基于能值生态足迹改进模型的湖南省生态赤字研究

杨灿+朱玉林

摘要为更好地了解湖南省当前的生态环境状况和可持续发展能力，在应用能值分析和本地生态足迹对传统生态足迹模型进行改进的基础上，以湖南省2000—2013年统计数据为依据，计算出湖南省2000—2013年的人均能值生态足迹、人均能值生态承载力以及人均生态赤字情况。计算和分析结果表明：①湖南省存在生态赤字，社会经济发展对自然资源和环境的压力逐年增大。②湖南省自然生态系统压力的增大绝大部分是由于耕地供给不足和能源消耗过大造成的。作为一个农业大省，湖南省对农业资源的需求量很大。能源问题和农业发展问题是湖南省可持续发展需要解决的首要问题。③湖南省生态承载力和人均生态承载力在一定范围内呈波动变化的状态，总体呈下降趋势，生态足迹和人均生态足迹在不断增加，呈明显上升趋势，说明该省的发展处于相对不可持续状态。其中耕地和化石能源地的足迹和人均足迹最大，其次是建筑用地，牧草地和水域、林地对湖南省人均生态足迹的影响程度很小。④2000—2013年，湖南省万元GDP生态足迹呈现逐年显著下降的趋势，这表明研究时段内，湖南省的资源和能源的利用效率有了明显提升，湖南省因为经济发展而造成的生态代价在显著减小。针对湖南省的发展现状，提出以下政策建议：控制耕地面积和化石能源用地的需求量，提高土地利用的均衡性，增加对其他地类的利用以提高生物生态足迹的多样性。巩固和深化湖南省实施绿色发展的成果，努力提升生态系统的自我恢复能力，减缓生态足迹增速，增加生态容量。正确引导湖南省的人口流动，严格控制人口增长。提倡并鼓励绿色消费。

关键词能值生态足迹模型；生态赤字；可持续发展

中图分类号F327文献标识码A文章编号1002-2104（2016）07-0037-09doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2016.07.005

在经济快速发展的当前，自然生态资源与环境容量之间的关系问题已经成为制约人类社会经济与发展的瓶颈问题，如何正确处理经济增长与资源环境之间的关系，是实现区域可持续发展的战略问题。资源环境的可持续要求将人类的生态足迹纳入地球生态系统的承载范围内，避免出现生态赤字。而要想使可持续发展切实可行，就必须科学地量化人类对资源的利用， 客观地评价人类对生态系统所产生的压力。在衡量可持续发展程度的方法中，生态足迹模型[1-2]是最有代表性的一种。生态足迹模型由加拿大生态经济学家William Rees于1992年提出，其学生Wackernagel在1996年对此进行了完善。生态足迹模型量化了人类生存必需的真实的生物生产面积，通过测算和对比区域总生态需求（即生态足迹）和该区域自然生态系统满足这种需求的能力（即生态容量），来衡量区域经济发展的可持续状况。二十多年来，生态足迹方法被广泛应用于各个行业、各个空间尺度的可持续发展能力的核算与评估中。本文尝试应用能值生态足迹理论对湖南省的生态赤字状况和资源能源消耗情况进行核算和分析，并以此评估研究期间内湖南省的可持续发展程度，期望为湖南省的绿色发展提供理论支撑和政策参考。

1研究区域介绍

湖南省位于我国东南腹地，长江中游南岸，地处江南丘陵与云贵高原、南岭山地与两湖平原的过渡地带，属内陆省份。享有“鱼米之乡”“有色金属矿之乡”的美誉，有着悠久的农业、冶金等资源优势行业的开发历史和便利的交通条件。湖南省水资源较丰富，是我国天然的富水区之一。地表水系发育，河网密布，是东南沿海向内地经济辐射和南北物质交流的必经之地。全省土地面积21.18万km2，占全国国土面积的2.2%，地貌类型复杂多样，包括山地、盆地、平原、丘陵和水面五大类。湖南耕地资源短缺，实有耕地总资源378.76万 hm2，人均耕地面积仅有006 hm2，只相当于全国平均水平的2/3[3]。但湖南林地资源丰富，至2013年底，全省森林覆盖率为57.01%，高于全国森林覆盖率38个百分点[4]。湖南省属中亚热带季风气候，气候温和，四季分明，大陆性特征明显。湖南雨量充沛但时空分布不均，平均降水量为1 200-1 700 mm之间[4]。作为丘陵山地比重较高的省份，湖南不仅实现连续13年耕地占补平衡和粮食总产“十年增”，而且机械化水平和产业化水平快速提升。2013年全省水稻生产综合机械化水平达62.3%，粮油加工及物流产业和食品加工业增加值均已突破千亿元，农业提质增效成绩斐然。工业规模化、信息化、绿色化水平也不断提升。2013年湖南工业运行质量位居全国第九，中部第一，规模以上工业企业实现利润1 585.1亿元，其中高新技术产业增加值占地区生产总值的比重达16.3%，增速比GDP增速高11.3个百分点[5]。近年来，受全球气候变暖等因素影响，湖南水灾与旱灾出现的频率明显上升，伴随工业的快速发展所引起的环境污染问题日益严重，生态环境不断恶化，对经济社会发展产生了重大影响。

杨灿等：基于能值生态足迹改进模型的湖南省生态赤字研究中国人口·资源与环境2016年第7期2研究方法：能值生态足迹改进模型

2.1能值生态足迹理论

生态足迹分析模型从具体的生物物理量角度研究自然资本消费的空间，即能够提供资源或消纳废物的、具有生物生产力的地域空间，是关于人均物质消费和人口数的函数，是各种消费商品的生物生产面积的总和。生态足迹模型基于土地面积的量化指标，用于度量和评价人类对自然资源的利用程度，以及人类对生态系统所产生的压力，从而定量评价该区域经济可持续发展的状况。21世纪初，徐中民[6-7]等学者将生态足迹概念引入到国内，很快得到众多学者的关注与研究。但随着研究的深入，生态足迹模型的缺陷也逐渐显现：由于均衡因子和产量因子、全球平均生产力等指标没有充分考虑到各区域和时间角度的现实差异，导致测算结果不稳定，从而影响了生态足迹方法作为统一标准进行度量和比较的可信度。生态足迹评价方法亟待修改和完善，而能值生态足迹方法就是基于能值理论对生态足迹进行改进的产物。

1987年，美国生态学家在系统生态、能量生态和生态经济原理的基础上，提出了能值分析理论（Emergy Analysis，EMA）[8]。能值理论将生态系统或生态经济系统中不同种类不可比较的各种资源、产品、劳务和信息以统一的太阳能能值（Solar Emergy）形式度量，从而客观真实地评价和比较各种类型的自然资源对人类经济系统的贡献，以及生态系统的自我修复和可持续发展能力。改进后的能值生态足迹模型采用比较稳定的能值转换率和能值密度，更加全面而精确地反应各个区域的生物生产性土地面积需求，因而越来越受到研究者们的广泛关注，被公认为目前国际上评价生态承载力状况最有效最先进的一种方法。进入21世纪，基于能值改进的生态足迹研究成为学界关注的热点。国内学者跨越了生态足迹模型土地生产能力的局限，摒弃了有争议的产量因子和均衡因子，采用更加成熟和稳定的能值转换率，同时，引入全球能值密度（Global Energy Density）和区域能值密度（Regional Energy Density）的概念，尝试将能值理论应用到生态经济系统中来计算生态足迹和生态承载力，并据此评估环境资源对经济造成的具体影响及区域可持续发展状况[9]。之后，进一步改进了能值生态足迹法，在应用中加大了统计和数据处理的难度，使得生态足迹的计算能进一步能反映区域实际情况和技术进步，为政策决策提供了有力支持[10-17]。

2.2能值生态足迹改进模型

能值生态足迹改进模型结合能值理论与生态足迹理论的优点，充分考虑到物质循环与能量流动两方面的因素，利用能值转换率统一将所有的自然资源（即各种不同类型、不同种类的能量流）转化为太阳能值。通过引入能值密度概念，将区域自然生态系统内人们所需的全部能量，即各消费项目的太阳能值，换算成相应的生物生产面积，以此来计算和比较能值生态足迹与能值生态承载力，并据此评估区域可持续发展的程度。

2.2.1计算可更新资源的能值

为客观准确地反映能值生态足迹状况，将自然资源分为可更新与不可更新两大类。其中，不可更新资源的消耗速度快于其再生速度，随着人类的不断开发与利用，终将走向枯竭。所以，生态承载力可持续研究的主要对象是对可再生资源的利用。由于湖南处于中国内陆，受潮汐影响作用较小，因此，本研究在能值生态承载力的计算中只考虑了5种可更新资源，包括太阳能、风能、雨水化学能、雨水势能和地球旋转能。每种资源的能值数据均可通过相应的太阳能值转换率计算得到。具体计算公式为：

可更新资源的能值 = 实物量 × 能量折算系数

× 能值转换率（1）

根据能值理论，同一性质的能量一般只选取其中的最大值，以避免重复计算。因此，可更新资源主要为雨水化学能和地球旋转能之和。区域可更新资源的人均能值等于可更新资源的总能值除以区域人口数。

2.2.2计算区域能值密度

能值密度是能值理论与生态足迹模型结合的关键与互换的基础，分为全球能值密度和区域能值密度两种。为真实客观地描述和反映湖南省的生态足迹和生态承载力水平，采用的能值密度均为区域能值密度。区域能值密度的具体计算公式为：

区域能值密度 = 区域总能值/区域土地面积（2）

2.2.3计算能值生态足迹（Eef ）与能值生态承载力（Eec）

计算能值生态足迹时，将消费项目划分为生物和能源两大类。生物资源消费项目主要包括农产品（稻谷、小麦、玉米、豆类、薯类、油料、蔬菜等）、林产品、水产品和动物产品；能源消费项目主要包括煤炭、焦炭、汽油、原油、煤油、柴油、燃料油及电力。根据湖南省资源消费的实际情况，本研究选取6类27项生态足迹指标，包括12项农产品，分别为：稻谷、玉米、小麦、薯类、豆类、麻类、棉花、烟叶、甘蔗、茶叶、蔬菜和水果；3项林产品，分别为木材、油茶籽和油桐籽；3项动物产品，分别为猪肉、牛肉和羊肉；1项水产品；能源消费项目7项，分别为煤炭、焦炭、汽油、原油、煤油、柴油和燃料油；电力消费1项。

改进后的能值生态足迹模型为：

Eef=N×ef=N×∑ni=1ciP（3）

式中：Eef为能值生态足迹，N为人口数量，ef为人均能值生态足迹，P为全球平均能值密度，Ci为第i种资源的人均能值。

改进后的能值生态承载力模型为：

Eec=N×ec=P1/P×0.88（4）

式中：Eec为能值生态承载力，ec为人均能值生态承载力，N为人口数量，P1为人均区域能值密度，P为全球平均能值密度，常数0.88为根据世界环境与发展委员会的报告，扣除12%的生物多样性的修正系数。

2.2.4计算生态盈余（赤字）

能值生态足迹和能值生态承载力的比较结果反映的是社会发展所耗费的自然资源与自然生态系统可提供资源的定量关系。当一个地区Eec>Eef，表明该地区处于生态盈余状态；反之，则处于生态赤字状态。具体计算公式为：

生态盈余/ 赤字=生态足迹-生态承载力（5）

2.2.5万元GDP生态足迹计算

万元GDP生态足迹是评价区域可持续发展状况的重要指标之一，它涉及到了经济发展与生态保护两个重要方面的内容，通过对生态足迹和经济指标的量化比较，可以较为客观真实地反映出某一地区发展中对生态生产性土地的利用效率，以及人类社会经济活动给自然资源和生态环境造成的压力。具体计算公式如下：

万元GDP生态足迹=能值生态足迹/万元GDP（6）

3基于能值生态足迹改进模型的湖南省生态赤字核算3.1数据与资料搜集

本研究所统计的各消费项目数据主要来源于《中国统计年鉴》（2001-2013）、《中国能源统计年鉴》（2001-2013）、《湖南统计年鉴》（2001-2013）和《湖南农村统计年鉴》（2001-2013），以及《湖南省国民经济和社会发展统计公报》和《湖南省环境状况公报》[4]、湖南省林业信息网[3]等。研究中涉及到的太阳能值转换率主要来源于文献[17]，各类消费项目中产品的能量折算系数主要来自文献[18-19]。

3.2结果分析

3.2.1湖南省历年能值生态足迹比较分析

根据公式（1），可计算出湖南省历年的区域总能值。根据公式（2）可计算出历年的区域能值密度。在此基础上，利用公式（3）计算出湖南省历年能值生态足迹和人均能值生态足迹。见表1。

从表1可知，2000-2013年间，湖南省能值生态足迹和人均能值生态足迹均呈现逐年直线上升趋势，增长速度逐年增加。研究时段内，湖南省人均能值生态足迹年均为20.56 hm2，最大值为2013年25.98，最小值为2000年的14.38，年增长率为79.21%。其中，2004年和 2005 年增幅较大，这两年的能值生态足迹中，化石能源用地和建筑用地的增幅较大。说明近年来，湖南省经济的迅速发展依托于消耗大量的能源和电力，若不尽快改善这一现状，该区域的生态环境将进一步恶化。

根据前文关于能值生态足迹和能值生态承载力的计算结果，利用公式（5）计算可得湖南省2000-2013年的生态盈余，见表2。由表2可知，湖南省2000-2013年的能值生态足迹总体上以较快的速度呈逐年增大的趋势。除2002年之外的其余各年，能值生态承载力都明显落后于能值生态足迹。其中，2011年的差距最大，直接导致2011年的生态赤字最大。

不同土地类型的人均生态足迹在时间序列上的变化趋势具有不一致性。研究时段内，湖南省各类生物生产性土地面积对其能值生态足迹的贡献率大小依次为：耕地>化石能源用地>建筑用地>水域>牧草地>林地。具体计算结果见表3。

从表3可知，2000-2013年，耕地能值生态足迹逐年增大，但增长缓慢，由2000年的5.81×108 hm2到2013年的6.52×108 hm2，增长率仅为12.23%。相比其他五大土地类型的能值生态足迹增速，耕地的增速最小。增速最快表1湖南省2000-2013年能值生态足迹演变“经济生态化”向“生态经济化”转变，高度重视国土治理、生态环境改善等工作，实施了退耕还林、建设绿色通道、建设防护林、保护生态公益林等一系列林业生态建设工程，2010年以来实施效果逐渐体现，全省森林覆盖率和林地生态供给能力有了一定程度的增强，故林地生态赤字2011、2012年开始出现显著下降。研究时段内，草地能值生态足迹和水域生态足迹增长较慢，增速分别为 32.15%和60.34%。水域能值生态足迹大致呈现逐年增大的趋势，草地能值生态足迹2005年达到14年的最大值（6.47×107 hm2）。

由表3可知，耕地、化石燃料用地和建筑用地的生态足迹变化对湖南省人均生态足迹的影响很大；水域次之，而牧草地和林地的生态足迹变化对人均生态足迹变化的贡献较小，所占比例均在5%以下，这表明湖南省林、牧、渔的生态足迹贡献度较低。湖南省对自然生态的压力主要来自于耕地和能源消费，此二者是湖南省生态足迹的主导控制因子。此外，建筑用地能值生态足迹的比重也很大，表明湖南省的发展对电力的依赖度相对较大。总赤字的变大很大程度上是由于耕地、化石燃料用地和建筑用地的生态足迹的增加造成的，这种供需的不平衡对于未来湖南省能否持续健康发展有着直接影响。

近年来，随着国家“中部崛起”战略的实施、湖南省社会经济的不断发展以及各新经济区的设立，湖南吸引了大量的外来人口，庞大的人口需要消耗大量的生活资料。另一方面，随着人们生活水平的提高，对肉类、水产品、水果类的消费需求大大增加，与之对应的能值生态足迹也有了明显提高。对能值生态足迹构成做进一步的分析，发现来源于耕地的项目中，猪肉和稻谷对能值生态足迹的贡献最大；来源于林地的项目中，贡献最突出的是水果，其次为木材。来源于化石能源用地的项目中，煤炭所占比例最高，其次是柴油和焦炭。在所有生物资源消费账户中位居前五的是猪肉、煤炭、电力、稻谷和水产品。另外，随着人们生活方式的改变，湖南省居民生活消费对生物资源的生态需求整体下降，对能源资源的生态需求要求逐年增加，湖南省化石能源消费水平呈上升态势，化石能源用地和建筑用地生态足迹需求逐年显著增加，煤炭、电力等能源的消耗量也有了很大增加，对电力的依赖度尤其高。

3.2.2湖南省历年能值生态承载力比较分析

采用国际通用的全球平均能值密度3.10×1014 J/hm2，根据公式（4）计算得出2000-2013年湖南省的能值生态承载力和人均能值生态承载力。见表4。

根据表4，从历年来湖南省可更新资源的能量数值可知，各年份的太阳辐射能、风能及地球旋转能基本上保持不变，但由于降水量会出现年际变化，雨水化学能和雨水势能有一定的差异，从而导致可更新资源总能值的变化。可更新资源能值中，能值投入最多的是雨水化学能，远远超过了其他能值投入，直接导致可更新资源总能值较大。说明湖南省降水比较丰沛，雨水利用潜力巨大。研究时段内，2002年的雨水能值最大，达到3.17×1022J，这直接导致了2002年能值生态承载力（1.23×109 hm2）最大的结果。2011年和2012年的雨水能值最小，只有8.23×1021J，2011年的能值生态承载力也相应地最小，仅为7.13×108 hm2。

根据表2可以看出，2000-2013年湖南省的能值生态承载力在一定范围内始终呈现波动变化的状态，总体呈下降趋势。研究时段内，湖南省能值生态承载力最大值为2002年的1.23×109 hm2，最小值为2011年的7.13×108 hm2。人均能值生态承载力最大值为2002年的18.59 hm2，最小值为2011年的10.81 hm2。2002年以后，湖南省的能值生态承载力出现明显的下滑和平缓波动趋势，2009年后出现回升，至2010年出现一个次高峰，为1.04×109 hm2，最低值为2011年的7.13×108 hm2。湖南省近年来人口的快速增长以及一些地方不合理的建设开发，导致建筑用地、耕地和水域的人均生态承载力持续下降[20]。湖南省虽然已经开始重视生态经济的发展建设，但区域自然生态系统依然处于不可持续发展状态，年均人均能值生态足迹与年均人均能值生态承载力依旧呈现背向的恶化的发展趋势，经济发展与生态建设的矛盾依然存在。

3.2.3湖南省历年生态盈余（赤字）比较分析

从表2可知，从时间序列来看，研究时段里，除2002年为生态盈余（1.91×108 hm2），其余各年均处于生态赤字状态。人均生态盈余最高为2.87 hm2，最低达到-14.68 hm2，年均为-7.22 hm2。2002年以后，湖南省生态盈余持续平缓走低，至2011年到达最低。这表明湖南省的社会经济发展对自然生态和资源环境的压力逐年增大，湖南省的自然生态系统处于不可持续发展状态，且赤字情况较为严重。从表2可见，湖南省的能值生态承载力呈现出长期增长向好，但短期有所回落的态势，能值生态足迹则呈现持续稳定增长的趋势，因而造成湖南省生态赤字持续上升，并且呈现与能值生态足迹基本相同的变化趋势。这表明，湖南省的自然生态环境面临的压力较大，情形不容乐观，寻求减少生态足迹的有效途径是一件非常重要且紧迫的工作任务。

3.2.4湖南省历年万元GDP生态足迹计算与资源利用效率比较分析

根据湖南省历年万元GDP数据，由公式（6）求得2000—2013年湖南省万元GDP生态足迹（见表5）。

万元GDP生态足迹反映的是对生态生产性土地的利用效率。万元GDP生态足迹需求越大，表明经济增长的生态占用越大，资源的利用效率越低，反之，则表明经济生产的过程中对资源的利用效率越高，自然系统的负荷越轻，生态足迹增长越缓。从表5可知，从2000年开始，湖南省的万元GDP生态足迹呈现不间断的逐年减小趋势，至2013年达到研究时段内的最低值（6.43 hm2）。这表明，近些年来，虽然资源的整体利用效率较低，湖南省的资源和能源利用效率还是在逐年提高，体现了经济发展与环境保护的协调共赢。近几年来，湖南省政府认识到自然生态环境是湖南经济发展的重大支柱，积极响应国家发展生态经济和低碳经济的号召，大力加强环境治理，并初步取得了很好的成效。随着工业经济发展的步伐放缓，环境的逐渐恢复，湖南省的自然环境资源更加有了优势，湖南经济发展开始向生态经济系统方向转变。

4结论与建议

湖南省2000—2013年生态足迹在1.71×109 hm2-9.44×108 hm2之间变化，期间共增加了7.67×108 hm2，人均能值生态足迹则在14.38-25.98 hm2之间变化，在此期间增加了11.60 hm2，两者均呈现逐年递增的趋势。总体而言，湖南省自然生态系统压力的增大绝大部分是由于耕地供给不足和能源消耗过大造成的。能源足迹在总足迹中的占比很高，这表明，湖南省的快速工业化进程是以消耗大量能源为代价的，而耕地足迹的高比例表明，长期以来，湖南的农业可利用的资源存量锐减，农村生态承载力下降，使得资源环境的压力渐大。作为一个农业大省，湖南省对农业资源的需求量很大。因此，能源问题和农业发展问题是湖南省可持续发展需要解决的首要问题。生态足迹主要受人口数量、资源利用效率和产业结构、消费状况的影响。人口数量的增加、消费水平的提高和消费结构、产业结构的不合理都会导致生态足迹的增大。人口数量不仅从生物资源消费角度直接影响生态足迹，还能从能源资源消费角度间接影响生态足迹。研究时段内，湖南省总人口数（年末户籍人口） 以平均每年增加48.30万人的速度呈直线上升趋势，14年间人口数量增长了9.58%，这说明湖南省面临人口存量大、增量快的双重压力，这对湖南的总生态赤字的增加起了重要作用，即使在人均生态表4湖南省能值生态承载力变化（2000-2013）

赤字很低的情况下，其总生态赤字也会很高。因此，如何控制人口数量也是湖南省可持续发展面临的重要问题。

此外，近年来，虽然湖南省科技水平提升较快，土地利用结构也不断得到优化，但整体上看，湖南省仍属于经济欠发达的农业大省。随着经济的发展和生活水平的提高，湖南省人均资源和能源的消费量也大幅增加，从而形成了2000-2013年湖南省人均生态足迹逐年增大的趋势。2005年以后，湖南省人均生态足迹的增长速度有所放缓，资源消耗量的增长率也有所下降，其主要原因是，在湖南省委省政府的绿色经济转型政策下，经济发展开始由粗放型向集约型转变，科学技术水平随之上升。总的看来，造成2000-2013年湖南省持续的生态赤字的主要原因是对资源的过度利用，导致生态系统的正常功能遭受破坏，生态系统的资源供给能力大幅下降，进而形成生态系统恶化以及区域发展不可持续的恶性循环。前些年湖南省大力发展经济时期对生态资源的过度依赖和掠夺式开发，导致该区域严重的生态赤字现象，在短期内还无法解决。根据库茨涅茨环境曲线，在经济发展过程中，环境会呈现出先恶化后改善的规律性。湖南在经济发展的进程中，正好来到了曲线的拐点。现阶段，要降低湖南省的生态赤字，缓和现有的人地矛盾，同时保证不降低人民的生活水平，必须尽快转变该省人民的生产方式、生活方式和消费模式。具体来说，有以下几点：

（1）控制耕地面积和化石能源用地的需求量，提高土地利用的均衡性，增加对其他地类的利用以提高生物生态足迹的多样性。充分发挥湖南林地资源丰富，森林覆盖率高，水网密布，滩涂面积较大的优势，加强林业生态建设，加紧恢复林地和水域的比例，提高草地载畜量。搞好水资源优化配置，加强耕地资源生态安全保护，改善土地生态环境，调整土地利用结构，严守耕地保护红线，推进城市土地的集约利用。

（2）继续大力发展低碳经济，减缓生态足迹增速。积极开发低碳环保新能源，降低对不可再生资源的依赖，加强重点地域生态环境的整治，限制高能耗、高污染行业用地。调整产业结构，加强产业政策的引导，推动信息化和工业化深度融合，加快改造提升传统产业，建立资源集约型的经济增长模式。

（3）正确引导湖南省的人口流动，严格控制人口增长。加强绿色湖南建设的宣传，严格控制“两高”行业盲目扩张。提倡资源节约型消费模式，鼓励绿色消费，推进消费结构的多元化，从总量角度降低自然系统的生态负荷。

（编辑：李琪）

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