基于生态足迹模型的安徽池州市可持续发展研究

基于生态足迹模型的安徽池州市可持续发展研究

1生态足迹与可持续发展指数生态行为分析方法是一种测量和生态可持续发展的定量方法，也是一种测量和影响人类活动与生态系统之间的新形式。生态足迹模型通过跟踪人类利用的消费品和产生的大部分废弃物,估算生产和维持这些消费品的资源以及同化废弃物所需要的生物生产性土地面积,将生态足迹与研究区实际的生态承载力进行对比可揭示出研究区的可持续发展状况,由于其新颖的视角倍受世界各国关注,被誉为是近20年来定量测量可持续发展领域最重要的进展。生态足迹(EcologicalFootprint,EF)是指在一定的经济规模条件下,维持特定人口的资源消费和废弃物消纳所必需的生物生产土地面积,包括化石能源地、耕地、林地、草地、建筑地、水域6种类型。生态足迹概念最早由Rees于1992年提出,Wackernagel对其理论、方法作了进一步完善,其基本思想是将人类消费需要的自然资产转化为土地面积,并于自然界提供的自然资产(生态承载力)进行比较,以此来判断人类对自然资产的过度利用情况。以生态足迹表征人类可持续发展状况有6个假设前提:(1)人类对资源的消费量和废物流量可折算为土地面积;(2)可获得资源的年消费量和产生的废物量;(3)可赋予不同类型土地面积一定权重,将其转换成一个标准化的全球公顷单位;(4)各种土地利用都是排他性的;(5)人类消费需要的自然资产与自然提供自然资产可直接对比;(6)人类需求可超过供给。国际上生态足迹研究方法主要有三种:(1)综合法,由Wackernagel等创立,是应用最长、范围最广的一种方法;(2)成分法,由Simmons等于1998年提出,主要应用于小尺度生态足迹的研究;(3)投入产出法,由Bicknell等提出,并经Ferng、Lenzen、Senbel等进行了改进,在国际贸易、消费、产业等经济领域应用较广。生态足迹方法自提出以来,在全球、国家尺度上得到了广泛的应用。世界野生生物基金会(WWF)决定自2000年起每两年公布一次世界各国的生态足迹,目前已有20多个国家利用生态足迹指标计算各类可持续发展和承载力问题。国内生态足迹研究始于1999年,理论研究多围绕生态足迹理论与方法而展开,虽取得了不少成果,但与国外先进水平比较尚有一定差距,应用层面,多位学者采用不同研究方法在全国尺度[21~24]、省级区域尺度[25~28]、地(市)级尺度对生态足迹进行过静态或时间序列研究。文献检索表明,学者对宏观、中观尺度研究较多,地(市)级的微观尺度相对较少,近年来,我国地(市)级尺度区域城市化、工业化水平不断提升,经济发展迅猛,给区域生态环境带来了较大压力,研究其生态足迹并评价其可持续发展状态意义重大。安徽省池州市是国家首个生态经济示范区,也是“生态安徽”建设首批综合示范市,其可持续发展状态的动态测度研究具有代表性、典型性。2001年以来,快速发展的经济对生态环境形成了较大压力,可持续发展面临较大挑战,基于此,本文采用模型研究、文献分析、比较研究等方法,研究2001~2010年生态足迹与生态承载力动态变化,旨在定量揭示出池州经济发展对生态环境的影响,可为池州市政府准确把握可持续发展状况提供依据,也可为同类地级市可持续发展测度研究提供示范。2池州市北带地区北带风导因子资源量和水文量池州市位于安徽省西南部,长江下游南岸,介于东经116°38′~118°05′,北纬29°33′~30°51′之间,总面积8272km2。池州市地貌类型以丘陵山地为主,气候属暖湿性亚热带季风气候,年平均气温16.5°C,平均降水量1400~2200mm。植被类型具有北亚热带典型特征,有常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、落叶阔叶林、针叶林、竹林等,还有一些栽培的亚热带经济林木。池州市拥有较丰富的森林、水、矿产等资源。水资源总量为67.9亿m3,森林蓄积量为2570万m3,森林面积466.67万hm2,森林覆盖率为57.85%。2010年,池州市总人口为160.46万,GDP总量为300.84亿元,城乡居民人均可支配收入15997元,农民人均收入5827元。3数据来源与研究方法3.1能源转换标准本研究中2001~2010年数据来源于池州统计年鉴(2002~2011),计算过程由二部分构成:生物资源生态足迹、能源生态足迹。生物资源主要包括农产品、动物产品、水产品、水果、木材和林产品。能源包括煤、石油、电力和天然气。能源折算系数和热能转换标准选取学术界普遍采用值:1t原煤=0.7143tce,1t原油=1.4286tce,1m3天然气=1.33kgce,1kWh电力=0.1229kgce,1kgce热能=7000kcal,1kcal=4.1868kJ,1MJ=1×106J,1GJ=1×109J。全球平均足迹(ghm2),煤及煤制品为55GJ/ghm2·年,石油及石油制品为73GJ/ghm2·年,天然气为93GJ/ghm2·年,电力为1000GJ/ghm2·年。3.2学习方法3.2.1生态足迹均衡因子生态足迹三种计算方法中,应用频率最高的有综合法、投入产出法,由Wackernagel等创立的综合法,具有科学完善的理论基础,形象明了的概念框架,精简统一的指标体系,因而,得到了国内外学者和机构的广泛应用,本文采用此方法,模型公式为:式中,ef为人均生态足迹;bc为人均生态承载力;ed(er)表示人均生态赤字或人均生态盈余;j为生物生产土地的类型,包括耕地、林地、草地、水域、能源用地、建筑用地6类;rj为j类土地利用的均衡因子;i为消费项目类型;ci为i商品的人均消费量;gpi和lpi分别指第i种消费项目单位面积的全球产量和研究区域平均产量;YFi指产量因子;nyi为第i消费项目的区域总产量。均衡因子、产量因子是影响生态足迹和生态承载力计算结果的关键因素。均衡因子不同学者或研究机构结果不一,刘某承等从净初级生产力视角对中国各地生态足迹均衡因子作了测算。笔者认为,NPP是绿色植物在单位面积、单位时间内所累积的有机物数量,是由光合作用所产生的有机质总量中扣除自氧呼吸后的剩余部分,它直接反映不同生态系统中植物群落在自然或人工环境条件下的真实生产能力,因此,利用不同土地类型的NPP来计算均衡因子具有理论上的合理性,本研究采用其研究结果。国内外学者对产量因子的引用存在可变单产法、不变单产法、混合法(耕地、建筑用地产量因子依研究区域每年粮食平均产量与全球平均产量比较得出,其余采用Wackernagel在计算中国生态足迹时采用的值)三种,为了使计算结果具有可比性,本文采用不变单产法(表1)。3.2.2各因素之间的关联分析灰色预测是一种对含有不确定因素的系统进行预测的方法。通过鉴别系统因素之间发展趋势的相异程度,即进行关联分析,并对原始数据进行生成处理来寻找系统变动的规律,生成有较强规律性的数据序列,然后建立相应的微分方程模型,从而预测事物未来发展趋势的状况,具体建模过程可参见文献。4结果分析4.1生态足迹分析以池州统计年鉴(2002~2011)相关数据为基础资料,利用公式(1),计算可得池州市人均生态足迹如表2;利用公式(2),可得池州市人均生态承载力如表3;利用公式(3)可得池州市人均生态足迹盈亏如表4。由表2、表3可知,2001~2010年,池州市人均生态足迹与人均生态承载力均有所上升,人均生态足迹由2001年的1.2458hm2/人增加至2010年的2.2483hm2/人,年平均增长11.14%;人均生态承载力从2001年的0.4013hm2/人上升至2010年的0.4217hm2/人,年平均增长0.23%,人均生态足迹增长速度明显高于人均生态承载力增长速度。由表4的生态足迹供需状况可以看出,2001~2010年池州生态足迹需求大于供给,生态足迹一直处于赤字状态,赤字数量由2001年的0.8445hm2/人上升至2010年的1.8266hm2/人,年平均增长10.91%,上述结果表明:2001~2010年,池州市人类生产消费活动负荷超过了其生态安全度,生态供需矛盾尖锐,生态系统的不稳定性日渐增强。生态足迹增长源于人均消费物质量的不断增加,生态足迹赤字不断扩大意味着对自然资源利用强度的加剧。究其原因,同人口增加、居民消费水平上升及能源消费量增加有关,2001~2010年,池州市人口、居民消费水平、能源消费量年均增长率分别为0.43%、22.93%、65.17%。将人均生态足迹、居民消费水平、能源消费量进行偏相关分析,人均生态足迹与居民消费水平相关系数为0.844,t检验(双侧)的sig值(即P值)小于0.05,在0.05水平上显著,人均生态足迹与能源消费量相关系数为0.945,t检验的sig值小于0.01,在0.01水平上显著,表明池州人均生态足迹上升及生态赤字扩大同居民消费水平的提升、能源消费量的增加存在较大关联。4.2生态行为结构的变化趋势(1)根据池州市生态遗迹的组成图1，从2001年到2010年，各种生态遗迹都呈现上升趋势。耕地年上升幅度为0.35%，牧场年上升幅度为1.86%，水面年上升幅度为3.38%。林地年上升幅度为44.92%，下降幅度很小。金石能源地的年平均增长为83.75%。建设用地年平均增长为77.25%，增长幅度较大。分析其原因与经济增长率和经济结构有关。2001年至2010年，池塘经济增长率为12.65%，2006年至2010年，年平均增长率为15.3%，超过安徽省经济增长率的1.9个百分点，超过全国经济增长率的4.1个百分点。它是快速发展的。就经济结构而言，第二产业的比例从2001年的31.52%增加到2010年的46.62%。工业经济和固定资产投资是经济驱动的主要推动力。经济的快速发展和第二产业的经济结构需要足够的资源和能源来支持。因此，石化能源和建设用地的生态轨迹迅速增加(2)生物资源足迹总体下降,但能源生态足迹的重要食由池州人均生物资源生态足迹与能源足迹比例构成(图2)可以看出,人均生物资源生态足迹平均所占比例达76.11%,人均能源足迹平均所占比例为23.89%,说明池州居民物质生活水平的消费是导致较高生态足迹的主要因素,为生态足迹的主要贡献者。2001~2010年,人均生物资源足迹总体呈下降趋势,而人均能源生态足迹呈上升趋势;2006~2010年,人均能源生态足迹所占比例平均达32.07%,为生态足迹的重要贡献者。究其原因,同池州工业经济的快速发展有关。2006年以来,池州实施了“工业强市”战略,工业经济呈高速增长态势,工业经济对经济增长贡献率由2005年36.37%提高到2010年的46.62%,工业经济的快速增长需要消耗大量能源,由此形成了较高的能源生态足迹。4.3资源绩效的对比分析池州市万元GDP生态足迹(图3)显示:万元GDP生态足迹由2001年的2.98hm2/万元下降至2010年的1.20hm2/万元,平均年降幅为19.78%。研究时期内,万元GDP生态足迹降幅可发为两个阶段:2001~2004年,年降幅较少,平均年降幅为15.67%,2005~2010,降幅较大,平均年降幅为21.83%。之所以出现上述情况,同池州市的资源、能源绩效有关,2000年池州撤地建市,在国家宏观产能政策宽松及池州工业基础薄弱的背景下,政府放松了高能耗、高排放、低效益企业的准入门槛,小水泥、小煤窑、小钢铁等企业(多是民营企业)纷纷上马,这些企业设备落后,生产绩效差,使万元年GDP生态足迹较高。2005年以来,池州市政府积极响应国家号召,强力推进节能减排,淘汰了一大批小火电、小水泥、小煤窑等落后产能,优化了产业结构,同时,积极发展循环经济,资源、能源利用效率逐步提高,从而,使万元GDP生态足迹降幅明显。4.4均生态痕迹分析由池州人均生态足迹、万元GDP生态足迹与安徽省及全国平均水平比较表5可知,2003年,池州人均生态足迹均低于安徽省及全国平均水平,表明池州人均消费的物质量较少,经济发展及居民消费水平较低,而生态赤字高于全国平均水平,表明池州生物供给力过小,土地的平均产出率较低。池州万元GDP生态足迹均高于安徽省及全国平均水平,说明池州资源、能源利用率较低,经济发展粗放,发展质量较差。4.5预测模型建立假设社会经济和自然资源利用均维持现行发展趋势(惯性发展情景),即影响生态足迹的居民消费水平、能源消费量因素与2001~2010年保持一致,以池州市2001~2010年人均生态足迹、人均承载力(表2、表3)及万元GDP生态足迹值作原始数据序列,将其输入灰色GM(1,1)预测模型系统,运行建模计算,可得预测结果如表6,预测检验如表7。(2)池州市经济持续发展,生态痕迹加大由表6可知,池州市2015年人均生态足迹将达到3.2336hm2/人,2020年将升至4.4896hm2/人,人均生态足迹赤字2015年将扩大到2.7926hm2/人,2020年将增至4.0308hm2/人,由此表明:随着池州市经济的持续发展,居民消费水平与能源消费量的提高,池州市未来人均生态足迹将进一步攀升,人均生态赤字将进一步扩大,生态足迹供需矛盾会进一步加剧,发展的风险性和不稳定性增加,可持续发展将面临巨大挑战。万元GDP生态足迹2015年将降至0.7501hm2,2020年降至0.4390hm2,表明池州节能减排尚有一定空间,能源利用率还可进一步提高。5人工干预生态痕迹下降,土地多种资源丰富,能源生态足迹上升,城市(1)依据生态足迹计算综合法,以池州统计年鉴(2002~2011)相关数据为基础,对2001~2010年安徽省池州市人均生态足迹作了测度分析,揭示出在研究时间序列内,池州市人均生态足迹与人均生态承载力均有所上升,但人均生物供给速度远不及人均生态足迹需求速度,生态足迹一直处于赤字状态,且赤字呈逐年扩大态势,由此表明:池州市人类生产消费活动负荷已超过其生态安全度,生态供需矛盾尖锐,发展的风险性和不稳定性在增加,生态已处于不安全状态。(2)居民消费所致的生物资源生态足迹所占比例高,能源消费所致的生态足迹所占比例低,但生物资源生态足迹呈下降态势,而能源生态足迹呈上升态势,2006~2010年,增幅最明显。池州市万元GDP生态足迹呈下降态势,2001~2004年,降幅较少;2005~2010,降幅较大。(3)池州人均生态足迹与居民消费水平及能源消费量呈正相关,相关系数分别为0.844、0.945,是池州生态足迹变化的主要驱动因素。(4)灰色GM(1,1)模型预测表