油气资源开发区域生态承载力变化及发展能力评价

彭民 闵萍萍 朱志红

摘要：为了解油气资源开发过程中的生态占用情况，利用生态足迹法，结合油气资源开发特点、对环境的影响及开发区域的自然情况，增加污染账户，来分析开发区域生态承载力变化趋势;利用生态压力、万元GDP生态足迹、生态足迹多样性和发展能力等指数来评估该区域的可持续发展能力。以大庆油田为例，对1987—2017年的相关统计数据进行了测算，结果表明：近30年间大庆油田人均生态足迹明显高于人均生态承载力，生态赤字水平逐年升高，生态压力指数波动式增加，区域生态压力逐年增大，万元GDP生态足迹大幅下降后保持相对稳定，区域生态多样性与发展能力之间的差距在扩大。研究认为进入开发中后期阶段的油田，既面临地区生态供需矛盾突出的现实，又面临经济高质量转型升级的考验，需要采取均衡化、生态化、智慧化的策略，对油田土地进行综合开发与再利用。

关键词：油气资源;生态足迹;生态承载力;发展能力

中图分类号：F407.22;X322

文献标识码：A

文章编号：1673-5595（2021）04-0010-08

自Rees提出生态足迹研究方法以来，因其在衡量区域经济发展潜力方面的科学性和普适性，在世界范围内得到了广泛推广和应用，研究领域不断扩展。[1]该方法引入中国后，引起了学者的研究兴趣，利用该方法及对该方法的改进，在不同尺度、行业领域生态承载力研究方面取得了很多成果。如黄宝荣等[2]在全国尺度上用该方法测算2000—2010年我国的生态足迹时发现，人均生态足迹由1.40gha增加到2.43gha，低于2.60gha的世界平均水平。一些学者还对该方法不断改进，特别是在地区生态足迹账户、计算方法、指标选择等方面，以适应区域方面的研究要求。如郝海广等[3]关于农牧交错区草地消费足迹与收入水平关系的研究;荣傲登等[4]利用耕地、草地、化石能源、建筑用地及水域等指标，对河流流域生产性土地的生态足迹和生态承载力的研究;Liu等[5]

基于净初级生产力改进的生态足迹评价模型（EF-NPP模型），对国家级自然保护区的研究;曹威威等[6]从消费端和供给端构建生态足迹账户体系，对能值生态足迹和能值生态承载力模型进行改进和优化，对省域生态经济系统变化特征的研究;赵鹏宇等[7]在现有生态足迹模型中通过增加污染排放、水资源账户，重新确定各项生物账户全球平均产量与土地均衡因子，对市县区域生态足迹和生态承载力空间差异的研究。生态足迹法也常用在行业领域[8-10]、城市及地区生态盈亏的生态承载力[11-14]测算中。

生态足迹法侧重于测算生态系统供给服务功能的特性与油气资源开发区域生态系统所面临的主要压力方向是吻合的。油气资源开发过程复杂，要经历物探、钻井、测井、采油、井下、油气集输及闭井恢复等环节，且具有开发持续时间长（30～70年）、占用区域面积大、地下隐蔽等特点。开发中产生的废气、废水、固废等“三废”污染介质，会给当地生态环境带来一系列不同程度的长期影响，其中采油过程对水资源（污染）的影响最大，其次是物探、钻井环节产生的固废。[15]经过长期开发的油气资源区域，地区生态环境发生了很大改变，[16]有必要结合油气资源开发特点、区域生态环境特征，对该类型区域生态承载力变化情况进行评价，以了解该区域的生态占用情况，为该区域经济和环境的可协调发展制定对策。

一、评价方法及指标选择

（一）评价方法

利用生态足迹及发展能力研究方法，按以下思路研究油气资源开发区域内的生产活动：首先，从区域资源需求层面，将对当地资源、能源的消费量和由此产生的废弃物排放量转化成相应的具有生产力的土地面积，来分析该区域的吸纳能力，进而判断该区域的发展潜力;其次，从区域资源供给层面，考量所在区域的生态环境系统，分析其能提供给开发区域人口和经济增长的生态空间，即区域所能支撑的最大人口数量和经济活动总量;最后，通过计算生态压力、万元GDP生态足迹、生态足迹多样性及发展能力指数来判断该区域的可持续发展能力。

1.生态足迹模型

研究特定时间条件下供给区域内的生态足迹，是通过将人口消费的自然资源与燃料能源转换成生产性土地面积，面积数值越大，表示产生的生态负荷越多。计算公式为

EF=N×ef=N×∑ri×ciPi（1）

式中：EF为区域总生态足迹，ef为区域人均生态足迹，N为人口数量，i为消费项目的类别，Ci为第种消费项目人均消费量，Pi为第i种消费项目平均生产能力，ri为不同类型土地的均衡因子。

生态承载力判断的是区域内部资源所能供养的人口最大负荷量，计算公式为

EC=N×ec=N×∑（ai×ri×yi）（2）

式中：EC为生态承载力总量，ec为人均生态承载力，ai为人均各类生物生产性土地面积，yi为不同类型土地的产量因子。

2.生态盈亏与压力指数

利用生态盈亏来判断区域发展是否处于生態承载力范围之内，利用生态压力指数来说明人类活动对区域生态系统的干扰强度，二者相互补充与印证，可以更好地反映区域生态承载力变化状况，计算公式为

ed=ec-ef（3）

EPI=ef/ec（4）

式中：ed为人均生态盈亏，ed>0表示人均生态盈余，生态系统是安全的、可持续的，反之不安全、不可持续;EPI

为生态压力指数，当其小于1时，表明干扰强度未达到生态系统的自反馈上限，生态系统平衡，反之生态安全则受到威胁，EPI越大，生态系统遭受的干扰强度越大。

3.万元GDP生态足迹指数

该指数反映区域经济发展对区域系统资源利用率的高低，可用以判断区域发展潜能，数值越大，资源利用效率就越低，意味着发展能力不足。计算公式为

万元GDP生态足迹=EF/GDP（5）

4.区域生态足迹多样性与发展能力指数

生态足迹多样性指数是用来描述一个区域内各类资源消耗所占各类土地面积的均衡程度，指标值越大，区域总生态足迹在不同地类中的分配占比越平均，生态系统多样性越高;反之，说明区域产业类型单一，生态系统处于不稳定状态。计算方法参照Shannon-Weaver模型[17];用区域人均生态足迹与多样性指数相乘，判断区域生态经济系统的发展能力，计算方法参照Ulanowicz的文献[18]。二者计算公式为

H=-∑（pj×lnpj）（6）

C=ef×H=ef×[-∑（pj×lnpj）]（7）

式中：H为区域生态足迹多样性指数，C为区域生态经济系统发展能力指数，pj表示第j类土地类型在生态足迹中的比例与分配状况。H

值越高表明区域内土地利用类型比例适中，生态系统结构处于稳定状态。C值与人均生态足迹和多样性指数之间正相关。当多样性指数处于稳定时，高人均生态足迹会提升发展能力指数，这说明区域经济发展能力是靠过多的生态足迹负荷取得的，这样的发展能力很难持续;好的状态是生态负荷一定，通过区域内各土地类型的合理使用，提升多样性指数，来提高区域经济发展能力。

（二）账户及指标选择

油气资源开发区域内各类生物资源、能源、水资源消耗及污染排放产生的生态足迹构成区域总生态足迹。传统生态足迹计算大多包括生物资源账户、能源账户两部分。根据油气资源开发特点及对开发区域水环境的影响，现将“水资源账户”和“污染消纳账户”扩展到生态足迹计算中，用来描述开发区域的水资源供给能力和污染排放生态足迹。考虑到该区域出产的产品类别与资源、能源消费情况，根据开发区域数据的可获得性、开发区域生物资源情况，选取的生态足迹指标见表1。

（三）相关说明

1.土地类型划分及均衡因子选取

根据油气资源开发区域情况，将水资源用地、污染消纳用地加入到生态足迹模型中。计算时，各土地类型的均衡因子参照杨屹等[19]的计算方法取值，即建设用地2.34、耕地2.34、水域0.32、草地0.48、化石能源用地1.64、林地1.64、污染消纳用地1.0、水资源用地1.0。

2.产量因子选取

为补偿人类对化石能源类自然资本的消耗，理论上应留出用于吸收CO2所需的能源用地面积，但实际上人类并未专门划出此类土地来吸收能源燃烧释放的废气，故能源用地生态承载力面积一般为0。常认为林地消纳吸收废气，水域净化消纳污水，固体废弃物堆积则占用耕地，为避免重复计算，故不单独计算污染消纳用地的生态承载力。计算时，各土地类型的产量因子参照Wackernagel等[20]计算中国生态足迹时采用的平均值，即建设用地1.66、耕地1.66、草地0.19、林地0.91、水域1.00、水资源用地2.45、能源用地0。

3.数据处理

计算中涉及的全球平均生产能力数据来源于联合国粮农组织（FAQ）统计数据库[21]。能源项目人均足迹测算是以单位能源消耗产生的平均发热量为标准，通过各能源项目折算系数、全球平均能源足迹，将区域能源消耗转化为能源用地面积;废气生态足迹测算是将废气排放量转化为吸收大气污染所需的林地面积，按照单位面积阔叶林对SO2的平均吸收能力取88.65千克每公顷、单位面积林地对粉尘的阻滞能力取10.11吨每公顷[22-23];废水生态足迹测算是根据单位面积水域对污水的平均吸纳能力取365吨每公顷[24];固废生态足迹测算是按照单位土地面积固废的适宜堆积量10.9万吨每公顷换算[25];水资源人均足迹测算是按水资源全球平均生产能力3.14×103立方米每公顷标准计算[19]。最后通过“产量因子、均衡因子”将土地面积调整为具有等价生产力的面积。

二、基于大庆油田的测算

（一）研究区域范围

大庆油田位于松辽平原中央、黑龙江省中西部、松嫩平原腹地，地理坐标为东经125°12′至124°19′，北纬45°46′到46°55′。主要勘探区域包括东北和西北两大探区，由萨尔图、杏树岗、喇嘛甸、朝阳沟等48个规模不等的油气田组成，总面积达22 161平方千米。经过60年多的持续开发，油田形成了以原油开采、集输、注水、给排水、污水处理、电力、通信、道路、消防、矿区建设、机修、油田化工为主的完善的油气开发系统，油田区域原生态环境也发生了很大改变。

（二）数据来源

研究中涉及的数据主要来自：大庆油田开发统计数据，包括《中国石油天然气集团公司年鉴》、大庆油田档案馆等;《大庆市统计年鉴》《大庆市环境状况公报》等;大庆市自然资源保护局提供的历次土地利用调查数据。为统一数据口径，采用大庆市农产品产量替代农产品消费量。因相关数据可获得性问题，能源类指标采用规模以上工业企业的能源消耗量，水资源消费量采用工业用水量。由于个别年份数据采集不全的原因，2000年以前的数据选取1987年、1990年和1995年3个时间节点。

（三）计算结果及分析

1.生态足迹分析

根据式（1）测算得到大庆油田1987—2017年各账户人均生态足迹情况，见表2。从表2可以看出，总体人均足迹呈上升趋势，由5.460公顷每人升至10.846公顷每人，30年间增长近一倍。各账户中，除水资源总体呈降低趋势外（2002年人均生态足迹达到峰值后逐渐降低），其余各用地人均生态足迹均呈上升趋势，其中林地增长了8.5倍，建设用地增长了8.2倍（呈波动式增长），草地增长了4.1倍，水域增长了3.6倍，耕地增长了1.9倍，能源用地增长了0.7倍，污染消纳用地增长了0.1倍。这说明区域油气经济的发展推动了本地工业化的进程，进而产生了对城市建设用地需求的增长;油田建设、人口增加及生活水平的提高，对农副产品消费需求逐渐增加，对草地资源占用逐渐加大;油田地区水域、湿地资源丰富，市民对水产品需求量的增加带动了水产业的发展。从结构看，不同类型人均生态足迹占比差别较大，其中能源用地占比69.79%、耕地占比10.34%、草地占比8.30%，其余用地占比較低。作为重要石油、石化工业基地，能源生产、加工、消费量巨大，使地区能源消耗的生态占用较突出，能源用地占比较高，且呈增长趋势，说明该地区经济发展对能源依赖性较大，具有典型能源型地区特征。由于油田地处松嫩平原腹地，适宜大规模粮食生产，耕地占比仅次于能源用地。

在能源用地中，经测算原油人均生态足跡约占能源用地的57%，煤炭约占比30%。表明石油资源消耗是导致该地区人均生态足迹显著上升的主要因素，这与大庆地区以石油、石化工业为主的较单一的产业结构密切有关;煤炭资源消耗对该地区人均生态足迹的影响居次要地位，大庆地区每年有近6个月的冬季燃煤供热时间，煤炭价格相对石油价格低，取暖锅炉油改煤后，燃煤对地区能源足迹消耗占比提升的影响很大。

从各污染项目人均生态足迹情况看。油田区域因油气资源开发、生产和消费带来“工业三废”问题，污染排放也占用了一定的地域空间，测算得出的油田区域各污染排放项目人均生态足迹情况如图1所示。从图1可以看出，废气污染人均生态足迹呈先升后降走势，由1987年0.133公顷每人增加到2010年0.264公顷每人，此后，开始走低到2017年0.087公顷每人，这与2010年后加大了废气排放治理及废气回收技术的使用有关;污染消纳用地人均生态足迹也呈先升后降趋势，2010年达到峰值（0.435公顷每人）后开始下降，这与废气污染人均生态足迹降幅较大有关;废水污染人均生态足迹在2015年前低于废气污染人均生态足迹，但总体呈上升趋势，由1987年0.090公顷每人增长到2017年0.159公顷每人，这与油田区域石油工业增长、人口增加和城市扩张有关;油气钻井中的固体废弃物及落地原油，一般呈点状分布，都经过了无害化处理，没有产生明显的固废污染。

2.生态承载力分析

根据式（2）测算得到大庆油田人均生态承载力构成情况，如图2所示。

从变化趋势看，油田区域人均生态承载力总体呈增长趋势，由1987年1.014公顷每人增长到2017年1.919公顷每人，平均年增长率为2.92%。不同土地类型人均生态承载力均出现增长，其中，建设用地由0.049公顷每人增至0.328公顷每人（增幅最大），林地由0.044公顷每人增至0.149公顷每人，耕地由0.591公顷每人增至1.113公顷每人，水资源由0.086公顷每人增至0.161公顷每人，水域由0.362公顷每人增至0.417公顷每人，草地基本稳定在0.02公顷每人左右。2000年以来大庆地区加强了油田区域未利用土地的开发，主要是一些草地和荒地的城市化利用;增加了荒地和油田用地的植树造林，建设了油田生态林网工程;对非油田区域耕地进行了保护和开发;对区域湿地水资源加强了保护。这些做法对减缓生态压力、保持生态系统稳定发挥了积极作用。

从结构看，油田区域耕地人均生态承载力占比均值为54.4%，水域为27.1%，建设用地、水资源、林地、草地占比较小。30年间，油田区域人均生态承载力上升受耕地、水域用地的影响最大，耕地和水域对该区域人均生态承载力贡献率超过80%，为生态系统承载的主要贡献者。

3.生态盈亏分析

根据公式（3）测算得到大庆油田区域生态盈亏变化趋势情况，如图3所示。从图3可以看出，油田区域30年间人均生态赤字与人均生态足迹变化呈现“镜像”关系，这与人均生态承载力上升变化较为平稳且波动小有关，人均生态足迹攀升是该区域人均生态赤字水平升高的决定性因素。根据谢高地等[26]

对生态赤字区段的划分，人均生态赤字大于2～3公顷每人为严重生态赤字区。可见，大庆油田区域一直处于超严重生态赤字状态，2017年人均生态赤字达到8.927公顷每人，两倍于1987年的4.446公顷每人的水平，且生态赤字呈不断扩大趋势，表明地区生态系统超载程度严重，处于不可持续状态。2014年人均生态赤字达到峰值（9.957公顷每人）后有缩减趋势，主要是由于节能减排等政策的实施使整体能耗水平降低，区域能源用地人均生态赤字恶化得到初步控制。要想大幅改变这种情况，需采取切实可行措施来提高地区人均生态承载力。

单就提供基本生活资料的“生物资源账户”来测算，结果如图4所示。从图4可以看出，1987—2017年间油田区域林地、水域用地处于小幅人均生态盈余状态，但盈余有限，水域在2012年和2017年出现过小幅人均生态赤字;耕地在2008年由人均生态盈余转赤字，并在2012年达到最高值后逐渐减少;草地在2014年前处于人均生态赤字不断增加状态，之后开始减少。这表明大庆油田区域经过长期的油气开发、油田的城市化、耕地和草地的大量占用，区域原生态环境发生了很大改变，生态环境变得非常脆弱，草原破坏和退化严重，生态供需矛盾越来越突出，制约了区域内农、林、牧、副、渔各行业的发展，导致了生态承载水平降低。

4.生态压力分析

根据式（4）测算得到大庆油田区域生态压力指数变化情况，如图5所示。从图5可以看出，大庆油田生态压力指数30年间围绕6波动，稳定在5.165和6.678之间。根据赵先贵等[27]

对生态压力指数等级的划分：1级（小于0.5）很安全、2级（0.51～0.8）较安全、3级（0.81～1）稍不安全、4级（1.01～1.5）较不安全、5级（1.51～2）很不安全、6级（大于2）极不安全，可看出大庆油田区域处于超级不安全状态，这说明区域人均生态足迹严重超出承载力，生态压力非常高，面临较大的由严重供需失衡造成的生态承载压力，区域内人口生产生活强度严重超出生态系统承载能力，生态安全难以保障。虽然2014年后生态压力有所下降，但难以改变区域生态系统承载压力状况。

根据式（5）测算得到大庆油田万元GDP生态足迹变化情况，如图6所示。从图6可以看出，30年间大庆油田万元GDP生态足迹值在2000年大幅下降后一直保持稳定状态（呈L状），从1987年的10.6公顷/万元降至2000年的1.885公顷/万元，稳定于2017年的1.105公顷/万元。随着油田区域万元GDP能耗的降低，油田资源利用效率有一定提升，经济发展过程对资源的依赖程度有所下降，说明区域资源利用方式发生了一定改变，集约型、节约型能源消耗方式增多，非油产业对地区经济发展的贡献在增加，生态型、环保型及资源高效利用型产业受到重视，减少了对自然资源的过度依赖。

根据式（6）和式（7）测算得到大庆油田生態足迹多样性和发展能力变化情况，如图7所示。从图7可以看出，30年间大庆油田区域生态足迹多样性指数变化平缓，整体呈缓慢增长趋势，从1987年的0.865增长到2017年的1.148，期间主要在1上方小幅波动，增长了1.42倍，但仍低于1.29的中国平均水平[28]。这显示出油田区域产业结构虽然有所优化，但仍落后于全国平均水平，各土地类型的生态足迹分配仍不均衡;发展能力指数从1987年的4.723增长到2014年的最高点14.341后开始下降，到2017年时为12.451，总体增长了2.6倍。由式（7）可知，区域的发展能力由生态足迹与生态足迹多样性指数两项指标确定，其中任何一项指标的增长均可带来发展能力的增长。油田区域生态多样性指数与发展能力指数之间的差距在扩大，发展能力的增长幅度远高于生态足迹多样性的增长幅度，说明发展能力的增长主要取决于生态足迹的增长，区域发展能力的上升是由生态负荷的消耗带来的。区域经济的发展对资源、能源的依赖性很强，后续可持续发展能力有待改善，今后应重点考虑如何通过提高生态足迹多样性来提升油田区域的发展能力，特别是在土地资源多元化利用方面。

（四）测算总结

1.大庆油田区域人均生态赤字呈现超严重状态

大庆油田区域近30年间人均生态足迹增长近一倍。在持续较高水平的区域人均生态足迹中，能源用地、耕地占比较大;在能源人均生态足迹消耗中，原油、煤炭占比最大。作为能源产业占比居于主导地位的资源型区域，能源消耗量大，化石能源生态足迹成为人均生态赤字的重要贡献部分。

2.近30年间大庆油田区域各土地类型人均生态承载力增长幅度有限

耕地和水域是区域生态承载的主要贡献者（其余用地贡献不明显），对油田区域经济活动起主要承载作用。相对于人均生态承载力，区域人均生态足迹始终处于高位增长中，这表明大庆油田区域处于不可持续发展状态，亟待进行土地利用结构和产业结构的合理调整和优化。

3.大庆油田区域发展能力呈现不足状态

生态压力指数波动式增长，区域生态压力逐渐增大，生态系统处于极不安全状态，制约了区域经济的可持续发展。虽然万元GDP生态足迹大幅下降后保持相对稳定，生态足迹分配趋于均衡，但发展能力指数增长缓慢，处于长期人均生态赤字状况下的大庆油田面临可持续发展难题。油田区域生态多样性指数与发展能力指数之间的差距在扩大，说明区域内土地资源的规划、利用结构不合理，产业结构升级缓慢。

三、结语

促进油气资源开发区域的可持续发展和转型升级，一方面应采取综合手段提高该区域的人均生态承载力水平，提高区域生态系统的资源供给和污染消纳等服务能力，提高各类土地单位生产力水平，提高资源综合利用效率。因此，要加强对区域内未利用土地的规划开发，走均衡化、生态化和低碳化发展道路，注重对草地、林地和水资源的综合保护与利用。另一方面该区域应根据自身条件，利用新一代信息技术的智慧与地区生态的深度融合，走智慧生态创新高质量转型发展之路。因此，需要探寻构建清洁低碳、生态安全、智慧发展的生态系统，创造独特的竞争优势，形成理想的自然、经济和社会人文环境，吸引各类生产要素向本地区汇聚，通过生产要素与智慧生态创新模式的结合，形成高质量发展的动力系统，推动智慧生态新技术、新产业、新模式、新业态的创新和发展，推动地区经济发展方式的深刻变革。

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责任编辑：曲 红

Evaluation on Ecological Carrying Capacity and Developing Capacity of  Oil and Gas Resources Development Region： A Case Study on Daqing Oilfield

PENG Min1， MIN Pingping2， ZHU Zhihong1

（1.Institute of Petroleum Economics and Management， Northeast Petroleum University， Daqing， Heilongjiang， 163318， China;

2.School of Economics and Management， Northeast Petroleum University， Daqing， Heilongjiang 163318， China）

Abstract： In order to find out the ecological approbation in oil and gas resources development， we join in the pollution account and analyze the changing trends of ecological carrying capacity of development regions by using ecological footprint method and considering the characteristics of oil and gas resources development， as well as the impact on the environment and the natural conditions of the development area. The index of ecological pressure， the ecological footprint Per 10 000 Yuan GDP， the diversity of ecological footprint， and the development ability are used to evaluate the sustainable development ability of the oilfield. The evaluation of  the relevant statistical data of Daqing Oilfield from 1987 to 2017  shows： in the past 30 years， the per capita ecological footprint of the Daqing Oilfield is significantly higher than the per capita ecological carrying capacity;  the ecological deficit level has increased year by year， ecological pressure index fluctuates， and the regional ecological pressure has increased year by year; Per 10 000 Yuan GDP ecological footprint has remained relatively stable after falling sharply; the gap between regional ecological diversity and development capabilities has been widening. The research indicates that the oilfield which has entered the middle and late stages faces both the reality of the contradiction between regional ecological supply and demand and the test of the high-quality transformation and development of the regional economy. It is necessary to adopt balanced， ecological， low-carbon and intelligent strategies for comprehensive development and reuse of oilfield land.

Key words：oil and gas resources; ecological footprint; ecological carrying capacity; developing capacity