生态模型传承力安全研究
1992年加拿大经济学家里斯(Rees)提出了生态足迹的概念,并在1996年与其博士生瓦克纳格尔(Wackernagel)共同研究得到了衡量区域资源利用与生态承载力关系的生态足迹方法[1]。该方法从客观形象的角度将人类一切活动所消耗的原始物质及能源折合成生物生产性土地面积,并将其与区域内所能提供的生物生产性土地面积对比,通过研究区域剩余的生态容量衡量区域可持续发展的程度[2]。生态足迹方法因其直观、综合操作性强的优势,被国内外学者在不同尺度的区域生态安全评价和可持续发展研究上广泛使用[3]。生态足迹理论及概念于1999年被引入国内,随后有关生态足迹的研究在国内迅速展开[4]。广东省作为改革开放和经济发展的先行区域,其生态环境问题也一直受到各界的重视。早在2003年胡新艳等人就采用生态足迹模型对2001年广东省生态容量进行了评价,研究结果显示,由于能源消耗及耕地资源的大量流转,广东省生态占用远远超过其生态承载能力[5]。高长波等对广东省1990~2002年的生态足迹及生态承载力进行了计算和动态分析,结果显示在全球尺度上广东省处于生态可持续发展状态,但是生态系统的压力和强度甚高[6]。刘强等基于生态足迹与生态承载力对广东省各市2006年生态补偿进行了量化分析,结果表明各地级市均呈现生态赤字状态,且赤字水平由珠三角经济发达地区向外逐渐递减[7]。然而,目前的相关研究所引用的生态足迹模型均采用全球尺度的参数,并没有考虑土地利用及生产力的区域性特征,从而导致计算结果存在一定的偏差。因此本文从“国家公顷”的角度出发,基于我国各类生产性土地的相互关系和广东省土地的平均生产力,构建生态足迹的改进模型,并计算了1996~2008年间广东省的生态足迹和生态承载力变化,更为准确地评价了广东省的生态空间供需状况。
1“国家公顷”生态足迹模型“国家公顷”的概念是相对全球尺度提出来的,是指国家土地平均生产力的标准面积,为在国家生产力水平上衡量省际土地供需量提供了方法。传统的生态足迹模型将生态生产性土地划分成相对独立且不相重复的耕地、林地、牧草地、水域(不包括海洋)、化石燃料用地和建筑用地六大类,按照全球平均产量将消费项目转换成土地面积,并利用均衡因子将各类生物生产性土地面积转换成可以运算的总面积,即得到研究区域土地需求量,然后运用产量因子和区域土地面积计算得到区域土地供给量。在“国家公顷”生态足迹模型中,用全国单位公顷土地的平均生产能力与省际各地类生物产量计算得到的均衡因子和产量因子替代传统模型中全球尺度的相应参数。
1.1“国家公顷”生态足迹模型中的转换因子
1.1.1全国平均产量全国平均产量是指单位公顷土地上生物作物的产量[1],即:
1.1.2均衡因子均衡因子是为不同类型的土地消除生物生产力差异从而转化成可比较的标准面积的转换因子[8]。“国家公顷”的均衡因子是通过各类土地平均生物生产力占全国全部土地平均生物生产力的比例计算得到的,其计算公式为:式中,ri是国家第i类土地的均衡因子;代表第i类土地的平均生产力(109J/hm2),代表全国全部土地的平均生产力(109J/hm2),Qi表示第i类土地的总生物产量(109J),Si表示第i类土地的生物生产性面积(hm2);表示第i类土地的第k种生物产品产量(kg),表示第i类土地上第k种生物产品的单位热值(103J/kg)。
1.1.3产量因子不同区域因气候环境、生产技术和社会经济等差异会导致同类土地生物生产力不同,因此需将省域各类土地平均生产力与同类全国土地平均生产力相比,得到产量因子,从而把省际生物生产性土地而换算成“国家公顷”的标准面积。产量因子的计算公式如下:其中,指j省第i类土地的产量因子,指j省第i类土地的平均生产力(109J/hm2),代表全国第i类土地的平均生产力(109J/hm2),表示j省第i类土地的总产出(109J),表示j省第i类土地的总面积(hm2),Qi表示全国第i类土地的总生物产量(109J),Si表示全国第i类土地的总面积(hm2),代表j省第i类土地的第k种产品的年产量(kg),其他系数如上式(2)中含义一样。
1.2“国家公顷”生态足迹模型的计算方法瓦克纳格尔等学者在假设人类能确定资源、能源消费及废弃物数量并折算成相应的不重复的生物生产土地面积等条件成立的基础上,将生态足迹模型概括为三个部分,即生态足迹计算、生态承载力计算和生态盈余/赤字的计算[8]。
1.2.1生态足迹的计算根据生物生产性土地的六大分类,可以将生态足迹的计算概括为生物资源账户、能源资源账户和建设用地账户核算三个方面,其中生物资源账户包括了耕地、林地、草地和水域四类用地,能源资源账户核算用于计算化石燃料用地的生态足迹,建设用地生态足迹的计算方法与其承载力计算方法相同[1]。(1)生物资源账户。生物资源的生态足迹计算是将不同生物生产性土地的面积通过均衡因子转换成可比较的统一生物生产性面积,其计算方法如式(4)所示。(4)式中,efi为人均生态足迹(nhm2?人-1),i为消费商品及投入的类型,j为土地类型;rj为第j类土地的均衡因子,aai为第j类土地上第i种生物产品转化的人均土地需求面积(hm2?人-1),ci为区域第i类消费品的人均消费量(kg?人-1),epi为第i类消费品的全国平均产量(kg/hm2)。其中,广东省消费品的人均消费量由年人均总生物产量代替,并通过徐中民提出的价值比例换算方法[9]调整得到人均生态足迹,即按照产品净贸易量占总产量的价值比例扣减对应生物生产性面积。(2)能源消费账户。能源消费账户的生态足迹是通过核算吸收人类经济活动消耗的化石燃料所需的林地面积得到的,在此采用碳汇法计算化石燃料用地的生态足迹,其方法如下[10]:(5)式中,efc为吸纳化石能源排放CO2的人均土地面积(nhm2?人-1),rc为林地的均衡因子,f为人均CO2的排放量(t),是通过人均标准煤年消耗量与有效氧化系数和单位标准煤的含碳量的乘积计算得到的,其中,有效氧化系数为0.982,单位标准煤含碳量为2.67t[11],且人均CO2排放量中只有2/3的CO2被林地吸收,1/3被海洋吸收;ω为每公顷林地所能吸纳的CO2量,根据IPCC的报告显示每公顷林地吸收CO23.67t[12]。
1.2.2生态承载力的计算生态承载力是指区域能够提供的生物生产性土地面积的综合,即可视为区域生态足迹供给量。(6)式中,ecj表示j类土地的人均生态承载力(nhm2?人-1),a为j类土地的人均生物生产性面积(hm2?人-1),rj为j类土地的均衡因子,yj是产量因子。