一种基于生态足迹模型的生态可持续性综合评价方法与流程
本发明涉及一种可持续性综合评价方法，具体地说，涉及一种基于生态足迹模型的生态可持续性综合评价方法。
背景技术：
当今社会，倡导全面可持续发展，研究有效可行的区域可持续性评价方法是实现可持续发展的重要条件，生态足迹方法用一种新颖的方式串联起人类与生态环境之间的相互关系，这一方法的问世在全世界引起了强烈的反响，自20世纪90年代生态足迹模型(Ecological footprint)被提出以来，便引起了各方学者的广泛关注，理论和模型也在逐步得到完善和进步，但传统的生态足迹模型方法在运用于区域可持续性评价的过程中会出现各种问题：
(1)传统生态足迹模型基本问题分析：传统模型是评价区域生态可持续发展状况的模型，对开展区域生态可持续发展具有一定的作用，但大多数研究已经表明，以生态盈亏作为区域是否处于生态可持续状态的评价指标，常常出现地区越不发达、人们生活水平越低，可持续性越强的情况，这与可持续发展理念是相违背的，因此评价指标有待改进。
(2)规划生态足迹模型改进的方法基础分析：对于一个区域，由于存在资源的进出口，由消费量定义的传统生态足迹，不能真正反映区域内人口对当地生态系统产生的压力。熊德国等于2003年提出了生产性生态足迹概念，即以资源生产量代替消费量来计算生态足迹。对于区域而言，采用生产性生态足迹与传统消费性生态足迹相比，能够更真实地反映当地生态系统的持续性，但其只是对消费性生态足迹与生产性生态足迹做了简单的概念性分析和内
在关系阐述，对消费性生态足迹、生产性生态足迹与生态承载力之间的关系阐述却不够深入，也未开展实证研究，模型应用性及效果还有待验证。在此后的相关研究中，多是采用基于消费性或者基于生产性的单一类型资源账户开展生态足迹核算，对采用何种类型的资源账户进行核算，随意性较强，理由不够充分。
这是由于随着社会的发展，传统的生态足迹模型无法完全适用，当前经济全球化，各地区之间的贸易往来密切，在对某一地区进行生态足迹评价研究的过程中必须要考虑这一点，而传统的生态足迹大多只是包含了消费生态足迹，亦或是只单独运用了生产生态足迹，而没有将二者综合联系起来分析，当前关于生态足迹模型改进及应用的研究，均是在原来的理论框架下对模型局部的技巧性改进，虽然可以提高生态足迹计算的精度，但是对于采用何种判别准则进行区域生态可持续性的判别，并没有一套合理、科学和统一的标准，这往往严重地影响了判断区域生态可持续状态的准确性，导致了评价结果与实际状况不符。因此，建立区域生态可持续性判别准则显得尤为重要。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种基于生态足迹模型的生态可持续性综合评价方法，该方法根据区域发展兼具宏观的战略性、微观的实施性及生产性的特点，深入分析了消费生态足迹与产出生态足迹的内涵及彼此间的关系，明确了生态足迹模型的内在机理，改进并完善了“消费-产出”生态足迹模型，构建了更符合实际的生态可持续利用判别指标和判别准则，构建区域生态可持续性定量判别准则和评价方法。
其具体技术方案为：
一种基于生态足迹模型的生态可持续性综合评价方法，包括以下步骤：
步骤1：生态生产性土地类型的分类
最新的土地规划用途分类将土地分为农用地、建设用地和其他土地三个一级类。根据土地规划用途分类特点，将研究区生态生产性土地划分为七类，即：耕地、牧草地、林地、水域、化石能源地、建设用地和自然保留地，自然保留地因不直接为人类消费提供产品，不参与“消费-产出”生态足迹核算，但因其具有重要的生态承载和开发价值，参与生态承载力的核算。
步骤2：首先把目标区域的各类“消费-产出”项目折算成7类生态生产性土地面积。
计算公式为：各分项生态足迹(hm2)＝目标区域各项生物量(t)/全球平均产量(kg/hm2)
其中，耕地“消费-产出”项目包括谷物、豆类、薯类、油料、棉花、麻类、甘蔗和蔬菜瓜果；林地“消费-产出”项目包括茶叶、油桐籽、油茶籽、棕片、竹笋干和木材；牧草地“消费-产出”项目包括肉类和禽蛋；水域“消费-产出”项目主要为水产品；建设用地“消费-产出”项目主要为电力；化石能源用地“消费-产出”项目包括煤炭、液化石油气和汽油。
步骤3：通过上述步骤计算出目标区域当年的“消费-产出”生物资源账户对应的各类生态生产性土地面积，再结合均衡因子将各类土地面积加和最终得到其“消费-产出”生态足迹总量。整体计算公式如下：
式中：EFC为总消费生态足迹，EFO为总产出生态足迹，j为生态生产性土地类型，i为消费项目类型，n为消费项目数，m为生态生产性土地类型数，rj为各类生态生产性土地对应的均衡因子，ci为第i类消费项目对应的目标区域的总消费量，oi总产出量，pi为第i类消费项目对应的世界平均生产能力。
生态足迹法核算中涉及的均衡因子和产量因子主要采用Wackernagel传统核算模型中的取值。自然保留地的均衡因子采用赖力对未利用地均衡因子算法，取值为0.12，其产量因子取值为1。
步骤4：接下来是计算目标区域的总生态承载力。
首先需要统计各地类实际承载面积，再经过均衡因子和产量因子的调整后得到目标区域各地类均衡承载力。具体计算公式如下：
式中：j为生态生产性土地类型，n为生态生产性土地类型数，rj为均衡因子，aj各地类总面积，yj为产量因子。在计算生态承载力过程中，还需扣除12％的生物多样性保护面积，以保护生物多样性：
EC'＝(1-12％)EC
步骤5：产出盈亏和消费盈亏的计算。
改进生态足迹模型将生态足迹划分为消费生态足迹EFc和产出生态足迹EFo。消费生态足迹是从资源消费的角度，考虑域内人口对生态生产性土地面积的索取程度，由于消费资源存在不能满足区内消费需求而产生进口的可能，因此消费足迹体现了域内对域内和域外生态生产性土地面积的索取程度，可利用生态承载力EC'与消费足迹的差值即为消费盈ERc亏EDc。产出生态足迹是从消费资源账户对应的产出角度核算生态足迹。由于产出存在满足域内消费需求后向域外提供出口的可能，因此产出足迹体现了域内和域外对域内生态生产性土地面积的索取程度，是一种广义上的消费足迹。产出足迹与可利用生态承载力的差值即为产出盈ERo亏EDo，产出赤字EDo代表当年区域生态系统承载的生态赤字边界。
步骤6：分类核算可持续承载生态亏损额EL，并得出结论。
根据消费盈亏与产量盈亏的关系，构建了可持续承载生态亏损额EL，作为区域生态可持续状态的评价指标，同时也可定量测度生态可持续程度，可持续承载生态亏损额代表了区域从研究时点起，或者继续承受的生态生产性土地的亏损面积。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明根据区域发展兼具宏观的战略性、微观的实施性及生产性的特点，深入分析了消费生态足迹与产出生态足迹的内涵及彼此间的关系，明确了生态足迹模型的内在机理，改进并完善了“消费-产出”生态足迹模型，构建了更符合实际的生态可持续利用判别指标和判别准则，构建区域生态可持续性定量判别准则和评价方法。
附图说明
图1是本发明基于生态足迹模型的生态可持续性综合评价方法的流程图；
图2是基于本发明临湘市2005年各地类消费均衡足迹比重核算结果图；
图3是基于本发明临湘市2005年各地类产出均衡足迹比重核算结果图；
图4是基于本发明临湘市2005年各地类均衡承载力比重核算结果图；
图5是基于本发明临湘市2013年可持续承载亏损额空间分布核算结果；
图6是基于本发明临湘市2013年生态盈亏空间分布核算结果图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实例进一步阐述本发明。
如图1～6所示，本发明以临湘市为研究对象，运用对生态足迹模型的改进，对其生态可持续性进行了评价研究，并分析了模型改进的效果。
“消费-产出”生态足迹改进模型的总体思路就是先分别计算消费生态足迹、产出生态足迹和该地区的生态承载力、然后根据生态承载力和产出生态足迹的大小进行分类分析，进一步核算可持续承载亏损额，结合其数值大小来综合分析该地区的可持续发展状态。
如图1所示，具体计算步骤及参数选取如下：
步骤1：生态生产性土地类型的分类
最新的土地规划用途分类将土地分为农用地(包括耕地、园地、林地、牧草地)、建设用地和其他土地(包括水域和自然保留地)三个一级类。根据土地规划用途分类特点，将研究区生态生产性土地划分为七类，即：耕地、牧草地、林地(含园地)、水域、化石能源地、建设用地和自然保留地(包括荒草地、盐碱地、沼泽地、沙地、裸地和其他未利用地)。自然保留地因不直接为人类消费提供产品，不参与“消费-产出”生态足迹核算，但因其具有重要的生态承载和开发价值，参与生态承载力的核算。
步骤2：首先把目标区域的各类“消费-产出”项目折算成7类生态生产性土地面积。
计算公式为：各分项生态足迹(hm2)＝目标区域各项生物量(t)/全球平均产量(kg/hm2)
其中，耕地“消费-产出”项目包括谷物、豆类、薯类、油料、棉花、麻类、甘蔗和蔬菜瓜果；林地“消费-产出”项目包括茶叶、油桐籽、油茶籽、棕片、竹笋干和木材；牧草地“消费-产出”项目包括肉类和禽蛋；水域“消费-产出”项目主要为水产品；建设用地“消费-产出”项目主要为电力；化石能源用地“消费-产出”项目包括煤炭、液化石油气和汽油。
步骤3：通过上述步骤计算出目标区域当年的“消费-产出”生物资源账户对应的各类生态生产性土地面积，再结合均衡因子将各类土地面积加和最终得到其“消费-产出”生态足迹总量。整体计算公式如下：
式中：EFC为总消费生态足迹(EFO为总产出生态足迹)，j为生态生产性土地类型，i为消费项目类型，n为消费项目数，m为生态生产性土地类型数，rj为各类生态生产性土地对应的均衡因子，ci为第i类消费项目对应的目标区域的总消费量(oi总产出量)，pi为第i类消费项目对应的世界平均生产能力。
生态足迹法核算中涉及的均衡因子和产量因子主要采用Wackernagel传统核算模型中的取值。自然保留地的均衡因子采用赖力对未利用地均衡因子算法，取值为0.12，其产量因子取值为1。
表1 七类生态生产性土地的均衡因子和产量因子
步骤4：接下来是计算目标区域的总生态承载力。
首先需要统计各地类实际承载面积(即土地利用现状中各生态生产性土地的实际面积大小)，再经过均衡因子和产量因子的调整后得到目标区域各地类均衡承载力。具体计算公式如下：
式中：j为生态生产性土地类型，n为生态生产性土地类型数，rj为均衡因子，aj各地类总面积，yj为产量因子。在计算生态承载力过程中，还需扣除12％的生物多样性保护面积，以保护生物多样性：
EC'＝(1-12％)EC
步骤5：产出盈亏和消费盈亏的计算。
改进生态足迹模型将生态足迹划分为消费生态足迹(EFc)和产出生态足迹(EFo)。消费生态足迹是从资源消费的角度，考虑域内人口对生态生产性土地面积的索取程度，由于消费资源存在不能满足区内消费需求而产生进口的可能，因此消费足迹体现了域内对域内和域外生态生产性土地面积的索取程度，可利用生态承载力(EC')与消费足迹的差值即为消费盈(ERc)亏(EDc)。产出生态足迹是从消费资源账户对应的产出角度核算生态足迹。由于产出存在满足域内消费需求后向域外提供出口的可能，因此产出足迹体现了域内和域外对域内生态生产性土地面积的索取程度，是一种广义上的消费足迹。产出足迹与可利用生态承载力的差值即为产出盈(ERo)亏(EDo)，产出赤字(亏损)(EDo)代表当年区域生态系统承载的生态赤字边界。
步骤6：分类核算可持续承载生态亏损额(EL)，并得出结论。
根据消费盈亏与产量盈亏的关系，构建了可持续承载生态亏损额(EL)，作为区域生态可持续状态的评价指标，同时也可定量测度生态可持续程度，可持续承载生态亏损额代表了区域从研究时点起，还可继续承受的生态生产性土地的亏损面积，具体计算公式见下文中“生态可持续性判别准则”。
生态可持续性判别准则的构建
在分析消费足迹、产出足迹以及生态承载力之间内在关系的基础上，本文确定了两类状态八种情形下的生态可持续状态判别准则。
状态一：当EFo<EC时即产出足迹小雨生态承载力时，当年域内可利用生态承载力未得到充分释放，当年域内可持续承载的亏损潜力为可利用生态承载力与产出足迹的差值。EL的计算公式为：
EL＝EC-EFc (4)
(1)当EFc<EFo时，区域可出口生态生产性土地，表现为生态盈余，EL>0，区域处于生态可持续状态；
(2)当EFc＝EFo时，区域无生态生产性土地可供出口，表现为生态盈亏平衡，EL>0，区域处于生态可持续状态；
(3)当EFo<EFc<EC时，区域需要进口生态生产性土地，表现为生态亏损，EL>0，区域处于生态可持续状态；
(4)当EFo<EFc＝EC时，区域需要进口生态生产性土地，表现为生态亏损，EL＝0，区域处于生态可持续状态临界点；
(5)当EFo<EC<EFc时，区域需要进口生态生产性土地，表现为生态亏损，EL<0，区域处于生态不可持续状态；
状态二：当EFo>EC时，产出足迹是当年域内所承载的最大足迹，可利用生态承载潜力完全释放，对应的产出生态亏损即是当年域内可承载的最大亏损。
(1)当EFc<EFo时，区域可出口生态生产性土地，表现为生态盈余，EL>0，区域处于生态可持续状态。EL的计算公式为：
EL＝ERo+(EC-EFc) (5)
(2)当EFc＝EFo时，区域无生态生产性土地可供出口，表现为生态盈亏平衡，EL＝0，区域处于生态可持续状态临界点。EL的计算公式为：
EL＝ERo+EDc (6)
(3)当EFc>EFo时，区域需要进口生态生产性土地，表现为生态亏损，EL<0，区域处于生态不可持续状态，EL的计算公式同公式(6)。
表2 生态足迹改进模型下的生态可持续发展状况分类
2005年临湘市统计的总人口数量为486500人，生物账户主要包括粮谷物、豆类、薯类、油料、棉花、麻类、甘蔗、蔬菜瓜果、茶叶、油桐籽、油茶籽、棕片、竹笋干、木材、肉类、禽蛋、水产品，依据《临湘市2006年统计年鉴》的相关统计数据，整理得出临湘市2005年生物消费账户取值。见表3：
表3 临湘市2005年生物资源账户(净消费)
能源消费账户主要包括电力、煤炭、液化石油气、汽油，根据《临湘市2006年统计年鉴》的统计数据，分类整理最终得出临湘市2005年能源消费账户取值。见表4：
表4 临湘市2005年能源账户(净消费)
根据不同类型生物生产性土地的均衡因子，对2005年该市人均需求面积进行调整，得出各类土地的人均消费生态足迹，由图1可以发现，耕地和草地占消费生态足迹的主导，其次是化石能源用地和水域，相比之下林地和建设用地的消费生态足迹较少，通过汇总得到临湘市2005年总的消费生态足迹达到了232017hm2，人均消费生态足迹为0.4769hm2。详细数据见表5：
表5 人均消费生态足迹(hm2，hm2/人)
根据《临湘市2006年统计年鉴》的相关统计数据，同理得出临湘市2005年生物和能源产出账户取值，利用上述的计算方法也可以得出2005年各类型生态生产性土地对应的人均产出生态足迹。可以发现虽然耕地和草地任然占据消费生态足迹的主导，但化石能源用地对应比重为0，通过汇总得到临湘市2005年总的生产生态足迹达到了613110hm2，人均产出生态足迹为1.2602hm2。详细数据见表6：
表6 人均产量生态足迹(hm2，hm2/人)
2005年生态承载力以及生态盈亏计算及分析
根据国土资源部门下发的土地利用变更调查数据，得到临湘市2005年各个类型土地的面积，首先核算出当年各类型土地的人均面积，再经过均衡因子和产量因子的调整后得到临湘市2005年人均生态承载力，并与生态足迹相减得出当年的生态盈亏。
首先根据国土资源部门下发的土地利用变更调查相关数据，得到临湘市2005年各地类土地面积，首先核算出当年各个类型土地的人均面积，再经过均衡因子和产量因子的调整后得到临湘市2005年总生态承载力为313516.82。由表7，图3得数据结果可以发现：耕地是生态供给的主导，其次是林地和建设用地，因此对耕地和林地的保护对于优化生态承载力功能最有至关重要的作用。
由表5和表7中数据，经计算得出临湘市2005年人均消费生态盈余为0.1675hm2/每人，总消费生态盈余为81500hm2，这说明土地利用现状情况能够满足生态可持续性发展的要求。由表6和表7中数据，经计算得出临湘市2005年人均产出生态盈亏出现了赤字，为0.6158hm2/每人，总的产出盈余达到299594hm2。
表7 人均生态承载力(hm2，hm2/人)
依据上述改进的生态可持续性判别准则：其属于状态二、且消费足迹小于产出足迹，所以其为可出口生态生产性徒弟，生态盈余，土地可持续承载亏损额大于零，处于可持续状态。
运用上述改进后的生态足迹评价方法研究得出(表8)，2005-2013年，临湘市的总产出足迹始终大于总可利用生态承载力，并且以高于总可利用生态承载力的增长速度在波动中持续增长；8年间，虽然总消费足迹以年均5.47％的速度在增长，高于总可利用生态承载力年均增长速度0.19％以及总产出足迹年均增长速度2.42％，致使总消费盈亏由最初的生态盈余在2012开始转为生态赤字，但是总消费足迹仍然小于总产出足迹，可持续承载生态亏损额在波动中呈增长趋势，临湘市始终处于生态可持续状态。
表8 2005-2013年临湘市可持续承载生态亏损额 hm2
在生态可持续性的时间序列趋势变化特征方面，根据表9可知，按照“消费-产出”生态足迹模型的评价指标分析，2011年临湘市的可持续承载生态亏损额达到最大值，之后两年可持续承载生态亏损额开始下降，但始终大于零，说明临湘市依然处于生态可持续状态，只是其生态可持续程度在呈下降趋势。临湘市作为矿产资源型城市，自桃林锌铅矿破产之后只存在少数小型矿山还在生产，而新探明的儒溪虎形山大型钨矿还未正式开采，资源的开采无法接续，势必影响城市的社会经济发展，进而影响区域的生态可持续性。按照传统生态足迹模型评价标准，临湘市2012年开始出现生态赤字，且赤字持续增长，说明区域处于生态不可持续状态，而且不可持续状态还在加重。临湘市2013年被国务院定义为成熟型资源城市，“成熟型城市资源开发处于稳定阶段，资源保障能力强，经济社会发展水平较高，是现阶段我国能源资源安全保障的核心区”，这是《全国资源型城市可持续发展规划(2013—2020年)》对成熟型城市的定义，传统生态足迹模型评价结果为临湘市处于生态不可持续状态，这与成熟型资源城市是不相符的。
在生态可持续性的空间分布特征方面，本文以2013年为例进行对比分析。由图5可知，“消费-产出”生态足迹模型分析结果为，区域生态可持续性大体上呈现北高南低、中部最弱的分布特征，北部乡镇处于较强的生态可持续状态，南部乡镇处于一般的生态可持续状态，中部处于弱生态可持续状态，中心城区长安办甚至出现不可持续状态。
图6可知，传统生态足迹模型的分析结果呈现两极分化的分布特征，北部乡镇处于较强的生态可持续状态，中南部乡镇却处于生态不可持续状态，只有少数乡镇处于弱可持续状态；图6显示长安办、忠防镇、桃林镇、詹桥镇和长塘镇处于不可持续状态，说明这些乡镇需要进口生态生产性土地以满足区域过剩的消费足迹。而忠防镇、桃林镇、詹桥镇和长塘镇是以矿产开采加工、采矿建材和特色农产品生产为主导的重点经济发展乡镇，是以对外出售生态生产性资源为主，即其生态生产性土地不仅能满足自身发展，还有利于缓减域外的生态压力。“消费-产出”生态足迹模型计算结果为，忠防镇、桃林镇、詹桥镇和长塘镇的产出足迹大于消费足迹，处于生态盈余状态，可出口生态生产性土地；四个乡镇的可持续承载生态亏损额都大于零，处于生态可持续状态，分析结果更贴近于实际、更合理。
在各地类的生态可持续利用状态方面，由表9知，“消费-产出”生态足迹模型计算得出：除了化石能源用地的可持续承载生态亏损额小于零，处于生态不可持续状态，其他地类均处于生态可持续状态。传统生态足迹模型计算结果为：耕地、林地、建设用地和自然保留地表现为生态盈余，处于生态可持续状态；而牧草地、水域和化石能源用地表现为生态赤字，处于生态不可持续状态。化石能源用地方面，临湘市无化石能源用地，而人们对化石能源的消费需求却在不断增长，化石能源用地的确处于生态不可持续状态；牧草地和水域方面，牧草地历年的产出生态足迹是消费生态足迹的3倍有余，水域历年的产出生态足迹是消费生态足迹的6倍左右，牧草地和水域的生物资源产量完全能够满足区域消费的需求，这反映的是生态可持续状态。究其原因，传统生态足迹模型用各类土地的真实面积来计算生态生产性土地的承载力，并与消费生态足迹对比来判断生态生产性土地的生态可持续性，它忽略了生物资源的产量会随着生产技术的提高以及投入水平的变化而变化的事实；而“消费-产出”生态足迹模型综合考虑了消费生态足迹、产出生态足迹和生态承载力之间的关系，以可持续承载生态亏损额为指标来评价区域的生态可持续性，评价结果更符合实际。
表9 “消费-产出”生态足迹模型与传统生态足迹模型计算结果比较 hm2
本发明对生态足迹模型进行了改进，增加了可持续承载生态亏损额EL的计算和评价说明，应用于临湘市生态可持续性的核算研究，得到以下结论；
“消费-产出”生态足迹改进模型在区域生态可持续性评价的方法适用性、内容全面性、结果可靠性等方面，相比传统模型有了较大的提升；基于生态可持续性评价指标及判别准则的分析结果比基于传统模型生态盈亏的分析结果更符合实际、更合理。本发明建立了“消费-产出”生态足迹改进模型，并以可持续承载生态亏损额为评价指标，构建了区域生态可持续性判别准则，在一定程度上可以解决传统生态足迹理论用于评价区域生态可持续性时遇到的困难。
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