基于改進三維生態(tài)足跡模型的張家口市生態(tài)可持續(xù)性評價

劉 超, 許月卿, 孫丕苓, 劉 佳

(中國農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院, 北京 100193)

基于改進三維生態(tài)足跡模型的張家口市生態(tài)可持續(xù)性評價

劉 超, 許月卿, 孫丕苓, 劉 佳

(中國農業(yè)大學 資源與環(huán)境學院, 北京 100193)

[目的] 定量分析張家口市2003—2013年的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)，并對未來生態(tài)可持續(xù)發(fā)展趨勢進行預測，以期為張家口市生態(tài)系統(tǒng)結構優(yōu)化及生態(tài)建設和管理提供決策依據(jù)。 [方法] 應用改進三維生態(tài)足跡模型，核算張家口市各土地利用類型的三維生態(tài)足跡，并運用GM(1，1)灰色預測模型預測其未來生態(tài)可持續(xù)變化趨勢。 [結果] 2003—2013年張家口市人均生物承載力整體不斷減少，人均生態(tài)足跡、人均生態(tài)赤字、人均生態(tài)足跡深度與人均生態(tài)足跡廣度均呈整體增加趨勢；化石燃料土地、建筑用地、水域、耕地、草地與林地的人均生態(tài)足跡均呈增加趨勢；除草地和林地外，其他生物生產性土地人均生物承載力不斷減少；建筑用地、耕地與林地表現(xiàn)為生態(tài)盈余，人均生態(tài)足跡深度處于自然原長；化石燃料土地、草地與水域呈生態(tài)赤字狀態(tài)，草地與水域人均生態(tài)足跡深度不斷增加；2014—2020年人均生態(tài)足跡將逐年增加，人均生物承載力將逐年減少，張家口市生態(tài)發(fā)展處于不可持續(xù)狀態(tài)。 [結論] 未來應采取開發(fā)新型能源，發(fā)展生態(tài)農業(yè)、旅游業(yè)，增加生態(tài)用地面積等措施來緩解生態(tài)環(huán)境壓力，提高區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力。

生態(tài)可持續(xù)性; 三維生態(tài)足跡;GM(1,1)模型; 張家口市

自然資源和生態(tài)環(huán)境是維持區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的根本。隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，人們生產與消費水平得到極大提高，而氣候變暖、資源枯竭和環(huán)境惡化等一系列問題也隨之出現(xiàn)，并日益成為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的阻礙因素，因此，如何協(xié)調區(qū)域發(fā)展和生態(tài)保護之間的矛盾是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關鍵所在，也是國際社會和學術界關注的焦點[1-3]。

生態(tài)可持續(xù)性既是可持續(xù)發(fā)展的重要內容，也是可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境基礎，是指要比以往的經(jīng)濟獲得更大的效益，使以往的生態(tài)環(huán)境得到進一步的改善，使人的生活質量得到更大的提高，并滿足生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)在“時間上的可持續(xù)性”、“空間上的可持續(xù)性”和“資源優(yōu)化上的可持續(xù)性”[1]。自然資本是生態(tài)系統(tǒng)所提供的自然資源與生態(tài)服務的總稱，分為流量資本和存量資本兩部分[3]，人類對自然資本需求及供給的測度，即生態(tài)可持續(xù)性評價，是衡量可持續(xù)發(fā)展的重要標準，最常用的分析方法是生態(tài)足跡法(ecological footprint， EF)[4]。生態(tài)足跡法是由著名生態(tài)經(jīng)濟學家Ree等[5]在1992年提出，1996年Wackernagel等[6]進一步發(fā)展為計算和衡量人類對自然資源利用程度以及自然界為人類提供服務功能大小的一種新方法，并在國內外得到了廣泛應用和實踐[7-10]。為了克服傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型評估結果信息量不足、政策相關性較弱的缺陷，Niccolucci等[11]提出了三維生態(tài)足跡(three dimensional ecological footprint， EF3D)的概念，即引入足跡廣度(footprint size， EFsize)和足跡深度(footprint depth， EFdepth)兩項新指標，分別表征人類對流量資本和存量資本兩方面的利用程度。方愷等首次將三維生態(tài)足跡基本概念和計算方法引入國內，并以中國為例進行實證研究[12]。之后，方愷等[13]對三維生態(tài)足跡模型進行了優(yōu)化改進，深化了生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的量化研究。但以往研究多基于省級、國家、國際等宏觀尺度，分析其三維生態(tài)足跡的總體變化，而深入地全面分析某一區(qū)域內各土地利用類型的三維生態(tài)足跡動態(tài)變化的微觀研究明顯不足。

生態(tài)脆弱區(qū)指對環(huán)境因素改變的反應敏感而維持自身穩(wěn)定的可塑性小的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，在空間上表達為城鄉(xiāng)交接帶、農牧交錯帶、干濕交錯帶、水陸交錯帶等[14]。生態(tài)脆弱區(qū)既是生態(tài)環(huán)境破壞最典型、最強烈的區(qū)域，也是貧困問題最集中的區(qū)域[15]。張家口市地處北方農牧交錯帶，生態(tài)環(huán)境脆弱而敏感，河湖斷流、土地沙化、草場退化、沙塵暴頻發(fā)，人地矛盾突出，經(jīng)濟發(fā)展水平低下，是環(huán)京津冀北貧困帶的重要組成部分。同時，張家口又是京津冀的生態(tài)屏障、供水水源地，擔負著保護京津地區(qū)生態(tài)安全的重要任務。因此，張家口面臨著經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護的雙重壓力，地區(qū)資源環(huán)境與社會經(jīng)濟發(fā)展的矛盾突出，嚴重制約了張家口市的協(xié)調和可持續(xù)發(fā)展。隨著京津冀一體化和區(qū)域協(xié)作發(fā)展的推進，張家口市將成為京津產業(yè)梯度轉移和功能分散的重要承接地之一，生產及基礎設施建設用地必然擠占生態(tài)空間，進而對張家口市的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展產生深遠影響。本研究以張家口市為研究區(qū)，采用改進三維生態(tài)足跡模型定量分析研究區(qū)2003—2013年的各土地利用類型的三維生態(tài)足跡動態(tài)變化特征，進而分析區(qū)域生態(tài)可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢，應用GM(1，1)灰色預測模型預測未來生態(tài)可持續(xù)發(fā)展趨勢，以期為張家口市生態(tài)系統(tǒng)結構優(yōu)化及生態(tài)建設和管理提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

張家口市位于河北省西北部，位于東經(jīng)113°50′—116°30′，北緯39°30′—42°10′。地處蒙古高原與華北平原之間，是典型的農牧交錯帶地區(qū)，地勢西北高、東南低，以陰山山脈大馬群山分水嶺為界，劃分為壩上、壩下兩大地貌類型。屬于東亞半干旱大陸性季風氣候，干早、風沙、霜凍、雹災是主要自然災害。作為首都的上風上水之地，生態(tài)區(qū)位十分重要，是實施京津風沙源治理工程的重點建設地區(qū)。2000年，張家口市開始實施退耕還林(草)試點工程；2002年，退耕還林工程在全市范圍內實施。2013年張家口市轄4區(qū)、13個縣，土地總面積3.68×104km2，總人口467.02萬人。國民生產總值1 317.02億元，人均生產總值29 908元。近年來，張家口市農業(yè)生產結構不斷調整，畜牧、蔬菜、果品三大農業(yè)主導產業(yè)初步形成，奶業(yè)、肉類、蔬菜、葡萄、杏扁等成為當?shù)剞r業(yè)特色主導產業(yè)，2013年農業(yè)總產值235.50億元。工業(yè)化速度加快，能源、食品加工、裝備制造和冶金礦山4大主導產業(yè)初步形成，2013年工業(yè)總產值554.58億元，經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的矛盾日益突出。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)來源于《張家口經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒(2004—2014年)》、《河北經(jīng)濟年鑒(2004—2013年)》《河北農村統(tǒng)計年鑒(2004—2014年)》以及張家口市國土局、農牧局調研數(shù)據(jù)等。根據(jù)生態(tài)足跡計算方法和張家口實際狀況，收集了生物資源消費和能源消費兩大類數(shù)據(jù)。其中生物資源消費品包括：農產品，包括糧食，谷物，豆類，薯類，油料和蔬菜，歸為生物生產性土地類型中的耕地；動物產品，包括牛肉，羊肉，豬肉，牛奶和禽蛋，歸為草地；林產品與水果產品，包括葡萄，蘋果，鮮果和干果，歸為林地；水產品歸為水域。能源消費品包括：煤炭，焦炭，焦爐煤氣，液化石油氣，汽油，柴油，歸為化石燃料土地；電力歸為建筑用地。

由于耕地、林地、草地、化石燃料土地、建筑用地和水域等單位面積的生物生產能力差異很大，在計算生態(tài)足跡和生物承載力過程中，各種物質消費、能源消費等均須按相應的換算比例折算成相應的土地面積。因此，為使這幾類不同的土地面積和計算結果可以比較和加總，需要乘以相應的均衡因子和產量因子，參考已有的研究成果[9,16-17]，均衡因子采用全球一致因子，即耕地和建筑用地均為2.19，林地為1.38，化石燃料用地為1.14，草地為0.48，水域為0.36。產量因子則采用1997年Wackernagel等[16]對中國生態(tài)足跡計算時的取值，即耕地和建筑用地取1.66，森林取0.91，草地取0.19，水域取1.0，化石能源用地為0。

2.2 研究方法

2.2.1 改進三維生態(tài)足跡模型 傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型的生態(tài)足跡、生物承載力和生態(tài)赤字等指標的說明和計算方法參見文獻[8]。傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型及其后來的一系列改進模型，雖然承認自然資本在可持續(xù)發(fā)展中的重要性[7]，但并未對存量和流量作實質性區(qū)分，無法體現(xiàn)資本存量恒定對全球生態(tài)系統(tǒng)平衡所起的不可替代的作用[12]。三維生態(tài)足跡模型為彌補傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型的這一不足，將資本存量是否減少及減少的程度作為判斷可持續(xù)性強弱的基本依據(jù)，由此提出足跡深度和足跡廣度兩個指標，以分別表征人類消耗自然資本存量和占用自然資本流量的程度[12]。生態(tài)足跡廣度指實際所占用的生物生產性土地的面積，反映了人類占用自然資本流量的水平。生態(tài)足跡深度是指需要多少倍現(xiàn)有土地面積才能再生區(qū)域實際消費的資源量，反映了超出生物承載力部分的自然資本存量消耗。在生態(tài)足跡計算方面，三維生態(tài)足跡模型與傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型一致，認為一個區(qū)域的生態(tài)足跡等于各地類生態(tài)足跡之和。三維生態(tài)足跡是表征體積的物理量(盡管其數(shù)值和單位在形式上仍與經(jīng)典模型一致)，其計算方法參見文獻[11-12]。但是，三維生態(tài)足跡模型忽視了生態(tài)赤字與生態(tài)盈余的自然資本性質差異，對流量資本與存量資本的區(qū)分和追蹤局限于區(qū)域尺度，若對單一地類(如耕地)而言，生態(tài)赤字等于該地類的生態(tài)足跡與生物承載力的差值，但一個區(qū)域通常包含多種地類，若仍由各地類生態(tài)足跡之和與生物承載力之和相減得到區(qū)域生態(tài)赤字(盈余)，會高估足跡廣度、低估足跡深度[13]。因此，對三維生態(tài)足跡模型進行改進，將存量資本和流量資本的分類測度擴展到區(qū)域以下具體的地類層面，對自然資本流動路徑的追蹤更為細致，從而避免了可能存在的生態(tài)赤字與生態(tài)盈余錯誤抵消的情況，其計算公式為：

(1)

式中: EDregion——區(qū)域生態(tài)赤字； EDi——i地類的生態(tài)赤字；n——地類數(shù)； EFi——i地類的生態(tài)足跡； BCi——i地類的生物承載力。

(2)

式中: EFsize，region——區(qū)域生態(tài)足跡廣度。

(3)

式中:EFdepth，region——區(qū)域生態(tài)足跡深度。

(4)

式中：EF3D，region——區(qū)域三維生態(tài)足跡。

由公式(3)可知，EFdepth，region≥1： (1) 當EFi≤BCi時，僅有自然深度，EFdepth，region=1，此時人類占用自然資本流量(EFsize，region)即可滿足自身需求； (2) 當EFi>BCi時，EFdepth，region>1，表明自然資本流量已無法完全滿足人類需求，需要動用存量資本。EFsize，region越大，表明消耗的自然資本存量越多，發(fā)展越不可持續(xù)。

相應地，生態(tài)足跡廣度和生態(tài)足跡深度在地類尺度上的普適性計算公式為：

EFsize，i=min{EFi，BCi}

(5)

式中：EFsize，i——i地類的生態(tài)足跡廣度。

(6)

式中：EFdepth，i——i地類的生態(tài)足跡深度。注意的是，由于能源用地的生物承載力0，生態(tài)足跡即為生態(tài)赤字，公式(5)—(6)不適用這一地類，其三維生態(tài)足跡與傳統(tǒng)生態(tài)足跡算法一致。

2.2.2 灰色預測模型 灰色系統(tǒng)理論由中國學者鄧聚龍[18]于1982年首先提出并建立，灰色系統(tǒng)預測模型是利用較少的表示系統(tǒng)行為特征的原始數(shù)據(jù)序列進行生成變換后，對生成數(shù)據(jù)序列建立微分方程，從而預測事物未來的發(fā)展趨勢和狀態(tài)。GM(1，1)模型是最典型的灰色預測模型，其實質是對原始數(shù)據(jù)序列作一次累加生成，使生成數(shù)據(jù)序列呈一定規(guī)律性，然后建立一階線性微分方程模型，求得擬合曲線對系統(tǒng)進行預測，其計算方法及模型精度檢驗詳見參考文獻[18-19]。

3 結果與分析

3.1 三維生態(tài)足跡變化分析

3.1.1 三維生態(tài)足跡供需變化分析 2003—2013年，張家口市人均生態(tài)足跡總體增加比較明顯，由2.271 6 hm2增加至5.419 hm2，以12.60%的年速率遞增(表1)，而人均生物承載力總體呈現(xiàn)穩(wěn)定減少趨勢，由2003年的1.460 7 hm2減少到2013年的1.321 0 hm2，減少了0.139 7 hm2，這造成張家口市始終存在生態(tài)赤字現(xiàn)象，且人均生態(tài)赤字量總體上不斷增加。2003年張家口市的人均生態(tài)赤字為1.845 9 hm2，到2013年達到4.671 9 hm2，增加了2.826 hm2，即全市人均生態(tài)足跡已超過人均承載力的2.8倍多，表明張家口市的生態(tài)容量漸少，生態(tài)壓力漸增。這與張家口社會經(jīng)濟的發(fā)展，人口的不斷增加，各種生物產品、農業(yè)資源、能源的消費量增加密切相關。

表1 張家口市2003—2013年人均三維生態(tài)足跡、人均生物承載力和人均生態(tài)赤字 hm2

3.1.2 地類組分變化分析

(1) 生態(tài)足跡構成變化。2003—2013年化石燃料土地人均生態(tài)足跡占人均生態(tài)足跡總量的比例一直最大(圖1)，為57.21%～69.61%，由1.342 9 hm2迅速增加到3.772 4 hm2，年均增長16.45%，表明張家口市經(jīng)濟發(fā)展是以占用大量的化石燃料用地為代價的。近年來張家口市北方能源基地建設的快速推進，以能源、鋼鐵(如宣鋼)、煤化(如宣化、萬全煤化工園區(qū))為主的工業(yè)迅速發(fā)展，增加了煤、鐵等礦產資源的消費需求，如冀蔚礦區(qū)、宣東礦區(qū)的建設，提高了化石燃料土地生態(tài)足跡。草地人均生態(tài)足跡所占比例位居第2，為16.25%～21.80%，其人均生態(tài)足跡持續(xù)增加，2013年是2003年的1.81倍，年均增長7.38%；耕地人均生態(tài)足跡所占比例為10.93%～20.03%，波動增加了0.276 0 hm2，年均變化率為6.55%；林地人均生態(tài)足跡呈持續(xù)增加趨勢，年均增長14.56%。

張家口地處農牧交錯區(qū)，近年來農業(yè)結構不斷調整，畜牧業(yè)迅速發(fā)展，如察北、塞北、張北等大型現(xiàn)代化奶牛養(yǎng)殖和乳品加工基地的建成，已占據(jù)農業(yè)生產主導地位，蔬菜的產量不斷增加，且在耕地生物資源賬戶中所占比例一直處于首位，以及林果業(yè)的較快發(fā)展導致了上述變化。同時也表明了人民生活水平的提高，使得人們對蛋、禽、肉奶及林產品的需求提高，導致草地、耕地和林地的人均生態(tài)足跡呈不斷增加趨勢。建筑用地人均生態(tài)足跡穩(wěn)中有升，即由2003年的0.009 6 hm2增加到2013年的0.020 4 hm2，年均增長10.23%，這是由于張家口市煤炭資源豐富，電力消耗以火電為主。水域人均生態(tài)足跡所占比例僅為0.59%～1.27%，研究期間僅增加了0.002 8 hm2，這與張家口市作為京津水源涵養(yǎng)功能區(qū)，水產品養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展受到一定限制有關。

圖1 張家口市不同生物生產型土地人均生態(tài)足跡所占比例

(2) 生物承載力構成變化分析。研究期間，耕地人均生物承載力從1.182 1 hm2持續(xù)減少到1.026 7 hm2，這是由于近年來退耕還林還草政策的實施，以及建設用地占用、水土流失等導致耕地資源數(shù)量和質量下降造成的。但值得注意的是，耕地人均生物承載力占全市人均生物承載力的比例一直最大，為77.72%～80.93%(圖2)，說明耕地是張家口市生物承載力的最主要構成，是造成張家口市人均生物承載力減少的主要原因。建筑用地人均生物承載力呈現(xiàn)穩(wěn)中有降的趨勢，從0.143 2 hm2減少到0.122 7 hm2，所占比例由9.80%減少到9.29%。林地和草地的人均生物承載力均呈逐漸增加趨勢，所占比例也不斷增加，其中林地人均生物承載力從0.123 3 hm2增加到0.158 6 hm2，其年均增長2.60%，所占比例也由8.44%增加到12.00%；草地人均生物承載力從0.008 9 hm2波動增加到0.009 9 hm2，其年均增長1.07%，所占比例由0.61%增加到0.75%。這主要是由于塞北林場、退耕還林還草及農田防護林工程等生態(tài)建設工程的實施，以及舍飼養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，促使糧食、經(jīng)濟作物二元種植結構向糧食、經(jīng)濟、飼料作物三元種植結構的轉變，飼草業(yè)得到較快發(fā)展，使得林地和草地面積不斷增加，導致其生物承載力不斷增加。水域人均生物承載力在0.002 9～0.003 2 hm2之間震蕩式變化，總體上呈略微減小趨勢，年均減少0.28%，這主要與近年來水域面積減少有關。

圖2 張家口市不同生物生產型土地人均生物承載力所占比例

(3) 生態(tài)赤字(盈余)構成變化分析。研究期間，化石燃料土地、草地、水域的人均生物承載力均小于其人均生態(tài)足跡(表1)，呈生態(tài)赤字狀態(tài)。其中，化石燃料土地人均生態(tài)赤字變化速度最快，與人均生態(tài)足跡變化趨勢相同，期間共增加了2.429 1 hm2。其次是草地，研究期間面積雖不斷增加，但產量因子較小，其人均生物承載力一直小于人均生態(tài)足跡，呈生態(tài)赤字的狀態(tài)，且人均生態(tài)赤字量逐年增加，由2003年的0.477 3 hm2增加到2013年的0.870 9 hm2，年均增長7.50%。水域在2003—2008年期間，人均生態(tài)赤字處于波動減少的階段，2009—2013年人均生態(tài)赤字不斷增加，年均增長了1.03%。耕地、林地與建筑用地的人均生物承載力一直大于人均生態(tài)足跡，處于生態(tài)盈余狀態(tài)。其中，耕地人均生態(tài)盈余總體呈波動減少趨勢，其年均減少了4.91%；林地人均生態(tài)盈余呈現(xiàn)波動增加趨勢，年均增加了0.15%；建筑用地人均生態(tài)盈余總體上持續(xù)減少，年均減少了2.13%。

3.2 生態(tài)足跡深度變化分析

3.2.1 總體變化 2003—2013年張家口市人均生態(tài)足跡深度以增加趨勢為主，并呈現(xiàn)出階段性變化特點(表2)。由表2可以看出，2003—2007年人均生態(tài)足跡深度先減少后增加，2004年較之2003年減少0.762 5之后，到2007年增加至7.724 8；2007—2009年呈“V”形變化，繼2008年比2007年減少了1.370 3之后，2009年達到最高值7.855 5；2009—2013年先減少后增加，2012年比2009年減少了0.982 0之后，2013年比2012年增加了0.380 9。這說明張家口市自然資本流量已不足以支撐日益膨脹的消費需求，對自然資本存量的消耗程度加大，生態(tài)發(fā)展愈發(fā)不可持續(xù)。

3.2.2 地類組分變化 從人均生態(tài)足跡深度構成來看，草地人均生態(tài)足跡深度變動明顯，期間增加34.340 5，其中2003—2007年持續(xù)增加，由54.629 2增加到78.044 4，2008年減少至73.771 7，2009—2011年快速增長至95.855 6，到2013年減少至88.969 7；水域人均生態(tài)足跡深度波動增加，由9.031 3增加到10.225 8，表明張家口市過度使用了草地和水域等自然資本存量。耕地、林地與建筑用地的人均生態(tài)足跡深度處于自然原長，始終為1，是因為其人均生物承載力大于人均生態(tài)足跡，處于生態(tài)盈余狀態(tài)，張家口市對耕地、林地及建筑用地等自然資本流量的消耗即可滿足對耕地、林地及建筑用地等自然資源的消費需求。

表2 張家口市2003—2013年人均生態(tài)足跡深度、人均生態(tài)足跡廣度

3.3 生態(tài)足跡廣度變化分析

3.3.1 總體變化 由表2可知，2003—2013年張家口市人均生態(tài)足跡廣度整體上呈增加趨勢，人均生態(tài)足跡廣度由0.425 7 hm2震蕩式增加至0.747 0 hm2，共增加了0.321 3 hm2，反映了張家口市占用的自然資本流量日益增多。

3.3.2 地類組分變化 分析可知，張家口市一直處于生態(tài)赤字狀態(tài)，需動用自然資本存量以滿足其消費需求。由于生態(tài)足跡廣度實際取生態(tài)足跡和生物承載力中的較小值[13]，草地和水域的人均生物承載力小于人均生態(tài)足跡，其人均生態(tài)足跡廣度與其人均生物承載力一致；耕地、林地與建筑用地的人均生態(tài)足跡小于人均生物承載力，其人均生態(tài)足跡廣度與其人均生態(tài)足跡一致。其中，耕地人均生態(tài)足跡廣度所占全市人均生態(tài)足跡廣度比例為88.22%～91.64%，林地占4.38%～8.78%，建筑用地占1.85%～2.91%，草地占1.33%～2.09%，水域占0.42%～0.75%，表明張家口市的人均占用土地面積中以耕地和林地為主。

3.4 生態(tài)足跡預測分析

3.4.1 生態(tài)足跡和生物承載力預測精度比較 根據(jù)表3所示的2003—2013年張家口市人均生態(tài)足跡和人均生物承載力的計算結果，利用灰色系統(tǒng)方法建立灰色預測模型GM(1，1)。

即人均生態(tài)足跡的GM(1，1)模型為：

(7)

人均生物承載力的GM(1，1)模型為：

(8)

對人均生態(tài)足跡和人均生物承載力的GM(1，1)模型分別進行檢驗，得到結果如表4所示，平均相對誤差分別為4.592 898%和0.839 842%，后驗差比值c分別為0.210 662和0.243 494，小誤差概率p均為1，表明其灰色預測模型的精度均為一級標準，具有較高的可信度。

3.4.2 生態(tài)足跡和生物承載力預測 2014—2020年張家口市人均生態(tài)足跡、人均生物承載力及人均生態(tài)赤字的預測結果詳見表4，2014—2020年張家口市人均生態(tài)足跡逐年增加，由5.758 883 hm2增加到9.097 473 hm2，增加了3.338 590 hm2，年均增長8.28%；生物承載力逐年減少，由1.285 867 hm2減少到1.207 447 hm2，減少了0.093 521 hm2，年均減少1.04%，以上結果將導致生態(tài)赤字逐年加大，表明張家口市對資源的消費量已經(jīng)大大超過了本地的生物承載力，人地關系日益緊張，生態(tài)環(huán)境處于不安全狀態(tài)，生態(tài)發(fā)展狀態(tài)不可持續(xù)。

表3 張家口市2003—2013年人均生態(tài)足跡和人均生物承載力實際值與預測值比較

表4 張家口市2014—2020年人均生態(tài)足跡和人均生物承載力預測

4 討論與結論

4.1 討 論

隨著張家口市經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的加快，以及人口的不斷增長，人們對各種生物產品、農業(yè)資源及各類服務的消費需求不斷加大，如張家口市2003年人均生態(tài)足跡為2.271 6 hm2，高于全國水平(1.580 0 hm2)[20]，特別是2003年以來，張家口市人均生態(tài)足跡與全國人均生態(tài)足跡的差距日漸拉大。與其它生態(tài)脆弱區(qū)，如天山北坡經(jīng)濟帶[21]、寧夏[22]、內蒙古錫林郭勒盟[23]、甘肅民勤綠洲[2]地區(qū)相比，張家口市人均生態(tài)足跡均高于這些地區(qū)相應年份的值，而人均生物承載力均小于這些地區(qū)相應年份的值，相應地，其人均生態(tài)赤字也高于這些地區(qū)?？梢姡c全國及類似地區(qū)比較而言，張家口市過度消費了自然資源，生態(tài)環(huán)境更加脆弱，自然資源供需矛盾更加突出，嚴重制約著區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，應引起高度重視。

要實現(xiàn)張家口市生態(tài)持續(xù)發(fā)展，維持生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，應從以下幾個方面加強政策引導和管理： (1) 人口發(fā)展方面。適當控制人口增長速度，提高人口素質；改善消費環(huán)境，轉 變消費模式和消費觀念，提高居民生活質量； (2) 產業(yè)發(fā)展方面。抓住京津冀一體化發(fā)展的機遇，利用京津的人才、技術、資金等，促進產業(yè)結構優(yōu)化升級，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，提高資源利用效率，開發(fā)新型能源；結合當?shù)刭Y源優(yōu)勢和生態(tài)特色，發(fā)展蔬菜、馬鈴薯、杏扁等高效生態(tài)特色農業(yè)，發(fā)展冬季滑雪、草原避暑、始祖文化等生態(tài)特色旅游； (3) 生態(tài)發(fā)展方面。繼續(xù)貫徹退耕還林還草政策，推廣舍飼養(yǎng)殖，增加生態(tài)用地面積；合理開發(fā)利用山地丘陵區(qū)草地、林地資源，減少對草原、森林生態(tài)系統(tǒng)的破壞； (4) 城市發(fā)展方面。合理規(guī)劃建設用地范圍，協(xié)調工業(yè)化、城鎮(zhèn)化發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護之間的關系，實現(xiàn)人口、經(jīng)濟、資源與環(huán)境的協(xié)調可持續(xù)發(fā)展。

本研究基于現(xiàn)有生產力及科技水平對張家口市生態(tài)足跡與生物承載力進行預測，如何考慮社會經(jīng)濟、科學技術、農業(yè)現(xiàn)代化等因素不斷變化對生物生產性土地的供需關系，即對未來生態(tài)足跡變化趨勢產生的影響，有待今后進一步研究。

4.2 結 論

2003—2012年張家口市人均生態(tài)足跡持續(xù)增加，而人均生物承載力逐漸減少，因而造成生態(tài)足跡供給需求難以平衡，主要依靠消耗存量資本以維系自身發(fā)展，生態(tài)赤字現(xiàn)象始終存在，且人均生態(tài)赤字量不斷增長，當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的壓力與日俱增。此外，人均生態(tài)足跡深度與人均生態(tài)足跡廣度不斷上升，表明張家口市經(jīng)濟發(fā)展對自然資本存量與流量的消耗程度日漸加大，生態(tài)環(huán)境處于不可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)。經(jīng)預測，到2020年，張家口市人均生態(tài)足跡將逐年增加，人均生物承載力逐年減少，人類需求與環(huán)境供給能力矛盾日益突出，亟需緩解生態(tài)環(huán)境壓力，提高可持續(xù)發(fā)展能力。

在各類生物生產性土地中，化石燃料土地人均生態(tài)足跡與人均生態(tài)赤字均不斷增加，已成為全市人均生態(tài)足跡的最主要構成，體現(xiàn)了張家口市經(jīng)濟發(fā)展主要靠高能耗、高污染的工業(yè)經(jīng)濟推動，消費模式相對單一，煤炭、鐵等能源消耗占主要地位。除草地和水域以外，耕地、林地和建筑用地等流量資本能夠滿足張家口消費需求，其中耕地、草地和林地人均生態(tài)足跡均呈增加趨勢，耕地和林地表現(xiàn)為生態(tài)盈余。草地資源的過度使用造成其生態(tài)赤字現(xiàn)象日益嚴重，發(fā)展最不可持續(xù)。建筑用地人均生態(tài)足跡整體上呈增加趨勢，人均生物承載力與人均生態(tài)盈余持續(xù)減少。水域人均生態(tài)赤字先波動減少再不斷增加，人均生態(tài)足跡深度波動增加，這與該市水域面積不斷減少相關。

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Evaluation of Ecological Sustainability Based on Revised Three-dimensional Model of Ecological Footprint in Zhangjiakou City

LIU Chao, XU Yueqing, SUN Piling, LIU Jia

(CollegeofResourceandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China)

[Objective] Taking Zhangjiakou City as a case, the purpose of this study was to analyze quantitatively the ecological sustainable development of Zhangjiakou City in 2003—2013, and to predict the trend for decision basis of ecological system structure optimization and ecological construction and management. [Methods] Revised three-dimensional model of ecological footprint was adopted to calculate its dynamic changes of consumption and supply of all land types from 2003 to 2013. And GM(1,1) gray predictive dynamic model was constructed to predict the trend of ecological sustainable development in the next seven years. [Results] From 2003 to 2013, biocapacity per capita in Zhangjiakou City decreased from 1.460 7 hm2to 1.321 0 hm2; ecological footprint per capita increased from 2.271 6 hm2to 5.490 0 hm2; ecological deficit per capita increased from 1.845 9 hm2to 4.671 9 hm2; ecological footprint depth per capita increased from 5.336 2 hm2to 7.254 4 hm2, and ecological footprint size per capita increased from 0.425 7 hm2to 0.747 0 hm2. Meanwhile, ecological footprint per capita of fossil fuel land, construction land, water area, arable land, grassland and forest land showed a trend of increase. Expect for grassland and forest land, ecological carrying capacity per capita of other ecological productive lands were decreasing. Construction land, arable land and forest land presented a state of ecological surplus, and their ecological footprint depth per capita were in natural growth stage. However, fossil fuel land, water area and grassland were in the condition of ecological deficit, ecological footprint depth per capita of water area and grassland present an increasing trend. In the period of 2014—2020, ecological footprint per capita were predicted in a rise trend; whereas, ecological carrying capacity per capita would decline year after year. [Conclusion] Therefore, in order to realize the sustainable development of local economy, society and ecological environment, some major counter measures of reducing ecological deficit and alleviating the pressure of ecological environment should be adopt positively, such as promoting the use of clean energy, controlling the population quantity, increasing the ecological land area, etc.

ecological sustainability; three-dimensional ecological footprint; GM(1,1) model; Zhangjiakou City

2016-04-06

2016-05-30

國家自然科學基金項目“基于多源數(shù)據(jù)融合的冀北貧困帶土地利用多功能演變研究”(41571087)

劉超(1990—),男(漢族),河北省唐山市人,博士研究生,研究方向為土地利用與覆被變化,土地利用評價與規(guī)劃。E-mail:liuchaonwu@163.com。

許月卿(1972—),女(漢族),河北省定州市人,博士,副教授,主要從事土地利用變化與可持續(xù)利用、土地資源利用與評價等方面的研究。E-mail:xmoonq@sina.com。

A

1000-288X(2016)06-0169-08

F062.2

文獻參數(shù)： 劉超, 許月卿, 孫丕苓, 等.基于改進三維生態(tài)足跡模型的張家口市生態(tài)可持續(xù)性評價[J].水土保持通報，2016,36(6)：169-176.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.029