生态风电场生态承载力分析

生态风电场生态承载力分析1.计算方法世界人口从1850～1950年的100年间从12亿增加到24亿，然而从1950年以后的50年约增加到了60亿。全球的陆地脊椎动物生物量，野生动物只占3%，人类占剩余97%的生物量中的1/3，余下的部分为人类所饲养的家禽和家畜。大约83%的陆地表面被人类直接影响。人类目前利用了全球陆地净初级生产力的30%，按目前的发展趋势50年后将达到50%。自工业革命以后，全球范围的生态环境破坏日益严重，环境恶化对经济和社会带来的负面影响越来越大。1962年，美国海洋生物学家蕾切尔·卡逊(RachelCarson)发表的《寂静的春天》，文中提到的有毒农药对生物和环境的危害。自此，人们对环境问题开始警醒。1972年托马克协会、罗马俱乐部和麻省理工学院研究小组联合出版发表的《增长的极限》，通过对现在和未来的人类困境进行分析和讨论，得出的结论让人震惊：如果在世界人口、工业化、污染、粮食生产和资源消耗方面现在的趋势继续下去，这个星球上增长的极限将在今后100年中发生。它同时也指出，改变这种增长趋势和建立稳定的生态和经济条件，以支撑遥远未来是可能的。该书在全球范围内引发了人类对未来的资源、环境与可持续发展问题的大讨论。自1987年世界环境与发展委员会（WCED）提出可持续发展概念以来，可持续发展越来越为人们关注，然而如何有效地度量可持续发展程度一直是一个难题。1992年加拿大生态经济学家Ree和他的学生Wackernagel等提出用生态足迹(Ecologicalfootprint,EF)方法来衡量可持续发展，并于1996年加以完善。生态足迹自提出以来得到了国际社会的积极响应，目前它已经成为研究可持续发展的一个有力的指标和方法之一。生态足迹是用来计算维持一定的人口的资源消费和消纳废弃物所必需的生物生产面积。生态足迹计算简单，结果明了，有效地把人类社会经济活动与自然相互作用这个复杂问题简单化，定量化。WWF决定自2000年起每两年公布一次世界各国的生态足迹。很多学者对生态足迹进行了研究，并加以改进。目前已有了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。（1）生态足迹概念生态足迹是衡量城乡生态服务功能，提供城乡人口生产、生活和吸纳人类产生废物所需的生物生产性土地的一个综合性指标。我们每个人都需要一定的地球表面来支持我们的生存，这就是我们的生态足迹。生态足迹是一个简单的易于理解的指数，通过计算维持现在的生活方式所需要的土地，它能够清楚的表明社会活动对环境的影响。生态足迹是通过生物生产性土地（也称生态生产性土地）来计算的，所谓生物生产性土地也称生态生产性土地,是指具有生态生产能力的土地或水体。在生态足迹指标计算中,各种资源和能源消费项目被折算为生物生产性土地。主要考虑如下6种类型:化石能源地(fossilenergyland)、可耕地(arableland)、林地(forest)、草场(pasture)、建筑用地(built-upareas)和水域(waterarea)。化石能源地人类所需的生态足迹反映了对自然的竞争性索取。化石燃料土地是人类应该留出用于吸收CO2的土地，但目前事实上人类并未留出这类土地。换句话说,人类消费的生物化石燃料的生物化学能既未被代替,其废弃物也未被吸收,即人类在直接消耗自然资本而不是其“利润”。在这里值得注意的是,将CO2吸收所需要的生态空间同生物多样性保护和林地分开并非意味着重复计算,因为老年林吸收CO2的能力远远低于新生林,而后者又缺乏前者所具有的生物多样性。同时用于CO2吸收的林地如用于木材的生产,则在木材的加工过程中也会排放CO2。因此在处理化石燃料土地类型时将它与生物多样性的保护面积和林地面积区分开来。另外化石原料的消费在排出CO2的时候可能还会排放有毒污染物造成其它生态危害,这些在目前的生态足迹计算中未能考虑。目前还没有证据表明哪个国家专门拿出一部分土地用于CO2的吸收,出于生态经济研究的谨慎性考虑原则,在生态足迹的需求方面,考虑了CO2吸收所需要的化石燃料的土地面积。可耕地从生态角度看是最有生产能力的土地面积类型,在可耕地面积上生长着人类利用的大部分生物量。根据联合国粮农组织的调查,目前世界上人类总共耕种了大约1.35×109公顷的优质可耕地。而每年由于严重退化而放弃的耕地有1.0×107公顷左右。这意味着,现今全人类人均不到0.25公顷的优质耕地。林地林地包括人工林和天然林。森林除了提供木材以外还有涵养水源、稳定气候状况、维持大气水分循环、防止土壤流失等诸多功能。目前在地球上有5.1×109公顷的林地，人均0.9公顷左右。其中有1.7×109公顷的面积上林木的覆盖率不足10%。由于人类对森林资源的过度开发，全世界除了一些不能接近的热带丛林外，现有林地的生物量生产能力大多较低。草场人类主要用草场来饲养牲畜。相比较目前的3.35×109公顷的草场(人均0.55公顷)的生产能力比可耕地要低得多。草场积累生物量的能力比可耕地要低得多,从植物转化为动物生物量使人类损失了大约10%的生物量。建筑用地根据联合国的统计,目前人类定居和道路建设用地面积大约人均0.06公顷。由于人类定居在最肥沃的土壤上,因此建筑面积的增加意味着生物生产量的明显降低。水域目前地球上的海洋面积在3.66×1010公顷左右,人均稍多于6公顷。其中8.3%水域(人均0.5公顷)提供了全海洋95%的生物产品。目前海洋的生物产量已接近最大。将这6类具有不同生态生产力的生物生产面积加权求和即为生态足迹。在加权求和过程中，需要对各类生物生产面积乘以一个均衡因子,某类生物生产面积的均衡因子等于全球该类生物生产面积的平均生态生产力除全球所有各类生物生产面积的平均生态生产力。传统算法中采用均衡因子分别为: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。（2）生态足迹计算生态足迹的计算是基于以下两个基本事实：(1)人类能够估计自身消费的大多数资源、能源及其所产生的废弃物数量；(2)这些资源和废弃物流能折算成生产和消纳这些资源和废弃物流的生态生产性土地面积。计算公式如下:式中，EF为总的生态足迹；N为人口数；ef为人均生态足迹；aai为人均第i种消费物品折算的生物生产面积；ri为均衡因子；Ci为第i种物品的人均消费量；Pi为第i种物品的平均生产能力。生态足迹账户核算分为生物部分账户、能源部分账户。生物资源消费足迹计算方法：式中,EFi为i种资源的消费的足迹；Pi为i种生物资源的总生产量；Ii、Ei为i种资源消费的进口和出口量；Yaverage为世界上i种生物资源的平均产量。生态足迹的计算方法有二种：国家层次上的生态足迹计算，使用综合法（Compoundapproach），即自上至下利用国家级的数据归纳；而区域（省、市）、行业、公司、学校、个人生态足迹采用Simmons等人创造的成分法（Componentapproach），即自下而上利用当地数据，但计算公式相同。综合法指的是以各消费活动按占用的土地类型分别计算加总计算得到生态足迹，其结果可划分为6类土地分别生态占用的情形。生态足迹的基本模型介绍的就是综合法。成分法是在综合法基础上发展起来的。1998年Simmons和Chambers首次提出了一系列能够转换为资源占用土地面积的等价运算法则，被称之为“生态指数算法”(Eco-IndexMethodology)。在成分法模型中，生态足迹评价基于人类衣食住行的活动获取的数据计算得到。与综合法相同的是，成分法仍然把土地占用分为六类:耕地、草地、建用地、林地、化石能源地以及水域。与综合法不同的是成分法以人类的衣食住行活动为出发点的，成分法考虑运输、能源(量)、水和废物的影响。斯德哥尔摩研究所(StockholmEnvironmentInstitute)通过计算电力等29种成分，大体获得了发生在一个社区的消费对一该地区的生态影响和冲击。据SEI和BestForward研究结果表明，细分项目是重要的，如将废物数据被划分为18类，而水的处理被分为水供应和废水处理。（3）能源足迹计算方法生态足迹方法中化石能源足迹计算依据下面公式：式中：EFi为第i种能源的生态足迹；Wi为第i种商品消费量；Gi为第i种商品的能源密度；Mi为该类的平均足迹。表4-1部分能源能量密度和平均足迹能量密度GJ/t平均足迹GJ/ha原煤20.93455汽油43.12493柴油42.70593电力(万度)11.8401000焦炭28.47055原油41.86893天然气38.97893注：电力单位为kW·h,在计算时应按能源转化系数折算为GJ能源足迹计算依据人类生产生活活动中消费的各种能源，如：煤、焦炭、燃料油、原油、汽油、柴油和电力等。能源足迹的计算是将能源的消费量转化为化石燃料生产土地面积。研究结果表明能源足迹在生态足迹中占很大比重。美国与德国都是发达国家，但1999年美国的生态足迹（9.7）是德国的生态足迹（4.7）的2.06倍，深入研究表明这是因为生活方式和能源消费不同的结果。传统生态足迹能源部分计算（单位面积(ha)土地能够产生多少能量，即所谓的“能地比”（energytolandratio）问题有3种计算法，它们导出相似的结果：替代法替代法通过农田或林地能够产生的生物量转化为乙醇（或甲醇）燃烧产生的能量来计算。生产能够产生与化石燃料燃烧相同能量的乙醇（或甲醇）的农田或林地面积即为化石燃料的生态足迹。计算方法由Wackernagel和Ree提出,他们估计的结果是每公顷土地可以生产相当于800亿焦耳的乙醇。自然资本存量法自然资本存量法是估算用于吸收化石燃料燃烧所产生的CO2的林地面积。这种计算方法在很多生态足迹计算中得到应用。研究表明:树龄在50～80年的中龄森林，每公顷林地可以吸纳1000亿焦耳化石燃料排放的二氧化碳。碳吸收法碳吸收法是计算用于以同等速率补偿化石燃料能源消耗的生产性土地的面积。例如种植可以产生消耗的化石燃料相同能量的林地，从理论上使地球上的能源没减少。每公顷森林每年累积的可更新的生物物质能源（biomassenergy）大约也是800亿焦耳。调整的能源足迹计算法：Stöglehner认为以上三种方法都不能满足化石燃料足迹供应的复杂评估。原因如下：=1\*GB3①替代法用甲醇或乙醇作为等能量替代物，是用来评估可再生能量替代物的，而非化石燃料足迹。显然只有节省化石燃料能源才能减小生态足迹，而不是节省可再生的化石能源的替代物—甲醇或乙醇，更不是生物量。因此仅仅保存能源的潜在可能性得到体现，而用可再生能源替代化石能源的潜在可能性并没有得到体现。=2\*GB3②自然资本存量法估算用于吸收燃烧化石能源所排放出的CO2森林面积（碳沉积林），有如下的局限：只有中幼龄的森林能够减少大气中的CO2的含量。一旦演替过程完成森林存储的CO2会被重新释放，因此CO2循环持续处在一个较高的水平。同时碳沉积林也不能够被使用，如作为原木产品，最终也会释放CO2。这种方法主要的限制：化石能源的使用导致需要种植森林，也是可用来代替化石燃料可更新能源的存储。该方法计算的不是化石能源的生产和消费的足迹，而是森林吸收CO2的能力。=3\*GB3③碳吸收法是将能源存储从岩石圈转化到生物圈。化石能源的使用使我们不得不种植能够存储能量的植物作为补偿。这种方法同前二种方法一样没有评估化石燃料的足迹，而是可作为替代物的可再生能源的足迹。Stöglehner(2003)提出新的调整计算方法：新的计算方法能让我们评估能源节省的潜力和可再生能源替代化石能源的潜能。调整的能源足迹计算方法采用了Krotscheck(1995)的判断可持续性的可持续过程指数（sustainableprocessindex(SPI)）：化石燃料被看成可再生的能源，当然再生的速度非常缓慢，再生因子由海洋的碳循环和沉积有机碳得到。为了保持岩石圈中的碳的含量，所需要的面积是500m2·yr·kg-1。这种方法建立起了可再生能源与化石能源携带者之间相比较的桥梁。调整的计算方法基于下面假设：岩石圈的碳存储保持不下降，也不转到生物圈中。可再生和不可再生的能源用不同的方法处理。调整的生态足迹能源计算方法指数包括两部分：1)化石燃料指数：生产化石能源的土地面积。2)可再生资源指数：生产可再生资源的土地面积。可再生资源能量生产面积的计算采用Wackernagel等（1997）和Stöglehner（2003）的计算结果。化石燃料能量生产面积采用Krotscheck(1995)的计算结果。电是一种特殊的能源，它由很多种能源转化而来，需求土地面积必须再根据能源来源的不同分成不同的部分计算。各种能源根据来源及Stöglehner的计算结果计算其生产指数或土地面积需求，如奥地利1994年电力有76.2%为水力发电、7.4%为煤发电、3.3%为油发电、天然气发电为13.1%。由计算可得到电力生产指数为0.306MJ·m-2·yr-1或土地面积需求为3.27m2·yr·MJ-1。由于各地的土地生产潜力、技术条件和能源结构不同，所以可再生资源指数不同区域有很大的差异，在对不同区域进行计算时要对指数进行调整。表4-2化石燃料生产和土地面积需求生产（MJ/m2.a）面积需求（m2.a/MJ）煤0.0520石油0.083411.99天然气0.09610.42表4-3可再生能源生产和土地面积需求生产（MJ/m2.a）面积需求（m2.a/MJ）光能发电4400.0023风力发电9000.0011水力发电1000.0100太阳能加热12000.0008原木粗放利用7.300.1370原木精加工利用18.790.0702秸梗4.300.2326油菜籽油5.810.1721油菜籽生产甲醇4.720.2119植物茎生产糖产生的乙醇9.300.1075甜菜生产糖产生的乙醇8.000.1250原木生产乙醇4.600.2174小麦生产乙醇4.610.2169玉米生产乙醇1.590.6289原木生产甲醇11.670.0857沼气4.980.2008能源足迹调整的计算方法能够评价能量规划，同时它使得确定节省能量潜力成为可能，并可以计算可再生资源替代不可再生资源的潜能，使能量供应更加可持续。它能够应用到从国家到家庭的各种水平。但调整的能源足迹计算方法也存在缺点：1)计算方法需要大量的数据，使它的应用受到限制；2)“灰色”能源消费的不确定性。作者认为把化石能源看作可再生的能源，但是实际上化石能源在不断地减少，要解决人类的能源问题的方法只能是寻找替代能源或可再生成能源。也有些学者认为化石燃料生态足迹是“假设的”，不应计入生态足迹的总账户中。然而，能源足迹计算和计算用多少生物圈生产量来维持资源流的问题是一致的。如果说用目前的方法计算能源生态足迹有什么偏差的话，只能是低估了化石燃料的需求。（4）生态承载力(生物承载力)计算生态承载力(ecologicalcapacity)也称生物承载力(biocapacity)，为不损害生态系统的生产力和功能完整并且保证实现可持续利用的前提下，最大资源利用和废物消化的量。在生态承载力的计算中,由于不同国家或地区各种生物生产土地类型的生态生产能力存在很大差异，因此不同国家或地区的同类生物生产土地的面积需要进行加权才能进行比较。不同国家或地区的某类生物生产面积与世界平均产量的差异可用“产量因子”(yieldfactor)来表示。产量因子为某个国家或地区某类土地平均生产力与世界同类土地的平均生产力的比率。将各种生物生产土地类型面积乘以相应的均衡因子和当地的产量因子,就可以得到带有世界平均产量的生态承载力。同时根据世界环境与发展委员会(WCED)的报告，至少有12％的生态容量需被保留以保护生物多样性。人均生态承载力:(j=1,2,3,···6)式中：ec为人均生态承载力(ha·人-1),aj为人均生物生产面积,rj为均衡因子,yj为产量因子。区域生态承载力:式中：EC为区域总人口的生态承载力(ha·人-1),N为人口数。（5）生态赤字或生态盈余区域的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,反映了该区域人口对自然资源的利用状况和计算时刻该区域的可持续性。（6）实际土地需求法生态足迹方法中用全球平均产量作为生物生产能力，对于标准化处理和国家间的比较十分有用。但它是在忽略了本地的土地利用和土地类型，不考虑当地对生物生产性土地影响因子，如：气候，土壤特性或技术条件情况下对不同消费水平国家进行比较。一个国家占全球生物容量的比例，真实的土地面积需求，这些面积的空间分布问题,哪些土地利用分布是有价值的，这些问题不能得到解决。为了上述问题Erb于2004年提出了“实际土地需求”概念（actuallanddemand）。实际土地面积需求是将生态足迹计算方法中的全球平均产量用计算区域的生物产量进行替换，等价因子和生产力系数用研究区域的相关数据进行调整。并且贸易输入部分用原产地生物资源生产量进行计算，然后进行贸易调整得到实际土地需求。实际土地面积仍然是生态足迹，只不过是调整了计算因子的生态足迹。这种计算方法能够明确计算区域内人类活动对自然的影响程度。实际土地需求法的计算公式如下：式中，EFi,j为第j年第i项目的面积需求、DEi,j第j年第i项目研究区生产量、Imi,j和Exi,j的分别为第j年第i项目输入和输出的量；Yregh,i,j为第j年第i项目的产量（h=1为研究区，h=2…为进口项目的不同生产区域）。Erb（2004）对奥地利的实际土地需求计算中，没有应用均衡因子对结果进行整合，并且没有对承载力进行计算，这样使得计算结果不便于分析和对研究区可持续发展情况进行判断。Wackernagel等(2004)对菲律宾、韩国、奥地利三国实际土地需求计算中对结果应用了均衡因子进行对结果进行整合，并且重新计算了不同时期的计算因子。但是他们计算的均衡因子是基于全球平均的生物生产能力，应用其对不同土地面积需求进行整合会给不同研究区的实际土地需求结果带来误差，从而不能够准确判断研究区的可持续发展情况。实际土地面积计算在二个方面存在不足：=1\*GB3①实际土地面积生态足迹很少能提到对自然容量的分布和公平性（空间、时间、国家间的公平的比较。=2\*GB3②不同地区的土地生产力不同，实际土地面积需求不能相互比较（低生产力的非洲可能比生活在肥沃土地的荷兰有更大的实际土地面积需求）。=3\*GB3③对于“实际土地面积需求”方法不足，可以通过用不同区域水平的生产力数据来代替传统生态足迹中的相关数据来得到不同区域水平的“面积需求”来解决。比如对一个县级区域进行研究，可以计算其县级、市级、省级、国家级甚至世界级区域水平上的“面积需求”。其计算方法也是生态足迹计算，只是用不同区域级别的生产力数据替代传统生态足迹计算中的数据，世界级水平上的“面积需求”就是传统的生态足迹。如与不同区域进行比较，可以选择不同区域级别的计算结果进行比较，即可以保证对研究区域的相对准确的反映又可以实现不同区域的比较，但这将增加数据量和计算量。2.阜蒙县生态足迹分析位于阜新蒙古族自治县，生态足迹分析基于行政区范围进行分析，应用改进的生态足迹方法——实际面积需求方法来计算和分析几电场的生态足迹和生态承载力。（1）阜蒙县2010年生态足迹计算本研究所采用的数据均为阜蒙县统计数据，计算得到阜蒙县的生态足迹。主要包括3个部分：生物资源的消费、能源的消费和贸易的调整。生物资源的消费主要包括居民日常主要消费的农产品、畜产品和水产品，计算方法为：第i种资源生态占用=消费量/第i种资源的世界平均产量。世界平均产量采用联合国粮农组织1993年计算的有关生物资源的世界平均产量数据。计算得出的阜蒙县2010年生态足迹生物资源消费账户结果见下表。能源部分的计算没有考虑生物能源，仅考虑化石能源与电能。采用世界上单位化石燃料生产土地面积平均发热量为标准，将当地能源消耗折算成一定的化石燃料土地面积。计算结果见表5.2。最后得到阜蒙县2010的生态足迹计算结果见表4-4。表4-4阜蒙县2010年生物资源消费账户项目全球平均产量（kg/hm2）区域人均消费量（kg）人均生态足迹(hm2)按全球平均产量总生态足迹(hm2)等量化因子调整后人均生态足迹(hm2)生产面积类型粮食2744122.940.04482593932.80.1254耕地淀粉及薯类1260718.370.001584372.80.0041耕地豆类185615.690.0084489592.80.0237耕地油料18561.750.001054472.80.0026耕地蔬菜18000148.640.0082478112.80.0231耕地瓜类1800013.730.000844152.80.0021耕地果类350065.340.01861080841.10.0206林地猪肉7413.200.178410328911.10.1962林地牛肉334.020.12177045550.50.0608草地羊肉330.810.02471429530.50.0123草地禽肉155.530.368621340860.50.1843草地奶类50217.130.03411975670.50.0171草地禽蛋40033.440.08364839600.50.0418草地水产品2986.302.9759172295470.20.5952水域建筑用地0.000422462.80.0011建筑用地木材1.990.010.0039225771.10.0043林地总计122.943.52471.136表4-5阜蒙县2010年能源消费生态足迹账户项目全球平均能源足迹（GJ/hm2.a）折算系数（GJ/t）年人均消费量（t）人均足迹（hm2）等量化因子调整后人均生态足迹（hm2）生产面积类型煤炭5520.9345.33970.00971.10.0107化石燃料土地焦炭5528.470.57190.01041.10.0114化石燃料土地焦炉煤气9318.0030.00190.00001.10.0000化石燃料土地其它煤气9316.3290.01660.00021.10.0002化石燃料土地原油9341.86817.39640.56121.10.6173化石燃料土地汽油9343.1240.20330.00221.10.0024化石燃料土地煤油9343.1240.03140.00031.10.0004化石燃料土地柴油9342.7050.69020.00741.10.0082化石燃料土地燃料油7150.21.44540.02041.10.0224化石燃料土地石油气7150.21.38180.01951.10.0214化石燃料土地炼厂干气7146.0550.97090.01371.10.0150化石燃料土地热力10000.00002.80.0000建筑用地电力10000.00830.00050.00002.80.0000建筑用地合计0.59870.6978表4-6阜蒙县2010年生态足迹账户表类型耕地林地草地化石燃料用地建筑用地水域总计结果0.2310.2080.2630.6130.0110.3411