生態模型傳承力安全研究

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生態模型傳承力安全研究

　　1992年加拿大經濟學家里斯(Rees)提出了生態足跡的概念,并在1996年與其博士生瓦克納格爾(Wackernagel)共同研究得到了衡量區域資源利用與生態承載力關系的生態足跡方法[1]。該方法從客觀形象的角度將人類一切活動所消耗的原始物質及能源折合成生物生產性土地面積,并將其與區域內所能提供的生物生產性土地面積對比,通過研究區域剩余的生態容量衡量區域可持續發展的程度[2]。生態足跡方法因其直觀、綜合操作性強的優勢,被國內外學者在不同尺度的區域生態安全評價和可持續發展研究上廣泛使用[3]。生態足跡理論及概念于1999年被引入國內,隨后有關生態足跡的研究在國內迅速展開[4]。廣東省作為改革開放和經濟發展的先行區域,其生態環境問題也一直受到各界的重視。早在2003年胡新艷等人就采用生態足跡模型對2001年廣東省生態容量進行了評價,研究結果顯示,由于能源消耗及耕地資源的大量流轉,廣東省生態占用遠遠超過其生態承載能力[5]。高長波等對廣東省1990~2002年的生態足跡及生態承載力進行了計算和動態分析,結果顯示在全球尺度上廣東省處于生態可持續發展狀態,但是生態系統的壓力和強度甚高[6]。劉強等基于生態足跡與生態承載力對廣東省各市2006年生態補償進行了量化分析,結果表明各地級市均呈現生態赤字狀態,且赤字水平由珠三角經濟發達地區向外逐漸遞減[7]。然而,目前的相關研究所引用的生態足跡模型均采用全球尺度的參數,并沒有考慮土地利用及生產力的區域性特征,從而導致計算結果存在一定的偏差。因此本文從“國家公頃”的角度出發,基于我國各類生產性土地的相互關系和廣東省土地的平均生產力,構建生態足跡的改進模型,并計算了1996~2008年間廣東省的生態足跡和生態承載力變化,更為準確地評價了廣東省的生態空間供需狀況。

生態模型傳承力安全研究

　　1“國家公頃”生態足跡模型“國家公頃”的概念是相對全球尺度提出來的,是指國家土地平均生產力的標準面積,為在國家生產力水平上衡量省際土地供需量提供了方法。傳統的生態足跡模型將生態生產性土地劃分成相對獨立且不相重復的耕地、林地、牧草地、水域(不包括海洋)、化石燃料用地和建筑用地六大類,按照全球平均產量將消費項目轉換成土地面積,并利用均衡因子將各類生物生產性土地面積轉換成可以運算的總面積,即得到研究區域土地需求量,然后運用產量因子和區域土地面積計算得到區域土地供給量。在“國家公頃”生態足跡模型中,用全國單位公頃土地的平均生產能力與省際各地類生物產量計算得到的均衡因子和產量因子替代傳統模型中全球尺度的相應參數。

　　1.1“國家公頃”生態足跡模型中的轉換因子

　　1.1.1全國平均產量全國平均產量是指單位公頃土地上生物作物的產量[1],即:

　　1.1.2均衡因子均衡因子是為不同類型的土地消除生物生產力差異從而轉化成可比較的標準面積的轉換因子[8]。“國家公頃”的均衡因子是通過各類土地平均生物生產力占全國全部土地平均生物生產力的比例計算得到的,其計算公式為:式中,ri是國家第i類土地的均衡因子;代表第i類土地的平均生產力(109J/hm2),代表全國全部土地的平均生產力(109J/hm2),Qi表示第i類土地的總生物產量(109J),Si表示第i類土地的生物生產性面積(hm2);表示第i類土地的第k種生物產品產量(kg),表示第i類土地上第k種生物產品的單位熱值(103J/kg)。

　　1.1.3產量因子不同區域因氣候環境、生產技術和社會經濟等差異會導致同類土地生物生產力不同,因此需將省域各類土地平均生產力與同類全國土地平均生產力相比,得到產量因子,從而把省際生物生產性土地而換算成“國家公頃”的標準面積。產量因子的計算公式如下:其中,指j省第i類土地的產量因子,指j省第i類土地的平均生產力(109J/hm2),代表全國第i類土地的平均生產力(109J/hm2),表示j省第i類土地的總產出(109J),表示j省第i類土地的總面積(hm2),Qi表示全國第i類土地的總生物產量(109J),Si表示全國第i類土地的總面積(hm2),代表j省第i類土地的第k種產品的年產量(kg),其他系數如上式(2)中含義一樣。

　　1.2“國家公頃”生態足跡模型的計算方法瓦克納格爾等學者在假設人類能確定資源、能源消費及廢棄物數量并折算成相應的不重復的生物生產土地面積等條件成立的基礎上,將生態足跡模型概括為三個部分,即生態足跡計算、生態承載力計算和生態盈余/赤字的計算[8]。

　　1.2.1生態足跡的計算根據生物生產性土地的六大分類,可以將生態足跡的計算概括為生物資源賬戶、能源資源賬戶和建設用地賬戶核算三個方面,其中生物資源賬戶包括了耕地、林地、草地和水域四類用地,能源資源賬戶核算用于計算化石燃料用地的生態足跡,建設用地生態足跡的計算方法與其承載力計算方法相同[1]。(1)生物資源賬戶。生物資源的生態足跡計算是將不同生物生產性土地的面積通過均衡因子轉換成可比較的統一生物生產性面積,其計算方法如式(4)所示。(4)式中,efi為人均生態足跡(nhm2?人-1),i為消費商品及投入的類型,j為土地類型;rj為第j類土地的均衡因子,aai為第j類土地上第i種生物產品轉化的人均土地需求面積(hm2?人-1),ci為區域第i類消費品的人均消費量(kg?人-1),epi為第i類消費品的全國平均產量(kg/hm2)。其中,廣東省消費品的人均消費量由年人均總生物產量代替,并通過徐中民提出的價值比例換算方法[9]調整得到人均生態足跡,即按照產品凈貿易量占總產量的價值比例扣減對應生物生產性面積。(2)能源消費賬戶。能源消費賬戶的生態足跡是通過核算吸收人類經濟活動消耗的化石燃料所需的林地面積得到的,在此采用碳匯法計算化石燃料用地的生態足跡,其方法如下[10]:(5)式中,efc為吸納化石能源排放CO2的人均土地面積(nhm2?人-1),rc為林地的均衡因子,f為人均CO2的排放量(t),是通過人均標準煤年消耗量與有效氧化系數和單位標準煤的含碳量的乘積計算得到的,其中,有效氧化系數為0.982,單位標準煤含碳量為2.67t[11],且人均CO2排放量中只有2/3的CO2被林地吸收,1/3被海洋吸收;ω為每公頃林地所能吸納的CO2量,根據IPCC的報告顯示每公頃林地吸收CO23.67t[12]。

　　1.2.2生態承載力的計算生態承載力是指區域能夠提供的生物生產性土地面積的綜合,即可視為區域生態足跡供給量。(6)式中,ecj表示j類土地的人均生態承載力(nhm2?人-1),a為j類土地的人均生物生產性面積(hm2?人-1),rj為j類土地的均衡因子,yj是產量因子。

　　1.2.3生態盈余/赤字的計算將代表區域生物生產性土地面積供給量的生態承載力與代表生物生產性土地面積消費需求量的生態足跡相減,就能得到判斷區域生產性土地是否滿足消費需求的生態盈余/赤字。(7)式中,ed為人均生態盈余/赤字(nhm2?人-1),ec為人均生態承載力(扣除12%的保留生物多樣性用地),ef為人均生態足跡,是生物資源賬戶、能源消費賬戶和建設用地賬戶三類賬戶人均生態足跡的綜合。當ed>0時,區域生態系統狀態為生態盈余,表明該地區的生態承載力足以承受人類對自然生態系統的消費,區域經濟發展為可持續狀態;當ed=0時,區域生態系統處于發展均衡狀態;當ed<0時,區域生態系統狀態為生態赤字,說明該地區人均占用資源量超過了自然資源的生態承載能力,區域經濟發展為不可持續的狀態。

　　2數據整理與計算結果

　　2.1數據整理通過收集和整理,將全國及廣東省1996~2008年間農業、林業、畜牧業和漁業的生物產量共計43個項目的動態數據,分別對應于耕地、林地、草地和水域,再按照《農業技術經濟手冊(修訂版)》[13]的生物產品單位熱值統計,將每種生物產品產量轉化為能量的形式,并通過上述(2)、(3)式計算得到了歷年全國各類土地的均衡因子與廣東省的產量因子。其中,把水果對應的生物生產性土地歸為耕地,耕地數據為原園地與耕地數據加總,草地面積為原牧草地與未利用地面積的總和,水域為其他農用地(即養殖水面和坑塘水面)與河流湖泊的面積之和。通常情況下,化石燃料排放的CO2是由林地吸收,因此化石燃料用地的均衡因子與林地相同,而建設用地的擴張通常是占用耕地,所以其產量因子與耕地相同。將廣東省生物資源消費賬戶分為27項,能源消費賬戶分為20項,全國平均產量參照李智強相關研究中的數據[14],分別計算得到1996~2008年廣東省各類土地利用的人均生態足跡和人均生態承載力。其中,由于化石燃料用地是通過轉換成吸收CO2的林地面積核算的,為不重復細算林地生態承載力,將化石燃料用地的生態承載力記為0,建設用地的生態承載力與其生態足跡相同。計算數據分別來源于《中國統計年鑒》(1997~2009)[15]、《廣東農村統計年鑒》(1997~2009)[16]、《中國能源統計年鑒》(1997~2009)[17]和廣東省土地變更調查統計資料。

　　2.2計算結果與分析

　　2.2.1均衡因子基于“國家公頃”的土地均衡因子如表1所示,我國單位面積耕地的相對平均生產力最高,其次是林地、水域和草地,隨著近年來土地利用結構和生物性生產作物結構的變化,耕地相對平均生產力總體呈現下降趨勢,草地和水域的相對平均生產力則不斷增加。

　　2.2.2產量因子1996~2008年廣東省各類土地的產量因子如表2所示,由表中數據可見,廣東省各類土地產出水平較高,其中林地的產量水平與全國平均水平相當,耕地、草地、水域的產量水平均高于全國平均水平,13年間的平

　　2.2.3人均生態足跡通過計算,得到1996~2008年間廣東省各類土地的人均生態足跡如表3所示,廣東省人均生態足跡呈現出先下降再上升的總體態勢,其中各地類人均生態足跡所占比重及其變化趨勢又各有不同。耕地人均生態足跡呈現明顯的下降趨勢,從1996年的0.6075nhm2?人-1下降到2007年的0.4186nhm2?人升幅度高達103.37%,說明城鎮化的迅速發展推動了廣東省生產生活中能源消費的迅速增加,需要留作吸收CO2的化石燃料用地需求也在逐步擴大。另外,人均草地生態足跡與人均水域生態足跡也呈現出持續增長的態勢,分別從1996年的0.0003nhm。從整體構成比重來看,耕地人均生態足跡占總生態足跡的比重在下降,而草地、水域和化石燃料用地的人均生態足跡占總生態足跡的比重在持續上升,林地與建設用地的人均生態足跡比重呈現上升且有微弱波動的趨勢。綜合上述人均生態足跡變化可知,隨著社會經濟的發展,1996~2008年期間廣東省的消費結構發生了一定的變化,對糧食作物的依賴程度正在逐漸減小,對水果和水產品的消費正在逐步增加,對建筑用地與能源的需求逐步提高。

　　2.2.4人均生態承載力1996~2008年廣東省人均生態承載力組成及變化數據如表4所示,土地利用總生態承載力波動較大但總體呈現下降趨勢,其中人均耕地生態承載力的比重最大,其總體下降趨勢也最為明顯,從1996年的0.4300nhm2?人-1下降到2008年的0.3061nhm2?人-1,占人均生態承載力的比重由72.24%下降到65.74%;人均建筑用地的生態承載力比重從24.19%上升至29.40%,顯示出微弱的上升態勢,同時,牧草地和水域的人均生態承載力也均呈現出微弱的上升趨勢,分別從1996年的0.0010nhm,而林地的人均生態供給卻持續下降,由0.0104nhm2?人。由此可見,建筑用地的擴張和農業內部產業調整帶動的土地利用結構調整是導致1996~2008年廣東省人均生態承載力變化的主要原因。在扣除12%的生物多樣性預留地的前提下,將人均生態承載力與人均生態足跡相減,得到表5中廣東省各類土地的人均生態盈余/赤字。數據結果顯示,人均耕地、林地和建設用地持續出現供給赤字,其中人均耕地供給赤字在1996~2005年間呈現下降趨勢,并在2005年出現微弱的供給盈余,而后又持續出現赤字;在其他地類中,林地人均生態赤字顯著上升,建設用地的人均生態赤字持續波動但變化不大,與此同時,草地與水域的生態供給由盈余轉向赤字,并不斷擴大。總體而言,1996~2008年間廣東省生態土地供給持續赤字,人均生態赤字呈現先下降后上升的趨勢。行為效應大約滯后兩年。

　　3結論

　　本文通過計算國家公頃定義下各類土地的均衡因子和廣東省的產量因子,得到了1996~2008年年間廣東省人均生態足跡和人均生態承載力,從國家尺度上更準確的衡量了廣東省土地供需量的變化。與傳統全球尺度的生態足跡模型(均衡因子與產量因子均引用瓦克納格爾等人的值)[1]結果相比較(如圖2),國家公頃生態足跡模型縮小了全球模型中因忽略區域土地生產力差異性而引起的誤差,更精細的突出了人均生態足跡逐年的變化趨勢,而人均生態赤字計算結果也有較大的區別。從變化趨勢上看,由全球公頃模型計算的人均生態赤字從1997年起呈現不斷上升的趨勢,尤其是在2003~2005年期間飛速上升,而國家公頃模型計算得到的人均生態赤字在研究期間經歷了先下降后上升的過程,且波動幅度和變化范圍較小;從人均生態赤字數值結果來看,全球公頃計算結果相對國家公頃計算結果較大,前者為后者的6倍左右,由此進一步證明了全球尺度計算得到的土地供需量相對于國家尺度的計算結果有較大的誤差。雖然國家公頃生態足跡模型計算得到的人均生態赤字相對全球尺度的計算結果較小,但是在研究時段內廣東省人均土地生態供給依然持續呈現赤字狀況,說明1996~2008年間廣東省社會經濟發展過于依賴自然生態資源,導致其透支現象明顯,而生態赤字的累積性和自然生態功能恢復的長久性必然導致區域發展處于不可持續狀態。另一方面,在人均收入增加引起人均生態赤字增長的同時,也對未來減緩生態赤字起到了一定的作用,說明廣東省在經濟發展的同時,對生態環境的保護行為有一定的效果但效應有所滯后。因此,廣東省在協調人口、經濟社會和生態環境均衡發展方面仍需進一步深入實施轉變經濟增長方式、提升自主創新水平、倡導企業和個人的綠色消費行為等關鍵舉措。低。評價結果還顯示,廣州市在生態文化建設方面有待提升,其生態文化準則層得分較低的原因主要因為公眾調查中對城市環境的滿意率不盡如人意,且大專以上受教育人口比例不高,且其生態制度方面的建設也有待加速。4結論城市生態文明建設的評價方法研究是我國生態文明建設過程中的一項重大實際需求,也是目前學界的研究熱點之一。本文以經濟發達城市為研究切入點,按照其生態文明建設的現階段特征,使用層次分析法原理構建了包含37項單項指標的經濟發達城市生態文明建設評價指標體系,并用北上廣深等一線城市數據對評價體系進行了時序數據和橫截面數據的案例應用,驗證了模型的有效性和實用性。評價結果顯示,深圳在2001~2010年生態文明建設水平逐步提高,特別是生態環境和生態制度建設方面進步顯著,4個一線城市中,深圳市生態文明建設水平相對較優,下一階段,北京市需要在生態環境方面,廣州市需要在生態文化和生態制度方面加強建設力度。本研究既可為經濟發達城市提供生態文明建設評價技術,也可為我國其他類型地區生態文明指標體系研究提供參考和借鑒。限于筆者水平所限,評價體系在指標選取如何更具操作性、歸一化限值如何更具客觀性、評價指數的表達如何更具權威性方面仍存在一定不足之處,還需要進一步改進和完善。

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