)。另一方面,在人均收入增加引起人均生態(tài)赤字增長的同時,也對未來減緩生態(tài)赤字起到了一定的作用,說明廣東省在經(jīng)濟發(fā)展的同時,對生態(tài)環(huán)境的保護行為有一定的效果但效應有所滯后。因此,廣東省在協(xié)調(diào)人口、經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境均衡發(fā)展方面仍需進一步深入實施轉變經(jīng)濟增長方式、提升自主創(chuàng)新水平、倡導企業(yè)和個人的綠色消費行為等關鍵舉措。低。評價結果還顯示,廣州市在生態(tài)文化建設方面有待提升,其生態(tài)文化準則層得分較低的原因主要因為公眾調(diào)查中對城市環(huán)境的滿意率不盡如人意,且大專以上受教育人口比例不高,且其生態(tài)制度方面的建設也有待加速。4結論城市生態(tài)文明建設的評價方法研究是我國生態(tài)文明建設過程中的一項重大實際需求,也是目前學界的研究熱點之一。本文以經(jīng)濟發(fā)達城市為研究切入點,按照其生態(tài)文明建設的現(xiàn)階段特征,使用層次分析法原理構建了包含37項單項指標的經(jīng)濟發(fā)達城市生態(tài)文明建設評價指標體系,并用北上廣深等一線城市數(shù)據(jù)對評價體系進行了時序數(shù)據(jù)和橫截面數(shù)據(jù)的案例應用,驗證了模型的有效性和實用性。評價結果顯示,深圳在2001~2010年生態(tài)文明建設水平逐步提高,特別是生態(tài)環(huán)境和生態(tài)制度建設方面進步顯著,4個一線城市中,深圳市生態(tài)文明建設水平相對較優(yōu),下一階段,北京市需要在生態(tài)環(huán)境方面,廣州市需要在生態(tài)文化和生態(tài)制度方面加強建設力度。本研究既可為經(jīng)濟發(fā)達城市提供生態(tài)文明建設評價技術,也可為我國其他類型地區(qū)生態(tài)文明指標體系研究提供參考和借鑒。限于筆者水平所限,評價體系在指標選取如何更具操作性、歸一化限值如何更具客觀性、評價指數(shù)的表達如何更具權威性方面仍存在一定不足之處,還需要進一步改進和完善。
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