基于改进三维生态足迹模型的广西土地自然资本利用状况研究

张庆虹，杨小雄，梁 博

(南宁师范大学 自然资源与测绘学院，广西 南宁 530001)

1 引言

随着经济全球化的快速发展，经济建设背后所带来的生态环境问题越来越突出，地区发展对资源环境的持续需求，造成了资源过度消耗，生物多样性持续减少等严峻的问题[1]。植被减少、水土流失、空气污染、生态环境恶化等成为了制约地区经济发展的重要因素。为此，加强生态文明建设成为了我国重要的发展战略，如何协调好经济社会发展与环境保护两者之间的矛盾，也是研究可持续发展问题的重点。

自然资本利用评价是量化地区可持续发展状态的重要概念，它是生态系统所提供的自然资源和生态服务的总称，由流量资本和存量资本两部分组成。生态足迹理论是评价自然资本是否可持续利用的一个重要理论，是基于存量资本是否稳定评判依据。

生态足迹最早由Rees提出，强调了需要多少生产性土地才能满足人类对资源的需求[2]；随后Wackernagel在Rees研究的基础上提出了二维生态足迹模型并对国家和区域的发展进行了可持续评价[3]；随着研究的不断深入，传统的生态足迹模型暴露出了一定的局限性，因此，Niccolucci等通过引进足迹广度和足迹深度两个新的指标，对传统生态足迹模型进行了改进，构建了三维生态足迹模型，从空间的角度对流量资本的占用和存量资本的消耗状况进行研究[4，5]。

当前，三维生态足迹模型已经广泛的应用于自然资本的相关研究中。靳相木等把生态足迹模型作为一种自然资源的算法，以判断土地利用是否处于超载状态[6]；方恺针对Niccolucci三维模型的缺陷提出了改进，改进后的三维足迹模型可以用于分析省际、国家和国际等尺度的自然资本利用时空特征，进行“产品-地类-区域”之间的转换计算，克服地类间赤字转移的问题[7～10]。改进后的生态足迹模型被一些学者用于计算地区自然资本的研究中，靳相木等改进足迹深度的取值范围，将生态盈余状态纳入了三维足迹模型中对温州市的土地承载力指数进行研究[11]；吴健生等基于改进后的三维足迹模型，增加了足迹广度基尼系数等指标，对关中地区的土地自然资本利用状况进行了研究[12]；朱高立等新增了剪刀差等指标，运用改进后的三维足迹模型对盐城市自然资本利用特征进行了实证分析[13]。各学者在进行土地自然资本利用的研究时，把生产性土地分为六大类：耕地、林地、草地、水域、化石能源用地及建筑用地。由于化石能源用地并没有相对应的土地承载力，属于“虚态”足迹，将其计入后会推高足迹深度，不能够准确的反映地区的真实生态承载力[14]。因此，本文在研究中不把化石能源用地作为研究的对象，以改进后的三维生态足迹模型为基础，对2009～2018年间广西壮族自治区自然资本动态利用情况进行实证研究，并把修正后的生产性生态足迹作为土地足迹，其对应的生物承载力称为土地承载力。

2 研究区概况与数据来源

广西壮族自治区地处我国大陆东、中、西3个地带的交汇点，是华南经济圈、西南经济圈与东盟经济圈的结合部，是西南乃至西北地区最便捷的出海通道，也是联结粤港澳与西部地区的重要通道，在自由贸易区建设和泛珠三角区域合作中发挥重要战略作用。根据2019年广西壮族自治区国民经济和社会发展统计公报中显示，全年全区生产总值为21237.14亿元，比2018年增长6.0%。其中，第一产业增加值3387.74亿元，增长5.6%；第二产业增加值7077.43亿元，增长5.7%；第三产业增加值10771.97亿元，增长6.2%。第一、二、三产业增加值占地区生产总值的比重分别为16.0%、33.3%和50.7%，对经济增长的贡献率分别为15.2%、32.5%和52.3%。按常住人口计算，全年人均地区生产总值42964元,比2018年增长5.1%。全员劳动生产率为74497元/人，比2018年提高5.8%。

本文研究数据主要来源于《广西统计年鉴(2009-2018年)》《广西壮族自治区国民经济和社会发展统计公报(2009-2018)》、广西土地网以及联合国粮农组织官方网站公布的数据。本文将生态足迹账户分为生物资源账户和建设用地账户两大类，如表1所示。其中生物资源账户包括农业、林业、畜牧业和渔业，为此，可以将广西生物生产性用地划分为耕地、林地、草地和水域。

3 研究方法

3.1 改进的三维生态足迹模型

相比于三维生态足迹模型，传统的二维生态足迹模型只适用于某一种地类的核算，对研究存在较大的限制。因此，本文采用方恺等基于生产性视角改进后的三维生态足迹模型，对广西的自然资本利用状况进行测算。

3.1.1 土地足迹计算方法

土地足迹定义为支撑区域生物产品(农产品、畜牧产品、林产品和水产品)生产和城镇用地扩张所需的生物生产性土地面积。其计算公式为：

(1)

式(1)中，EF为总的生态足迹；P为人口数；ef为人均生态足迹；bi为第i种商品的人均消费量；ci为第i种 消费商品的平均生产能力；aai为人均第i种交易商品折算的生物生产性面积；ej为均衡因子。均衡因子表示全球范围内某类生产性土地平均生产力与全球范围内所有生产性土地平均生产力之比。本文的均衡因子采用GFN所提供的最新数据，其中耕地的均衡因子为2.52，林地为1.28，草地为0.43，水域为0.35，建设用地为2.52。

3.1.2 土地承载力计算方法

在维持一定生活水平并不引起土地退化前提下，一个区域能永久供养的人口数量及人类活动水平，或土地退化前区域所能容纳的最大人口数量，称为土地承载力。其计算公式为：

(2)

式(2)中，EC为区域总生态承载力；ec为人均生态承载力(hm2/人)；aj为人均生物生产性土地面积；ej为均衡因子，yj为产量因子。产量因子等于该类土地的区域平均生物生产力与全球或国家平均生物生产力之比。本文采用经刘某承根据我国情况修正后的产量因子作为参考，耕地的产量因子为1.74，林地为0.86，草地为0.51，水域为0.74，建设用地为1.74[15]。

3.1.3 足迹广度计算方法

三维生态足迹模型在传统的生态足迹模型上增加了足迹广度和足迹深度两个新指标。其中，足迹广度的定义为生物生产性土地在土地承载力的限度下，人类对自然资本流量利用的规模，其取值范围为0

EFsize,j=min{EFi×ECi}

(3)

(4)

式(3)、式(4)中，EFi为i类土地足迹(hm2)，ECi为i类土地承载力(hm2)，EFsize,i为i类土地的足迹广度(hm2)，EFsize,reg为各地类所组成区域的足迹广度(hm2)。

3.1.4 足迹深度计算方法

足迹深度的定义为对自然存量资本的消耗程度，是再生产人类所消耗的自然资源所需要的年数。即当某地区自然资本存量开始被透支时，其透支的程度需要多少年才能被该地区的生物生产性土地生产完成。其计算方式如下：

(5)

(6)

式(5)、式(6)中，EFdep,i为i类土地的足迹深度，EFdep,reg为各地类所组成区域的足迹深度。当EF≤EC时，处于生态盈余状态，有EFdepth=1，此时自然资本流量即可满足人类需求；当EF>EC时，处于生态赤字状态，有EFdepth>1，此时自然资本流量已被消耗完，开始消耗存量资本。

3.2 模型补充

3.2.1 自然资本流量利用率

当自然资本流量尚有剩余时，生态系统处于生态盈余状态，这时可以用自然资本流量收益率(UEflo)来衡量对自然资本的占用量，计算公式如下：

(7)

3.2.2 存量-流量资本利用比

当自然资本被完全消耗时，生态系统处于生态赤字状态，此时开始对存量资本进行消耗，计算公式如下：

(8)

4 结果分析

4.1 人均土地足迹等计算结果

4.1.1 耕地人均土地足迹和土地承载力分析

由表2可知，2009～2018年间，耕地始终为土地足迹的第一大地类。2009～2018年间耕地的土地足迹的范围为0.1446～0.2329 hm2/人，而耕地的土地承载力范围为0.2992～0.3358 hm2/人，人均土地足迹在土地承载力的范围之内，表现出了生态盈余。因此，广西的耕地目前尚处于可持续发展的状态。尽管如此，耕地生态承载力由2009年的0.3558下降到2018年的0.2992 hm2/人，下降的幅度达到16%，土地足迹逐渐与土地承载力持平，表明人们对耕地的需求不断扩大，耕地的可持续利用性受到威胁。为了加强对耕地的保护，广西出台了《关于加强耕地保护和改进占补平衡的实施意见》，该意见要求到2020年，广西耕地保有量不少于436.4万hm2，永久基本农田保护面积不少于365.4万hm2，建成181.66万hm2高标准农田的指标，以此来保证耕地的可持续发展。

4.1.2 林地土地足迹和土地承载力分析

由表2可知，2009～2018年广西林地的土地足迹范围为0.0051～0.0094 hm2/人，土地承载力的范围为0.0076～0.2207 hm2/人，人均土地足迹尚未超过人均土地承载力，表现出生态盈余状态。其中，在2009～2010年间生态承载力的涨幅最大，从0.2207 hm2/人上涨到0.2505 hm2/人，涨幅达12%。自2010年后，林地的土地承载力开始下降，尽管在2017年有过短暂的回升，但总体还是呈现了下降的趋势。由于广西的地质特性，石漠化地区的林地植被恢复难度大，综合治理任务艰巨，并且由于集体林经营管理的粗放，造成林地的生产力降低，优质林地减少，生态和林产品产出潜力下降，加之林地用途监管不到位，非法改变林地性质的情况依然存在。尽管林地的人均生态足迹上涨的幅度仍远低于林地生态承载力，但它们之间的差距已经由2009年的43倍下降到2018年的24倍，10年的差距缩小了近一半，林地的可持续发展能力大幅下降，需要引起一定的重视。

4.1.3 草地人均土地足迹和人均承载力分析

由表2可知，2009～2018年草地的人均土地足迹范围为0.0306～0.0315 hm2，人均土地承载力范围为0～0.027 hm2，人均土地足迹远超人均土地承载力，表现出生态赤字状态。草地的人均土地足迹呈现出一个波动的状态，在2009～2018年期间，草地的人均土地足迹于2013年达到最高点，为0.0337 hm2，其余的年份都处于缓慢下降的阶段，于2018年有小幅度的回升。目前，草地人均土地承载力的状况令人担忧。除了2009～2010年人均土地承载力有过较大幅度的上涨外，从2013年开始，草地的人均土地承载力从0.0041 hm2/人下降至0.0000 hm2/人，该状况一直持续到2018年仍未得到改善，草地的可持续发展受到严重的威胁。广西存在重林轻草的观念，退耕还林的政策远优先于退耕还草。广西还存在有严重的草地石漠化现象，广西有灌丛类草地面积202.82 hm2，其中石漠化草地面积112.07 hm2，占广西灌丛类草地面积的55.26%，石漠化的生态环境严重影响草地的可持续性[16]。随着人民生活水平的逐渐提高，人们开始注重饮食营养的均衡搭配，对肉类和奶类制品的需求也日益增加。消费者需求的增加也给草地生态承载力带来了前所未有的压力

4.1.4 水域人均土地足迹和土地承载力分析

由表2可知，2009～2018年的水域人均土地足迹范围为0.0018～0.0029 hm2，人均土地承载力的范围为0.0028～0.0035 hm2，人均土地足迹在人均土地承载力范围内，表现出生态盈余。从2009年开始，水域人均土地足迹开始逐年上涨，于2015年达到最高峰0.0031 hm2/人，随后开始小幅回落，表明了广西对水产品的需求不断增大。2009年12月广西颁布了《对我区水污染防治情况的报告的意见和建议》，对广西内的水域开展了治理和防护，使水域的人均土地承载力自2009年开始上涨，目前处在一个较为稳定的状态。从总体上来看，广西的水域目前尚处于可持续发展的状态，但是可以看出，水域的人均土地足迹和人均土地承载力日趋平衡，由2009年差距的36倍缩小至2018年的17倍，广西水域的可持续发展能力逐渐降低。

4.1.5 建设用地人均土地足迹和土地承载力分析

由表2可知，2009～2018年建设用地的人均土地足迹范围为0.2103～0.3098 hm2，人均土地承载力的范围为0.0042～0.0052 hm2，人均土地足迹远远超过人均土地承载力的范围，表现为生态赤字。建设用地人均土地足迹在2012年出现小幅回落，其余时间都处于上涨状态，于2018年达到最高峰0.3098 hm2。尽管建设用地人均土地承载力也在缓慢的上涨，但远远小于建设用地的带来的资源消耗，广西的建设用地可持续发展能力较差。这表明，广西还处在城镇化发展的快速时期，经济的快速发展需要消耗更多的建设用地资源，但由此引发的一系列生态问题也必将会给其它生产性土地带来巨大的影响，例如水土流失、土地荒漠化、耕地占用等问题。因此，广西出台了《广西壮族自治去建设用地控制指标》，对各项建设用地的合理利用进行了规定，一定程度上缓解了广西建设用地的生态压力，为实现建设用地可持续发展提供了政策支持。

4.2 足迹广度和人迹深度

4.2.1 足迹广度分析

足迹广度可以在一定程度上反映区域占用流量资本的情况。2009～2018年足迹广度呈现出先增长后降低随后又持续增长的一个波动状态。由2009年的0.1584 hm2增长到2011年的0.2452 hm2，后又从2012年开始降低到2014年的0.0925 hm2，随后持续增长，到2018年达到近10年内的最高值0.2504 hm2。对足迹广度的构成进行分析，人均足迹广度的构成份额大小依次为耕地>林地>建设用地>水域>草地。耕地占据了足迹广度构成的绝大部分，保证了广西内粮食的供给；林地主要被用来吸收人类生产生活活动中所产生的CO2等温室气体；建设用地和水域的占比相对较少，除林地外，草地也承担了部分温室气体的吸收。足迹广度的缓慢增加，表明了广西对区域内的资本流量的占用水平也在缓慢增加，这是城镇化发展、区域经济建设的助推作用所带来的结果。

4.2.2 人均足迹深度分析

足迹深度表示当流量资本被完全消耗时，开始消耗存量资本。由表3可知，2009～2018年广西的足迹深度均大于1，说明广西已经进入了生态赤字时代，流量资本已经被完全消耗，开始消耗存量资本。从增长速度看，广西足迹深度的增长速度迅速，由2009年的7.69增长至2018年的12.44，10年来增长了1.6倍。在2014年，足迹深度达到近10年来的最高点13.69，意味着当地发展对资源的需求需要13.69倍现有的土地面积，或需要13.69年自然资本的供给量来满足广西2014年1年的自然资源消耗量。长久以往，存量资本的过度消耗将使区域处于不可持续发展状态。广西的足迹深度可以分为两个阶段分析，2014年以前，足迹深度缓慢降低但是随后急速增长，表明这段时间内由于广西经济快速发展，所带来的资源消耗速度也随之加快；2014年后足迹深度开始平稳降低，这是由于我国的发展模式开始由高速度发展转向高质量发展，从以量取胜转向以质取胜，生产结构也随之进行了调整，这也反映出广西生态文明建设已初见成效。

表3 足迹广度和足迹深度计算结果

4.3 自然资本利用分析

为了更清楚的反映广西内各生产性土地自然资本的利用状况，衡量该地区自然资本的可持续性，通过式(7)(8)计算自然资本流量收益率和自然资本存量-流量利用比。由表4可以看出，随着时间的推移，广西的草地和建设用地均消耗自身的存量资本来弥补两者流量资本不足的问题，表明当前通过透支自然资本存量已经成为当地经济发展的常态，这严重制约草地和建设用地的可持续发展。耕地、林地和水域尚处于生态盈余的状态，所以目前仅消耗流量资本。由于耕地的足迹广度较大，自然资源禀赋条件优异，生态承载力较高，所以对环境的压力相对较弱；尽管林地也尚未开始消耗存量资本，但是林地的自然流量利用率不足10%，利用水平较低。由表5可以看出，随着时间的增长，利用率开始出现了逐渐增加的趋势；水域的自然资源利用率达到65%以上，处于较高的水平，但随着消费者对水产品需求的增加，自然资源流量利用率也逐渐趋于最高值，需要引起一定的重视。

表4 自然资本存量-流量利用比计算结果

表5 自然资本流量收益率计算结果

5 结论

本文基于改进后的三维模型，分别对广西境内5种生物生产性土地的生态足迹、生态承载力、足迹广度、足迹深度进行计算，并引入自然资本流量利用率和自然资本存量-流量利用比，来更准确地反映广西境内自然资本的消耗。分析得出以下结论。

(1)在各地类生态足迹中，耕地的生态足迹占比最高，草地与建设用地次之，林地和水域的生态足迹较小。

(2)广西的土地生态承载力表现为部分超载，其中，耕地、林地、水域在研究期限内的生态承载力保持相对稳定，但草地和建设用地的生态承载力在研究期内均低于各自的土地生态足迹，表现出超载状态。

(3)广西境内足迹广度和足迹深度都呈现出整体上涨的趋势，这表明广西的存量资本被过度消耗的趋势仍在加快，说明动用存量资本已经成为广西满足消费需求的主要方式。

(4)2009～2018年间，耕地、林地和水域的资本流量利用率虽然逐年上涨，但一直低于100%，表明广西的耕地、林地和水域系统尚处于盈余状态；而草地和建设用地的资本流量早已消耗完并开始消耗存量资本，随着时间的推移，草地和建设用地的存量-流量利用比逐渐降低并达到平稳，说明广西采取了一定的控制的措施并取得了成效。