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郑州市土地资源可持续利用评价 生态足迹法 实验四 一 生态足迹起源及定义 生态足迹 也称 生态占用 在20世纪90年代初由加拿大大不列颠哥伦比亚大学规划与资源生态学教授里斯 WillianE Rees 提出 定义 它显示在现有技术条件下 指定的人口单位内 一个人 一个城市 一个国家或全人类 需要多少具备生物生产力的土地 biologicalproductiveland 和水域 来生产所需资源和吸纳所衍生的废物 生态足迹通过测定现今人类为了维持自身生存而利用自然的量来评估人类对生态系统的影响 比如说一个人的粮食消费量可以转换为生产这些粮食的所需要的耕地面积 他所排放的二氧化碳总量可以转换成吸收这些CO2所需要的森林 草地或农田的面积 因此它可以形象地被理解成一只负载着人类和人类所创造的城市 工厂 铁路 农田 的巨脚踏在地球上时留下的脚印大小 生态生产性土地面积 生态足迹理论将地球表面的生态生产性土地根据生产力大小的差异分为6大类 耕地 草地 林地 化石燃料地 建筑用地和水域 1 可耕地 Cropland 可耕地是所有土地中生态生产力最高的一类 它能够集聚的生物量最多 主要用于种植粮食作物 根据联合国粮农组织 FAO 估计 目前世界上几乎所有最好的可耕地 大约13 5亿hm2 都已处于耕种状态 并且每年其中大约100万hm2的土地又因土质严重恶化而遭废耕 这意味着世界上平均每个人所拥有的可耕地面积已不足0 25hm2 2 牧草地 Pasture 即适用于发展畜牧业的土地 据FAO估计全球目前约有35 108hm2牧草地 人均0 6hm2 其生态生产力可以通过单位面积承载的牛羊数以及对应的奶 牛羊肉的产量计算得到 3 森林 Forestland 指可产出木材的人造林或者天然林 其功能还有 防风固沙 涵养水源 改善气候 保护生物多样性等 据FAO估计 全球森林约有34 4 108hm2 人均约0 6hm2 4 化石燃料地 Fossilenergyland 化石能源消费对生态环境的冲击主要表现为CO2和其他气体排放导致的温室效应 要抵制这一冲击 就需要有足够的林地来吸收温室气体 所以化石能源消费的土地占用是林地 5 建筑用地 Built upland 建筑用地包括各类人居设施 道路 工业 水电设施等占用的土地 这类地的世界占有量的最低估计是0 03hm2 由于人类的大部分建筑用地位于地球最肥沃的土地上 建筑用地对可耕地的减少具有不可推卸的责任 6 水域 Sea Waterarea 海洋覆盖了地球上366 108hm2的面积 相当于人均6hm2 可以为人类提供鱼类等水产品 水域的生态生产力主要指鱼类等水产品的单位面积产量 生态承载力 在生态承载力的计算中 由于不同国家或地区的资源禀赋不同 不仅单位面积耕地 草地 林地 建筑用地 海洋 水域 等间的生态生产能力差异很大 而且单位面积同类生物生产面积类型的生态生产力也差异很大 因此 不同国家和地区同类生物生产面积类型的实际面积是不能进行直接对比的 需要对不同类型的面积进行标准化 不同国家或地区的某类生物生产面积类型所代表的局地产量与世界平均产量的差异可用 产量因子 表示 某个国家或地区某类土地的产量因子是其平均生产力与世界同类土地的平均生产力的比率 同时出于谨慎性考虑 在生态承载力计算时应扣除12 的生物多样性保护面积 生态赤字与生态盈余 区域生态足迹如果超过了区域所能提供的生态承载力 就出现生态赤字 如果小于区域的生态承载力 则表现为生态盈余 区域的生态赤字或生态盈余 反映了区域人口对自然资源的利用状况 均衡因子 Equivalentfactor 在生态足迹计算中 各种消费量被折算为可耕地 草地 森林 建筑地 水域 化石能源地等六类基本的生态生产性土地面积 这6类土地的生态生产力不同 需要将其面积转换为具有某种相同生态生产力的等量面积后 才能进行加总得到总量面积 用于这一转换的系数称为均衡因子 耕地 建筑用地为2 8 森林 化石能源土地为1 1 草地为0 5 海洋为0 2 第k类生态生产性土地的均衡因子rk等于全球该类土地的平均生产力Yk除以全球所有各类土地平均生产力Y 即 图可持续发展评价的生态足迹指标体系 生态足迹指标体系 生态足迹计算方法 其中 EF为总的生态足迹 hm2 i为消费品和投入的类型 pi为第i种消费品的平均生产能力 ci为第i种消费品的消费量 aai为第i种交易商品折算的生物生产地域面积 hm2 rj为均衡因子 耕地 建筑用地为2 8 森林 化石能源土地为1 1 草地为0 5 海洋为0 2 j为生物生产性土地类型 EF 生态生产性土地的归属 将禽肉 禽蛋 猪肉的生态生产性土地归入可耕地 中国的牛羊肉及牛奶的产量分别来自放牧系统 农牧结合系统及工业化系统 根据口粮的来源不同 将它们的生态生产性土地分为牧草地和可耕地两种 谢鸿宇 2009 生态足迹理论将化石能源地定义为 用于吸收化石能源燃烧排放的温室气体的森林 但从陆地生态系统碳循环分析可知 草原碳蓄积量约占全球陆地表层植被总蓄积量的16 仅次于森林的77 而且根据联合国粮农组织的统计 世界草地面积约为 41 56 108hm2 占地球陆地面积的31 43 是最大的土地利用类型 因此 将化石能源地的定义修正为 用于吸收化石能源燃烧排放的温室气体的森林和牧草地 生态承载力的计算方法 j 1 2 3 6 式中 BC为生态承载力 hm2 j为土地类型 aj为j种土地类型的实际面积 hm2 rj为均衡因子 yj为产量因子 生态足迹理论评价步骤 1计算各主要消费项目的年消费量 1 划分消费项目 Wackernagel在1997年计算52个国家和地区的生态足迹时候 将消费分为能源和食物 而在1998年对智利首都圣地亚哥的研究中将消费分为粮食以及木材消费 能源消费和日常用品消费等项目 赵士洞 1996 2 计算区域第i年消费总量 计算公式为 消费 产出 进口 出口即 CI N PI II EICi为第i种消费项目的人均消费量 Pi为第i种消费项目的年生产量 Ei为第i种消费项目的年出口量 N为人口数 在这里需要说明的是 在计算生态足迹时 进行贸易调整是一项相当困难的工作 因为对于国家来说 通过计算可以获得国家的净贸易量 而区域则不然 因为区域不但存在着国际间的贸易 同时也存在着大量的区域间的贸易 并且这种贸易是占优势地位的 如何获取这方面的信息是完善生态足迹计算方法的一个重要方面 3 计算第i年的人均年消费量 Ci kg 2计算生态生产性土地面积利用生产力数据 将各项消费资源或产品的消费折算为实际生态生产性土地的面积 以及实际生态足迹的各项组分 3计算生态足迹 1 汇总生产各种消费项目的人均占用的各类生态生产性土地面积 2 计算均衡因子 3 计算人均占用的各类型生态生产性土地等价量 4 计算出该区域的生态足迹 4计算生态承载力 1 汇总各类生态生态性土地供给面积 2 计算该区域的生态承载力 5计算生态赤字 生态盈余 评估该区域可持续发展的情况 二 研究与应用实例 2 1Wackernagel等人的开创性研究WillianRees的博士生Wackernagel等曾对世界上52个国家和地区1997年的生态足迹进行了实证计算研究表明 全球平均人均生态足迹为2 8hm2 而可利用生物生产面积仅为2hm2 全球人均生态赤字0 8hm2 在计算的52个国家和地区中35个国家和地区存在生态赤字 只有12个国家和地区的人均生态足迹低于全球人均生态承载力 中国1997年的人均生态足迹为1 2hm2 而其人均生态承载力仅为0 8hm2 人均生态赤字为0 4hm2 因此 从全球范围而言 人类的生态足迹已超过了全球生态承载力的35 人类现今的消费量已超出自然系统的再生产能力 即人类正在耗尽全球的自然资产存量 世界自然基金会 WWF 的 2004地球生态报告 为了让各个国家在占用了多少自然资源上 有账可查 2004年 世界自然基金会 WWF 的 2004地球生态报告 使用了 生态足迹 这一指标 并列出了一份 大脚黑名单 阿联酋以其高水平的物质生活和近乎疯狂的石油开采 荣登榜首 人均生态足迹达9 9公顷 是全球平均水平 2 2公顷 的4 5倍 美国 科威特紧随其后 以人均生态足迹9 5公顷位居第二 报告显示 美国 日本 德国 英国 意大利 法国 韩国 西班牙 印度均是生态赤字很大的国家 贫困的阿富汗则以人均0 3公顷生态足迹位居最后 中国排名第75位 人均生态足迹为1 5公顷 低于2 2公顷的全球平均水平 但中国人口数目庞大 其人均生态承载能力 即大自然能够给予的消耗量 仅为0 8公顷 生态赤字高达0 7公顷 而全球的平均生态赤字为0 4公顷 巴西 加拿大 印度尼西亚 阿根廷 刚果 秘鲁 安哥拉 巴布亚新几内亚 俄罗斯 新西兰等国家由于国土面积辽阔 人口相对稀少或者位于热带亚热带地区 在 生态盈余 总生态足迹小于总生态承载容量 榜 上位居前列 三 基于生态足迹的郑州市土地资源可持续利用评价 3 1郑州生态足迹计算 表1郑州市2007 2010年的人口 3 1 1生物资源消费账户的计算 表3 2郑州市2007 2010年生物资源账户原始数据 郑州市2007 2010年间的生物资源账户原始数据除以主要农产品世界平均产量 可以计算出郑州市2007 2010年间生物资源账户中的耕地 林地 牧草地 水域的生态生产性土地面积 表3 3郑州市2007 2010年生物生产性土地面积 单位 hm2 3 1 2能源消费账户的计算 表3 4郑州市2007 2010年能源消耗原始数据 能源转换参数 表1吨化石能源的生态足迹 表中国1kw h电力的生态足迹TabTheecologicalfootprintofelectricpowerofchinafor1kw h 能源消费账户的计算结果 表3 72007 2010年郑州市能源生态生产性土地面积 单位 hm2 郑州市各种能源和电力消费量原始数据乘以能源转化参数 计算郑州市2007 2010年化石能源和电力的生态足迹 并得出能源生态生产性土地面积 3 1 3均衡因子的调整 均衡因子是某类生物生产性土地的单位面积生物生产量与具有世界平