基于能值定理的生態(tài)足跡模型修正研究
——以長(zhǎng)沙市為例

曾曉霞，劉云國(guó)*，黃 磊，胡新將，曾光明，譚小飛，湯 慧，樊揚(yáng)帆（.湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，環(huán)境生物與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 4008；.中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京0090）

基于能值定理的生態(tài)足跡模型修正研究
——以長(zhǎng)沙市為例

曾曉霞1，劉云國(guó)1*，黃 磊2，胡新將1，曾光明1，譚小飛1，湯 慧1，樊揚(yáng)帆1（1.湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，環(huán)境生物與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100190）

能值生態(tài)足跡模型是定量分析區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要方法，然而其計(jì)算未考慮到經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步對(duì)生態(tài)承載力的影響，得出的結(jié)論往往具有一定的誤差.因此，本文引入社會(huì)經(jīng)濟(jì)虛擬承載力賬戶對(duì)該模型進(jìn)行修正，并以長(zhǎng)沙市為例進(jìn)行驗(yàn)證.結(jié)果表明:通過相關(guān)性對(duì)比分析，修正模型可突破傳統(tǒng)模型具有生態(tài)偏向的弱可持續(xù)性評(píng)價(jià)局限，其計(jì)算結(jié)果更加科學(xué)合理.基于修正模型，2000～2011年長(zhǎng)沙市的生態(tài)承載力變化不大，年均值為2.31hm2/人，而生態(tài)足跡呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，年均值為2.44hm2/人.這導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)逐年加劇的生態(tài)超載現(xiàn)象，年人均生態(tài)赤字為0.13hm2/人.通過多元統(tǒng)計(jì)分析方法得出，農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和重工業(yè)能耗的壓力大是造成其生態(tài)赤字的主要原因.

能值；修正；可持續(xù)發(fā)展；長(zhǎng)沙

生態(tài)安全作為保障國(guó)家安全和社會(huì)穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)，與其相關(guān)的研究已成為近年來學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn).生態(tài)足跡模型的基本思想是通過計(jì)算人類所消耗的資源量與區(qū)域所能提供的資源量之間的差值來評(píng)價(jià)區(qū)域發(fā)展的生態(tài)安全程度［1-2］.它將人類消耗的自然資源和排放的廢棄物轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的生物生產(chǎn)性土地面積與現(xiàn)存的土地面積比較來衡量人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r［3-4］.其中，能值生態(tài)足跡模型是生態(tài)足跡研究的一種重要改進(jìn)方法［5-6］，其將能值分析理論［7-8］和傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型［9］相結(jié)合，將各種能量流換算成生物生產(chǎn)性土地面積，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型在土地類型功能性劃分單一，溫室氣體考慮不全面，因子選取口徑不統(tǒng)一等方面的缺點(diǎn).因有較完善的科學(xué)理論基礎(chǔ)、簡(jiǎn)明的指標(biāo)體系、直觀明了的結(jié)果，能有效的量化人類社會(huì)與自然環(huán)境之間的相互關(guān)系，能值生態(tài)足跡模型迅速成為了定量分析區(qū)域可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r的熱門方法［10-11］.從20世紀(jì)末開始，陸續(xù)有國(guó)內(nèi)外學(xué)者將該模型運(yùn)用于城市尺度［12-14］，區(qū)域尺度［5，15-16］以及國(guó)家尺度［17-18］的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展研究當(dāng)中.

隨著在實(shí)踐中的運(yùn)用，能值生態(tài)足跡模型得到了不同程度的改進(jìn).如，生態(tài)承載力賬戶及生態(tài)足跡賬戶的指標(biāo)體系得到了細(xì)化分類，生態(tài)承載力的運(yùn)算提高了對(duì)生物多樣性保護(hù)需求的比重，引入凈初級(jí)生產(chǎn)力的概念為能值轉(zhuǎn)換率的計(jì)算方法提供了新方向等［17-19］.然而，能值生態(tài)足跡模型存在的生態(tài)偏向性問題仍未能得到有效的解決［20］.由于生態(tài)足跡模型側(cè)重于衡量生態(tài)的可持續(xù)程度，強(qiáng)調(diào)人類發(fā)展對(duì)環(huán)境系統(tǒng)的影響及其可持續(xù)性，其承載力計(jì)算基于自然資源的多寡而往往忽略了經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、技術(shù)等方面帶來的影響.隨著人類社會(huì)的文明進(jìn)步及科技發(fā)展，資源的利用效率和利用方式得到了集約化的轉(zhuǎn)變，為人類所利用的可更新資源范圍不斷擴(kuò)展，單位資源或生態(tài)質(zhì)量能帶來更多的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出.因此，生態(tài)承載力的計(jì)算如果忽略經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步的因素，往往會(huì)導(dǎo)致生態(tài)盈虧的結(jié)論與現(xiàn)實(shí)狀況不符.

近年來，加入經(jīng)濟(jì)和科技影響作用的能值生態(tài)足跡模型修正研究引起了一些國(guó)內(nèi)學(xué)者的重視.王健民等［21］提出生態(tài)足跡模型研究需要反映出社會(huì)經(jīng)濟(jì)科學(xué)技術(shù)的反饋力和動(dòng)態(tài)性；趙志強(qiáng)等［22］將人力資源納入了生態(tài)足跡模型的可持續(xù)評(píng)價(jià)范疇；顧康康等［23］在生態(tài)足跡模型研究中提出了社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展指數(shù)的概念.然而，目前結(jié)合經(jīng)濟(jì)科技因素的能值生態(tài)承載力修正研究仍處于起步階段，如何將該因素的作用納入到生態(tài)承載力指標(biāo)體系，是其急需探討和解決的關(guān)鍵問題.基于此現(xiàn)狀，本文從自然資源和經(jīng)濟(jì)科技水平的角度出發(fā)，引入自然資源生態(tài)承載力和社會(huì)經(jīng)濟(jì)虛擬承載力兩類賬戶，擴(kuò)充和完善能值生態(tài)承載力的發(fā)展內(nèi)涵，為能值生態(tài)足跡模型評(píng)價(jià)體系的修正研究及區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)性綜合評(píng)價(jià)提供一種新思路.同時(shí)，本文以湘江城市群的典型城市——長(zhǎng)沙市為例對(duì)該改進(jìn)方法進(jìn)行驗(yàn)證，探討修正模型耦合的效果，并結(jié)合生態(tài)評(píng)價(jià)分析指標(biāo)和相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析方法來評(píng)估長(zhǎng)沙市的生態(tài)安全狀況，為同類地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展研究提供科學(xué)參考.

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)域

長(zhǎng)沙處于從丘陵向平原的過渡地帶，位于湖南省東部偏北，是湘江城市群（包括岳陽、株洲、湘潭、長(zhǎng)沙、衡陽、永州等市）的核心城市.全市土地面積1.18萬km2，其中城區(qū)面積556km2.城區(qū)三面環(huán)水，河網(wǎng)密布，河流大都屬湘江水系.湘江流經(jīng)長(zhǎng)沙市的常年徑流量年均達(dá)692.50億m3.氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，降水充沛，雨熱同期，四季分明，年平均氣溫17.2℃.土壤以紅壤、水稻土為主.長(zhǎng)沙市綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力在湘江城市群乃至我國(guó)中部城市中均名列前茅，主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)以工業(yè)機(jī)械、生物醫(yī)藥、新材料及汽車零部件為主，重工業(yè)對(duì)規(guī)模工業(yè)增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率較高，達(dá)到70%以上.

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取采用查閱與分析相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料的方法，并通過實(shí)地調(diào)查，補(bǔ)充和核對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)資料.其中相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料包括2000～2011年的《長(zhǎng)沙統(tǒng)計(jì)年鑒》、《湖南統(tǒng)計(jì)年鑒》、《湖南年鑒》、《湖南經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展60年（1949-2009）》及相關(guān)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒及報(bào)表等.

1.3 能值生態(tài)足跡修正模型的計(jì)算方法

1.3.1 加入社會(huì)經(jīng)濟(jì)虛擬承載力賬戶的生態(tài)承載力修正計(jì)算 自然資源的生態(tài)承載力賬戶是自然界的可更新資源能值的疊加計(jì)算.其包含的可更新能源有太陽輻射能，風(fēng)能，雨水化學(xué)能，雨水勢(shì)能，地球旋轉(zhuǎn)能以及3%表層土壤有機(jī)能等6種.為避免重復(fù)計(jì)算，根據(jù)能值理論，同一性質(zhì)的能量投入只取其中的最大值［4，24］.如風(fēng)能、雨水化學(xué)能和雨水勢(shì)能都是太陽光的轉(zhuǎn)化形式，選其中數(shù)值最大的一項(xiàng)代入總能值中.因此，研究地區(qū)獲得的能值即由太陽輻射能、地球旋轉(zhuǎn)能以及表層土壤有機(jī)能3種類型組成.計(jì)算公式為:

式中:ECn為人均自然資源生態(tài)承載力賬戶，hm2/人；E為可更新資源的能值，Sej；P1為全球平均能值密度，數(shù)值為3.1×1014Sej/hm2［11，17，19］；N為人口數(shù)量；ei為第i種同類可更新資源的最大值，Sej.

不同階段的社會(huì)經(jīng)濟(jì)模式對(duì)自然界物資和能量的開發(fā)和挖掘水平不同.因此，為綜合考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)對(duì)生態(tài)承載力的影響，在計(jì)算中引入社會(huì)經(jīng)濟(jì)虛擬承載力賬戶對(duì)生態(tài)承載力進(jìn)行修正.計(jì)算公式為:

式中:ECe為人均社會(huì)經(jīng)濟(jì)虛擬承載力賬戶（hm2/人）；te為能值-資本轉(zhuǎn)換率［25］；Vt為高新技術(shù)產(chǎn)值因子，代表技術(shù)水平發(fā)展的變化情況；Va為固定資產(chǎn)投資能力因子，代表經(jīng)濟(jì)發(fā)展能力的變化情況；Vs為勞動(dòng)力資源因子，代表社會(huì)人力資源規(guī)模的變化情況；Vg為區(qū)域的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值；γ為以某年份作為基期的生產(chǎn)價(jià)格指數(shù)，本文以2011年為基期.

因此，修正后的人均生態(tài)承載力即由人均自然資源生態(tài)承載力賬戶與人均社會(huì)經(jīng)濟(jì)虛擬承載力賬戶共同構(gòu)成.計(jì)算公式為:

式中:EC為人均生態(tài)承載力，hm2/人.

1.3.2 生態(tài)足跡計(jì)算 由于本地生產(chǎn)的產(chǎn)品無論是否被本地消費(fèi)，均消耗了本地的生態(tài)資源，因此本文生態(tài)足跡賬戶的計(jì)算從區(qū)域的生產(chǎn)角度出發(fā)，用地區(qū)的生產(chǎn)量來代替消費(fèi)量.賬戶分為耕地、林地、草地、水域、建筑用地及化石能源用地等6種生物生產(chǎn)性土地類型.首先，計(jì)算區(qū)域能值密度:

式中:P2為區(qū)域能值密度，Sej/hm2；U為區(qū)域的自然資源能值總量，Sej；S為區(qū)域面積，hm2.

然后引入太陽能值轉(zhuǎn)換率［25］，即單位能量或物質(zhì)中所含的太陽能值之量.通過資源項(xiàng)目的能量轉(zhuǎn)換率計(jì)算其所包含的能量，將太陽能值轉(zhuǎn)換率乘以給定項(xiàng)目的能量，即可將各項(xiàng)目給定的能量換算為太陽能值.區(qū)域各項(xiàng)目的太陽能值除以區(qū)域總?cè)丝?，則為各項(xiàng)目的人均太陽能值.

式中:Ci為第i種資源的人均太陽能值，Sej/人； mi為第i種可更新資源所包含的能量值，J［25］；Ti為第i種可更新資源的太陽能值轉(zhuǎn)換率，Sej/J或Sej/g［24-25］.

最后將各項(xiàng)目的人均太陽能值換算成對(duì)應(yīng)的生物生產(chǎn)性土地面積.計(jì)算公式為:

式中:EF為人均生態(tài)足跡，hm2/人；ai為第i種資源的人均生態(tài)足跡，hm2/人.

1.3.3 生態(tài)盈虧 將各項(xiàng)目的人均生態(tài)足跡匯總，與人均生態(tài)承載力進(jìn)行比較，來衡量研究地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展情況.若人均生態(tài)足跡大于人均生態(tài)承載力，則該地區(qū)存在生態(tài)赤字；反之，則該地區(qū)存在生態(tài)盈余.計(jì)算公式為:

式中:EB為人均生態(tài)赤字或生態(tài)盈余，hm2/人.

1.4 生態(tài)足跡評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.4.1 生態(tài)差額指數(shù) 生態(tài)差額指數(shù)是表達(dá)區(qū)域環(huán)境生態(tài)可持續(xù)狀況的常用指標(biāo)，被廣泛的運(yùn)用于區(qū)域生態(tài)安全狀況的評(píng)價(jià)及比較當(dāng)中［3，26］.該指數(shù)介于0到1之間，當(dāng)其為0.5時(shí)，說明生態(tài)承載力等于生態(tài)足跡，即區(qū)域能夠提供的可更新資源量與人類從中實(shí)際獲取的資源量相等，兩者處于平衡狀態(tài)，是可持續(xù)發(fā)展與不可持續(xù)發(fā)展的臨界點(diǎn)；當(dāng)其大于0.5時(shí)，則區(qū)域處于生態(tài)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，且該值越接近于1則區(qū)域生態(tài)可持續(xù)性程度越高；當(dāng)其小于0.5時(shí)，則區(qū)域處于生態(tài)不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，且該值越接近于0則區(qū)域生態(tài)不可持續(xù)性程度越高.計(jì)算公式為:

式中:EGI為生態(tài)差額指數(shù).

1.4.2 生態(tài)多樣性指數(shù) 生態(tài)多樣性指數(shù)用于衡量生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中生態(tài)足跡的分配情況.由兩部分組成，一是豐裕度，即不同生物生產(chǎn)性土地類型利用的數(shù)量，二是公平度，即測(cè)量生態(tài)足跡的分配狀況.對(duì)給定系統(tǒng)組分的生態(tài)經(jīng)濟(jì)來說，生態(tài)足跡的分配越接近平等，生態(tài)多樣性越高［27］.計(jì)算公式為:

式中:H是生態(tài)多樣性指數(shù)；Pi為第i類生物生產(chǎn)性土地的生態(tài)足跡在總生態(tài)足跡中的比例.

1.4.3 萬元GDP生態(tài)足跡指數(shù) 萬元GDP生態(tài)足跡是指產(chǎn)生每一萬元GDP所占用的生態(tài)足跡.該指標(biāo)一方面可反映資源利用效率，一方面也可表征各地在資源利用效率上的差異［28］.萬元GDP生態(tài)足跡越高說明資源利用率越小，反之，則資源的利用率越大.計(jì)算公式為:

式中:GE為萬元GDP生態(tài)足跡指數(shù).

1.4.4 發(fā)展能力指數(shù) 將生態(tài)足跡中各類型的生物生產(chǎn)性土地面積作為測(cè)算生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)多樣性的指標(biāo)，并采用Ulanowicz發(fā)展能力公式［27］，分析區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力，即

式中:C為發(fā)展能力指數(shù).

1.5 生態(tài)足跡的驅(qū)動(dòng)力分析

生態(tài)足跡的變化，除了與自然資源的優(yōu)劣，多寡有關(guān)之外，與當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源管理，人口數(shù)量，社會(huì)經(jīng)濟(jì)，技術(shù)水平等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素亦密切相關(guān)［29］.本文選取人口規(guī)模，GDP，固定投資/GDP，三次產(chǎn)業(yè)占GDP的比例，重工業(yè)率，家庭恩格爾系數(shù)，財(cái)政收入/GDP，城鄉(xiāng)居民實(shí)際收入比，城鎮(zhèn)率，進(jìn)出口總額等12項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)［29-30］，量化區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)對(duì)本地生態(tài)足跡的驅(qū)動(dòng)作用.

首先，采用主成分分析法將選取的多個(gè)自變量組合成少數(shù)且相互獨(dú)立的能充分反映總體信息的指標(biāo)，以避免指標(biāo)間由于多元共線性而無法得出正確結(jié)論.然后，運(yùn)用多元回歸模型的向后剔除法，將相關(guān)系數(shù)較大的主成分因子與生態(tài)足跡時(shí)間序列進(jìn)行多元線性回歸建模分析，淘汰sig ＞0.1的指標(biāo)，找出影響本地區(qū)生態(tài)足跡變化的關(guān)鍵社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素.主成分分析與多元線性回歸分析由SPSS 18中的相應(yīng)功能完成.

2 結(jié)果與討論

2.1 基于能值生態(tài)足跡修正模型的長(zhǎng)沙市生態(tài)安全狀況分析

根據(jù)能值生態(tài)足跡修正模型，長(zhǎng)沙市各類生態(tài)承載力的主要計(jì)算結(jié)果見表1（以2011年為例）.從圖1可見，2000～2011年間長(zhǎng)沙市的生態(tài)承載力變化幅度較小，人均生態(tài)承載力在2.01～2.70hm2/人之間，年均值為2.31hm2/人.其中，自然資源生態(tài)承載力賬戶（原生態(tài)承載力）在年均值0.89hm2/人附近上下波動(dòng).社會(huì)經(jīng)濟(jì)虛擬承載力賬戶對(duì)長(zhǎng)沙市年人均生態(tài)承載力的貢獻(xiàn)高于自然資源賬戶，并呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其貢獻(xiàn)率從2000年的70.05%提高到了2011年的75.90%.這從一方面說明，自然界的能值是一定的，生態(tài)承載力的提升主要依靠科技力量對(duì)自然資源潛能的挖掘和開發(fā).然而，雖然社會(huì)經(jīng)濟(jì)虛擬承載力賬戶的加入修正了原有生態(tài)承載力的局限性，修正后的生態(tài)承載力較原生態(tài)承載力有了一定的提高，但長(zhǎng)沙市的生態(tài)承載力在湘江城市群中仍處于中低水平（圖2），這與其人口較多，土壤肥力較差，林地面積相對(duì)不足，區(qū)域面積較小等因素有關(guān).

長(zhǎng)沙市的生態(tài)足跡呈現(xiàn)波浪式快速上升趨勢(shì)，最小值和最大值分別為2002年的1.89hm2/人和2011年的3.13hm2/人，年人均生態(tài)足跡為2.44hm2/人.其中，草地的年人均生態(tài)足跡所占比重最大，為總生態(tài)足跡的64.53%；其次是耕地和石化能源用地，分別占比13.71%和13.51%；林地的比重最小，為0.86%.長(zhǎng)沙市各類生態(tài)足跡的主要計(jì)算結(jié)果見表2（以2011年為例）.

表1 基于能值生態(tài)足跡修正模型的長(zhǎng)沙市生態(tài)承載力計(jì)算結(jié)果（2011年）Tabel 1 The calculation result of the ecological carrying capacity in Changsha City based on the modified emergetic ecological footprint model （the year of 2011）

表2 長(zhǎng)沙市的生態(tài)足跡計(jì)算結(jié)果（2011年）Tabel 2 The calculation result of the ecological footprint in Changsha City （the year of 2011）

圖1 基于能值生態(tài)足跡修正模型的長(zhǎng)沙市生態(tài)安全狀況Fig.1 The ecological security of Changsha City based on the modified emergetic ecological footprint model

圖2 長(zhǎng)沙市和湘江城市群的年人均生態(tài)承載力、年人均生態(tài)足跡及年人均生態(tài)赤字對(duì)比Fig.2 The contrast of the average ecological carrying capacity， the average ecological footprint and the average ecological deficit between Changsha City and the city cluster of the Xiangjiang River basin

同理，根據(jù)上述能值生態(tài)足跡修正模型及計(jì)算方法，得出湘江城市群的生態(tài)安全狀況.從城市群區(qū)域范圍來看（圖2），長(zhǎng)沙的生態(tài)足跡低于湘江城市群的平均水平，且對(duì)該地區(qū)的總體生態(tài)足跡的貢獻(xiàn)率逐年縮小，年人均生態(tài)足跡僅占到了該地區(qū)年均值的82.96%.雖然在研究初期，長(zhǎng)沙市的生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)出現(xiàn)了短暫的生態(tài)盈余時(shí)期，然而隨著生態(tài)足跡的持續(xù)增長(zhǎng)，生態(tài)承載力已不足以與生態(tài)足跡抗衡.在2003年長(zhǎng)沙市首次出現(xiàn)生態(tài)赤字，隨后該生態(tài)超載狀況逐步加重.生態(tài)赤字由2003年的0.05hm2/人變?yōu)?011年的0.42hm2/人，年均值為0.13hm2/人，是湘江城市群年人均生態(tài)赤字的30.71%.

2.2 修正前后的能值生態(tài)足跡模型計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析

圖3 長(zhǎng)沙市的生態(tài)赤字與生態(tài)差額指數(shù)的相關(guān)性分析Fig.3 The correlation analysis of the ecological deficit and the ecological gap index in Changsha City

2.2.1 生態(tài)承載力的對(duì)比 生態(tài)承載力是指生態(tài)系統(tǒng)通過自我維持、自我調(diào)節(jié)，所能支撐的最大社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度和具有一定生活水平的人口數(shù)量，與反映一個(gè)地區(qū)可持續(xù)發(fā)展能力和水平的發(fā)展能力指數(shù)具有一定的關(guān)聯(lián)性［23］.因此，可以通過生態(tài)承載力與發(fā)展能力指數(shù)的相關(guān)性分析來驗(yàn)證修正生態(tài)承載力計(jì)算結(jié)果的有效性和可行性.Pearson相關(guān)分析的結(jié)果表明，修正前后的年人均生態(tài)承載力與發(fā)展能力指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.271和0.860**（*表示P＜0.05，**表示P＜0.01），修正模型的生態(tài)承載力更能反映出區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展能力及水平.

2.2.2 生態(tài)赤字的對(duì)比 生態(tài)差額指數(shù)反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境中生態(tài)占用的可持續(xù)利用程度，與反映人類負(fù)荷與生態(tài)容量關(guān)系的生態(tài)盈虧具有一定聯(lián)系.由圖3可見，原模型與修正模型的人均生態(tài)赤字與生態(tài)差額指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.818**和0.960**（*表示P ＜ 0.05，**表示P ＜ 0.01）.修正模型可有效地克服因低估實(shí)際的生態(tài)承載力而導(dǎo)致生態(tài)赤字表現(xiàn)出普遍偏大的系統(tǒng)誤差現(xiàn)象，更能反映出區(qū)域的生態(tài)負(fù)荷狀況.

綜上分析可以得出，與傳統(tǒng)的生態(tài)承載力計(jì)算方法相比，修正生態(tài)承載力計(jì)算方法在考慮自然資源承載力的基礎(chǔ)上，肯定了社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)生態(tài)承載力的影響作用，能較敏感地反映出城市生態(tài)產(chǎn)出和資源利用率的變化，計(jì)算賬戶更完整，計(jì)算結(jié)果更合理，更符合實(shí)際生態(tài)容量情況；而傳統(tǒng)方法只考慮了可更新資源及研究地區(qū)土地面積的多寡，不僅忽略了土地生產(chǎn)率提高的事實(shí)，也忽略了可更新資源概念的延伸性和擴(kuò)展性，因而低估了實(shí)際的承載力.

2.3 長(zhǎng)沙市的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r分析

鑒于能值生態(tài)足跡修正模型的有效性和科學(xué)性，在運(yùn)用該修正模型計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合生態(tài)足跡評(píng)價(jià)指標(biāo)和相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析方法來評(píng)估長(zhǎng)沙市的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r.

2.3.1 社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)足跡的關(guān)聯(lián) 由圖4可見，在2000～2011年期間，長(zhǎng)沙市的萬元GDP生態(tài)足跡逐年下降，且該數(shù)值明顯低于湘江城市群.兩者的年均值分別為1.00和2.25，在12年間分別下降了77%和73%.這表明長(zhǎng)沙市的技術(shù)水平和生物生產(chǎn)性土地的產(chǎn)出率相對(duì)較高，資源利用效率高于其所在城市群的整體水平.科技進(jìn)步和科學(xué)管理對(duì)提高生產(chǎn)力和資源利用效率起到了很大作用，而資源利用效率的提高是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式發(fā)生良性轉(zhuǎn)變的反映［31］.這亦是長(zhǎng)沙市的生態(tài)赤字低于城市群平均水平的重要原因.

圖4 長(zhǎng)沙市與湘江城市群的萬元GDP生態(tài)足跡指數(shù)對(duì)比Fig.4 The contrast of the ecological footprint per capita GDP between Changsha City and the city cluster of the Xiangjiang River basin

然而，目前長(zhǎng)沙市的生態(tài)系統(tǒng)仍處在超負(fù)荷狀態(tài)，且生態(tài)足跡具有逐年加劇的趨勢(shì).通過多元統(tǒng)計(jì)分析方法得出，重工業(yè)率（相關(guān)系數(shù)=3.84，sig.=0.02）和人口規(guī)模（相關(guān)系數(shù)=11.49，sig.=0.00）與長(zhǎng)沙市的生態(tài)足跡具有顯著正相關(guān)，表明該兩者對(duì)于長(zhǎng)沙市的生態(tài)足跡變化具有強(qiáng)烈的正向驅(qū)動(dòng)性.長(zhǎng)沙市工業(yè)發(fā)展快速，重工業(yè)行業(yè)表現(xiàn)尤為突出，其占第二產(chǎn)業(yè)的比重由2000年的47%上升到了2011年的76%.目前，長(zhǎng)沙市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展很大程度上依靠對(duì)資源和能源的消耗，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式仍處于資源消耗型階段.另外，長(zhǎng)沙市年均人口增長(zhǎng)率達(dá)到10.36%，人口密度為596 人/km2.對(duì)于人口密集地區(qū)而言，食物的供給需求以及能耗需求勢(shì)必會(huì)對(duì)生態(tài)足跡的上升起到?jīng)Q定性的作用.

2.3.2 可持續(xù)發(fā)展的潛在風(fēng)險(xiǎn)分析 如圖5所示，在2000～2011年間，湘江城市群的生態(tài)多樣性指數(shù)處于平穩(wěn)上升狀態(tài)，年均生態(tài)多樣性指數(shù)為0.57.這說明，湘江城市群的生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)歷年來對(duì)各種生物生產(chǎn)性土地類型開發(fā)所造成的影響變化不大，并越來越注意對(duì)各類型土地的均衡開發(fā)利用.湘江城市群2011年的發(fā)展能力指數(shù)較研究初期上升了35.46%，年均發(fā)展能力指數(shù)為1.81.然而，長(zhǎng)沙市的生態(tài)多樣性指數(shù)和發(fā)展能力指數(shù)均低于湘江城市群的整體水平，年均值分別為0.47和1.15，分別比湘江城市群的低了18.83%和36.54%.這表明了較湘江城市群而言，長(zhǎng)沙市對(duì)各類型資源開發(fā)利用度的失衡性明顯，使其生態(tài)系統(tǒng)不能充分發(fā)揮多樣化結(jié)構(gòu)價(jià)值和調(diào)節(jié)功能，可持續(xù)發(fā)展能力表現(xiàn)相對(duì)較弱，生態(tài)安全面臨著潛在風(fēng)險(xiǎn).

圖5 長(zhǎng)沙市與湘江城市群的生態(tài)多樣性指數(shù)與發(fā)展能力指數(shù)對(duì)比Fig.5 The contrast of the ecological diversity index and the development capacity index between Changsha City and the city cluster of the Xiangjiang River basin

2.4 討論

本研究將社會(huì)科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的影響作用納入能值生態(tài)足跡模型的生態(tài)承載力評(píng)價(jià)范疇，并將其劃分為自然資源生態(tài)承載力和社會(huì)經(jīng)濟(jì)虛擬承載力兩類賬戶進(jìn)行分類計(jì)算.相關(guān)性驗(yàn)證分析表明，該修正方法是科學(xué)有效的，其得出的計(jì)算結(jié)果與生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合效果較原模型更接近于區(qū)域?qū)嶋H的發(fā)展?fàn)顩r，適用于統(tǒng)一評(píng)價(jià)尺度的區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)和對(duì)策研究.然而，能值生態(tài)足跡模型涉及的數(shù)據(jù)分析量較大且計(jì)算過程復(fù)雜，為進(jìn)一步提高該修正方法的應(yīng)用價(jià)值，完善和探討評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和賬戶分類方法、能值分析理論與生態(tài)足跡指標(biāo)之間的橋梁性折算系數(shù)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合驅(qū)動(dòng)力分析等是今后研究的重點(diǎn)內(nèi)容.

基于該修正模型分析方法的可持續(xù)能力評(píng)價(jià)結(jié)果表明，長(zhǎng)沙市目前處于生態(tài)超載狀態(tài)，且呈現(xiàn)出不斷加劇的趨勢(shì).通過多元統(tǒng)計(jì)分析得出，人口規(guī)模的逐步擴(kuò)大、重工業(yè)的迅速發(fā)展，既而導(dǎo)致較大的生產(chǎn)壓力和能耗壓力，是促使長(zhǎng)沙市生態(tài)負(fù)荷持續(xù)加劇的主要原因.因此，在資源總量和生態(tài)服務(wù)供給有限的條件下，增加生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外部反饋投入的轉(zhuǎn)換能力，提高資源利用效率，是在生態(tài)安全背景下社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的核心部分.基于長(zhǎng)沙市生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，在今后的建設(shè)發(fā)展過程中一是要提升農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)的集約式發(fā)展水平，鼓勵(lì)發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，提高單位面積生物生產(chǎn)力及本地生態(tài)承載力；二是要優(yōu)化配置和集約利用各類資源，調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)，積極開發(fā)利用清潔能源，并適度引進(jìn)緊缺資源和能源等，降低本地生態(tài)足跡的壓力，實(shí)現(xiàn)城市生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的協(xié)調(diào)發(fā)展.

3 結(jié)論

3.1 加入社會(huì)經(jīng)濟(jì)虛擬承載力賬戶的能值生態(tài)足跡修正模型可彌補(bǔ)原模型由于存在生態(tài)偏向性而導(dǎo)致的弱可持續(xù)性評(píng)價(jià)局限，為生態(tài)足跡方法的修正和優(yōu)化研究提供一定的科學(xué)參考.

3.2 修正模型的研究結(jié)果表明，在2000～2011年間，長(zhǎng)沙市的年人均生態(tài)承載力為2.31hm2/人，年人均生態(tài)足跡為2.44hm2/人.從2003年起長(zhǎng)沙市開始處于生態(tài)超載狀態(tài)，農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)壓力和重工業(yè)能耗壓力大是促使其生態(tài)赤字不斷加劇的主要原因.

3.3 從湘江城市群區(qū)域范圍來看，長(zhǎng)沙市的資源利用效率水平較高，是其生態(tài)赤字低于城市群平均水平的重要因素.然而，長(zhǎng)沙市需重視資源的均衡開發(fā)利用，使其保持良好的發(fā)展能力，降低可持續(xù)發(fā)展的潛在風(fēng)險(xiǎn).

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The modified model of the emergetic ecological footprint: a case study of Changsha City.

ZENG Xiao-xia1， LIU Yun-guo1*， HUANG Lei2， HU Xin-jiang1， ZENG Guang-ming1， TAN Xiao-fei1， TANG Hui1， FAN Yang-fan1（1.Key Laboratory of Environmental Biology and Pollution Control， Ministry of Education， College of Environmental Science and Engineering， Hunan University， Changsha 410082， China；2.Institute for the History of Natural Sciences， Chinese Academy of Sciences， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）. China Environmental Science， 2015，35（1）：312～320

The emergetic ecological footprint model has been considered to be a valuable and significant method for quantitatively analyzing regional sustainable development. Nevertheless， the deviated results are affected by the ecological carrying capacity， which is not accounted with the factors of economy， science and technology progress. This research introduced the virtual accounts of socio-economic development to modify the model， and took Changsha City as an example for validity check. The results indicated that the modified model， which paid more attention to the elements of eco-economic system but only the ecological component， were more reliable， accurate and reasonable than the original model. Based on the modified emergetic ecological footprint model， the annual ecological carrying capacities of Changsha City were without significant change from 2000to 2011， with the average value of 2.31hm2per capita. While the ecological footprint， which average value was 2.44hm2per capita， exhibited a trend of rapid growth and caused a gradually increase of the ecological deficit with the average value of 0.13hm2per capita. The giant pressures from the agricultural activity and the heavy industry with high-level energy consumption were considered to be the principal factors， which prompted the growth of the local ecological deficit.

emergy； modify； sustainable development； Changsha City

X171.1

A

1000-6923（2015）01-0312-09

曾曉霞（1986-），女，廣西北海人，湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生，研究方向?yàn)閰^(qū)域可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境修復(fù).發(fā)表論文5篇.

2014-05-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41271332）；湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012SK2021）

* 責(zé)任作者， 教授， liuyunguo@hnu.edu.cn