基于能源足迹改进模型的农业区可持续性分析

方 恺,沈万斌,王黎黎

(吉林大学环境与资源学院,吉林长春130012)

基于能源足迹改进模型的农业区可持续性分析

方 恺,沈万斌＊,王黎黎

(吉林大学环境与资源学院,吉林长春130012)

为克服小尺度区域生态足迹计算中能源足迹比例过高、进而导致评价结果过于消极的问题,对能源足迹模型进行了改进:将不同类型土地对CO2的吸收均纳入计算,并引入净生态系统生产力表征植被的碳吸收能力。应用改进前后的两个模型对传统农业区——浙江省桐庐县金牛村的可持续性进行了分析,结果显示:2005-2007年根据传统能源足迹计算的金牛村生态足迹从0.857 hm2增到1.049 hm2,生态赤字从0.481 hm2增到0.652 hm2;根据改进能源足迹计算的生态足迹从0.743 hm2增到0.936 hm2,生态赤字从0.368 hm2增到0.539 hm2。与传统能源足迹相比,改进能源足迹降低约0.113 hm2,其占全村生态足迹的比重减少了12%～15%,结果较理想。研究表明,人为活动对环境的影响已超出生态可承载能力,当地农业呈现不可持续的发展趋势。改进模型更能准确反映研究区自然资源的利用状况,对正确评价传统农业可持续性具有积极意义。

生态足迹;能源足迹;净生态系统生产力;传统农业区

国际生态足迹研究源于20世纪70年代生态经济学领域的诸多研究成果[1]。此后,加拿大生态经济学家 Rees于1992年提出了生态足迹的概念[2],并由Wackernagel等加以完善而发展为生态足迹模型[3]。生态足迹的应用范围很广,可用在全球、国家、地区、部门等尺度上[1],目前已成为定量测度区域可持续发展状态的重要方法之一[4]。

生态足迹概念于1999年引入我国[4],王书华等分别对新乐市、辽宁省、中国和全球的生态足迹进行了计算[5-8],其结果成为评价区域可持续发展状况的重要依据。相比之下,对一些小尺度区域、甚至是没有工业的传统农业区的研究,却因能源足迹比例过高而得出了过于消极的评价结果[9]。这主要是由于传统模型以全球森林平均碳吸收能力为基准,将能源足迹表示为吸收CO2所需的林地面积[10],忽略了不同区域间植被碳吸收能力的差异,也未考虑其他类型土地对CO2的吸收,从而产生很大偏差。事实上,生态足迹与空间尺度密切相关,对小尺度区域而言,人们大多希望通过生态足迹计算准确判断其可持续性,所以应重点提高小尺度模型的真实性与准确性。为此,本研究从土地的多重生态功能出发,引入净生态系统生产力(Net Ecosystem Productivity,NEP)表征植被的净碳吸收能力,对能源足迹传统模型进行改进,据此实证分析江南传统农业区——浙江省桐庐县金牛村,旨在为合理评价当地的自然资源利用状况、促进传统农业保护提供参考。

1 能源足迹改进模型的构建

1.1 能源足迹定义的改进

相关研究表明[11,12],林地、草地和海洋等生态系统均具有较强的CO2吸收能力,其中,林地吸收仅占1/3,其他生态系统占2/3。因此,当研究区域内林地面积并未占明显优势时,忽略其他类型土地对CO2的吸收会夸大能源足迹的数值,造成其占当地生态足迹的比重偏高[9]。为此,本研究基于土地具有多重生态功能的角度,将能源足迹的定义修正为:各类植被吸收区域能源燃烧排放CO2所需的土地面积。

1.2 植被碳吸收系数的改进

碳吸收系数是一个相对宽泛的概念,可由总初级生产力(Gross Primary Production,GPP)、净初级生产力(Net Primary Production,NPP)、NEP等多种指标表征,但无论采用何种指标,原模型中的1.42 tC/(hm2·a)[13]都明显偏低。本研究选取NEP(由 GPP扣除植物自养呼吸量和异养呼吸量得到,表示的是地球生态系统与大气之间的净碳通量[14])作为表征植被碳吸收能力的参数,这主要基于以下原因:1)NEP反映了植被实际具有的净碳吸收能力;2)NEP对生物圈是否积累大气中过量CO2起决定作用[15]。

1.3 能源足迹计算方法的改进

(1)传统能源足迹的计算公式为:

式中:EEF为能源足迹;N为人口数;ki为i类能源的折算系数;ci为i类能源的人均消费量;pi为i类能源的全球平均能源足迹。

(2)改进能源足迹的计算公式为:

其中:

式中:cvi、cei分别为i类能源的燃烧热值系数和碳排放系数;SCO2,ij为吸收 i类能源排放1 t CO2所需的 j类土地面积;3.67为C与CO2分子量的换算系数;wj为j类土地的碳吸收比例;λ0为 j类土地的碳吸收与其碳积累量之比(在同一时期内,各类土地的碳蓄积量与碳吸收量呈正比);Aj为j类土地的面积。

1.4 改进模型与传统模型的比较

与传统能源足迹模型相比,改进模型的优势主要体现在:1)扩大了参与碳吸收的土地类型,更符合区域碳吸收实际;2)引入NEP表征植被碳吸收系数,更能反映植被实际碳汇能力;3)通过土地利用变化动态调整不同类型土地的碳吸收比例,体现了能源足迹的区域性特征和对土地利用变化的响应。改进后的能源足迹不再单纯以能源消费量为变量,而是由土地利用结构、植被碳吸收能力和能源消费量共同决定。

2 能源足迹计算与比较

2.1 研究区概况和数据来源

金牛村(119°41′～119°43′E,29°44′～29°46′N)地处浙西龙门山系余脉的丘陵区,属北亚热带南缘季风气候,面积170.3 hm2;以传统农业为主,2008年人均水稻产量高达287.40 kg,但人均耕地仅为0.067 hm2,人地矛盾较突出。由于其独特的农业耕种方式和山区半封闭环境,金牛村入围国家级生态村候选名单。本研究的基础数据主要源于:Landsat TM遥感影像(分辨率20 m);桐庐县农村经济统计年报表(金牛村);桐庐县农林牧渔业综合统计年度报表(金牛村);实地调研。

2.2 基于传统模型的能源足迹

金牛村能源消费可分为原煤、焦炭、汽油、柴油、燃料油、液化石油气和水电等。因2005-2007年全村的能源消费量波动很小,故以3年消费量的均值计。根据式(1)计算的传统能源足迹结果见表1。

表1 基于传统模型的金牛村年人均能源足迹Table 1 The annual average EEF per capita in Jinniu Village based on traditionalmodel

2.3 基于改进模型的能源足迹

水域仅占金牛村面积的5.9%,碳吸收能力较弱,而耕地是碳源而非碳汇[16],故认为两者对 CO2的吸收没有贡献。此外,该村土地构成中没有草地,也不予考虑。占全村面积一定份额的园地是介于林地和草地之间的过渡类型[17],其NEP取林地与草地的平均值。由式(2)计算的改进能源足迹见表2。

表2 基于改进模型的金牛村年均人均能源足迹Table 2 The annual average EEF per capita in Jinniu Village based on modified model

改进能源足迹较传统能源足迹降低约0.113 hm2,产生这种差异的主要原因是:传统模型将林地作为减少CO2的唯一途径,而林地吸收实际只占全村土地碳吸收量的85.35%。改进模型则综合考虑了其他类型土地对CO2的吸收,从而使所得结果有所减少。可见,改进能源足迹更能真实反映当地植被的碳吸收状况。

3 生态足迹供需分析

生物资源足迹和生态承载力的计算仍采用传统模型[4]。将两种能源足迹结果代入生态足迹(为能源足迹与生物资源足迹之和)计算,以比较模型在生态足迹构成和生态赤字上的差异。如图1所示,根据传统能源足迹计算的生态足迹从2005年的0.857 hm2增到2007年的1.049 hm2,根据改进能源足迹计算的生态足迹从0.743 hm2增到0.936 hm2;与之对应,由传统模型得到的生态赤字从0.481 hm2增到0.652 hm2,由改进模型得到的生态赤字从0.368 hm2增到0.539 hm2。总体上,金牛村的生态足迹和生态赤字均呈逐年递增趋势,但由改进模型得到的结果较乐观。从生态足迹构成看,传统能源足迹占全村生态足迹的比重高出改进能源足迹的12%～15%,而耕地足迹所占比重则下降约10%。可见,改进模型更能体现传统农业在当地生产生活中的基础地位。

图1 基于两种模型的金牛村人均生态足迹供需变化Fig.1 Change of supply and demand for EF per capita in Jinniu Village based on two EEFmodels

2005—2007年生态承载力基本稳定在 0.38 hm2左右,远远小于生态足迹,且各类土地对生态承载力的贡献量几乎没有变化,从高至低依次是:林地>耕地>园地>建筑用地>水域;生态赤字逐渐扩大,但增幅明显放缓,分别比上年增加37.58%和6.53%,说明自然供给已不能满足人们的需要,但这种不可持续性正在得到遏制。以改进后的计算结果为例,耕地占全村土地总面积的36.23%～50.09%,但其生态足迹所占比重却高达76.27%～78.20%,且还在攀升。可见,生态赤字存在的主要原因是生物资源需求超过了全村可提供的土地面积。因此,金牛村主要通过消耗自身自然资本存量来弥补生态承载力的不足,这与南京等城市通过大量进口化石燃料维持自身发展[18]有显著区别,但都是不可持续的发展模式。与其他区域相比,2005年金牛村的生态足迹仅为浙江省的40.02%、全国的46.46%,远低于同期全球2.2 hm2的平均水平。但全村人均 GDP仅为浙江省的21.44%,即单位生态足迹创造的 GDP仅为浙江省的53.57%,说明资源利用效率还较低,在东南沿海地区仍处于相对落后的发展水平。

生态足迹供需分析结果表明,金牛村的生态赤字逐步扩大,生态压力迅速增加,人为活动对环境的影响已超出生态可承载能力,当地农业呈现不可持续的发展模式。建议一方面加快调整传统产业结构,提升农业生产集约化水平,注重提升单位生态成本的经济效益;另一方面,应适度开发以传统农业文化为特色的休闲产业,提高村民的非生产性收入,抑制由农产品产量增加造成的生态足迹上升,进而缓解人地矛盾加剧产生的生态环境压力,实现资源利用与经济发展的良性循环。

4 讨论

本研究分别从定义、参数和计算方法三方面对能源足迹传统模型进行了改进,所得结果无论是绝对数值还是占生态足迹的比例都有较大幅度减少。由于改进模型综合考虑了各类土地的CO2净吸收能力,因而更能准确、真实地反映研究区的自然资源占用水平,在一定程度上克服了传统模型过于消极的评价结果,对正确评价传统农业可持续发展具有积极意义。需要指出,改进模型虽是为克服传统模型在小尺度区域分析评价中的缺陷而构建,但由于是对能源足迹理论和计算方法的本质性改进,具有普遍性意义,因而同样适用于大、中尺度区域。此外,若有较完善的植被NEP动态测算方法,则基于改进模型的能源足迹计算结果仍具有全球可比性。同时,能源足迹改进模型仍存在以下局限:1)目前我国的植被NEP研究尚处于起步阶段,影响了所需资料的可获取性;2)尚未将生物资源消费量化为碳素排放量,无法用改进模型计算该部分生态足迹,影响了模型的一致性;3)NEP的选取仍需权衡数据精度和可比性。上述问题限制了改进模型的应用范围,今后需不断加以完善。

浙江大学环境与资源学院王莉红副教授为本研究提供了数据资料,此致谢忱!

[1] 卫晋晋,徐琳瑜.城市生态系统承载力的几种主要评价方法[J].环境科学与管理,2008,33(9):133-137.

[2] REESW E.Ecological footp rint and app rop riated carrying capacity:What urban economics leaves out[J].Environment and U rbanization,1992,4(2):121-130.

[3] WACKERNAGEL M,REESW E.Our Ecological Footp rint: Reducing Human Impact on the Earth[M].Gabriola Island,B. C.,Canada:New Society Publishers,1996.61-83.

[4] 徐中民,张志强,程国栋.甘肃省1998年生态足迹计算与分析[J].地理学报,2000,55(5):607-616.

[5] 王书华,张义丰,王忠静,等.基于生态足迹模型的城郊经济协调评估——以河北省新乐市为例[J].地理与地理信息科学, 2003,19(1):78-82.

[6] 董泽琴,孙铁珩.生态足迹研究——辽宁省生态足迹计算与分析[J].生态学报,2004,24(12):2735-2739.

[7] 徐中民,张志强,程国栋,等.中国1999年生态足迹计算与发展能力分析[J].应用生态学报,2003,14(2):280-285.

[8] 陈成忠,林振山,贾敦新.基于生态足迹指数的全球生态可持续性时空分析[J].地理与地理信息科学,2007,23(6):68-72.

[9] 方恺,董德明,沈万斌.生态足迹理论在能源消费评价中的缺陷与改进探讨[J].自然资源学报,2010,25(6):1013-1021.

[10] 方恺,董德明,沈万斌.基于净初级生产力的能源足迹模型及其与传统模型的比较分析[J].生态环境学报,2010,19(9): 2042-2047.

[11] FALKOWSKIP,SCHOLES R J,BOYLE E,et al.The global carbon cycle:A test of our know ledge of Earth as a system [J].Science,2000,290:291-296.

[12] HOUGHTON R A.The annual net flux of carbon to the atmosphere from changes in land use 1850-1990[J].Tellus, 1999,51(2):298-313.

[13] 徐中民,程国栋,张志强.生态足迹方法的理论解析[J].中国人口·资源与环境,2006,16(6):69-78.

[14] 陶波,曹明奎,李克让,等.1981～2000年中国陆地净生态系统生产力空间格局及其变化[J].中国科学D辑(地球科学), 2006,36(12):1131-1139.

[15] 孙睿,朱启疆.陆地植被净第一性生产力的研究[J].应用生态学报,1999,10(6):757-760.

[16] 李长生,肖向明,FROLKING S,等.中国农田的温室气体排放[J].第四纪研究,2003,23(5):493-503.

[17] 吴克宁,赵珂,赵举水,等.基于生态系统服务功能价值理论的土地利用规划环境影响评价——安阳市为例[J].中国土地科学,2008,22(2):23-28.

[18] 赵秀勇,缪旭波,孙勤芳,等.生态足迹分析法在生态持续发展定量研究中的应用——以南京市1998年的生态足迹计算为例[J].农村生态环境,2003,19(2):58-60.

Abstract:To solve the p roblem of too high p roportion of energy ecological footp rint in small-scale regional ecological footp rint w hich leaded to a hyper-pessimistic evaluation results,the energy ecological footp rintmodelwasmodified by taking CO2abso rption of diverse lands into account and introducing net ecosystem p roductivity to characterize the carbon absorp tion capacity of vegetation.The sustainability of Jinniu Village,a traditional agricultural area,was analyzed by using traditional and modified models.The results showed that during the period of 2005-2007,the ecological footp rintof Jinniu Village increased from 0.857 hm2to 1.049 hm2and the ecological deficit ascended from 0.481 hm2to 0.652 hm2based on the traditionalmodel,w hile the ecological foo tp rint increased from 0.743 hm2to 0.936 hm2and the ecological deficit ascended from 0.368 hm2to 0.539 hm2based on themodified model.It was indicated that the environmental impact of human activities had exceeded the ecological capacity,w hich rep resented an unsustainable development tendency.Comparing w ith the traditional energy ecological footp rint,the counterpart decreased by app roximately 0.113 hm2,and its p ropo rtion in total ecological foo tp rint descended by 12%～15%, w hich demonstrated amore op timistic result.In themeanw hile,the reason for differences between two models and the advantages and disadvantages of themodified model was analyzed.It was pointed out that the new model reflect the natural resource utilization of study area′s natural resourcesmo re objectively,w hich could p romote the assessment of the sustainability on traditional agriculture area in a p recise way.

Key words:ecological footp rint;energy ecological footp rint;net ecosystem p roductivity;traditional agricultural area

Sustainability Analysis in Agricultural Area Based on Modified Energy Ecological Footprint Model

FANG Kai,SHEN Wan-bin,WANGLi-li
(College of Environment and Resources,Jilin University,Changchun 130012,China)

Q149

A

1672-0504(2010)06-0066-04

2010-05-05;

2010-09-07

国家重点基础研究发展规划项目(2004CB418505);吉林大学研究生创新基金项目

方恺(1986-),男,硕士,研究方向为资源环境规划与管理,发表论文4篇。＊通讯作者E-mail:shenwanbin@jlu.edu.cn