（环境工程专业论文）生态承载力度量方法与应用研究.pdf

摘要 摘要 “可持续发展”理论的提出是人们在寻求人与自然和谐关系的环境伦理认知， 生态城市建设是当今的迫切要求，可持续生态承载力是基础。 主要研究了两种生态承载力度量方法及其实际应用：生态足迹法和生态系 统服务功能价值评估法。生态足迹法运用生物物理单位测度一个区域对于自然 资本的需求和自然资本对于人类生存、繁衍与活动提供的生态支撑。生态服务 功能是指自然生态系统及其所属物种形成与维持的人类赖以生存的条件和过 程。 宜春2 0 0 4 年生态盈余1 3 2 h a c a p ，生物多样性指数o 8 8 ，发展能力指数1 2 6 ， 万元g d p 生态足迹2 6 1h a ；苏州2 0 0 4 年生态赤字3 6 1h 机a p ，生物多样性指 数o 8 3 ，发展能力指数3 5 8 ，万元g d p 生态足迹o 4 3 1 1 a ；崇明2 0 0 4 年生态赤字 o 4 8h “c a d ，生物多样性指数0 8 6 ，发展能力指数1 5 7 ，万元g d p 生态足迹o 6 9 h a 。从动态计算来看，宜春生态足迹缓慢增长；苏州生态足迹增长迅猛，九年间 增长2 9 l h a c a p ；崇明生态足迹2 0 0 2 年开始加快增长。三个区域生物多样性指 数变化不大，发展能力有所上升，万元g d p 生态足迹有所下降。 2 0 0 4 年宜春生态系统服务功能价值为5 9 8 2 0 5 元人，间接价值占9 7 7 1 ， 直接价值只占2 2 9 。林地提供生态系统服务功能价值的5 5 ，其次是耕地3 5 ，湿地8 ，草地和水域各l 。从1 9 9 5 年到2 0 0 4 年生态系统服务功能价值 下降4 9 。2 0 0 4 年崇明生态系统服务功能价值为2 0 2 7 2 5 元人，问接服务8 6 ，直接价值占1 4 。耕地提供生态系统服务功能价值的5 9 ，其次是林地1 8 ，湿地1 4 ，水域9 。从1 9 9 5 年到2 0 0 4 年生态系统服务功能上升9 9 。 宜春和崇明所享有的人均生态系统服务功能价值均大于人均g d p 产出。 发现人均g d p 从低到高排列为宜春、崇明、苏州，而生态系统服务功能价 值从低到高则为苏州、崇明、苏州。说明现有工业发展模式存在一定缺陷，对 生态系统会造成一定破坏。在我国生态赤字盈余和生态系统服务功能价值在同 一区域内和不同区域间也存在一定相关关系。 最后在各区域生态承载力比较分析基础上，对未来各区域的生态城市提出 了建议。 关键词：生态承载力，生态足迹法，生态系统服务功能价值评估法，应用 a b s t r a c t a b s t r a c t s u s 诅i n a b i l 时 w 髂a d v a i l c e dw h e n p e o p l e w 髂 1 0 0 k i n g 士 o r a p r o p e r e n v i r o 砌e n t a le t l 】记t oc o n s t m c tah a n n o i l i o u sr c l a t i o n s h i pb e t w e e nh u m a na n d n a n l r e t h eb a s i co fs u s t a i n a b i l i t ) ri ss u s t a i n a b l ee c o l o 舀c a lc 印a c i t y t h i sp a p e rs n l d i e s “帅m e t l l o d sm c a s u r i n ge c o l o g i c a l c a p a c i t ) r a n dm e i r a p p h c a t i o n o n ei se c o l o g i c a l 印r i 咄血eo n l e ri se c o s y s t e ms e r v i c e sv a l u 撕o n e f a p p f a i st h et o t a lb i o p f o d u c t i v e 盯e an c e d e dt os u s t a i na d e f i n e ds o c i e t y sa c 曲m e s e c o s y s t e ms e i c e si m p l yt l l en a t i l r a le v i m 姗e n t a lc o n d i t i o n so nw h i c hh 岫锄l i f c r e l i e sf o re x i s t e n c e ，a l l dt 1 1 e i re f r e c t i v e n e s sf o 珊e da n ds 砌n e db ye c o s y s t e m 趾di t s e c o l o g i c a lp r o c e s s e s i n2 0 0 4 ，f o ry i c h l l n ，e c o l o g i c a l 唧l u s s1 3 2h 砒a p ，e c o l o g i c a ld i v e r s i t yi n d e x i so 8 8a n dd e v e l o p r n e n tc 印a c 时i n d e xi s1 2 6 ，e c o l o g i c a lf o o t p r i n to f1 0 耳y u a i lg d p i s2 6 l h a ；f o rs u z h o u ，e c o l o 西c a ld e f i d ti s3 6 lh 机a p ，e c o l o g i c a ld i v e r s i t yi n d e xi s 0 8 3a n dd e v e l o p m e mc a p a c i t yi n d e xi s3 5 8 ，e c o l o g i c a lf o o t p 血1 to fl o 珥y u 髓g d pi s o 4 3 h a ；f o rc h o n g 血n g ，e c o l o g i c a ld e 丘c i ti so 4 8h a c a p ，e c o l o g i c a ld i v e r s 畸i d e xi s o 8 6a n dd e v e l o p m e n tc a p a c i 可i n d e xi s1 5 7 ，e c 0 1 0 9 i c a lf o o 椰mo f1 0 4y l l a ng d pi s o 6 9 h a c a l c u l a t i n g 也e i ri n d e x e si nt i m es e r i e s ，i tf i n dt h a tn l ee c o l o g i c a lf - o o t p r i n l i n c r e a s e ds l o w l yi ny i c h t l i la i l dr a p i d l yi ns l l z l l o u ，a st ob e2 9 1 h 批a pi n c r e a s c di n9 y e a r s ，a n di n2 0 0 2 “蚍l n e dt oi 1 1 c r e a s eq u i c l ( 1 yi nc h o n g m 血g i na l l 也et l l r e ea r e a s 也ee c o l o g i c a ld i v e r s i t yi i l d e xi sd e c r e a s eaf 音w ，d e v e l o p m e mc a p a c 时i l l d e xa n d e c o l o g i c a lf o o t p 血l to f1 0 4y u a l lg d p a r ei n c r e a s e daf b w t h ee c o n o i i l i cv a l u eo ft l l e r e g u l a t i o n s e i c e so fy i c h 蛐e c o s y s t e mi s 5 9 8 2 0 5 y u a “c a p ，d i r e c t v a l u ei s 9 7 7 1 ，i i l d i r e c tv a l u ei s2 2 9 ；t h ef o r e s t c o n t r i b u t e5 5 o fe c o s y s t e ms e n ，i c e sv a l u e ，n e x ti s 如m l a l l dc o n t i _ i b u t i n g3 5 ， w e t l a i l dc o n t r i b u t i n g8 ，g m s sl a n d 趾dw a t e ra r e ab o t hc o n m u t i n gl t h e r ei sa 4 9 n e td e c l i n ei nv a l u eo fe c o s y s t e ms e n r i c e si np e r i o d1 9 9 5 2 0 0 4 t h ee c o n o m i c v a l u eo f 廿1 er e g u l a t i 咖s e r v i c e so f c h u ne c o s y s t e mi s2 0 2 7 2 5 y u a “c a p ，d i r e c tv a l u e i s8 6 ，i n d i r e c tv a l u ei s l 4 ；t h e 衍“卸dc o n t r i b u t e 5 9 o fe c o s y s t e ms e r v i c e s v a l u e ，n e x t i sf o r e s t c o n t r i b u t i n g 18 ，w e t l a n d c o n t r i b u t i n 9 1 4 ，w a t e r a r e a i i a b s t r a c t c o n t r i b u t i n 9 9 t h e r ei sa9 n e ti n c r e a s ei nv a l u eo fe c o s y s t e ms e r v i c e si np e r i o d 1 9 9 5 2 0 0 4 t h ep c rc a p i t ae c o s ) r s 锨n i c e sv a i u ei sm o r em a i lp c rc 印i t ag d pi n y i c h u na n dc h o n g m i n g 1 1 1 ep e rc 印i t ag d p 舶mh i 曲t ol o wi sy i c h u n ，c h o n g m i n g ，s u z h o u ，b u tm e e c o s y s t e ms e r v i c e sv a l u ei ss l l 西o u ，c h o n g m i n g ，y i c h u n i ti n d i c a t e s 协a t t h ei n d u s i r ) r d e v e l o p m e i i tp a 也h 嬲s o m ed e 凫c t ，i tw i l ld 锄a g ee c o s y s t e m t h e r ei sc o r r e l 砒i b e t w e e ne c o l o g i c a ld e f i c i “s u 即l u s8 i l de c o s y s t e i ns e r v i c e sv a l u ei no n ea r e aa n da i s 0 b e t w e e nd i f r e r e ma r e a s i n 也ee n d ，t h i sp 印e ra d v a n c e ss o m ep r i n c i p i u ms u g g e s t i o n st o 也e 吐l r e ea r e 豁 k e yw o r d s ：e c o l o g i c a lc a p a c i 饥e c o l o g i c a if b o t p r i n t ，e c o s y s t e ms e r v i c e sv a l u a t i o n ，印p l i c a t i o n i l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、便用学位论文的规定，i 司惹如下各项内容： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录 检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关 部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适 当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年 月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：辣孙 。6 年t 月叫一日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 人与自然 人类从诞生就开始了与自然的关系，这种关系因人类的认识能力和生产力发 展水平而处于动态调整之中。 原始时期人们选择适于生存水土条件较好的地方栖息，依附自然，被自然驱 使、支配。之后逐渐定居开始意识到人本身所具有的特殊性，人与自然仍然和 谐相处，自然规律是地球主宰。 随着工业革命产生，科学技术飞速发展，人们开始对自然大肆开发、掠夺和 破坏。社会生产力空前扩张，工业污染对环境的危害已危及整个地区、整个流 域，以至危及全球范围，与此同时，世界人口急速膨胀。人类把自身生活环境 飞跃到与自然隔离的程度，开始对自身所处自然环境失去感知。 2 0 世纪是一个充满悖论的世纪。一方面，人类对自己的能力以极大的信心： 另一方面，它又对人类是否有能力控制自己的能力给予极大的怀疑。人类有能 力在短短的历史时期内创造出超过前人数千年创造物质财富的总和，却无力控 制自身能力的异化。人类欲壑难填的索取，导致了伤痕累累的地球资源迅速枯 竭；人口膨胀，森林锐减，物种灭绝，温室效应等等，以上这些为代表的全球 性生态环境危机，就如达莫克利斯头上的剑，严重威胁着人类的生存。曾经创 造了农业文明、工业文明的人类，还有能力肩负起历史重任，为人类共同的美 好未来再创造出生态文明吗? 全球性生态危机的步步进逼，要求人类形成一套和今天自己在自然中所处实 际地位和已掌握干预自然的巨大力量相适应的环境伦理，即正确认识包括自己 在内的自然中一切生物与环境之间关系的认识成果为基础形成的特定价值取 向，来指导处理和自然的关系，维持自身生存和发展。 现在主要有三种理论【2 0 1 。 首先是人类中心论，人类所承担的环境责任取决于人类自身的利益，只有人 类是具有道德身份的物种。 第二是生命中心论，所有生物都有生存权利，其他生物和人类是平等的，也 第一章绪论 享有生存和进化、发展的权利。 第三是生态中心论，从环境本身考虑道德，把环境作为一个系统来对待，人 类和其他生物都是这个系统相互关联，不可分割的一部分。 不同环境伦理导致不同环境态度，主要也有三种。 第一是发展，基于个人主义或自我主义。 第二是保存，自然是独特的，具有区别于人类所占有的内在价值，对自然持 有近似宗教的信仰。 第三是保护或管理，从科学的角度来看，对于地球要有理性思考。追求舒适 生活标准的同时要通过一些手段使得资源利用和再生得到平衡。 环境伦理的争论和不同的环境态度，都是人们在不断寻求人与自然的和谐关 系，是人们对社会发展历史及未来的深思。 1 1 2 生态城市 对环境伦理的探求使得“可持续发展”理论在8 0 年代初形成，并上升到全人 类迈向2 l 世纪的共同发展战略而被国际社会所普通接受和推行。而即满足当代 人的需求又不危害后代人满足其需求的发展这个最普遍被接受的模糊定义阻9 。 1 0 2 1 1 0 l l l 。1 3 们。 城市化进程不断加快，城市对全球影响日益加深，生态城市建设浪潮兴起。 生态城市建设是指在城市生态系统承载能力范围内，运用可持续发展理论原理， 以促进经济增长方式的转变和环境质量的改善为前提，充分发挥区域生态与资 源优势，统筹规划，提升城市综合和持续发展能力，基本实现区域社会经济的 可持续发展。作用就在于提供足够的措施保证资源可持续利用，并保持良好的 生态环境。核心仍然是是发展，研究和协调人与城市、生态的关系。人类活动 对城市环境产生着特殊作用，如果具有正向性，能使城市生态产生良性循环， 那就是可持续的。 建设生态城市是一个复杂而艰巨的系统工程，涉及到经济、社会与环境等诸 方面，其基础是对生态承载力状况的科学判定和掌握。 第一，生态承载力研究为生态城市建设指引方向。生态城市建设实施需要有 指导，来告诉我们如何调整行为来达到目标。首先要定量测度生态承载力，使 生态城市建设有的放矢。然后，通过对生态承载力的分析研究，明确生态城市 建设的步骤和阶段目标，量化生态城市建设实施状况。 2 第一章绪论 第二，生态承载力研究对生态城市建设进行调控。生态城市建设是一项巨大 而复杂的工程，所受影响因素特别复杂，每一个因素波动对于生态城市建设影 响难以预料，使得生态城市建设的进行方向难以控制，要抓住生态城市建设最 基本的因素加以控制，从根本上把握可持续发展的总体方向。 第三，生态承载力研究对生态城市建设进行预测。生态承载力是生态城市建 设的基础，生态承载力状况决定建设状态，对生态承载力进行科学合理的分析 和预测，可以预测未来生态城市建设发展状况。 综上所述，生态承载力研究对于可持续发展是最基础的步骤，是生态城市建 设的开端，没有对生态承载力进行完整而深入的了解，就不可能从理论上建立 科学合理的生态城市建设模式，就不可能在实际当中进行生态城市建设。 而以前的研究大都在定性层面上对生态承载力进行描述和判定，已不能满足 现在可持续发展和生态城市建设的要求，因此，对生态承载力定性研究已成为 一个迫切需要解决的问题。 1 2 承载力研究综述 1 2 1 自然资本 可持续发展首先要明确我们还有多少“资本”，“资本”这个诃来源于经济学， 被定义为“真实存在的物体，能够在未来生产进一步的产品( 或提供某种用途) 1 2 ”。 在这里，“资本”用来表示系统中能够提供给人类社会物品和服务的储备。 传统观点认为，自然资本就是可更新和不可更新资源的总和h 1 “”，但是， 从广义上来说，从生态角度来看，自然资本不仅包括资源和废物容纳这些人类 经济发展所需要的支撑，还包括生态系统各结构间联系作用和过程，为生态圈 提供生命支持功能。 简言之，自然资本就是生态圈所有组成部分，以及各部分之间的联系结构， 对于系统持续自我再生最关键的是结构完整性。生态圈高度进化的完整结构和 功能使得所有的生物体拥有了一个独一无二充满生机的“环境”。 1 2 2 生态承载力的发展及其特点 自然资本功能之一是对人类生存发展具有承载作用，也是人们最关心的一个 功能。承载力( c a r r y i n gc a p a c i t y ) 是起源于古希腊时代的一个古老概念，在生态学 第。章绪论 中一般被定义为“某一生境( 1 1 a b i 切t ) 所能支持的某一物种的最大数量”，它所包含 的极限思想与“公地”( t l l ec o m m o n s ) 及其潜在的过度利用联系在一起，并在人 口、自然资源管理及环境规划和管理等领域都得到了广泛的应用和研究f l 。“” 4 3 。5 6 5 7 m6 l 6 3 7 2 9 7 1 1 2 1 3 l 1 1 5 。l i 6 1 3 2 1 。 生态承载力在环境资源承载力研究的基础上发展起来，更丰富、全面，更 接近系统整体特点，是自然体系调节能力的客观反映【6 2 i 。1 9 2 1 年，帕克和伯吉 斯就在人类生态学杂志上，提出了生态承载力概念，即“某一特定环境条件下( 主 要指生存空间、营养物质、阳光等生态因子组合) ，某种个体存在数量的最高极 限”。 自然体系的维持能力和调节能力是有一定限度的，也就是有一个最大容载量 ( 承载力) ，超过最大容载量，自然体系将失去维持平衡的能力，遭到毁灭或濒于 灭绝，由高一级别的自然体系( 如绿洲) 降为低一级别的自然体系( 如荒漠) 。在以 人为中心的生态系统中，生态承载力是指生态系统的自我维持、自我调节能力， 资源与环境子系统的供容能力及其可维育的社会经济活动强度和具有一定生活 水平的人口数量【1 0 2 】。生态承载力有两个部分，一个部分是生态系统提供给人类 的资源和服务，以及自身系统完整性，为支撑部分；另一个是人类维持一定水 平的生活和社会经济发展要求所需的资源服务以及环境容量，为压力部分，即 需求部分。 生态承载力特点是客观存在、可测量，具有波动性，其平衡态改变具有突发 性，是一个多层次的复杂系统。 当人类各种生产和生活活动对周围生态环境造成的影响未超过生态系统本 身调节能力，其所处生态环境状况能够维持社会经济的生存与可持续发展的需 求，就处于生态承载力范围之内；反之则超过生态承载力范围。 1 2 3 生态承载力估算方法 1 2 3 1 资源与需求的差量方法【1 2 埘 王中根认为区域生态承载力体现了一定时期、一定区域的生态环境系统，对 区域社会经济发展和人类各种需求( 生存需求、发展需求和享乐需求) 在量( 各种 资源量) 与质( 生态环境质量) 方面的满足程度。因此，衡量区域生态环境承载力 应从该地区现有的各种资源量( p i ) 与当前发展模式下社会经济对各种资源的需 求量( q i ) 之间的差量关系( 如( p i q i ) q i ) ，以及该地区现有的生态环境质量( b q i i ) 第章绪论 与当前人们所需求的生态环境质量( c b q i i ) 之间的差量关系( 如( b q i i c b q i i ) ，c b q i i ) 入手。结合完整的指标体系，依据这种差量度量评价方法，王中根等人 对西北干旱区河流流域进行了生态承载力评价分析，证明此方法能够简单、可 行地对区域生态承载力进行有效的分析和预测。 1 2 3 2 人口、经济、姿源环境承载力模型i ”5 “4 1 某区域内，以p p 表示现实的人口数量：e s 表示社会经济技术人口容量； i 强表示自然经济人口容量。那么： e s = 经济发展指标总量一定标准下的人均经济指标； r e = 自然资源拥有总量一定标准下的人均资源占有量； 人口经济承载力指数e = p p 甩s ； 人口资源承载力指数r = p m 也。 当e 1 时，表明承载力不足。当两个指数的加权平均值 1 时，承载超负荷，c c p s l 时，承载低负荷，c c p s = l 时，承 载压力平衡。 1 2 - 3 4 状态空间法3 “2 8 1 状态空间是欧氏几何空间用于定量描述系统状态的一种有效方法。通常由表 示系统各要素状态向量是三维状态空间轴组成。利用状态空间法中的承载状态 点，可表示一定时间尺度内区域的不同承载状况。利用状态空间中的原点同系 统状态点所构成的矢量模数表示区域承载力的大小，并由此得出其数学表达式 为： 一 r c c = 眇1 2 摆 考虑到人类活动与资源环境各要素对区域承载力所起的作用不同，状态轴的 权重也不一样，当考虑到状态轴的权时，承载力的数学表达式为： 一 r c c = i m l 2 、善 式中：r c c 为区域承载力的大小：i m l 为代表区域承载力的有向矢量的模 数，x i r 为区域人类活动与资源处于理想状态时在状态空间中的坐标值 ( i = l ，2 ，n ) 。、i 为x i 轴的权。毛汉英等人利用状态空间法测定了环渤海地区 的系统承载力。 1 2 1 3 5 自然植被净第一生产力f 1 0 q 由于对自然生态系统各种调控因子的侧重及对净第一性生产力调控机理解 释的不同，世界上产生了很多模拟第一性生产力的模型，大致可分为三类：气 候统计模型、过程模型和光能利用率模型。我国一般采用气候统计模型，典型 自然植被第一性生产力模型如下： v p p = r d ，2 ，( j + r d ，+ 冗d ，2 ) ( + 尼d 2 ) ( ，+ 硭d ，2 ) e x p ( 一互i + 6 2 5 p e 足2 ) 其中： rd _ ，= ( o 6 9 + o 2 3 7 阳r o 0 0 3 1 3 肌r 2 ) 2 n” b r = 1 罗，3 6 5 或b r = y ，1 2 智爿 p e r = p e t h = s 毽9 3 b t h 6 第一章绪论 式中：n p p 为自然植被的净第一生产力；r d i 为辐射干燥度；r 为年降水量； p e r 为可能蒸散率；p e t 为可能蒸散量；b t 为年平均生物温度；t 为小于3 0o c 与大于o o c 的日均值；t 为小于3 0 0 c 与大于o o c 的月均值。 综上所述，如果从强可持续性角度思考，基于系统理论和方法的指标体系结 构过于复杂，操作性不强；基于货币化估值的指标体系并不能真正反映发展的 可持续性。 在此背景下，加拿大著名生态经济学家r e e s 教授及其学生w 诎e m a g e l 博士 在9 2 年提出并发展了生态足迹( e c o l o g i c a lf o o t p 血t ) 这一新的概念，紧扣可持续 发展理论，指标综合性强，简单明了，涉及系统性、公平性和发展，较好的符 合了可持续发展的要点。测算指标采用生物生产土地的面积来实现对各种自然 资源的统一描述，使人容易理解，且容易进行尝试性测算。 但生态足迹法对生态系统服务功能涉及较少，而生态系统服务功能的完整性 和健康性对于区域乃至全球的可持续发展具有不可替代的作用，因此，本研究 在运用生态足迹法对生态承载力进行量化的同时，进行生态系统服务价值评估， 从两个不同角度来全面评价生态承载力状况。 1 3 研究内容及意义 1 3 1 研究思路和内容 本论文研究的对象是生态承载力度量方法及其应用。主要思路是从生态承载 力的度量和应用角度来对模型进行筛选，选取适用科学的模型，并在理论上深 入探讨，加以完善提高。在此基础上，结合生态城市建设规划的开展与实施， 利用模型对城市进行生态资本计算，为生态城市建设提供建议。 主要研究的内容为： ( 1 ) 对生态承载力度量方法一生态足迹法和生态系统服务功能价值评估法进 行理论阐述和探讨，并选取科学适用的模型，并加以完善； ( 2 ) 利用所选取的模型进行城市自然资本计算及研究结果分析； ( 3 ) 在前面研究基础上，分析区域发展现存的问题，以及结合区域发展目标和 模式，初步建议区域可持续发展对策。 1 3 2 论文创新点 第一章绪论 1 对三个处于中国不同地理位置，不同经济发展水平的区域进行长时期生 态足迹计算比较； 2 进行城市区域的生态系统服务功能价值评估，并且进行长期计算动态分 析； 3 运用生态足迹法和生态系统服务功能价值评估法两种不同角度的方法对 生态承载力进行全面分析。 1 3 3 研究意义 可持续发展是人类共同的心愿，生态城市建设是人类自身发展的迫切需要， 如何实现，则要依靠科学分析规划，对生态承载力从定性认识上升到定量认识。 生态持续承载是可持续发展和生态城市建设的基础，根据生态承载力的现 状，以其定量化为前提，才能够对可持续发展和生态城市建设进行科学决策支 撑，并提供指导和调控。 1 3 4 技术路线 1 4 本章小结 第毒绪论 本章叙述了论文研究背景，从人与自然的关系和环境伦理观开始，阐述了可 持续发展和生态城市内涵。引出生态承载力的概念，对生态承载力的估算方法 避行了综述。并概述了本文研究的内容和意义。 第二章生态承载力度量方法 第二章生态承载力度量方法 2 1 生态足迹法 2 1 1 前提条件 可获得区域每年资源消耗量和废物产生量，可用吨，焦耳或立方等物理 单位来表示。生态生产性土地是绝大部分资源流更新与废物吸纳所必须的。 生物生产过程建立在光合反应基础上，水生系统，雨林系统等在三维空间发生 光合反应的过程能够用二维地图来表示。具有不同生态生产力土地类型可通 过因子加权相加后由一个标准平均生产力公顷来表示。这个标准公顷就是“全 球公顷( 曲a ) ”( 本文用h a 表示) ，产量只涉及可更新和对人类有价值的那部分生 产的生物量。标准公顷同时运用于生态足迹和生态承载力两部分。总需求可 由相对独立的资源供给和废物消纳土地面积累加得到。这意味着生态足迹帐户 中没有任何个资源流或者服务流是由同一个土地或地域空间提供的，所有地 域空间都只累加一次。综合生态足迹和生态承载力可直接进行比较。土地 需求可超过土地供给。，足迹大于承载力意味需求超过自然资本更新能力，产生 生态赤字。 2 1 2 生态足迹研究进展 生态足迹( e c 0 1 0 9 i c a lf 0 0 t 嘶m ) 是一种生物物理方法，用于衡量在一定技术条 件下，为维持某一物质消费水平下的某一人口、某一区域的持续生存所必需的 生态生产性土地的面积，使用一个标准单位一全球平均生态生产性土地单位面 积一来表示建设用地的使用，以及各种能源，可再生资源消耗【6 】，是测度一个区 域对于自然资本的需求和自然资本对于人类生存、繁衍与活动提供生态支撑的 一个计算模型。 现在，生态足迹评价方法已应用于各种尺度的区域，从全球到国家m “5 3 ”4 ，从社区到家庭【2 37 “”。9 “，商业企业【4 0 1 到个人出行活动等各级水平。此外， 还用来进行技术比较，应用到从养鱼【4 2 垤u 种植西红柿1 9 l 等各个方面，以及对旅游 可持续分析【7 3 】，对一个部门进出口分析【5 0 】。主要从4 个空间尺度来开展。 1 ) 全球尺度研究。w a c k e r a g e l 等( 1 9 9 7 ) 测算结果表明：现在全球共有1 1 4 亿 1 0 第二章生态承载力度量方法 h a 具有生态生产性的土地和海洋，而能够被人类生存所占用的在2 0 0 3 年为6 _ 3 亿h a ，全球人均生态承载力为1 ，8 h a ( l p r 2 0 0 4 ) 。p r o f = e o 、聃1 s o n 认为，我们还 应该为其他生物留出1 2 的空间，所以人均占有的生态生产性面积仅为o 8 l l a 。 在未来5 年内，全球生态足迹仍将以5 的速度增长。在静态分析的基础上， l i v i n gp l a i l e tr 印o n2 0 0 4 又对全球19 6 0 2 0 0 0 年的各类型生态足迹进行了 时间维的动态分析。 ( 2 ) 国家尺度研究，1 9 9 7 年，w a c k c m a g e l 在e c o l o g i c a lf o o t p 血to f n a t i o n s 中，对世界上5 2 个国家和地区的生态足迹进行了计算【8 8 。研究结果表明，生 态足迹最大的是美国，人均1 0 9 l l a ，孟加拉国的最低，人均仅o 6 h a 。随后，国 家尺度的生态足迹研究在国外不断进行口。“4 “4 8 1 4 “5 “”1 。国内也进行了国家生态 足迹的研究，刘宇辉( 2 0 0 4 ) 对中国历年生态足迹进行了计算，中国的生态足迹从 1 9 6 2 年的o 8 1 h a 上升到2 0 0 1 年的1 4 l h a ，生态承载力从1 9 6 2 年的1 5 1 h a 下降 到2 0 0 1 年的o 9 7 1 1 a 。国家尺度研究至今为止是做的最多的，因为国家的边界相 对确定，各种统计数据比较齐全，可以帮助国家制定其发展方向和采取措施。 ( 3 ) 在区域和城市层次上，全球7 4 j 4 座大城市中生活的占全球2 0 的人口的 海产品消费占用了全球2 5 的生产性海洋生态系统，要消纳这些城市排出的 c 0 2 ，需要全球森林全部碳汇能力再增加1 0 【1 9 4 8 】；国内学者在全国范围都进行 了研究，从区域，省级，市级，到县级都有研究f 9 8 。1 “”4 “2 5 1 ”】。 ( 4 ) 个人尺度上的研究，在全球足迹网络上，可以计算个人的生态足迹【1 4 ”。 目前研究存在的不足主要有：( 1 ) 生态足迹分析法是一种生态可持续性分析 方法，没有涉及经济、社会、技术方面的可持续性，并不考虑人类对现有消费 模式的满意程度，具有生态偏向性。( 2 ) 研究没有包含对研究问题产生影响的所 有因素，我们现在实际所占有的生态足迹要比计算结果更大。( 3 ) 人口增长、生 活生产消费水平提高会导致“可持续性”缺失；技术进步，对资源配置效率提 高等可能会加强此“可持续性”。研究缺乏对未来情景的预测及发展研究。( 4 ) 生态足迹模型需要进一步发展，和其他方法结合，更进一步的反映可持续发展 现状和目标。 2 1 3 综合法生态足迹计算模型 2 1 3 1 模型选用 在一定的假设下，综合法( i m e g r a t ea s s e s s m e n t ，i a ) 模型框架被建立起来对 第二章生态承载力度量方法 可持续发展进行动力和过程分析7 ”。本文使用生态足迹法在综合模型中进行 分析，来考察生态足迹法是否代表生态含义和人类消费方式，以及能否描述消 费方式是否长期可持续发展。 生态足迹模型中所有的投入，除了人口和收入，都以全球公顷为单位( 本文 以h a 表示) 。基本框架是在区域研究范畴内生态承载力和生态足迹的帐户计算， 以及它们比较所得到的生态盈余赤字。在需求部分一生态足迹一个人消费可以 分为六个帐户：食品帐户、住宅帐户、交通帐户、商品帐户、服务帐户和废物 帐户。在每一类型中，个人消费所占用的土地累加，就得到每一种类型土地所 需的面积。而生态承载力部分则是由区域实际土地面积除于当时的人口数来得 到，土地类型包括化石能源用地、耕地、林地、牧地、建筑用地和水域。 2 1 3 2 概念解析 ( 1 ) 生态生产性土地 全球共有1 1 4 亿h a 土地可提供具有经济利用价值的可更新资源，包括可耕 地，森林，牧地，水域，建筑用地，化石能源用地六种相区别的土地，定义为 生态生产性土地面积。这1 1 4 亿h a 覆盖差不多地球的四分之一，其中2 3 亿h a 的海面和内陆水域，以及9 1 亿h a 的土地【2 2 。2 8 7 4 ”l 。 ( 2 ) 全球公顷 全球公顷表示生态生产力总和的平均概念。一个全球公顷等于一公顷1 1 4 亿公顷生态生产性土地的平均生产力，指特定水平投入下能够达到的最大农业 产量。 ( 3 ) 均衡因子 均衡因子为某一种生态生产性土地类型的世界平均生产力与所有生态生产 性土地的世界平均生产力的比值。反映环境本身所具有的或是内在的生产力， 不包含现行的管理水平和生物生产效率。 f 4 1 产量因子 产量因子等于给定区域的生态生产性土地的生产量与同类型生态生产性土 地全球平均生产量的比值，反映区域平均生产量，表明一个区域现行的技术和 管理水平，以及内在的资源生产力的可更新程度，结合了环境和社会经济两方 面影响因素的作用，每年的产量因子都要重新计算。 2 1 3 3 土地类型 第二章生态承载力度量方法 f 1 ) 可耕地 主要由粮食和粮食做成的二次商品占用的生态生产性土地面积组成，是所 有生态生产性土地中生产力最大的一类，集聚最多的生物量。根据联合国粮农 组织( f a o ) 的报告，目前世界上大约1 5 亿h a 耕地，1 3 亿h a 已处于耕种的状态。 其中2 亿l l a 没有耕种，被暂时用作草地或者废弃；著且每年其中大约1 0 0 万1 1 a 的土地又因土质严重恶化而遭废耕；人均可耕地面积不足o 2 5 h a 。 ( 2 ) 林地 林地指可产出木材产品的人造林或天然林。根据联合国粮农组织( f a o ， 2 0 0 0 a ) 的报告，全球现有森林约3 8 亿h a ，相当于人均o 6 h a 的面积。目前，除 了少数偏远的、难以进入的密林地区外，大多数森林生态生产力并不高。此外， 牧草地和可耕地的扩充已经成为森林面积减少的主要原因之一。 ( 3 ) 牧地 即适用于发展畜牧业的土地。全球目前大约有3 5 亿h a 的牧草地，折合人均 约o 6 h a 。绝大多数牧草地在生产力上远不及可耕地，不仅是因为它们积累生物 量的潜力不如可耕地，也因为由植物能量转化到动物能量过程存在着著名的l 1 0 比例而使得实际上可为人所用的生化能量减少。 ( 4 ) 水域 海洋覆盖地球上3 6 6 亿h a 的面积，相当于人均6 h a 。但是，海洋里9 5 的 生态生产量归功于这6 h a 中的大约o 5 h a ，但其中仅有1 2 k g 能最后落实在人们的 饭桌上，其所能保证的仅是人类卡路里摄人量的1 5 。 ( 5 ) 建筑用地 包括各类人居设施及道路所占用的土地。世界人均拥有量现已接近0 3 h a 。 由于人类大部分建成于地球肥沃土地上，建成地对可耕地的减少具有不可推卸 的责任。 f 6 ) 化石能源用地 生态足迹分析法强调资源再生性。从理论上讲，为了保证自然资本总量不 减少，我们应该储备一定量的土地来补偿因化石能源的消耗而损失的自然资本 的量。但实际情况是，我们并没有作这样的保留。所以，从这个角度来看，我 们现在是在直接消费资本。此外，能源的使用会产生c o ：，需要一定量的森林和 海洋吸收。 第二章生态承载力度量方法 2 1 3 4 生态足迹计算说明 ( 1 ) 土地类型 按照土地类型划分为可耕地、草地、森林、水域、建设用地、化石能源用 地等生态生产性土地。 肌喜净= 喜产e q 式中，e f 为总生态足迹，e p i 为生态生产力( 全球平均) ；c i 为资源消费量， p i 为资源生产量，i i 为资源进口量，e i 为资源出口量，i 为生态性土地类型，它 分为六大类，e q i 为均衡因子。总生态足迹除以区域总人口为人均生态足迹。 ( 2 ) 消费类型 食品帐户主要包括植物食品消费和动物食品消费，根据计算区域的统 计资料来相应分类。 住宅帐户主要衡量家居和住户对物质和能力的消费。个人住房足迹需 要化石能源土地和建筑用地来提供。而住房转换为化石能源土地的能源值，来 自于对加拿大房屋在其生命周期内的研究数据f s k l t a i r ，1 9 9 1 ) ，他计算出一个 3 5 0 平方米的砖房存其7 0 年的生命周期中需要消耗1 3 l o g j 的能量，故住房能源 足迹的计算公式如下： 足迹 。【 口】_ ( 住宅面积单位面积能源消耗量) 化石能源土地产出率 而住房的建筑用地就等于人均居住面积；绿地直接折算为耕地足迹。 住宅帐户中的能源消耗还包括居民用电、液化石油气和薪柴，因此，这几 类栏目均需转换为化石能源土地足迹。同时，薪柴消费还需要转化为林地；秸 秆和木材消耗还需要分别转化为耕地和林地。 居民用电直接按能量转化为化石能源用地。可再生电力例如风电、太阳能 等也需要占用建筑用地，但由于在区域电力使用中占有的比例很小，故忽略不 计。天然气、煤气、液化石油气这3 个栏目转化为化石能源土地的计算参数： 天然气和煤气的能量密度为4 1 8 4 m j m 3 ，其化石能源土地产出率均为7 1 m j ，m z ； 液化石油气的能量密度为4 0 m j 瓜g ，其化石能源土地产出率为9 3 m j 抽2 。秸秆量 反映了对生物质能的利用量。本研究中秸秆量利用谷类产量来估算，根据秸秆 世界平均产出约为谷类全球均衡产出的2 倍，故秸秆所需耕地生态足迹可以用 谷类生态足迹的一半来近似计算。 世界森林年均衡产出为1 9 9 m 3 m a ，以圆材计。据此可进行林地生态足迹计 第二章生态承载力度量方法 算。 足迹。【 口】_ 木材消耗量【】1 0 0 0 0 0 0 1 9 9 足迹薪柴【砌】_ 木材消耗量【卅3 】o 5 3 l o o o o o o ，1 9 9 栏目中对木材的消费包括了原木消费和锯材。而薪柴生态足迹计算中系数 o 5 3 ，即薪材的转化因子( w a s t ef a c t o r ) 。这表明每燃烧一千克薪柴相当于使用了 o 5 3 千克圆材。 交通帐户主要反映在化石能源足迹和建筑用地足迹上。交通帐户的计 算，按照交通工具类别进行分类：公路交通，火车，水路交通，航空，以及出 租车其他类型汽车。 商品帐户主要衡量区域对商品的消费情况。 工业企业商品生产能耗采用每年化石能源消耗量来进行计算。对化石能源 的消耗计算共有7 种，分别为煤、原油、燃料油、汽油、柴油、焦炭和煤油， 其各自的平均能源足迹和折算系数是不一样的。 服务帐户包括给排水、远程通讯、教育、医疗健康、财政服务、休闲 娱乐和其他政府服务等。 废物帐户包括垃圾废物等对生态生产性土地的占用。 2 1 3 5 生态承载力计算说明 生态承载力与生态足迹相对应，是生态足迹模型中提供生态支撑的部分。 区域生态承载力同样用标准单位一全球公顷来表示。 厂、 e c = i 4 e q j zl j ( i = 1 ，2 ，3 ，6 ) ( 2 ) 式中，、尉为人均生态承载