基于生态足迹的宁夏生态环境可持续发展研究

韩文文,刘小鹏,裴银宝,安 琼,李永红

(宁夏大学 资源环境学院,银川 750021)



基于生态足迹的宁夏生态环境可持续发展研究

韩文文,刘小鹏,裴银宝,安 琼,李永红

(宁夏大学 资源环境学院,银川 750021)

基于修正后的生态足迹模型测度了宁夏2000—2013年生态足迹和生态承载力的变化趋势，引入足迹深度和足迹广度模型，探讨宁夏自然资本利用状况，加入万元GDP生态足迹、生态足迹多样性指数和发展能力指数作为补充，对宁夏的可持续发展能力进行测算。结果表明：(1)研究期内，宁夏全区人均生态足迹由1.601 8增长到2.915，人均生态承载力由1.175平稳下降到1.005，生态赤字增长了2.58倍，宁夏的生态承载力已超负荷；(2)人均足迹深度从1.833上升到3.294，人均足迹广度维持在0.608 5～0.852 9，资本流量已经不能满足人们日常消耗，资本存量的利用已然成为宁夏社会经济发展的必需。2013年，宁夏需要约3.29倍的国土面积才能维持自身的发展。(3)万元GDP生态足迹由3.009降到0.743 6，发展能力指数由2.630 7上升到4.748 2，表明宁夏的自然资本利用效率正逐步提高，具备一定发展空间，但是生态足迹多样性指数数值较低，说明宁夏的自然资本利用方式不均衡，生态系统处于不稳定状态。未来应通过加快产业结构升级、降低能源消耗率、提高耕地利用效率、合理规划城镇土地利用等方式来优化自然资本利用状况，减少生态环境压力。

生态足迹; 生态承载力; 可持续发展; 宁夏

可持续发展是人类发展的核心议题，在众多可持续发展的定量化研究中，生态足迹方法为人类利用自然资源状况提供了更为直观和简洁的途径，被称为近20年来可持续发展量化领域最重要的进展[1-2]。

生态足迹的概念最初是由加拿大学者Rees[3]提出，随后由Wackernagel对其进行完善。该方法旨在通过衡量人类为了满足自身的生存和发展所消耗的自然资本量来评估对生态系统的影响。自1999年生态足迹理论和方法传入我国[4]之后，我国学者对不同尺度和不同领域的生态足迹做了大量的研究。从研究尺度来看，既有基于全球[5]、国家等大空间尺度的，又有省级[6]、城市[7]等中尺度区域和家庭[8]、学校[9]等小尺度层面的研究。从研究领域来看，由综合的生态足迹研究发展到具体的土地[10]、水资源[11]、旅游[12]、能源[13]等足迹的探讨。随着对足迹模型的深入研究，生态足迹方法的缺陷和不足日渐显现。针对不同区域产量因子不同，用实际单产法取代全球产量因子[14]准确计算各个地区的实际生态足迹，来衡量对生态环境的影响；针对生态足迹的评估具有静态性特征，相关学者[15-16]运用较长时间序列来预测某个区域的生态足迹发展趋势和变化规律。

本研究从可持续发展角度，在生态足迹模型的基础上，采用方恺[17]改进的区域足迹广度和足迹深度两项指标对宁夏自然资本存量和流量利用进行分类测度，通过对宁夏近14年的生态足迹的演变特征、存量和流量利用强度和结构进行探讨，揭示出宁夏的自然资本利用现状与特点，利用万元GDP生态足迹、发展能力指数等来评估宁夏的可持续发展能力，以期为政府及相关部门制定区域发展政策提供理论依据。

1　研究区概况

宁夏回族自治区位于35°14′—39°23′N，104°17′—107°39′E，总面积5.19万km2。从自然地理位置来看，宁夏深居我国西北内陆，黄河中上游由南向北穿越而过，三面由腾格里、乌兰布和和毛乌素沙漠环绕。按自然地理特征，可分为北部引黄灌区、中部干旱带和南部黄土丘陵区。从行政区划来看，宁夏现辖银川市、石嘴山市、吴忠市、中卫市和固原市5个地级市，22个县(区)，首府为银川。截止到2013年年底，宁夏全区总人口达到654.19万人，人口自然增长率8.62‰，人口密度达98.5人/km2。全年粮食播种面积80.16万hm2，粮食总产量373.40万t，种植业产值269.00亿元，达到当年农业总产值的62.56%。地区生产总值2 565.06亿元，三次产业结构比重达8.7∶49.3∶42。工业中高耗能行业实现增加值503.0亿元，占全年全部工业增加值的53.26%。该区生态环境脆弱，历年重视生态恢复工程，年末实有封山(沙)育林面积32.62万hm2。

2　数据来源与研究方法

2.1数据来源及说明

本研究的基础数据主要来源于《宁夏统计年鉴》(2000—2013年)和《中国城市统计年鉴》(2000—2013年)。生态足迹和生态承载力的计算包括耕地、林地、草地、建设用地、化石燃料用地以及污染物用地共6类基础用地。由于资料的有限性以及相关数据较难获取，生物资源账户中的数据以产量取代消费量，部分数据经过计算处理得到(大豆、蔬菜和薯类由于没有2001年的数据，采取2000年和2003年的加和平均值)；化石能源类的生态足迹采用张恒义等[18]的碳汇法来计算CO2吸纳的土地占用。污染物生态足迹的计算包括废气排放(工业SO2和生活SO2排放、工业烟尘排放)、废水排放(工业废水、居民生活用水排放)和固体废气物的排放(工业固体废弃物)，计算吸收这些污染物所占用的生物生产性面积时，采用刘乐冕[19]提出的标准进行换算

2.2研究方法

2.2.1生态足迹模型生态足迹算法是指在一定的人口和经济规模下，计算人类对自然资源的消耗、产生的废弃物和自然环境提供的供给，并将各种消费和供给按照一定的换算比例折算为相应的生物生产性土地面积，通过测度人类利用的生物生产性面积的大小来评价人类活动对生态环境的影响，以此来判断区域的发展是否处于自然环境合理的生态承载力范围内[20]。其计算公式为：

(1)

式中：n为全区人口总数；ef为人均生态足迹；aj为第j种消费项目折算出的人均生物生产土地面积(j =1,2,3,…,7)；cj为第j种项目的人均消费数；pj为第j种消费项目的平均生产能力；EF为总的生态足迹。

生态承载力即一个区域的生态足迹供给量[3]，在数值上相当于区域所能提供给人类的资源、能源和吸纳废弃物排放的所有生物生产性土地面积的总和。其计算公式为：

EC=n·ec=n∑(ajrjyj)

(2)

式中：n为人口数；ec为人均生态承载力；aj为人均实际占有的生物生产性土地面积；rj为均衡因子；yj为产量因子；EC为生态承载力。

由于均衡因子和产量因子是影响生态足迹和生态承载力计算结果的关键性因子[21]。采用杨屹等[22]根据生态足迹提出者Wackernagel的研究成果、世界自然基金会(WWF)和全球足迹网络(GFN)等组织提供的近40年来的均衡因子均值的办法作为全球生态足迹均衡因子值；全球平均产量主要采用1993年联合国粮食及农业组织所提供的数据，由于药材全球平均产量在联合国粮农组织网站和Wackernagel等相关文献中并没有数据，因此，将宁夏全区2000—2012年的产量平均值即3 955.657 kg/hm2代替全球平均产量值。

生态赤字是某区域的生物承载力与生态足迹之差。其计算公式为：

ed=ef-ec

(3)

式中：ed为该区域的人均生态赤字。为谨慎起见，计算ec时扣除12%的生物多样性保留面积。若ed<0则为生态盈余，表明该区域的生态环境仍处在生态承载力范围内；若ed>0，则为生态赤字，表示该区域生态环境已经超载，数值越小，生态环境状况越堪忧。

2.2.2区域足迹广度和深度模型为了全面地分析区域的自然资本利用现状以及区域可持续发展状态，运用足迹深度和足迹广度来表征对区域资本存量和流量的耗用程度。区域足迹深度和足迹广度的计算公式为：

(4)

(5)

式中：EFdepth,region为区域足迹深度，EFdepth,region=1时，表明人类占用的自然资本存量为0，仅靠消耗自然资本流量即可满足自身发展需求；当EFdepth,region>1时，表明人类已经开始启用存量资本来满足自身的消耗，其值越小，动用自然资本存量越少，发展状态越良好。反之，则发展越不可持续；EFsize,region为区域足迹广度，EFsize,region∈(0，EC]，EFsize,region越大，表明可持续性越强。

2.2.3区域综合发展能力模型由于区域的发展，技术进步等社会人文因素会促进和改变人类利用资源效率的水平和方式，为表征人类对某区域资源利用效率的高低，引入万元GDP生态足迹公式[23]，即将某区域单位末端所耗费的资源量折算为生物生产性土地面积。该指标越小，说明区域内系统资源的利用程度越高，反之，利用程度越低。其计算公式为：

(6)

生态足迹多样性指数采用Shannon-Weaver[24]的公式，计算某个区域内的各类资源消耗所需的生物生产性面积的分配均衡度。

(7)

式中：H为生态足迹多样性指数；Mj为j类土地类型所占总生态足迹的比例。H值越高，表示生态足迹多样性越高，系统越稳定，生态足迹类型分配越平等，反之，系统越不稳定，分配越不均衡[25]。

发展能力指数C可采用Ulanowicz[26]的方法通过生态足迹和生态足迹多样性的乘积得出。其计算公式如下：

(8)

生态足迹模型侧重对一个区域的经济发展能力的度量，而衡量某个区域的可持续发展能力则是受经济、社会和生态等综合因素的影响[27]。采用万元GDP生态足迹、生态足迹多样性指数和发展能力指数弥补单纯依靠生态足迹来衡量区域可持续发展的不足，多方位的评价区域可持续发展能力。

3　结果与分析

3.1生态足迹基本状况

根据公式(1)—(3)分别计算出2000—2013年宁夏省人均生态足迹、人均生态承载力和生态赤字。由图1可知，宁夏人均生态足迹在波动中持续上升，由2000年的1.601 8 hm2增加到2011年的3.056 0 hm2，达到研究期内的历史最高位，年均增速6.13%，增长了1.9倍；之后出现缓慢增长阶段，直到2013年年末人均生态足迹为2.915 8 hm2。与此同时，人均生态承载力平缓下降，从2000年的1.173 9 hm2下降到1.005 6 hm2，平均下降速度为1.17%。人均生态承载力的平稳下降和生态足迹的快速增长，导致生态赤字逐年增加，2013年生态赤字高达2.031 3 hm2，宁夏生态系统面临长期不可持续状态。人均生态赤字与人均生态足迹曲线基本呈同步增长态势，可见宁夏人均生态赤字的扩大主要源于人均生态足迹的增长。

图1　宁夏2000-2012年人均生态足迹、人均生态赤字和生态承载力变化趋势

将宁夏生态足迹账户细分为生物资源账户、化石能源账户、建筑用地账户和污染物排放账户，并将这4类账户人均生态足迹所占比例(图2)以及各地类人均生态足迹变化趋势(图3)结合起来分析，以便更好地研究宁夏生态足迹增长和变化的原因。

图2　各类账户人均生态足迹账户所占比例

图3　各地类人均生态足迹变化趋势

由图2和图3可知，生物资源账户人均生态足迹的生态占用最为明显。其中，耕地类的生态足迹占的比例最大，平均达到46.87%。其次是草地类生态足迹占用比例达34.5%。从2012年开始，草地类的生态足迹(0.316 9 hm2)开始超过耕地类的生态足迹(0.300 0 hm2)，成为生物资源账户中最主要的消费类型。耕地和草地的人均生态足迹变化表明人民生活消费结构的转变，更加注重蛋白质营养的摄入，注重饮食质量。总体而言，林地生态足迹变化不大，水域生态足迹缓慢增长，研究期内共增长0.244 4 hm2。水域生态足迹所占比例较小，很可能与宁夏人均水域面积小有关。

污染物生态足迹在2010年之前一直是生态足迹的第二大消费类型(2010年以后，化石能源生态足迹消耗开始超过污染物生态足迹消耗)。废气SO2排放是造成污染物生态足迹高的最主要因素，其平均消耗量占总污染物生态足迹的79.67%。由于废气SO2的排放主要来源于工业能耗，而资源能耗型重化工属于宁夏的基础性产业，所耗能源均以原煤为主，因而拥有较高的生态足迹。

化石能源账户以年均11.31%的速度增长，到2013年人均生态足迹达到1.028 6 hm2，是2000年的3.793倍。据统计，2013年全年全区能源消费总量为4 850.5万t标准煤，煤炭消耗一直占据着能源消耗的绝对位置，年均增速12.58%，到2013年年底，煤炭共消耗4 544.91万t标准煤。而以水电、风电、光伏发电为主的清洁能源比重仅占0.95%，能源消费结构失衡。这种以消耗大量能源为支撑的经济增长方式，必然会给生态环境带来巨大的压力。

此外，建筑生态足迹总体呈缓慢增长状态，是仅次于林地之外，占用生物生产性土地面积最小的土地利用类型。事实上从2009年之后，宁夏建筑用地的足迹开始以6.97%的速度猛增，但受限于人口密度、城镇化水平等方面因素的影响[28]，建筑用地的生态足迹所占比例仍然较小。

由图4可知，耕地的生态承载能力最强，即使其生态承载力一直处于下降的趋势，但仍占据着总生态承载力的65.8%。草地和水域的生态承载力微幅下降，建筑用地的生态承载力则从2002年开始缓慢上升，表明宁夏城市规模扩大的同时，城市建设土地利用方式在逐步提高。可见，生态承载力的变化主要是由于耕地的生态承载力下降造成。这与宁夏自2000年开始实施退耕还林、还草工程造成耕地面积减少有很大的关系。在保证生态环境保护工程继续实施的前提下，提高耕地的效率，增加单位面积产值是减少生态足迹和增强生态承载力的重要途径。

注：根据污染物排放所占用的生物生产性土地面积类型不同，将废弃物排放生态承载力归类到建设用地、废气排放生态承载力归入林地、废水排放生态承载力归类到水域中。

图4各地类人均生态承载力变化趋势

3.2足迹深度与足迹广度的变化

3.2.1足迹深度的变化由公式(4)可测算出生态足迹深度的变化(表1)。研究期内人均足迹深度增速较快，其中，耕地和建筑用地人均足迹深度为1，说明这两类用地生态承载力大于生态足迹，出现生态盈余的情况，依靠自身的自然资本流量即可满足自身自然资本服务的需求。林地的足迹深度最大值出现在2002年(8.712 3)，最小值出现在2006年(3.307 6)，之后开始缓慢上升。从2000年开始，草地的足迹深度一直增加，2009年达到最大值13.912 2，此后下降，维持在9左右。林地和草地足迹深度的发展变化表明，宁夏实施退耕还林和还草工程成效在2005年之后逐步显现。到2013年宁夏仍需要近10倍的草地面积才能满足当前人们的消耗量，反映了人民对肉类产品的需求量。水域的足迹深度发展状况与草地相似，都是经历了“N”字形的变化过程，最大值出现在2008年，之后也经历了较缓慢的上升阶段。2013年的数据显示水域足迹深度高达52.724 5，是宁夏所有土地类型中发展最不可持续，生态环境压力增大的重要因素。由于宁夏水域面积本身不具备优势，在保护湖泊湿地的同时，应该调整水产养殖结构，提高单位水产产出，是减少水域存量资本消耗的根本方式。能源足迹深度有较大的波动，经历了“下降、上升、平稳”3个阶段：从2000—2003年足迹深度由12.917 1下降到5.405 7，下降了一半；在2004—2007年经历了快速上升时期，这一时期的能源以年均84.48%的速度猛增，2007年成为足迹深度中数值最大的消耗类型；2007年以后基本稳定在45左右。能源足迹深度的波动与宁夏退耕还林工程、宁东能源重化工基地的建设(2003年一期工程开始)分不开，反映了不同时期政府政策的着力点对生态足迹深度的影响力度。宁夏水域和化石能源用地成为资本存量消耗的主要驱动力。

表1　宁夏2000-2013年人均生态足迹深度

注：为保持生态足迹和生态承载力各地类的组份相同，采取图4的办法，将废弃物排放生态足迹归类到建设用地、废气排放生态足迹归入林地、废水排放归类到水域中。

3.2.2足迹广度的变化由公式(5)可测算出生态足迹广度的变化(表2)。研究期内足迹广度的变化基本维持在0.608 5～0.852 9，宁夏的自然资本利用程度不高。从足迹广度的构成来看，2013年耕地足迹广度比重达46.95%，建筑用地比重达22.17%，林地占20.45%，草地5.39%，化石能源用地3.74%，水域1.26%。说明宁夏省人均占用土地面积中主要以耕地和建筑用地为主，农业生产仍是宁夏全区较为重要的自然资本利用方式。而建筑用地近几年足迹广度逐步提高的状况表明宁夏城镇的流量资本利用在逐步优化。林地的足迹广度绝大部分来源于吸收燃烧煤炭所产生的废气SO2所占用的生物生产性土地面积，侧面反映了宁夏这种高耗能的生产生活方式对自然资本流向的引导作用；化石能源用地和水域份额均较低，表明公益林面积和水域面积的人均禀赋较低对自然资本利用方面不具备优势。

表2　宁夏2000-2013年人均生态足迹广度

3.3综合发展能力分析

从表3可以看出，宁夏的生态足迹多样性指数一直维持在较低水平，生态足迹分配不均衡，生态系统不稳定。宁夏万元GDP生态足迹由3.009 8 hm2/万元下降到0.743 7 hm2/万元，说明宁夏在经济发展的过程中，对自然资本总量需求增加的同时资源利用效率也在提高，发展能力指数由2.630 7稳步提高到4.748 2，说明宁夏的发展能力正在稳步上升，具有较大的发展潜力。

表3　万元GDP生态足迹、生态足迹多样性指数和发展能力分析

4　结 论

(1)研究期内，宁夏人均生态足迹整体呈现增加趋势，而生态承载力则表现为下降态势，受生物资源、能源消费增长和耕地生态承载力下降等主要因素的影响，宁夏生态赤字不断扩大，生态系统状况不容乐观。

(2)全区自然资本的利用状况受经济社会发展水平和资源禀赋的不同表现各异。流量资本的利用主要以耕地和建筑用地为主，利用程度总体不高。而存量资本以水域、能源用地的消耗为主。

(3)全区万元GDP生态足迹呈现大幅下降趋势，生态足迹多样性指数维持在较低水平，综合发展能力指数呈现出稳步上升趋势，区域综合发展潜力较大。

(4)研究区按自然地理特征分为北部引黄灌区、中部干旱带和南部黄土丘陵区三大区域。各区自然环境、地貌特征和经济社会发展状况各异，致使影响三大区域的生态足迹和生态承载力原因各异，存量和流量自然资本利用方式也不同。因此，以自然地理分区为基础，开展三大区域单元的生态承载力和生态足迹分析与讨论，是未来需要进一步探究的问题。

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Study on Ecological Environment Sustainable Development in Ningxia Based on Theory of Ecological Footprint

HAN Wenwen,LIU Xiaopeng,PEI Yinbao,AN Qiong,LI Yonghong

(College of Resources and Environment,Ningxia University,Yinchuan 750021,China)

The trend of ecological footprint and carrying capacity of Ningxia from 2000 to 2013 were calculated based on the calibrated ecological footprint model.The model of footprint depth and footprint size were included,the utilization of natural capital of Ningxia was studied,ecological footprint of GDP per 10 000 Yuan was added,and ecological footprint diversity index and development capacity index were supplemented to assess the sustainable development ability of Ningxia.The results showed that: (1)during the study period,the ecological footprint per capita in Ningxia increased from 1.601 8 to 2.915,the ecological carrying capacity per capita steadily declined from 1.175 to 1.005,and the ecological deficit increased 2.58 times,which showed that Ningxia′s ecological carrying capacity had been overloaded; (2)footprint depth per capita grew from 1.833 to 3.294,footprint size per capita ranged from 0.608 5 to 0.852 9,capital flow had been unable to meet people′s daily consumption,the utilization of capital stock had already become necessary for social and economic development of Ningxia.By the end of 2013,Ningxia need about 3.29 times of land area to maintain its own development; (3)ecological footprint GDP per 10 000 Yuan decreased from 3.009 to 0.743 9,development capacity index rose from 2.630 7 to 4.748 2,which indicated that Ningxia′s natural capital use was improved and it had a certain development potential.However,the low ecological footprint diversity index showed that natural capital utilization was not balanced and the ecosystem was still in an unstable state.In the future,industrial structure upgrading should be speeded up,energy consumption should be reduced,and efficiency of cultivated land should be improved.Reasonable planning of urban land use and other ways to optimize natural capital use should be implemented to reduce ecological environment pressure.

ecological footprint; ecological carrying capacity; sustainable development; Ningxia Hui Autonomous Region

2016-02-29

2016-03-23

国家自然科学基金“宁夏六盘山区空间贫困及其分异机制研究”(41261021)

韩文文(1991—),女,河南清丰县人,硕士研究生,研究方向为生态经济与生态评估。E-mail:nxdxhww@163.com

刘小鹏(1973—),男(满族),宁夏海原县人,博士,教授,主要从事生态经济与城乡规划研究。E-mail:nxdxlxp@163.com

F062.2; X22

A

1005-3409(2016)05-0285-06