長(zhǎng)江中游城市群水-碳-生態(tài)足跡變化特征及其平衡性分析

陳義忠,喬友鳳,盧宏瑋,夏 軍

1 河北工業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 天津 300401

2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101

3 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072

長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)是新時(shí)期中國(guó)三大國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略之一,中游城市群是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)的核心之一。然而,長(zhǎng)江中游城市群工業(yè)化與城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展導(dǎo)致了諸多生態(tài)環(huán)境問題,如水資源短缺[1],生態(tài)環(huán)境遭到破壞[2—3],耕地面積銳減[4—5]等,這嚴(yán)重阻礙了長(zhǎng)江中游城市群綠色可持續(xù)發(fā)展。因此,亟需解決資源環(huán)境問題以推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶綠色發(fā)展。合理解決該問題的關(guān)鍵在于定量測(cè)量城市發(fā)展過程對(duì)資源環(huán)境的影響,而足跡類指標(biāo)在此方面應(yīng)用最為廣泛。傳統(tǒng)單一的足跡指標(biāo)不能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的全面評(píng)估,不同足跡互為補(bǔ)充且反映出綜合資源環(huán)境問題,由此產(chǎn)生了足跡家族的概念,其主要包括水足跡、碳足跡和生態(tài)足跡。水-碳-生態(tài)足跡能夠從水圈、大氣圈和生物圈3個(gè)關(guān)鍵的生態(tài)系統(tǒng)來追蹤人類活動(dòng)產(chǎn)生的溫室氣體排放以及淡水資源的消費(fèi)和污染[6—7]。

目前,常用的資源環(huán)境評(píng)價(jià)方法包括多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法、模型法、足跡法等[8]。例如,李龍[9]和鄭鈞寧[10]基于多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法對(duì)資源環(huán)境壓力進(jìn)行評(píng)估；Duan[11]和樊勝岳[12]分別采用PSR和STIRPAT模型進(jìn)行度量。但綜合評(píng)價(jià)法的缺點(diǎn)在于評(píng)價(jià)因子的選取受人為因素影響大；就模型法而言,有的僅提供評(píng)價(jià)框架(如PSR模型),有的提供分析影響因子的模式(如IPAT模型),但評(píng)價(jià)因子的選擇仍受人為因素的干擾[8]。足跡法能夠用于客觀地評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)于資源環(huán)境的影響,從而實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展,其概念最初源自生態(tài)足跡分析法。生態(tài)足跡最初由William和Wackernagel提出并逐漸加以完善,此后國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了深入的研究,在此基礎(chǔ)上又發(fā)展形成了水足跡、碳足跡、能源足跡等一系列概念[13]。在足跡測(cè)算維度上,經(jīng)歷了一維、二維和三維足跡的演進(jìn)過程。三維足跡模型多用于區(qū)域自然資本核算,而傳統(tǒng)的二維足跡模型則多用于評(píng)價(jià)區(qū)域資源環(huán)境壓力。在過去的半個(gè)世紀(jì)里,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了諸多基于足跡家族的資源環(huán)境壓力研究。例如:馬彩虹[14]和趙先貴[15]基于足跡家族對(duì)資源環(huán)境壓力進(jìn)行評(píng)估；Zhang等[16]通過計(jì)算新疆的水-生態(tài)足跡以評(píng)估水資源和環(huán)境所承受的人為壓力；Chen等[17]通過核算水-碳-生態(tài)足跡全面評(píng)估了區(qū)域的資源環(huán)境壓力；韋良煥等[18]基于足跡家族理論構(gòu)建資源環(huán)境壓力評(píng)估體系,分析了新疆資源環(huán)境壓力演變特征。足跡家族法不受主觀因素的影響,且考慮了土地和水資源承載力、碳排放等可持續(xù)發(fā)展問題。然而,現(xiàn)有對(duì)于資源環(huán)境壓力的研究大多是對(duì)于單個(gè)省市[18—20]或更小尺度[21—22]的研究,對(duì)于城市群研究尺度相對(duì)較少。相比較于豐富的足跡核算研究,對(duì)于足跡預(yù)測(cè)的研究偏少。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有很強(qiáng)的非線性擬合能力[23],采用該模型對(duì)長(zhǎng)江中游城市群的水-碳-生態(tài)足跡進(jìn)行時(shí)間序列的模擬與預(yù)測(cè),可為區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和決策參考。此外,自然資源在時(shí)空分布上具有不平衡性,區(qū)域發(fā)展的平衡性對(duì)于支撐可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[24],因此,迫切需要提出一種判斷足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展是否協(xié)調(diào)的方法?；嵯禂?shù)能夠較好的評(píng)價(jià)區(qū)域資源配置及平衡性問題[25—27]。例如,周芬等[28]引入水資源分布基尼系數(shù)來量化浙江省水資源稟賦和經(jīng)濟(jì)要素的匹配程度。楊亞鋒等[29]以基尼系數(shù)為主要評(píng)價(jià)指數(shù),從水資源負(fù)載指數(shù)、水土資源匹配系數(shù)和用水效益等3個(gè)方面綜合考慮水資源空間均衡狀況。長(zhǎng)江中游城市群是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的重要組成部分,各區(qū)域及各省份之間資源稟賦、環(huán)境承載力不同,在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源環(huán)境約束方面表現(xiàn)出較大的空間異質(zhì)性[30],對(duì)城市群地區(qū)的時(shí)空差異研究有助于國(guó)家及地方宏觀調(diào)控政策和區(qū)域發(fā)展政策的制定[31]。所以理清不同區(qū)域資源環(huán)境壓力與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系,制定合理的區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略,有利于長(zhǎng)江中游城市群的可持續(xù)健康發(fā)展。

因此,本文選取長(zhǎng)江中游城市群為研究對(duì)象,采用足跡家族模型評(píng)估城市群水-碳-生態(tài)足跡變化特征,運(yùn)用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)水-碳-生態(tài)足跡的未來變化趨勢(shì),據(jù)此剖析城市群資源環(huán)境壓力；同時(shí)引入基尼系數(shù)分析水-碳-生態(tài)足跡的空間平衡性,以期為長(zhǎng)江中游城市群改善生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)區(qū)域資源的有效配置提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

長(zhǎng)江中游城市群位于為26°03′—32°38′N,110°45′—118°21′E(圖1),以武漢、長(zhǎng)沙、南昌為中心城市,包括湖北省、湖南省以及江西省。長(zhǎng)江中游城市群屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均降水量約在800—1943mm,海拔高度在20—3105m之間[32],承東啟西、連南接北,是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶三大跨區(qū)域城市群支撐之一,也是實(shí)施促進(jìn)中部地區(qū)崛起戰(zhàn)略、全方位深化改革開放和推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化的重點(diǎn)區(qū)域,2014年國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于依托黃金水道推動(dòng)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展的指導(dǎo)意見》,提出“把長(zhǎng)江中游城市群建設(shè)成為引領(lǐng)中部地區(qū)崛起的核心增長(zhǎng)極”,由此可見該區(qū)域在我國(guó)區(qū)域發(fā)展格局中占有重要地位。2017年,長(zhǎng)江中游城市群土地面積約32.61萬平方公里,總?cè)丝?.25億人,地區(qū)生產(chǎn)總值7.90萬億元。長(zhǎng)江中游城市群以全國(guó)3.4%的土地面積和9.0%的人口數(shù)量創(chuàng)造了9.6%的經(jīng)濟(jì)總量。2020年12月26日通過的《長(zhǎng)江保護(hù)法》彰顯了長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶綠色及中游地區(qū)的發(fā)展理念。但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)快速崛起,長(zhǎng)江中游城市群生態(tài)環(huán)境問題日益突出,疊加水、大氣、土壤、生態(tài)等環(huán)境介質(zhì)交織污染的影響,導(dǎo)致水污染、碳排放超標(biāo)、土地利用失衡等問題,嚴(yán)重制約了城市群綠色發(fā)展。與此同時(shí),長(zhǎng)江中游城市群人均生態(tài)承載力(遠(yuǎn)小于人均生態(tài)足跡)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),各省域間生態(tài)盈虧存在明顯的差異[5,33]。著力解決生態(tài)環(huán)境與區(qū)域資源均衡配置問題,推動(dòng)長(zhǎng)江中游城市群綠色協(xié)調(diào)發(fā)展刻不容緩。水-碳-生態(tài)足跡是反映長(zhǎng)江中游城市群現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境問題最具代表性的集成足跡成員。因此,亟需厘清長(zhǎng)江中游城市群水-碳-生態(tài)足跡的演變特征及其與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的平衡性,這能夠?yàn)殚L(zhǎng)江中游城市群的綠色發(fā)展模式探索與資源配置提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 長(zhǎng)江中游城市群位置示意圖

1.2 足跡家族指標(biāo)

本文主要從生態(tài)足跡、碳足跡、水資源生態(tài)足跡3個(gè)指標(biāo)來研究長(zhǎng)江中游城市群資源環(huán)境壓力[34]。

生態(tài)足跡代表滿足給定人口或特定活動(dòng)的資源消耗所需要的生物生產(chǎn)性土地面積[35],主要包括耕地、草地、林地、水域、建設(shè)用地和未利用土地六大類。該區(qū)域所能提供的生物生產(chǎn)性面積稱為生態(tài)承載力。

(1)

(2)

式中,i為消耗的商品種類；j表示土地利用類型；rj和yj分別為均衡因子和產(chǎn)量因子,其數(shù)值參照劉燕等[36]的結(jié)果；pi為第i種商品的平均生產(chǎn)能力；ci為第i種商品的人均消耗量；ai為人均第i種商品換算的土地面積(hm2)；N為人口總數(shù)(人)；Aj為實(shí)際人均可利用的第j類生產(chǎn)性土地面積(hm2)；EFe和ECe為區(qū)域總生態(tài)足跡和承載力(hm2)；efe和ece分別為人均生態(tài)足跡和承載力(hm2/人)。

碳足跡是指吸收該區(qū)域所排放的二氧化碳所需要的生物生產(chǎn)性土地面積。

(3)

(4)

式中,CFg為凈碳排放總量(NCE)所產(chǎn)生的人均碳足跡(hm2/人)；ECg為人均碳承載力(hm2/人)；CA為碳吸收量(tc/a)；Pf、Pg、Pa分別表示森林、草地、耕地的碳吸收量在總量中的比例；NEPf、NEPg和NEPa別表示森林、草地和耕地的固碳能力(t/hm2)；N為人口總數(shù)(人)。

水資源生態(tài)足跡是指人類生活,生產(chǎn)和自然環(huán)境所需水資源面積。

(5)

(6)

式中,EFw與ECw分別為為水資源總生態(tài)足跡和承載力(hm2)；N為人口數(shù)(人)；efw與ecw分別為人均水資源生態(tài)足跡和承載力(hm2/人)；Rw為水資源全球均衡因子；W為人均水資源量消耗量(m3)；Pw為水資源全球平均產(chǎn)量(m3/hm2)；β為水資源產(chǎn)量因子；Q為區(qū)域水資源總量(m3)；現(xiàn)有研究表明地區(qū)水資源開發(fā)需預(yù)留60%用于維護(hù)生態(tài)環(huán)境,因此參數(shù)α取0.6。

1.3 資源環(huán)境壓力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

基于足跡家族的原理,趙先貴等[8]提出了由生態(tài)壓力指數(shù)(ecological pressure index, EPI)、溫室氣體排放指數(shù)(GHG emission index, GEI)和水資源壓力指數(shù)(water pressure index, WPI)綜合而成資源環(huán)境壓力指數(shù)(resource-environment pressure index, RPI)。EPI是某一區(qū)域生物質(zhì)足跡與生物承載力的比率,反映生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性[37](表1)；WPI是區(qū)域水資源生態(tài)足跡與水資源承載力的比值；GEI為區(qū)域碳足跡與碳承載力的比值。

表1 資源環(huán)境壓力指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

RPI=We×EPI+Wg×GEI+Ww×WPI

(7)

(8)

式中,根據(jù)熵權(quán)法確定權(quán)重We、Wg和Ww分別為0.3330、0.3339和0.3331[18]。

1.4 發(fā)展平衡性評(píng)價(jià)

基尼系數(shù)是衡量一個(gè)國(guó)家或地區(qū)居民收入差距的常用指標(biāo)[38],介于0—1之間,0.4通常作為“警戒線”[25]。在本文中,基尼系數(shù)的大小反映人口、經(jīng)濟(jì)以及資源分布與水-碳-生態(tài)足跡要素的匹配程度。一般,基尼系數(shù)若低于0.2表示“絕對(duì)匹配”；0.2—0.29表示“相對(duì)匹配”；0.3—0.39表示“匹配”；0.4—0.59表示“一般不匹配”；0.6以上表示“嚴(yán)重不匹配”。由于人口、GDP和水資源對(duì)于足跡的影響程度同等重要,3個(gè)因子都可作為發(fā)展平衡性的評(píng)價(jià)指標(biāo),通過賦予同等重要的權(quán)重來計(jì)算綜合基尼系數(shù),來綜合分析長(zhǎng)江中游城市群發(fā)展平衡性。

(9)

(10)

式中,Gi為基尼系數(shù)；Xi為人口、GDP、水資源量等影響因素指標(biāo)的累計(jì)百分比；Yi為人均水、碳、生態(tài)足跡的累計(jì)百分比；i為區(qū)域位置序號(hào),且當(dāng)i=1時(shí),(Xi-1,Yi-1)視為(0,0)；Gt為綜合基尼系數(shù)。

本文數(shù)據(jù)來源于2001—2016年《湖北省水資源公報(bào)》、《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》、《江西省水資源公報(bào)》、《湖南省水資源公報(bào)》、《湖北省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《江西省統(tǒng)計(jì)年鑒》和《湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒》等資料。根據(jù)足跡的計(jì)算方法和長(zhǎng)江中游城市群的實(shí)際狀況,收集生物資源消費(fèi)和能源消費(fèi)兩大類數(shù)據(jù)(表2)。

表2 足跡指標(biāo)評(píng)價(jià)體系

2 結(jié)果分析

2.1 城市群水-碳-生態(tài)足跡變化趨勢(shì)分析

長(zhǎng)江中游城市群2000—2015年的人均生態(tài)足跡整體呈上升趨勢(shì),由2000年的1.98hm2逐年增加至4.06hm2,增幅105%,年平均增長(zhǎng)率為6.56%(圖2),其中增長(zhǎng)率最大出現(xiàn)在2004—2005年(15%)。2000—2015年湖北、湖南和江西的人均生態(tài)足跡增長(zhǎng)率分別為133.12%、76.01%和149%；人均生態(tài)承載力由2000年的0.26hm2下降到0.25hm2,增幅-0.04%,2000—2015年湖北、湖南和江西的人均生態(tài)承載力增幅分別為0.01%、-0.03%與-0.08%,值得注意的是,湖南省在2007年綜合改革試驗(yàn)區(qū)獲批,江西省2009年實(shí)施“生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)”戰(zhàn)略,使得2008—2010年長(zhǎng)江中游城市群的生態(tài)承載力有所上升；長(zhǎng)江中游城市群人均生態(tài)赤字由2010年的1.72hm2增加到3.80hm2,增幅121.17%,年平均增長(zhǎng)率為7.35%；2000—2015年湖北、湖南和江西的人均生態(tài)赤字增幅分別為147.81%、85.3%和139.86%。生態(tài)赤字的不斷提高,說明長(zhǎng)江中游城市群的生態(tài)需求已經(jīng)超出了生態(tài)系統(tǒng)的承載能力,人類活動(dòng)對(duì)于自然環(huán)境的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出生態(tài)承載力所能承受的范圍,其發(fā)展是不可持續(xù)的。其中人均生態(tài)足跡高值出現(xiàn)在鄂州(9.22hm2)、荊門(7.53hm2)和婁底(6.36hm2),較低的有景德鎮(zhèn)、九江(<2hm2),其余地區(qū)的人均生態(tài)足跡均在2—6hm2之間；人均生態(tài)承載力較高的有撫州(0.403hm2)和吉安(0.446hm2),武漢最低(0.074hm2),其余地區(qū)居中；人均生態(tài)赤字較高的有鄂州(9.05hm2)、荊門(7.18hm2)和婁底(6.12hm2),較低的有景德鎮(zhèn)(1.03hm2)、九江(1.40hm2)和上饒(1.03hm2),其余地區(qū)居中。

圖2 長(zhǎng)江中游城市群生態(tài)足跡變化趨勢(shì)圖

如圖3所示,長(zhǎng)江中游城市群2000—2015年的人均碳足跡整體呈上升趨勢(shì),由2000年的0.27hm2增加至0.56hm2,增幅104%,年平均增長(zhǎng)率為6.5%。2000—2015年湖北、湖南和江西的人均碳足跡增幅分別為94.4%、43.1%和169.7%；人均生態(tài)承載力由2000年的0.025hm2逐年下降至2015年的0.019hm2,增幅-21.9%,年平均增長(zhǎng)率為-1.55%；同期湖北、湖南和江西的人均碳承載增幅分別為1%、-36.9%和-26.8%；人均碳赤字由2000年的1.72hm2增加至3.81hm2,增幅121.1%,年平均增長(zhǎng)率為7.56%,湖北、湖南和江西的人均碳赤字增幅分別為147.8%、85.3%和139.8%。其中人均碳足跡高值區(qū)出現(xiàn)在婁底(1.66hm2)和新余(2.14hm2),較低的有黃岡(0.10hm2)、荊州(0.17hm2)、天門(0.13hm2)、仙桃(0.02hm2)、長(zhǎng)沙(0.01hm2)和撫州(0.01hm2),其中撫州的人均碳足跡2000—2010年均處于負(fù)值,整體來說是吸收溫室氣體的,處于碳盈余狀態(tài)；人均碳承載較高的有撫州(0.048hm2)、吉安(0.047hm2)和九江(0.042hm2),荊州、咸寧和南昌均小于0.005hm2,其余地區(qū)的人均碳承載均在0.007—0.033hm2；人均碳赤字較高的有鄂州(9.05hm2)、荊門(7.18hm2)和婁底(6.12hm2),較低的有景德鎮(zhèn)(1.03hm2)、九江(1.40hm2)和上饒(1.03hm2),其余地區(qū)人均碳赤字均在2—6hm2之間。長(zhǎng)江中游城市群人均碳赤字的逐年增加,說明碳減排和森林保育工作仍需進(jìn)一步加強(qiáng),尤其重在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整及清潔能源推廣。

圖3 長(zhǎng)江中游城市群碳足跡變化趨勢(shì)圖

長(zhǎng)江中游城市群2000—2015年的人均水資源生態(tài)足跡整體呈先下降后上升,最后趨于平衡的變化趨勢(shì)(圖4)。增長(zhǎng)期主要出現(xiàn)在2002—2008年,這主要是由于該時(shí)期生產(chǎn)用水量和生活用水量急劇增加(分別增加5.22×108m3和3.26×108m3)。長(zhǎng)江中游群的人均水資源生態(tài)足跡均值介于0.000264—0.02814hm2。就2000—2015年的人均水資源承載力而言,其在0.4465—13.1512hm2之間波動(dòng)變化,大部分的高值出現(xiàn)在2002年、2010年和2012年。長(zhǎng)江中游城市群2000—2015年各城市的人均水資源生態(tài)足跡變動(dòng)存在一定差異,人均水資源承載力均有較大的波動(dòng)。湖北省2000—2011年的人均水資源生態(tài)足跡變化較為緩慢,2011年后開始顯著增加,其中武漢市的人均水資源生態(tài)足跡變化尤為明顯。湖南省人均水資源生態(tài)足跡的增長(zhǎng)期為2003—2007年、下降期為2000—2002年、穩(wěn)定期為2008—2015年,其中長(zhǎng)沙和株洲的人均水資源生態(tài)足跡均處于高值。這說明湖南省2007年初啟動(dòng)的全省節(jié)水型社會(huì)試點(diǎn)工作開始收到成效。長(zhǎng)江中游大部分城市的水資源超載指數(shù)均值為正值,這說明這些城市水資源生態(tài)良好,其中撫州和上饒的超載指數(shù)均值超過10；咸寧、吉安、景德鎮(zhèn)、萍鄉(xiāng)、宜春和鷹潭的超載指數(shù)均值介于5和10之間?？傮w而言,長(zhǎng)江中游城市群水資源生態(tài)環(huán)境處于良好狀態(tài)。處于南部的湖南和江西整體上處于水盈余狀態(tài),而處于北部的湖北的多個(gè)城市的水資源出現(xiàn)超載情況,包括荊門市(-0.4949hm2)、天門市(-0.2952hm2)、武漢(-0.1762hm2)、襄樊市(-0.3114hm2)、孝感市(-0.3945hm2)。除武漢市,其他城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展還處于發(fā)展中水平,但大部分城市出現(xiàn)水赤字狀況。根據(jù)生態(tài)補(bǔ)償理論,水赤字的區(qū)域應(yīng)對(duì)水盈余的區(qū)域進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)償[5],因此處于北部的湖北省應(yīng)該給予南部的湖南省和江西省一定的生態(tài)補(bǔ)償。

圖4 長(zhǎng)江中游城市群水資源生態(tài)足跡變化趨勢(shì)圖

足跡系列數(shù)據(jù)的計(jì)算依賴于大量的基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),且計(jì)算較為復(fù)雜。受限于城市規(guī)模和統(tǒng)計(jì)范圍的限制,部分?jǐn)?shù)據(jù)會(huì)存在缺失。為此,本文構(gòu)建了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演模型,具體的建模過程詳見文獻(xiàn)[39]。該模型的輸入為人口、GDP、能耗、水耗等要素,經(jīng)過四個(gè)隱含層后得到水-碳-生態(tài)反演結(jié)果；在訓(xùn)練模型時(shí),采用反向傳播損失函數(shù)的倒數(shù)來優(yōu)化每一層的權(quán)重值與偏置值,采用均方差作為損失函數(shù)。基于反演指標(biāo)的模擬,預(yù)測(cè)了長(zhǎng)江中游城市群未來的水-碳-生態(tài)足跡變化趨勢(shì)(圖5)。預(yù)測(cè)結(jié)果表明:長(zhǎng)江中游城市群未來的人均水-碳-生態(tài)足跡變化較為平穩(wěn),均值分別1.01、0.74hm2和5.04hm2。湖北的整體的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量依然不容樂觀,其人均水-碳-生態(tài)足跡高達(dá)1.13、0.82hm2和6.74hm2,尤其是鄂州市和襄樊市。

圖5 長(zhǎng)江中游城市群水-碳-生態(tài)足跡未來變化趨勢(shì)

2.2 城市群資源環(huán)境壓力分析

2000—2015年長(zhǎng)江中游城市群水資源壓力指數(shù)、溫室氣體排放指數(shù)、生態(tài)壓力指數(shù)和資源環(huán)境壓力指數(shù)年均值變化如圖6所示。其中,水資源壓力指數(shù)除2001年和2014年大于1,其余年份的水資源壓力指數(shù)波動(dòng)幅度較?。粶厥覛怏w排放指數(shù)和生態(tài)壓力指數(shù)穩(wěn)定上升,2000—2014年溫室氣體排放指數(shù)增幅為97.28%,2015年出現(xiàn)明顯下降；2000—2015年生態(tài)壓力指數(shù)增幅為109%；2000—2014年資源環(huán)境壓力指數(shù)增幅為100.12%,2015年出現(xiàn)明顯下降,這主要溫室氣體排放指數(shù)下降所造成的。相比較于水資源壓力指數(shù)與生態(tài)壓力指數(shù),溫室氣體排放指數(shù)基數(shù)較大(長(zhǎng)江中游城市群工業(yè)密集,城鎮(zhèn)化速度加快),由式(7)、(8)可以看出資源環(huán)境壓力由三種壓力指數(shù)加權(quán)而成,圖中溫室氣體排放指數(shù)和資源環(huán)境壓力指數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致,說明長(zhǎng)江中游城市群較高的資源環(huán)境壓力是大部分來自于碳排放壓力。各地區(qū)應(yīng)當(dāng)加速能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,推進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和能源替代革命,謹(jǐn)慎發(fā)展高碳、高耗能產(chǎn)業(yè),進(jìn)一步完善碳減排的標(biāo)準(zhǔn)和政策體系。

圖6 長(zhǎng)江中游城市群不同壓力變化趨勢(shì)圖

長(zhǎng)江中游城市群2000—2015年資源環(huán)境壓力空間變化如圖7所示,由此可知該地區(qū)資源環(huán)境壓力整體上呈現(xiàn)“西高東低”的局面。具體而言,2000—2015年,江西省資源環(huán)境壓力由中上等級(jí)升至高等級(jí),年增幅達(dá)到6.5%。其中2000—2003年江西省的資源環(huán)境壓力處于中上等級(jí)；2004—2005年處于較高等級(jí),而2006年以后資源環(huán)境壓力急劇增加,達(dá)到高等級(jí)。對(duì)江西省資源環(huán)境壓力增加貢獻(xiàn)率較為顯著的城市包括南昌市(資源環(huán)境壓力年均值達(dá)到2.13)、萍鄉(xiāng)市(資源環(huán)境壓力年均值達(dá)到1.93)和新余市(資源環(huán)境壓力年均值達(dá)到2.43)。而撫州市(資源環(huán)境壓力年均值達(dá)到0.15)和吉安市(資源環(huán)境壓力年均值達(dá)到0.31)處于低壓力等級(jí)。2000年湖南省資源環(huán)境壓力處于較高等級(jí),2001年后,湖南省的資源環(huán)境壓力一直處于高等級(jí),年增幅達(dá)到4.1%。其中婁底市和湘潭市的資源環(huán)境壓力較大,其年均值分別達(dá)到2.39和2.02。然而,湖北省的資源環(huán)境壓力均處于高等級(jí),年均值達(dá)到3.05。這主要是由于鄂州市(資源環(huán)境壓力年均值達(dá)到9.17)、潛江市(資環(huán)境壓力年均值達(dá)到6.96)和武漢市(資源環(huán)境壓力年均值達(dá)到8.95)具有極高資源環(huán)境壓力。以上結(jié)果表明:長(zhǎng)江中游城市群的資源環(huán)境壓力巨大,需要予以重視。今后的發(fā)展需要堅(jiān)持綠色發(fā)展,在生態(tài)文明建設(shè)中需要著重處理好3個(gè)方面的關(guān)系:一是人與自然的關(guān)系,珍惜良好的自然環(huán)境,嚴(yán)格按照生態(tài)規(guī)律辦事；二是發(fā)展與保護(hù)的關(guān)系,在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展中需要以保護(hù)生態(tài)環(huán)境為重要前提；三是生態(tài)文明建設(shè)與發(fā)展方式的關(guān)系,要大力發(fā)展低碳能源技術(shù),全面提高全要素生產(chǎn)率。

圖7 長(zhǎng)江中游城市群2000—2015年資源環(huán)境壓力的空間變化

2.3 長(zhǎng)江中游城市群發(fā)展平衡性分析

城市群發(fā)展過程中的能源與生物資源的消費(fèi)導(dǎo)致了水-碳-生態(tài)足跡(環(huán)境足跡),由此增加了區(qū)域資源環(huán)境壓力。研究城市群發(fā)展中的水-碳-生態(tài)足跡與經(jīng)濟(jì)、人口、資源等要素的匹配特征能夠刻畫區(qū)域發(fā)展平衡性,在一定程度上促進(jìn)城市群的水資源利用、碳減排和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。本文以2000—2015年的水-碳-生態(tài)足跡數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),選取GDP、人口、水資源3個(gè)代表性社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子刻畫長(zhǎng)江中游城市群發(fā)展平衡性。其中,環(huán)境足跡與GDP的匹配度反映一定比例的資源占用需要貢獻(xiàn)相應(yīng)比例的GDP,描述環(huán)境足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的匹配程度；環(huán)境足跡與人口的匹配度表示不同地區(qū)間人均水資源利用、碳排放、生態(tài)占用的差異性；環(huán)境足跡與水資源的匹配度凸顯了不同地區(qū)間水資源利用、碳排放、生態(tài)占用與水資源自然分布的匹配程度。

在生態(tài)足跡方面,GDP基尼系數(shù)均值達(dá)到0.457,處于“一般不匹配”范圍內(nèi)。由圖8可以看出:2000—2015年GDP基尼系數(shù)基本呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這說明隨著《關(guān)于促進(jìn)中部地區(qū)崛起的若干意見》的提出以及戰(zhàn)略地位的提升,長(zhǎng)江中游城市群生態(tài)足跡與區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)性不斷加強(qiáng)；人口基尼系數(shù)均值達(dá)到0.395,處于“匹配”范圍,且近年來兩者匹配性不斷好轉(zhuǎn)；水資源基尼系數(shù)均值為0.516,處于“較不匹配”范圍,這是因?yàn)槌鞘虚g水資源總量差異較大；綜合基尼系數(shù)均值為0.456,處于“一般不匹配”范圍,2000—2015年呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì),這說明長(zhǎng)江中游城市群區(qū)域間整體協(xié)調(diào)性逐漸上升。值得注意的是,GDP基尼系數(shù)和水資源基尼系數(shù)均處于警戒值以上,而人口基尼系數(shù)則在2011后才高于警戒值。從碳足跡角度來看,人口基尼系數(shù)、GDP基尼系數(shù)和水資源基尼系數(shù)有逐年增加的趨勢(shì)。GDP、人口基尼系數(shù)2000—2010年在警戒值0.4以下,處于“匹配”范圍,2011—2015年均超過了警戒值,處于“一般不匹配”范圍,說明碳足跡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口之間的匹配性逐漸減弱,這與湖北省和湖南省存在較高的第二產(chǎn)業(yè)比例,江西省存在相對(duì)較高的第一產(chǎn)業(yè)比例有關(guān)；水資源基尼系數(shù)大部分年份處于”一般不匹配”和“較不匹配”范圍,而且連年呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì),主要是由于水資源總量變動(dòng)幅度較大所致；綜合基尼系數(shù)2000—2015年逐年上升,說明碳足跡與經(jīng)濟(jì)、人口、資源的匹配性降低。從水資源生態(tài)足跡角度來看,GDP基尼系數(shù)年均值為0.450,這說明水資源生態(tài)足跡與區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的匹配性較差,屬于“一般不匹配”范圍；人口基尼系數(shù)整體上變動(dòng)幅度較小(年平均值為0.373),基本在警戒值0.4以下,屬于“匹配”范圍；水資源基尼系數(shù)年均為0.442,除2006和2014年,其處于“匹配”范圍,其他年份的基尼系數(shù)均超過警戒值0.4,2012年更是高達(dá)0.553(處于“較不匹配”范圍)。這主要是由于這些年份的降水量變化較大,而水資源生態(tài)足跡相對(duì)穩(wěn)定,從而造成了水資源數(shù)量與水資源生態(tài)足跡時(shí)間上的不匹配。整體上來看,長(zhǎng)江中游城市群人口分布、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及資源環(huán)境與水資源生態(tài)足跡的關(guān)系并不協(xié)調(diào)(綜合水資源生態(tài)足跡基尼系數(shù)達(dá)到0.421),發(fā)展關(guān)系并不對(duì)應(yīng)。從資源環(huán)境壓力角度來看,GDP基尼系數(shù)年均為0.586,處于“一般不匹配”范圍；人口基尼系數(shù)整體上變化幅度較小,但年均值為0.646,處于“嚴(yán)重不匹配”范圍；水資源基尼系數(shù)年均值達(dá)到0.774,處于“嚴(yán)重不匹配”范圍；綜合基尼系數(shù)逐年上升,處于“嚴(yán)重不匹配”范圍,說明長(zhǎng)江中游城市群近年來各區(qū)域間的資源環(huán)境壓力與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口分布以及自然資源的匹配性變低,應(yīng)當(dāng)通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、進(jìn)行區(qū)域間資源調(diào)配等措施以增強(qiáng)其匹配性。

圖8 長(zhǎng)江中游城市群不同角度基尼系數(shù)變化

3 結(jié)論

基于2000—2015年面板數(shù)據(jù),利用足跡家族原理,從水-碳-生態(tài)足跡分析了長(zhǎng)江中游城市群的資源環(huán)境壓力和發(fā)展平衡性,結(jié)論如下:(a)長(zhǎng)江中游城市群人均碳足跡和生態(tài)足跡基本以年增幅為6.5%的趨勢(shì)增加且明顯超載；人均水資源生態(tài)足跡整體上變化浮動(dòng)較大,但基本在可承受范圍之內(nèi)；長(zhǎng)江中游城市群未來的人均水-碳-生態(tài)足跡變化較為平穩(wěn)。但湖北的整體的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量依然不容樂觀。(b)從2000年到2015年,長(zhǎng)江中游城市群資源環(huán)境壓力逐年增高。從空間上來看,2000—2015年,江西省資源環(huán)境壓力由中上等級(jí)(Ⅱb)升至較高等級(jí)(Ⅲb),湖南2000年的資源環(huán)境壓力處于較高等級(jí)(Ⅲa)；湖北省的資源環(huán)境壓力均處于很高等級(jí)(Ⅲb)。(c)2000—2015年水資源壓力指數(shù)波動(dòng)范圍不大；生態(tài)壓力指數(shù)呈逐年遞漲趨勢(shì),增幅為109%；溫室氣體排放指數(shù)遠(yuǎn)超于水資源壓力指數(shù)、生態(tài)壓力指數(shù),說明資源環(huán)境壓力在很大程度上是碳排放壓力過大造成的。(d)長(zhǎng)江中游城市群水-碳-生態(tài)足跡在空間分布上并不平衡。生態(tài)足跡角度處于“一般不匹配”狀態(tài)；碳足跡角度,人口、GDP和水資源基尼系數(shù)均有逐年增加的趨勢(shì)；水資源生態(tài)足跡角度處于“一般不匹配”狀態(tài)。資源環(huán)境壓力角度處于“嚴(yán)重不匹配”范圍。(e)降低長(zhǎng)江中游城市群的資源環(huán)境壓力根本措施在于控制GHG排放強(qiáng)度。該區(qū)域應(yīng)積極調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),大力發(fā)展清潔能源,加強(qiáng)森林保育,提高碳匯能力以降低GHG排放。各地區(qū)之間應(yīng)加強(qiáng)協(xié)作溝通促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)區(qū)域資源的有效配置,促進(jìn)長(zhǎng)江中游城市群健康有序發(fā)展。