朱 琳，卞正富，趙 華，余 健

（中國礦業(yè)大學國土資源研究所，江蘇 徐州 221116）

1 引言

生態(tài)足跡方法能夠直接或間接地量化人類需求和自然再生產能力[1-2]，測算在當前技術水平下人類對生態(tài)系統(tǒng)資源與服務的需求[3]，從消費角度闡述人類活動處在未超出或超出自然生態(tài)系統(tǒng)再生產能力的程度[1,4-5]，是一種衡量可持續(xù)發(fā)展程度的生物物理方法。目前已經廣泛應用在不同尺度和區(qū)域的可持續(xù)研究中，但是針對資源枯竭型城市轉型期的研究較少。

資源型城市是因資源開采或資源產業(yè)興建和發(fā)展而來，相比一般城市而言，自然資源需求和利用量較大，受資源約束影響較顯著。資源枯竭型城市轉型旨在突破資源約束瓶頸，協(xié)調經濟發(fā)展和生態(tài)安全，因此，從生態(tài)角度定量衡量資源型城市轉型的可持續(xù)性尤為必要[6]。傳統(tǒng)可持續(xù)研究方法多聚焦在經濟層面，忽略了生態(tài)可持續(xù)性，生態(tài)足跡法可以反映城市發(fā)展生物物理特征和自然生態(tài)系統(tǒng)的延續(xù)性，側重城市發(fā)展的生態(tài)可持續(xù)性，適用于生態(tài)環(huán)境敏感的資源枯竭型城市。

本文應用傳統(tǒng)生態(tài)足跡法[7-8]和三維生態(tài)足跡法[9-10]，以資源枯竭型城市徐州市賈汪區(qū)為例，從空間和時間角度分析煤炭城市轉型期的可持續(xù)性，回答已有文獻很少涉及的從時間角度考察生態(tài)足跡的問題：（1）城市發(fā)展實際需要多少生產性土地，及城市生態(tài)承載力大??；（2）在當前技術條件下，自然系統(tǒng)要使用多長時間能生產出當前人類消費的生物生產量。同時這也是Niccolucia在2009年提出的三維生態(tài)足跡法首次應用在資源型城市[9-10]，為資源型城市轉型可持續(xù)研究提供了新的研究視角。

2 研究方法

本文將Wackernagel等提出的生態(tài)足跡法[1,7-8,11]暫且稱為傳統(tǒng)生態(tài)足跡法（EFclassical），即將各種能源和資源消費項目折算為生產性土地，分別為耕地、草地、林地、水域、建筑用地和化石能源用地，計算公式為：

式1表示城市生態(tài)足跡總量EF（hm2），其中，Si表示生產性土地總面積； yi代表產量因子，采用全球平均產量[12]；ei代表均衡因子（下同），采用Wackernagel等[12]和徐中民等[13]的計算結果，其中耕地和建筑用地為2.8，林地為1.1，草地為0.5，化石能源用地為1.1，水域為0.2；Ci表示消費物品總量，Yi代表土地產量的均衡因子。式2中，EC在本文是指扣除生物多樣性保護面積后的可利用生態(tài)承載力（hm2），A表示地類面積，12%是生物多樣性保護面積比重。

人均生態(tài)足跡（ef）和人均生態(tài)承載力（ec）分別通過式3和式4計算而得，其中Pi表示人口數(shù)量。

當生態(tài)足跡大于生態(tài)承載力時，就會出現(xiàn)生態(tài)赤字，反之則出現(xiàn)生態(tài)盈余，即：

傳統(tǒng)生態(tài)足跡法的生態(tài)赤字狀態(tài)可以比作為一個圓環(huán)(圖1)，外圓包含的面積表示生態(tài)足跡，內圓包含的面積是生態(tài)承載力，外圓和內圓面積之差為生態(tài)赤字。

三維生態(tài)足跡法（3D EF）于2009年由Niccolucci提出[9]并應用[10]。三維生態(tài)足跡法利用兩種形式表達人類需求與自然供給的時空關系，即生態(tài)足跡尺度（EFsize）和生態(tài)足跡高度（EFdepth）。當生態(tài)足跡高度大于0時，三維生態(tài)足跡可以看作為圓柱（圖2），圓柱底面表示生態(tài)足跡尺度，其大小等于生態(tài)承載力，代表能為人類提供資源和物質的生產性土地面積；圓柱高代表生態(tài)足跡高度，表示在當前技術水平下，以現(xiàn)有土地生產能力需要多長時間才能滿足當年城市發(fā)展需要，并彌補目前出現(xiàn)的生態(tài)赤字（式6），當生態(tài)足跡高度大于1時，表示當前土地面積提供的生物生產量已經不能滿足城市發(fā)展需求。生態(tài)足跡越高時，表明城市的生態(tài)赤字越大，發(fā)展方式越遠離可持續(xù)。圓柱體積表示生態(tài)足跡總量，即生態(tài)足跡尺度和生態(tài)足跡高度乘積（式7）。

從分析來看，傳統(tǒng)生態(tài)足跡法和三維生態(tài)足跡法得出的生態(tài)足跡總量相等，即：

傳統(tǒng)生態(tài)足跡法從空間角度分析城市發(fā)展中自然資源供需關系；三維生態(tài)足跡從時間角度，即通過自然生態(tài)系統(tǒng)生產生物量滿足城市發(fā)展資源需求所需的時間觀察城市發(fā)展可持續(xù)趨勢，花費的時間越長，表明城市對資源透支消費嚴重，城市發(fā)展方式越不可持續(xù)。

圖1 傳統(tǒng)生態(tài)足跡圖示Fig.1 The classically Ecological Footprint mode

圖2 三維生態(tài)足跡圖示Fig.2 3D Ecological Footprint model

3 研究區(qū)概況

賈汪區(qū)位于江蘇省徐州市東北蘇魯兩省交界處，地處東經117°17'—117°42'，北緯34°17'—34°32'，全區(qū)總面積620 km2，人口53余萬。賈汪區(qū)南部屬黃泛沖積平原，地勢平坦，北部為丘陵山區(qū)，有主要山峰55座，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，具有淮河流域特點，冬冷夏熱，四季分明，年平均氣溫14.2 ℃，無霜期280天，全區(qū)多年平均降雨量802.4 mm。

賈汪區(qū)地下煤炭資源豐富，素有“蘇北煤城”之稱。煤田面積202 km2，煤田上方人口共計26萬余人，近全區(qū)總人口的一半。自1882年采煤至今已有130余年的開采歷史，曾有年產量120萬t以上的大型國有煤礦5座，年產量20—30萬t的地方煤礦16座，年產量10萬t左右的煤礦229座。2001年“7.22事故”后，因煤炭資源不足，省政府強行關閉243座煤礦，現(xiàn)僅有徐州礦務集團旗山煤礦還在運營。由于長期進行煤炭開采和煤炭產業(yè)發(fā)展，城市在經濟增長同時，對生態(tài)系統(tǒng)產生許多負面影響，特別是自然資源的過度利用。自2001年大規(guī)模關閉煤礦后，賈汪區(qū)已進入城市發(fā)展轉型階段，亟需轉變經濟增長方式，實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展[14]。

4 結果與分析

4.1 傳統(tǒng)生態(tài)足跡法

煤炭資源型城市產業(yè)結構單一，特別是重工業(yè)發(fā)展對城市經濟貢獻尤為突出。首先對賈汪區(qū)2000年來重工業(yè)產值（HIP）占工業(yè)總產值（IP）比重（H）變化情況進行統(tǒng)計。圖3表明，2000—2002年，重工業(yè)產值占工業(yè)總產值的比率呈現(xiàn)基本穩(wěn)定的狀態(tài)；2003年，重工業(yè)比率急劇下降至谷底，僅占27.17%，主要是很多煤礦關閉引起相關行業(yè)的不景氣；2004年，區(qū)政府擴大招商引資，扭轉經濟嚴重下滑的局面，使重工業(yè)再次占據(jù)當?shù)毓I(yè)的主導地位，至2010年，重工業(yè)產值占工業(yè)總產值的77.83%。

煤礦關閉后當?shù)禺a業(yè)發(fā)展受到重大影響，許多煤礦失去了為當?shù)厝藗兲峁┚蜆I(yè)服務的功能，2000—2007年，賈汪區(qū)人口不增反減，可以看出賈汪區(qū)在轉型初期對外來人口吸引力有所下降。隨著產業(yè)轉型發(fā)展成果累積，對外來人口和投資吸引力逐漸增強，2008年后人口又逐漸轉入增長態(tài)勢。

利用傳統(tǒng)生態(tài)足跡法計算生態(tài)承載力和生態(tài)足跡（圖4）。由于賈汪區(qū)工業(yè)化進程和城市擴張，耕地面積減少、建設用地增加，生態(tài)承載力在2000—2010年間呈現(xiàn)緩慢下降趨勢；生態(tài)足跡在2000—2003年間緩慢增長，2004年后開始急劇增長，也在該年開始出現(xiàn)生態(tài)赤字，即生態(tài)足跡超出當?shù)厣鷳B(tài)承載力，說明轉型期經濟發(fā)展對資源消耗強度過大，主要表現(xiàn)為賈汪區(qū)重工業(yè)再崛起和資源型產業(yè)大規(guī)模擴張，對生態(tài)系統(tǒng)產生巨大壓力，不利于資源枯竭型城市轉型進程和可持續(xù)發(fā)展[15]。由于賈汪區(qū)在2007和2008年對工業(yè)投資比重有所減少，2009年時出現(xiàn)了生態(tài)足跡降低，但在2010年又恢復了上升趨勢。

圖3 2000—2010年重工業(yè)產值/工業(yè)產值變化Fig.3 Changes of the ratio of HIP to IP from 2000 to 2010

圖4 2000—2010年賈汪生態(tài)足跡、生態(tài)承載力變化Fig.4 EF and EC changes in Jiawang District from 2000 to 2010

從人均角度看，人均生態(tài)承載力（ec）從2000年至2010年變化不大，人均生態(tài)赤字（ed）亦呈現(xiàn)逐漸上升趨勢（圖5），原因是人均生態(tài)足跡（ef）大幅增加，通過調查得知賈汪區(qū)經濟發(fā)展仍然依賴重工業(yè)，尤其是高污染企業(yè)，如水泥廠、化工廠、橡膠廠等。人均國內生產總值（gdp）變化趨勢與人均生態(tài)足跡、人均生態(tài)赤字的變化趨勢相似，從一定程度上可以說賈汪區(qū)是高污染、高消耗的經濟增長方式。

圖5 賈汪區(qū)2000—2010年ef、ec、ed與gdp的變化情況Fig.5 Changes of ef, ec, ed and gdp from 2000 to 2010

4.2 三維生態(tài)足跡法

利用三維生態(tài)足跡核算得知（表1），2000—2003年間，生態(tài)足跡尺度在生態(tài)承載力范圍內，生態(tài)足跡高度在2000—2003年間為1，說明當?shù)啬軌驗榻洕l(fā)展提供足夠的物質資源和生物生產量；2004年后生態(tài)足跡尺度與生態(tài)承載力相同，生態(tài)足跡高度開始急劇攀升，也隨之出現(xiàn)了生態(tài)赤字，一方面由于資源枯竭因素對經濟發(fā)展的滯后效應，另一方面與2004年大規(guī)模招商引資，引入諸多重工業(yè)有直接關系。本地煤礦關閉后，賈汪區(qū)經濟發(fā)展動力不足，地方對重工業(yè)的再發(fā)展為社會經濟發(fā)展帶來推動力量，但同時對資源、生物生產量需求大幅增加。

表1 2000—2010年三維生態(tài)足跡核算表Tab.1 Trends of 3D EF from 2000 to 2010

2004年賈汪區(qū)對資源需求量相當于在當時技術條件下自然系統(tǒng)花費1.62年時間的生產量；2010年時的生態(tài)資源需求量需要自然系統(tǒng)花費9.89年時間生產?？梢钥闯觯Z汪區(qū)近年來的發(fā)展嚴重超出自然生態(tài)系統(tǒng)供給能力，在一定程度上影響了后代人對自然資源的使用權利。從另一方面看，當?shù)卣鲗У慕洕l(fā)展方式仍然高度依賴資源、過多發(fā)展資源消費型產業(yè)，并沒有真正轉型升級。

圖6 賈汪區(qū)2000—2010年人均生態(tài)足跡變化中各地類變化情況Fig.6 Changes of different types of land ecological footprint per person from 2000 to 2010 in Jiawang District

4.3 生態(tài)足跡結構分析

圖6表明，2000—2010年間，林地、草地、水域生態(tài)足跡變化不大，變化最為顯著的依次是化石能源用地、建筑用地和耕地?；茉从玫厣鷳B(tài)足跡在2000—2003年間變化不大，2004年開始逐漸增大，2008年化石能源生態(tài)足跡是2003年的11.36倍，這與賈汪區(qū)2004年重工業(yè)急劇增加的變化趨勢相吻合，說明煤礦關閉后，城市經濟發(fā)展對礦產資源依然呈現(xiàn)巨大需求，從產業(yè)發(fā)展角度看，賈汪區(qū)仍延續(xù)資源消耗型發(fā)展方式。建筑用地生態(tài)足跡在2000—2008年間呈現(xiàn)逐年遞增態(tài)勢，原因是隨著社會經濟發(fā)展，基礎設施用地、工業(yè)用地隨之擴張，人均建筑用地由2000年到2008年增長了8.28%；2008年后變化不大，這與土地利用總體規(guī)劃建設用地指標約束有很大關系。耕地生態(tài)足跡呈現(xiàn)減少趨勢，一是因為人口總數(shù)變化不大，對糧食需求比較穩(wěn)定，二是科技因素帶來賈汪區(qū)農業(yè)土地生產力提高。

5 結論與討論

5.1 結論

（1）生態(tài)足跡法能定量分析人類對自然資源需求是否處在生態(tài)承載力范圍之內，三維生態(tài)足跡法能從時間維度觀察自然資源供需關系。11年來，賈汪區(qū)生態(tài)足跡和生態(tài)赤字呈現(xiàn)逐步增長狀態(tài)；2000—2003年，生態(tài)足跡尺度在生態(tài)承載力范圍內，2004年后，賈汪區(qū)生態(tài)足跡尺度超出生態(tài)承載力，生態(tài)足跡高度開始大于1，即資源消耗量超出自然系統(tǒng)年再生產能力；2010年，自然系統(tǒng)需花費9.89年時間生產生物量才能滿足城市發(fā)展需要。生態(tài)足跡尺度和高度變化表明，賈汪區(qū)城市發(fā)展和產業(yè)接續(xù)工作以消耗資源為代價，使當?shù)刈匀幌到y(tǒng)資源更新、供給能力與社會經濟發(fā)展需求矛盾突出，是不可持續(xù)的發(fā)展方式。

（2）城市發(fā)展是否可持續(xù)，不僅僅要從經濟發(fā)展量上衡量，更要從質的角度衡量，即考察經濟發(fā)展與自然承載力的關系。在各種地類生態(tài)足跡中，能源化石用地足跡和建筑用地足跡增長明顯，特別是在2004年煤礦關閉后，賈汪區(qū)大規(guī)模引入重工業(yè)企業(yè)，對資源需求量急劇增加。從生態(tài)足跡和生態(tài)承載力看，社會系統(tǒng)中資源輸入量越來越大，在生態(tài)承載力或自然系統(tǒng)再生生物量能力維持穩(wěn)定的情況下，自然系統(tǒng)資源貯存量將會逐漸減少，若不及時調整城市發(fā)展戰(zhàn)略，必將面臨資源枯竭、環(huán)境惡化，無法支撐產業(yè)發(fā)展的局面。

5.2 建議

礦產資源的不可再生性使資源型城市發(fā)展不能長期依賴礦產資源，勢必面臨資源枯竭的挑戰(zhàn)。轉變經濟發(fā)展方式，協(xié)調經濟和資源環(huán)境關系是資源枯竭型城市轉型期要解決的關鍵問題。在經濟發(fā)展過程中，利用生態(tài)足跡法衡量城市發(fā)展對資源依賴程度和利用程度，可以定量了解經濟轉型方式的可持續(xù)性。根據(jù)對賈汪區(qū)生態(tài)足跡核算和分析，對賈汪區(qū)城市轉型發(fā)展提出以下三點建議：（1）閑置資源再利用。煤炭城市在枯竭期會經歷大規(guī)模煤礦關閉過程，原企業(yè)辦公用地、壓占地等土地應該進行合理再利用。通過調查和可行性研究，可以選擇廠房出租、土地復墾利用等利用方式，避免資源閑置浪費，提高土地利用率。（2）調整產業(yè)結構。煤炭資源型城市經歷了長期以重工業(yè)為支撐的產業(yè)道路，經濟發(fā)展多以資源消耗和環(huán)境污染為代價。在資源枯竭階段，資源型城市的先天發(fā)展優(yōu)勢逐漸消亡，以資源型重工業(yè)為主要經濟支撐的局面應適時調整，重點發(fā)展第三產業(yè)，將悠久歷史的煤炭城市打造為礦業(yè)遺址，改造塌陷地為濕地公園，大力發(fā)展旅游產業(yè)。（3）培養(yǎng)企業(yè)生態(tài)責任意識。以重工業(yè)為主的資源型城市，追求經濟效益的同時忽視了經濟發(fā)展與環(huán)境的協(xié)調關系，使得生態(tài)環(huán)境受到很大程度的破壞。加強企業(yè)的生態(tài)責任意識，有助于在城市轉型期間提升經濟發(fā)展質量，對城市經濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要推動作用。

（References）:

［1］ Wackernagel M, Larry O, Patricia B, et al.National natural capital accounting with the ecological footprint concept［J］.Ecological Economics，1999, 29（3）: 375-390.

［2］ Wackernagel M, Schulz N B, Deumling D, et al.Tracking the ecological overshoot of the human economy［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences of The United States of America，2002, 99（14）: 9266-9271.

［3］ 宋寶莉，何東.基于生態(tài)足跡的區(qū)域經濟可持續(xù)發(fā)展研究——以成都市為例［J］.科技進步與對策，2011, 28（3）：34-37.

［4］ Kitzes J, Daniel M, Alessandro G, et al.Interpretation and application of the Ecological Footprint: A reply to Fiala （2008）［J］.Ecological Economics，2009, 68（4）: 929-930.

［5］ Kitzes J, Audrey P, Steve G, et al.Current methods for calculating national ecological footprint accounts［J］.Sustainable Society，2007, 4（1）: 1-9.

［6］ 金丹，卞正富.采煤業(yè)生態(tài)足跡及地區(qū)間的差異［J］.煤炭學報，2007, 32（3）：225-229.

［7］ Rees W E.Ecological footprints and appropriated carrying capacity:what urban economics leaves out［J］.Environment and Urbanization，1992, 4（2）: 121-130.

［8］ Rees W E, Wackernagel M.Urban ecological footprints: Why cities cannot be sustainable—And why they are a key to sustainability［J］.Environmental Impact Assessment Review，1996, 16（4-6）: 223-248.

［9］ V.Niccoluccia, A.G, A.R, et al.Towards a 3D National Ecological Footprint Geography［J］.Ecological Modelling，2011, 222（16）:2939-2944.

［10］ V.Niccoluccia, A.G, A.R, et al.Towards a 3D national ecological footprint geography［J］.Ecological Modelling，2011, 222（16）:2939-2944.

［11］ Rees W.Ecological footprints of the future.Overview［J］.People Planet，1996, 5（2）: 6-9.

［12］ Wackernagel M, Monfreda C, Schulz N B, et al.Calculating national and global ecological footprint time series: resolving conceptual challenges［J］.Land Use Policy，2004, 21（3）: 271-278.

［13］ 徐中民，張志強，程國棟，等.中國1999年生態(tài)足跡計算與發(fā)展能力分析［J］.應用生態(tài)學報，2003, 14（2）：280-285.

［14］ 劉耀彬，張安軍.中部地區(qū)煤炭城市產業(yè)結構效益動態(tài)比較分析［J］.地域研究與開發(fā)，2010, 29（1）：11-16.

［15］ 卞正富，許家林，雷少剛.論礦山生態(tài)建設［J］.煤炭學報，2007, 32（1）：13-19.