胡 美 娟，周 年 興，李 在 軍，亓 秀 云

(南京師范大學地理科學學院，江蘇 南京 210023)

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南京市三維生態(tài)足跡測算及驅(qū)動因子

胡 美 娟，周 年 興*，李 在 軍，亓 秀 云

(南京師范大學地理科學學院，江蘇 南京 210023)

基于三維生態(tài)足跡模型測度2001-2011年南京市三維生態(tài)足跡的動態(tài)變化，并利用偏最小二乘回歸對南京市三維生態(tài)足跡的驅(qū)動因子進行分析。結(jié)果表明：1)2001-2011年南京市人均三維生態(tài)足跡總體上呈上升趨勢，年均增長率為16.5%，人均生態(tài)承載力以年均0.79%的速率呈逐年下降趨勢；2)偏最小二乘回歸分析表明，城市生態(tài)建設、環(huán)境污染等是導致南京市生態(tài)足跡逐年上升的重要因素，而交流與貿(mào)易、環(huán)境治理和土地利用結(jié)構(gòu)則有利于緩解生態(tài)壓力擴大的態(tài)勢；3)變量投影重要性分析顯示人均公共綠地面積及工業(yè)廢棄物排放量指標對南京市生態(tài)足跡的影響較大，與回歸分析的綜合評價結(jié)果較為一致。未來應通過優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、使用清潔能源、積極發(fā)展對外貿(mào)易與交流、合理規(guī)劃城市土地利用等提高城市生態(tài)建設效率。

三維生態(tài)足跡；足跡深度；足跡廣度；偏最小二乘回歸；南京

0 引言

隨著城市化、工業(yè)化進程的加快，人類對地表的改造越來越強烈，嚴重威脅著城市居民的生存和發(fā)展。為迎合新型城鎮(zhèn)化和生態(tài)城市建設的要求，當務之急是找出影響生態(tài)發(fā)展失衡的癥結(jié)所在，引領城市走上健康可持續(xù)發(fā)展之路。生態(tài)足跡(Ecological Footprint,EF)作為一種衡量人類社會可持續(xù)發(fā)展程度和反映土地利用生態(tài)承載力與赤字的分析方法,得到廣泛應用，尤以區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的研究居多[1,2]。但傳統(tǒng)的生態(tài)足跡分析法在理論和模型上仍存在較多缺陷和問題[3]，需要不斷完善和改進。三維生態(tài)足跡模型通過引入兩項新指標——足跡深度和足跡廣度(分別用來表征人類對自然資本存量和流量的利用水平)，將原來的二維模型增加到三維，更能準確地反映區(qū)域的實際生態(tài)赤字和生態(tài)壓力狀況，使生態(tài)足跡研究向縱深拓展[4,5]。

南京市是一個典型的資源消耗型城市，承受著巨大的資源壓力，城市生態(tài)系統(tǒng)非常脆弱，具有一定的代表性[6]。目前，對于南京市生態(tài)足跡的研究主要集中在生態(tài)足跡的計算分析和可持續(xù)發(fā)展狀況的評估[7-9]，運用改進的三維生態(tài)足跡模型的研究尚未見報道，從足跡廣度和深度方面分析與評估生態(tài)足跡的驅(qū)動因子更是鮮見。本文嘗試在三維生態(tài)足跡模型的基礎上，運用足跡廣度和足跡深度分析南京市自然資本存量和流量的利用情況，構(gòu)建南京市三維生態(tài)足跡影響因子指標體系，利用偏最小二乘回歸分析目標層的影響程度，并通過投影重要性分析各指標層對生態(tài)足跡的貢獻率，從而診斷出影響南京市生態(tài)失衡發(fā)展的短板和障礙因子，以期為南京市生態(tài)城市建設和可持續(xù)發(fā)展提供可操作性的建議和措施。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

1.1.1 三維生態(tài)足跡模型 最初的生態(tài)足跡模型由生態(tài)承載力和生態(tài)赤字相加得到；而改進后的三維模型把生態(tài)足跡當做一個圓柱體，底面表示足跡廣度，圓柱體的高表示足跡深度，三維生態(tài)足跡由足跡廣度和足跡深度相乘得到[4]。

人均足跡深度是指維持現(xiàn)有消費水平需要占用人均土地面積的倍數(shù)，其值越大說明產(chǎn)生的生態(tài)赤字越大，發(fā)展越不可持續(xù)；人均足跡廣度指在人均生態(tài)承載力的范圍內(nèi)人均占用的生物生產(chǎn)性土地面積，用來表征區(qū)域內(nèi)人均占用自然資本流量的水平。其計算公式為[5,10]：

efdepth=1+ed/ec

(1)

efsize=min(ef,ec)

(2)

EF=efdepth×efsize

(3)

式中:efdepth表示足跡深度(無量綱)，efsize表示足跡廣度(hm2/人)，ef為人均二維生態(tài)足跡(hm2/人)，ed表示人均生態(tài)赤字(hm2/人)，ec為人均生態(tài)承載力(hm2/人)，EF為人均三維生態(tài)足跡[4](hm2/人)。

1.1.2 偏最小二乘回歸 利用偏最小二乘回歸[11]的變量投影重要性(VariableImportanceinProjection，VIP)分析技術，各指標的值反映對生態(tài)足跡的影響重要性程度，可以有效識別回歸因素中各指標對生態(tài)足跡影響程度如何，計算公式為：

(4)

式中：VIPj表示第j個指標的VIP值，p為所選的指標變量數(shù)，m為提取的PLS主成分對數(shù)，Rd(Y;t1,…,tm)表示軸t1,…,tm對Y的累積解釋能力，Rd(Y;th)表示軸th對Y的解釋能力。一般認為，VIP值大于1的指標為重要影響因素，VIP值介于0.8～1之間的指標為不太重要因素，VIP值低于0.8以下的被認為是最不重要因素[12]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

計算生態(tài)足跡的生物生產(chǎn)性土地面積包括耕地、林地、草地、水域、建筑用地和化石燃料用地。出于生態(tài)保護的考慮，還需預留12%的生態(tài)容量用來保護生物多樣性，這部分需在生態(tài)承載力中扣除才符合實際?？紤]到微觀區(qū)域與宏觀區(qū)域的土地用途有所不同，南方城市與北方的土地利用也有差別，對各地類進行如下調(diào)整：1)由于南京市的畜牧業(yè)不發(fā)達，生產(chǎn)畜牧產(chǎn)品的草地地類偏小，可以忽略不計。2)由于城市綠地是用來吸收城市污染物和廢棄物，與傳統(tǒng)林地地類的用途不同，故將林地和草地兩類用地綜合為城市綠地來考察。3)園地是耕地和林地的過渡地類，其生產(chǎn)的產(chǎn)品主要是園林水果，城市林地的主要功能在于綠化，故將園地從林地中分離出來單獨考慮，其均衡因子和產(chǎn)量因子取耕地和林地的平均值。各地類間的生態(tài)赤字和生態(tài)盈余不能相互抵消和疊加，一旦產(chǎn)生盈余，也不能補償其他地類的赤字，故將這一地類生態(tài)赤字定義為0，這樣能更準確地反映各地類的總生態(tài)足跡。

生態(tài)足跡的計算主要由生物資源賬戶和能源資源賬戶組成。其中，生物資源賬戶有糧食、棉花等28項生產(chǎn)項目，能源資源賬戶主要包括原煤、洗精煤等14種消費項目，數(shù)據(jù)來源于2002-2012年南京市公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[13]。各類生產(chǎn)產(chǎn)品的平均產(chǎn)量數(shù)據(jù)來自WWF(WorldWideFundforNature)的《LivingPlanetReport》[14]，均衡因子和產(chǎn)量因子來自世界各國生態(tài)足跡報告[15]，各種能源折算系數(shù)參考《中國能源統(tǒng)計年鑒》(2002-2012)。

2 南京市三維生態(tài)足跡的計算及分析

2.1 南京市人均生態(tài)足跡深度

根據(jù)式(1)得出各地類生態(tài)足跡深度(表1)。由表1可知，2001-2011年南京市耕地的足跡深度總體上呈不斷下降趨勢，主要與科技進步、農(nóng)業(yè)機械化使用率提高使得糧食的單產(chǎn)增加有關。綠地的足跡深度年均下降率為22.6%，但仍存在較大生態(tài)環(huán)境壓力。園地的足跡深度一直為1，是因為其生態(tài)承載力大于生態(tài)足跡，出現(xiàn)生態(tài)盈余，但不能補償其他地類的生態(tài)赤字。2011年水域的足跡深度高達48.59，表明南京市需要接近50倍的水域面積才能滿足當前人們的需求量，可見南京市過度地使用了水域自然資本存量，其生產(chǎn)和發(fā)展最不可持續(xù)。建筑用地的足跡深度呈現(xiàn)“倒U”形變化，總體不斷增大，2011年仍需全部南京市建筑土地面積的3.17倍才能滿足需要。由此表明，2011年若要維持南京市人口現(xiàn)有的消費水平，需要2.49倍耕地面積、3.05倍綠地面積、48.59倍水域面積、3.17倍建筑面積和3.84倍能源用地面積才能基本維持和實現(xiàn)南京市的生態(tài)環(huán)境平衡及社會可持續(xù)發(fā)展。

表1 2001-2011年南京市人均生態(tài)足跡深度

Table1CalculationforperecologicalfootprintdepthinNanjingduring2001-2011

年份耕地綠地園地水域建筑用地能源用地20012．87815．5452130．77171．13052．078620023．05675．1350139．42541．55581．626120032．97134．9364141．15781．61832．433820043．03854．6880143．27991．67202．705020052．88004．6238143．57912．64533．077220062．98684．5921145．87902．74403．182720072．52843．4745145．41183．03583．304920082．34953．3183149．21763．11473．186820092．51983．0289149．08663．26583．338120102．49293．0464148．78203．25603．617020112．50113．0572148．58883．16663．8401

2.2 南京市人均生態(tài)足跡廣度

根據(jù)式(2)得出南京市各地類生態(tài)足跡廣度(表2)。從足跡廣度的構(gòu)成看，2011年耕地足跡廣度比重占59.3%，建筑用地占33.4%，綠地占4.7%，水域占2.2%，園地占0.4%，表明耕地和建筑用地是其主要部分，其次是綠地、水域、園地，說明南京市的人均占用土地面積中主要以耕地和建筑用地為主。從時間序列上看，耕地足跡廣度一直趨于下降，主要與耕地面積的逐年減少有關；建筑用地人均足跡廣度經(jīng)歷了先上升后下降再上升階段，這與城市化的進程速度加快有關；綠地足跡廣度呈現(xiàn)“倒U”形趨勢，2002-2004年最高，隨后不斷下降，主要由于人口的增加及綠地面積的逐年減少；由于園地生態(tài)足跡大大小于生態(tài)承載力，產(chǎn)生生態(tài)盈余，2011年園地的承載力是其足跡的7倍，短期內(nèi)仍不會產(chǎn)生生態(tài)赤字。由于能源用地的生態(tài)承載力為0，生態(tài)足跡即為生態(tài)赤字，式(1)和式(2)不適用這一地類，其三維生態(tài)足跡與傳統(tǒng)算法一致。

表2 2001-2011年南京市人均生態(tài)足跡廣度

Table 2 Calculation for the per ecological footprint size in Nanjing during 2001-2011 hm2/人

年份耕地綠地園地水域建筑用地能源用地20010．26810．01390．00050．00930．0864120020．25880．01570．00060．00810．0913120030．23840．01570．00060．00740．0948120040．23020．01560．00080．00720．0957120050．22570．01520．00060．00700．0951120060．19210．01490．00070．00690．0949120070．18430．01470．00090．00680．0947120080．19030．01450．00110．00670．0949120090．18460．01430．00140．00660．0954120100．17960．01420．00110．00660．0972120110．17690．01400．00120．00650．09971

2.3 南京市人均三維生態(tài)足跡

根據(jù)式(3)計算出南京市各地類三維生態(tài)足跡(表3)。2011年南京市人均三維生態(tài)足跡為4.9591 hm2/人，人均承載力為0.3043 hm2/人，生態(tài)赤字為4.6548 hm2/人，南京市人均生態(tài)足跡大約是其人均生態(tài)承載力的16.3倍，生態(tài)壓力顯著，經(jīng)濟和社會的發(fā)展主要是以耗竭周圍區(qū)域的自然資本為基礎，假如要維持南京市人口現(xiàn)有的消費水平，至少還需要相當于16個南京市的全球平均空間的生物生產(chǎn)面積。由表3可知，2001-2011年能源足跡一直是南京市三維生態(tài)足跡的主導部分，且與總體生態(tài)足跡保持一致的上升趨勢，這是因為南京是一個典型的資源消耗型城市和以重化工業(yè)結(jié)構(gòu)為主的綜合性工業(yè)城市，隨著經(jīng)濟的發(fā)展、城市化的不斷推進以及能源利用效率降低，導致了巨大的能源消耗。2001-2011年來耕地足跡一直處于不斷下降的趨勢，主要是因為耕地面積的減少。水域足跡變化不大，稍微有些波動。建筑用地足跡一直處于緩慢上升趨勢，在2004-2005年出現(xiàn)了突變，主要是因為城市的空間擴張需要大肆開發(fā)利用土地。2001-2011年人均生態(tài)承載力不斷下降，主要與經(jīng)濟發(fā)展、城市的擴張、人口數(shù)量的增加密切相關，而生態(tài)赤字基本和生態(tài)足跡保持一致的升降趨勢。

表3 2001-2011年南京市人均三維生態(tài)足跡

Table 3 Calculation for the per three-dimensional ecological footprint in Nanjing during 2001-2011

年份耕地綠地園地水域建筑用地能源用地三維生態(tài)足跡人均生態(tài)承載力人均生態(tài)赤字20010．77170．07720．00050．28710．09772．07863．31280．38302．929820020．79120．08050．00060．31870．14211．62612．95910．37912．580120030．70830．07680．00060．30370．15342．43383．67660．36143．315220040．70000．07320．00080．31190．15992．70503．95040．35403．596420050．64960．07050．00060．30700．25153．07724．35640．34814．008420060．57390．06870．00070．31690．26033．18274．40320．31374．089620070．46610．05100．00090．30740．28753．30494．41780．30624．111620080．44700．04800．00110．32810．29553．18674．30640．31273．993720090．46510．04330．00140．32350．31163．33814．48310．30774．175420100．44770．04320．00110．31950．31633．61704．74480．30424．440620110．44240．04290．00120．31700．31563．84014．95910．30434．6548

3 生態(tài)足跡影響因素指標體系的構(gòu)建及分析

3.1 影響因素的選取

生態(tài)足跡反映了地區(qū)可持續(xù)發(fā)展程度和資源利用狀況，其與該地區(qū)社會和經(jīng)濟發(fā)展有直接或間接的關系。因此，本文參考已有生態(tài)足跡影響因素指標的選取[16-19]，綜合考慮了經(jīng)濟、社會、環(huán)境、人口等方面，建立了生態(tài)足跡影響因素指標體系，包括8大目標層和36個指標層。各指標數(shù)據(jù)來源于《南京市統(tǒng)計年鑒》[13]，利用熵值法分別確定各個目標層子指標的權重[20]。相關指標體系及權重結(jié)果如表4所示。

3.2 偏最小二乘回歸方程的建立

首先，通過各子指標的加權求和，獲得各目標層的綜合值。再以南京市三維生態(tài)足跡作為因變量(Y)，各目標層的綜合值為自變量，進行偏最小二乘回歸，結(jié)果顯示其擬合度較好(R2=0.9709)，從而確定3個主成分，最終得出偏最小二乘回歸方程：

Y=0.1750a+0.0475b+0.1269c-0.2987d+

0.5384e+0.4331f-0.1592g-0.0184h

(5)

式中：a、b、c、d、e、f、g、h分別對應表4中的8個目標層。通過式(5)可知，城市生態(tài)建設、環(huán)境污染、人口、經(jīng)濟、消費因素對生態(tài)足跡起到正向作用，是導致南京市生態(tài)足跡增加的重要原因。其中城市生態(tài)建設和環(huán)境污染對南京市三維生態(tài)足跡的影響最大，主要由于南京市石油化工、鋼鐵等重工業(yè)生產(chǎn)消耗了大量的原油和煤炭，導致污染排放量大，造成嚴重的環(huán)境污染，加大了城市生態(tài)環(huán)境建設和環(huán)境治理的自然物質(zhì)成本。其次是人口的影響，南京市2011年人口達636.36萬人，10年來增長了83.32萬人，產(chǎn)生了更多的生態(tài)足跡。消費也是影響生態(tài)足

表4 南京市三維生態(tài)足跡影響因素指標體系及權重

Table4Thefactorindicatorsystemandweightsfor3dimensionalecologicalfootprintinNanjing

目標層指標層單位權重人口(a)經(jīng)濟發(fā)展(b)消費情況(c)對外交流與聯(lián)系(d)城市生態(tài)建設(e)環(huán)境污染(f)環(huán)境治理(g)土地利用結(jié)構(gòu)(h)第一產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員(a1)萬人0．1373第二產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員(a2)萬人0．3868第三產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員(a3)萬人0．4454總?cè)丝?a4)萬人0．0151人口密度(a5)人/km20．0154第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值(b1)億元0．0879第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值(b2)億元0．1737第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值(b3)億元0．1991固定資產(chǎn)投資(b4)億元0．3087人均GDP(b5)元/人0．2305居民人均消費支出(c1)元/人0．2265社會消費品零售額(c2)億元0．3908進出口總額(c3)億元0．3827貨運量(d1)萬t0．1069客運量(d2)萬人0．1332民用汽車數(shù)量(d3)輛0．4954公路里程(d4)km0．2414郵電業(yè)務總量(d5)萬元0．0232建成區(qū)綠地覆蓋率(e1)%0．0479人均公共綠地面積(e2)m20．9137綠地面積(e3)hm20．0384廢水排放量(f1)億t0．2330廢氣排放量(f2)億t0．3930工業(yè)廢棄物排放量(f3)萬t0．3740廢水排放達標率(g1)%0．0006城市生活垃圾清運量(g2)億t0．3083二氧化硫去除量(g3)萬t0．1496煙塵去除量(g4)萬t0．1492粉塵去除量(g5)萬t0．0026工業(yè)廢棄物綜合利用率(g6)%0．3633污水處理率(g7)%0．0170污染治理投資額(g8)萬元0．0094耕地面積(h1)hm2/人0．0104人均住宅建筑面積(h2)hm2/人0．2147人均道路面積(h3)m20．1129建筑用地面積(h4)hm2/人0．6620

跡的重要方面，隨著人們生活水平的提高，產(chǎn)生的生態(tài)足跡逐年增加。對外交流與貿(mào)易、環(huán)境治理及用地結(jié)構(gòu)的回歸系數(shù)均為負值，表明這三者有利于緩解生態(tài)赤字，改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。對外交流與貿(mào)易能夠緩解南京市的生態(tài)壓力，但對周圍地區(qū)造成了生態(tài)壓力，環(huán)境治理則有利于改善南京市的環(huán)境狀況，減輕人均生態(tài)赤字。

3.3 各指標對生態(tài)足跡影響的重要性分析

通過目標層的綜合評價回歸，可以清晰看出各變量對三維生態(tài)足跡的影響程度，但是無法獲悉各具體指標對三維生態(tài)足跡的貢獻率。為進一步探索各指標因素對生態(tài)足跡影響的重要性，根據(jù)PLS投影重要性指標的計算，對所有指標的重要性進行測度(圖1)。從圖1中可明顯看出各個指標對三維生態(tài)足跡結(jié)果的貢獻率，尤其是人均公共綠地面積、工業(yè)固體廢棄物排放量、污水處理率、公路里程、人口總量、第一產(chǎn)業(yè)人口及產(chǎn)值、第二產(chǎn)業(yè)人口及產(chǎn)值、建筑面積、固定資產(chǎn)投資等指標對南京市三維生態(tài)足跡的影響較大，其中人均公共綠地面積指標對南京市三維生態(tài)足跡的影響最大，其次為工業(yè)廢棄物排放量指標，這與回歸分析的綜合評價結(jié)果較為一致。

圖1 南京市生態(tài)足跡影響因素指標VIP

Fig.1 TheVIPof ecological footprint impact factor indicators in Nanjing

4 結(jié)論與討論

本文運用改進的三維生態(tài)足跡模型，計算了2001-2011年南京市人均三維生態(tài)足跡、人均足跡深度和廣度，并對其進行縱向分析，得出南京市生態(tài)赤字顯著，生態(tài)壓力日益加大，經(jīng)濟和社會的發(fā)展主要是以耗竭其他區(qū)域的自然資本為基礎，其中以水域發(fā)展最不可持續(xù)，人均占用的資源以耕地和建筑用地為主。通過偏最小二乘回歸分析法得出，南京市三維生態(tài)足跡的影響因素重要程度依次為：城市生態(tài)建設>環(huán)境污染>人口>消費>經(jīng)濟，這些因素是導致南京市生態(tài)足跡增加的重要原因，而對外交流與貿(mào)易、環(huán)境治理和土地利用結(jié)構(gòu)則有利于緩解生態(tài)壓力擴大的局面。變量投影重要性各指標VIP值分析顯示與綜合評價結(jié)果較為一致。

近年來，生態(tài)城市建設作為解決城市化過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題的重要途徑,已受到政府的高度關注[6]。南京市政府致力于建設生態(tài)城市，建造城市綠化帶，提高綠地覆蓋率，治理環(huán)境污染，打造綠色南京。但需提高城市生態(tài)建設效益，合理規(guī)劃城市土地利用，改變能源結(jié)構(gòu)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，適量進口對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大壓力的農(nóng)副產(chǎn)品與生產(chǎn)生活性消費品，減緩生態(tài)赤字，實現(xiàn)人口、經(jīng)濟、環(huán)境、資源的和諧發(fā)展。

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Calculation and Driving Factor Analysis of Three-Dimensional Ecological Footprint in Nanjing City

HU Mei-juan，ZHOU Nian-xing，LI Zai-jun，QI Xiu-yun

(SchoolofGeographyScience，NanjingNormalUniversity，Nanjing210023，China)

This paper measures the dynamic change of ecological footprint from 2001 to 2011 based on the model of three-dimensional ecological footprint in Nanjing.Then the paper analyzes the driving factors of the ecological footprint by using the method of partial least-squares regression.The results show：1)The per capita three-dimensional ecological footprint is wholly on the rise and the average rate of annual increase is 16.5%,while the trend of per capita ecological carrying capacity declining is at a rate of about 0.79% year by year.2)The partial least-squares regression shows that the pollution of the environment,population,economic development,consumption and urban ecological construction play an important role in the rising of ecological footprint,while exchanges and trades,environmental management and land using structure can impede pressure upon the expanding trend of ecological footprint.3) Variables importance projection shows the indicators of per capita public green area and industrial waste emissions have bigger influence on the ecological footprint,which is generally consistent with the comprehensive evaluation results of regression analysis.

three-dimensional ecological footprint;footprint depth;footprint size;partial least-squares regression;Nanjing

2014-03-28；

2014-06-16

國家自然科學基金項目(41271150)；江蘇省高校哲學社會科學基金項目(08SJD7900029)

胡美娟(1991-)，女，碩士研究生，研究方向為旅游經(jīng)濟和景觀生態(tài)。*通訊作者E-mail：zhounianxing@263.net

10.3969/j.issn.1672-0504.2015.01.019

F062.2

A

1672-0504(2015)01-0091-05