尚海龍 徐榮民 羅永常 龍純娥 楊廷鋒 蔣煥洲

摘要：運(yùn)用能值分析理論改進(jìn)的生態(tài)足跡模型（EEF），對(duì)昆明市2002～2011年能值足跡的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，并應(yīng)用GM（1，1）模型，對(duì)未來(lái)10年人均能值進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：EEF模型的計(jì)算數(shù)值明顯高于傳統(tǒng)模型；昆明市生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)盈余，處于可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)；在自然環(huán)境、經(jīng)濟(jì)狀況不發(fā)生“突變”的前提下，2012～2020年人均能值盈余呈下降趨勢(shì)且年均遞減率為20.57%，盡管生態(tài)系統(tǒng)沒(méi)有赤字，但生態(tài)安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本研究對(duì)“新昆明”建設(shè)及其生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展將有著重要的啟示。

關(guān)鍵詞：EEF模型；情景預(yù)測(cè)；“新昆明”建設(shè)

中圖分類(lèi)號(hào)：F062.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）10-2522-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.10.060

能值分析理論和方法是由美國(guó)著名生態(tài)學(xué)家、系統(tǒng)能量分析先驅(qū)H.T.Odum于20世紀(jì)80年代創(chuàng)立的。應(yīng)用這一科學(xué)概念和度量標(biāo)準(zhǔn)及其能值轉(zhuǎn)化率可將生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)和儲(chǔ)存的不同類(lèi)別的能量和物質(zhì)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的能值，進(jìn)行定量分析研究[1]。該理論對(duì)于改進(jìn)傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型（EF）開(kāi)拓了新的途徑，兩者相結(jié)合構(gòu)建的能值足跡模型（EEF）有效彌補(bǔ)了EF在區(qū)域可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)中所采用的標(biāo)準(zhǔn)不夠統(tǒng)一、不同研究結(jié)果缺乏可比性等缺陷，使計(jì)算結(jié)果能更客觀、真實(shí)地反映研究區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境狀況[2]。

曾利用EF模型對(duì)云南及昆明生態(tài)足跡進(jìn)行研究的姜海鳳等[3]、陸穎等[4]得出結(jié)論：昆明市自2000年以來(lái)，生態(tài)赤字逐漸擴(kuò)大，人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的持續(xù)增加對(duì)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的負(fù)面影響。鑒于EF將生物資源賬戶(hù)、能源與產(chǎn)品賬戶(hù)生態(tài)足跡疊加計(jì)算總生態(tài)足跡，忽視可再生自然資源賬戶(hù)，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能覆蓋中國(guó)生產(chǎn)消費(fèi)的真實(shí)情況[5]，致使生態(tài)足跡（EF）與生態(tài)承載力（EC）差值偏小，與生態(tài)系統(tǒng)的理想容量相比尚有一定差距，對(duì)地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性評(píng)價(jià)欠客觀。所以，上述研究成果對(duì)昆明市生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)有不完善之處。因此，本研究運(yùn)用EEF模型對(duì)昆明能值足跡若干年時(shí)間序列的變化趨勢(shì)予以探討，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)勢(shì)及人類(lèi)活動(dòng)的影響強(qiáng)度進(jìn)行量化，旨在更科學(xué)地評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，為“新昆明”建設(shè)[6]提供有益的借鑒。

1 研究區(qū)概況

昆明市受整個(gè)云南高原的抬升運(yùn)動(dòng)和來(lái)自西北方向橫斷山余脈及北烏蒙山脈的影響，地勢(shì)呈階梯狀排布，北部多山，南部較平坦，地貌以湖盆巖溶高原為主，以紅色山原為次。昆明市所在的滇中盆地是云南高原面積最大、發(fā)育最全的新生代山間斷陷盆地，三面環(huán)山，南瀕滇池，海拔約為1 900 m，總面積2.101 3萬(wàn)km2。太陽(yáng)光平均凈輻射量1.67 E+9 J/m2·a[7]，常年平均風(fēng)速3.5 m/s[8]。2011年昆明主城區(qū)年降水量為662 mm，較多年平均979 mm少317 mm，偏少幅度為32%，近年來(lái)的干旱使昆明生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性增強(qiáng)。作為云南省惟一的特大城市、“新昆明”建設(shè)的中心、中國(guó)與大湄公河次區(qū)域經(jīng)濟(jì)合作中心樞紐和主要通道的昆明市，現(xiàn)下轄6區(qū)、1市（縣級(jí)）和7縣，其中民族自治縣3個(gè)（圖1）。本研究擬對(duì)大昆明生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為從根本上提出解決研究區(qū)發(fā)展中存在的突出的環(huán)境問(wèn)題的方法，對(duì)促進(jìn)實(shí)施現(xiàn)代“新昆明”發(fā)展戰(zhàn)略有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 模型方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

能值足跡的定義為：一個(gè)國(guó)家或地區(qū)所能獲得的可更新資源與消費(fèi)的各種資源及消費(fèi)這些資源時(shí)產(chǎn)生的廢棄物所對(duì)應(yīng)的能值面積。它包含兩個(gè)方面的含義，一是人類(lèi)所能獲得的自然資源對(duì)應(yīng)的能值面積，稱(chēng)為能值承載力；二是人類(lèi)消費(fèi)的自然資源及消費(fèi)這些自然資源所產(chǎn)生的廢棄物所對(duì)應(yīng)的能值面積，稱(chēng)為能值足跡。它注重反映區(qū)域功能與土地功能的差異性，使計(jì)算結(jié)果的精度明顯提高，能更客觀真實(shí)地反映研究區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。本研究采用熱值、能值轉(zhuǎn)化率、能值密度（全球能值密度、區(qū)域能值密度）更加穩(wěn)定的參數(shù)，通過(guò)建立EEF與GM（1，1）模型，定量評(píng)價(jià)昆明市2002～2011年生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境發(fā)展?fàn)顩r和預(yù)測(cè)分析2012～2020年生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。具體的計(jì)算模型如下。

2.1 能值足跡模型

2.1.1 基于改進(jìn)的生態(tài)足跡的計(jì)算方法 計(jì)算能值足跡，首先把不同類(lèi)型與等級(jí)的能量流換算成太陽(yáng)能值，然后引進(jìn)能值密度，將各消費(fèi)項(xiàng)的太陽(yáng)能值換算成對(duì)應(yīng)的生物生產(chǎn)性土地面積，最后計(jì)算區(qū)域的能值足跡與能值承載力。

EEf =■ai=■ci /P2 （1）

式中，EEf表示人均能值足跡；i表示消費(fèi)項(xiàng)目類(lèi)型；ai表示第i種資源的人均能值足跡；ci表示第i種消費(fèi)項(xiàng)目的人均能值；P2表示區(qū)域能值密度，其計(jì)算公式如下：

P2=■ （2）

在區(qū)域總能值的計(jì)算中，通常取可再生資源值進(jìn)行計(jì)算，包括太陽(yáng)能、雨水化學(xué)能、雨水勢(shì)能、風(fēng)能、地球旋轉(zhuǎn)能。風(fēng)能、雨水能、地球旋轉(zhuǎn)能都是太陽(yáng)光能的轉(zhuǎn)化形式，為了避免重復(fù)計(jì)算同一性質(zhì)的能量投入，故只取最大項(xiàng)與潮汐能值之和作為區(qū)域總能值[9]。太陽(yáng)光能、風(fēng)能、雨水化學(xué)能、雨水勢(shì)能和地球轉(zhuǎn)動(dòng)能計(jì)算方法來(lái)源于相關(guān)文獻(xiàn)[10，11]。能值足跡主要包括生物資源、能源資源和廢棄物3部分[3]。分別計(jì)算這些消費(fèi)項(xiàng)的能值總量、人均能值與能值足跡，最后相加就能得到人均能值足跡。

2.1.2 能值承載力的計(jì)算方法 能值承載力是相對(duì)于可更新資源而言的。只有利用區(qū)域內(nèi)部可更新資源的數(shù)量，能值承載力結(jié)果才有可持續(xù)性。其計(jì)算公式如下：

EEc=e/P1 （3）

式中，EEc表示人均能值承載力；e表示人均可更新資源的能值數(shù)量；P1表示全球能值密度。計(jì)算公式是：

P1=■ （4）

GEI表示年均所有自然能值輸入，GEC表示年均能值承載力。根據(jù)最新計(jì)算方法[12]，全球每年自然能值輸入量為1.58 E+25 sej，全球能值承載力5.10 E+10 hm2，因此P1=3.10 E+14 sej/hm2·a。

2.1.3 能值赤字或者盈余（EEp）計(jì)算方法 能值承載力與能值足跡相減，EEp為正值表示能值盈余，否則就是能值赤字。以此作為評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展水平的可靠依據(jù)。

2.2 情景預(yù)測(cè)模型GM（1，1）

目前使用最廣泛的灰色預(yù)測(cè)模型，就是關(guān)于數(shù)列預(yù)測(cè)的一個(gè)變量、一個(gè)微分的GM（1，1）模型。設(shè)已知數(shù)據(jù)變量組成序列為x（0），用1-AGO生成一階累加序列為x（1），其中z（1）為x（1）緊鄰均值生成序列。利用最小二乘估計(jì)可得到參數(shù)滿(mǎn)足：■=（BTB）-1BTY，求解得到灰色情景預(yù)測(cè)白化方程為：

■（1）（k+1）=（x（0）（1）-■）e-a（k-1）+■ （5）

根據(jù)此模型能夠?qū)ρ芯繀^(qū)2012～2020年的能值足跡動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬計(jì)算。

2.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究涉及到的生物資源、能源消費(fèi)和廢棄物項(xiàng)目數(shù)量均來(lái)自于《云南統(tǒng)計(jì)年鑒》（2003-2012）、《昆明統(tǒng)計(jì)年鑒》（2003-2012）及云南能源局與統(tǒng)計(jì)局的調(diào)研；太陽(yáng)凈輻射能平均值、平均風(fēng)速分別來(lái)源于參考文獻(xiàn)[7，8]；年均降水量來(lái)源于云南省水文局水資源公報(bào)。各消費(fèi)項(xiàng)目的熱值參考文獻(xiàn)[12-15]；太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率參考文獻(xiàn)[11，16]。

3 結(jié)果與分析

3.1 能值測(cè)算

在計(jì)算能值足跡時(shí)因數(shù)據(jù)缺乏且考慮到云南大環(huán)境不變，特將太陽(yáng)凈輻射能和風(fēng)能設(shè)為多年平均值，但這不影響研究結(jié)果。由于昆明平均海拔高，因此雨水勢(shì)能多年來(lái)都是研究區(qū)域最大的可再生資源能值（表1），以此作為能值總量計(jì)算該區(qū)域能值密度P2，然后依據(jù)上述能值足跡模型，對(duì)昆明市2002～2011年能值足跡和能值承載力計(jì)算（表2、表3）。

3.2 情景預(yù)測(cè)

根據(jù)公式（5），求得2002～2010年人均能值盈余（2011年數(shù)據(jù)微有波動(dòng)，沒(méi)有參與預(yù)測(cè)）情景預(yù)測(cè)方程為：

Ep（k+1）=-57.330 856 22e-0.065 5+62.505 676 22 （6）

經(jīng)計(jì)算昆明市2002-2010年人均能值盈余變化的模擬結(jié)果見(jiàn)表4。

對(duì)上述已經(jīng)建立的情景預(yù)測(cè)模型進(jìn)行殘差檢驗(yàn)（相對(duì)誤差），發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差均小于5%。經(jīng)計(jì)算平均相對(duì)誤差為0.27%<5%，精度等級(jí)為二級(jí)，預(yù)測(cè)效果屬于良好。因此可以根據(jù)公式（6），對(duì)2011～2020年人均能值盈余進(jìn)行情景預(yù)測(cè)，結(jié)果如表5所示。

3.3 綜合評(píng)價(jià)

為了進(jìn)一步研究人類(lèi)活動(dòng)的強(qiáng)度及未來(lái)10年昆明生態(tài)系統(tǒng)對(duì)“新昆明”建設(shè)的承載潛力，分別對(duì)能值足跡與情景預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析。

3.3.1 能值足跡變化趨勢(shì)分析 從計(jì)算結(jié)果（表2、3）來(lái)看，2002～2011年能值承載力波動(dòng)下降，人均能值足跡呈螺旋式上升。近10年來(lái)人均盈余均為正值，說(shuō)明昆明市人類(lèi)活動(dòng)負(fù)荷尚未超過(guò)生態(tài)環(huán)境的容量下限。其中，各類(lèi)型生物生產(chǎn)性土地面積對(duì)生態(tài)足跡的貢獻(xiàn)，以2011年為例，依次為牧草地、化石燃料用地、耕地、水域、林地及建筑用地。其中，牧草地與化石燃料用地對(duì)能值足跡的貢獻(xiàn)率達(dá)到了80%，反映出對(duì)昆明市生態(tài)環(huán)境影響最大的是畜牧業(yè)及能源工業(yè)。

通過(guò)對(duì)近10年來(lái)人均能值足跡與承載力動(dòng)態(tài)變化分析，結(jié)果表明，昆明市人均足跡由2002年的2.975 6 hm2增加到2011年的4.449 3 hm2，年均增長(zhǎng)率4.11%。期間雖有波動(dòng)，但整體呈增大趨勢(shì)。反映出人類(lèi)的生活水平不斷提高，各類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)自然資源的利用強(qiáng)度不斷提升，對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)荷日益加重；昆明市的人均能值承載力由6.462 4 hm2下降到5.215 9 hm2，年均下降2.17%。2009～2011年能值承載力雖出現(xiàn)了波動(dòng)，但變幅不大，2011年較上年略有增長(zhǎng)。說(shuō)明近年來(lái)的干旱影響了自然資源的再生產(chǎn)。從構(gòu)成上分析，對(duì)承載力貢獻(xiàn)最大的是雨水勢(shì)能，其次是風(fēng)能與太陽(yáng)能，可以看出可更新資源的開(kāi)發(fā)利用程度還較低，特別是對(duì)有著巨大潛力的太陽(yáng)能資源的利用還不夠。

基于昆明市能值盈余情況，從表1～表3可以發(fā)現(xiàn)其變化趨勢(shì)，人均盈余在逐年縮小，由2002年的3.4 869 hm2減少到2011年的0.765 7 hm2，年均減少16.37%，且在連續(xù)9年下降之后2011年又出現(xiàn)小幅度回升。說(shuō)明人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)沒(méi)有超出生態(tài)系統(tǒng)閾值，研究區(qū)處于可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。從自然資源的豐度來(lái)看，昆明可更新自然資源與生物資源儲(chǔ)量可觀，潛力巨大。近年來(lái)，昆明市在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，這對(duì)云南實(shí)施“新昆明”建設(shè)奠定了生態(tài)基礎(chǔ)。

3.3.2 人均盈余動(dòng)態(tài)變化的情景預(yù)測(cè)結(jié)果分析 從情景預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，昆明市在未來(lái)9年內(nèi)，人均能值處于盈余狀態(tài)。假設(shè)自然環(huán)境變化較為穩(wěn)定，昆明市生態(tài)安全沒(méi)有明顯挑戰(zhàn)，生態(tài)系統(tǒng)是持續(xù)發(fā)展的。區(qū)域內(nèi)自然資本的收入大于人口消費(fèi)的需求，昆明市的生產(chǎn)、消費(fèi)模式具有強(qiáng)可持續(xù)性。但到2020年人均能值盈余僅為0.179 9 hm2，年均遞減率為20.57%，大昆明的可持續(xù)發(fā)展形式可能會(huì)轉(zhuǎn)變，所以，實(shí)施“新昆明”建設(shè)，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)活力，應(yīng)采取保護(hù)與開(kāi)發(fā)并重的生態(tài)策略，使昆明市自然資源總量得以增加，生態(tài)容量將有所擴(kuò)大。

以上運(yùn)用EEF模型評(píng)價(jià)昆明市生態(tài)系統(tǒng)，計(jì)算數(shù)值明顯高于運(yùn)用EF模型評(píng)價(jià)昆明生態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果[3-5]，主要原因在于能值理論對(duì)EF重構(gòu)后計(jì)算方法所量化與表達(dá)的承載力內(nèi)涵不同，研究的生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)邊界發(fā)生了顯著變化。同時(shí)，生態(tài)概念的經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域擴(kuò)展也是形成差距的重要原因?？傊?，EEF模型克服EF難以反映區(qū)域?qū)嶋H情況和技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的影響、沒(méi)有涉及可更新自然資源的能量等缺陷，對(duì)區(qū)域生態(tài)承載潛力進(jìn)行了準(zhǔn)確測(cè)算，為生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)可持續(xù)演進(jìn)狀態(tài)評(píng)價(jià)提供了新的思路，明顯優(yōu)于EF的計(jì)算方法。

4 結(jié)論及啟示

4.1 基本結(jié)論

1）運(yùn)用EEF模型，對(duì)昆明市2002～2011年的能值足跡進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：EEF模型的計(jì)算數(shù)值明顯高于EF模型，昆明市人均能值足跡維持在2.975 6～4.449 3 hm2之間；人均能值承載力維持在6.462 4～5.215 9 hm2之間；能值盈余年均值為1.547 6 hm2。說(shuō)明了昆明市生經(jīng)態(tài)系統(tǒng)有盈余存在，處于可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

2）運(yùn)用GM（1，1）模型，對(duì)昆明市2012～2020年的人均能值盈余進(jìn)行情景預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)：未來(lái)若干年昆明市生態(tài)系統(tǒng)尚不會(huì)出現(xiàn)赤字的狀況，生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)為“新昆明”建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但生態(tài)安全面臨潛在的威脅。

總體來(lái)看，昆明近年來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，人民生活水平不斷提高。雖然近10年來(lái)生態(tài)系統(tǒng)處于可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，但也面臨人類(lèi)活動(dòng)不斷加強(qiáng)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)的策略應(yīng)成為“新昆明”建設(shè)的重要組成部分。

4.2 EEF評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)“新昆明”建設(shè)的啟示

昆明市生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)蘊(yùn)含著巨大的開(kāi)發(fā)潛力，能值承載力不僅能滿(mǎn)足當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活的需求，而且也為“新昆明”建設(shè)帶來(lái)了新契機(jī)。為了增大昆明生態(tài)盈余，提高利用可再生資源的能值承載力，減小污染物排放足跡，因此在“新昆明”建設(shè)中，應(yīng)在以下方面付諸努力。

1）高效開(kāi)發(fā)可再生資源，減少環(huán)境負(fù)荷。昆明擁有豐富的太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、沼氣與生物質(zhì)能源等新能源與傳統(tǒng)能源，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)這些資源，提高利用效率。從能值足跡的組成考慮，這些自然資源的有效開(kāi)發(fā)能夠提高能值總量，減少污染物排放。

2）加快推進(jìn)新型工業(yè)化進(jìn)程，培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)?！靶吕ッ鳌苯ㄔO(shè)離不開(kāi)現(xiàn)代工業(yè)基礎(chǔ)的支撐，重點(diǎn)發(fā)展新能源、現(xiàn)代生物醫(yī)藥、電子信息等一批科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)與高端制造業(yè)，對(duì)“新昆明”建設(shè)意義重大。

3）建設(shè)“低碳昆明”，提高“綠色生產(chǎn)力”。建設(shè)綠色經(jīng)濟(jì)強(qiáng)市，應(yīng)以低碳交通、低碳建筑、低碳農(nóng)業(yè)、低碳材料、低碳消費(fèi)、低碳政府甚至低碳校園等來(lái)統(tǒng)領(lǐng)昆明經(jīng)濟(jì)發(fā)展的諸方面。從能值足跡的內(nèi)涵考慮，提升“綠色生產(chǎn)力”就是增大環(huán)境承載能力；建設(shè)“低碳昆明”，就是減少碳足跡總量。

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