基于改进生态足迹模型的区域生态经济研究——以烟台市为例

李 宁，王广成

(山东工商学院管理科学与工程学院，山东烟台264005)

基于改进生态足迹模型的区域生态经济研究
——以烟台市为例

李 宁，王广成

(山东工商学院管理科学与工程学院，山东烟台264005)

在产量因子与均衡因子的计算过程中采用了“省域模型”法，并以此建立了生态足迹模型以及生态承载力模型，对烟台市经济发展的生态可持续性以及区域经济状况进行了评价。研究结果表明，烟台市的耕地与建设用地富有生态盈余，具有较强的供给潜力;化石能源地生态赤字明显，烟台市的经济发展过多的依赖于化石能源，但是同时具有较高的生态利用效率;生物资源生产力不足，不能满足居民对生物产品的需求;实际人口远远超过生态适度人口;经济发展处于弱可持续发展状态。

生态足迹;生态足迹模型;生态承载力;区域生态经济

在经济的不断发展和人口的不断膨胀之下人类生存与发展环境受到的来自于各种生态问题的威胁由于环境、资源和经济发展之间的矛盾的日益严重变得更加突出［1］。目前社会经济能否实现可持续发展所面临的一个重要问题是能否正确的对自然环境所受到的来自人类活动的压力以及区域生态系统的承载力进行评估［2］。生态足迹(ecological footprint，简称EF)最早是由加拿大生态经济学家Wiliam Rees及其博士生于1996年首次提出的一种用来衡量人类活动对自然资源的利用程度和生态环境能够为人类提供多少生命支持功能的方法［3］。近年来，许多学者在生态足迹模型的基础上在相关的领域做了许多研究，应用主要集中在生态足迹与食物消费模式的差异［4－6］、国际贸易与生态不平等交换［7－8］、生态足迹与家庭收入与消费支出差异的关系［9］、循环经济［10］、能源消耗［11］、可持续发展［12］等领域。何峰等［13］认为生态足迹模型在应用方面存在一些障碍并对原模型进行了修正，利用经修正的模型评价了县域的生态可持续性。利用全国统一的均衡因子与产量因子来反应的各省市的区域发展状况与生产力状况与其客观值之间存在一定的偏差［14］，因此张恒义［15］构建了“省公顷”模型来计算均衡因子和产量因子，并对浙江省的生态足迹按照城市划分进行了实证研究。金丹等以徐州市和长治市为例分析研究了这两个不同区域之间采煤业的生态足迹并与其他行业之间的生态足迹进行了比较分析［16］。草原生态系统具有一定的特殊性，杨艳等在时间序列的基础上对草原地区的生态承载力与可持续发展问题进行了研究并对锡林郭勒盟近30年的生态状况进行了分析［17］。

本文通过建立生态足迹与生态承载力模型，以烟台市为研究对象，计算并分析了烟台市2011年的生态足迹与生态承载力，并在此基础上研究了其区域可持续发展性，得出了烟台市经济发展目前处于一种弱可持续发展状态的结论，并根据此结论提出了相应的政策建议。

一、研究区域概况

烟台市是一个地处山东半岛北部、拥有7个县级市、6个区和一个县的沿海城市，该市气候为暖温带大陆性季风气候，实际人口为651.8万，全市海洋面积2.6万平方公里，陆地面积1.37万平方公里。南邻渤海、北邻黄海，是国内唯一的一个与两个海洋相邻的城市，其海岸线长达909公里。海洋渔业资源丰富，在200多个近海渔业生物品种中有100多个品种具有捕捞价值。烟台市主要为低山丘陵区，丘陵与山地占了全部土地面积的76.3%，其次平原占了20.8%，洼地面积则只占了2.9%。烟台市拥有丰富的地下矿产资源，仅被探明储量的矿产就有40多种，其中尤其以黄金储量最为丰富，从全国来看烟台市的黄金储量是最多的，沿海大陆架的石油与天然气储量也相当丰富，为富集型油区。

二、研究方法

(一)改进的生态足迹模型

一定区域内的生态经济发展状况可以通过将维持人类生产活动和处理人类活动废弃物所需要的生态生产性土地面积和该区域所能够提供的生态承载力大小进行比较来进行判断，生态足迹模型是一种评估人类活动对生态生产性土地需求面积和区域生态生产性土地供给能力的模型。

生态足迹模型为

式中，A＇j代表第j类土地的生态足迹，hm2，其中j =1，2，3…m代表各不同类型的生态生产性土地。i=1，2，3…n代表各种生态产品。EPi代表区域内第i种产品的年平均生产力，t/hm2;Ci为第i种生态产品的年消耗量，t;Pi为第i种生态产品的年生产量，t;Ii是第i种产品的进口量，t;Ei是第i种生态产品的出口量，t。

式中产品的平均消费量Ci由于各个地区之间经济发展水平、生活水平的不同而存在很大差异，具有不同生态生产力的生态生产性土地不能直接进行比较，EPi的值也因为地域的不同而存在差异，利用世界平均水平的EPi来计算区域的生态足迹必然会导致不真实的生态盈余，因此引入经过修正的等价因子γj对生态生产性土地的生态足迹模型进行调整。γj表示省域与世界生态生产性土地平均产量的比值，用γj对原生态足迹模型进行调整得到改进的生态足迹模型为:

式中，Aj是经过调整后的第j类生态生产性土地的生态足迹，hm2;EP为省域生态生产性土地的年平均生产量，t/hm2;为全球生态生产性土地的年平均生产量，t/hm2。

式中，EAj为人均生态足迹，N为该地区人实际口数。

1.耕地、林地、建成地的生态足迹。耕地、林地属于生物资源类土地，可以根据其生产的消费性产品用模型(2)计算其生态足迹。建成地包括农村晾晒谷物的场地、道路、禽畜饲养场地等都是占用的耕地面积，其生态足迹可以按照其占用的耕地面积来进行计算。建设用地的生态足迹模型为:

式中sj表示第j类建筑用地的面积，δj表示产量因子，γj为均衡因子，γj、δj将在下文进行描述。

2.水域的生态足迹。可以运用公式(2)对水域用地的生态足迹进行计算，据FAO报告，依据生产方式对全球水产品产量进行划分，可以分为海水捕捞、淡水捕捞、海水养殖、淡水养殖4个部分［8］。根据何峰等人的研究［7］公式(2)中的值取1.47t/hm2。

3.畜牧业用地的生态足迹。畜牧业生用地态足迹包括饲料所消耗的生态生产性土地面积与草料所消耗的生态生产性土地面积。其中饲料主要来源于耕地、草料主要来源于草地，其模型为:

式中，i=1，2，3…n为用于饲养各种禽畜的生态性产品，k=1，2，3…m为各种禽畜产品，As是来源于耕地的畜牧业用地的生态足迹hm2;A1是来源于牧草地的畜牧业用地的生态足迹，hm2;Psk是来源于耕地的k类禽畜产品的产量，t。Esk是每单位k类产品所需要消耗的粮食用量，kg;Eik是生产单位产量的k产品所需要的第i中原料在所有原料中所占的比重，%。Pgk是来源于牧草地的禽畜产品的产量，t。是牧草地的平均产量，t/hm2是第i种原料的世界平均产量t/hm2。

4.化石能源地生态足迹。化石能源主要通过燃烧以热能形式为人类经济活动提供消费，化石能源燃烧会释放温室气体，温室气体主要以CO2为主，CO2参与全球碳循环，因此可以通过碳循环来计算化石能源的生态足迹。人类排放到大气中的CO2除了由森林草地等吸纳以外海洋也对CO2进行吸纳，据估计海洋吸收的CO2占总量的1/ 3［15］。故此本文在对化石能源地生态足迹的计算过程中采用了碳汇法，其模型为:

式中，Ajl是某类化石能源所需要的林地的生态足迹，t/hm2;Ajm是某类化石能源所需要的牧草地的生态足迹，t/hm2;Ci是某化石燃料消耗量，t;Hi化石燃料的燃烧热值系数，KJ/t;Fi是碳排放系数，t/ KJ;Perl是除去海洋吸纳的CO2量林地碳蓄积量在陆地生态系统碳蓄积量中所占的比重，%;Perl是除去海洋吸纳的CO2量牧草地碳蓄积量在陆地生态系统碳蓄积量中所占的比重，%;ωl是每公顷林地每年可吸纳的CO2量，t/hm2;ωm是每公顷牧草地每年可吸纳的CO2量，t/hm2。

5.电力用地生态足迹。本文主要考虑火电与水电的生态足迹，火电的生态足迹转化为化石能源地的生态足迹，火电消费量等于火电的消费量减去被用于继续进行火电发电的电量。即:

式中Cix为火电的消耗量，千瓦/时;Cif为继续用于火电发电的火电消费量，千瓦/时;Cm为用于火电发电的用煤量，t;Ci为火电的消费量，t;μ是原煤转化系数，1.4;λ是单位火电用煤量，t;

根据何峰［7］等人的研究我国水电平均生产力是1.748×103GJ/hm2，，水电的单位生态足迹是0.21×10－5hm2。由于烟台市没有水电发电故在本文中对于烟台市的水电生态足迹不予考虑。

6.其他土地的生态足迹。其他土地包括生产生活用水用地、污水处理用地、垃圾处理用地、可再生能源消耗以及矿区用地、田坎用地等。生活用水与污水处理的生态足迹可以根据所需要的电力来进行计算，其模型为:

式中，Chd是火电的消耗量，KW·h;Csd是水电的消耗量，KW/h;τhd与τsd分别是火电与水电的单位生态足迹，hm2/KW·h。

7.均衡因子与产量因子的计算。由于不同区域不同类型的生态生产性土地受到多方面的影响在生产力上是不同的，产量因子与均衡因子作为一种修正参数可以对不同区域内的生态生产性土地的生产力进行调整使之可以直接进行比较，为了避免产生不必要的生态盈余采用张恒义的研究结果［9］，均衡因子与产量因子的计算模型如下:

式中，γj为均衡因子，δj为产量因子，是省域内第i类土地的平均生产力，KJ/hm2;P是全省所有土地平均生产能力，KJ/hm2;Qi是指全省范围内第i类土地上的生物总量，KJ;Si是省内第i类土地的生产面积，hm2;指全省范围内第i类土地上的第k种产品的产量，Kg;指第i类土地上第k种生物性产品的单位热值，KJ/Kg。指 j市第 i类土地的平均生产能力，Kg/hm2;指j市第i类土地的全部产出量，KJ;指j市第i类土地的总面积，hm2;()j指j市第i类土地的第k种产品的年产量，Kg。

(二)生态承载力模型

生态承载力表示在现有的技术水平和消费水平下，现有的环境与资源能够给人类活动提供多大的供给。

1.水域、林地、耕地、建成地、畜牧业用地以及电力用地的生态承载力。耕地、林地、水域、畜牧业用地的生态承载力可以用下述公式计算:

式中，ACj为第j类土地的生态承载力，hm2;Sj为某区域内第j类生态生产性土地的面积，hm2;其他参数的含义同上文。

2.化石能源地生态容量。化石能源地的生态足迹归入全球碳循环中进行计算，在计算化石能源地的生态承载力时也分为林地、牧草地两部分，模型为:

式中，ACj是化石能源地的生态承载力，hm2;ACl是源于林地的生态承载力，hm2;ACm是源于牧草地的生态承载力，ACm;Sl是当地林地的面积，hm2;Sm是本地牧草地的面积，hm2;EXl是研究区域内林地的年平均碳吸收能力，t/hm2;是全球林地年平均碳吸收能力，t/hm2;δl是所研究得区域内的牧草地的年平均碳吸收能力，t/hm2;δm是全球范围内牧草地的年平均碳吸收能力，t/ hm2;δl是研究区域内林地的产量因子，δm是研究区域内牧草地的产量因子。

(三)生态赤子/盈余

生态足迹是人类活动对环境所提出的需求，

是人类活动对环境的影响，生态承载力表示环境对人类活动所能够提供的供给。生态赤子或生态盈余是生态足迹与生态承载力的差值，表示人类经济活动的生态可持续发展能力。大于0代表生态赤字，小于0代表生态盈余。模型表示如下:

三、实证分析——以烟台市为例

利用上文构造的生态足迹模型和烟台市2011年的基础数据对烟台市当年的生态足迹与生态承载力进行了计算，其中基础数据来源于《中国环境统计年鉴》《农业技术经济手册(修订版)》《中国林业统计年鉴》《中国农业年鉴》《国际统计年鉴》《中国农村统计年鉴》《山东农村统计年鉴》《山东统计年鉴》《烟台统计年鉴》《中国农垦统计年鉴》、基于IPPC《国家温室气体排放清单指南》、联合国粮农组织网站提供的数据［18］。世界各类农产品的平均产量根据《国际统计年鉴》的数据进行了调整。烟台市牧草需求量根据牲畜产量及《农业技术经济手册(修订版)》的数据进行了调整。

饲料中的粮食含量按照0.6进行计算。

表1 2011年农产品世界平均产量

表2 禽畜年饲料与草料消耗量 公斤/头

在化石能源地生态足迹的计算中世界林地与牧草地的碳吸收量比例为82.72:17.28，世界林地与牧草地的年平均固碳能力分别为3.18t/hm2和0.948t/hm2。烟台市林地与牧草地的年均固碳能力取3.603和0.967t/hm2。

为了维持生态可持续发展的需要，根据世界环境与发展委员会的规定，应该在计算所得的生态承载力总量中扣除12%的生物多样性保护面积。经过计算得表4烟台市2011年的各类土地的产量因子与均衡因子表，表5生态足迹与生态承载力表。考虑到烟台海域面积较大且数据不易查找本文中的水域生态足迹只计算了烟台市淡水水域。

表5中的生态承载力是扣除12%的生物多样性保护面积之后的生态承载力，畜牧用地中来自耕地的部分归入耕地进行计算。

(一)生态足迹与生态承载力

通过表5可以看出，2011年烟台市总的生态足迹为 4 988 277.807 hm2，人均生态足迹为0.765 3 hm2，总的生态承载力为1 686 378.741hm2，人均生态承载力为0.258 7 hm2。在所有类型的生态生产性土地中，化石能源地的生态足迹最大，占到了总生态足迹的42.815%，其次是电力用地，畜牧业用地和耕地分列第三、第四。在土地的供给方面耕地拥有最大的供给潜力，其生态承载力高达57.426%，其次是建设用地，而生态足迹占比为42.815%的化石能源地在生态承载力上的占比只有11.253%，因此化石能源地几乎没有多余的供给能力。

表3 化石能源热值系数与碳排放系数以及烟台市2011年消耗量

表4 2011年烟台市各类土地的均衡因子与产量因子

(二)生态盈余与生态赤字

烟台市2011年只有耕地与建成地具有生态盈余且耕地的生态盈余要大于建成地的生态盈余。生态赤字从大到小依次为:化石能源地、电力用地、林地、水域、其他用地、牧草地。根据以上分析得只有耕地和建设用地具有生态盈余，其余各类土地均体现为生态赤字。总的来说2011年烟台市生态状况体现为赤字，全市居民的人均生态赤字为0.683 1 hm2。

由此可知目前总体来说烟台市所能够提供的生态承载力已经不足以抵消其居民活动对自然生态系统所造成的压力，生态系统风险较大，经济发展处于弱可持续发展的状态。

从生态盈余方面进行分析，耕地和建设用地具有较高的供给潜力，但是建设用地的供给潜力又低于耕地，在建设用地出现生态盈余的情况下，将来在充分利用耕地生产力的基础上可以适当减缓建筑业的发展速度。

从生态赤字的方面分析，烟台市的生态赤字在化石能源地与电力用地以及林地上表现的尤为明显。化石能源地的需求量是 2 433 959.082 hm2，而生态承载力只有189 763.5647 hm2。其主要原因是因为烟台市是以工业为主的工业型城市，工业企业居多，需要消耗大量的化石能源，《中国煤炭工业年鉴》统计指出烟台市煤炭储量为7.86×106t，在烟台招远拥有全国最大的金矿集中区，随着经济的发展和对矿产资源的开发，烟台市的能源消耗量也会随之增多，进而烟台市的化石能源地生态足迹也会不断增加。2011年烟台市的林地同样呈现生态赤字的状况，而耕地则体现为生态盈余，在这种情况下削减烟台市生态足迹的最直接方式是进一步扩大烟台市林地与草地的面积，在矿区开发利用之后及时恢复被破坏的生态环境，与此同时加大可再生资源的开发利用力度，这对于实现烟台市经济的可持续发展来说也是一个必然要求。2011年烟台市的电力需求用地为1 144 872.369 hm2。远超过供给的89 628.189 4 hm2，这是因为烟台市没有水力发电，全部用电均由火电供给，需要消耗大量化石燃料。烟台市濒临渤海与黄海，具有丰富的海洋资源，可以利用海洋潮汐能进行发电以减轻烟台市电力用地的压力。由表5还可以看出在畜牧用地中对牧草地的需求量非常大，达到673 212.383 3 hm2，但是牧草地的实际面积只有81 hm2。主要因为烟台属于温带季风气候是低山丘陵区，本身没有天然的牧草地，因此在牧草的供给上具有很大的限制，因而烟台市发展畜牧业会受到客观条件的限制，但是可以考虑从其他地区直接引进畜牧产品来满足本地居民的消费需求。同时由于烟台市耕地具有较大的供给潜力，也可以增加禽畜饲养的粮食比例以减少本地的畜牧用地的生态足迹。烟台市本身淡水资源就不是很丰富，同时湖泊数量很少却具有丰富的海洋资源，烟台市应主要大力发展海洋渔业，因此烟台市的淡水域生态足迹也体现为生态赤字，在这种情况下，应该扩大从外地引入淡水产品的途径与数量以满足本地居民对淡水产品的需求。

表5 2011年烟台市各类土地实际面积生态足迹与生态承载力

(三)烟台市生态足迹构成分析

由表5分析得出，人均生态足迹在不同类型的土地之间是存在较大差异，化石能源地与电力用地分别占到总生态足迹的 42.815% 与20.222%，畜牧用地12.643%。人均耕地的生态足迹为0.0443 hm2，占到总足迹的5.844%，建设用地、林地的生态足迹与耕地的差不多，分别占4.711%与3.197%。化石能源地、电力用地、畜牧用地生态足迹占到总的75.68%，而其他用地的生态足迹仅占0.099%。这表明烟台市消费的土地类型主要是化石能源地、电力用地、畜牧用地;工业化程度较高、居民消费水平也较高，是一个工业化的城市，并且经济发展主要依赖于化石能源。

化石能源地所占比例较大是因为烟台市以发展工业为主，占到所有产业的61%，电力全部为火电，对化石能源的依赖性很大。在2012年的产业增加值比重中第二产业占56.5%，由此可见烟台市的快速发展进程是在消耗大量化石能源的基础上实现的。

在全部土地类型中，牧草地的生态足迹占比也比较高，其主要原因是因为在不断增长的经济水平之下，居民的生活水平也得到了大幅度提高，人们对于肉类、禽蛋类的生物产品的需求量随之大幅增长。在饲料用量比例不变的情况下会加大对牧草的需求。

烟台市2011年人均生态足迹达到了0.765 3 hm2，相对来说处于较高水平，主要是因为烟台位于胶东半岛经济发展地区，具有较强的经济实力，居民消费能力大、消费层次高。2011年烟台市城镇居民人均可支配收入为30 045元，农村居民人均纯收入13 298元，山东省的分别为25 755.2元和9 446.5元。烟台市的城镇居民人均可支配收入与农村居民年人均纯收入分别是山东省的省平均水平的1.17倍和1.41倍，烟台市的平均水平要远高于全省平均水平。

由此可以看出，烟台市工业相对发达，但是对于化石能源的依赖性过大。居民消费水平高，生活产品需求大，但是林业、畜牧业、淡水渔业的发展相对落后，生物资源生产力相对较弱，有待进一步的提高。耕地与建设用地的生态盈余有待充分利用，以减轻其他土地的生态压力。虽然目前来说烟台市的经济发展速度较快但是为了将来的生态可持续性发展必须开发寻找新能源以降低工业对化石能源的依赖性，同时要加大生物资源生产力水平的提高。

(四)生态利用效率计算与生态适度人口分析

表6 2011年烟台市生态适度人口

由表 6可知，烟台市 2011年实际人口为651.8万，而生态适度人口只有220.33万。实际人口是生态适度人口的2.96倍，这表明:在现有的经济发展水平、消费水平、生产力水平之下烟台市生态环境承受的人口压力已经远远大于其上限，烟台市人口扩充空间为负值。所以应该在加快当地经济发展的基础上适度控制人口的增长，缓解人口对生态系统的压力。烟台市2011年EE为9.51万/hm2，明显高于同类型城市。表明烟台市的生态利用效益较高。由于烟台市工业发展大部分依赖于化石能源，因此可以通过改善烟台市的能源结构进一步提高其生态利用效率。

四、结论

本文运用经过改进的生态足迹模型，以山东省烟台市作为研究对象计算和探讨了其2011年的生态足迹与生态承载力，并以此分析研究了其区域经济状况与生态可持续状况，研究结果表明:

总体上来讲烟台市2011年的生态足迹大于生态承载力，土地利用呈现赤字状态，若不进行必要的调整，随着经济的进一步增长，赤字趋势可能会进一步增加。目前烟台市的实际人口已达到生态适度人口的将近三倍，这表明在烟台市目前所能提供的生态容量下人口负荷量已经超出了其承载能力，生态系统风险较大，经济发展在弱可持续发展状态下进行，但是烟台市的土地利用效率处于较高水平。

耕地、建设用地的供给潜力较大，应该充分利用这一优势促进农业发展、提高禽畜产品粮食饲喂比例以减轻畜牧业的生态压力。

目前居民对林业、畜牧业、淡水渔业产品的需求量不断提高，烟台市生物资源的生产能力不足，在畜牧业与淡水渔业的发展上受到当地资源的限制，应扩大产品引进途径与范围。林地面积明显不足，应继续实施相应的具有可行性的政策以扩大本地区林地与草地面积。烟台市属于工业型城市，经济发展对化石能源的依赖性过大，应该进一步调整能源结构，开发利用可再生资源从而实现经济的生态化可持续发展。烟台市的电力主要来自火电，这增加了化石能源的消耗，加剧了对区域生态系统的压力，应充分利用丰富的海洋资源、风力资源以改善能源供给结构。

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［责任编辑:刘 炜］

F127;Q14

A

1672 -5956(2016)02-0015-08

10.3969/j.issn.1672－5956.2016.02.003

2015-10-15

国家自然科学基金项目(71273158)

李宁，1988年生，女，山东淄博人，山东工商学院硕士生，研究方向为生态经济与生态管理，(电子信箱)lining0533@sina.com。