基于能值生态足迹的海岛可持续性评估——以舟山为例

李玉杰,赵 晟

(浙江海洋大学 海洋科学与技术学院,浙江 舟山316022)

海岛是散布在海洋中的小块陆地。由于地理隔离性,海岛拥有一个相对独立、特殊的生态系统,且其远离大陆,使得海岛的物种来源相对较少、物种存活度不高、植被种类贫乏等。同时,海岛的地形起伏大,造成水土流失严重。由于海岛极易受台风、海啸等自然灾害的影响,导致海岛生态系统较为脆弱,易受破坏且难以恢复。海岛渔业、旅游业和港口物流的不断发展导致渔业资源减少、海岛淡水资源紧缺、水域环境恶化,对海岛生态系统产生显著不利影响[1-3]。所以,评价海岛可持续性,研究其变化特征,对协调海岛生态系统可持续发展至关重要。

目前,国内外许多学者采用Willian和Rees[4]以及Odum[5]提出的生态足迹和能值分析方法,在生态系统评估方面开展了深入的探讨,取得了丰富的研究结果[6-10],推动了生态系统的研究进展。然而,有关海岛生态系统的研究却较少,仅限于在生态承载力、生态系统健康、生态脆弱性、生态压力和能值分析等方面的研究[11-17],其中大多数研究[11-12,16-17]因忽略了自然的贡献导致计算结果的误差较大,缺少对海岛自然承载力的核算。近几年的研究[13-15]较多关注单一生态单元下生态系统状况,忽视了不同生态单元对生态系统的影响是不同的现象,这些都对海岛生态评估最后的结果产生了不利影响。因而,结合不同生态单元评价海岛生态可持续性对深入认识海岛生态系统具有深远意义。

舟山群岛位于浙江省东北部,是我国最大的群岛,陆域面积1 458.76 km2(包括滩涂面积144.91 km2),海域面积2.08万km2,海岸线长2 444 km。舟山群岛拥有我国最大的渔场——舟山渔场,带动沿海地区经济发展,但是随着淡水短缺、渔业衰退和环境恶化等一系列生态问题的出现,舟山群岛的可持续发展问题急需引起广泛关注。

因此,为了探究现代化发展背景下海岛生态系统可持续发展的动态变化,本文以舟山群岛为例,结合生态足迹方法[4]将海岛划分为耕地、林地、草地、建设用地、化石能源用地和水域六个不同生态单元来分析不同生态单元的状况。然后结合能值密度,从物质的能量角度,将能值分析和生态足迹方法结合起来,从自然、社会和经济等方面来评估2003—2017 年舟山群岛可持续发展状况,以期为研究其他海岛可持续性评估提供参考。

1 研究方法

1.1 研究区概况

2017年末,舟山全市常住人口116.8万人,人口密度801人/km2。2017年全年地区生产总值1 219.78亿元,第一、第二、第三产业比例为11.5∶33.0∶55.5,农林牧渔产业比例为4.3∶0.1∶1.0∶94.6[15]。与往年相比,第一产业比重下降了48.89%,意味着渔业在地域产业的比重下降[18],渔业经济包括海洋捕捞业、海水养殖业和淡水养殖业。2017年旅游人数为5 507.16万,旅游综合收入806.52亿元,是2003年旅游收入的16倍。

2010年以来,舟山群岛出现了渔业衰退、淡水短缺和环境恶化等一系列生态问题。城市规模不断扩大,产生的工业废水和生活用水对渔场的海域环境造成恶劣影响,加上捕捞强度日益增强,导致渔业资源大量衰减[16]。随着旅游人数的不断增加,旅游景区生态环境受到人为破坏严重,导致自然景区生态平衡失调,例如朱家尖的乌石塘景区因垃圾较多导致沙滩黏土含量增加,沙滩变黑,进而造成景观遭受严重破坏[12-13]。所以,舟山群岛的可持续发展问题急需引起广大关注。

1.2 数据来源

本文使用数据主要来源于2003—2017年《舟山统计年鉴》[19-33]《浙江省统计年鉴》[34-39]《中国县域统计年鉴》[40-45],其中,部分气候数据参考Zhao等[46],如太阳辐射量,取值为4.63×109J/m2[23]。部分研究数据如农产品、水产品和畜牧产品等选取其主产品(如小麦、玉米、海水养殖的水产品等)为研究对象。根据统计年鉴,水产品的主要来源是淡水和海水养殖的水产品,因此,本文以淡水养殖和海水养殖的水产品作为水域足迹的计算来源。

1.3 能值足迹和能值承载力

能值足迹是区域内人类生存消耗所需单位面积的能值量,能值承载力是区域所能承受单位面积最高能值量。传统的能值足迹的计算包括两种:自然环境的能值承载力计算和能值足迹的计算[46-47]。学者们考虑到社会经济的影响,增加了社会经济能值承载力和初级工业产品的能值足迹[48-49]。本文采用的方法遵循改进的能值生态足迹方法[48-51],基于1.2×1025sej/a的全球能值基线[49]来计算分析区域的能值足迹和能值承载力。判断人类活动强度对海岛生态系统影响程度的大小是衡量海岛可持续发展的重要因素,当能值承载力大于能值生态足迹时,出现生态盈余,反之,则出现生态赤字。通常,通过衡量能值承载力和能值生态足迹之间的差值和比值来研究当前区域可持续状态,本文亦采用此方法评估生态可持续性。

1.3.1 能值足迹

能值足迹反映区域生态经济特征,表明人类的负荷强度[48]。能值足迹主要是量化生物资源、初级工业产品和能源资源消费的足迹[48-51]。区域人均能值足迹(EEF,单位为hm2)为

式中,EEF1为生物资源的人均能值足迹(hm2);EEF2为初级工业产品的人均能值足迹(hm2);EEF3为能源消费的人均能值足迹(hm2);i为项目种类,i=1,2,…,n;x i为第i种项目的能量;F i为第i种资源的能值转换率;p1为区域能值密度(单位为sej/hm2),是研究区自然可更新资源能值与区域面积的比值[46];N为区域总人口数量。

1.3.2 能值承载力

能值承载力反映区域生态状况与社会经济发展状况[48]。能值承载力的计算综合自然、社会和经济三种因素而成[50-52],通过量化可用的自然资源来计算能值承载力[46]和代表人类在社会系统的活动,以高新技术产业产值、固定资产投资和劳务的总和代表体现[49]。人均能值承载力ECC(单位为hm2)的计算式为:

式中,ECC1为可利用自然可更新资源人均能值承载力(hm2);ECC2为社会经济的人均能值承载力(hm2)。

1.3.2.1 自然可更新资源能值承载力

人类生存和发展所需的资源都来自于自然生态系统。自然生态系统为人类提供的资源包括可更新资源与不可更新资源[5-6]。舟山群岛的总能值包括自然可更新资源(太阳能、雨水、潮汐等)和不可更新资源。为避免重复计算,同一性质的能量投入取其最大值。例如:风能、雨水化学能、雨水势能、地球循环能实质上都是太阳能的转化形式,因此只取其中最大的一项[6,50-53]:雨水化学能;而潮汐能是由太阳、月亮对地球的吸引而产生的,和太阳能不属于同一性质的能量,故进行累计[50-53]。根据能值理论[5-6],自然可更新资源的能值(E,单位sej)可根据E=太阳辐射+潮汐能+Max{风能,雨水化学能,雨水势能,地球循环能}计算。自然可更新资源人均能值承载力ECC1计算式为

式中,N为研究区域的常住人口数量;p2为年全球能值密度[21],是地球年能值与地球表面积的比值,作为转换能值单位为面积的参数,单位为sej/hm2,根据最新的全球能值基线[49],自然投入的年能值为1.2×1025sej/a,地球表面积为5.1×1010hm2,所以p2为2.35×1014(sej·a)/hm2;i为项目种类,i=1,2,…,n;r i为第i种可更新资源的能量;T i为第i种资源的能值转化率;15%为指为了保护生物多样性[48-50],将国土面积的15%划为生物多样性保护区。根据《浙江省生物多样性保护战略与行动计划》[54],到2012年,全省生物多样性保护区域已达到15%,本文需将浙江全省总面积的15%划为生物多样性保护区,因此人均能值承载能力降低了15%。

1.3.2.2 社会经济能值承载力

根据社会经济核算,人均能值承载力ECC2的计算式[49]为

式中,S为区域能值货币比率,它是区域可更新自然资源总能值与区域国内生产总值的比值,单位为sej/$[49-51];PPI为生产者价格指数,用于消除价格波动的影响,并确保年度价值具有可比性,时间序列中的选择参考基期并设置为100[48-49],本文以2003年为基期,即以2003年价格为100;O为高新技术产业产值;A为固定资产投资总额;B为劳务价值,以居民年收入代替;p2为全球能值密度;N为人口数量。

1.3.2.3 能值生态赤字/盈余

EER 是衡量生态系统总体可持续状态的指标,通过衡量ECC与EEF之间的差值(ECC-EEF),来反映人类对资源的利用强度[6]。当EER＞0时,表示能值生态盈余,即区域资源供给满足人类的需求;当EER＜0时,表示能值生态赤字,即人类对资源的需求超过了自然供给,区域的发展对区域的生态造成威胁;当EER=0时,即当ECC=EEF时,表明当前资源供给与资源需求均衡[6,53]。

1.4 渔业足迹强度

在环境方面,一个区域能值足迹在不同土地类型之间分布的越均匀,该区域的足迹多样性就越高,生态环境系统也就越稳定[48-52]。Pan等[49]以生态足迹多样性指数H来衡量研究区域足迹分布的均衡性,H的计算公式为

式中,P i为第i种类型生产用地能值足迹在总EEF的占比。

本文结合海岛渔业经济比重大的特征,在式(5)的基础上,分析水域足迹在总足迹多样性中的比重,获得渔业足迹强度的指数D:

式中,Pw为水域能值足迹在总EEF中的占比。利用D可进一步分析区域的渔业足迹强度是否合理、渔业活动对生态环境是否过压以及是否导致生态环境不稳定。

1.5 社会发展压力指数

在社会方面,主要考察人类主要的社会活动是否在区域自然资源的承载力范围内。衡量当前人类对自然利用、改造行为对自然生态系统的影响程度。以EEF/(ECC+EEF)作为参考[48],本文通过衡量EEF 与ECC1的比值I即社会发展压力指数来探究社会发展对自然生态系统的影响。社会发展压力指数反映了人类社会活动对区域生态环境的压力,即社会活动是否满足可持续发展的要求。当I＜1时,代表社会活动对区域资源的消耗小于承载力,说明区域的可持续性程度高;当I＞1时,表明区域生态系统承受的压力大,即人类社会活动对区域资源的消耗大于承载力,说明区域的发展不可持续[49,55]。所以,I的值越小,区域的可持续性越好。

1.6 经济协调指数

在经济方面,可以利用能值足迹(EEF)与社会经济能值承载力(ECC2)之间的关系[25]来反映经济系统与生态系统之间的协调性,即可以利用生态经济协调指数研究区域经济发展与生态环境之间的协调性[48-50],进一步分析区域经济发展是否在可持续范围内。Q的取值范围为(1,1.414)。当Q越接近1时,表明区域的经济发展不满足可持续发展要求;当Q越接近1.414时,表明区域发展满足可持续发展要求[49]。

2 结果与讨论

2.1 能值足迹

EEF反映了人类负荷强度和区域环境压力特征。2003—2017年舟山EEF 计算结果(表1)显示,EEF从24.95 hm2(2003年)上升到40.73 hm2(2017年),增幅为63.26%,这表明这些年人类负荷强度和生态压力明显增大。

表1 2003—2017年舟山人均能值足迹值Table 1 Values of emergetic ecological footprint in Zhoushan from 2003 to 2017 hm2

图1 2003—2017年舟山人均能值足迹(EEF1,EEF2和EEF3)的变化Fig.1 Changes of EEF1,EEF2 and EEF3 in Zhoushan from 2003 to 2017

EEF 的各子成分的变化趋势见图1。2003 年EEF1、EEF2和EEF3分 别 占 比85.31%,6.92%和7.76%,至2017 年EEF1和EEF2占 比 分 别 降 为54.55%和1.36%,但EEF3占比却增加至44.09%,该占比的变化情况反映出目前生物资源的能值足迹在总能值足迹中贡献最大,其次是能源消费品的能值足迹。

EEF1从21.28 hm2(2003年)增加到22.22 hm2(2017年),增幅为4.39%,增长幅度不大。在生物资源能值足迹中,主要贡献是鱼类,其次是肉类。这是因为舟山群岛拥有我国最大的渔场——舟山渔场。

EEF2从1.73 hm2(2003 年)下 降 到0.55 hm2(2017年),降幅为67.99%。在EEF2中,化学纤维和棉纱的贡献最大,化学纤维能值占总能值的比例从0.85%增加到1.25%,而棉纱能值占总能值的比例却从6.07%下降到0.1%,这表明研究区养殖业和捕捞活动增多。

EEF3从1.94 hm2(2003年)上升到17.96 hm2(2017年),增幅为827.22%,巨大的增幅表明能源消费对生态环境的影响巨大,其中,对能源消费足迹贡献最大的是煤炭和燃料油,原煤能值占总能值的比例从6.82%(2003年)上升到21.61%(2017年),燃料油能值占总能值的比例从2011年的19.36%下降到2017年的17.78%,这反映舟山对原煤需求增大而对燃料油的需求却有所下降。舟山有80%的原煤用来生产电力[56]。因此,为应对气候变化,寻找原煤替代品至关重要[57-58]。燃料油主要是用于船舶锅炉的燃料使用,燃料油的下降体现出近海渔业资源和近海捕捞活动正在减少。

EEF3在2010—2011年从2.63 hm2增加到14.24 hm2,增幅为442.07%。EEF3短期的较大增长一方面是因为舟山在2011年开始投入使用了天然气,另一方面是因为随着人均收入的增加,越来越多的家庭购买了私家车,以及舟山的旅游产业的丰富,旅游人数激增,使得原油和柴油的总能值足迹增多。虽然政府采取了一些缓解措施,如投放新能源汽车、提倡使用公共交通出行、定期设置车牌限号等,但收效显微。当前,仍应加大力度减少交通工具尾气的整体排放。

EEF1缓慢增长、EEF2大幅下降和EEF3持续增长,体现了舟山居民消费结构的变化。随着海岛城市化进程的加快和科技发展水平的提高,人们对能源消费品的需求逐渐增加,从而产生了更多的能值足迹来改善和享受生活。

分析不同土地类型的能值足迹(图2)可以得出:水域用地的能值足迹在总土地类型中所占比例最大,从79.74%(2003年)下降到53.33%(2017年);其次是化石能源用地,从8.61%(2003年)上升到45.32%(2017年)。2003—2017年水域的能值足迹逐渐下降,而化石能源用地的能值足迹比例却在逐渐升高,这反映了舟山经济在慢慢改变以渔业为主的经济发展状态。水域能值足迹的下降主要归因于我国对捕捞政策的管控、政府对捕捞行业捕捞行为的监管,如实行休渔禁渔、渔船报废制度。此外,化石能源用地能值足迹比例的提升表明舟山在工业方面的消费有所提升,其中以煤炭为主要能源的持续消耗是能源消费足迹升高的主要原因。

图2 2003—2017年舟山能值足迹土地类型的变化趋势Fig.2 Changing tendency of emergy ecological footprint land types in Zhoushan from 2003 to 2017

2.2 能值承载力

由2017年舟山能值承载力结果(表2)可知:舟山的自然可更新资源的人均能值承载力为9.69 hm2,社会经济人均能值承载力为1.02×103hm2。因此,2017年舟山的能值承载力为1.03×103hm2。同理,计算出2003—2017年舟山的能值承载力,如图3所示,从总趋势来看,总ECC从6.25×102hm2(2003年)增加到1.03×103hm2(2017年),增幅为64.76%。承载力的提高主要是因为海岛本身的脆弱性在人类活动如建设港口、防护提、植树造林和增加绿地面积等的影响下得到了改善。ECC1从11 hm2(2003年)降到9.69 hm2(2017 年),降幅为12.00%。ECC1的降低主要归因于人口数量的增加(2003年人口数量为9.71×105,2017 年人口数量增至1.17×106)。ECC2从6.14×102hm2(2003年)增到1.02×103hm2(2017年),增幅为66.14%。由图3 可见:总ECC主要由ECC2组成,这表明舟山的能值承载力主要来源于社会经济系统(固定资产投资、高新技术产业产值和劳务)的贡献,从侧面反映舟山群岛的科技发展和教育水平有所提高。

表2 2017年舟山能值承载力Table 2 The emergy carrying capacity in Zhoushan in 2017

2.3 可持续性评价指标

2003—2017年舟山由于降雨量丰富,生物量高,有很多的自然承载力产生,但随着人口的增多,人均生态足迹却有所下降。由舟山能值足迹可持续性评价指标值计算结果(表3)可知:EED/EES,D和I值均有所增高,其中EED/EES从600 hm2(2003年)增至989 hm2(2017年),D从0.25(2003年)增至0.44(2017年),I从2.27(2003年)增至4.20(2017年)。然而,Q值变化不大,维持在1.04左右,主要归因于舟山群岛人均能值足迹逐年增加,这反映了生态系统与经济系统之间的协调性并没有得到改善,舟山政府在经济结构调整、污染物控制活动和社会经济规模等方面还应继续努力。

表3 2003—2017年舟山可持续发展指标值Table 3 Values of sustainable development index in Zhoushan from 2003 to 2017

分析2003—2017年舟山可持续性指标的结果(图4)可知:2003—2017年舟山EER 都大于零,属于盈余状态;D值从2003年的0.25增加到2017年的0.44,表明当前渔业活动过多,即水域足迹比重过多,舟山政府应继续且长期实行休渔政策来控制渔业捕捞活动;I也不断增大,进一步表明研究区当前的发展是不可持续的;Q值接近1,且最大值为1.048(2011年),小于1.414,这说明当年舟山生态系统与经济系统的协调性较好。

比较分析2003—2017年舟山渔业足迹强度指数D和社会发展压力指数I发现,二者的变化趋势基本一致(图5)。I值的不断增加反映研究区社会系统的压力增加,主要是由于EEF 的增加;D值的增加表明EEF中水域足迹强度较大,反映出研究区的渔业足迹过大,足迹分布不均衡;社会发展活动如捕捞活动、水产养殖和发电厂发电等,都超过了自然环境的承载力范围。若想减小I和D的值,可以通过减少EEF和增加EEC1这两个方法来实现。若想减少EEF,可以借助替代能源来减少渔业和化石能源消费的足迹;实行计划生育政策控制人口,避免人口继续增加,则可以保持EEC1的增加。

图4 2003—2017年舟山可持续性指标的变化趋势Fig.4 Changing trend of sustainability indexes in Zhoushan from 2003 to 2017

图5 2003—2017年舟山渔业足迹强度指数(D)和社会发展压力指数(I)Fig.5 Fishery footprint intensity index(D)and social development pressure index(I)in Zhoushan from 2003 to 2017

3 结 论

利用能值生态足迹方法计算了舟山2003—2017年的能值足迹和能值承载力,并结合能值生态赤字/盈余EER、渔业足迹强度指数D、社会发展压力指数I和经济协调指数Q四个可持续发展指标分析了研究区的可持续发展状况,得出结论如下:

1)2003—2017年舟山人均能值生态足迹共增加15.78 hm2,增幅为63.26%;足迹分布不均,其中,生物资源能值足迹最多,能源消费能值足迹次之,初级工业产品能值足迹较少。

2)2003—2017年舟山人均能值承载力增加5.20×102hm2,增幅为82.86%;社会经济承载力增加最多,而自然承载力却有所下降。

3)耕地、林地、草地、水域、建设用地和化石能源用地六种土地利用类型的能值足迹构成分布不均,其中水域足迹最多,化石能源用地足迹次之,耕地、林地、草地、建设用地足迹较少。

为了提高舟山整体可持续性发展,提出三点可行的参考建议:

1)舟山应积极寻找可替代的清洁能源,优化能源结构。舟山作为一个海岛旅游城市,需要高质量水平的自然环境。为避免能值足迹进一步增加,使用清洁能源替代化石能源的消耗及减少化石燃料的足迹是当务之急。着力研究并开发潮汐能、风能和波浪能等可更新的清洁资源,降低对石油、煤炭等化石能源的依赖,充分发挥海岛城市的海洋能源优势。舟山风力资源丰富,适宜发展海上风电,但风电场建设成本高、维修困难、噪音大。相关部门应加强对舟山风力发电的支持,加大力度攻克技术难关。

2)积极做好渔业资源的保护和宣传。为减少水域足迹,应降低渔业捕捞活动的强度,着力打造绿色捕捞体系,规范渔船和渔具的使用途径,研究沿岸渔场科学的可捕量,推行负责任、限量等捕捞制度;加强对水域资源利用的多样性,提供第三产业发展的旅游文化项目,减少渔业生产值;加强对海洋渔业资源保护的宣传,提高公众保护渔业资源的意识,从而减少对渔业资源的破坏。

3)推动智慧绿色渔业发展工程和绿色渔业产业链工程。为提高自然承载力,应尽可能减少人类活动对海岛自然生态系统的影响,坚决以绿色发展为核心的绿色渔业发展。例如,以渔船、渔港和水产品为主体,结合人工智能、3S和物联网等技术,构建智能绿色渔业体系;利用互联网技术对水产品交易去向进行信息化管理,实时追踪水产品物流信息;推广多功能、智能化的养殖设施(如TH-RAS养殖循环水技术),探索海陆结合的循环养殖模式,提高养殖系统的产出率。