基于生态足迹的山东省可持续发展分析

刘贵芬 田 勇* 李圣增 姜腾龙 朱从旭

(1.山东省济南生态环境监测中心，济南 250100；2.济南市国土资源执法监察支队，济南 250000)

山东省作为东部沿海经济、人口大省,在全国区域经济格局中占有重要位置，城镇化建设不断加快、经济建设不断加速，同时发展不平衡不充分问题比较突出，资源环境约束趋紧，能耗、土地、环境容量制约凸显，实现可持续发展任重道远。而山东省正处于“一带一路”重要战略节点，新旧动能转换综合试验区、中国(山东)自由贸易试验区、上合组织地方经贸合作示范区等国字号平台加快建设，特别是黄河流域生态保护和高质量发展战略，赋予山东重大历史机遇。本文利用生态足迹模型，根据《中国统计年鉴》、《山东省统计年鉴》(2012-2020年)与有关资料，计算、汇总出山东省2011—2019年间的最新生态足迹，从多个角度对山东省2011—2019年间的最新可持续发展状况及发展趋势做了定量分析，并与其他部分省份做了横向比较，以期为山东省实现历史性跨越提供决策依据。

1 文献综述

生态足迹(Ecological footprint，EF)，也称生态痕迹或生态占用，是指能够持续的提供资源或消纳废物的、具有生物生产力的地域空间(包括陆地和水域)[1-4]，目前，有关区域可持续发展状态的测度方法有很多，其中由加拿大生态经济学家 Willian Rees(1992)[5]提出并由其学生Wackernagel 教授(1996)[6-7]完善的生态足迹模型被广泛应用于全球、国家、省、城市等不同尺度的可持续发展测度研究中。Wackernagel[8]以智利圣地亚哥为例，为计算城市生态足迹以及如何将该足迹与可供人类使用的生物容量相比较提供了参考。Fricker[9]利用生态足迹模型测算了新西兰的包括海洋资源在内的生态足迹和生态承载力，并据此对世界的可持续性作出预警。在国内，张志强等[10]、翟胜等[11]较早阐述了生态足迹的理论，并对方法和计算模型进行改进; 安宝晟等[12]、杨屹等[13]、赵正等[14]和谢霞等[15]利用生态足迹模型，分别测算了西藏、陕西、黑龙江大庆市和甘肃省的生态足迹及生态承载力；李中才[16]、王建事等[17-18]分别测算研究了山东省生态足迹及可持续发展状况。

有关山东省生态足迹和可持续发展的研究相对较少，并且缺乏与其他地区横向比较。

2 研究区概况

山东省位于中国东部沿海、黄河下游，陆域位于东经114°48′～122°42′、北纬34°23′～38°17′，东西长721.03 km，南北长437.28 km。境域包括半岛和内陆两部分，山东半岛突出于渤海、黄海之中，同辽东半岛遥相对峙；内陆部分自北而南与河北、河南、安徽、江苏4省接壤。全省陆域面积15.58 km2，海洋面积15.96 km2。2019年年末，常住人口10 070.21万人。

3 数据来源与研究方法

3.1 数据来源

生态足迹账户中生物资源账户、能源消耗账户、各地类面积、人口数量及GDP数据均来自 2012—2020 年《中国统计年鉴》及《山东省统计年鉴》。为更贴近实际， 根据生产力大小的差异及山东省省情，在生态足迹模型帐户计算中，将生物生产性土地面积划分为耕地、草地、林地、园地、水域、建设用地和化石能源用地共7类。在研究人类活动消费的各种资源、排放的废弃物以及自然的生态供给时，就将这些消费项目和自然生态供给折算成相应的生物生产性面积。 由于7类生物生产性土地面积的生产力水平各不相同，引入均衡因子和产量因子对各类型生物生产性面积进行标准化处理，从而将其转化为以全球平均生物生产力(全球性公顷)表述的面积总量。根据山东省实际，园地生产力和林地近似，故保守采用相同的均衡因子和产量因子。耕地、林地、园地、草地、水域、建设用地、能源用地七大土地类型的均衡因子和产量因子分别为 2.8，1.1，1.1，0.5，0.2，2.8，1.1 和 1.66，0.91，0.91，0.19，1，1.66，0[17]。水域面积无法从年鉴获取相应数据，临时采用年鉴湿地面积。计算时将能源消费转化为化石能源土地面积，采用世界上单位化石能源土地面积的平均发热量为标准，将当地能源消费所消耗的热量折算成一定的化石能源土地面积[19]。各生物资源消费量以生产量数据为测算依据。为更接近真实情况，生物资源平均产量优先采用谢鸿宇[20]的研究成果，其次采用世界粮农组织数据库2010年统计年鉴世界平均产量，再次采用FAO计算的1993年有关生物资源的世界平均产量。

3.2 研究方法

3.2.1 生态足迹模型

生态足迹模型将区域的生物资源和能源的消费与供给，用“全球性公顷”进行标准化处理后折算为一定的生物生产性面积需求(生态足迹)与自然供给(生态承载力)；然后通过比较分析这种供需状况，定量判断研究区域过去或者现在发展的可持续性。生态足迹的计算基于两个假设：人类活动消费的绝大多数资源以及产生的废弃物数量，是可以追踪统计的；人类消费的这些资源和产生的废弃物，可以转换成生产这些资源和吸收排放的废弃物所必需的生物生产性土地面积。

3.2.2 消费项目的具体划分

根据国家及山东省统计年鉴数据，生态足迹计算涉及到的消费项目及其对应的生物生产性土地如下：

耕地对应的消费项目主要有：农产品如谷物、豆类、薯类、油料、麻类、棉花、甜菜、烟叶、蔬菜，动物产品中的猪肉、禽肉和禽蛋。水域对应的消费项目主要是水产品的消费。园地对应的消费项目主要是蚕茧、茶叶和水果。林地对应的消费项目主要是木材、核桃和板栗。牧草地对应的消费项目主要是牛肉、羊肉、奶类及羊毛等。

建设用地对应的消费项目主要有：电力用地，由于这些项目一般都是对耕地的占用，所以将其生物生产力等值于耕地的生物生产力来处理。

化石能源用地对应的消费项目主要有：煤品、油品、天然气等能源项目。

3.2.3 生态足迹的计算

确定了各项消费项目和均衡因子后，生态足迹计算公式：

EF=N×ef

(1)

式中：EF为区域总生态足迹；N为人口数；ef为人均生态足迹总和，其值为：

ef=∑Y·(Ai)=∑Y·(Ci/Pi)

(2)

式中：Y为均衡因子；Ai为人均i种消费项目折算的生态生产性面积，i为消费项目类型；Pi为i种消费项目的平均生产能力；Ci为i种消费项目的人均年消费量。

3.2.4 生态承载力计算

区域总生态承载力，计算公式为:

EC=N×ec

(3)

式中，EC为区域总人口的生态承载力 ，N为人口数。

某类生态生产性土地人均承载力ec=该类生态生产性土地人均面积×均衡因子×产量因子

(4)

3.2.5 生态盈余或赤字计算

生态盈余/赤字=生态承载力-生态足迹

(5)

如果生态足迹超过生态承载力，就出现生态赤字；如果生态足迹小于生态承载力，就出现生态盈余。

3.2.6 生态压力指数

生态压力指数(EPI)由赵先贵等[21]提出，是人均生态足迹与人均生态承载力的比值，该指数反映了区域生态环境的承压程度，用于可持续发展评价。EPI≤1，表示生态压力处于可控范围，生态安全仍有保障;EPI>1，表明生态压力已经影响到了生态安全，生态系统平衡受到威胁，值越大，威胁越大。根据EPI值将耕地生态压力水平划分为6个等级，<0.5、0.51～0.80、0.81～1. 00、1.01～1.50、1.51～2.00、>2.00，分别表征很安全、较安全、稍不安全、较不安全、很不安全、极不安全状态。生态压力指数计算公式为

EPI=ef/ec

(6)

3.2.7 万元GDP生态足迹

为了在生态足迹模型框架内评价区域内生物生产性土地的生产潜力，一般引入“万元GDP的生态足迹”指标来反映区域生物生产性土地面积的资源利用效率。其计算公式为:

万元GDP的生态足迹=研究区域的生态足迹总量/研究区域的万元GDP总量

(7)

由计算公式可知:万元GDP的生态足迹量越大，那么研究区域的生物生产性土地面积的产出率越低，即该地区的自然资源利用效率就越低，反之亦然[22]。

4 结果与分析

根据公式(1)-(7),计算出山东省2011年-2019年人均生态承载力、人均生态足迹及生态盈余或者生态赤字(表1)，山东省万元GDP生态足迹、生态压力指数(表2)。根据刘运伟[23]、索朗央拉[24]、闻 熠[25]等研究结果，将2011年山东省万元GDP生态足迹与四川省、西藏自治区、上海市万元GDP生态足迹数据，做了横向对比(表3)。各指标的时间变化如图1-5。

表1 2011—2019年山东省各生物生产性土地面积汇总

表2 山东省万元GDP生态足迹、生态压力指数

结合表1-3、图1和图2可知，2011年-2019年，山东省人均生态承载力在0.510 hm2/cap左右出现波动性变化，呈现先上升后下降，总体下降趋势；人均生态足迹先上升，在2015年达最高点，为5.371 hm2/cap，后呈现下降趋势；生态盈亏一直处于生态赤字状态，变化趋势和人均生态足迹正好相反，先逐年下降，在2015年出现最大的生态赤字-4.861 hm2/cap，之后再逐年上升；万元GDP的生态足迹出现逐年下降的趋势，由2011年的1.177 hm2/万元下降至2019年的0.709 hm2/万元；生态压力指数一路攀升，从2011年的9.311上升到2018年的10.529，2019年有小幅度下降。为更好分析山东省资源利用效率，根据数据获取可行性，把2011年的山东省万元GDP生态足迹和其它省份(直辖市)做了横向比较(表3)，山东省万元GDP生态足迹比上海市低，比西藏自治区和四川省要高。根据李金滟研究成果[26]，2009年全国平均、广东省、安徽省、江西省、湖南省、湖北省、山西省、河南省万元GDP生态足迹分别是0.54、0.24、0.71、0.57、0.68、0.48、0.68、0.78 hm2/cap，根据万元GDP生态足迹均呈下降趋势来看，2011年全国平均、广东省、安徽省、江西省、湖南省、湖北省、山西省、河南省万元GDP生态足迹还要低一些，更低于本文山东省万元GDP生态足迹。需要说明的是，本文均衡因子和西藏自治区取值一致，但低于上海市(两种最重要地类耕地和建设用地)和四川省取值，所以万元GDP生态足迹比实际要高。和李金滟研究成果相比，研究方法和计算方法的不一致也会导致数据可比性需要提升。

结合表1和图3可知，各地类人均生态承载力动态变化总体不大，但各地类结构不均衡。除化石能源用地不考虑外，耕地比例最大，平均占68%左右，并且整体呈现下降趋势；其次是建设用地，平均占26%左右，一直呈上升趋势；再次是林地、园地和水域，均不足2%；牧草地比例最小，仅占0.00245%左右；林地维持稳定，园地、水域和牧草地均出现下降趋势。

图1 2011年-2019年山东省人均生态承载力、人均生态足迹和生态盈亏动态变化(hm2/cap)

图2 2011年-2019年山东省万元GDP生态足迹(hm2/cap)和生态压力指数动态变化

图3 2011年-2019年山东省各地类人均生态承载力动态变化(hm2/cap)

图4 2011年-2019年山东省各地类人均生态足迹动态变化(hm2/cap)

结合表1和图4可知，各地类人均生态足迹分布不均衡，牧草地所占比例最大，占40%以上，呈现波动性、整体上升的变化趋势，2016年达峰值2.396 hm2/cap；其次是化石能源用地，占比在30%以上，呈现先上升后下降整体上升趋势，在2015年达峰值1.905 hm2/cap；再次是耕地，呈现曲折的波动变化过程，占比在18%左右，2017年达峰值1.015 hm2/cap，2019年出现最小值0.777 hm2/cap；最后依次是水域、林地、园地和建设用地，水域占比大于1%，建设用地占比不足1‰。

结合表1和图5可知，除建设用地出现生态盈余、且其生态盈余整体呈现上升趋势外，其他地类均出现持续生态赤字。其中，牧草地生态赤字贡献率最大，占比在50%左右；化石能源用地生态赤字贡献率其次，占比在40%左右；耕地生态赤字贡献率紧随其后，占比在10%左右；再次生态赤字贡献率按照由大到小依次是水域、林地和园地，水域生态赤字贡献率大于1%；并且都会随着生态足迹最大时出现最大生态赤字。

图5 2011年-2019年山东省各地类生态盈亏动态变化(hm2/cap)

5 结论与讨论

分析山东省2011年-2019年生态足迹及相关指标数据，可得出以下结论：

(1)从总体来看，山东省人均生态承载力围绕0.510 hm2/cap出现波动，总体呈现下降趋势；人均生态足迹呈现“Λ”型发展趋势，在2015年达最高点5.371 hm2/cap，从2016年开始，随着人口增加，总的人均生态足迹在下降；生态盈亏一直处于生态赤字状态，变化趋势和人均生态足迹正好相反，2015年出现最大生态赤字-4.861 hm2/cap，呈现“Ⅴ”型发展趋势，目前处于向好发展态势；万元GDP的生态足迹出现逐年下降趋势，由2011年的1.177 hm2/万元下降至2019年的0.709 hm2/万元，说明资源利用效率和经济发展质量一直在提升；生态压力指数一路攀升，从2011年的9.311上升到2018年的10.529，2019年有小幅度下降，表明生态安全形势比较严峻。

(2)从各地类变化趋势来看，人均生态承载力分布不均衡，耕地比例最大，平均占68%左右；其次是建设用地，平均占26%左右；其他均不足2%；除了林地维持稳定、建设用地一直增加外，其他地类均处于下降趋势。人均生态足迹分布也不均衡，牧草地和化石能源用地占生态足迹70%以上，并呈现先上升后下降、整体上升的变化趋势；其次是耕地占比18%左右，呈现曲折的波动变化趋势；最后依次是水域、林地、园地和建设用地，占比均比较小，建设用地一直在增加，其他变化相对稳定。各地类供给和需求存在错位，供给最大的是耕地和建设用地，需求最大的是牧草地和化石能源用地。

(3)从各地类结构来看，牧草地供需矛盾最突出，生态赤字最大，生态压力最大；其次化石能源用地和耕地；建设用地持续出现生态盈余，且生态盈余整体呈现上升趋势，生态压力指数小于1，处于可控范围；其他地类均出现“Ⅴ”型持续生态赤字，生态压力指数均大于1，生态压力已经影响到了生态安全，生态系统平衡受到威胁。

(4)从与其他个别省份横向比较来看，2011年山东省万元GDP生态足迹比上海市低，比西藏自治区和四川省要高，比全国平均水平、广东省、安徽省、江西省、湖南省、湖北省、山西省、河南省要高，说明资源利用效率高于上海市，低于西藏自治区和四川省，低于全国平均水平，低于安徽省、江西省、湖南省、湖北省、山西省、河南省，更低于广东省。

耕地和建设用地是山东省生态承载力的主要载体，牧草地和林地等明显不足。而随着生活水平的迅速提升，饮食结构趋向多元化、牛羊肉及奶制品需求量快速增加，私家车辆越来越多，牧草地、化石能源用地和耕地成为生态足迹的最大组成部分，导致出现最大的生态赤字和生态压力，已经影响了山东省生态安全，必须引起足够的重视。

作为人口大省、农业大省和经济大省，山东省生态安全状况严重影响其可持续发展。为此，根据《中共山东省委关于制定山东省国民经济和社会发展第十四个五年规划和二○三五年远景目标的建议》[27]，要大力发展现代种植业，提高农业质量效益和竞争力，严守耕地保护红线，确保粮食产能稳定在千亿斤以上，提高蔬菜、果品、花生、生猪、禽蛋、奶业、水产品等稳产保供水平，培育具有竞争力的农业产业化龙头企业；加快推动绿色低碳发展，加快优化能源结构、产业结构、交通运输结构、农业投入结构，实施煤炭消费总量控制，推进清洁能源倍增行动，发展壮大环保产业，开展绿色生活创建活动，推动形成简约适度、绿色低碳的生活方式；系统修复和保护自然生态，统筹山水林田湖草系统治理，加强黄河、大运河、海岸线等重要生态廊道建设，推进泰山、沂蒙山、昆嵛山、东平湖、南四湖等重点生态区域保护修复，强化森林、湿地等生态资源管护，健全以国家公园为主体的自然保护地体系；全面提高资源利用效率，加快盘活闲置低效土地。此外，在保护好现有自然条件和自然资源、优化国土空间布局基础上，需要及时预防控制生态环境污染、提升生态环境质量，提高产业现代化水平、提升经济承载力，适量控制人口增长，大力提升环境承载力。

另外，在本文的研究中发现，有个别因素会影响生态足迹计算和评价结果：一是生态足迹处理数据量较大，年鉴统计资料一些年份湿地面积和林地面积未更新，缺乏其他数据获取渠道，对生态足迹计算结果会有一定影响；二是贸易数据缺失，本文各生物资源消费量以生产量数据为测算依据，不能如实反映净消费量。同时，生态足迹是一种纳入指标体系不够完善的分析方法,其计算结果对未来发展趋势预测的准确性有待进一步提升，这需要以后生态足迹指标体系的不断完善予以解决。