湖南省新型城镇化的土地承载力与生态安全分析——基于生态足迹模型

何文举,罗畅,李国峰

(湖南商学院湖南经济改革与发展研究中心，湖南长沙410205)



湖南省新型城镇化的土地承载力与生态安全分析——基于生态足迹模型

何文举,罗畅,李国峰

(湖南商学院湖南经济改革与发展研究中心，湖南长沙410205)

摘要：运用国家生态足迹账户计算方法，对湖南省2012年的各项生物生产性土地类型进行了生态足迹和土地承载力的测算，结果表明，2012年湖南省的人均生态足迹、人均生态赤字、人均土地承载力分别为2.896282公顷、.45216公顷、0.444124公顷，湖南省整个土地生态系统造成的影响已经远超土地承载力的范围并处于危险状态。运用GM(1,1)模型预测2015年、2020年湖南省生态压力指数分别增至5.0559、6.0105，年增长率为3.84%，这表明湖南省土地生态安全状况如果不能有效解善，在未来几年将呈现继续恶化的趋势，也预示十二五背景下湖南省政府“四化两型”战略目标的实现存在一定阻力。文章最后根据湖南省土地承载力现状特点及预测结果，提出了相关建议。

关键词：生态足迹；土地承载力；城镇化；（CM1，1）模型

土地是人类赖以生存的物质基础，土地的承载力反映了某空间人口的基本生存发展动力，是土地资源所能承受的人类各种活动的规模以及强度的限制，随着城镇化与工业化的发展，经济结构和社会关系发生根本变动，从而引发土地利用方式和结构的改革。随着传统的城镇化的扩展，土地需求日益增加，土地紧缺导致了土地的利用效率降低，耕地安全不能保障，生态环境受到破坏等一列的土地问题。新型城镇化是以统筹城乡、空间紧凑、资源节约、生态安全、公平发展、和谐共生为特征的城镇化，其核心是不以牺牲生态和环境为代价，实现城乡基础设施一体化和公共服务均等化，推动城乡经济的发展，实现共同富裕。而实现城乡经济的可持续发展的必要前提就是土地生态系统的完整性，资源的持续供给以及环境长期足够的容纳性，并且人类活动必须严格限制在土地生态系统的弹性范围以内而不超过土地承载力的限制要求。生态足迹这一概念最早是由加拿大生态系统学家William Rees提出的，它代表的是某一国家或地区生物生产总体土地面积，其中涉及人口生存需要以及人类排放废物的生态生产力土地面积。这种分析方法的优点体现在它既可以从供给的角度计算土地承载力，又可以从需求的角度来计算生态足迹，并能通过生态足迹与土地承载力之间的对比来研究人类享有的环境资源与社会经济发展水平的关系。

一、生态足迹计算模型

1.生态足迹模型

近年来学术界分析生态可持续发展时，衡量生态可持续发展的工具一般是William Rees提出的生态足迹模型。所谓生态足迹，是指在已知人口数量的前提下，生物所能生产的这些人口消费所需要所有资源的生产总面积，以及在既定人口数量的前提下，生物所能吸纳人口所排放废弃物所需要的生物生产总面积之和。因此在计算生态足迹时所需的基本条件是：一是能够计算出在既定人口数量的前提下，能够数量化人口消费所需的资源数量以及因这些资源消费所产生的废弃物数量；二是能够进一步把条件一中所数量化的资源消耗及其产生的废弃物数量转换成相应的生物生产土地面积。因此，其公式为：

EF=Mef=Mrk∑（aai)=N∑（Ci/Pi)

其中用EF、ef、hm2/人、N分别表示总的生态足迹、人均生态足迹、人口数；i、aai分别表示消费项目和投入的类型、人均i种消费项目折算的生物生态面积；j表示第j类生物生产性土地，rj表示其均衡因子，其计算方法通常是先计算该类生物生产性土地的全球平均生产力，然后用计算得出的全球平均生产力除以上述6大类生物生产性土地的全球平均生物生产力；i表示第i种消费项目，Pi表示其平均生产能力；同样i为第i种项目，Ci表示第i种项目的人均消费量。由上式可知生态足迹函数是人口数和人均物质消费的函数，每种消费项目生物生产面积的总和构成生态足迹。人均生态足迹计算公式：

式中，i、ai分别表示的是消费项目的类型、第i种消费项目折算的生物生产性面积；Ci、Pi分别表示第i种消费项目的人均消费量、第i种消费项目的全球平均生产力；Ef、γ分别表示人均生态足迹、均衡因子。

由于生物生产能力的空间差异，难以对不同类型土地单位面积的生物生产能力按统一标准进行比较，本文借鉴陈东景计算中国西北区生态足迹的方式，引入一个均衡因子(权重)，均衡因子的取值参考陈东景计算生态足迹的数据，林地、耕地、建筑用地、草地、化石能源用地、水域等均衡因子分别取值为1.1、2.8、2.8、0.5、1.1、0.2。通过权重的设置，以便于对存在空间差异的不同类型生物生产性土地面积按同一考量标准进行统一比较。

2．人均土地承载力计算

人均土地承载力计算公式：式(3)中，Ec、Y、Ai、λ分别表示土地的生态承载力、表示均衡因子、人均生物生产性土地面积、产量因子。在计算人均土地承载力必须对不同生态资源产量因子进行统一转化，所谓产量因子，是指在一定区域内的某种类型的土地平均生产力和世界同类土地平均生产力的比率，对不同生态资源产量因子修正调整的方式，与均衡因子统一转化过程中将不同类型的土地进行变换类似。在本文中，产量因子借鉴Wack ernagel等在测算中国生态足迹时的取值：林地产量因子、耕地产量因子、建筑用地产量因子、牧草地产量因子、水域产量因子分别为0.91、1.788、1.66、1.94、1。另外，根据世界环境与发展委员会(WCED)关于生态承载力的研究报告，如果维持现有水平的生物多样性状况，至少需要保存有12%的生态承载力，所以在计算时对此进行扣除。

二、2012年湖南省生态足迹的计算

1．研究区域概况

湖南省地处江南，位于东经108.47～114.15、北纬24.38～30.08。北以滨湖平原与湖北接壤，南枕南岭与广东、广西毗邻，东以武功诸山系与江西交界，西以云贵高原连贵州，西北以武陵山脉与重庆相连。全省土地总面积211829平方千米，以土地、丘陵为主，其中丘陵面积326.22万公顷，山地面积1084.72万公顷，平原面积277.86万公顷，耕地面积378.76万公顷。湖南省为大陆性亚热带季风湿润气候，光热充足，雨量充沛。至2012年末，湖南省常住人口为6638.9万人，比上年净增加43.3万人，增长0.66%。全省城镇人口为3097.06万人，城镇化率为46.7%。2012年，湖南地区生产总值达到22154.2亿元，同比增长11.3%；实现财政总收入2931.8亿元，增长16.2%。全省城镇居民人均可支配收入21319元，同比增长13.1%，农民人均纯收入7440元，增长13.3%。不过湖南省新型城镇化过程中由于既定发展模式在短期内难以改变，资源、环境容量有限，土地资源承载力的制约仍然是发展的瓶颈。

2．计算依据和结果

下面基于以上生态足迹计算模型，对湖南省2012年生态足迹进行量化。数据来源于《湖南省2013年统计年鉴》，数据的归类处理与计算仍然借鉴湖南统计年鉴分为生物资源消费账户和能源消耗账户的分类方式，并按照湖南统计年鉴的核算标准，各类生物资源的足迹，煤、焦炭、汽油、柴油和电力等能源的足迹，计算结果分别见表1和表2。

表1　　湖南省生态足迹计算中的生物资源账户

以上2个账户列表是计算人均生态足迹的账户，基于《湖南省2013年统计年鉴》以及湖南省国土资源厅网站公布的土地利用现状面积数据，可以得到6类生物生产性土地的面积，即可计算出2012年湖南省人均土地承载力，进而得到生态赤字或盈余的分析，计算结果见表3。

3．计算结果的分析与讨论

上述计算得出：湖南省2012年的人均生态足迹、其中被利用的人均土地承载力、人均生态赤字分别为2.896282公顷、0.444124公顷、2.45216公顷，这反映湖南省的居民活动对整个土地生态系统造成的影响，从总体来看，已经远超土地承载力的范围。2012年湖南省的人均生态足迹赤字相当于人均土地承载力的5.5倍，这说明要想维持湖南省的生态平衡，需要的生物生产性土地面积，至少相当于5.5个湖南省版图面积大小。为了全面系统了解2012年湖南省人均生态的赤字状况，将其放入1998～2012年的时间序列当中从而来对湖南省的人均生态赤字的发展趋势和动态变化进行观测，通过图1可以看出，湖南省在1998～2012年人均生态足迹是呈逐年上升的趋势，1998年的人均生态足迹仅为1.2441公顷，而到了2012年达到了2.8963公顷，上升了1.6522公顷，增幅达到了64.1%，这是因为伴随着近些年来粗放式经济增长模式没有及时转换，以及在土地财政驱使下的土地城镇化的发展，城市规模扩张对周边资源的过多消耗及其对城乡生存环境的负面影响增强，与此同时，人均足迹的逐年上升，人均土地承载力在逐年下降，这是由于两项指标的反向增长所致。加之城市空间规划设计的欠科学性，合理空间规划与执行过程中的差异等因素，空间布局结构的不合理，城市与区域之间，以及城市内部之间的人口密度、交通建设、能源消耗，以及外来流动人口的增多，导致对资源与环境的消耗已经超出了城市与区域生态系统的容纳能力，城市空间扩张已超出土地生态系统实际所能承载的范围，导致城市及城乡之间人地关系日趋紧张，生态足迹与土地承载力的矛盾突显，整个生态系统逐渐退化，生态经济不能稳步发展。

表2　湖南省生态足迹计算中的能源账户

表3　湖南省生态足迹与土地承载力

首先，单看土地的类型，人均生态足迹中化石能源消耗的比重最大，占到了32.27%。这反映出湖南省的经济发展集约化程度不高，生产乃至生活的能源的消耗多，科学技术水平的限制未能使清洁生产设备和新能源的开发得到广泛推广，使得对未深加工的初级能源消耗占比比较大，导致碳排放量比较大，能源利用率比较低。加上化石能源土地面积及其人均土地承载力都为0，化石能源的生态赤字比较大。

湖南省耕地的人均生态足迹所占比重比较高，其相对于总的人均生态足迹比重达到了33.91%。从供给的结构上看，耕地资源是湖南土地承载力最主要的部分，但由于地方财政制度仍然与土地开发紧密，土地城镇化模式没有得到及时抑制，城市和工业用地，园区经济建设用地，以及园区土地的低价出租、出卖导致高价商品住房建设的快速扩张，使农地不断被侵占，使得农村耕地面积日趋减少，人口数量膨胀与耕地紧缺的矛盾日趋加剧，城市建设用地及工业用地对耕地资源的需求也越来越强烈，加之一些城市和工业用地圈占规模大，不合理利用的程度较高，一些地方土地荒废严重，并出现了水土流失等问题。湖南省人口密度比较大，耕地资源的人均承载力相对较低，耕地资源总量本来比较紧张，这就导致了人地关系矛盾加剧，不利于当地农业的可持续发展，因第一产业的发展受阻，使得城市与地区域经济的发展因此也受到限制。同时这种恶性循环已经危害到了整个土地生态系统的发展。另一方面，由于大量农村人口向城镇流动，随着城镇化和工业化的进程不断加快，在占用大量农村耕地的同时，城市内以及城市与城市间的交通和能源等基础设施的建设必然占用大量农村耕地，由于人地之间的矛盾加剧，导致耕地的过度利用，耕地资源的生态足迹赤字明显偏大。

此外，由于城市人口的快速膨胀，对草地和水域产品的需求也不断增大，草地和水域的人均生态足迹所占的比例分别为23.33%，7.30%，与此同时，随着城市消费理念与方式向乡村的传播，城乡人们对食品的质量也提出了更高的要求。大部分人们开始注重食品的营养均衡，从而减少粮油食品的消费，增加肉类和水产品的消费。从人均承载力的角度来看，两者都非常低，分别为0.000597、0.003319。草地的人均生态足迹较低还是由于人地矛盾造成的，而水域相对低是由于湖南省淡水资源不够充足以及人类活动对水资源的污染造成的。每年，城市生活污水和未经处理的工业废水排放到湘江及其支流数量让人触目惊心，洞庭湖的面积由于大量污水排放而不断缩减，这些都直接造成了水域和草地生态赤字的加大。总之，随着土地城镇化模式的城镇规模扩张，其内在的驱动机制是地方政府为了财政收入不惜卖地使得建设用地大量占用其他的土地类型，也因此导致建筑用地过多，林地和建筑用地由于人均生态足迹较小，而且人均土地承载力相对来说比较大，所以生态赤字比较小。这充分说明湖南省这样一个人口和经济大省同样出现用地不合理以及经济发展短视的瓶颈。

图1　湖南省1998～2012年人均生态足迹与人均生态承载力变化

三、生态安全评价及预测方法

1.生态压力指数

生态压力指数是用来反映单位承载面积所承受的生态足迹赤字，压力强度，是指单位承载面积上的生态足迹赤字，它其计算公式如下：

其计算公式如下：

其中EPI、EF和EC分别表示生态压力指数、生态足迹和生态容量。其计算结果分三种情况：EPI＜0、EPI＞0、EPI=0，分别表示生态资源供给大于生态资源需求时、生态资源供给等于生态资源需求、生态资源供给小于生态资源需求；其中研究区域处于EPI＜0、EPI＞0状态时分别表示处于生态安全状态和生态不安全状态。

2.生态安全等级

根据世界基金组织提供的数据，本文将生态安全评价指数和等级划分如表4。

3.生态安全预测——GM(1，1)模型

本文借鉴刘思峰等(2004)的研究成果，模型设计的基本原理：设时间t序列（t=1,2,3,…n)x(0)有n个观测值，，通过累加生成新序列，则GM(1,1)预测模型微分方程为:

表4　生态压力指数及等级划分

其中a、b为未知参数，根据最小二乘法估计参数a和b。

Xˆt=Yt-Yt-1

本文建立的模型同样通过均方差和小误差概率来检验预测精度，C=0.0631<0.35、P=1.0000>0.95，模型的预测精度好，均方差的计算原理为：C=S2/S1

小误差概率P值的计公式为：

4.历年生态压力指数及预测

根据湖南省相关统计年鉴取得并经处理的数据，输入生态足迹模型，并经过生态压力指数计算方法，本文首先得到了湖南省2012年生态足迹盈亏与生态压力指数，如表4所示，然后在表4结果的基础上，结合灰色模型，运用相同的计算原理，得到湖南省生态压力指数预测值，如表5所示。

表5　湖南省历年生态压力指数及其预测值

图2　湖南省1998～2012年生态压力的预测值与拟合值

四、结论与对策建议

尽管生态足迹的计算可能存在不足，但它不失为一种对可持续发展状况的定量评价，在当前学术界应用比较广泛，生态足迹模型及生态压力指数计算方法能直观地反映出土地承载力，以及人类对于各种自然资源的利用程度。根据这种测算方法，2012年湖南省的人均生态足迹2.896282公顷/JK，人均生态赤字为2.45216公顷，而人均土地承载力为0.444124公顷，生态压力指数达到4.5971，已经超过了极不安全边界，从1998～2012年，湖南省的生态足迹均为赤字，生态赤字由1998年的0.762132公顷，增加至2012年的2.45216公顷,这表明湖南省城镇化建设过程中，盲目的扩大城镇规模导致土地内部结构失衡，土地利用生态效益逐步降低，生态足迹与土地承载力的矛盾日益突出，即人地关系紧张，土地资源的使用不合理。因此湖南省应加快新型城镇化的建设，转变土地利用方式，制定合理的土地规划，提高土地资源的利用率，实现土地集约化的经营。在城镇化和工业化的进程中落实科学的发展观，控制人口过快增长，统筹经济与效率，实现城乡一体化发展。

通过预测模型得到：C = 0.0631< 0.3500、P = 1.0000>0.95，说明通过检验，模型的拟合精度较好，由结合灰色模型得到的生态压力指数预测结果可知，湖南省生态压力指数在2013～2020年呈上升趋势，年平均增长率为4.02%，但是生态压力到2015年和2020年分别为5.0559、6.0105，均超过生态安全极不安全边界。因此本文通过运用生态足迹模型和生态压力指数计算方法，结合灰色预测模型，湖南省未来几年的生态安全状况分析得到的结果表明：如果不能及时有效地改变土地城镇化模式，合理规划城市空间体系，生态安全状况将存在向生态极不安全状态加深的趋势。本文认为，其之所以超过生态安全极不安全边界，主要原因是一方面城市空间结构的不合理，城市与区域的交通等基础设施建设在考虑便捷、快速的同时，应考虑到生态环境的保护，避免因交通经济发展导致的土地资源过度开发；另一方面是及时有效地推进财政制度改革与城乡一体化建设的协调同步，降低土地城镇化模式的快速发展带来的不利影响。土地资源与生态资源的有偿利用与城市规模扩张红利和工业建设利润紧密挂钩，避免土地及系列生态资源的过度利用，促进公平、协同的城乡之间，和谐、安全的人与自然之间的互动式发展；同时保持人口密度与经济密度和生态资源容量三者协调一致，避免城市经济发展模式依赖于土地资源开发，针对湖南各地区不同的生态资源容量及各生态单元不同的结构，使生态资源承载力与人口密度与经济密度相容，人均林地和草地生态单元与人口和经济需求相适宜，避免城市及其周边区域生态容量的降低；应因地制宜调整各类用地的布局，加大“退耕还林”和培养“人工牧草地”的力度，逐步实现结构完善、功能齐全的土地生态空间格局；加快解决土地供需间的尖锐矛盾，提高单位土地面积的产量，保护生态效益的可持续发展。

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（责任编辑：周小红）

Analysis of Land Ecological Security and Bearing Capacity in New —type Urbanization—Based on Ecological Footprint Model

HE Wen-ju, LUO Chang, LI Guo-feng
(Hunan Research Center for Economic Reformand Development, Hunan Universityof Commerce, Changsha, Hunan 410205)

Abstract：This paper adopts national footprint accounts to calculate and analyze the ecological footprint and ecological bearing capacity in all kinds of biological productive areas of Hunan Province in 2012．The results show that the ecological footprint per capita is 2.896282 hm2,the ecological capacity per capita is 0.293740 hm2,and the ecological deficit per capita is 1.658285 hm2, indicating that the scope of the impact of the land ecosystem in Hunan province has far exceeded the bearing capacity of land?and is in a dangerous state. Then it applies the GM（1,1）model and predicts that ecological stress index in 2015, 2020 will expand to 5.0559,6.0105,with average annual growth rate of 3.84%, indicating the land ecological security of Hunan Province will be worse in the future and fall into the extremely fragile state, the prediction also reveals the intensive pressure and resistance on the achievement of development strategy“four evolutions，two patterns”under the background of“Twelfth Five Year Plan”of Hunan Province. Finally, combining the status of the land ecological capacity and predictive trend in Hunan Province, this paper puts forward relevant policy suggestions.

Key words：ecological footprint; land ecological capacity; urbanization; GM（1,1）model

作者简介：何文举（1969—），男，湖南汨罗人，湖南商学院湖南经济改革与发展研究中心、湖南城市化研究中心教授，博士，硕士研究生导师，主要从事“两型社会”建设与新型城市化研究；罗畅（1993—），女，湖南长沙人，湖南商学院2011级国家二类特色经济学专业学生；李国峰（1993—），男，湖南衡阳人，湖南商学院2011级国家二类特色经济学专业学生。

基金项目：湖南省教育厅重点项目(12A080)。

收稿日期：2015-11-12

中图分类号：F299.276.4

文献标识码：A

文章编号：1008- 2107(2016)01- 0018- 07