基于三维生态足迹的内蒙古可持续发展潜力评价

海小辉,田 悦,王 许

(1.内蒙古财经大学 统计与数学学院,内蒙古 呼和浩特 010070;2.中国矿业大学 经济管理学院,江苏 徐州 221116)

一、引言

随着城市化、工业化、信息化的快速发展,人口膨胀、资源短缺、环境污染、生态破坏等问题凸现,严重制约城镇经济、社会发展,甚至已威胁到区域及国家的生态安全和可持续发展。内蒙古地域辽阔、历史悠久、资源丰富,人均耕地、草场面积、森林面积及矿产资源含量居全国前列,是我国重要的能源和原材料供应地,在我国经济社会发展中占有重要地位。但由于自然条件恶劣、生态环境脆弱以及人类活动日益频繁等因素,出现资源过度开发、土地沙化、水土流失、环境污染等生态环境问题,限制了内蒙古社会经济的可持续发展。

生态足迹模型作为一种有力的生态环境核算工具,运用直观的数学公式,对社会消费量和生态环境的阈值进行计算,可以有效评估地区生态环境的可持续性。本文采用2010—2019年数据对内蒙古自治区的生态足迹进行测度,分析内蒙古生态可持续发展潜力;采用偏最小二乘回归模型分析影响生态足迹变化的驱动因素,进而预测内蒙古2020—2025年的人均生态足迹,从而预测内蒙古自治区的可持续发展趋势。不仅对学术研究,更对科学合理地制定内蒙古生态环境保护的相关政策都有重要意义。

二、文献综述

1992年,Willian E.Rees首次提出了生态足迹的概念,在此基础上,博士生Wackernagel对生态足迹概念进行了丰富和完善[1]。从此生态足迹作为一种评价可持续发展的生物、物理方法。三维生态足迹模型中,因六种类型的生态赤字(盈余)相加可能出现抵消情况导致低估足迹深度,我国学者方恺提出了改进的三维生态足迹模型并用其分析了全国及全球生态足迹的时空变化特征[2-3]。刘家旗以2010—2017年黄河流域为研究对象,采用生态足迹法对其可持续发展状况进行了评估,并基于GM(1,1)模型,对不同政策情景下的黄河流域在2020—2025年的可持续发展状况进行评估[4]。为了更深一步探究经济发展过程中不同影响因素对生态足迹的影响,国内外学者开始从诸多方面研究生态足迹的影响因素,评估因素产生的影响以便制定正确的决策。白冰玉对西安市2009—2018年间生态足迹进行测算,应用偏最小二乘法分析影响西安市生态足迹变化的驱动因素的重要程度,以揭示生态足迹的变化原因[5]。

综上,生态足迹模型作为生态环境核算的有力工具,使用直观的数学公式来计算社会消费量以及生态环境的阈值,可以有效地评估地区生态环境可持续情况[6]。三维模型分别从时空两方面表征了人类对资本存量的消耗(足迹深度)和对流量的占用(足迹广度),增强了生态足迹在不同区域、不同时期之间的可比性,并在一定程度上克服了经典模型的评估缺陷[3]。本文拟采用改进的三维生态足迹模型分析内蒙古地区的生态足迹广度、生态足迹深度和生态赤字,探讨内蒙古生态可持续发展潜力;对于足迹影响因素研究,本文在以往学者研究基础上引入了退耕还林面积、环境保护支出、建成区绿化覆盖率等变量作为政府实行生态补偿的替代变量,考察政府实行生态补偿政策对生态足迹的影响。

三、三维生态足迹动态演变分析

(一)数据来源

本文选取内蒙古2010—2019年生态资源所占用的足迹消费量和全球平均生产力,其中包括农业、林业、牧业、渔业、能源产业的土地面积及其消费品数据。数据主要来源于《内蒙古统计年鉴》《FAO联合国粮食及农业组织》《内蒙古自然资源与环境统计年鉴》等统计年鉴及公报。具体指标如表1所示。

表1 生产产品分类

(二)计算方法[7-8]

1.二维生态足迹

具体计算公式如下:

EF=N×ef=N×∑(rj×Ai)

=∑[rj×(Ci/Pi)]

(1)

EC=N×ec=N×(1-12%)∑(rj×aj×yj

)(2)

ED=EF-EC

(3)

关于公式(1)(2)(3)的解释说明见表2。

表2 公式(1)(2)(3)符号说明

根据公式(1)(2)(3)计算得到内蒙古的人均生态足迹、人均生态承载力和人均生态赤字如表3所示。

表3 内蒙古生态足迹数据汇总

2.三维生态足迹

具体计算公式如下:

(4)

(5)

EF3D.region=EFsize.region×EFdepth.region

(6)

关于公式(4)(5)(6)的解释说明见表4。

表4 公式(4)(5)(6)符号说明

根据公式(4)(5)(6)计算得到内蒙古的人均三维生态足迹、人均足迹广度和人均足迹深度如表5所示。

表5 内蒙古生态足迹数据汇总

(三)生态足迹、生态承载力、生态赤字动态演变分析

在2010—2019年研究时间段内,内蒙古人均生态足迹、生态承载力和生态赤字历年变化趋势如图1所示。

图1 内蒙古人均生态足迹相关指标变动趋势图

如图1所示,内蒙古的人均生态足迹是在持续上升的,而且上升幅度很大,从2010年的8.81hm2/人上升到了2019年的14.63hm2/人,年增长率达到了5.8%。在这期间,2010—2017年的生态足迹相对稳定,8年内只增长了3.09hm2/人;2017—2019年的增速显著加快,并呈现出一种陡坡型的发展态势;这表明内蒙古在过去10年的快速发展中,对自然资源的消耗也是巨大的。

内蒙古人均生态承载力在研究期间内波动明显,其中2010—2011年的生态承载力较为稳定,几乎没有发生变化,但是在2012—2013年这一年间突然急剧下降,生态承载力一度跌入谷底,在2014—2017年生态足迹开始缓慢回升,并在2018年猛增至4.74hm2/人,之后趋于稳定。总体来看,虽然生态承载力呈现较大波动,但总体仍呈现出缓慢增长趋势,说明内蒙古的生态承载力在逐年增加,但增加的速度却小于生态足迹增加的速度,这意味着内蒙古地区的自然资源消耗比自然资源供给要快得多,所以不能抵消增加的生态赤字,导致了生态赤字的不断增长。

从2010—2019年,内蒙古地区长期存在生态赤字状态,从未出现过生态盈余,并且生态赤字呈现出逐年递增的趋势,由2010年的4.74hm2/人上涨到2019年的9.88hm2/人,增长量为5.14hm2/人,年增长率为8.5%。由此可见,近10年间内蒙古的生态需求一直大于生态供给,存在明显的不对称性,生态赤字问题日益突出,截至2019年,已达到了9.88hm2/人,2019全区的人均生态足迹达到了人均生态承载力的3.08倍,表明内蒙古的生态状态在不断恶化,生态环境的压力越来越大,人类对环境与资源的使用已远超其所能承载的极限,进入了一种不可持续的发展状态。

(四)内蒙古可持续发展能力分析

1.生态资源利用效率指数

万元GDP生态足迹代表的是资源利用效率,它指的是每生产一万元GDP所占用的生态资源,它反映了经济社会发展的质量和资源利用的效率,这个指标是一个逆指标,比值越小,意味着资源利用效率越高,经济和社会发展质量就越好。其计算公式如下:

EE=EF/GDP

(7)

公式(7)中,EE表示生态资源利用效率指数,EF表示生态足迹,GDP表示国内生产总值(单位为万元)。

2.生态足迹指数

生态足迹指数是指区域生态盈余与生态承载力的比值,计算公式为如下:

EFI=(EC-EF)/EC

(8)

公式(8)中,EFI表示生态足迹指数。

3.生态压力指数

生态压力指数是指区域生态足迹与生态承载力的比值,反映了区域承载的生态压力的程度。生态压力指数的基准值为1,说明此时的自然资源消耗与自然资源供给正好相等,也就是在这个时候,只消耗自然资本流量,而不需要使用自然资本存量。生态压力指数越高,表明该地区的生态安全状况越差,生态压力越大。其计算公式如下:

ETI=EF/EC

(9)

公式9中,ETI表示生态压力指数。

4.生态资源利用效率指数、生态足迹指数和生态压力指数动态演变分析

由公式(7)(8)(9)计算出的生态资源利用效率指数、生态足迹指数和生态压力指数的具体数值如表6所示。

表6 生态资源利用效率指数、生态足迹指数和生态压力指数

按照公式(7)(8)(9),根据生态足迹模型的计算结果对内蒙古2010-2019年的资源利用效率、生态足迹指数和生态压力指数进行计算,其动态演变趋势如图2所示。

图2 2010—2019年内蒙古可持续发展相关指标变动趋势图

通过对内蒙古资源利用效率指数进行分析,可以看到,内蒙古在所调查的时间段内,单位面积的产量在不断地增加,生产万元GDP所需的生态资源也在不断地下降,生态资源的使用效率也在不断地提升;但其生态资源消耗数量仍然很大,生态形势依旧不容乐观;对内蒙古地区生态足迹指数进行分析可以发现内蒙古地区的生态足迹指数明显降低,生态足迹发展趋势严峻;通过计算生态压力指数发现内蒙古在研究期间的生态压力指数逐年上涨,这说明内蒙古地区在过去10年中面临着日益严重的生态环境压力。从总体上看,各项指数的测算都显示出内蒙古地区环境所承受的生态压力在逐年增加,其生态可持续发展不容乐观[9]。

四、三维生态足迹驱动因子分析

本文利用偏最小二乘回归模型对内蒙古生态足迹影响因素深入研究,从而找出自然资本变动的主要原因,促进内蒙古生态可持续发展。

(一)指标选取

在探究生态足迹的影响因素时,参考众多学者对影响因素指标的选取,主要涉及人口、经济、产业结构、生态污染、科技发展、环境建设等方面。

根据已有研究成果以及内蒙古自治区的发展特点,提出了本区特色的自变量。第一,生态承载力,表明了地球自然环境、生态环境所能提供给人类生产活动的生态资源总量,反映了一个地区的生态环境状况;第二,常住人口,人口数量与生态足迹息息相关,通常情况下,人口越多对环境的破坏越大;第三,人均地区生产总值,能够很好地代表一个地区的经济发展水平,因此人均GDP可以很好地代表经济发展对生态足迹的影响;第四,第二产业生产总值,第二产业在我国主要指工业和建筑业,由于内蒙古地区发展中工业占有较大的比重,可以很好地代表能源利用对生态足迹的影响;第五,退耕还林面积,虽然内蒙古自治区地大物博,但是低产耕地较多、水土流失严重,为恢复生态平衡,国家在早年间重点提出在内蒙古地区采取退耕还林政策,其既能改善生态环境又能增加经济效益;第六,建成区绿化覆盖率,指在城市建成区的绿化覆盖面积占建成区面积的比率,可以反映出该地区对生态环境的重视程度;第七,环境保护支出,代表了一个地区对环境保护的重视程度,反映了该地区对生态环境的态度;第八,科学技术支出,反映该地区全部科技活动的支出情况,投入越多说明该地区会引入先进的科学技术,对生态足迹可能会产生影响[10]。

基于内蒙古自治区的具体情况,选择了人均三维生态足迹作为被解释变量,选择了8个指标作为解释变量,如表7所示。

表7 解释变量

(二)偏最小二乘回归模型构建

根据上文中人均三维生态足迹计算结果,以2010—2019年人均三维生态足迹为因变量,建立其驱动因子的偏最小二乘回归模型(PLS)。具体建模步骤如下。

1.交叉有效性分析

最佳成分数的选择关系到偏最小二乘回归建模的成败,也是后续回归分析的依据。为保证估计结果的可靠性,采用交叉有效性原则检验精度。当Q2的数值大于或等于0.0975时,表示主成分再增大是没有意义的,也就是相应的主成分个数是最优的主成分个数;当Q2小于0.0975时,需结合VIP投影重要性分析得出最佳主成分个数。

表8 PLS模型的交叉有效性验证

经过标准化处理后的偏最小二乘回归模型为:

(10)

2.精度检验

在偏最小二乘回归模型分析中,常用变量投影重要性(VIP)来衡量每个自变量对因变量的解释力。一般认为,VIP大于1的自变量重要,在0.5-1之间的比较重要,小于0.5的则不重要。将各指标因素进行变量投影重要性分析,结果如表9所示。

表9 变量投影重要性指标

由表9可知,因子P、GDP、SI、X2和X3的VIP大于1,表示其对人均三维生态足迹有显著影响;X4的VIP在0.5—1之间,表示其对人均三维生态足迹影响比较重要;而EC的VIP值为0.150<0.5,X1的VIP值为0.035<0.5,可见,EC与X1对人均三维生态足迹的影响很小。所以,用偏最小二乘方回归方法进行的变项投影重要性分析,其结果与偏最小二乘方回归方法所得到的结果是基本一致的。

(三)模型结果分析

由表9可知,除了生态承载力和退耕还林面积外,其他变量对人均三维生态足迹的解释力度都大于0.5,说明各变量的选取都很合适,整体上对因变量的解释力度也比较大。同时,与其他变量相比,尽管生态承载力和退耕还林面积的VIP值最低,但其对人均三维生态足迹仍然具有一定影响。

由公式(10)可知,人均三维生态足迹正向影响因素包括:总人口、人均GDP和环境保护支出;逆向影响因素包括:生态承载力、第二生产总值、退耕还林面积、建成区绿化覆盖率和科学技术支出。具体结果分析如下。

人均GDP是生态足迹正向影响最大的因素,其回归系数值为3.808,VIP=1.318大于1,说明该指标对生态足迹有显著的正向影响。选取指标时,我们把人均GDP看作经济发展水平,说明随着经济的不断发展,会对自然环境造成一定的破坏。由此可见,经济与环境的协调发展将逐渐成为发展的主流。

人口数量对生态足迹的正向影响也较大,其回归系数值为0.801,VIP=1.302大于1,说明该指标对生态足迹有显著的正向影响。由此可见,随着人口的增加,在此区域自然资本流量不足以满足消费需求,需要消耗自然资本存量,导致生态压力越来越大。

环境保护支出也是生态足迹正向影响的因素,其回归系数值为0.695,VIP=1.028大于1,说明该指标是非常重要的正向影响指标。由此可见,政府增加环境保护支出并没有达到缓解生态压力的效果,这可能是因为环境保护支出的增加并没有达到预期提高资源利用效率的效果,从而使得这个变量对生态足迹出现正向影响现象,也侧面反映出了政府的环境保护政策还有待完善[11]。

第二生产总值也是生态足迹负向影响最大的因素,其回归系数值为-1.858,VIP=1.339大于1,说明该指标对生态足迹有显著的负向影响。由此可见,近几年科学技术的发展有效缓解了内蒙古的生态的压力,对当地可持续发展有着很好的促进作用。

科学技术支出对生态足迹产生负向影响,其回归系数值为-1.149,VIP=0.582,说明其是生态足迹比较重要的负向指标。由此可见,近几年科学技术的发展有效缓解了当地的生态压力,对当地可持续发展有着很好的促进作用。

生态承载力对生态足迹将会产生负向影响,其回归系数值为-0.729,VIP=0.150,虽然不如其他指标的影响大,但对生态足迹也会产生一些影响。由此可以看出,生态承载力与生态足迹的发展方向是相反的,当生态承载力变大时,就意味着生态环境变好,生态足迹将会变小。

退耕还林面积对生态足迹产生负向影响,其回归系数值为-0.777,VIP=0.035,表明退耕还林面积对生态足迹的影响很小。由此可见,退耕还林政策虽然可以缓解当地的生态压力,但这种作用还没有很好地显现出来,可能还需要一段时间。

建成区绿化覆盖率的回归系数值为-0.052,VIP=1.164,虽然其在偏最小二乘回归模型中的参数估计并不显著,但VIP值大于1,对生态足迹仍起到重要作用。

五、三维生态足迹预测

(一)GM(1,1)模型简介

1.模型介绍

在灰色系统理论的研究中,预报或预测已成为灰色系统理论的一个最活跃的领域。最常用的灰色系统预测模型是GM(1,1)模型,其运算过程如下:

设A=[αβ]T,利用最小二乘法求A=(BTB)-1BTY,其中:

(11)

Y=[X(0)(2),X(0)(3),X(0)(n)]T

(12)

将所求的参数值带入微分方程可得:

(13)

上述模型所获得的是一次累积量,通过数据X(1)(i+1)逆生成,才能获得所需要的预测值。

2.模型检验

首先,级比检验。在建立灰色预测模型GM(1,1)前,要做时间序列的级比检验。若所有的级比值都位于区间(e＾(-2/(n+1)),e＾(2/(n+1))内,则表示通过级比检验,说明该序列适合构建灰色模型。

其次,后验差检验。用后验差比率可以检验灰色预测结果的精度,越小的后验差比率表明灰色预测的精度越高。

再次,残差检验。通过计算所得预测值与样本数据的相对误差进行检验,相对误差值越小越好,一般情况下小于20%即说明拟合良好。

(二)内蒙古生态足迹指标预测

1.内蒙古生态足迹模型检验

选用2010—2019年内蒙古的人均生态足迹广度、深度以及人均三维生态足迹作为统计值,分别检验是否适合使用GM(1,1)模型,结果如下:

首先,级比检验。由表10可知,人均生态足迹的广度、深度以及人均三维生态足迹序列的各级比值都在区间(0.834,1.199)内,说明这三个序列都适合构建灰色预测模型。

表10 级比检验结果

其次,后验差检验。通过对三个模型分别进行后验差检验,可知人均生态足迹广度后验差比值为0.452,表明模型精度合格;人均生态足迹深度后验差比值为0.538,表明模型精度基本合格;人均三维生态足迹后验差比值为0.097,表明模型精度很高。

再次,残差检验。由表11可知,人均生态足迹广度预测模型的平均相对误差为6.814%小于20%,说明使用GM(1,1)模型对人均生态足迹广度进行预测是可行的;人均生态足迹深度预测模型的平均相对误差为7.322%小于20%,说明使用GM(1,1)模型对人均生态足迹深度进行预测是可行的;人均三维生态足迹预测模型的平均相对误差为3.145%小于20%,说明使用GM(1,1)模型对人均三维生态足迹进行预测是可行的。

表11 相对误差值 单位:%

2.内蒙古生态足迹预测

内蒙古人均生态足迹广度、人均生态足迹广度和人均三维生态足迹预测结果如下:

从表12的预测结果来看,未来六年内蒙古人均生态足迹广度、人均生态足迹深度和人均三维生态足迹都还在以一种非常明显的速度在增长着,且增长速度较快;这表明随着经济的发展,内蒙古透支自然资本存量的状况越来越严重,自然资源的消耗速度高于其可再生速度现象愈演愈烈,生态环境压力逐年增大,可持续发展状况不容乐观。

表12 内蒙古生态足迹预测结果

六、结论与建议

(一)结论

本文采用三维生态足迹模型测算了2010—2019年内蒙古的人均三维生态足迹,人均生态生态承载力,人均生态足迹广度和人均生态足迹深度和生态赤字,可得出以下结论:

1.通过测算结果可知2010—2019年内蒙古人均生态足迹表现为缓慢上升趋势;人均生态承载力波动明显,但总体仍表现为增长;10年间内蒙古一直处于生态赤字状态,并且赤字状况日益严重。由此可见,内蒙古的生态承载力虽然在增加,但其增加速度远远小于生态足迹的增加速度,使得生态赤字状况越来越严重,生态环境正在逐步恶化,可持续发展水平较差。

2.通过测算2010—2019年内蒙古的资源利用效率、生态足迹指数和生态压力指数,可知研究期间内蒙古总体呈现区域发展极不安全、严重不可持续发展的状态,且这种状态有愈演愈烈的趋势。由此可见,内蒙古的经济发展模式仍在不断地大规模消耗资源,生态资源的消耗速度高于其可再生速度,内蒙古自然环境面临的生态压力逐年增大,可持续发展能力堪忧。

3.通过建立偏最小二乘分析模型,可知人口、人均GDP和环境保护支出的VIP值均大于1,对生态足迹产生显著的正向影响;第二生产总值和建成区绿化覆盖率的VIP值大于1,对生态足迹产生显著的负向影响;科学技术支出的VIP值在0.5—1,对生态足迹产生比较重要的负向影响;生态承载力和退耕还林面积的VIP值小于0.5,对生态足迹产生最轻微的负向影响。

4.通过对人均生态足迹广度、深度以及人均三维生态足迹进行预测,结果表明未来6年,内蒙古的人均生态足迹广度、深度以及人均三维生态足迹都呈现出显著的增长趋势,这说明未来内蒙古的生态环境压力会逐年增加,生态可持续形势依然不容乐观。因此,政府要积极采取政策,转变现有的生态形式,促进生态的可持续发展。

(二)建议

根据内蒙古的生态环境综合评估,对其可持续发展提出以下5点建议。

1.以技术为核心提高土地利用效率

从内蒙古的生态盈余状况来看,建设用地和化石能源用地是波动的主要原因。在城市化与工业化发展过程中,在现有技术条件下,内蒙古的生态盈余状况不断恶化。因此,在未来,减少建筑用地和化石能源用地,发展与内蒙古地区相适应的科学创新技术,高效、可持续的土地管理和使用也将,有利于缓解生态赤字。

2.提倡节约发展,提倡绿色发展,降低人均生态足迹

实现内蒙古的可持续发展,必须降低人均生态足迹。发展的目的在于提升人民生活的幸福感,真正的发展并不意味着必然的环境恶化,也不意味着生态的失衡。然而,随着人口的增多和消费的不断扩大,大量的消耗品被消耗,同时,因为土地面积的固定,导致了生态足迹的增大。为此要倡导绿色节约发展,统一经济发展和生态保护之间的关系。首先减少人们的资源浪费,倡导有效消费。其次是生产上的节约,即从原料、能源、矿产资源、水资源等多方面进行节约。最后要提倡工农业生产遵循减量化、再使用、资源化等原则。降低人均生态足迹,避免人类活动对自然资源的过度消耗。

3.增加环境保护资金投入,促进生态平衡

将资源环境承载力融入规划与治理工作,科学评估,避免过度开采,发展循环经济,尽力降低人类经济活动对资源环境的负面影响。实施更严格的环保法规,使企业和个人对其环境影响负责,同时通过设立环保基金,吸引更多的投资用于环保项目。增加环境保护资金投入,切实落实自然资源用途管制制度,建立补偿制度,补贴污染废料的成本,解决保护环境和持续发展的矛盾,使资源得到可持续的、健康的发展。

4.节能降耗,大力发展清洁能源

提高工业能源利用效率,促进企业降耗增效,加快形成绿色集约化生产方式,会有效提高生态足迹。内蒙古作为国家重要能源和战略资源基地,肩负着保障国家能源安全的重要责任。在保障电力供应的情况下,调整能源结构,能源供应向清洁能源转变,加强煤炭清洁高效利用、优化煤炭和新能源组合,促进内蒙古能源可持续发展。

5.实施退牧还草和退耕还林政策,保护生态环境

退牧还草、退耕还林是有效地促进生态恢复措施。通过这些措施,既可以保护土地资源,防止过度耕种和过度放牧引发的土地退化和生态破坏,也可以提供新的经济发展机会,保证内蒙古的可持续性。