基于能值生态足迹的区域生态承载力研究
2018-08-23张萌萌王广成
张萌萌,王广成
(山东工商学院a.管理科学与工程学院;b.发展规划处,山东 烟台 264005)
一、引言
随着经济快速发展,环境恶化、资源短缺越来越严重,对于这些制约经济发展的因素,导致对人们利用自然环境资源和生态环境自身的承载力之间的研究,越来越得到广大学者的关注。能值生态足迹是生态足迹和能值理论的结合,其中,生态足迹最早是由加拿大生态经济学家Willian Rees及其博士生Wackernagel在1996年提出,是一种衡量人类对自然资源利用程度以及自然界为人类提供的生命支持服务功能的方法[1],该方法通过估算维持人类生存所必须的各种自然环境资源和人类生产的废弃物所需要的生态空间,并统一折算为生物生产性土地面积,与区域生态承载力进行比较,衡量区域的生态经济可持续发展能力,而能值理论和分析方法是由H.T.Odum创立的,给出了能值定量分析方法, 能值既可以衡量自然资源财富,也可以衡量人类经济活动;既可以衡量产品生产的各种投入,也可衡量产品价值[2]。能值与资源、生产、流动、消费息息相关,与整个生态经济系统紧密相连,是衡量自然和人类系统的客观标准[3]。对于能值和生态足迹结合的研究方法在我国已有很多研究,如2006年张芳怡等提出能值分析理论的生态足迹模型,并对江苏省2003年的生态经济环境状况进行研究,得出江苏省处于生态赤字状态,与传统生态足迹模型研究结果一致[4];杨灿等运用改进的能值生态足迹模型对湖南省的可持续发展能力进行研究,结果表明湖南省存在生态赤字,生态承载力存在波动,万元GDP生态足迹处于下降趋势且资源和能源的利用率上升[5];盛业旭等通过在能值生态足迹模型的基础上增加人工投入指标、统一能值密度以及修正折算系数,对江苏省南通市的可持续发展状况进行研究,得出处于不可持续的发展状态[6];唐廉等运用改进的能值生态足迹模型对贵州省1995～2014年的生态经济数据进行研究,为贵州省相关部门制度经济发展决策提供一定的理论依据[7];童悦等采用改进的能值生态足迹模型对浙江省耕地状况进行研究,得出耕地仍处于不可持续利用状态[8];此外,还有很多学者对此进行了研究,对算法和模型进行改进,使结果更精确更可靠,为区域的发展提供理论依据和决策支持[9-16]。
但是,现有的能值生态足迹模型主要考虑生物生产性土地对如温室气体二氧化碳的吸纳能力,忽视了其他污染废弃物,并不能完全反映人类各种活动和生态环境之间的关系,另外,均衡因子反映了在自然或人为干扰下各种生态系统的现实生物量,体现在满足生产食物和供给原料之外产生的生态价值,所以需要扩展模型。将能值分析理论与传统生态足迹模型有机结合,引入污染废弃物用地指标建立起能值生态足迹模型,应用刘某承等[17]对中国生态足迹的均衡因子研究成果,以江苏省为例测算能值生态足迹和能值生态承载力,反映江苏省的生态经济系统和可持续发展能力。
二、模型构建
能值生态足迹是能值分析和生态足迹分析相结合的一种分析方法,汇聚了两种方法的优点,充分展现能量流动和物质循环两个因素,利用能值折算系数和能值转换率,将单位不统一的指标统一转化为同一可比的单位太阳能值,并引入能值密度,将各指标最终统一转化为生物生产性土地面积,比较能值生态足迹和能值生态承载力之间的大小关系,据此判断区域生态承载力大小和可持续发展能力。
(一)能值生态足迹
生态足迹是人口数和人均物质消费的函数,是每种消费商品的生物生产面积的总和。人均生态足迹是表示一定区域内为维护资源消费和废弃物吸收所必需的人均生物生产面积,是人类生存必需的真实生物生产面积。将消费项目分为七类,即耕地、草地、林地、水域、化石能源用地、建筑用地和污染废弃物用地,每种土地类型根据江苏省的实际情况选取具有代表性的指标进行计算。耕地选择有代表性的粮食作物、经济作物以及瓜果蔬菜为指标;草地选择动物肉类产量和畜禽产品产量代表;林地则以果树产量为指标;水域以水产品产量代表;化石能源以规模以上企业耗用的主要能源为代表;建筑用地主要是人类居住的范围,以全社会用电量为指标;污染废弃物以废水、废气和固体废弃物为指标。
首先将各类消费项目按照各自的能值折算系数和能值转换率转换为单位统一的太阳能值,再除以每年对应的人口数,得出各年人均太阳能值。
然后,使用改进后能值生态足迹模型[7]:
(1)
式中:Eef为能值生态足迹,N为区域人口,ef为人均能值生态足迹,Ci为第i中资源消费的人均能值,P为区域能值密度,rj为均衡因子。
其中,能值密度分为全球能值密度和区域能值密度,它是将太阳能值转化为生物生产性土地面积的关键,本文中计算人均能值生态足迹时用区域能值密度。计算公式为:
区域能值密度(P)=区域总能值/区域土地面积.
(2)
均衡因子采用刘某承等[17]基于净初级生产力测算中国生态足迹的结果,耕地为1.74,林地1.41,草地0.44,水域0.35,建筑用地1.74,化石能源用地1.41。
(二)能值生态承载力
影响生态足迹的因素很多,主要分为可再生资源和不可再生资源,由于不可再生资源在开发后很长一段时间内不能再生,所以在计算生态承载力时主要考虑可再生资源。另外,江苏省地理位置的原因,本文主要考虑太阳能、风能、雨水化学能、雨水势能和地球旋转能五类可再生资源为研究对象,每种资源都可以通过公式和相应的能值转换率计算得到。本文可再生资源计算公式及参数主要来自Odum(1996)能值专著和标注文献整理[2]以及王广成等[18]关于煤炭矿区复合生态系统的科研报告。区域可再生资源人均能值等于区域可再生资源总能值除以区域人口数[5]。
另外,为避免重复计算,本文选取太阳能、雨水化学能和地球旋转能计算可再生资源能值。
可再生资源能值=原始数据*能值折算系数*能值转换率.
(3)
改进后能值生态承载力[7]:
(4)
式中:Eec为能值生态承载力,ec为人均能值生态承载力,Zi为第i种可再生资源的人均消费能值,D指全球能值密度为3.1×1014sej/hm2,常数0.88是扣除了12%的生物多样性修正系数。
(三)污染废弃物用地指标
污染废弃物主要是指废水、废气和固体废弃物,因为林地和水域对污染废弃物有不同程度的吸纳能力,需相应扣除这部分。本文根据相关研究结果[19],林地每平方公里吸收二氧化硫88.65千克,每平方公里滞尘能力10.11吨,单位面积水域每平方公里对废水的吸纳量是365吨,单位面积固体废弃物可堆积量每平方公里109 000吨。
计算公式[19]:
(5)
式中,EF为污染废弃物用地生态足迹(hm2)Qci表示第i种污染物排放总量(t),Aci表示林地或水域对第i类土地的吸纳能力,rj为均衡因子,本文中假设污染废弃物有较差吸纳土地的生物生产能力,所以均衡因子取1[20]。
(四)生态盈余(赤字)
计算出能值生态足迹和能值生态承载力之后,需要对两者进行比较,确定该区域是处于生态赤字还是生态盈余,当Eec
生态盈余(赤字)=能值生态承载力-能值生态足迹.
(6)
(五)万元GDP生态足迹
万元GDP生态足迹是指该区域内能值生态足迹与该区域生产总值(GDP)的比值,它涉及生态保护和经济发展两个因素,是反应区域可持续发展能力的关键指标,计算公式如下:
万元GDP生态足迹=Eef/GDP。
(7)
三、实证研究
(一)江苏省概况
江苏省位于我国大陆东部沿海地区,介于东京116°18′～121°57′,北纬30°45′～35°20′之间,省内有13个地级市;54个市辖区、27个县级市、25个县。全省面积10.72万平方公里,占全国总面积的1.1%,2015年人口为7 976.3万人,粮食作物以小麦、大豆、蚕豌豆、玉米、水稻为主,经济作物有棉花、油料等。江苏省气候具有明显的季风特征,处于亚热带向暖温带过渡地带,全省气候温和,雨量适中,四季分明,地处美丽富饶的长江三角洲,平原辽阔,平均海拔在50米以下。江苏以地形地势低平,河湖众多为特点,平原、水面所占比例之大,在全国居首位,成为江苏一大地理优势。
(二)数据与资料搜集
本文的数据主要来自于《江苏省统计年鉴》(2005～2016)《江苏省环境状况公报》《江苏省农业气象年鉴》,涉及到能值折算系数和能值转换率主要参考陈阜的《农业生态学教程》[21]和蓝盛芳等的《生态经济系统能值分析》[22],污染废弃物的折算主要参考高阳等的期刊论文[10]。区域能值密度和万元GDP生态足迹计算参考杨灿等的期刊论文[5]。
(三)数据测算
根据江苏省历年统计年鉴数据和参考的能值折算系数及能值转换率,按照公式(3)计算得出2005～2015年七类用地的各指标太阳能值。
根据可再生资源的计算公式,参考太阳能值转换率,计算得出2005～2015年江苏省可再生资源各指标的变化。
根据公式(2)计算江苏省能值密度,参考美国生态学家Odum等的研究结果[2],全球年均总能值1.583×1025sej,全球平均能值密度3.1×1014sej/hm2,按照公式(1)和公式(4)计算出人均能值生态足迹和人均能值生态承载力,由此计算出能值生态足迹和能值生态承载力。公式(6)计算得出生态盈余(赤字)。具体结果见表1。
根据公式(7)计算得出江苏省万元GDP生态足迹,具体数据见表2。
在这段时间内,为了解各用地足迹对江苏省能值生态足迹的贡献程度,给出表3数据。
四、结果及分析
(一)能值生态承载力和能值生态足迹比较分析
江苏地处平原,气候变化不明显,所以太阳能、风能和地球旋转能没有变化,根据江苏省气象局统计的数据,每年降雨量有所不同,因此雨水势能和雨水化学能有所变化。从数值上看,影响可再生资源大小变化的主要是太阳能和雨水化学能,如果可以提高对这两种可再生资源的利用效率,那么在一定程度上也就提高了可再生资源储量。
雨水化学能在2008年达到最大值9.17×1021sej,2005年为最小值5.09×1021sej；雨水势能在2008年达到最大值8.76×1016sej,2005年为最小值4.86×1016sej,对应图1所示。
图1 江苏省2005～2015年可再生资源能值
从图1可以看出,2008年可再生资源能值达到最大值1.07×1022sej,最小值是2005年6.64×1021sej,变动幅度达到61%,主要是2008年国家大力倡导低碳、绿色消费和绿色出行,提高了太阳能、风能和水能等的利用效率,生态环境良好,2008年之后,虽有下滑,但是之后几年波动不大,处于平稳趋势。
随着太阳能电池板和风力发电设备的发展,政府出台了有关可再生资源利用优惠政策,加大对可再生资源的利用已成为趋势,所以2014年之后,可再生资源能值又开始大幅上升。
从图2可以看出,人均能值生态足迹在2008年最小值0.458hm2,2014年最大值0.565hm2,增幅23.4%,人均能值生态承载力在2005和2014年为最小值0.25hm2,最大值在2008年为0.39hm2。2008年人均能值生态足迹最低和人均能值生态承载力最大主要由于国家出台相关政策,倡导节能减排,降低资源消耗, 提高对太阳能、风能等可再生资源的利用效率；2008年之后人均能值生态足迹又开始逐渐上升,人均能值生态承载力开始下降,直到2014年之后两个指标的差距开始减小,主要是因为政府再次出台生态经济政策,使资源、环境、社会和经济之间的矛盾稍有缓和,生物生产性土地面积人均占用量降低。江苏省虽然已经重视生态环境保护问题,致力于发展生态经济,但是不可持续发展的现状依然存在,能值生态足迹和能值生态承载力之间呈现生态赤字,经济建设与生态保护的矛盾依然比较突出。
表1 江苏省2005～2015年能值生态足迹和能值生态承载力变化
表2 江苏省2005～2015年万元GDP生态足迹变化 单位:hm2/万元GDP
表3 江苏省2005～2015年各类用地能值生态足迹变化 单位:hm2
(二)生态盈余(赤字)和万元GDP分析
根据表1和图2可知,人均能值生态承载力小于人均能值生态足迹,这十一年一直处于生态赤字状态,2008年生态赤字最小为0.066hm2/人,2014年生态赤字最大0.318hm2/人,变动幅度达到381.8%,2008年之后,生态赤字大小一直处于上下波动状态,但整体生态赤字是处于增大的趋势,主要是人均能值生态足迹一直处于上升趋势,人均能值生态承载力的波动不足以弥补生态足迹的上涨,而人均能值生态足迹变大也反映区域资源利用效率低,人均消费占用生物生产性土地面积大,经济发展对自然环境资源产生较大压力,江苏省生态经济可持续发展能力较弱。
图2 江苏省2005～2015年生态足迹相关指标
万元GDP生态足迹表示地区对资源的利用程度,越小表示每万元GDP需要的生物生产性土地面积越小,土地利用程度越高；按图2,2005年是人均最大值0.219hm2每万元GDP,2015年是最小值0.059hm2,万元GDP一直处于缓慢下降趋势,最大最小值变动幅度73%,说明江苏省在发展经济和科技的同时,生态环境保护和土地及能源利用效率在缓慢提高。
根据表3的数据可以看出,除化石燃料用地、建筑用地和污染废弃物用地能值生态足迹最小值出现的年份不同外,其余最小值都出现在2008年,除草地和污染废弃物用地最大值出现在不同年份外,其余最大值都出现在2014年,最大最小间波动浮动最高的是林地足迹为214.8%,其次是建筑用地足迹为168.2%,波动最小的是污染废弃物用地足迹12.5%。在这几年时间里,七大足迹消费用地大小依次排序为污染废弃物用地足迹>化石燃料用地足迹>建筑用地足迹>耕地足迹>草地足迹>水域足迹>林地足迹。
出现这种情况主要是因为2005年以后,江苏省GDP持续增长,经济发展迅速,资源能源利用较多,但也出现浪费、利用率低下等问题,因此污染废弃物用地足迹较高。总体上根据万元GDP生态足迹的变化看,江苏经济发展,政府也及时采取措施保护生态环境,才使得万元GDP生态足迹保持稳定且有缓慢下降的趋势。但是根据图2可以看出,江苏省还处于生态赤字、不可持续发展状态。
五、结论
2005～2015年间,江苏省的万元GDP生态足迹虽然缓慢下降,但是能值生态足迹远大于能值生态承载力,一直是生态赤字,经济发展处于不可持续状态。此外,本文引入了污染废弃物用地指标和均衡因子最新研究成果,与传统能值生态足迹方法相比,指标更加细化,结果也更准确,但是,影响废水、废气、固体废弃物排放的因素很多,本文只选择了有较大影响的个别指标,可以单一研究污染废弃物用地生态足迹,细化指标,精确污染废弃物用地对经济的影响程度。
自2005年,由于产业结构调整,经济发展方式由粗放型向资源节约型转变,推动信息化和工业化发展,合理高效利用资源越来越得到国家的重视,江苏省也制定一系列生态保护政策。但是,由于二胎生育政策和居民生活水平的提高,人口数量、资源消费结构及利用效率都是影响生态足迹的重要因素,同样,在生态承载力不变的情况下,人口数量提高、资源浪费都将导致人均生态承载力的下降和人均生态足迹的上升,生态赤字必然扩大。现阶段,在不降低居民生活水平和经济发展速度的情况下,增强生态承载力,降低江苏省的生态赤字,缓解人地矛盾,具体有以下几点建议:
第一,加大高新科技引入力度,提高资源利用效率,减少污染废弃物和化石能源的用地需求量,进而提高生态承载力。经济发展产生的污染废弃物占地越多说明资源利用效率越低,江苏矿产资源丰富,应积极引进先进开采科技与设备,提高矿产资源综合利用效率;推广应用低碳技术,实现绿色发展、清洁生产。
第二,大力发展循环经济和低碳经济,降低生态足迹。提高可再生资源的利用率,降低对不可再生资源的依赖,为区域环境整治和关闭高能耗高污染企业提供保障,同时加大生态补偿力度,鼓励企业绿色发展,降低化石能源和污染废弃物用地生态足迹。
第三,正确引导人口流动,提高人均生态承载力。虽然江苏的人口总量变化不大,但是随着二胎生育政策放开,应提前做好应对措施,适度控制人口,积极引导和鼓励绿色消费,促进消费结构多元化,实现人口与经济社会的协调发展,减缓人口规模对生态环境的压力,降低生态足迹。
第四,优化城镇化进程,建立绿色生态城镇,提高生态承载力。促进新型城镇化生态文明建设,加快能源基础设施建设,实现生活垃圾资源化和能源化、城镇建筑用地集约化,提高生态承载力。
