基于生态足迹模型的山东半岛区域可持续发展研究
彭利民 贾永飞 邵波 武红智 孙灵文
（山东省科技发展战略研究所，山东 济南 250014；山东省科学院 地理信息技术研究中心，山东 济南 250014）
摘要：通过生态足迹模型的计算模型，以山东半岛为例进行计算与分析，计算山东半岛区域2004年的生态承载力、生态足迹及生态赤字，分析山东半岛区域生态足迹和生态承载力从2000年至2008年的动态变化情况，并利用灰色预测方法对山东半岛区域生态赤字进行预测和分析。最后，从发展循环经济与低碳经济、推广高效生态农业、建立资源节约型的消费体系等方面入手提出了减小山东半岛区域发展生态赤字的措施。关键词：生态足迹模型；区域经济；可持续发展；灰色预测模型
文献引用：彭利民，贾永飞. 基于生态足迹模型的山东半岛区域可持续发展研究[J]. 生态经济，2011（5）：95～99.中图分类号：F062.2；F127 文献标识码：A
Based on Ecological Footprint Model of the Shandong Peninsula Regional Sustainable
Development Study
PENG Limin, JIA Yongfei, SHAO Bo, WU Hongzhi, SUN Lingwen
(Shandong Institute for Development Strategy of Science&Technology, Jinan Shandong 250014, China; Shandong Academy of Sciences Geographic Information Research Center, Jinan Shandong 250014, China)
Abstract: The article thronging the computation model of ecological footprint, it is unifies Shandong Peninsula region as an example to calculate and analysis, and calculation of the Shandong Peninsula region in 2004, the ecological carrying capacity, ecological footprint and ecological deficit, anglicizing the ecological footprint and ecological carrying capacity of Shandong Peninsula region dynamic changing from 2000 to 2008, and use of gray prediction method to prediction and analysis of ecological deficit of Shandong Peninsula region. Finally it's should implementation from the development of circular economy, promoting ecological agriculture, the establishment of a resource-saving consumption of system and other four-pronged approach to improve the Shandong Peninsula and regional ecological deficit measures.Key words: ecological footprint model; regional economy; sustainable development; gray forecast model
基金项目：水体污染控制与治理科技重大专项资助“南水北调东线南四湖水质综合改善方案及支撑技术与示范”（2009ZX07210-007）子课题“基于输水水质保障的南四湖流域生态经济模式及产业结构优化研究与示范”阶段性成果
作者简介：彭利民，男，硕士，副研究员，主要从事区域经济、资源与环境等研究工作；贾永飞，男，博士，副研究员，主要从事生态经济、区域经济等研究。
生态足迹是最早由加拿大生态经济学家里斯（Rees ）于1992年提出，1996年由瓦克纳格尔（Wackernagel ）完善的一种衡量人类对自然资源利用程度及自然界为人类提供生命支持服务功能的方法[1～3]。生态足迹法是对可持续发展的一种定量测度方法，该方法通过将区域的资源和能源消费转化为提供这些物质所必须的生物生产土地面积，并同区域能提供的生物生产土地面积进行比较，来定量判断一个区域的发展是否处于生态承载能力的范围内[4]
。
中国学者徐中民对中国部分地市1999年的生态足迹进行了系统的研究[5]
；张贵宾等对中国中部六省生态足迹进行了实证分析[6]
；陈东景等研究了中国西部省市的生态足迹变化情况[7]；斯霭等运用生态足迹模型对松嫩平原西部的可持续发展状况进行了量化研究和对比分析[8]；曹伟等
将生态足迹应用于城市生态安全测度、生态评价及持续规划等领域[9]，等等。以上研究大多停留在生态足迹和生态承载力测算及动态变化，很少对区域生态足迹进行科学的预测。因此，本文以山东半岛区域为例，从区域的可持续发展理论出发，对该地区的生态承载力和可持续发展进行动态的时间序列研究，并对今后该区域生态赤字变化情况进行预测，旨在揭示山东半岛区域生态经济可持续发展状况和资源利用强度的变化过程及其原因，为适应山东半岛区域经济的快速发展，寻求在资源环境承载力范围内实现该地区可持续协调发展的途径和对策。
1 山东半岛区域概况
山东半岛位于山东省中东部地区，是我国改革开放
后崛起的城市圈之一，主要包括青岛、济南、烟台、威海、日照、潍坊、淄博、东营8个地级市22个县级城市，具有明显的区位优势和良好的经济发展基础，是山东省社会经济发展的中坚力量。区域内温带季风气候特征十分明显，平均气温11°C ～14°C 。全区年平均降水量在550～950毫米之间，其分布规律是由东南向西北递减。半岛城市群的地貌以构造为基础，表现出地貌与构造的一致性，类型有山地、丘陵、平原、滩涂和洼地，黄河入海处形成典型的河口三角洲，各城市及整个区域的地貌类型组成类似。半岛区域城市群植被属于温带中生落叶阔叶林区，区域内矿产资源十分丰富。2004年末，半岛总人口为3 912.83万人，人口密度534人/平方公里，非城市化人口1 533.1万人，城市化水平为39.18；国内生产总值为8 338.9亿元，人均国内生产总值为21 312元/人，第一产业产值为787.84亿元、第二产业产值为4 557.94、第三产业产值为4 298.41亿元[10]。
2 生态足迹模型
2.1 生态足迹的计算
人类在任何时候都需要消耗自然提供的资源，在消耗资源的过程中对地球生态系统产生影响。生态足迹法通过测度人类对自然生态资源的需求和自然生态资源所能提供的生态服务之间的差距来度量人类活动对自然生态系统的影响。将人类的消费按照类别折算成资源消耗量，根据区域资源的消耗量和人类所排放的废物按照区域的生态能力和吸收废物能力折算成相应的土地面积。在生态足迹的计算中，生物生产性土地是指具有生物生产能力的土地或水体，主要考虑6种类型：耕地、林地、草地、建筑用地、水域和化石燃料用地。生态足迹法的计算基于以下两个基本的事实[11]：一是人类可以确定自身消费的绝大多数资源及其所产生废弃物的数量；二是这些资源和废弃物能够转换成相应的生物生产土地面积，它假设所有类型的物质消费、能源消费和废水处理需要一定数量的土地面积和水域面积。
基于以上假设，生态足迹的计算公式为
[12]
：
j ＝1, 2, 3, …, 6)
（1）式中：E F 为总生态足迹；N 为人口数；e f 为人均生态足迹；EP i 为第i 种消费项目的年世界平均产量；P i 为第i 种消费项目的年生产量；I i 为第i 种消费项目的年进口量；F i 为第i 种消费项目的年出口量；j 为生物生产性土地类型；r j 为均衡因子。由于不同土地单位面积的生物生产能力的差异较大，要在这六类不同的土地面积计算结果数值前分别乘上一个相应的均衡因子，以转化为可比较多生物生产均衡
面积。根据国际统一的标准，耕地和建筑用地2.8，草地0.5，水域0.2，林地和化石燃料用地1.1（表示林地和化石燃料用地生态系统生物生产量为全球生态系统平均生物生产量的1.1倍）[13]。
2.2 生态承载力的计算
根据生态足迹的概念，将生态承载力理解为一个国家或者区域所能够提供给移民的生物生产土地面积的总和。出于谨慎性考虑，根据世界环境发展委员会报告，生态承载力计算时应扣除12%的生物多样性保护面积。生态承载力的计算公式如下[8]：
(j ＝1, 2, 3, …, 6) （2）
式中：E C 为总的生态承载力；e c 为人均生态承载力；A i 为人均实际占有的生物生产土地面积；y i 为产量因子。计算时需要引入产量因子使不同国家和地区同类生物生产土地的实际面积也可以进行直接对比。中国各类土地的平均产量因子分别为：耕地和建筑用地1.66（表示该地区耕地的生物产出率是世界耕地平均产出水平的1.66倍），林地0.91，草地0.19，水域1，化石燃料用地0。
2.3 生态/盈余的计算
当一个地区的生态承载力小于生态足迹时，就会出现生态赤字（E D ），其大小等于生态承载力减去生态足迹；反之，当生态承载力大于区域的生态足迹时，则表现为生态盈余（E R ），其大小等于生态承载力减去生态足迹。生态赤字表明人类负荷超过了自然的生态承载力，区域处于相对不可持续发展状态；生态盈余表明人类处于自然生态承载力范围内，区域是相对可持续的。计算公式如下[14]：
（3）
式中：E C 为区域总人口的生态承载力；E F 为区域总人口的生态足迹。
3 山东半岛区域生态足迹与承载力分析及预测
3.1 山东半岛区域2004年生态足迹与承载力计算
根据山东省统计年鉴整理，2004年山东半岛土地总面积7 382 260.00 hm 2，其中耕地3 243 740.00hm 2、园地532 560.00h m 2、林地799 686.67h m 2、牧草地43 380.00hm 2、城镇村及工矿用地763 506.67hm 2、交通用地208 446.67hm 2、水域812 766.67hm 2、未利用地977 866.67hm 2[10]。根据生态足迹计算模型，对山东半岛区域人均拥有的各类生物生产面积分别乘以均衡因子和产量因子计算生态承载力。山东半岛区域2004年粮食的平均产量与全球平均产量的比较，得出耕地的产量因子为1.43，表明山东半岛的耕地生物产出率是世界平均水平的
1.43倍。建筑用地多数是由耕地转化而来得，所以两者的产量因子相同。其余土地类型的产量因子为草地0.19，林地0.91，水域1.0，化石燃料用地0。该半岛区域主要的粮食作物以小麦、玉米、地瓜为主，小杂粮有大豆、谷子、高粱、稻子、小豆等；经济作物主要是花生、芝麻、蓖麻等，其他还有黄烟、药材、大麻等；蔬菜主要有叶菜类、茎菜类、花菜类等。半岛城市群的发展目标是使山东半岛发展成为中国经济板块乃至东北亚地区具有影响力的经济隆起地带，成为带动全省、辐射北方及黄河中下游地区的经济核心地区，成为我国具有国际竞争力的现代制造业基地，打造具有开放活力、半岛城市群资源、环境、人口、经济及社会协调可持续发展的都市圈。通过计算得出山东半岛区域2004年生态足迹和生态承载力，结果见表1。
据表1，山东半岛区域的人均生态足迹为1.190 3hm 2，人均生态承载力为0.434 8hm 2，扣除12%生物多样性保护面积为0.052 2hm 2，实际可利用的人均生态承载力为0.382 6hm 2，生态赤字等于人均生态足迹减去实际可利用人均生态承载力为0.807 7hm 2。从计算结果汇总表1中可以看出耕地、林地、化石燃料用地这三项生态足迹占到全部生态足迹的91.32%，草地、水域和建筑用地这三项占全部生态足迹的8.68%，详细情况见图1。这表明该区域的耕地、林地和化石燃料用地资源十分紧张；草地、水域和建筑用地的供给也不容乐观。由此可以看出，用于人类消费的可供给的生态空间类型结构极为单一，调整该区域产业结构和大力发展循环经济十分必要，这是缓解库区生态赤字扩大和改善生态环境恶化的途径之一。各类土地类型的生态足迹之间存在着较大的差异，其生态赤字量由大到小依次为：耕地、林地、草地、化石能源用地、草地、水域、建筑用地。该区的对外贸易量较大，对缓解该地区生态足迹压力过大起到了很大作用，主要通过与外部贸易之间的顺向差额（国内与国外）来弥补生态承载力的不足。
3.2 山东半岛区域2000～2008年生态足迹与生态承载力
动态变化分析
通过对山东半岛区域2000～2008年生态足迹、生态赤字和生态承载力计算，可以从宏观动态的角度分析该区域社会经济的可持续发展程度。由图2可以看出从2000年开始呈现生态足迹不断扩大，生态承载力随之下降，生态赤字也出现了增加，使得该地区的环境容量承载力下降，从2000年的生态赤字0.179 6hm 2扩大到2003年的0.652 4hm 2，生态赤字增加了0.472 8hm 2，这一时期的生态足迹呈明显的增加趋势，相对应的生态赤字也出现大幅度的扩大，处于不可持续发展状态，主要原因是随着该区域的经济的快速增长、人口不断增多、对资源的需求不断增加，从而导致了生态足迹的不断增加，生态赤字不断扩大，可见目前该区域粗放型经济发展模式仍然占有一定的地位。随着社会经济的发展，从2004年到2008年该地区域生态足迹呈现出平稳的趋势，而生态承载力不断下降，从2004年的0.392 6hm 2下降到2008年的0.340 5hm 2，下降了0.052 1hm 2，主要原因是该地区改革开放的力度加大，工业经济迅速发展，经济规模也不断扩大，而本地的资源已经不能满足当地经济发展的需要，从而导致该地区的耕地、林地、草地和水域等资源不断减少。而2004年生态赤字从0.807 7hm 2到2008年的0.901 2hm 2，增加幅度并不是很大，主要原因是随着山东外向型经济的发展，区域内外物质和能量交换和流动的频繁，因而对外贸易对山东半岛的生态足迹影响很大，从而使区域外部的能源和物质等输入得到缓解和补充。该地区详细的生态承载力、生态足迹及生态赤字动态变化情况见图2。
3.3 山东半岛区域生态赤字趋势（2009～2015年）预测
根据该区域生态赤字波动的规律，试图用灰色预测
表1 山东半岛区域生态足迹与承载力计算结果汇总
人均生态足迹
人均生态承载力土地类型
人均面积 (hm 2)
均衡因子
均衡面积 (hm 2)人均面积 (hm 2)均衡因子产量因子均衡面积 (hm 2)耕地0.291 2 2.80.815 30.082 9 2.8 1.430.331 9林地0.128 9 1.10.141 80.020 4 1.10.910.020 5草地0.081 70.50.040 90.001 10.50.190.000 1水域0.179 30.20.035 9
0.020 8
0.2 1.000.004 2建筑
用地0.009 5 2.8
0.026 60.019 5 2.8 1.430.078 1化石燃
料用地
0.111 8 1.1
0.129 90.000 0
1.1
0.00
0.000 0
人均生态足迹（hm 2） 1.190 3人均生态承载力（hm 2）0.434 8
12%生物多样性保护面积（hm 2）
0.052 2可利用的人均生态
承载力（hm 2）
0.382 6
生态赤字（hm 2）
0.8 077
模型进行预测，准确了解该地区未来几年的生态赤字变化情况，为缓解生态赤字提供决策依据。灰色预测模型简称GM （1，1）模型，是灰色理论的核心，是灰色预测的基础。以灰色模块（所谓模块是时间数列X m 在时间数据平面上的连续曲线或逼近曲线与时间轴所围成的区域）为基础，以微分拟合而建成的模型[15]。在灰色模块中，由预测值上界和下界所夹的部分成为灰色平面，这个灰色平面的大小是由各个未来时刻预测值的灰区间决定的。
GM （1，1）表示1阶的1个变量的微分方程预测模型。它是1阶单序列的线性动态模型，用于时间序列预测。
设有x (0)，共有m 个观察值[16]：x (0)(1)，x (0)(2)，…，x (0)(m )，对x (0)进行累加得到：
(i ＝1，2，3，…，6) （4）
由此可得到：
…
对数列x (1)
可建立预测模型的白化形式方程：
（5）
式中，a 、u 为待估计参数，分别称为发展灰数和内生控制灰数。设 为待估参数向量，则
按最小二乘法求解[17]：
（6）
将式（6）求得的代入式（5）中，并求解微分方程，则GM （1，1）预测模型为：
～2012年人均生态状况进行计算，以2009年为起始点，即t =1，于是有数列：
=[0.911 2, 0.916 3, 0.940 7, 0.956 7, 1.256 9, 1.396 1, 1.431 5]
按GM （1，1）模型建模方法可计算出：
根据关联度检验方法算出
与原始序列
的关联
系数，然后算出关联度，根据计算（计算过程省略），关联度大于0.6表明该预测模型精确度高。2009年、2010年、2011年、2012年、2013年、2014年、2015年这7年的生态赤字预测结果分别为0.911 2hm 2、0.916 3hm 2、0.940 7hm 2、0.956 7hm 2、1.256 7hm 2、1.396 1hm 2、1.431 5hm 2。
3.4 结果分析
从山东半岛区域2009年至2015年的预测状况可以看出生态赤字呈继续扩大的趋势，该地区将长期处于资源、经济、环境不可持续发展状态。据预测情况分析，生态赤字从2009年的0.921 9hm 2到2015年的1.321 9hm 2，增加了0.420 3hm 2。这7年，生态赤字平均以每年0.086 72hm 2的扩大，这意味着该地区的生态足迹不断增加，而生态承载力相应逐年降低，给该地区经济社会的可持续发展带来严峻的挑战。造成生态赤字持续扩大的主要原因是：（1）近年，山东半岛提出了构建《“两翼一体”的经济发展格局》①
和《山东半岛城市群总体规划》②，经济的不断增长带动了山东半岛生态足迹的快速增加，使生态足迹呈现不断扩大趋势。（2）产业结构层次较低。改革开放以来，山东半岛的产业结构发生了很大变化，工业已经成为该地区的主体经济，第一产业在第二产业、第三产业中比重有所下降，但与珠三角、长三角等地区相比，整个区域产业结构仍显较落后。（3）工业结构单一，集约化程度不高。山东半岛城市群各个城市工业结构的趋同化比较严重，以纺织业、机械制造、食品加工、化工等产业为主，并且集约化不够，高耗能、重污染的产业占据了重要位置。（4）资源短缺。主要表现为山东半岛水资源、煤、电、热等能源供不应求，造成资源十分紧张，如不采取有效措施，将会影响到山东半岛经济社会的可持续发展。
4 结论与建议
4.1 建立资源节约型生产体系，大力发展循环经济和低
碳经济
经济的快速发展、人口的不断增加、资源利用率较低、能源短缺等因素的影响造成山东半岛生态赤字不断增加，可持续发展能力受到制约。经济发展模式、经济增长方式和产业结构进行调整是必不可少的。因此，只有树立以科学发展为指导思想，推行循环经济发展模式和低碳经济模式，提高资源的循环利用率和再利用率，转变资源消耗型的经济增长模式，由“高投入、高污染、高排放、低产出”的粗放型增长方式转变为“低投入、低污染、低排放、高产出”的集约型可持续发展，充分提高资源的利用效率。从生产力布局、产业结构、产业层次、产业政策等各个方面，运用生态经济学理论指导社会经济的发展，走
发展循环经济，推进绿色生产，引导绿色消费的可持续发展之路[18]。
4.2 推广高效生态农业
加大农业结构调整力度，在确保粮食安全的前提下，大力发展优质、高效、生态、安全的农业，把畜牧业和海洋水产业培植成为山东半岛支柱产业。提高农业产业化、标准化、国际化水平，加快农业科技进步，推进专业化、规模化生产，进一步提高农业产出效益和综合竞争力。结合区位特点，大力发展海洋水产、水产珍品、水果、蔬菜、花卉等产业带，推进农业产业化经营，引进高新农业技术，大力发展生态农业。
4.3 改变当地人们生产和消费方式，建立资源节约型的
消费体系
倡导可持续及绿色消费模式，强化节约意识，鼓励生产和使用节能节水产品、节能环保型材料、发展节能省地建筑，加强节约意识。使人们充分认识到污染环境、浪费资源、浪费人力对经济社会发展的负面影响，使可持续发展的观念转变为广大人民群众的具体行为。
4.4 加强水土资源的保护，科学合理地开发
山东半岛水资源紧缺已经日益突出，因此，必须加大对半岛的水资源的保护，加强水资源管理和开发力度，建设节约水型农业、工业，提高水资源利用效率，实现水资源的可持续利用。加强土地资源开发与管理，开展土地整理和复耕，增加土地的后备资源，严禁土地乱占乱用，加强耕地保护和节约的意识。
注：
①所谓“一体两翼”的经济发展格局：“一体”，是指以胶济铁路为轴线，横贯东西，对山东半岛城市群、省会城市群经济圈和海洋经济进行整合；“两翼”则是黄河三角洲高效生态经济区和鲁南经济带。
②根据规划，包括济南、青岛、淄博、东营、烟台、潍坊、威海、日照、滨州8城市的山东半岛城市群将按照“三个发展阶段”，推行“八项行动计划”，形成“七大产业集群”、“四条文化走廊”。
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