基于能值－生態(tài)足跡修正模型的區(qū)域可持續(xù)發(fā)展研究
——以江蘇省南通市為例

盛業(yè)旭，劉 瓊，歐名豪，佴伶俐

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地管理學(xué)院，江蘇 南京210095；2.江蘇省土地勘測規(guī)劃院，江蘇 南京210024）

區(qū)域可持續(xù)發(fā)展作為一種嶄新的發(fā)展模式，是可持續(xù)發(fā)展思想在特定區(qū)域的具體體現(xiàn)，代表了區(qū)域發(fā)展的高級階段［1］。區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)是自然環(huán)境的永續(xù)再生和自然資源的持續(xù)利用［2］。然而，隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，資源耗竭和環(huán)境破壞等引發(fā)的區(qū)域發(fā)展可持續(xù)性下降的問題日益突顯，因此定量測度區(qū)域發(fā)展可持續(xù)性，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)和健康發(fā)展便成為亟需解決的問題。2005年趙晟等［3］利用能值分析理論［4］對生態(tài)足跡方法［5－6］進(jìn)行改進(jìn)后所提出的能值—生態(tài)足跡模型便是其中的一種定量測度方法。隨后陳斌等［7］，張芳怡等［8］應(yīng)用該模型對不同尺度和不同類型區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展水平進(jìn)行了測度，并將結(jié)果與傳統(tǒng)的生態(tài)足跡分析方法進(jìn)行比較，驗(yàn)證了這一方法的合理性。同時(shí)，一些研究對能值—生態(tài)足跡模型進(jìn)行了改進(jìn)，如 Raúl Siche［9］，Lucas Pereira等［10］將凈初級生產(chǎn)力引入到自然生態(tài)承載力的計(jì)算中，并在測算生態(tài)足跡時(shí)考慮到了人類活動的影響；張雪花等［11］將人類活動的影響延伸到了生態(tài)承載力的計(jì)算中，構(gòu)建了基于開放系統(tǒng)的能值—生態(tài)足跡模型；王國剛等［12］，趙晟等［13］分別從不同尺度對能值密度的選擇進(jìn)行了調(diào)整。這些改進(jìn)無疑提高了模型的合理性和可靠性，但卻比較零散，有必要在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上對能值—生態(tài)足跡模型進(jìn)行全面審視并做進(jìn)一步改進(jìn)。

本文在全面分析能值—生態(tài)足跡模型缺陷的基礎(chǔ)上，通過增加人工投入指標(biāo)，統(tǒng)一能值密度以及引入折能／折標(biāo)系數(shù)對其進(jìn)行了修正，并以江蘇省南通市為例，對其1996—2010年的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分析，以期為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展評價(jià)提供參考和借鑒。

1 能值－生態(tài)足跡模型

1.1 能值－生態(tài)足跡模型的計(jì)算方法

能值—生態(tài)足跡模型是將能值分析方法與生態(tài)足跡理論相結(jié)合，首先把各種不同類型和等級的能量流通過能值轉(zhuǎn)換率，換算成可以直接進(jìn)行加減的太陽能值，然后引入能值密度，將各消費(fèi)項(xiàng)目的太陽能值換算成相對應(yīng)的生物生產(chǎn)性土地面積，從而計(jì)算出研究區(qū)域的生態(tài)足跡和承載力，再進(jìn)行生態(tài)盈虧分析，由此確定區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r，具體方法為：

式中：Ef——生態(tài)足跡（hm2）；Ec——生態(tài)承載力（hm2）；i——消費(fèi)項(xiàng)目類型，分為生物消費(fèi)品和能源消費(fèi)品兩類；ai——第i種消費(fèi)項(xiàng)目折算的生物生產(chǎn)性土地面積（hm2）；ci——第i種消費(fèi)品的能值（sej）；e——可更新自然資源的能值（sej）；P1——區(qū)域能值密度（sej／hm2）；P2——全球平均能值密度（sej／hm2）。

1.2 能值—生態(tài)足跡模型的主要缺陷

盡管能值—生態(tài)足跡模型可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)生態(tài)足跡計(jì)算分析方法的部分缺陷，更全面的測度區(qū)域資源的損耗程度［7－8］，但仍存在以下問題需要討論和完善：

（1）未充分考慮人工投入在區(qū)域生態(tài)承載力中的作用。在能值—生態(tài)足跡模型中，生態(tài)承載力主要用可更新自然資源來表示，但可更新自然資源卻無法體現(xiàn)物質(zhì)、勞動、資金等人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的投入［11］。而依據(jù)系統(tǒng)間物質(zhì)能量流動的“最大功率原則”，物質(zhì)、勞動、資金等人工投入是生態(tài)系統(tǒng)提高生態(tài)承載力、保持自身活力而不被競爭者淘汰的必要條件［14］。因此，弱化人工投入的作用會導(dǎo)致生態(tài)承載力被低估，降低對區(qū)域資源環(huán)境利用可持續(xù)性的預(yù)期，進(jìn)而影響對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展水平的判斷。

（2）能值密度不統(tǒng)一，計(jì)算結(jié)果難以反映區(qū)域?qū)嶋H情況及不同年份間差異。生態(tài)赤字／盈余是評價(jià)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展與否的重要指標(biāo)。但在能值—生態(tài)足跡模型中生態(tài)足跡的測算采用了P1區(qū)域能值密度，生態(tài)承載力的測算采用了P2全球平均能值密度，二者標(biāo)準(zhǔn)不一致。這樣二者對比得到的生態(tài)赤字／盈余，體現(xiàn)的是某區(qū)域生態(tài)足跡在全球平均生態(tài)承載力水平背景下所處的位置，而非某區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的真實(shí)狀況［12－13］；另外，模型中所用的全球平均能值密度是依據(jù)奧德姆2000年的研究得出的［15］，這一固定數(shù)值的沿用難免會使研究結(jié)果具有一定的滯后性，無法體現(xiàn)不同年份間的差異。

（3）消費(fèi)項(xiàng)目能值測算不夠準(zhǔn)確。能值—生態(tài)足跡模型開始于能量流，即各系統(tǒng)間能量的流動和轉(zhuǎn)化，這是能值測算和分析的基礎(chǔ)［4］。依據(jù)能量轉(zhuǎn)化過程中遵循的熱力學(xué)第一定律的要求，能值—生態(tài)足跡模型中各類消費(fèi)品所含能量應(yīng)采用焦耳的能量單位進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)當(dāng)以標(biāo)準(zhǔn)燃燒值來確定［16］。然而，現(xiàn)有研究多是直接用各類消費(fèi)品的質(zhì)量代替其能量來進(jìn)行消費(fèi)項(xiàng)目能值的測算［11，17］，這從能量轉(zhuǎn)化和流動的角度看是不合適的，可能會影響評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 能值－生態(tài)足跡修正模型

根據(jù)以上分析，本文擬從以下幾方面對能值—生態(tài)足跡模型進(jìn)行修正：（1）生態(tài)承載力計(jì)算中引入人工投入指標(biāo)，將生態(tài)承載力劃分為自然生態(tài)承載力和人工生態(tài)承載力，并按照投入物品性質(zhì)的不同將后者劃分為實(shí)體和虛擬人工生態(tài)承載力兩部分；（2）統(tǒng)一使用區(qū)域能值密度P1計(jì)算生態(tài)足跡和生態(tài)承載力；（3）引入折能／折標(biāo)系數(shù)，用各類產(chǎn)品及消費(fèi)品所含熱能代替其質(zhì)量計(jì)算能值。具體計(jì)算方法如下：

（1）自然生態(tài)承載力。

式中：NEc——區(qū)域自然生態(tài)承載力（hm2）；e——區(qū)域內(nèi)可更新自然資源的能值 （sej），包括太陽輻射能、風(fēng)能、雨水化學(xué)能、雨水勢能地?zé)崮芎统毕艿瓤筛沦Y源；P1——區(qū)域能值密度（sej／hm2）。為避免重復(fù)，同一性質(zhì)的可更新自然資源資源只取其最大值。

（2）人工生態(tài)承載力。人工生態(tài)承載力包括實(shí)體人工生態(tài)承載力和虛擬人工生態(tài)承載力。

式中：AEc——實(shí)體人工生態(tài)承載力（hm2）；i——實(shí)體產(chǎn)品類型，包括農(nóng)產(chǎn)品（糧食、蔬菜、棉花、油料、糖類、蠶繭、水果）、畜產(chǎn)品（肉類、禽蛋、奶類）、水產(chǎn)品和水電4個(gè)部分；yi——第i種實(shí)體產(chǎn)品的總產(chǎn)量（t）；z——折能／折 標(biāo)系數(shù)；T——太陽能 值轉(zhuǎn)換率；P1——區(qū)域能值密度（sej／hm2）。

式中：AEc′——虛擬人工生態(tài)承載力（hm2）；i——虛擬產(chǎn)品類型，包括勞務(wù)和資金兩類，分別用分行業(yè)人員工資額和區(qū)域固定資產(chǎn)投資額來表示；yi′——第i種虛擬產(chǎn)品總量（萬元）；Z——能值／貨幣比率（sej／萬元），依據(jù)藍(lán)盛芳等［16］和陳國謙等［18］的研究，能值／貨幣比率用區(qū)域可更新自然資源的能值總量與區(qū)域國內(nèi)生產(chǎn)總值的比值來表示；P1——區(qū)域能值密度（sej／hm2）。

（3）生態(tài)足跡。

式中：Ef——生態(tài)足跡（hm2）；i——生物產(chǎn)品類型，包括生物產(chǎn)品消費(fèi)總量和能源產(chǎn)品消費(fèi)總量，其中生物消費(fèi)品包括農(nóng)產(chǎn)品（糧食、蔬菜、棉花、油料、糖類、煙草、水果）、畜產(chǎn)品（肉類、禽蛋、奶類）、水產(chǎn)品；能源消費(fèi)品包括煤（原煤、精洗煤、焦炭）、石油（汽油、柴油、煤油、燃料油）、氣（液化石油氣、液化天然氣）；ai——第i種生物產(chǎn)品的消費(fèi)總量（t）；z——折能／折標(biāo)系數(shù)；T——太陽能值轉(zhuǎn)換率；P1——區(qū)域能值密度（sej／hm2）。

（4）生態(tài)盈虧及可持續(xù)性分析。將生態(tài)承載力和生態(tài)足跡的計(jì)算結(jié)果匯總，可以對區(qū)域生態(tài)盈虧以及發(fā)展可持續(xù)性［19］進(jìn)行分析：

式中：BC——生態(tài)盈虧狀況（hm2），用生態(tài)盈余或生態(tài)赤字來描述，生態(tài)盈余說明區(qū)域發(fā)展具有可持續(xù)性，生態(tài)赤字則說明區(qū)域環(huán)境資源負(fù)擔(dān)過重，發(fā)展模式應(yīng)該進(jìn)行調(diào)整；SEI——可持續(xù)性評價(jià)指數(shù)，取值大小與區(qū)域發(fā)展的可持續(xù)性成反比；Ec——生態(tài)承載力（hm2）；Ef——生態(tài)足跡（hm2）；NEc——區(qū)域自然生態(tài)承載力（hm2）；AEc——實(shí)體人工生態(tài)承載力（hm2）；AEc′——虛擬人工生態(tài)承載力（hm2）。

3 實(shí)證研究

本文以南通市為例，運(yùn)用能值—生態(tài)足跡修正模型對其1996—2010年的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行研究。為方便統(tǒng)計(jì)和觀察，文章結(jié)合南通市歷年總?cè)丝跀?shù)，從人均生態(tài)承載力和人均生態(tài)足跡的角度進(jìn)行比較和分析。

3.1 研究區(qū)域

南通地處長江中下游平原，長江口北翼，東瀕黃海、南倚長江，與上海、蘇州市隔江相望，西和泰州市接壤，北同鹽城市接壤，地理坐標(biāo)為120°12′—121°55′E，31°41′—32°43′N。近年來，隨著蘇通長江大橋、通滬鐵路、沿江高等級公路等基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目相繼建成，地處沿海經(jīng)濟(jì)帶和長江經(jīng)濟(jì)帶T型結(jié)構(gòu)的交匯點(diǎn)的南通市區(qū)位條件迅速優(yōu)化，區(qū)域間產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移加速，經(jīng)濟(jì)社會實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。

1996—2010年，南通市地區(qū)生產(chǎn)總值從524.87億元增長到3 465.67億元，按可比價(jià)計(jì)算年均增長率達(dá)17.33%。因此可見，對南通市這一經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展的區(qū)域而言，定量測度其區(qū)域可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r可以對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展戰(zhàn)略制定、產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整等提供借鑒。

3.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)包括：（1）自然地理數(shù)據(jù)，包括南通市的土地總面積、海拔、海岸線長度、年降水量、日照時(shí)間以及風(fēng)速等；（2）經(jīng)濟(jì)社會統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，包括1996—2010年南通市能源消耗總量及構(gòu)成、居民生活生產(chǎn)年消費(fèi)總量及構(gòu)成、主要農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量及構(gòu)成、人口總量、分行業(yè)人員工資額總量以及固定資產(chǎn)投資額等；（3）標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，主要包括各類物質(zhì)的折能／折標(biāo)系數(shù)、太陽能值轉(zhuǎn)換率、區(qū)域能值密度等。自然地理、經(jīng)濟(jì)社會統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于1997—2011年南通統(tǒng)計(jì)年鑒和江蘇統(tǒng)計(jì)年鑒，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)中的折能／折標(biāo)系數(shù)和太陽能值轉(zhuǎn)換率來源于藍(lán)盛芳等［16，20］的研究；區(qū)域能值密度依據(jù)趙晟［3］的研究進(jìn)行測算，結(jié)果如表1所示。

3.3 結(jié)果測算

按照能值生態(tài)足跡修正模型的要求，對1996—2010年南通市的各類人均生態(tài)承載力、人均生態(tài)足跡進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2—4所示。其中，生物類消費(fèi)品的人均生態(tài)足跡按城鎮(zhèn)居民和農(nóng)村居民的消費(fèi)統(tǒng)計(jì)分別進(jìn)行計(jì)算。

表1 1996－2010年南通市區(qū)域能值密度 sej／hm2

表2 1996－2010年南通市各類人均自然生態(tài)承載力 hm2

表3 1996－2010年南通市各類人均人工生態(tài)承載力 hm2

表4 1996－2010年南通市各類人均生態(tài)足跡 hm2

3.4 結(jié)果分析

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，可以得到南通市人均生態(tài)承載力、人均生態(tài)足跡（圖1）。遵照世界環(huán)境與發(fā)展委員會（WCED）的建議，在人均生態(tài)承載力中扣除12%的生物生產(chǎn)性土地面積來保護(hù)生物多樣性。根據(jù)人均生態(tài)承載力和人均生態(tài)足跡可以計(jì)算生態(tài)盈虧及可持續(xù)發(fā)展指數(shù)。

圖1 1996－2010年南通市人均生態(tài)足跡與人均生態(tài)承載力的變化趨勢

（1）人均生態(tài)足跡與人均生態(tài)承載力的變化分析。從圖1可以看出：1996—2010年，南通市人均生態(tài)足跡、人均生態(tài)承載力總體呈上升態(tài)勢，且前者一直高于后者。主要是由于生態(tài)足跡總能值、生態(tài)承載力總能值一直呈緩步上升態(tài)勢（圖2），且同期總?cè)丝谥鹉晗陆祵?dǎo)致的（圖3）。2002—2006年，南通市人均生態(tài)足跡、生態(tài)承載力均呈顯著的“M”形波動。同期區(qū)域生態(tài)足跡和生態(tài)承載力總能值變化相對平穩(wěn)，總?cè)丝诔史€(wěn)步下降的趨勢，說明人均生態(tài)足跡、生態(tài)承載力的“M”形波動是由于同期區(qū)域能值密度的“W”形波動導(dǎo)致的（圖3）。1996—2010年南通市生態(tài)足跡總能值一直高于生態(tài)承載力總能值，說明區(qū)域能值密度的年際變化雖然會導(dǎo)致人均生態(tài)足跡和人均生態(tài)承載力的數(shù)值波動，但并未改變二者對比關(guān)系。

圖2 1996－2010年南通市生態(tài)足跡與生態(tài)承載力總能值的變化趨勢

圖3 1996－2010年南通市總?cè)丝谂c區(qū)域能值密度的變化趨勢

（2）人均生態(tài)足跡與人均生態(tài)承載力的結(jié)構(gòu)變化分析。從人均生態(tài)足跡的構(gòu)成來看（圖4）：農(nóng)、畜產(chǎn)品消費(fèi)的生態(tài)足跡一直占較大比重，但無明顯上升趨勢；煤炭、石油消費(fèi)的生態(tài)足跡上升勢頭較為明顯，特別是煤炭消費(fèi)所代表的生態(tài)足跡呈直線上升趨勢；水產(chǎn)品及燃?xì)庀M(fèi)的生態(tài)足跡比重較小且保持穩(wěn)定。說明不斷增長的能源消耗是人均生態(tài)足跡總體走高的直接原因。這主要是由于近年來重工業(yè)的快速增長導(dǎo)致的，1996—2010年南通市第二產(chǎn)業(yè)GDP比重從48.36%增長到55.27%，而化工、鋼鐵、有色金屬、機(jī)電、船舶為代表的重工業(yè)產(chǎn)值從33.54%增長到61.35%?？梢?，以高耗能工業(yè)增長為主的經(jīng)濟(jì)增長方式是導(dǎo)致南通人均生態(tài)足跡升高的根本原因。

圖4 1996－2010年南通市人均生態(tài)足跡與人均生態(tài)承載力的結(jié)構(gòu)及其變化趨勢

從人均生態(tài)承載力的構(gòu)成來看（圖4）：農(nóng)、畜產(chǎn)品生產(chǎn)一直占較大比重且在后期快速上升；水電所占比重較小但有明顯上升，尤其是2007年后增速明顯加快；自然可更新資源、水產(chǎn)品生產(chǎn)的比重保持穩(wěn)定；而虛擬產(chǎn)品（勞務(wù)、資金）的比重保持平緩上升態(tài)勢但在后期略有下降；可見，人均生態(tài)承載力的增長是由農(nóng)、畜產(chǎn)品產(chǎn)量提高和水電開發(fā)力度加大支撐的。這主要得益于近年來南通市對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及新能源發(fā)展的大力扶持。特別是2006年《南通市農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)“十一五”規(guī)劃》、2007年《南通市農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展“十一五”規(guī)劃》發(fā)布后，南通農(nóng)業(yè)機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化水平不斷提高；2006年《南通市能源節(jié)約與新能源發(fā)展“十一五”規(guī)劃》的獲批立項(xiàng)更是為水電等新能源的開發(fā)提供了良好契機(jī)。

（3）生態(tài)盈虧及可持續(xù)發(fā)展水平分析。依據(jù)以上結(jié)果，對南通市生態(tài)盈虧及可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行分析：①1996—2010年南通市基本處于生態(tài)赤字狀態(tài)，大約在0.1～0.3hm2內(nèi)波動，可持續(xù)性評價(jià)指數(shù)也大于0.5。②2007—2010年南通市生態(tài)赤字下降顯著，基本維持在0.2hm2以上，可持續(xù)性評價(jià)指數(shù)也相應(yīng)向0.5靠攏。這表明：1996—2010年15a間南通市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展已超出其環(huán)境資源的承載范圍，總體處于不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，但2007年以后逐漸向可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)靠攏。

4 結(jié)論

（1）1996—2010年間南通市人均生態(tài)足跡由0.65hm2增長到0.90hm2，主要是由能源消費(fèi)量的增加導(dǎo)致的。

（2）同期南通市人均生態(tài)承載力由0.51hm2增長到0.81hm2，這主要是由農(nóng)、畜產(chǎn)品產(chǎn)量提高和水電開發(fā)力度加大支撐的，而通過勞務(wù)、資金投入提高承載力的空間很大。

（3）1996—2010年南通市一直處于生態(tài)赤字狀態(tài)，可持續(xù)性評價(jià)指數(shù)也都在0.5以上，區(qū)域發(fā)展處于不可持續(xù)狀態(tài)，但2007年后有向可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢。為進(jìn)一步縮小生態(tài)承載力與生態(tài)足跡之間的差距，實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)采取以下措施：① 引導(dǎo)重點(diǎn)行業(yè)和企業(yè)節(jié)能降耗，大力發(fā)展新能源；② 加大農(nóng)業(yè)科技投入，繼續(xù)提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量；③ 重視人力資源的投入，促使經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式向技術(shù)密集型、資本密集型轉(zhuǎn)變。

修正后的能值—生態(tài)足跡模型因在生態(tài)承載力的測算中增加了人工投入指標(biāo)，使生態(tài)承載力賬戶同時(shí)覆蓋自然與人類社會兩個(gè)層面，比修正前模型的賬戶覆蓋面更廣。其研究結(jié)果與修正前模型相比［13］，生態(tài)赤字明顯偏小且不再呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢，可以更好地反映出區(qū)域資源環(huán)境利用的真實(shí)狀況，更具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。但是由于低于國家層面區(qū)域尺度的經(jīng)貿(mào)往來具有復(fù)雜性，無法對所有貿(mào)易類型及數(shù)量進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，修正后的模型未考慮區(qū)域間貿(mào)易對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的影響，這難免會對研究結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。另外，修正后的能值—生態(tài)足跡模型在生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的測算中統(tǒng)一采用了區(qū)域能值密度，雖然解決了區(qū)內(nèi)生態(tài)足跡和生態(tài)承載力可比性的問題，但無法開展區(qū)域間比較。

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