基于EEF模型的昆明市生态系统发展状态评价

尚海龙 徐荣民 罗永常 龙纯娥 杨廷锋 蒋焕洲

摘要：运用能值分析理论改进的生态足迹模型（EEF），对昆明市2002～2011年能值足迹的动态变化进行分析，并应用GM（1，1）模型，对未来10年人均能值进行预测。结果发现：EEF模型的计算数值明显高于传统模型；昆明市生态系统出现盈余，处于可持续发展状态；在自然环境、经济状况不发生“突变”的前提下，2012～2020年人均能值盈余呈下降趋势且年均递减率为20.57%，尽管生态系统没有赤字，但生态安全面临严峻挑战。本研究对“新昆明”建设及其生态系统的可持续发展将有着重要的启示。

关键词：EEF模型；情景预测；“新昆明”建设

中图分类号：F062.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）10-2522-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.10.060

能值分析理论和方法是由美国著名生态学家、系统能量分析先驱H.T.Odum于20世纪80年代创立的。应用这一科学概念和度量标准及其能值转化率可将生态系统内流动和储存的不同类别的能量和物质转换为统一标准的能值，进行定量分析研究[1]。该理论对于改进传统生态足迹模型（EF）开拓了新的途径，两者相结合构建的能值足迹模型（EEF）有效弥补了EF在区域可持续发展评价中所采用的标准不够统一、不同研究结果缺乏可比性等缺陷，使计算结果能更客观、真实地反映研究区域生态系统的环境状况[2]。

曾利用EF模型对云南及昆明生态足迹进行研究的姜海凤等[3]、陆颖等[4]得出结论：昆明市自2000年以来，生态赤字逐渐扩大，人类活动强度的持续增加对生态系统可持续发展产生了较为严重的负面影响。鉴于EF将生物资源账户、能源与产品账户生态足迹叠加计算总生态足迹，忽视可再生自然资源账户，这已经远远不能覆盖中国生产消费的真实情况[5]，致使生态足迹（EF）与生态承载力（EC）差值偏小，与生态系统的理想容量相比尚有一定差距，对地区生态系统可持续性评价欠客观。所以，上述研究成果对昆明市生态系统评价有不完善之处。因此，本研究运用EEF模型对昆明能值足迹若干年时间序列的变化趋势予以探讨，对区域生态环境现势及人类活动的影响强度进行量化，旨在更科学地评价生态系统发展状态，为“新昆明”建设[6]提供有益的借鉴。

1 研究区概况

昆明市受整个云南高原的抬升运动和来自西北方向横断山余脉及北乌蒙山脉的影响，地势呈阶梯状排布，北部多山，南部较平坦，地貌以湖盆岩溶高原为主，以红色山原为次。昆明市所在的滇中盆地是云南高原面积最大、发育最全的新生代山间断陷盆地，三面环山，南濒滇池，海拔约为1 900 m，总面积2.101 3万km2。太阳光平均净辐射量1.67 E+9 J/m2·a[7]，常年平均风速3.5 m/s[8]。2011年昆明主城区年降水量为662 mm，较多年平均979 mm少317 mm，偏少幅度为32%，近年来的干旱使昆明生态系统的脆弱性增强。作为云南省惟一的特大城市、“新昆明”建设的中心、中国与大湄公河次区域经济合作中心枢纽和主要通道的昆明市，现下辖6区、1市（县级）和7县，其中民族自治县3个（图1）。本研究拟对大昆明生态系统发展状态进行评价，为从根本上提出解决研究区发展中存在的突出的环境问题的方法，对促进实施现代“新昆明”发展战略有着重要的现实意义。

2 模型方法与数据来源

能值足迹的定义为：一个国家或地区所能获得的可更新资源与消费的各种资源及消费这些资源时产生的废弃物所对应的能值面积。它包含两个方面的含义，一是人类所能获得的自然资源对应的能值面积，称为能值承载力；二是人类消费的自然资源及消费这些自然资源所产生的废弃物所对应的能值面积，称为能值足迹。它注重反映区域功能与土地功能的差异性，使计算结果的精度明显提高，能更客观真实地反映研究区生态经济系统可持续发展状态。本研究采用热值、能值转化率、能值密度（全球能值密度、区域能值密度）更加稳定的参数，通过建立EEF与GM（1，1）模型，定量评价昆明市2002～2011年生态系统的环境发展状况和预测分析2012～2020年生态经济系统发展状态。具体的计算模型如下。

2.1 能值足迹模型

2.1.1 基于改进的生态足迹的计算方法 计算能值足迹，首先把不同类型与等级的能量流换算成太阳能值，然后引进能值密度，将各消费项的太阳能值换算成对应的生物生产性土地面积，最后计算区域的能值足迹与能值承载力。

EEf =■ai=■ci /P2 （1）

式中，EEf表示人均能值足迹；i表示消费项目类型；ai表示第i种资源的人均能值足迹；ci表示第i种消费项目的人均能值；P2表示区域能值密度，其计算公式如下：

P2=■ （2）

在区域总能值的计算中，通常取可再生资源值进行计算，包括太阳能、雨水化学能、雨水势能、风能、地球旋转能。风能、雨水能、地球旋转能都是太阳光能的转化形式，为了避免重复计算同一性质的能量投入，故只取最大项与潮汐能值之和作为区域总能值[9]。太阳光能、风能、雨水化学能、雨水势能和地球转动能计算方法来源于相关文献[10，11]。能值足迹主要包括生物资源、能源资源和废弃物3部分[3]。分别计算这些消费项的能值总量、人均能值与能值足迹，最后相加就能得到人均能值足迹。

2.1.2 能值承载力的计算方法 能值承载力是相对于可更新资源而言的。只有利用区域内部可更新资源的数量，能值承载力结果才有可持续性。其计算公式如下：

EEc=e/P1 （3）

式中，EEc表示人均能值承载力；e表示人均可更新资源的能值数量；P1表示全球能值密度。计算公式是：

P1=■ （4）

GEI表示年均所有自然能值输入，GEC表示年均能值承载力。根据最新计算方法[12]，全球每年自然能值输入量为1.58 E+25 sej，全球能值承载力5.10 E+10 hm2，因此P1=3.10 E+14 sej/hm2·a。

2.1.3 能值赤字或者盈余（EEp）计算方法 能值承载力与能值足迹相减，EEp为正值表示能值盈余，否则就是能值赤字。以此作为评价区域生态经济系统可持续发展水平的可靠依据。

2.2 情景预测模型GM（1，1）

目前使用最广泛的灰色预测模型，就是关于数列预测的一个变量、一个微分的GM（1，1）模型。设已知数据变量组成序列为x（0），用1-AGO生成一阶累加序列为x（1），其中z（1）为x（1）紧邻均值生成序列。利用最小二乘估计可得到参数满足：■=（BTB）-1BTY，求解得到灰色情景预测白化方程为：

■（1）（k+1）=（x（0）（1）-■）e-a（k-1）+■ （5）

根据此模型能够对研究区2012～2020年的能值足迹动态变化趋势进行数据模拟计算。

2.3 数据来源

本研究涉及到的生物资源、能源消费和废弃物项目数量均来自于《云南统计年鉴》（2003-2012）、《昆明统计年鉴》（2003-2012）及云南能源局与统计局的调研；太阳净辐射能平均值、平均风速分别来源于参考文献[7，8]；年均降水量来源于云南省水文局水资源公报。各消费项目的热值参考文献[12-15]；太阳能值转换率参考文献[11，16]。

3 结果与分析

3.1 能值测算

在计算能值足迹时因数据缺乏且考虑到云南大环境不变，特将太阳净辐射能和风能设为多年平均值，但这不影响研究结果。由于昆明平均海拔高，因此雨水势能多年来都是研究区域最大的可再生资源能值（表1），以此作为能值总量计算该区域能值密度P2，然后依据上述能值足迹模型，对昆明市2002～2011年能值足迹和能值承载力计算（表2、表3）。

3.2 情景预测

根据公式（5），求得2002～2010年人均能值盈余（2011年数据微有波动，没有参与预测）情景预测方程为：

Ep（k+1）=-57.330 856 22e-0.065 5+62.505 676 22 （6）

经计算昆明市2002-2010年人均能值盈余变化的模拟结果见表4。

对上述已经建立的情景预测模型进行残差检验（相对误差），发现预测数据与计算数据的相对误差均小于5%。经计算平均相对误差为0.27%<5%，精度等级为二级，预测效果属于良好。因此可以根据公式（6），对2011～2020年人均能值盈余进行情景预测，结果如表5所示。

3.3 综合评价

为了进一步研究人类活动的强度及未来10年昆明生态系统对“新昆明”建设的承载潜力，分别对能值足迹与情景预测结果进行综合分析。

3.3.1 能值足迹变化趋势分析 从计算结果（表2、3）来看，2002～2011年能值承载力波动下降，人均能值足迹呈螺旋式上升。近10年来人均盈余均为正值，说明昆明市人类活动负荷尚未超过生态环境的容量下限。其中，各类型生物生产性土地面积对生态足迹的贡献，以2011年为例，依次为牧草地、化石燃料用地、耕地、水域、林地及建筑用地。其中，牧草地与化石燃料用地对能值足迹的贡献率达到了80%，反映出对昆明市生态环境影响最大的是畜牧业及能源工业。

通过对近10年来人均能值足迹与承载力动态变化分析，结果表明，昆明市人均足迹由2002年的2.975 6 hm2增加到2011年的4.449 3 hm2，年均增长率4.11%。期间虽有波动，但整体呈增大趋势。反映出人类的生活水平不断提高，各类生产活动对自然资源的利用强度不断提升，对生态环境的负荷日益加重；昆明市的人均能值承载力由6.462 4 hm2下降到5.215 9 hm2，年均下降2.17%。2009～2011年能值承载力虽出现了波动，但变幅不大，2011年较上年略有增长。说明近年来的干旱影响了自然资源的再生产。从构成上分析，对承载力贡献最大的是雨水势能，其次是风能与太阳能，可以看出可更新资源的开发利用程度还较低，特别是对有着巨大潜力的太阳能资源的利用还不够。

基于昆明市能值盈余情况，从表1～表3可以发现其变化趋势，人均盈余在逐年缩小，由2002年的3.4 869 hm2减少到2011年的0.765 7 hm2，年均减少16.37%，且在连续9年下降之后2011年又出现小幅度回升。说明人类生产活动没有超出生态系统阈值，研究区处于可持续发展状态。从自然资源的丰度来看，昆明可更新自然资源与生物资源储量可观，潜力巨大。近年来，昆明市在经济快速发展的同时，实现了生态系统的可持续发展，这对云南实施“新昆明”建设奠定了生态基础。

3.3.2 人均盈余动态变化的情景预测结果分析 从情景预测结果来看，昆明市在未来9年内，人均能值处于盈余状态。假设自然环境变化较为稳定，昆明市生态安全没有明显挑战，生态系统是持续发展的。区域内自然资本的收入大于人口消费的需求，昆明市的生产、消费模式具有强可持续性。但到2020年人均能值盈余仅为0.179 9 hm2，年均递减率为20.57%，大昆明的可持续发展形式可能会转变，所以，实施“新昆明”建设，增强生态系统活力，应采取保护与开发并重的生态策略，使昆明市自然资源总量得以增加，生态容量将有所扩大。

以上运用EEF模型评价昆明市生态系统，计算数值明显高于运用EF模型评价昆明生态系统的计算结果[3-5]，主要原因在于能值理论对EF重构后计算方法所量化与表达的承载力内涵不同，研究的生态经济系统边界发生了显著变化。同时，生态概念的经济领域扩展也是形成差距的重要原因。总之，EEF模型克服EF难以反映区域实际情况和技术进步带来的影响、没有涉及可更新自然资源的能量等缺陷，对区域生态承载潜力进行了准确测算，为生态经济系统可持续演进状态评价提供了新的思路，明显优于EF的计算方法。

4 结论及启示

4.1 基本结论

1）运用EEF模型，对昆明市2002～2011年的能值足迹进行分析发现：EEF模型的计算数值明显高于EF模型，昆明市人均能值足迹维持在2.975 6～4.449 3 hm2之间；人均能值承载力维持在6.462 4～5.215 9 hm2之间；能值盈余年均值为1.547 6 hm2。说明了昆明市生经态系统有盈余存在，处于可持续发展状态。

2）运用GM（1，1）模型，对昆明市2012～2020年的人均能值盈余进行情景预测发现：未来若干年昆明市生态系统尚不会出现赤字的状况，生态经济系统为“新昆明”建设奠定了坚实的基础，但生态安全面临潜在的威胁。

总体来看，昆明近年来经济发展较快，人民生活水平不断提高。虽然近10年来生态系统处于可持续发展状态，但也面临人类活动不断加强的严峻挑战，优化生态系统的策略应成为“新昆明”建设的重要组成部分。

4.2 EEF评价结果对“新昆明”建设的启示

昆明市生态经济系统蕴含着巨大的开发潜力，能值承载力不仅能满足当地经济发展和人们生活的需求，而且也为“新昆明”建设带来了新契机。为了增大昆明生态盈余，提高利用可再生资源的能值承载力，减小污染物排放足迹，因此在“新昆明”建设中，应在以下方面付诸努力。

1）高效开发可再生资源，减少环境负荷。昆明拥有丰富的太阳能、风能、水能、沼气与生物质能源等新能源与传统能源，重点开发这些资源，提高利用效率。从能值足迹的组成考虑，这些自然资源的有效开发能够提高能值总量，减少污染物排放。

2）加快推进新型工业化进程，培育战略性新兴产业。“新昆明”建设离不开现代工业基础的支撑，重点发展新能源、现代生物医药、电子信息等一批科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少的战略性产业与高端制造业，对“新昆明”建设意义重大。

3）建设“低碳昆明”，提高“绿色生产力”。建设绿色经济强市，应以低碳交通、低碳建筑、低碳农业、低碳材料、低碳消费、低碳政府甚至低碳校园等来统领昆明经济发展的诸方面。从能值足迹的内涵考虑，提升“绿色生产力”就是增大环境承载能力；建设“低碳昆明”，就是减少碳足迹总量。

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