秦如培， 張紹輝

(華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

自1987年 “可持續(xù)發(fā)展”的概念提出以來，各種關(guān)于可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)研究如雨后春筍般出現(xiàn)。“可持續(xù)發(fā)展”的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于建立一套指標(biāo)體系完善、適應(yīng)性強(qiáng)的評估方法，從而將研究從定性描述轉(zhuǎn)化到定量測量。生態(tài)足跡法是由加拿大的生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)家Willia和他的博士生Wackernagel于1992年提出的，它是計(jì)算生態(tài)承載力的一種方法。生態(tài)足跡法的提出是生態(tài)可持續(xù)發(fā)展定量計(jì)算的一大進(jìn)步，提出20多年來，經(jīng)過Wackernagel和他的研究小組的不斷完善，雖然還有許多缺點(diǎn)有待進(jìn)一步的改進(jìn)，但是由于它完善的理論基礎(chǔ)、完整的指標(biāo)體系以及其自身的普遍適應(yīng)性，最終得到了大量學(xué)者的認(rèn)可和應(yīng)用[1]。

本文通過對畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)近20年的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，計(jì)算得出畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力，試圖找出畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)各個(gè)時(shí)段的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，并通過對可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)的預(yù)測，為畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)相關(guān)部門未來的決策提供依據(jù)，同時(shí)提出一些合理化建議。

1 生態(tài)足跡法模型

1.1 生態(tài)足跡的原理

生態(tài)足跡法從需求面計(jì)算生態(tài)足跡的大小，從供給面計(jì)算生態(tài)承載力的大小，通過對這兩者的比較，評價(jià)研究對象的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r[2,3]。從本源上講，生態(tài)足跡理念的設(shè)計(jì)思路是：人類要維持生存就必須消費(fèi)各種產(chǎn)品、資源和服務(wù)，人類每一項(xiàng)最終消費(fèi)的量都可以追溯到提供生產(chǎn)該消費(fèi)所需的原始的物質(zhì)與能量的生態(tài)生產(chǎn)性土地上[4]。除了維持人類生存所必須的消費(fèi)，人類還在消費(fèi)的過程中向生態(tài)系統(tǒng)排放大量的廢水、廢氣等污染物，這些也需要?dú)w結(jié)到原始的物質(zhì)與能量的生態(tài)生產(chǎn)性土地上。因此，Wackernagel將生態(tài)生產(chǎn)性土地分為六個(gè)類型：耕地、林地、牧草地、水域、建筑用地、化石能源用地。

在生態(tài)足跡法中，生態(tài)承載力是指一個(gè)區(qū)域?qū)嶋H提供給人類的所有生物生產(chǎn)性土地面積和水域面積的總和。生態(tài)足跡和生態(tài)承載力都通過生物生產(chǎn)性土地面積這個(gè)指標(biāo)進(jìn)行量化，使之具有一定的可比性[5]。由于不同國家或者同一國家的不同地區(qū)的同一種類型的土地生產(chǎn)能力是不同的，因此，如果根據(jù)生態(tài)足跡法的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行計(jì)算，那么對于不同國家或者同一國家的不同地區(qū)所得的計(jì)算結(jié)果就沒有一定的可比性，也不能建立一個(gè)全球通用的指標(biāo)體系[6]。為了解決這個(gè)問題，Wackernagel引入了產(chǎn)量因子的概念，通過產(chǎn)量因子可以將某個(gè)地區(qū)的生態(tài)生產(chǎn)性面積轉(zhuǎn)化為基于全球平均生產(chǎn)力的生態(tài)生產(chǎn)性面積。在計(jì)算生態(tài)承載力時(shí)，除了乘以各類不同類型土地的產(chǎn)量因子外，還需乘以均衡因子。

生態(tài)承載力的計(jì)算是基于一個(gè)基本理論假設(shè)和兩個(gè)基本事實(shí)。一個(gè)基本假設(shè)：即“空間互斥性”假設(shè)，各類土地的作用類型是單一的，在空間上是互斥的[7]。兩個(gè)基本事實(shí)：一是人類能夠估計(jì)自身消費(fèi)的絕大多數(shù)資源、能源以及所產(chǎn)生的廢物數(shù)量；二是這些資源和廢棄物的量能折算成生產(chǎn)或消納它們的生態(tài)生產(chǎn)性土地面積[1,8]。

1.2 生態(tài)足跡的計(jì)算

生態(tài)足跡既能夠反映出個(gè)人或地區(qū)的資源消耗強(qiáng)度，又能夠反映出區(qū)域的資源供給能力和資源消耗總量，也揭示了人類持續(xù)生存的生態(tài)閾值[9]。因此，生態(tài)足跡計(jì)算的是人類為了維持生存必須消費(fèi)各種產(chǎn)品、資源、服務(wù)以及吸收人類生活中所產(chǎn)生的各種廢物的生態(tài)生產(chǎn)性面積。其計(jì)算公式如下：

EF=N×ef=N∑aai×ri=N×∑ci/pi×ri

式中：EF為總的生態(tài)足跡；N為人口數(shù)量；ef為人均生態(tài)足跡(hm2/人)；i為消費(fèi)項(xiàng)目和投入類型；aai為第i種消費(fèi)項(xiàng)目折算的生物生產(chǎn)性土地面積;ri為第i種類型土地的均衡因子；ci為第i種消費(fèi)項(xiàng)目的人均消費(fèi)量；pi為第i種消費(fèi)項(xiàng)目的年平均生產(chǎn)能力。由于6種土地類型的生態(tài)生產(chǎn)力存在著差異，因此不能將它們直接相加。在計(jì)算生態(tài)足跡時(shí)必須對每種生態(tài)生產(chǎn)性土地面積乘以相應(yīng)的均衡因子，將其轉(zhuǎn)化為可直接比較的生態(tài)生產(chǎn)性面積，然后進(jìn)行相加。均衡因子計(jì)算如下：

某種生態(tài)生產(chǎn)性土地的均衡因子ri=全球該類生態(tài)生產(chǎn)性土地面積的平均生態(tài)生產(chǎn)力/全球所有各類生態(tài)生產(chǎn)性土地面積的平均生態(tài)生產(chǎn)力。

目前采用的均衡因子分別為：森林和化石能源用地1.1，耕地和建設(shè)用地2.8，草地0.5，海洋0.2[4,10,11]。

1.3 生態(tài)承載力的計(jì)算

生態(tài)承載力的定義是在不破壞現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境狀況的條件下，所能容納的最大人口數(shù)量。在計(jì)算生態(tài)承載力時(shí)，由于不同國家或者同一國家的不同地區(qū)的同一種類型的土地的生產(chǎn)能力是不同的，因此需要加入產(chǎn)量因子yi來調(diào)整。其計(jì)算公式如下：[12]

EC= (1-12%)N×ec=(1-12%)N×

∑aai×ri×yi

式中：EC為生態(tài)總承載力；N為人口數(shù)量；ec為人均生態(tài)承載力；aai為實(shí)際人均占有i類生物生產(chǎn)性土地面積；ri為第i類生物生產(chǎn)性土地的均衡因子；yi為第i類生物生產(chǎn)性土地的產(chǎn)量因子；12%為生態(tài)多樣性扣除值。產(chǎn)量因子計(jì)算如下：

某地區(qū)土地的產(chǎn)量因子(yi)=某地區(qū)第i類生態(tài)生產(chǎn)性土地的平均生態(tài)生產(chǎn)力/全球第i類生態(tài)生產(chǎn)性土地面積的平均生態(tài)生產(chǎn)力。

2 畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)生態(tài)承載力計(jì)算與分析

2.1 畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)概況

畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)位于貴州省西北部的畢節(jié)市，是川、滇、黔三省的交通要沖。北接四川、西鄰云南，東與遵義市、貴陽市接壤，南與六盤水市、安順市相連。轄七星關(guān)、大方、黔西、金沙、織金、納雍、威寧、赫章一區(qū)七縣，涵蓋貴州省畢節(jié)市全部市縣，面積26853 km2，人口720萬。我國改革開放以來，特別是1988年，時(shí)任貴州省委書記的胡錦濤同志提議在貴州省畢節(jié)地區(qū)建立以“開發(fā)扶貧，生態(tài)建設(shè)”為主題的試驗(yàn)區(qū)，獲得國務(wù)院批準(zhǔn)，此后全區(qū)經(jīng)濟(jì)取得了長足發(fā)展，生態(tài)環(huán)境得到了有效的改善。

2.2 畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)生態(tài)足跡計(jì)算

畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)的生態(tài)足跡主要是生物資源消費(fèi)。生物資源消費(fèi)主要為糧食(包括稻谷、小麥等)；其他作物(包括油料、蔬菜等)、農(nóng)副產(chǎn)品(包括牛肉、豬肉、奶制品等)、水果和水產(chǎn)品等20種[13]。在計(jì)算不同種類生態(tài)生產(chǎn)性土地的面積時(shí)，采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織1993年計(jì)算的全球平均值。假設(shè)畢節(jié)地區(qū)是一個(gè)自給自足的地區(qū)，因此畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)產(chǎn)出的糧食、肉類、水果、水產(chǎn)品等都用來支撐本地區(qū)的消費(fèi)，即畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)的生態(tài)足跡。如果在某一年生態(tài)足跡大于生態(tài)承載力，那么說明在這一年畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)已經(jīng)不是可持續(xù)發(fā)展。又因?yàn)槭∪チ松鷳B(tài)足跡的另一組成部分能源消費(fèi)，因此所得結(jié)果是對畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)的樂觀估計(jì)，更說明畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)早已是不可持續(xù)發(fā)展，必須引起高度重視。

在計(jì)算過程中，不同類型的生態(tài)生產(chǎn)性土地的加和需乘以均衡因子。計(jì)算過程如表1：

表1 畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)人均生態(tài)足跡匯總(單位：hm2/人)

數(shù)據(jù)來源：《畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)數(shù)字二十年》以及聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)中的數(shù)據(jù)

2.3 畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)生態(tài)承載力計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)有查到的畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)，采用上述的生態(tài)承載力計(jì)算公式，對于人均擁有的各類生產(chǎn)性土地面積乘以均衡因子和產(chǎn)量因子，然后減去由于生態(tài)多樣性而扣除的12%后，得到畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)1987～2007年的人均生態(tài)承載力。

表2 畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)1987年—1996年耕地產(chǎn)量因子確定

表3 畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)1997年—2007年耕地產(chǎn)量因子確定

數(shù)據(jù)來源：《畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)數(shù)字二十年》以及參考文獻(xiàn)[14]中的數(shù)據(jù)。

在計(jì)算過程中，所使用的產(chǎn)量因子是Wackernagel在計(jì)算中國生態(tài)足跡時(shí)所取的值，即林地0.91，草地0.19，化石燃料用地0，而建筑用地多數(shù)建立在肥沃的土地上，因此耕地和建筑用地的產(chǎn)量因子是一樣的。由于畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)的糧食產(chǎn)量從1987年到2007年都有很大的變動(dòng)，因此采用同一產(chǎn)量因子會(huì)使所得到的誤差較大，因此本文將耕地產(chǎn)量因子化成兩段時(shí)間，經(jīng)計(jì)算，第一段時(shí)間1987～1996年產(chǎn)量因子為0.93，第二段時(shí)間1997～2007年產(chǎn)量因子為1.11。計(jì)算過程如表2和表3。

由于缺乏1996年以前的牧草、水域、建筑用地的歷史數(shù)據(jù)，僅計(jì)算了1996～2007年這12年的生態(tài)承載力。由于水域的面積較少且對于結(jié)果的影響較低，因此對于部分年份缺少的數(shù)據(jù)直接取前后兩年的平均值。對于牧草面積的缺項(xiàng)用有數(shù)據(jù)的年份進(jìn)行線性計(jì)算。

表4 畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)人均生態(tài)承載力匯總(單位：hm2/人)

數(shù)據(jù)來源：《畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)數(shù)字二十年》以及參考文獻(xiàn)[15-18]中的數(shù)據(jù)。

2.4 畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)生態(tài)足跡、生態(tài)承載力以及生態(tài)赤字分析

由表1可以看出畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)1987～2007年生態(tài)足跡大體呈上升趨勢。由1987年的0.3875 hm2/人增長到2007年的0.7549 hm2/人，增長幅度為94.6%。在四種生態(tài)足跡類型中草地和耕地占主要，兩者之和占當(dāng)年生態(tài)足跡的99%以上，其中1987年的百分率最低為99.2%，1996年的百分率最高為99.7%。從四中生態(tài)足跡類型各自的增幅來看，水域的生態(tài)足跡增幅最大，但是由于水域在總的生態(tài)足跡中所占份額太小，因此對生態(tài)足跡的影響不大；位居第二的是草地，增幅166%，對生態(tài)足跡的影響較大。

由表4可以看出，1996～2007年的人均生態(tài)承載力在0.4848～0.5604 hm2之間浮動(dòng)，其中耕地對年人均承載力的貢獻(xiàn)最大且都在80%以上。1987年的耕種面積為676.48千公頃，2007年的耕種面積為1026.65千公頃，增幅51.76%。1987年畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)的人口為558.87萬，2007年畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)人口為759.66萬，增幅35.93%，因此耕地?cái)?shù)量的增長是應(yīng)對人口增長提高人均生態(tài)承載力的主要方式。對于林業(yè)面積，1987年畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)的森林覆蓋率為14.94%，2007年畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)的森林覆蓋率為35.92%，森林覆蓋率得到了大幅度的提升，但是由于林業(yè)的均衡因子較小，因此對人均年生態(tài)承載力的影響較小。

生態(tài)赤字是衡量一個(gè)地區(qū)是否處于可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)的閥值。生態(tài)赤字的計(jì)算公式為：生態(tài)赤字=生態(tài)承載力-生態(tài)足跡。當(dāng)生態(tài)赤字大于0時(shí)，說明了生態(tài)狀況良好，生態(tài)環(huán)境處于可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)；當(dāng)生態(tài)赤字小于0時(shí)，說明了生態(tài)狀況發(fā)生惡化，生態(tài)環(huán)境處于不可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。如圖1所示，生態(tài)赤字從1996年到2007年均小于0，除了1997年外。而生態(tài)赤字在1997年大于零，這是因?yàn)楸疚膶Ξa(chǎn)量因子做出了修正，1996年以前為0.93，1996年以后為1.1，因此1997年的生態(tài)承載力突然增大。從整體上來看，生態(tài)赤字處于增長過程中，從1997年到2003年增長幅度比較緩慢，從2004年到2007年下降幅度逐漸變快。從生態(tài)赤字的數(shù)據(jù)可以看出，畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)的各類生產(chǎn)活動(dòng)已經(jīng)超出了自然系統(tǒng)所能提供的“利息”[19]。

圖1 畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)人均生態(tài)足跡、生態(tài)承載力、生態(tài)赤字變化

2.5 生態(tài)承載力供需平衡指數(shù)

生態(tài)承載力供需平衡指數(shù)ECCI是指區(qū)域人均生態(tài)足跡與人均生態(tài)承載力的比值，反映了生態(tài)資源供給與需求的關(guān)系。公式如下：

ECCI=ef/ec

理論上，當(dāng)ECCI等于1時(shí)，區(qū)域表現(xiàn)為生態(tài)平衡，考慮到現(xiàn)實(shí)中此情景較少，因此，將ECCI=1上下浮動(dòng)10%作為平衡區(qū)，即ECCI介于0.9～1.1為生態(tài)平衡區(qū)，ECCI低于0.9和高于1.1則分別為生態(tài)盈余區(qū)和生態(tài)赤字區(qū)。隨后，分別根據(jù)生態(tài)盈余區(qū)、平衡區(qū)和赤字區(qū)ECCI值的范圍，進(jìn)一步將其分成8個(gè)級別，如表5所示[20]。

表5 基于ECCI的中國生態(tài)承載力供需平衡分類評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)2.2和2.3計(jì)算的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力，我們可以得出畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)從1996年到2007年的生態(tài)承載力平衡指數(shù)，結(jié)果如表6所示。

表6 畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)1996～2007年生態(tài)承載力平衡指數(shù)

從計(jì)算結(jié)果可以看出有1年處于平衡有余，有2年處于臨界超載，有9年處于超載狀態(tài)。從ECCI的發(fā)展趨勢來看，ECCI值在不斷增大，到2007年時(shí)已經(jīng)達(dá)到1.48，瀕臨過載。這說明畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)非常危險(xiǎn)，發(fā)展的不穩(wěn)定性和風(fēng)險(xiǎn)性也隨之增加，區(qū)域的協(xié)調(diào)將面臨更加艱巨的任務(wù)。

3 結(jié) 語

生態(tài)足跡法表明可持續(xù)發(fā)展是可測的[21]。本文通過生態(tài)足跡的方法，計(jì)算了畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)的生態(tài)足跡、生態(tài)承載力、生態(tài)赤字、生態(tài)承載力平衡指數(shù)。生態(tài)足跡從0.3875 hm2/人到0.7549 hm2/人不斷增加，表明人類的生活得到了日益提高，人類所消耗的資源在不斷增加。人均生態(tài)承載力在0.4848 hm2到0.5669 hm2之間波動(dòng)，表明隨著人口數(shù)量的不斷增加，畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)在生態(tài)承載力的主要貢獻(xiàn)方——耕地和草地方面下了很大功夫，但是目前的努力仍舊不能減緩由于人口增長、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理等問題帶來的負(fù)面影響。生態(tài)赤字的數(shù)值開始從緩慢增加到快速增加以及生態(tài)承載力平衡指數(shù)也逐漸從平衡有余到平衡超載再到超載并有繼續(xù)向過載發(fā)展的趨勢表明，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與自然資源的利用狀態(tài)是不可持續(xù)的，如果讓這種狀態(tài)隨意發(fā)展，那么將會(huì)給畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)帶來不可估量的損失。造成這種狀態(tài)的原因是對生態(tài)的保護(hù)程度和經(jīng)濟(jì)增長過快的狀態(tài)不協(xié)調(diào)；人口增長過快，增加了生態(tài)足跡，降低了生態(tài)承載力；產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不合理，應(yīng)逐步從“二三一”向“三二一”轉(zhuǎn)變等。下面就以上的幾個(gè)方面給出一些建議：

(1)調(diào)整耕地、林地、草地的結(jié)構(gòu)。畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)是貴州最為典型的喀斯特高寒貧困山區(qū)，可用耕地面積有限，可以在保障高產(chǎn)耕地的基礎(chǔ)上進(jìn)行退耕還林還草，提高耕地的收益率，擴(kuò)大林地和草地面積，大力發(fā)展畜牧業(yè)、園林等，提高土地的使用效率，使土地的結(jié)構(gòu)更加合理。

(2)引入高新科技，提高資源利用率。畢節(jié)市2008年萬元GDP生態(tài)足跡4.5142萬元/hm2[17]大于全國的萬元GDP生態(tài)足跡1.297萬元/hm2，由此可以看出，畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)的資源利用效率不高，需要引入高新科技，提高資源的利用率，從而降低生態(tài)足跡。

(3)適當(dāng)控制人口增長。人口的數(shù)量在生態(tài)足跡計(jì)算中起著重大的作用，適當(dāng)?shù)目刂迫丝诘脑鲩L可以相對延緩人均生態(tài)足跡的增加，相對加快人均生態(tài)承載力的增加，從而使得畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)入良性的發(fā)展軌道。

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