基于生态足迹模型的城市可持续发展研究——以我国某资源型城市为例

文/中国城市规划设计研究院 马晓虹

0 引言

“生态足迹”（ecological footprint）又称为“生态占用”，是20世纪90年代初由加拿大大不列颠哥伦比亚大学规划与资源生态学教授里斯提出[1]。生态足迹法是指特定数量的人群按照某种生活方式所消费的由自然生态系统提供的各种商品和服务功能，以及在这一过程中所产生的废弃物需要生态系统吸纳，并以生物生产性土地面积表示的一种可操作的定量方法[2]。

通过测算生态足迹需求与自然生态系统的承载力，可定量判断某一地区生物资源的消费需求与其供给能力的平衡状况的变化趋势，进而确定其可持续发展状态。本文应用生态足迹模型，对某资源型城市2008—2019年的生态足迹进行测算，并以此为基础分析资源型城市经济发展的限制性因素，由此给出资源型城市可持续发展策略与建议。

1 研究区域概况

本文选取的城市模型为《全国资源型城市可持续发展规划》确定的全国262个资源型城市之一。当前我国经济正由高速增长阶段转向高质量发展阶段，资源型城市面临转型发展压力，资源型城市转型升级、绿色发展路径、模式等区别于其他城市。随着生态保护和高质量发展等国家重大战略的持续深入推进，资源型城市也将迎来前所未有的转型升级的重大历史发展机遇。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文涉及的土地资源数据、生物资源消费和能源消费等研究数据来源于2009—2020年《中国统计年鉴》及《国民经济和社会发展统计公报》。

2.2 生态足迹模型

生态足迹定义为在一定技术条件下，为维持某种物质消费水平下某区域的持续生存所必需的生态生产性土地面积[3-5]。物质消费类型大致可分为生物资源消费和能源消费两大类，各类消费按照相应的换算比例折算成各种土地面积，根据不同消费类型，生态足迹可划分为可耕地、林地、草地、水域、建设用地和化石能源用地6类土地类型。

不同土地类型的生态生产力各不相同，为将不同生态生产性土地类型的空间汇总为总生态生产力和生态足迹，需引入均衡因子进行等量化处理。均衡因子是全球某一类生物生产性土地与全球所有生物生产性土地生产能力的比值，表示不同土地类型之间生物生产能力的差异[6-7]。生态足迹计算公式如下：

式中：EF为总生态足迹；ef为人均生态足迹；N为人口数；i为消费商品的类别；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；ri为均衡因子。

2.3 生态承载力模型

生态承载力为一个区域所能提供给人类的所有生态生产性土地面积的总和。不同国家在土地生产能力方面存在很大差别，为反映所研究地区与全球平均生产能力间的差异，引入产量因子进行等量化处理方便比较。

产量因子是研究区某一类土地的生物生产能力与这类土地全球平均生产能力的比值，表示当地和全球平均实际生产能力的差异。生态承载力计算公式如下：

式中：EC为总生态承载力；N为人口数；eC为人均生态承载力；ai为人均生物生产面积；ri为均衡因子；yi为产量因子。

2.4 生态赤字（盈余）

当生态承载力大于生态足迹时出现生态盈余，表明该地区的发展处于生态承载力范围内，生态系统安全稳定，资源可持续利用；当一个地区的生态承载力小于生态足迹时出现生态赤字，表明该地区的生态承载力不能满足当前经济活动的生态需求，产生生态透支，生态环境处于不可持续发展的状态。生态赤字（盈余）计算公式如下：

式中：ED为生态盈亏；EC为总生态承载力；EF为总生态足迹。

2.5 万元GDP生态足迹

万元GDP生态足迹是计算区域单位末端产出耗费的各种资源折算生物生产性土地面积的指标，反映经济发展对土地资源利用率、经济增长和技术进步对可持续发展的影响。该指标越大，区域系统资源的利用率越低，反之则说明利用率越高[8]。万元GDP生态足迹计算公式如下:

式中：EF为总生态足迹；GDP为该市国内生产总值。

3 生态足迹分析

3.1 生态足迹计算

城市消费总体可分为生物资源消费和能源消费两大类。这两类消费的生态足迹累加大体可得到城市总生态足迹。

1）生物资源消费分为粮食、油料、棉花、蔬菜、瓜类、水果、肉类、蛋类、奶类和水产品。各类生物资源的消费量由本地的生产量加消费量再减去进口量后与全球平均产量相除，得到的数据即为该市各年份生物资源消费的生态足迹。为保证计算结果可与其他国家和地区进行比较，本文所述的生物资源消费的世界平均产量采用2006年联合国粮农组织生物资源的世界平均产量。

2）能源消费按原煤、焦炭、汽油、天然气、热力和电力等进行统计，其中将液化石油气、原煤、焦炭、原油、汽油、柴油、煤油、天然气、燃料油、液化石油气划为化石能源用地组分，电力、热力划分为建筑用地组分。由于该市是石油资源型城市，石油资源大量输出，其石油资源生态足迹既包括自身的消费，又包括其对外的输出，因此石油资源的消费量采用其生产量，避免进行贸易调整。能源消费足迹的计算以世界单位化石燃料生产土地面积的平均发热量作为标准，将能源消费所消耗的热量折算成一定的化石燃料土地面积，进而计算出该市各年份人均能源消费的生态足迹（见表1）。

表1 2008-2019年人均生态足迹计算

3.2 生态承载力计算

根据2008—2019年土地利用类型计算出该市的生态承载力，均衡因子的取值采用世界自然基金会（WWF）发布的《地球生命力报告2008》中的数据，产量因子依据世界自然基金会和《中国生态足迹报告技术手册》推荐的数据并结合我国的生产能力测度得到。

根据世界环境与发展委员会（WCED）的报告，至少有12%的生态容量需被保存以保护生物多样性，因此在计算该市生态承载力时扣除12%的生物多样性保护面积，得到的是实际可利用的人均生态承载力。

4 结果分析

4.1 生态足迹分析

根据不同的消费类型，生态足迹可划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和化石能源地6类土地类型。根据式（1）分别计算2008—2019年该市6类土地类型的人均生态足迹。数据显示，2008—2019年该市生态足迹总体呈逐年上升趋势（见图1），其中化石能源用地占比最大，其次为耕地和建设用地，林地、草地、水域占比较少。

图1 2008—2019年各类用地人均生态足迹构成

化石能源用地人均生态足迹逐年增加，化石能源用地占比逐年增大，从2008年的60%增加至2019年的79%。结果显示，作为石油资源型城市，大量的石油资源开采对其生态足迹贡献较大，化石能源用地生态足迹逐年增加，说明该市对石油产业的依赖过重且呈增长趋势，产业化结构分配并不合理。

耕地人均生态足迹呈现波动状态，由图2可看出，2008—2019年耕地生物资源消费量总量呈下降趋势，其中蔬菜产量降幅较大，原因在于该市深入推进农业供给侧结构性改革，大力发展现代农业，提升农业发展质量，蔬菜种植规模化发展，散户种植不断减少，全市蔬菜播种面积逐渐缩减。粮食产量逐年增加，棉花和油料作物产量逐年减少，原因在于黄河三角洲地区种植结构的变化，黄河三角洲是我国重要的粮棉产区，近年来受到棉花价格下降的影响，盐碱地棉花种植面积大幅减少，粮食作物种植面积持续扩大，主要种植以小麦和玉米为主的旱地作物。

图2 2008—2019年生物资源消费量

水域用地人均生态足迹呈现先增后减的趋势，说明该地区水产养殖业的区域优势并不明显，增量不足。建筑用地的人均生态足迹呈逐渐上升状态，反映出电力、热力消耗逐年增加。林地与草地人均生态足迹呈小幅波动、总体回落状态，说明畜牧业生产出现一定程度的缩减，近年来该市提出构建“种”“养”“管”标准化生产体系，助推畜牧业高质量发展，但受限于养殖基地建设融资、动物防疫保障、养殖污染治理等问题，畜牧产品消费市场受到影响。

4.2 生态承载力分析

根据式（2）分别计算2008—2019年各类用地的人均生态承载力。数据显示，生态承载力总体呈递减趋势（见图3），2013年略有上升，主要是由水域和建设用地生态承载力提升导致。生态承载力构成中，耕地所占比重最大。人均生态承载力排序依次是耕地＞建设用地＞水域＞林地＞草地。

图3 2008—2019年各类用地人均生态承载力构成

各类用地中，水域和建设用地总面积出现增长，其他用地土地面积均不同程度减少，说明城市发展被占用的土地面积逐渐增加，水域和建设用地开发利用占比有所提升。数据显示，各类用地的生态承载能力中，耕地的生态承载能力最大，原因在于该市土地资源丰富而人口相对较少。随着城市的发展，耕地被占用，同时人口增长和农业生产水平偏低导致该市的耕地人均生态承载力下降。草地与林地在生态承载力构成中的占比和变化幅度均相对较小，原因在于该市位于海陆交错地带的独特区位，导致其土壤盐碱化程度高，原生植被稀少，土地生产力差。

水域的生态承载力占比仅次于耕地和建设用地，是除了建设用地外唯一面积增加的土地类型。说明该市海洋经济发展基础较好，是今后生态承载力提升的重点。

4.3 生态赤字分析

根据式（3）、人均足迹、人均生态承载力计算结果得到各土地类型生态赤字或盈余和生态足迹动态变化（见图4）。总体上，该市生态足迹远大于生态承载力，而且属于严重生态赤字区。

图4 2008—2019年各类用地人均生态赤字构成

1）从趋势上看，2008—2019年生态赤字呈现逐年增加趋势。人均生态赤字的持续增加说明了该市用以维持生产和社会正常消费的人均生物生产性面积在逐年增加。

2）从结构上看，各类用地中，除林地处于生态盈余状态，其他用地均处于生态赤字状态。化石能源用地的人均生态赤字最大，而且增长幅度较大。考虑到该市作为石油资源型城市，大量的石油资源输出增加其生态足迹，资源输出型城市承担其他资源输入型城市的化石能源用地的生态足迹。水域人均生态赤字也处于增长趋势，本地淡水资源匮乏，但渔业资源很丰富，渔业发展优势明显，但水产品养殖规模的扩大加剧了水域生态赤字。耕地和草地虽然也处于生态赤字状态，但生态赤字逐渐减少，主要是由于近年聚焦发展现代高效农业，实施种养殖业产业化、规模化发展，提升现代农业发展水平，促使耕地和草地的生态足迹逐步降低。

4.4 万元GDP生态足迹分析

万元GDP生态足迹反映资源利用率和区域单位产出对生态环境的影响[9-10]。计算结果如图5所示，2008—2018年万元GDP生态足迹总体呈“减-增-减”的趋势，表明资源利用效率正逐步提高，资源利用方式正逐步从粗放型向集约节约型转变，经济增长方式逐步调整趋于合理。

图5 2008—2018人均生态足迹及万元GDP生态足迹

4.5 可持续发展限制性因素解析

生态足迹是评价区域生态可持续发展的量化指标[11]。该资源型城市在2008—2019年始终处于生态赤字状态，且生态赤字水平持续增长，这与其城市定位、产能结构、经济发展方式和本底生态条件等因素均有很大关系，通过以上计算结果深入分析得出造成该市生态赤字，限制其可持续发展的因素主要有以下方面。

4.5.1 资源型城市，产业结构与能源结构均偏重

该市属于石油资源型城市，产业结构与能源结构均偏重，经济增长对投资和资源的依赖程度较高，石油经济占有相当大的比重。2008—2019年化石能源生态足迹占比均在60%以上，且呈现快速持续增长趋势，这也是近10年该市生态足迹和生态赤字持续增加的主要原因。

4.5.2 资源利用方式粗放、效率偏低

该市属于严重缺水地区，水资源利用效率偏低。土地利用粗放，用地规模大，产出效率偏低。能源结构偏重，能耗高的传统产业占主导地位的现状在短时间内难以改变。经济结构单一化现象较为严重，继而带来发展方式与资源利用方式粗放，资源利用效率低，资源环境承载能力弱等结构性问题。

4.5.3 土壤盐碱化严重，林地与草地生态系统脆弱

该市土壤盐碱化程度高，土地生产力差，原生植被稀少，林地与草地对资源环境的支撑能力不足。造林绿化难度大，树种较为单一，易造成林草生态系统失衡。

5 可持续发展策略

近10年该市生态足迹和生态承载力极不平衡，生态赤字维持在较高水平，且呈现出逐年上升趋势，说明其自然资源利用程度已超过生态承载力范围，处于不可持续发展的状态。但其万元GDP生态足迹总体呈下降的趋势，说明资源利用效率正逐步提升，资源利用方式也更加集约高效，经济增长方式正向可持续发展转变，城市可持续发展策略如下。

5.1 推动循环经济，优化产业结构与能源结构，推进可持续发展

1）贯彻落实好生态保护和高质量发展重大国家战略，坚持高效生态基本定位，加快调整产业结构，充分发挥区位和资源优势，推动发展由资源依赖向创新引领、粗放型增长向集约型发展转变。

2）加快改造提升传统产业，加快培育新兴产业，围绕产业集群精准发力。为加快清理淘汰落后产能，实施能耗强度和总量“双控”，建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系。优化交通运输结构，提高多式联运能力。以工业化推进农业现代化，推动农业标准化、规模化、机械化、融合化发展。

3）严格控制煤炭消费总量，新建燃煤项目实行煤炭等量或减量替代，落实煤炭替代来源及削减量，切实降低煤炭消费比重。大力发展清洁低碳能源，推动能源结构持续优化，推广太阳能、地热能、生物质能、潮汐能等多种能源利用，提高非化石能源占一次能源消费比重。

5.2 转变资源利用方式，提升资源利用效率

1）摒弃粗放发展模式，通过加强对技术创新与科技研发的投入，提高资源型产业技术水平，延伸产业链条，提升产业配套能力，大力发展非油替代产业，形成以高效生态农业为基础、环境友好型工业为重点、现代服务业为支撑的高效生态产业体系，实现资源集约节约发展。

2）实施最严格的水资源管理制度，做到以水定城、以水定产、以水定人。严格执行土地利用规划，科学确定各类建设用地总量，挖掘存量建设用地潜力，加强建设用地供后开发利用全程监管。加快改造提升传统产业，加强高能耗行业能耗管控，提升工业生产效率和能耗效率，推动可再生能源在工业园区的应用。推进煤炭清洁化利用和新能源高效利用。推行绿色节能建筑，加快淘汰高能耗、低效率的老旧车辆。

5.3 逐步改善土地条件，发展高效生态农业，增加生态系统的承载力

建设高效生态农业示范区，推进农业转型升级，发展绿色循环农业、设施农业、生态农业，构建特色鲜明、优势集聚、产业融合、发展潜力大、带动能力强的特色农产品优势区集群，提升特色农产品的产品优势、产业优势和竞争优势，提升生态系统的承载能力。

6 结语

本文采用生态足迹法对我国某资源型城市生态承载能力进行测度，生态足迹理论是一种衡量区域可持续发展能力的计算方法，可应用于各种空间尺度，且具有全球可比性[12]。由于生态足迹和生物承载力构成的变化受自然、社会、经济、技术等因素影响[13]，传统生态足迹模型本身存在一定局限性，同时受限于数据获取的准确性，部分数据用生产量替代消费量进行计算，导致本文测算结果与传统计算结果有一定出入，但整体趋势一致，后续将持续关注并修正完善。