基于三维生态足迹模型的西宁市生态可持续性研究

伍 芮 李成英

(青海大学土木工程学院，青海 西宁 810000)

城市经济发展的三个基础：人力资本，物质资本和自然资本。三者之间的协调成为当代社会发展的重中之重。加拿大经济学家William Rees提出生态足迹的概念，[1]生态足迹又称为“合适的承载力”。[2]生态足迹法是指把一个区域内人们所消耗的生物资源转化为生物生产性土地面积，再用其与该区域实际面积的差值来判断该区域是否处于可持续发展状态。本论文的研究成果可作为土地规划、利用等重大问题研究的基础，为未来土地资源管制提供依据，为西宁市土地利用提供生态安全预警系统和动态调控模型，并提出土地合理利用的管理战略与措施，提高土地利用规划的科学性、政策性和可操作性，为土地合理利用发展提供决策理论依据和实践指导，为西宁市生态可持续发展之路提出更好引导性建议。

一、研究方法与数据来源

(一)生态足迹模型的发展

生态足迹一直是国内外学者研究的热点，作为一种把自然资源转化为热量进行核算的工具，可量化分析可持续发展的程度。[3]生态足迹法是指，把一个区域内人们所消耗的生物资源转化为生态生产性土地面积，再用其与该区域实际面积的差值来判断该区域是否处于可持续的状态。[4]Hardin从生态系统的角度定义了生态承载力，赋予了生态足迹空间尺度的概念。二维生态足迹主要用于测量人类自然资源消耗对自然资源流量的占用情况，是对一维生态足迹模型的拓展。[5]二维生态足迹作为一种衡量生态环境压力大小的工具，模型有本身的局限性，例如，未区分自然资本流量与存量。[6]自然资本由两部分组成：自然资本流量和自然资本存量。资本流量负责可再生资源和生态服务的年度流动，在供应短缺时由资本存量补充。[7]二维生态足迹模型作为一种衡量生态环境压力大小的工具，由于其未考虑资源消耗程度大小的影响，很容易得出“地区经济越不发达，其生态环境越可持续”这一错误的结论，因为传统的生态足迹模型未能充分突出恒定资本存量在维持可持续发展和生态系统平衡方面的关键作用，特定类型的自然资本没有分割。[8]

为弥补这一缺陷，Niccolucci等人对传统的二维生态足迹进行改进，引入生态足迹深度与生态足迹广度两个指标，以此构建三维生态足迹。[9]其中跟踪自然资本存量的消耗和自然资本流动的使用的能力起着核心作用。但方恺在随后的研究中发现Niccolucci的计算方法存在问题，如果把研究区域的总生态赤字和总生态盈余相加，会导致不同土地间的生态足迹与生态盈余相互抵消，此模型存在的这一缺陷可能会导致计算结果偏大或者偏小，不能准确反映研究区域自然资源利用的真实情况。[10]因此，方恺在原有的三维模型上再次进行了改进，对生态足迹广度计算进行了修正，主要是通过将生态承载力与生态足迹值较小的一方作为不同类型生物生产性土地的足迹广度，修正后的足迹广度表示每种土地生态供给的最大值，表明流量资本与存量资本的核算不再限制于区域尺度，而是把每种土地类型的资本存量与流量先核算后再汇总，这样不同土地类型的赤字不存在转移。[11][12]

(二)修正后的三维生态足迹计算公式

EF3D，region=EFsize，region×EFdepth，region

其中：EF—生态足迹，EC—生态承载力，ED—生态赤字，EF3D—三维生态足迹，EFsize—三维生态足迹广度，EFdepth—三维生态足迹深度。

(三)研究区域简介及数据来源

西宁是青海省的省会城市，位于青海省的东部，是西北地区的重要城市，土地总面积为7679平方公里。2018年常住人口为237.11万人，市区海拔2261米，属于大陆性高原半干旱气候，生态环境极为脆弱，低层建筑较多，土地粗放利用，土地的利用效率不高，提升空间的潜力巨大。本研究所用生物生产资源与土地面积数据来源于2011—2018年《青海省统计年鉴》《西宁市统计年鉴》。统计年鉴中，土地类型分为：耕地、园地、林地、草地、居民点及工矿用地、交通运输用地、水域、未利用土地。在实际计算中，园地划入林地范围、居民点及工矿用地与交通运输用地面积之和为建设用地，未利用土地则不纳入计算。因此，土地类型分为：耕地、林地、牧草地、水域、建设用地。

二、西宁市三维生态足迹的计算与分析

(一)生物账户

生物账户主要分四种土地类型：耕地、牧草地、林地、水域。耕地产品主要为：小麦、玉米、青稞、杂粮、薯类、蚕豆、豌豆、蔬菜与食用菌、油菜籽、猪肉、禽蛋等。林地产品主要有：苹果、梨、葡萄、蜂蜜、木材等。牧草地产品有：牛肉、羊肉、奶类、牛羊毛等。水域产品：鱼类。因为猪肉、禽肉等的饲料绝大部分为谷物，因此归类为耕地产品。

(二)均衡因子与产量因子的计算

1.均衡因子的计算。将每种产品进行土地类型分类，再通过产品单位热值算出总产热量，通过将生物总产量转化为热量的形式，计算出青海省均衡因子。基于“省公顷”下2010-2017年均衡因子如表1所示。

表1 2010—2017年青海省均衡因子(snhm2/hm2)

从表1可以看出，耕地均衡因子最大，说明青海省以耕地为主要粮食来源，生产能力约是草地的40倍，其次为水域、牧草地。林地生产力相对较低，作用相较于其他三种土地类型较小。对比2012年WWF“全球公顷”均衡因子与2012年我国“国家公顷”计算下的均衡因子，如表2所示。

表2 2012年均衡因子(snhm2/hm2)

对比“全球公顷”均衡因子与青海省“省公顷”均衡因子，可以看出全球相同类型的土地生产力与青海省同类土地的生产力差异十分明显，与中国“国家公顷”均衡因子数值相近但依旧存在差异。研究省、市等小区域生态足迹使用“全球公顷”或“国家公顷”下的均衡因子会导致计算结果出现偏差，这是由于在“全球公顷”中，耕地与牧草地是主要的粮食来源，并且各类土地生产力差异不大，差异最大的为耕地与水域，生产力相差6.8倍，然而青海省各类土地生产力差异巨大，“省公顷”下的均衡因子耕地与林地生产力差异高达60倍。

2.产量因子的计算。根据西宁市五种生物生产性土地的面积与生产情况，每种土地的平均生产力后计算出“省公顷”下2010年—2017年西宁市每种土地类型的产量因子，如表3所示。西宁市除了耕地与建设用地产量因子在1左右，牧草地、林地、水域产量因子远小于1。说明西宁市地区牧草地、林地、水域生产能力不强，远低于青海省的平均生产力。根据产量因子数据分析，西宁市的耕地与建设用地产量因子都在1上下浮动，理论上可保障粮食充足、住房供应稳定，交通发展满足城市发展要求。值得注意的是，对牧草地、林地、水域的产量因子的数值分析，每一年对应的数据都远远小于1，特别是在水域和林地，需要大量依靠周边县区的资源才能保障消耗平衡。西宁市作为青海省的中心城市，不得不面对人多地少，现有的生产力无法满足人民日益增长的需求的现状。西宁市的当务之急是尽快解决生产力与自然资源短缺之间的矛盾。

表3 2010—2017年西宁市产量因子(snhm2/hm2)

(三)西宁市三维生态足迹计算与分析

1.人均生态足迹与承载力的计算。根据西宁市生物生产性土地的总产出量与土地人均占有量，可以计算出2010—2017年西宁市人均生态足迹与人均生态承载力(计算中已扣除12%生物多样性保护面积)。西宁市人均生态足迹与人均生态承载力计算结果如表4和表5所示。

表4 2010—2017年西宁市人均生态足迹(snhm2/人)

表5 2010—2017年西宁市人均生态承载力(snhm2/人)

2.人均生态足迹广度分析。足迹广度实际上是生物生产性土地的真实面积、也代表资本流量的使用情况和资源更新速率。根据西宁市人均生态足迹与生态承载力，可计算出西宁市人均生态足迹广度见表6。从表5和表6中可以看出，西宁市耕地在2011—2015年间一直处于盈余状态，资本流量并未被完全占用。但2014年有下降趋势，这是由于西宁市基础设施建设迅速扩张，交通、建设用地占用了一部分耕地，使得耕地总体承载力降低，耕地人均足迹广度减小。由于牧草地的生态足迹大于生态承载力，因此足迹广度为牧草地的生态承载力，资本流量从2010—2017年一直被完全占用并且逐年增加。牧草地生态足迹不断增大，资本流量一直被占用，会导致资本存量被迅速消耗。林地与水域作为足迹广度最小的两类土地，足迹广度的值一直等于生态承载力的值。因为足迹广度取值为生态足迹与生态承载力的最小值，林地生态足迹与生态承载力总体呈下降趋势，但承载力下降幅度大于生态足迹下降幅度，一直处于生态赤字状态，所以林地生态足迹广度与林地生态承载力一样一直在减小。水域生态足迹逐年增长且总是大于生态承载力，水域生态承载力每年维持在0～0.003snhm2/人，因此水域足迹广度与生态承载力一样保持不变。建设用地与耕地一样，在2011—2016年足迹广度等于生态足迹的值，说明建设用地资本流量未被完全占用，并不需要动用资本存量就能满足西宁市居民的消费需求。

表6 2010—2017年西宁市人均生态足迹广度(snhm2/人)

如果西宁市存量资本被长期过度透支，流量资本则也会消耗殆尽，并且会对资本流量更新产生极为严重影响，迫使生态环境造成巨大压力，从而导致恶性循环，承载力会越来越低，生态赤字逐渐增大。

3.人均生态足迹深度分析。足迹深度代表使用资源程度情况，可作为衡量的指标之一，即足迹深度越大存量资本消耗越快，两者存在正相关，则地区发展的可持续性越弱。西宁市2010—2017年人均生态足迹深度计算结果见表7。从数据可以得出，西宁市自2011—2015年间，耕地与建设用地足迹深度的数值为1，等于原长，说明耕地与建设用地供应基本满足西宁市居民的需求。牧草地足迹深度处于一个相对稳定的状态，这与西宁市居民稳定的需求量和牧草地稳定的产量相关。鉴于林产品产量较小，并且居民的需求量具有不确定性，致使林地足迹深度数值起伏较大。值得注意的是，自2016年以后，西宁市足迹深度数值年均大于1，并且有日趋递增的走势。2010年至2017年，西宁市耕地面积持续减少了6025hm2，建设用地持续增加了8088hm2，因为城市发展的需要导致城市扩张，在这个过程中不得不以减少耕地面积为代价来换取城市基础建设的高速发展，从而导致了耕地的总体承载力下降，耕地的人均足迹广度减小使得足迹深度大于1。林地与水域在2010至2017这八年间长期处于生态赤字，足迹深度数值偏大，均大于1。这表明牧草地、林地、水产品长时间被透支消耗，以近3倍牧草地面积，5～8倍林地面积才能提供目前的资源消耗量。参照数据分析，西宁市林地足迹深度在2010年至2013年深度从6.845下降至3.641，却又在2014年激增，峰值达到了8.166。依据年鉴年的数据，之后两年西宁市木材砍伐量走低，使足迹深度稳定在4.5左右。

表7 2010—2017年西宁市人均生态足迹深度

三、结论

从自然资本存量和自然资本流量的角度来看，西宁市耕地与建设用地属于高流量资本低存量资本，流量资本占用较多，所以对存量资本的消耗减少。西宁市林地、牧草地自然资本利用强度对比耕地与建设用地较高，这是由于林地与牧草地产品本身产量不高，再加上居民对林地、牧草地产品的需求不断增加，导致资本存量与资本流量偏大。林地有着较低的生态足迹广度但足迹深度偏大，属于流量资本的极度缺乏需要耗费存量资本来填补。可以发现，西宁市社会经济的发展与自然资源的供应属于较高水平，发展过程中对资源的需求远大于其生态系统供给能力的最大值，生态发展压力较大，发展过程中呈现出不平衡性。因此，如何找准经济的发展路径，解决发展中的不平衡不充分问题，对于西宁实现新时代的新发展、新作为意义重大。基于上述分析，笔者从转变经济增长方式、绿色发展、确定城市规模三个方面提出提高生态承载力的建议。

1.转变经济增长方式。经济快速增长的背后往往是巨大能源的支撑，同时会造成环境污染和环境治理成本上升、能源供应紧张，直接影响城市可持续发展。也可以说西宁市的经济快速增长是依靠高消耗、高投入的粗放型增长方式。西宁市地处高原地带，日照丰富，政府可加大对新能源产业的扶持，发展太阳能，减少煤炭和天然气的使用，减少碳排放量，把对环境的污染降到最低，并鼓励居民使用可再生能源，转变西宁市经济增长方式。

2.绿色发展提高区域生态承载力。为减小土地压力，减少存量资本占用，提高土地利用效率，可以精准划分城市功能区域，确定耕地区域、牧区、林区、建设开发区、生态保护区等，实现高效利用农业资源与改善生态环境这一可持续发展目标。西宁市牧草地和林地生态足迹深度较大，为降低资本存量的占用，应治理河流湖泊等水体污染，稳定草场林地生长环境，大力发展人工草地林地种植，提高牧草地与林地生态承载力，保护生态平衡，建成生态作用突出、绿色有机无污染的天然牧草地、林地品生产区。同时降低废渣废水对水体污染，优化水资源。

3.确定城市发展规模。西宁市海拔高，生态环境脆弱，如果城市人口过多势必会对资源环境带来巨大压力。人口增长也是导致生态足迹增加的原因，确定适合城市发展的人口数量，可有效降低生物供给压力，实现人口资源与经济发展相协调。