通化市生态足迹与生态承载力分析

刘 玉，刘斯垚，刘世好

(国家林业局中南林业调查规划设计院，长沙 410014)

生态足迹分析(EFA)是Rees教授和他的博士生Wackernagel于1992年提出，并由Wackernagel于1996年完善的一种计算支持一定数量人口所需生态系统面积的方法。生态足迹计算是定量测度发展可持续状态的评估方法。本文在简要说明生态足迹内涵与计算方法的基础上，将其运用到城市尺度，探讨了生态足迹理论在通化国家森林城市建设规划中的应用，识别和衡量林业生态体系发展的必要性、林业产业体系的可行性及城市可持续发展状态，为促进通化区域经济与生态环境可持续协调发展提供科学依据[1-3]。

1 生态足迹概念及模型

1.1 生态足迹的概念

生态足迹是指产生为满足特定数量人口的消费和为消解其产生的垃圾所需的土地和水生态系统的面积，而不论所涉及的土地和水源于何处。它是一组基于土地面积的量化指标，从需求计算生态足迹的大小(即所消耗的物质能源需要的土地面积)，从供给计算生态承载力的大小(即该地区所能提供的土地面积)，通过对这两者的比较，评价研究对象的可持续发展状况[4]。

1.2 生态足迹和生态承载力计算模型

生态足迹和生态承载力模型包括生态足迹、生态承载力和生态赤字(或者盈余)三者的计算。

1.2.1 生态足迹的计算

生态足迹的计算主要基于以下两个事实：一是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；二是这些资源和废弃物能折算成生产和吸纳这些资源和废弃物的生态生产性土地面积。具体计算公式如下：

(1)

式中：Ef为人均生态足迹( hm2/ 人)；ei为人均生态足迹分量；rj为均衡因子；Ai为第i种消费项目折算的人均生态足迹分量( hm2/ 人)；Yi为生物生产土地生产第i种消费项目的世界年均产量 ( kg /hm2)；Pi，Ii，Ei分别为第i种消费项目的年生产量、年进口量和年出口量；N为人口数。

ec=∑cj=∑aj×rj×yj

(2)

式中：ec为人均生态承载力(hm2/人)；cj为人均生态承载力分量；aj为人均生物生产面积；rj为均衡因子；yj为产量因子。

在计算生态足迹时，由于单位面积的耕地、草地、林地、水域以及建设用地的生物生产能力差异很大，为了使计算结果转化为一个可比较的标准，有必要对每种生物生产面积乘以均衡因子，以转化为统一的、可比较的生物生产面积[5]。

根据表2可分析得出，项目动态投资回收期为4.66年。根据三甲医院大型检测仪器设备平均动态投资回收期一般在2～4年分析，本项目的动态投资回收期超过大型医院平均值，说明项目经济效益较大型医院有一定偏差，需要进一步分析原因，加强收入和成本管理。

1.2.2 生态承载力计算方法

生态生产性土地是生态足迹分析法为各类自然资本提供的统一度量基础。根据生产力大小的差异，将生态生产性土地分为6大类: 化石能源地、耕地、牧草地、林地、建筑用地和水域。生态承载力的计算则是用研究地区实际各生物生产性面积再乘上相应的产量因子，汇总而得。生态承载力的计算公式为：

(j=1,2,3，…，6)

(3)

式中：Ec为区域总生态承载力；N为人口数。

在计算生态承载力时考虑到同类生产性土地的生产力在不同国家和地区之间存在着差异，因而各国各地区同类生产性土地的实际面积是不能直接进行比较的。产量因子就是一个将各国各地区同类生产性土地转化为可比面积的参数，是一个国家或地区某类土地的平均生产力与世界同类平均生产力的比率。本文均衡因子和产量因子的选取见表1。根据世界环境发展委员会(WCED)的相关报告，生态承载力计算时还应扣除生态系统中12 %生物多样性的保护面积，用以保护区域内生物多样性[6-8]。

表1 通化生态足迹测算中的土地类型说明土地类型主要用途均衡因子产量因子耕地提供绝大多数农产品2.801.66林地提供林产品和木材1.100.91草地提供畜产品0.500.19建筑用地居民地及道路用2.801.66水域提供水产品0.201.00化石燃料吸收CO21.10 注: 1.全球平均生态生产力为1; 2.均衡因子是一个不同类型的生态生产性土地转化为在生态生产力上等价的系数; 3.产量因子为通化市某类土地的平均生产力与世界同类土地平均生产力的比率; 4.实际上人类并未留出CO2用地。

1.2.3 生态赤字和生态盈余

一个地区的生态承载力小于生态足迹时，出现生态赤字，而当生态承载力大于生态足迹时，产生生态盈余。生态赤字表明该地区的人类负荷超过了其生态容量，该地区的发展模式处于相对不可持续状态。生态盈余则表明该地区的生态容量足以支持其人类负荷，该地区的发展模式具相对可持续性。

2 通化生态足迹计算

2.1 通化生态足迹

在计算生态足迹计算中，各种资源和能源消费项目被折算为耕地、草地、林地、建筑用地、化石能源土地和海洋(水域)等6种生物生产面积类型。耕地是最有生产能力的土地类型，提供了人类所利用的大部分生物量,草地的生产能力比耕地要低得多。由于人类对森林资源的过度开发，全世界除了一些不能接近的热带丛林外，现有林地的生产能力大多较低。化石能源土地是人类应该留出用于吸收CO2的土地，但目前事实上人类并未留出这类土地，出于生态经济研究的谨慎性考虑，在生态足迹的计算中，考虑了CO2吸收所需要的化石能源土地面积。由于人类定居在最肥沃的土壤上，因此建筑用地面积的增加意味着生物生产量的损失。

通化市生态足迹计算主要的基础数据来源于通化市2014年统计年鉴，主要依据的基础数据是通化市2014年农产品、动物、水域、燃料、建设用地等的生产量和消费量[9]，再通过生态承载力计算公式，对生态足迹进行计算 。

根据通化市的自然资源和消费特点，确定该区2014年的生态足迹计算主要包括两部分：生物资源的消费见表2；化石能源的消费见表3。

表2 通化市生物资源消费计算项目全球平均产量/(kg/hm2)生产量[9]/t 总生态足迹/hm2人均足迹/hm2生产面积类型农产品稻谷2 7441 280 416466 623.910.288 432 9耕地玉米2 744877 545319 805.030.197 680 2耕地高粱2 744284103.50.000 065耕地薯类12 60723 8311 890.2990.011 683 7耕地豆类1 85635 04918 884.20.011 672 8耕地油料1 8561 775956.360.000 591 5耕地烟叶1 5485 4203 501.2920.002 164 2耕地蔬菜(含菜用瓜果)18 000445 21924 734.3890.015 289耕地瓜类18 00083 1354 618.60.002 854 9耕地动物产品猪肉7441 947566 851.40.350 386 2草地牛肉3329 170883 939.40.546 387草地羊肉3397529 545.50.018 262 8草地禽肉45723 16550 689.30.031 332 4草地蜂蜜501 58431 680.00.019 582 2草地禽蛋40032 91682 290.00.050 865 7草地木材林产品木材1.99(m3/hm2)295 000(m3)148 241.20.091 631 9林地水域水产品 29 16 412565 931.00.349 817 4水域

2.2 生物资源足迹的计算

生物资源消费账户主要包括农产品、动物产品、林产品、和水产品等。生物资源生产面积折算的具体计算中采用1993年联合国粮农组织计算的世界平均产量[10](采用这一公共标准主要是为使计算结果可以进行国与国、地区和地区之间的比较)。

2.3 能源生态足迹的计算

能源资源消费根据通化市实际情况主要考虑了原煤、洗精煤、焦炭、天然气、原油、汽油、燃料油、液化石油气、电力等能源类型(由于热力主要由煤等能源转换而来，为避免重复计算，故没有计算)，以单位化石燃料的平均热量为标准，通过折算系数将区域内能源消费换算成一定的化石能源用地面积[10]。

2.4 生态承载力计算

根据2014年通化市耕地、牧草地、林地、建筑用地、水域的保有面积，计算出各类生物生产性土地面积的人均拥有量，再乘以相应的均衡因子和产量因子汇总后得到人均生态承载力，最后扣除12%的生物生产性土地面积用于保护生物多样性，得到实际可利用的人均生态承载力[11](表4)。

表3 通化市化石能源消费计算燃料种类全球平均足迹/(GJ/hm2)折算系数/(GJ/ t)消费量[9]/t总生态足迹/hm2人均足迹/hm2生产面积类型原煤5520.9346 737 650.82 564 472.41.585 17化石能源用地洗精煤5526.3772 385 513.71 144 0490.707 168化石能源用地焦炭5528.4692 209 1341 143 487.90.706 821化石能源用地天然气9338.979390163.50.000 101化石能源用地汽油9343.1249 723.14 508.60.002 787化石能源用地柴油9342.70536 07216 5640.010 239化石能源用地燃料油7150.2160113.10.000 07化石能源用地液化石油气7150.2563398.060.000 246化石能源用地煤油9343.124949.85440.40.000 272化石能源用地电力1 0003.362 223 8007 4720.004 619建筑用地建设用地70 6510.043 671建筑用地 注:GJ/hm2为热力单位,电力千瓦时与热量折算系数是根据每千瓦时耗煤397 g,再根据每克煤发热量换算。

表4 通化市生态足迹的需求与供给生产面积类型生态足迹的需求生态足迹的供给(生态承载力)人均面积(hm2/人)均衡因子均衡面积(hm2/人)人均面积(hm2/人)产量因子均衡面积(hm2/人)耕地0.530 4342.81.485 2150.132 1151.660.219 311草地1.016 8160.50.508 4080.008 350.190.001 587林地0.091 6321.10.100 7950.566 5280.910.515 541化石能源3.012 8741.13.314 161 建筑用地0.048 292.80.135 2120.048 291.660.080 161水域0.349 817 40.20.069 9750.030 0411.000.030 041CO2吸收 总计 5.613 766 0.846 641扣除12%的生物生产性土地面积0.101 597可用人均生态承载力0.745 044 生态赤字:4.868 722 注:各土地面积数据来源于《通化市土地利用总体规划(2006—2020年)》。

3 结论与讨论

3.1 通化生态足迹分析

从生态足迹的构成来看，通化市的发展模式主要通过消耗自然资源存量来弥补生态承载力的不足，其中生物资源的消费主要以农产品为主；能源的消费主要以原煤、洗精煤、焦炭、电力为主，人均生态足迹较大，产生这一现象的原因是通化市冬季供暖消耗大量的煤。总之，对自然资源的过度依赖，是通化市出现生态赤字的主要原因。

3.2 通化生态承载力分析

从表4可知，通化市2014年人均生态足迹赤字为4.868 722 hm2,也就是说，通化市的消费需求实际上已大大超过了自然系统的生产能力。

从生态赤字的组成来看，各种土地类型的人均生态赤字之间存在着较大的差异，由大到小依次是：化石能源用地(-3.314 161 hm2/人)，耕地(-1.265 904 hm2/人)，草地(-0.506 821 hm2/人)，建筑用地(-0.055 051 hm2/人)，水域(-0.039 934 hm2/人)，而林地处于盈余状态(0.414 75 hm2/人)，主要是因为通化市的森林覆盖率较高。化石能源用地生态赤字最大的原因是目前没有专门的用地来吸收能源消费过程中排放的CO2，且通化市能源消费结构中原煤的消费比重较大；牧草地出现生态赤字的主要原因是由于经济的发展，人们对动物产品的消费与需求都在增加，同时牧草地供给近似为0；水域出现生态赤字的原因是水产品产量虽大，但实际利用率较低；耕地产生生态赤字的直接原因是耕地不足。上述生态赤字显示高能源消耗、人口过于密集、耕地的减少是造成通化市高生态赤字的主要原因。

另外，由于统计数据的不完整性，人均生态足迹的计算值比实际小；而由于生态环境的破坏，生态承载力的计算值比实际大。因此，通化市的生态赤字实际还要更大。在强调以经济建设为中心同时，必须兼顾社会、生态的可持续发展，以确保在未来城市化发展中城市自身和周边的生态安全。

从生态足迹与生态承载力分析可知，通化市的生态赤字已经出现，城市的发展还处于低级的粗略、资源内耗发展阶段，其发展模式并不是一种可持续的模式。而通过创建国家森林城市，建设完整的生态体系，可以改善城市的生态环境，提高土地的生产能力，增强环境的转换能力。而大力发展城市森林，构建强大的城市森林生态系统，不仅可以发挥减少水土流失、涵养水源、净化污染等保障国土生态安全的作用，而且能够进一步增加森林的固碳能力，减缓温室效应，实现间接减排，扩大环境容量，提高经济社会发展的环境承载能力，实现经济社会的可持续发展。由此可知，创建国家森林城市，不仅可以不断地提高城市生态的供给生态足迹，而且可以减少城市的需求消费生态足迹，最终将促进城市生态承载力的不断增强。