基于改进三维生态足迹模型的上海市生态足迹动态研究

向诗月，刘紫玟，代艳萍，蔡永立，3

（1.华东师范大学地理科学学院；2.华东师范大学生态与环境科学学院；3.华东师范大学上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室，上海 200241）

基于改进三维生态足迹模型的上海市生态足迹动态研究

向诗月1，刘紫玟1，代艳萍2，蔡永立2，3

（1.华东师范大学地理科学学院；2.华东师范大学生态与环境科学学院；3.华东师范大学上海市城市化生态过程与生态恢复重点实验室，上海 200241）

生态足迹是评估可持续发展的重要方法，本文采用改进后的三维生态足迹模型对上海市2000-2014年的生态足迹进行动态研究。结果表明，2000-2014年，上海市人均生态足迹、承载力以及赤字均呈下降的趋势，而总生态足迹、承载力以及赤字则呈上升的趋势；化石能源的足迹变化对上海市足迹变化起决定作用，是上海市生态赤字的重要驱动力；人均生态足迹广度呈下降的趋势，略有波动，而人均生态足迹深度呈上升的趋势，波动较大，反映出生态压力逐渐增大。研究结果为上海市可持续发展的决策提供科学依据。

三维生态足迹；生态足迹广度；生态足迹深度；上海市

三维生态足迹模型作为可持续发展研究领域的国际最新进展，是国内外学者研究的热点问题。2011年，Niccolucci等对全球尺度下的生态足迹广度与深度的变化趋势进行了全面的分析[1]；胡美娟等则对南京市生态足迹进行了时间序列分析[2]；张星星等与杜悦悦等则从城市群角度分别对珠江三角洲城市群和京津冀城市群的三维生态足迹进行了全面的分析[3-4]。

改革开放以来，上海市凭借独特的区位优势，经济发展十分迅速，成为我国第一大都市。但是，《中国城市可持续发展绿皮书》的数据显示上海市属于“欠可持续发展”城市。以往对上海市生态足迹的研究均采用传统二维生态足迹模型，仅用生态足迹或生态赤字这一单一指标来对上海市的生态可持续性进行评价，缺少对上海市自然资本利用状态的分析，无法判断其自然流量资本与自然存量资本的使用情况[5-7]。本文将采用改进后的三维生态足迹模型，克服以上缺陷与不足，引进生态足迹广度与深度对上海市的自然资本利用状况进行动态研究，以期为我国其他城市的生态可持续性研究提供借鉴。

1 研究方法

1.1 数据来源

本文选取了柴油、煤油、原油、电力等能源资源消费，林地、耕地、水域和草地四类土地占用的自然资源消费进行计算。以上数据均来源于中国统计年鉴与上海市统计年鉴。本文的均衡因子采用全球一致因子，产量因子则采用Wackernagel等对中国生态足迹进行研究计算的结果，其中耕地、林地、草地、水域、建设用地及能源用地的均衡因子分别为：2.19、1.38、 0.48、0.36、2.19、1.14，产量因子分别为：1.66、0.91、0.19、1、1.66、0[8]。

1.2 研究方法

本文采用改进后的三维生态足迹模型，对上海的生态可持续发展进行定量评估。对于生态足迹（EF）、生态容量（BC）以及生态赤字（ED）的计算，三维生态足迹模型与二维生态足迹模型一致[9]。

生态足迹广度表示某一区域内人类对自然流量资本的利用程度，具有空间属性；而生态足迹深度则表示的是某一区域内人类对于自然存量资源的利用，它则具有时间属性[8]。其计算公式分别为：

式中：EFsize,region与 EFdepth,region分别表示区域生态足迹广度（hm2）与深度（无量纲）；EFi与BCi则分别表示第i类土地生态足迹（hm2）和生态容量（hm2）[8]。

三维生态足迹的计算公式为：

式中：EF3D,region表示区域三维生态足迹（hm2）；EF表示二维生态足迹（hm2）。

2 结果与讨论

2.1 区域及各地类总三维生态足迹与总承载力变化分析

如图1（a）所示，除2003-2005年外，上海市区域总足迹随时间的变化趋势均与能源用地足迹变化趋势基本一致，说明能源用地对上海市区域足迹的变化起着决定性的作用，能源用地足迹年均占比约为88%。上海市能源用地足迹在整体上呈现下降的趋势，这是因为上海市工业的发展使得单位GDP能耗减少，特别是在2013-2014年，下降显著，与2013年相比，2014年能源消耗量减少约0.202万t，其中煤炭所占比例最高，约为63.07%。这可能与上海市近年来提出的能源减排、产业结构调整的相关政策有关[10]。2003-2005年，上海市区域足迹变化则与耕地足迹变化一致，说明在此期间，耕地足迹的年际变化率大于能源用地足迹的年际变化率。建设用地、林地、水域与草地的足迹较小，因此对区域的足迹变化影响较小。

由图1（b）可知，上海市区域总生态承载力呈现波动上涨的趋势，这表明有未开发的土地逐渐得到利用。其中区域总生态承载力的变化趋势与建设用地的变化趋势基本一致，均呈波动上升的趋势，其中2004-2005年与2008-2009年上升显著。因此，上海市建设用地生态承载力的增大对其区域总生态承载力的增大起决定性的作用。其次，上海市耕地总生态承载力呈下降趋势，水域总承载力变化微弱，林地总承载力在2008-2009年呈微弱的上升趋势，这可能与当年颁布的植树造林的相关政策有关。

图1 2000-2014年上海市区域及其各地类总三维生态足迹（a）与总承载力（b）折线图

图2 2000-2014年上海市人均生态足迹深度与广度折线图

2.2 生态足迹广度与深度变化分析

2.2.1 人均生态足迹广度与深度对比分析

由图2可知，2000-2014年，上海市人均生态足迹广度与足迹深度呈相反的变化趋势。其中，足迹广度在整体上呈现逐年递减的趋势，2000-2014年波动递减0.013 7 hm2，年递减率0.90%。而足迹深度则在整体上呈现逐年波动递增的趋势，2000-2014年波动递增4.74 hm2，年增长率为0.93%。三维生态足迹模型将生态足迹变化形象地反映在一个圆柱体体积的变化上，2000-2014年，上海市人均生态足迹广度逐渐减小，足迹深度逐渐增加，即表现为圆柱体的底面积逐渐减小，高度逐渐增加，表明上海市的生态压力逐渐增大，生态赤字现象逐渐加重。

2.2.2 区域及各地类人均生态足迹广度与深度变化分析

生态足迹理论认为，人们并未划分出用于吸收化石能源燃烧排放的CO2的特定生态生产性土地[5]，因此能源用地生态足迹广度为0。对比图1（b）与图3（a）可知，除了建设用地外，水域、耕地与林地的足迹广度均等于其生态承载力，说明此时它们的自然资本流量已被完全占有，需要动用资本存量来满足自身的资源需求。而建设用地仅在2008年及2011-2014年流量资本被完全占有。由图3（a）可知，上海市人均足迹广度呈下降趋势，在其他四大土地利用类型中，耕地足迹广度明显下降，建设用广度显著上升，说明在城市化过程中，耕地面积逐渐减少，建设用地的需求越来越大；水域与林地的足迹广度变化微弱，表现为林地足迹广度百分比缓慢增加，水域缓慢减小；上海市建筑用地与耕地足迹广度占比较大，分别34.55%～63.66%、32.10%～63.69%，说明上海市土地用途以建筑用地和耕地为主，建筑用地足迹广度百分比逐年增加，耕地足迹广度百分比逐年降低。

足迹深度表征的是人类对于自然资本存量的利用程度，通常资源富足的城市足迹深度较小，反之则较大[5]。由图3（b）可知，2000-2014年，上海市区域人均生态足迹深度均大于1，属于较高的水平。2000-2003年、2005-2008年及2009-2013年区域足迹深度逐年上升，平均年际变化率为1.13%。除了能源用地及草地外，上海市建设用地足迹深度百分比最低，变化微弱。这表明上海市对建设用地的消耗较低，仅在2008年与2011-2014年出现过度消耗，其他年份呈现出生态盈余的良好状态。水域、林地与耕地足迹深度百分比的变化波动较大。耕地与水域足迹深度百分比先减小后增加，而林地足迹深度百分比则先增加后减少。图3（b）显示，2008-2009年，林地足迹深度急剧减少为4.83 hm2，并逐年递减，因为2008年后上海市林地面积增加，即林地生态承载力增加，而林地作物产量不断减少。另外，因为该年耕地农作物产量突然减少，耕地在2004年足迹深度出现最小值。总之，除建设用地足迹深度的值较小外，水域、林地与耕地的足迹深度均较高。上海市对林地过度消耗的状况有所缓解，水域与耕地的足迹深度却微弱增加，这与上海市的人口不断增加，导致农作物和水产品需求增加有关。

图3 2000-2014年上海市区域与各地类人均生态足迹广度（a）与深度（b）折线图

3 结论

随着城市化的快速推进，上海市人口急剧增多，人们对于各种能源以及生物产品等需求增加，自然资本流量被完全占用，存量资本也被大量消耗。2000-2014年，上海市人均生态足迹、承载力以及赤字均呈下降趋势，而总生态足迹、承载力以及赤字则呈上升趋势；化石能源的足迹变化对区域足迹变化起决定作用，是区域生态赤字的重要驱动力；上海市人均生态足迹广度逐渐减少，足迹深度逐渐增加，即表现为圆柱体的底面积不断减小，高度不断增加，上海市的生态压力逐渐增大。其中，建筑用地与耕地足迹广度百分比较大，水域与耕地足迹深度百分比较大。

1 Niccolucci V，Galli A，Reed A，etal.Towards a 3D National Ecological Footprint Geography[J].Ecological Modelling，2011，222（16）：2939-2944.

2 胡美娟，周年兴，李在军，等.南京市三维生态足迹测算及驱动因子[J].地理与地理信息科学，2015，31（1）：91-95.

3 张星星，曾 辉.珠江三角洲城市群三维生态足迹动态变化及驱动力分析[J].环境科学学报，2017，37（2）：771-778.

4 杜悦悦，彭 建，高 阳，等.基于三维生态足迹的京津冀城市群自然资本可持续利用分析[J].地理科学进展，2016，35（10）：1186-1196.

5 张 芳，徐伟锋，李光明，等.上海市2003年生态足迹与生态承载力分析[J].同济大学学报（自然科学版），2006，（1）：80-84.

6 谌 伟，李小平，孙从军，等.1999-2005年上海市纵向时间序列生态足迹分析[J].生态环境学报，2008，17（1）：422-427.

7 何彩虹，吴开亚，胡淑恒.上海市2000-2009年生态足迹测算与动态分析[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2012，35（2）：268-273.

8 Wackernagel M，Onisto L，Bello P，etal.National natural capital accounting with the ecological footprint concept[J].Ecological Economics，1999，29（3）：375-390.

9 Wackernagel M，Monfreda C，Schulz N B，etal.Calculating national and global ecological footprint time series： resolving conceptual challenges[J].Land Use Policy，2004，21（3）：271-278.

10 李耀新.加快推进上海产业布局和结构调整[J].科学发展，2014，（1）：71-75.

Dynamic Footprint Dynamics of Shanghai Based on Improved 3D Ecological Footprint Model

Xiang Shiyue1, Liu Ziwen1, Dai Yanping2, Cai Yongli2,3
(1.School of Geographic Sciences, East China Normal University; 2.School of Ecological and Environmental Sciences, East China Normal University; 3.Shanghai Key Lab for Urban Ecological Process and Eco-Restoration, East China Normal University, Shanghai 200241, China)

Ecological footprint is an important method to evaluate sustainable development.In this paper, the ecological footprint of Shanghai is analyzed from 2000 to 2014 by using the improved three-dimensional ecological footprint model.The results showed that the per capita ecological footprint, bearing capacity and deficit of Shanghai showed a decreasing trend from 2000 to 2014, while the total ecological footprint, bearing capacity and deficit increased.The change of fossil energy footprint changed from Shanghai footprint The per capita ecological footprint is declining, and the per capita ecological footprint is increasing, and the fluctuation is larger, which reflects the gradual increase of ecological pressure.The ecological footprint of Shanghai is the main driving force of ecological deficit.The results provide a scientific basis for the sustainable development of Shanghai.

three-dimensional ecological footprint; ecological footprint; ecological footprint depth; Shanghai

X24；K903

A

1008-9500(2017)10-0127-04

2017-08-11

本文系科技部重大研发计划“长三角城市群区域生态承载力评估与提升技术研究”（项目编号：2016YFC0502701）、上海市创新训练项目（项目编号：201610269103）的阶段性研究成果之一。

向诗月（1996-），女，湖南永顺县人，本科，研究方向：区域可持续发展。

蔡永立（1963-），男，安徽蚌埠人，教授，博士生导师，研究方向：景观规划与生态修复，E-mail：ylcai@geo.ecnu.edu.cn