湘江流域生態(tài)足跡計算與可持續(xù)發(fā)展能力評價

李玉丹，張小紅，秦云雁，趙中花

（1.湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙410081；2.長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，湖南 長沙410004；3.曲阜師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，山東 日照276826）

1 引言

自1987年世界環(huán)境與發(fā)展委員會提出可持續(xù)發(fā)展概念以來，可持續(xù)發(fā)展在各個國家、各個領(lǐng)域成為一種新的發(fā)展理念和模式。如何定量評價可持續(xù)發(fā)展的問題引起了各國學(xué)者的高度重視，并進(jìn)行了積極探索。目前國際上現(xiàn)有的定量評估區(qū)域可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r的方法中，以1992年加拿大生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)家E.William提出并由其學(xué)生M.Wackernagel等人不斷完善的生態(tài)足跡模型最為典型［1］。它是一種基于土地面積的量化指標(biāo)，通過計算和比較維持某一物質(zhì)消費水平下某一人口持續(xù)生存所必需的生產(chǎn)性土地的面積（生態(tài)足跡）和自然環(huán)境所能提供的為人類所用的生產(chǎn)性土地的面積（生態(tài)承載力）來確定生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力，廣泛應(yīng)用于全球、國家、城市和區(qū)域等層面上。

生態(tài)足跡理論于1999年由徐中民等引入我國，國內(nèi)學(xué)者應(yīng)用此理論的研究多集中在國家和省市尺度上，針對流域尺度的研究相對較少，比較典型的有：吳勇等人根據(jù)嘉陵江流域2002年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對嘉陵江流域2001年的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力進(jìn)行了定量計算［2］；賴發(fā)英等人對鄱陽湖流域2003年的生態(tài)足跡進(jìn)行了計算與分析［3］；肖莉等人以三峽庫區(qū)五橋河流域為例，對2004年的小流域可持續(xù)發(fā)展能力進(jìn)行了生態(tài)足跡法分析［4］；張秋根等利用生態(tài)足跡模型對贛江流域2006年的生態(tài)足跡進(jìn)行了定量分析和計算［5］；尹少華等定量評價了2008年洞庭湖流域的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力［6］；佘濟(jì)云等利用生態(tài)足跡模型對南渡江流域2009年的生態(tài)足跡進(jìn)行了計算與分析，并與世界其他國家和地區(qū)進(jìn)行了比較［7］。

上述研究成果在計算過程中由于各個流域評價指標(biāo)不甚相同，均衡因子和產(chǎn)量因子的選取也不一樣，各流域之間可持續(xù)發(fā)展程度的比較缺乏統(tǒng)一的指標(biāo)體系；并且作為流域的生態(tài)足跡分析來說，區(qū)域性特點很強(qiáng)，不能代表其他流域的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r。而流域作為一個集“政治、社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、文化”為一體的自然單元，隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，已成為國際上公認(rèn)的進(jìn)行可持續(xù)經(jīng)營規(guī)劃、實施、評估的重要單元。湘江流域是湖南省經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件最好、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平最高、生產(chǎn)要素最密集、城市化發(fā)展最快的地區(qū)，本文運用生態(tài)足跡模型對其可持續(xù)發(fā)展能力進(jìn)行分析，從而為該區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供合理的建議。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 湘江流域概況

湘江是長江的第五大支流，發(fā)源于廣西興安縣白石鄉(xiāng)海陽山近峰嶺，至湘陰濠河口入洞庭湖，是洞庭湖水系中流域面積最大、水量最多的河流。該流域地處東經(jīng)110°30′～114°01′，北緯24°31′～29°01′之間，遍及湖南東半部。流域內(nèi)地形特點為東、西、南較高，中部和北部低平；屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，雨量豐沛，年內(nèi)分配不均，降水多集中在春夏之間，夏熱冬冷，暑熱期長，形成了流域內(nèi)高溫多濕的氣候特征；土壤以紅壤、山地黃壤為主。干流河長856km，其中湖南境內(nèi)670km，平均坡降1.34‰；全流域面積為94660km2，其中湖南為85383km2，占總面積的90.2%，廣西僅占9.8%。湘江流域面積占湖南全省的40.3%，涉及長沙、湘潭、株洲、衡陽的全部，郴州、永州的大部分，婁底的小部分及邵陽、岳陽的極少部分。

為了便于統(tǒng)計數(shù)據(jù)，本文將湘江流域的范圍界定為長沙、湘潭、株洲、衡陽、郴州、永州市，邵陽的新邵、邵東、邵陽，岳陽的湘陰、汨羅和婁底的雙峰、漣源、冷水江（圖1）。湘江流域集中了湖南省大部分人口，2011年總?cè)丝?685.15萬人，約占全省人口的55.87%；國民生產(chǎn)總值135577897萬元［8］。

圖1 湘江流域（湖南省內(nèi)）包括的范圍

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，湘江流域生態(tài)環(huán)境惡化問題日益突出，主要表現(xiàn)為流域陸生生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重干擾與破壞，森林資源銳減，水土流失加劇、局部地質(zhì)災(zāi)害頻現(xiàn)；水生生態(tài)環(huán)境脆弱而退化、生物多樣性不斷減少、水生生物資源遭到嚴(yán)重破壞；湘江水體水質(zhì)受到重金屬、有機(jī)物和微生物等的復(fù)合污染，總體水環(huán)境質(zhì)量在逐年下降。同時，受全球氣候變暖、三峽工程建設(shè)等綜合因素影響，湘江水位近年枯水頻率增多，沿江城市的供水、航運交通、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等均受到了不利影響。因此，研究湘江流域的生態(tài)足跡對促進(jìn)本區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實意義。

2.2 生態(tài)足跡理論與計算方法

生態(tài)足跡法（EF）是應(yīng)用范圍最廣的一種定量度量可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r的方法。所謂生態(tài)足跡，是指“在一定技術(shù)條件下，要維持某一物質(zhì)消費水平下的某一人口的持續(xù)生存必需的生態(tài)生產(chǎn)性土地的面積”，它既是既定技術(shù)條件和消費水平下特定人口對環(huán)境的影響規(guī)模，又代表既定技術(shù)條件和消費水平下特定人口持續(xù)生存下去而對環(huán)境提出的需求［1］。生態(tài)足跡分析法從需求面計算生態(tài)足跡的大小，從供給面計算生態(tài)承載力的大小，通過對這二者的比較，評價研究對象的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r。

2.2.1 生態(tài)足跡計算方法

在生態(tài)足跡計算中將各種資源和能源消費項目折算為耕地、草地、林地、建筑用地、化石能源用地和海洋（水域）等6種生物生產(chǎn)面積類型。生態(tài)足跡的計算是以生態(tài)生產(chǎn)性土地為基礎(chǔ)，將生態(tài)資源的消費折算成具有一定生產(chǎn)力的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積。它的計算基于以下兩個簡單的事實：①人類可以確定自身消費的絕大多數(shù)資源、能源以及其產(chǎn)生的廢棄物的數(shù)量；②這些資源、能源和產(chǎn)生的廢棄物的數(shù)量能折算成相應(yīng)的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積［1～3］。因此，任何一個已知人口區(qū)域的生態(tài)足跡就是生產(chǎn)這些人口所消費的所有資源、能源和吸納這些人口所產(chǎn)生的廢棄物所需的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積。其計算公式為：

式中：EF為總生態(tài)足跡，ef為人均生態(tài)足跡，N為流域內(nèi)人口總數(shù)，EPi為生態(tài)生產(chǎn)力（全球平均值），Ci為資源消費量，Pi為資源生產(chǎn)量，Ii為資源進(jìn)口量，Ei為資源出口量，i為生態(tài)生產(chǎn)性土地類型，EQi為均衡因子。

2.2.2 生態(tài)承載力計算方法

生態(tài)承載力（或稱為總生態(tài)供給）是指區(qū)域內(nèi)所能夠提供給人類的生態(tài)生產(chǎn)性土地總和。在生態(tài)承載力的計算中，由于不同國家或地區(qū)的資源稟賦不同，不僅單位面積耕地、草地、林地、建筑用地、水域等之間的生態(tài)生產(chǎn)能力差異很大，而且單位面積同類生物生產(chǎn)面積類型的生態(tài)生產(chǎn)力差異也很大。因此，為使不同國家或地區(qū)同類型生物生產(chǎn)性土地的實際面積可以直接比較，用產(chǎn)量因子進(jìn)行調(diào)整，將不同土地類型面積乘以相應(yīng)的均衡因子和產(chǎn)量因子，就可以得出生態(tài)承載力。其計算公式為：

式中：EC為總生態(tài)承載力，ec為人均生態(tài)承載力，N為流域內(nèi)人口總數(shù)，Aj為不同類型生態(tài)生產(chǎn)性土地面積，EQj同EQi為均衡因子，Yj為產(chǎn)量因子。

2.2.3 生態(tài)赤字與生態(tài)盈余

生態(tài)赤字與生態(tài)盈余計算公式如下：

ED／ER＝EC－EF （3）

式中：ED／ER為生態(tài)赤字／生態(tài)盈余，EC為總生態(tài)承載力，EF為總生態(tài)足跡。EC－EF＞0時為生態(tài)盈余，表明研究地區(qū)的發(fā)展可持續(xù)；EC－EF＜0時為生態(tài)赤字，表明該地區(qū)的發(fā)展呈不可持續(xù)狀態(tài)。

2.2.4 生態(tài)足跡多樣性指數(shù)和可持續(xù)發(fā)展能力模型

生態(tài)足跡多樣性指數(shù)是以不同土地類型的面積作為測算生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)多樣性的指標(biāo)。若生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中生態(tài)足跡的分配越近平等，系統(tǒng)組分的生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)多樣性越高，系統(tǒng)就越穩(wěn)定。采用Shannon－Weaver的生態(tài)多樣性公式：

式中：H為生態(tài)足跡多樣性指數(shù)，Pi為第i類土地類型的生態(tài)足跡在總生態(tài)足跡中所占的比例。

另外以生態(tài)足跡為指標(biāo)，采用Ulanowicz的發(fā)展能力公式可以有效反映區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力狀況［9］。公式如下：

式中：C為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力，EF為國家或地區(qū)的人均生態(tài)足跡。

3 湘江流域生態(tài)足跡計算

3.1 生態(tài)足跡成分的選擇

湘江流域的生態(tài)足跡主要由生物類資源消費和化石能源消費兩部分組成。其中生物資源消費包括：農(nóng)產(chǎn)品、林產(chǎn)品、動物產(chǎn)品三大類。將本區(qū)域各類生物資源的消費量除以該消費品生態(tài)生產(chǎn)性面積的全球平均產(chǎn)量，即滿足這些消費所需要的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積。在生物資源生產(chǎn)面積折算中采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織1993年計算的有關(guān)生物資源的世界平均產(chǎn)量作為標(biāo)準(zhǔn) （為了使計算結(jié)果具有可比性）［10］。

能源消費部分根據(jù)資料計算原煤、焦炭、汽油、煤油、柴油、燃料油、液化石油氣和電力8種能源的足跡，消費數(shù)量數(shù)據(jù)來自《湖南統(tǒng)計年鑒》（2012年）。采用世界上單位化石能源土地面積的平均發(fā)熱量為標(biāo)準(zhǔn)，將當(dāng)?shù)啬茉聪M所消耗的熱量折算成一定的化石能源土地面積。對于電力消費項目將其轉(zhuǎn)化為建筑用地主要是考慮到電力資源的固定資產(chǎn)大部分是占用到建筑用地。另外考慮到湘江流域范圍內(nèi)能源消費數(shù)據(jù)的可獲取性，化石能源部分主要選取了長株潭、衡陽、郴州、永州、婁底7個地市的數(shù)據(jù)。

3.2 均衡因子與產(chǎn)量因子的確定

由于耕地、林地、草地等6類生物生產(chǎn)性土地的生物生產(chǎn)力不同，要將這些具有不同生物生產(chǎn)力的生物生產(chǎn)性土地轉(zhuǎn)化為具有相同生物生產(chǎn)力的面積，以便加總計算生態(tài)足跡和生態(tài)承載力。根據(jù)公式（1）和公式（2），需要對計算得到的各類生物生產(chǎn)面積乘以一個均衡因子進(jìn)行等量化處理。本文中，均衡因子采用目前被大多研究中使用的國際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，耕地、林地、草地、水域、化石燃料用地、建筑用地分別為2.8、1.1、0.5、0.2、1.1、2.8［10］。均衡處理后的6類生態(tài)生產(chǎn)性土地的面積即為具有全球平均生態(tài)生產(chǎn)力可以相加的世界平均生物生產(chǎn)面積。

生態(tài)承載力的計算中對于其中的產(chǎn)量因子的選取，主要依據(jù)Wackernagel等對我國1996年生態(tài)足跡計算時的取值，分別是：耕地、建筑用地為1.66，林地為0.91，草地為0.19，水域為1.00，化石燃料用地面積為0［10］?；剂贤恋厥侨祟悜?yīng)該留出用于吸收CO2的土地，但是目前事實上人類并未留出這類土地，所以其面積取值為零。

3.3 生態(tài)足跡的測算

根據(jù)2012年湖南省統(tǒng)計年鑒相關(guān)數(shù)據(jù)，運用上述計算模型與方法，對湘江流域2011年的生態(tài)足跡進(jìn)行了計算。表1、表2分別是生物資源和能源資源消費的計算結(jié)果。湘江流域生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的計算結(jié)果見表3。另外根據(jù)世界環(huán)境與發(fā)展委員會（WCED）的倡議，在計算生態(tài)承載力時需扣除12%的生物多樣性保護(hù)面積。

表1 湘江流域2011年生態(tài)足跡計算中的生物資源賬戶

表2 湘江流域2011年生態(tài)足跡計算中的能源資源賬戶

表3 2011年湘江流域生態(tài)足跡與生態(tài)承載力計算結(jié)果

4 結(jié)果與分析

（1）由圖2可知，2011年湘江流域人均生態(tài)足跡占用面積最大的生物土地類型是化石能源地，為0.8875hm2，在總生態(tài)足跡中占41%，說明本區(qū)域的城市以資源型城市為主，資源消耗率高；其次是草地、耕地、林地，水體、建筑用地所占比例最小。湘江流域的自然資源豐富，以自然資源開發(fā)利用為對象的資源產(chǎn)業(yè)（資源生產(chǎn)和資源初加工產(chǎn)業(yè)）是湘江流域產(chǎn)業(yè)的主體和主流，自然資源開發(fā)利用造就了湘江流域眾多的資源型產(chǎn)業(yè)。

圖2 湘江流域不同土地類型在生態(tài)足跡中所占比重

（2）從圖3的湘江流域2011年生態(tài)足跡的供需結(jié)構(gòu)看，區(qū)域生態(tài)承載力在生物生產(chǎn)性土地的供給和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求結(jié)構(gòu)之間具有明顯的不對稱性。主要表現(xiàn)在沒有化石能源用地，耕地、草地的供需矛盾突出，林地、建筑用地的供給大于需求。生態(tài)供給量最大的是耕地，但仍小于需求量，占需求量的51.9%，說明本區(qū)域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)滿足不了人類生產(chǎn)生活的需求；供需矛盾最突出的生物土地類型是草地，其主要是由本區(qū)域牧草地資源缺乏，人民生活水平提高對動物產(chǎn)品的消費量上升造成的。

圖3 湘江流域2011年人均生態(tài)足跡供需對比

（3）由表3中2011年湘江流域生態(tài)足跡與生態(tài)承載力計算結(jié)果可知，2011年湘江流域的人均生態(tài)足跡需求為2.1600hm2，而當(dāng)年實際可提供的人均生態(tài)供給空間面積為0.4391hm2，人均生態(tài)赤字達(dá)1.7209hm2，生態(tài)足跡的需求是生態(tài)承載力的4.9倍。參考有關(guān)的評價分析方法和徐中民等計算的中國1999年31個省市的生態(tài)足跡，采用相對指標(biāo)法，將中國的生態(tài)赤字／盈余（ED）劃分為5個等級，即可持續(xù)（ED≥0.414）、弱可持續(xù)（0≤ED＜0.414）、弱不可持續(xù)（－0.995≤ED＜0）、不可持續(xù)（－1.99＜ED＜－0.995）、強(qiáng)不可持續(xù)（ED≤－1.99）［11］。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)湘江流域2011年的可持續(xù)狀態(tài)處于不可持續(xù)發(fā)展等級。

（4）利用2011年湘江流域生態(tài)足跡的計算結(jié)果，根據(jù)公式（4）和（5）計算生態(tài)足跡多樣性指數(shù)H和發(fā)展能力C，結(jié)果見表4。耕地、草地、化石能源地的生態(tài)足跡多樣化指數(shù)較高，均在0.3以上；可持續(xù)發(fā)展能力指數(shù)為2.633，其中化石能源地 C＝0.7894、草地 C＝0.7881、耕地C＝0.7341，表明可持續(xù)能力較強(qiáng)；水體和建筑用地的可持續(xù)能力較弱。

表4 2011年湘江流域生態(tài)足跡多樣性及其可持續(xù)發(fā)展能力指數(shù)

5 結(jié)論與討論

從總體上看，湘江流域的生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)面臨威脅。今后發(fā)展中要提高土地資源生產(chǎn)率，高效利用土地資源，提高單位面積的生物產(chǎn)量或者生態(tài)服務(wù)功能；提高能源利用率，優(yōu)化能源利用結(jié)構(gòu)，改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)和生活方式，建立不可再生資源節(jié)約型的可持續(xù)消費體系。要制定合理規(guī)劃，努力減小生態(tài)赤字，嚴(yán)格控制區(qū)域人口數(shù)量，從理念創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、科技創(chuàng)新、消費方式創(chuàng)新、管理創(chuàng)新等方面大力推行低碳化社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。

生態(tài)足跡作為衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的一種方法，仍有一些不足之處還需進(jìn)一步改善。首先在劃分生物資源消費項目與能源消費項目時，根據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)以及實際的可操作性，轉(zhuǎn)化成的生物生產(chǎn)性土地面積會有差別，從而影響人均生態(tài)足跡的計算結(jié)果。其次，產(chǎn)量因子和均衡因子的數(shù)值選取對生態(tài)足跡的最終結(jié)果影響很大，目前國際上廣泛應(yīng)用的主要是依據(jù)有限的統(tǒng)計結(jié)果和經(jīng)驗選取，數(shù)據(jù)的計算難免不夠精確。第三，它是一種基于靜態(tài)指標(biāo)的分析方法，是在假定人口、技術(shù)、物質(zhì)消費水平不變的前提下計算的，缺少對未來情況的預(yù)測。

［1］楊開忠，楊 詠，陳 潔.生態(tài)足跡分析理論與方法［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2000，1（6）：630～636.

［2］吳 勇，侯萬儒.嘉陵江流域生態(tài)足跡計算及分析［J］.西華師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，26（3）：252～256.

［3］賴發(fā)英，魏雪嬌，盧年春，等.鄱陽湖流域生態(tài)足跡分析與可持續(xù)發(fā)展的定量研究［J］.農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2006，27（3）：206～209.

［4］肖 莉，蔣 莉，陳治諫.小流域可持續(xù)發(fā)展能力的生態(tài)足跡法分析［J］.農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，2005，21（4）：22～27.

［5］張秋根，陳素華，熊 輝，等.贛江流域生態(tài)足跡計算與分析［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2009，32（12）：190～193.

［6］尹少華，安消云.基于可持續(xù)發(fā)展的洞庭湖流域生態(tài)足跡評價研究［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2011，31（6）：107～110.

［7］佘濟(jì)云，沈金明，郭 霞，等.南渡江流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展評價［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2011，31（12）：49～53.

［8］湖南省統(tǒng)計局.湖南省統(tǒng)計年鑒［M］.北京：中國統(tǒng)計出版社，2012.

［9］劉宇輝，彭希哲.中國歷年生態(tài)足跡計算與發(fā)展可持續(xù)性評估［J］.生態(tài)學(xué)報，2004，24（10）：2258～2262.

［10］Wackernagel M，Onisto L，Bello P，et al.National natural capital accounting with the ecological footprint concept［J］.Ecological Economics，1999，29（3）：375～390.

［11］徐中民，陳東景，張志強(qiáng)，等.中國1999年的生態(tài)足跡分析［J］.土壤學(xué)報，2002，39（3）：441～445.