GIS、RS技术与生态足迹方法在城市生态规划中的应用

GIS、RS技术与生态足迹方法在城市生态规划中的应用

文献综述

摘要：随着城市化进程的加快，城市生态环境问题越来越成为人们关注的重大问题。城市生态规划是实现城市社会、经济和环境协调发展的重要途径，已逐步成为了全球城市研究的热点，本文在对城市生态规划的概念及主要研究内容进行简要论述的基础上，对目前国际上比较流行的生态足迹理论的概念和计算方法，以及遥感和地理信息系统技术等在城市生态规划研究中的应用途径进行了综述。

关键词：城市生态规划，生态足迹，GIS，RS，可持续发展

1 引言

生态规划(Ecological planning)是指在没有任何有害的境况下或在多数无害的情况下，对土地某种用途的规划。从区域和城市人工复合生态系统的特点、发展趋势和生态规划所应解决的问题看，生态规划不应仅限于土地利用规划，而是应以生态学原理和城乡规划原理为指导，应用系统科学，环境科学等多学科的手段辩识、类比、设计人工复合生态系统内的各种生态关系，确定资源开发利用与保护的生态适宜度，探讨改善系统结构与功能的生态建设对策，促进人与环境关系的持续发展。生态规划的目的是：从自然要素的规律出发，分析其发展演变规律，在此基础上确定人类如何进行社会经济生产和生活，有效的开发、利用、保护这些自然资源要素，促进社会经济和生态环境的协调发展，最终使得整个区域和城市实现可持续发展。

城市生态规划是与可持续发展概念相适应的一种规划方法，它将生态学的原理和城市总体规划、环境规划相结合，对城市生态系统的生态开发和生态建设提出合理的对策,从而达到正确处理人与自然、人与环境关系的目的。城市生态规划最基本的理论是生态平衡理论、可持续发展理论、生态适宜度理论。随着生态学理论及遥感和地理信息系统技术研究和应用的进展，一些新的理论和方法将应用于指导今后城市生态规划的实践，比如生态足迹理论。

2 生态足迹理论概述

2.1 生态足迹及其几个相关概念

生态足迹理论是20世纪90年代,加拿大生态经济学家Rees提出生态足迹(Ecological Footprint)的概念,并由Wackernagel对其理论和方法加以完善。生态足迹又称生态占用,指一定人口所消费的资源和吸纳这些人口产生的废弃物所需要的生物生产性土地的总面积。通俗来讲，我们每个人都需要一定的地球表面来支持我

们的生存,这就是我们的生态足迹。生态足迹是一个简单的易于理解的指数,通过计算维持现在的生活方式所需要的土地,它能够清楚的表明社会活动对环境的影响生态足迹用生物生产性土地面积表达特定的经济系统和人口对自然资源的消费量,并与该地区实际的生态供给能力相比较,衡量地区的可持续发展程度。

生物生产性土地也称生态生产性土地,是指具有生态生产能力的土地或水体，它是生态足迹分析法为各类自然资本提供的统一度量基础。在生态足迹指标计算中,各种资源和能源消费项目被折算为生物生产性土地。主要考虑如下6种类型：化石能源地(fossilenergy land)、可耕地(arable land)、林地(forest)、草场(pasture)、建筑用地(built-up areas)和海洋(sea)。将这6类具有不同生态生产力的生物生产面积加权求和即为生态足迹。在加权求和过程中,需要对各类生物生产面积乘以一个均衡因子,某类生物生产面积的均衡因子等于全球该类生物生产面积的平均生态生产力除全球所有各类生物生产面积的平均生态生产力。

生态足迹理论中,将一个地区所能提供给人类的生物生产性土地的面积定义为该地区的生态承载力(Eclogical Capacity),以表征该地区的生态容量。将生态足迹与生态承载力相减,差值为正时称生态赤字,表示该地区人均占用资源量超过了生态承载为,差值为负时称生态盈余,表示人均占用资源量仍在生态承载力允许的范围之内。该值定量化反应了地区的可持续发展现状。

2.2 生态足迹计算方法

生态足迹的计算是基于以下两个基本事实：（1）人类能够估计自身消费的大多数资源、能源及其所产生的废弃物数量；（2）这些资源和废弃物流能折算成生产和消耗这些资源和废弃物流的生态生产性土地面积。生态足迹的计算方法有二种：国家层次上的生态足迹计算,使用综合法(Compound ap-proach),即自上至下利用国家级的数据归纳；而区域(省、市)、行业、公司、学校、个人生态足迹采用Simmons等人创造的成分法(Component approach),即自下而上利用当地数据,但计算公式相同。计算公式如下:

式中,EF为总的生态足迹；N为人口数；ef为人均生态足迹；aa i为人均第i种消费物品折算的生物生产面积；r i为均衡因子；C i为第i种物品的人均消费量；P i

为第i种物品的平均生产能力。生态足迹账户核算分为生物部分账户、能源部分账户。生物资源消费足迹计算方法：

式中,EF i为i种资源的消费的足迹；P i为i种生物资源的总生产量；I i、E i为i 种资源消费的进口和出口量；Yaverage为世界上i种生物资源的平均产量。

2.3 能源足迹计算方法

能源足迹计算依据人类活动中消费的各种能源,如：煤、焦炭、燃料油、原油、汽油、柴油和电力等。能源足迹的计算是将能源的消费量转化为化石燃料生产土地面积。研究表明,能源足迹在生态足迹中占很大比重。美国与德国都是发达国家,但1999年美国的生态足迹是德国的生态足迹的2.06倍,研究表明,这是因为生活方式和能源消费不同的结果。

2.3.1 传统能源足迹计算方法

传统生态足迹能源部分计算(每1 hm2土地能够产生多少能量,即所谓的“能地比”(energy to land ratio)问题)有3种计算法,它们导出相似的结果：

（1）替代法。替代法通过农田或林地能够产生的生物量转化为乙醇(或甲醇)燃烧产生的能量来计算。生产能够产生与化石燃料燃烧相同能量的乙醇(或甲醇)的农田或林地面积即为化石燃料的生态足迹。计算方法由Wackernagel等提出的,他们估计土地可以生产相当于8.0×104 J·hm-2的乙醇。

（2）自然资本存量法。自然资本存量法是估算用于吸收化石燃料燃烧所产生的CO2的林地面积。这种计算方法在很多生态足迹计算中得到应用。研究表明,树龄在50~80 yr的中龄森林,林地可以吸纳1.0×1011 J·hm-2化石燃料排放的CO2。

（3）碳吸收法。碳吸收法是计算用于以同等速率补偿化石燃料能源消耗的生产性土地的面积。例如种植可以产生消耗的化石燃料相同能量的林地,从理论上使地球上的能源没减少。森林每年累积的可更新的生物物质能源(biomass energy)大约也是8.0×104 J。

2.3.2 调整的能源足迹计算法

St glehner认为以上3种方法都不能满足化石燃料足迹供应的复杂评估。原因如下：

（1）替代法用甲醇或乙醇作为等能量替代物,是用来评估可再生能量替代物的,而非化石燃料足迹。显然只有节省化石燃料能源才能减小生态足迹,而不是节省可再生的化石能源的替代物——甲醇或乙醇,更不是生物量。因此仅仅保存能源的潜