生态足迹模型的修正及在天津地区的应用探讨

1、第 31 卷第 10期Vol. 31No.10第 10 期Environmental Science & TechnologyOct .20082008 年 10 月生态足迹模型的修正及在天津地区的应用探讨李坤刚,鞠美庭 *,李智,文兴,汪彬彬( 南开大学环境科学与工程学院, 天津 300071)摘 要: 文章介绍了生态足迹模型, 指出了存在的缺陷并从四个方面进行了相应的修正: 分别计算生产足迹、输入输出足迹以进行生态足迹来源的分析; 将淡水资源足迹纳入模型; 计算生态承载力时结合资源产出法以克服生态足迹模型的空间互斥性; 计算 CO2 吸收用地的生态承载力。将改进后的模型应用于天津市 200

2、3 年的生态足迹分析。结果显示: 天津市消费足迹大于生产足迹, 依赖外部输入资源抵消部分生态赤字, 这一点在淡水足迹的输入上尤其明显; 另外, 生态承载力的计算结果要大于传统算法的结果, 一方面因为传统算法中承载力由于空间互斥性被低估, 另一方面修正后的模型考虑了 CO2 吸收用地的承载力。最后, 提出了缓解天津市生态压力实现可持续发展的若干建议。关键词: 生态足迹;计算模型;生态赤字中图分类号: X171.4文献标志码: A文章编号: 1003- 6504(2008)10- 0137- 05Modification of Ecological Footprint Model and Its

3、ApplicationLI Kun- gang,JU Mei- ting*,LI Zhi,WEN Xing,WANG Bin- bin( School of Environment Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China)Abstract : Ecological footprint model was introduced and proposed to be modified respectively on four aspects. The modified model was used for

4、ecological footprint analysis in case of Tianjin in 2003. Results indicated that consumptive footprint was larger than productive footprint, and the City need to input resource from other regions to offset fractional ecological deficit, which was particularly evident on water. Result of EC was large

5、r than result of traditional method because it was underestimated with traditional method and modified model took energy lands EC into account. Some suggestions were proposed in order to relieve ecological stress and realize sustainable development in the City. Key words: ecological footprint; calcu

6、lation model; ecological deficit1 生态足迹计算模型简介1.1生态足迹的计算理论生态足迹是由加拿大生态经济学家 Rees 和 Wackernagel 提出的一种基于土地面积度量区域可持续发展程度的方法1。它的计算基于两个基本假设2:( 1) 人类可以估算自身消耗的大部分资源和产生的废物的数量 ;( 2) 这些资源和废物可以折算成一定的土地面积。由此, 生态足迹被定义为持续地向一定规模的人口提供消耗资源和消纳废物的生态生产性土地的面积。生态生产性土地是指具有生态生产功能的土地。一般来说, 计算生态足迹时把土地分为六类: 耕地林地草地CO2 吸收用地建成地和水域。生

7、态足迹的计算公式是:EF =Nef收稿日期: 2007- 09- 18; 修回 2007- 11- 13ef= ( aai ) = Ei( ci / pi )其中, i 为消费商品的类型; pi 为第 i 种消费商品的平均生产能力 ; ci 为第 i 种商品的人均消费量 ; aai 为人均第 i 种商品折算的生物生产面积; N 为人口数; ef 为人均生态足迹; Ei 为均衡因子; EF 为总的生态足迹。生态承载力的计算公式是:EC = EiYiAi其中 , Yi 代表第 i 类生产性土地的产量因子 , Ai 代表第 i 类生产性土地的实际面积, Ei 为均衡因子。一个地区的生态承载力小于生态

8、足迹时 , 出现生态赤字; 反之则产生生态盈余。1.2传统生态足迹计算模型的缺陷分析与修正尽管生态足迹理论自提出来得到了迅速发展, 其模型在理论和方法上还存在不少缺陷。首先, 模型假设各类土地在空间上是互斥的, 这忽略了土地的多重基金项目: 南开大学本科生创新科研百项工程项目( 06064)作者简介: 李坤刚( 1987- ) , 男, 学士, 研究方向为生态足迹、污染物毒性评价和环境中污染物的迁移转化,( 电子信箱) ; * 通讯作者, 男, 教授, 博导,( 电话) 022- 23506446( 电子信箱) 。13

9、8 第 31 卷功能性。本文采用文献3中提出的资源产出法计算生态承载力。其次, 模型应用在区域尺度时, 计算结果不能很好的反映该地区的可持续发展程度。因为一个地区的生态赤字可能是靠输入外部资源而非过度开发本地资源得到补偿的。本文把生产足迹输入足迹及输出足迹分开计算, 便于后续分析。生态足迹分析中还忽略了淡水资源的计算, 文中将淡水足迹的计算纳入模型中。另外, 模型在计算生态承载力时, 认为 CO2 吸收用地的面积为 0, 这忽略了林地、海域及草地所具有的吸收 CO2 的能力。本文根据全球碳循环模型, 得出 CO2 吸收地的折算面积, 进而计算其承载力4。另外 , 本文采用基于净初级生产力( N

10、et Primary Productivity, NPP) 的均衡因子有以下优点4: 计算该因子时包含地球全部表面积; 该因子更好的反映了各种土地在生态系统中的价值 , 如: 能反映出耕地的生产力大于建成地; NPP 提供了一种通过遥感来实时绘制( Real Time Mapping) 生态承载力变化图的方法。2 天津市 2003 年生态足迹计算2.1生态足迹计算生态足迹由三部分组成: 生物资源足迹, 能源足迹和淡水足迹。生物资源包括农产品动物产品林产品及水产品四大类, 具体类型有粮食食用植物油肉类蛋类奶类水产品蔬菜类瓜果木材等。年产量数据来自2004 年天津市统计年鉴, 全球平均产量采用联合

11、国粮农组织 1993 年计算的有关生物资源的世界平均产量资料5- 6。能源类型包括 : 煤炭焦炉煤气汽油煤油柴油燃料油天然气液化石油气电力热力炼厂干气等。产量数据来自2004 年中国能源统计年鉴。计算时以化石能源地单位面积的全球平均发热量为标准4- 5, 将能源量转化为化石能源地面积: 生态足迹 = 能源量折算系数/全球平均发热量。各能源的折算系数和全球平均发热量见表 1。表 1各能源项的全球平均发热量与折算系数6- 8Table 1 Global average energy footprints and equivalents原煤洗精煤焦炭焦炉煤气原油汽油、煤油 柴油油气制品 天然气热力电

12、力全球平均发热量(GJ/hm2)55935593939393719310001000折算系数(GJ/t)20.93420.93428.4718.00341.86843.12442.70550.238.97829.34411.84具体计算方法如下:( 1) 对于加工转换量为正值的能源项 , 生产足迹= 一次能源生产足迹 + 加工转换产出足迹, 输入输出足迹不变。( 2) 对于加工转换量为负值的能源项 , 定义调整系数=加工转换量(/ 输入量+一次生产量) , 则生产足迹=一次生产量(1+调整系数) , 输入足迹=输入足迹( 1+调整系数) , 输出足迹不变。( 3) 库存足迹因其量很小, 且来源

13、不清, 未进行调整。( 4) 消费量=一次能源生产量+输入量+输出量+库存量+加工转换量, 消费足迹由消费量直接得到。淡水足迹的计算采用下式9:EF = !W P其中 , EF为淡水足迹 ; 为水资源的全球均衡因子; W 为消耗的水资源量; P 为水资源全球平均生产能力。由于在城市尺度上生物资源输入输出的详细数据难以获得, 采用下述方法近似计算其输入输出足迹 : 根据天津市统计局编制的投入产出表, 获得各行业的输入输出和总产出数据, 并假设区域外的各部门土地利用强度 ( 即单位土地面积的价值量产出) 与天津当地是相同的, 可分别由农林牧渔业输入输出值与产出值之比得到相应的输入输出足迹 ; 而消

14、费足迹 =生产足迹+输入足迹- 输出足迹。将上述计算结果按生产性土地类型进行汇总, 见表 2 及表 3。表 2天津 2003 年总生态足迹与生态承载力计算总结Table 2 The ecological footprint and ecological carrying capacity of Tianjin in 2003土地类型生产足迹输出足迹输入足迹消费足迹均衡因子(2)调整后的消费足迹 调整后的生产足迹产量因子生态承载力(3)(万 hm2)(万 hm2)(万 hm2)(万 hm2)(万 hm2)(万 hm2)(万 hm2)耕地178.034.8424.35177.542.12376.3

15、9377.42n.a.326.85草地176.570.9791.57177.162.42428.72427.30n.a.370.04林地12.610.0268.3220.913.2968.8041.500.9134.85建成地268.510.1980.05268.370.5134.190134.26110.82水域1024.7311.883.671016.522.67/0.48(1)2341.312360.2212381.87CO2 吸收用地833.191101.561062.18791.233.292603.162741.200.9141.74淡水资源29.80044.2374.045.19

16、384.26154.660.4146.92总值2493.651119.491080.142451.73n.a.6336.826236.56n.a.3213.10注 :( 1) 2.67、0.48 分别是内陆水域和海域的均衡因子;( 2) 均衡因子的数值来自文献2, 其中淡水资源的均衡因子根据文献9中方法计算得出 ;( 3) 根据文献4, 生态承载力的计算扣除了 13.4%的生物多样性保护用地。另外, 在计算生态承载力时所需的各种土地类型的面积资料来自 2004 年天津市统计年鉴。第 10 期李坤刚, 等 生态足迹模型的修正及在天津地区的应用探讨139表 3天津 2003 年人均生态足迹和人均生

17、态承载力Table 3Ecological footprint and ecological carrying capacity per capita of Tianjin , 2003(hm2/cap)土地类型人均消费足迹人均生产足迹人均输出足迹人均输入足迹人均生态承载力人均生态赤字耕地0.3720.3730.0100.0090.3230.049草地0.4240.4230.0020.0040.3660.058林地0.0680.0418.46E- 050.0270.0340.034建成地0.1330.1339.79E- 052.42E- 050.0110.122水域2.3152.3340.02

18、70.0082.355- 0.040(1)CO2 吸收用地2.5742.7113.5843.4560.0412.533淡水资源0.380.15300.2270.0460.333总值6.2666.1683.6233.7313.1773.089注:( 1) 负号表示生态盈余。2.2生态承载力分析耕地草地和淡水水域三种类型的土地具有多重生态生产能力, 而传统的生态承载力算法假设不同类型生态生产性土地互斥以及同类型的各种生态产品产出地空间互斥, 造成生态承载力被低估。本文采用资源产出法计算其生态承载力。该法以土地在一年内实际生态产品产出量和所能提供的生态服务能力为基础, 将其折算成生态生产性面积, 再

19、经过均衡因子调整得到生态承载力3。计算公式如下3:ECi = EPPkk eFi其中, ECi 为第 i 类生态生产性土地的生态承载力 , Pk 为第 i 类生态生产性土地中第 k 种生态产品的资源生产量, EPk 为第 i 类生态生产性土地中第 k 种生态产品的全球平均产量, eFi 为第 i 类生态生产性土地的均衡因子。CO2 吸收用地主要包括林地草地及海域三部分, 天津的草地面积很小, 而且其对 CO2 的吸收能力不高, 故忽略不计。由于 CO2 吸收用地的生态足迹是根据林地的吸收能力计算得到, 故其生态承载力的计算也统一转化为林地面积。海域的吸收能力采用如下转化方法: 全球海洋每年吸收

20、 2.3Gt 的碳4, 则天津海域每年吸收的碳量可由其面积与全球海洋面积的比值估计出来。根据中国每公顷林地每年可吸收 3.75tCO2, 将海域面积转化为林地面积, 最后经均衡因子和产量因子调整得到 CO2 吸收用地的承载力。淡水资源的承载力的计算采用下式9:EC = 0 . 4!Qp其中, EC 为淡水资源承载力 ; 为水资源均衡因子; ! 为水资源产量因子; Q 为水资源总量; p 为水资源全球平均生产能力。生态承载力的详细计算结果见表 2 及表 3。3 结果分析与讨论由表 3 知, 使用资源产出法计算得到天津市 2003 年的人均生态承载力为 3.177hm2/cap, 而使用原始算法得

21、到的人均生态承载力只有 0.489hm2/cap。这是由于原算法忽略了土地的多重功能性, 造成计算结果偏小。结合天津市消费水平并不太高、土地资源较丰富的实际情况 , 天津市生态赤字不应太大, 所以改进后的生态承载力算法可能更具有合理性。天津市 2003 年的人均生态赤字为 3.089hm2/cap, 人均生态足迹是人均生态承载力的近 2 倍。 而以本文的方法计算得到中国 2003 年的人均生态赤字为1. 382hm2/cap。天津市人均赤字是中国平均水平的 2.2倍 , 这主要由于天津市人均能源消耗量和水产品消费量高出全国平均水平。总体而言, 天津市在可持续发展方面还有提高的空间。3.1淡水资

22、源足迹分析天津是个缺水的城市, 人均水资源占有量仅为全国平均水平的 1/15。淡水资源的匮乏成为限制天津可持续发展的一个重要因素。而生态足迹的原始模型未考虑淡水资源项, 改进后的模型将淡水资源足迹的计算纳入其中, 计算结果显示: 2003 年天津市水资源的消费足迹达 0.38hm2/cap, 而承载力仅为 0.046hm2/cap。一方面, 天津市通过“引滦”、“引黄”工程占用了其他省市的水资源, 反映在输入水足迹上为 0.227hm2/cap, 占消费足迹的 59.7%; 另一方面, 天津市为了满足淡水需求, 不得不过度开发本地的水资源, 如超量开采地下水过度开发河流等。3.2消费足迹和生产

23、足迹的比较生态足迹的原始模型只能反映出天津市当年的生态赤字是多少, 而不能分析出生态赤字是怎样得到补偿的, 改进后的模型通过比较消费足迹和生产足迹可以解决这个问题。2003 年天津市人均消费足迹为 6.266hm2/cap, 人均生产足迹为 6.168hm2/cap, 消费足迹大于生产足迹, 说明天津市占用了其他地区的自然资源, 但其占用值 0.108hm2/cap 仅占其人均生态赤字的 3.5%, 其余的生态赤字是靠开发本地资源而补偿 的 , 其值为 2.981hm2/cap, 达到人均生态承载力的 0.938 倍。反映出天津市资源消耗对当地生态系统的压力较大, 不利于城市的可持续发展。14

24、0 第 31 卷3.3消费足迹的构成分析由图 1 知, 2003 年天津市消费足迹的构成中, 比重最大的是化石能源地, 其次是水域。化石能源地所占比例最大, 与天津市工业发达,需要消费大量的能源有关。由表 3 知天津市人均消费能源足迹为 2.315hm2/cap, 而同年中国人均消费能源足迹只有 0.779hm2/cap, 前者是后者的 3.3 倍。另外, 天津市水域赤字较大, 与天津水产品消费较多有关。4 结论通过把生态足迹分解为生产足迹贸易输入足迹和贸易输出足迹三部分, 并与生态承载力进行比较,揭示出天津市的发展更多地依赖于对本地自然资源的消耗。另外, 水足迹的生态赤字占到总赤字的 11%

25、, 仅次于化石能源地的赤字, 这反映出天津市水资源短缺的现状。结合天津市实际情况, 提出如下建议:( 1) 提高资源利用率, 建立资源节约型社会; 进一步优化经济增长模式, 发展循环经济。( 2) 改进土地利用结构, 提高生态用地的比例。采取积极措施遏制湿地逐年减少的恶势; 加快公共绿地的建设。( 3) 进一步优化产业结构。2003 年天津市三大产业的比重分别为 3.7%50.8%和 45.5%, 与国际发达城市相比 , 第三产业比重偏低, 第二产业比重偏高。另外, 2003 年天津市高新技术产业占规模以上工业总产值比重仅为 30.5%, 高新技术产业所占比重偏小使得工业对环境的压力较大。(

26、4) 改善能源结构 。天津市能源消费以煤和石油为 主 , 可再生能源所占比例较小 , 应增加可再生能源的开发利用 。另外 , 天津市的终端能源消耗中 , 电力和天然气比例偏小 , 与发达国家有较大的差距 ,增 大这两种能源的利用可以减小对本地生态系统的压力。3.4生态赤字的构成分析尽管改进后的模型为 CO2 吸收用地增加了 0.041 hm2/cap 的生态承载力, 但与其 2.574hm2/cap 的消费足迹相比微乎其微, CO2 吸收用地仍为天津市生态缺口最大的一项 , 占到总生态赤字的 81%, 这一方面是由于天津的化石能源消耗量大, 另一方面是因为天津市林地和草地覆盖率较低。另外, 建

27、成地也具有较大的生态赤字, 这从侧面反映出天津市电力及热力产生方式不合理。如电力的产生主要是靠火力发电, 其对环境的影响与水电相比较大。3.5万元 GDP 生态足迹万元 GDP 生态足迹是指每产生 1 万元 GDP 所占用的生态足迹, 万元 GDP 生态足迹越高说明资源的利用效率越低, 这个指标较好地反映了资源利用的效率。天津市 2003 年 GDP 为 2447.66 亿元, 总生态足迹为 6336.82 万 hm2, 万元 GDP 生态足迹为 2.589hm2; 而当年中国的万元 GDP 生态足迹是 4.454hm2, 天津市万元 GDP 生态足迹值相对较低, 反映出天津市资源利用效率高于

28、全国平均水平。参考文献1 Rees W E. Ecological footprints and appropriated carry-ing capacity: what urban economics leave outJ. Urban Environment, 1992, 4(2):120- 130.2 王书华 , 毛汉英 , 王忠静.生态足迹研究的国内外近期进展J.自然资源学报, 2002, 17(6): 776- 782.Wang Shu- hua, Mao Han- ying, Wang Zhong- jing. Progress in ecological footprint a

29、ll over the worldJ. Journal of Natural Resource, 2002, 17(6): 776- 782(. in Chinese)3 谢鸿宇. 生态容量及环境价值损失评价M. 北京 : 化学工业出版社, 2005.Xie Hong - yu. Ecological Capacity and Environmental Value Loss AssessmentM. Beijing: Chemical Industry Press, 2005(. in Chinese)4 Jason Venetoulis, John Talberth. Ecological

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33、, et al. Mod-eling the sustainable development of water resource based on the ecological footprint conceptA. 2005 Fo-rum on Chinese Sustainable DevelopmentSustainable Development: Economics and EnvironmentC. Shang-hai: Tongji University Press, 2005(. in Chinese)!( 上接第 136 页)( 2) 若 e 为正( Positive) , 即原烟气入口压力测量值低于给定值, 则迅速开大增压风机动叶, 即 u 为正大( PL) 。( 3) 若 e 为零( Zero) , 且压力的变化率 de 为零( Zero) , 则增压风机动叶开度不变, 即输出 u 不变( ZE) 。 ( 4) 若 e 为零( Zero) , 且压力的变化率 de 为负( Negative) , 则关小增压风机动叶, 即输出 u 为负中( NM) 。 ( 5) 若 e 为零( Zero) , 且压力变化率 de 为正( Positive) , 则开大增压风机动叶, 即输出 u 为正中( PM) 。4 仿真研究为了说明问题, 分别对增压风机动叶常规 P