基于生态足迹模型的新疆区域生态经济可持续发展能力变化分析-2009年冰川冻土

文章编号:100020240(2009)0520969207基于生态足迹模型的新疆区域生态经济可持续发展能力变化分析 收稿日期:2008212205;修订日期:2009203218 基金项目:中国科学院西部计划项目(KZCX22XB2203203)资助 作者简介:王国刚(1984—),男,山东临沂人,2007年毕业于聊城大学,现为硕士研究生,主要从事区域可持续发展与规划研究.E 2mail :wangguogang066@王国刚1,2,　杨德刚1,　乔旭宁3,　杨　莉1,2,　唐　宏1,2(1.中国科学院新疆生态与地理研究所,新疆乌鲁木齐　830011;2.中国科学院研究生院,北京　100049;3.河南理工大学测绘与国土信息工程学院,河南焦作　454000)摘　要:生态足迹模型是定量评估区域生态可持续发展能力的有效方法.运用生态足迹模型,从时序上对新疆1990—2006年的生态经济可持续发展能力进行了动态评估,并引入Ulanowicz 发展能力和万元G DP 生态赤字(盈余)等指标,考察了社会、经济发展和技术进步对新疆可持续发展的影响.结果表明:1990—2006年间新疆生态足迹增长较快,尤其是2001年以后,总量和人均量增长迅速,而人均生态承载力却呈下降趋势,导致人均生态赤字逐年增大,到2006年人均生态赤字达3187hm 2,比1990年增大了516倍;生态压力主要集中在耕地、化石能源地和牧草地等三种土地类型上,土地多样化利用程度低,发展力的提升主要来自于生态足迹的增长和区域资源利用效率的提高.针对性的提出:加大政府财政投入,引进新技术,增加单位土地面积的产出量;加强政策落实力度,提高土地化利用程度和能源利用效率,促进新疆区域生态经济系统的可持续发展能力.关键词:生态足迹;生态承载力;可持续发展能力;万元G DP 生态赤字;新疆中图分类号:F062.2文献标识码:A0　引言定量测度和评估可持续发展是当前可持续发展研究的前沿和重点[1-2],其核心是确定人类的发展是否处于生态系统承载力范围之内[3].20世纪60年代以来,科学家们致力于对可持续发展定量化指标和方法的研究,旨在为实现可持续发展提供决策依据.如世界资源动态模型[4]、净初级生产力的人类占用研究[5]、能值理论[6]等,运用理论模型量化人类资源的利用,来测度区域可持续发展;可持续经济福利指数(ISEW )[7]、绿色GDP 指标[8]、生态足迹[9]等,通过建立指标体系评估生态经济系统的可持续性.其中,生态足迹模型是由加拿大生态经济学家Rees 和其博士生Wackernagel 共同发展完善的量化可持续发展状态的方法[5],因其指标指示意义明确、评价结果全球可比性强以及模型简便、可操作性强、资料易获取等优点而被广泛应用于区域可持续发展的生态评估.近年来,国内外学者开展了大量的研究工作.理论模型研究方面,彭建等[5]、van Vuuren 等[10]和Wackernagel 等[11-12]通过研究指出了模型在定量化评估生态经济可持续发展时存在的不足.为此,学者通过引进指标[3]、理论融合等方法,提出了能值生态足迹和可持续发展能力等概念、指标,进一步发展和完善了生态足迹模型.实证研究方面,研究尺度逐步从国家[3,10,12]、区域层面缩小到省市[2,13]、县域生态评估[14]尺度,研究视角也由宏观走向微观.2004年Wackernagel 等[12]从时间序列(1961—1999)上分析了澳大利亚、菲律宾和韩国等三个国家的生态足迹变化;国内学者杨永奎等[13]、王书华等[14]分别选取重庆市、新乐市为研究区域,计算了研究区的生态足迹;有些学者从微观角度入手,运用生态足迹模型,对研究区的旅游[15-16]、交通[17]、水资源利用[18]进行了评估,并针对研究区的实际生态足迹第31卷　第5期2009年10月冰　川　冻　土J OU RNAL OF G L ACIOLO GY AND GEOCR YOLO GYVol.31　No.5Oct.2009变化,提出了建议和意见.以前的实证研究多是选择一个时间点对区域可持续发展状态进行评估,较少从时间序列上、人类活动对生态系统的影响上对一个区域生态足迹变化进行分析,这导致评估结果难以真实反映研究区域生态经济可持续性发展的变化趋势.本文采用生态足迹模型,从时间序列上分析了1990—2006年间新疆生态经济可持续发展的变化过程,弥补了生态足迹横向、静态研究的不足,然后结合生态足迹多样性、生态经济系统发展能力和万元GDP生态赤字(盈余)等指标,分析了社会经济活动对新疆区域生态持续发展能力的影响,揭示了新疆生态经济存在的问题,并提出了建议和对策.1　研究区概况新疆维吾尔自治区位于我国西北部,地处欧亚大陆中心,73°41′～96°18′E,34°22′～49°33′N,总面积166149×104km2,约占全国面积的1/6,与8个国家相邻.现已成为第二座“亚欧大陆桥”的必经之地,也是中西南亚经济圈的重心区和我国向西开放的重要门户,区位优势显著.新疆属典型的大陆性干旱气候,干旱是最大的特征,夏热冬冷,干燥少雨,日照时间长,光热、矿产资源丰富.年均降水量仅有156mm,蒸发量年均达1000～4500 mm,新疆是我国干旱区的主体.新疆远离海洋,四面环山,地形地貌可以概括为“三山夹两盆”:北面是阿尔泰山,南面是昆仑山,天山横亘中部,准噶尔盆地和塔里木盆地镶嵌其中.新疆面积广阔,山地、荒漠和绿洲交错,是典型的山地2绿洲2荒漠生态系统,生态系统脆弱.其中,绿洲分布于盆地边缘和河流流域,是一个受干旱区自然和人文因素双重影响的自然生态系统,比一般生态系统更脆弱,破坏后不易恢复.新疆绿洲面积小,仅占总面积的816%[19],并且被荒漠、戈壁包围、分割,使得生态系统不稳定性系数增大,但绿洲上集聚了全疆90%以上的人口,绿洲人口密度是全国人口密度的2倍多,人类活动剧烈,绿洲承受的环境压力越来越大.2006年全疆国民生产总值高达3045×108元,人均G DP为115×104元,经济增长率比全国平均高出2128个百分点,人口也由1990年的1529×104人增加到2006年的2050×104人,给绿洲生态系统带来了巨大压力,如土地退化、水土流失严重,林地、草地面积减少[19].这一系列问题反过来制约着新疆生态经济系统的可持续发展.2　研究方法与数据整理2.1　生态足迹模型生态足迹是指在一定的经济规模条件下,维持特定人口的资源消费和废弃物消纳所必需的生物生产土地面积[3].生物生产土地主要包括[20]化石能源地、耕地、牧草地、林地、建设用地和水域六种类型.生态足迹的一个基本假设是各类土地在空间上是互斥的,这使得可以对各类生物生产性土地进行加总[2].生态足迹的数学模型如下[21]:EF=N・ef=N・∑(r j・c i/p i)(1)式中:E F为总生态足迹;N为人口数;ef为人均生态足迹;i为消费品和投入的类型;c i为i种商品的人均消费量;p i为i种消费商品的全球平均产量;j,r j同上.其中r j采用全球一致因子[20],分别为:耕地和建筑用地为2182,草地为0154,林地和化石燃料用地为1114,水域为0122.2.2　生态承载力计算生态承载力是指区域所能够提供给人类的生态生产性土地总和[13],为使不同国家或地区同类型生物生产性土地的实际面积可以直接比较,用产量因子进行调整[13],将不同土地类型面积乘以相应的均衡因子和产量因子,就可以得出生态承载力.计算公式如下[22]:EC=N・ec=N・∑(a j・r j・y j)(2)式中:EC为总生态承载力;N为人口数;ec为人均生态承载力;j为生物生产性土地类型;a j为人均生物生产性土地面积;r j为均衡因子;y j为产量因子.其中y j采用Wackernagel等[20]1997年对中国生态足迹计算时的取值,分别为:耕地和建筑用地为1166,草地为0119,林地为0191,水域为1,化石燃料用地为0.2.3　生态经济系统发展能力指标2.3.1　生态足迹多样性指数H生态足迹多样性指数是以不同土地类型的面积作为测算生态经济系统多样性的指标.若生态经济系统中生态足迹的分配越近平等,系统组分的生态经济系统多样性越高,系统就越稳定.采用Shan2 non2Weaver的生态多样性公式[23]:H=-∑P i・ln P i(3)式中:H为生态足迹多样性指数;P i为i类土地的生态足迹在总生态足迹中所占的比例.2.3.2　万元GDP生态赤字(盈余)指标W以前的研究多采用万元GDP生态足迹作为生079 冰 川 冻 土 31卷　态经济评价的指标,但是这一指标只是从环境行为角度出发,并未考虑区域环境的生态承载力.万元GDP 生态赤字(盈余)指标综合考虑了人类活动对自然资源的生态需求和生态系统对自然资源的生态承载能力[24].计算公式如下:W =EF -ECA(4)式中:W 为万元GDP 生态赤字(盈余);A 为国家或区域当年GDP ;E F 为国家或区域生态足迹;EC 为国家或区域生态承载力.2.3.3　生态经济系统发展能力C发展能力可由生态足迹乘以从系统组织角度推导的生态足迹多样性指数得到.按Ulanowicz 的公式,发展能力公式可以如下表述[3]:C =ef ・H =ef ・(-∑Pi・ln P i )(5)式中:C 为生态经济系统发展能力;ef 为国家或地区的人均生态足迹;H 为生态足迹多样性指数.2.4　数据收集和整理时段选择在1990—2006年,运用生态足迹模型和发展力等指标,从时序上分析了新疆生态经济可持续发展能力的变化.数据主要来源于新疆维吾尔自治区统计局编的《新疆五十年(1955—2005)》、《新疆辉煌五十年(1949—1999)》和1990—2007年间的《新疆统计年鉴》.3　结果与分析3.1　新疆生态足迹与生态承载力时序变化分析根据公式(1),计算了新疆1990—2006年间包括耕地、牧草地、林地、建设用地、化石能源地和水域六种生物生产性土地类型的生态足迹(表1).根据公式(2),计算了新疆1990—2006年间包括耕地、牧草地、林地、建设用地和水域五种生物生产性土地类型的的生态承载力,并扣除了12%的用于保护生物多样性的土地面积(表1).生态赤字是生态承载力和生态足迹之差. 计算结果显示:1990—2006年间,新疆生态足迹和生态承载力总量是不断上升的,但生态足迹一直高于生态承载力,并且上升速度明显快于生态承载力.总生态足迹由1990年的3643.07×104hm 2上升到2006年的11038.64×104hm 2,增长了2倍多,而总生态承载力仅由1990年2736.52×104hm 2上升到2006年的3097.79×104hm 2,致使总表1　1990—2006年新疆生态足迹和生态承载力变化Table 1　Variations of ecological footprint and ecological capacity in Xinjiang Region in 1990—2006年份生态足迹生态承载力3生态赤字E F/104hm 2ef /(hm 2・人-1)EC/104hm 2ec/(hm 2・人-1)ED/104hm 2ed/(hm 2・人-1)19903643.07 2.38242736.52 1.7896-906.56-0.592819913807.19 2.44902756.21 1.7730-1050.98-0.676119924146.28 2.62322764.36 1.7489-1381.92-0.874319934156.00 2.58902758.94 1.7187-1397.06-0.870319944498.06 2.75502781.53 1.7036-1716.53-1.0513********.08 2.91882786.50 1.6773-2062.58-1.241519965402.96 3.19842867.87 1.6977-2535.09-1.500719975559.63 3.23602892.12 1.6833-2667.51-1.552619986091.83 3.48632932.90 1.6785-3158.93-1.807819995931.52 3.34172966.85 1.6715-2964.67-1.670220006165.91 3.33403119.76 1.6869-3046.16-1.647120016765.20 3.60582955.68 1.5754-3809.52-2.030520027414.45 3.89172953.45 1.5502-4461.00-2.341520038125.98 4.20182946.89 1.5238-5179.09-2.678020048859.62 4.51312976.98 1.5165-5882.63-2.996620059923.62 4.93633021.06 1.5028-6902.56-3.4335200611038.645.38473097.791.5111-7940.85-3.8736 注:3扣除了12%生物多样性保护面积.1795期王国刚等:基于生态足迹模型的新疆区域生态经济可持续发展能力变化分析生态赤字在1990—2006年间增长了近8倍.从人均水平上看,新疆人均生态足迹持续攀升,而人均生态承载力却呈下降趋势,造成人均生态赤字额逐年增大.到2006年人均生态足迹达5138hm 2,是生态承载力的316倍,人均生态赤字也由1990年的0159hm 2增大到2006年的3187hm 2,增长了515倍;从时序变化上看,1990—2000年间,无论是总量还是人均量,生态足迹、生态承载力和生态赤字变化幅度较小,而2001—2006年时段,生态足迹和生态赤字在总量和人均指标上不断上升,而承载力却不断下降.表明:西部大开发战略的成效逐步显现,新疆经济发展和人口增长较快,生物消费量增多,对生态的压力增大.从生态足迹的构成来看(图1),新疆区域生态足迹对耕地、牧草地和化石能源地处于高度依赖状态,人均生态足迹仍不断上升.2006年三者占总足迹面积的95166%,而1990—2005年间,一直维持在98%以上.其中耕地足迹所占比重最大,但是总体趋势是下降的,由1990年的49153%下降到2006年的36162%;牧草地足迹比重总体趋势是上升的,1990—2000年间,上升了10196%,而后趋向平缓;化石能源地的人均生态足迹自2001年后上升较快.这表明:随着人民生活水平的提高,肉类消费比例增大,粮食消费量有所下降,对牧草地的生态压力增大,而经济发展对能源的消耗量增大,导致化石能源地生态足迹上升.图1　1990—2006年新疆生态足迹构成Fig.1　Time series of ecological footprint componentsin Xinjiang Region ,1990—2006 从不同生物生产性土地类型的人均生态承载力看(图2),耕地承载能力最大,占到总承载力的45%以上,但近年来呈轻微减小趋势,这主要是因为城镇化建设和经济的发展,占用了一些耕地资源,退耕还林还草政策的落实也使得耕地面积有所减少;林地、牧草地和建设用地三者合计占到生态承载力的50%以上,人均承载力变化不大,说明林地、牧草地和建设用地的生态空间较大,尤其是牧草地和建设用地,如图3所示,处于生态盈余状态;水域的承载力比较小,保持稳定.图2　1990—2006年新疆不同生产性土地类型的人均生态承载力变化Fig.2　Changes of ecological capacity per capita for differentland types in Xinjiang Region ,1990—2006 通过对新疆1990—2006年间生态足迹和生态承载力的分析(图3),可以看出,耕地和化石能源地生态压力大,生态赤字分别由013485hm 2・人-1、018274hm 2・人-1上升到112403hm 2・人-1、118069hm 2・人-1,生态赤字严重且有进一步恶化的趋势.林地由初期的生态盈余转变为生态赤字,1994年以后,生态赤字增长趋势显著.这主要是因为人口的增加,水果产品消费量增加,林地生态足迹上升快,而林地面积又处于减少状态,导致承载力下降,林地生态赤字增大.牧草地和建设用地的生态承载力高于生态足迹,表明新疆的退耕还草措施取得了一定的进展,畜牧业发展潜力大.随着人口的增长,对建成地面积需求不断增加,但建设用地供应充足,一直能够满足人们的需求,因此应该合理利用现有建设用地,控制建设用地对其他用地的占用.图3　1990—2006年新疆不同生产性土地类型的人均生态赤字变化Fig.3　Changes of ecological deficit per capita for differentland types in Xinjiang Region ,1990—20063.2　新疆生态经济系统可持续发展能力分析生物生产性土地按六种类型划分,利用新疆1990—2006年的生态足迹的计算结果,根据公式(3)、(4)计算新疆生态足迹多样性指数H 和发展能力C ,万元GDP 生态赤字W 依据公式(5)计算得出(图4).279 冰 川 冻 土 31卷　图4　1990—2006年新疆生态经济系统可持续发展能力指数变化Fig.4　Changes of sustainable development capacityindex of ecological economic system in XinjiangRegion,1990—2006 在研究时段内,新疆生态经济系统发展能力一直处于平稳上升状态.1990年发展能力最小,为2154,到2006年达到最大值6121,增长了1倍多.其中,2001—2006年是一个快速上升的阶段,这说明西部大开发战略的成效逐步显现.但生态足迹多样性指数仅略有提高,土地利用多样化程度低,生态经济系统的稳定性程度提升缓慢,所以发展能力的提高主要源于生态足迹的贡献.通过对新疆生态足迹和生态承载力的分析发现,耕地、林地和化石能源地等生物生产性土地生态压力大,生态赤字严重.因此,今后新疆生态经济系统发展能力的提升,应该以提高生态足迹多样性为主要手段,即提高土地利用类型的多样化程度,合理有效的利用土地资源.从万元GDP生态赤字指标的变化看,随着生态经济系统发展能力的提高,W值总体呈现出下降趋势.这些变化表明,1990—2006年间新疆区域资源利用效率逐渐提高,由1990年的3147下降到2000年的2123,达到最小值,即资源利用效率最高,然后又有所回升,2006年为2161.但提高能源利用效率是减少生态赤字的有效手段,新疆是一个资源大省,并且生态赤字严重,因此提高能源利用效率势在必行.4　结论与建议4.1　结论运用生态足迹模型和发展力等指标,对新疆1990—2006年时段的生态经济系统可续性发展变化进行了分析,结果表明:(1)研究时段内,新疆生态足迹总量和人均量呈现递增趋势.其中,2001—2006年阶段增长幅度较大.但生态承载力的总量增长较少,人均量呈下降趋势,造成总量和人均量生态赤字严重,分别由1990年的906156×104hm2、0159hm2增大到2006年的7940.85×104hm2、3187hm2,增长了718倍、516倍.可以认为,当前新疆消费是以耗竭现有资源,来弥补生态承载力的不足.(2)耕地、牧草地和化石能源地是新疆生态足迹的主要组成部分.1990—2006年间,人均生态足迹不断上升,但承载力变化较小,耕地甚至出现下降的趋势.因此,耕地、化石能源地生态赤字严重,仅牧草地略有盈余;1991年以前,林地处于生态盈余状态,然后转化为生态赤字,且上升较快;建设用地一直处于生态盈余状态.(3)1990—2006年间,发展力指数增长了1倍,上升趋势明显,但是生态系统多样性指数低、上升缓慢,新疆生态经济系统可持续发展力的提升主要是生态足迹的上升;万元GDP生态赤字指数整体呈下降趋势,即资源利用效率逐步提高,但效果不明显.4.2　措施和建议为缓解生态压力、解决生态赤字等问题,实现新疆区域生态经济系统的可持续发展,针对上述分析,提出以下建议:(1)加大政府财政投入,引进新技术,增加单位土地面积的产出量.新疆耕地、牧草地等适宜性土地面积大,但人口少、机械化程度低等原因导致土地经营方式粗放,单位土地面积产量低,区域土地生态压力大.此外,不合理的耕种、畜牧业结构,也进一步危及到新疆山地2绿洲2荒漠生态系统的生态承载力及其稳定性.因此,采用新技术如提高机械化程度,改变经营方式如传统畜牧改为游牧,是提升单位土地面积产出是缓解生态赤字的有效途径.(2)加强政策落实力度,提高土地多样化利用程度,实现土地资源有效利用.新疆的耕地、化石能源地等土地类型人均生态足迹大,生态赤字严重,而牧草地、建设用地等略有生态盈余.如牧草地资源,当前状态是草场资源不断退化,载畜能力下降,其主要原因是传统畜牧方式使得牧草地资源没有得到合理利用.因此,应该提高土地利用的多样化程度,合理利用土地资源,是分担耕地等土地生态压力的有效手段;另一方面应该落实政策,加强对耕地、林地的保护.(3)提高资源利用效率,确保生态经济系统的3795期王国刚等:基于生态足迹模型的新疆区域生态经济可持续发展能力变化分析　持续发展.新疆资源丰富,储藏量大,但由于企业产业结构低,技术水平有限,导致资源消费结构低,循环利用能力差,资源浪费严重,利用效率低等一系列问题.今后应优化产业结构,提高技术水平,实现资源的高效利用,提升新疆区域生态经济可持续发展能力.5　讨论生态足迹模型自提出以来,因其指标指示意义明确、评价结果全球科比性强等优点[5],而被生态学者迅速推广和应用,但其方法和模型上的缺陷,也遭到一些学者的批判.(1)静态模型,缺乏预测功能[5].生态足迹模型以1a为单位,只是对当前区域的可持续发展能力的评价,不能动态的预测未来变化趋势.本文从时间序列上研究了新疆1990-2006年间生态可持续发展能力,分析了新疆生态经济系统的发展及其变化趋势.(2)相对的生态偏向性[25].生态足迹模型仅仅强调人类发展对生态系统的影响,而忽略了社会、经济、技术等因素的作用.本文通过引入生态经济系统发展力等指标,考察了社会、经济发展和技术进步对生态可持续发展的影响,对新疆的生态经济系统进行评估.此外,在研究中发现,生态足迹模型把生物生产性土地仅分为6种类型,按照不同类型赋予不同折算系数,这样得到的区域生态可持续发展能力具有全球可比性,但却忽略了地方本身土地的实际生产能力,使得对区域生态可持续发展能力的评估出现较大偏差.因此,在不失全球可比的情况下,应该细化土地类型分类,减小地方对生态持续发展能力评估的偏差.参考文献(R 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for ecological footp rint time series is p resented ,combining wit h develop ment capacity indexes ,and t hen applied to Xinjiang Region for t he time period f rom 1990to 2006.The result s show t hat t he ecological foot 2print ,not o nly total amo unt but also per capita ,grew rapidly ,especially from 2001to 2006,be 2cause of t he rapid economic develop ment t hrough 2out t he analyzed period.However ,t he per capita of ecological capacity gradually decreased.Now ,cultivated land ,grassland and energy land play t he mo st important role in ecological capacity.On t he ot her hand ,develop ment capacity grew slowly ,which att ribute to t he low index of ecological foot 2p rint’s diversity.According to t he above result s ,t he following suggestions are p ut forward :int ro 2ductio n of new technology to increase yield ;imp ro 2ving energy and land utilization.K ey w ords :ecological footprint ;ecological capacity ;sustainable develop ment capacity ;ecological deficit per ten t housand GDP ;Xinjiang Region5795期王国刚等:基于生态足迹模型的新疆区域生态经济可持续发展能力变化分析。