朱 琳，卞正富，趙 華，余 健

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)國(guó)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(lèi)需求和自然再生產(chǎn)能力[1-2]，測(cè)算在當(dāng)前技術(shù)水平下人類(lèi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)資源與服務(wù)的需求[3]，從消費(fèi)角度闡述人類(lèi)活動(dòng)處在未超出或超出自然生態(tài)系統(tǒng)再生產(chǎn)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(jīng)廣泛應(yīng)用在不同尺度和區(qū)域的可持續(xù)研究中，但是針對(duì)資源枯竭型城市轉(zhuǎn)型期的研究較少。

資源型城市是因資源開(kāi)采或資源產(chǎn)業(yè)興建和發(fā)展而來(lái)，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(zhuǎn)型旨在突破資源約束瓶頸，協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)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(zhuǎn)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(jīng)濟(jì)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(cè)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(yīng)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(shí)間角度分析煤炭城市轉(zhuǎn)型期的可持續(xù)性，回答已有文獻(xiàn)很少涉及的從時(shí)間角度考察生態(tài)足跡的問(wèn)題：（1）城市發(fā)展實(shí)際需要多少生產(chǎn)性土地，及城市生態(tài)承載力大??；（2）在當(dāng)前技術(shù)條件下，自然系統(tǒng)要使用多長(zhǎng)時(shí)間能生產(chǎn)出當(dāng)前人類(lèi)消費(fèi)的生物生產(chǎn)量。同時(shí)這也是Niccolucia在2009年提出的三維生態(tài)足跡法首次應(yīng)用在資源型城市[9-10]，為資源型城市轉(zhuǎn)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(fèi)項(xiàng)目折算為生產(chǎn)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(jì)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(chǎn)性土地總面積； yi代表產(chǎn)量因子，采用全球平均產(chǎn)量[12]；ei代表均衡因子（下同），采用Wackernagel等[12]和徐中民等[13]的計(jì)算結(jié)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?yàn)?.2；Ci表示消費(fèi)物品總量，Yi代表土地產(chǎn)量的均衡因子。式2中，EC在本文是指扣除生物多樣性保護(hù)面積后的可利用生態(tài)承載力（hm2），A表示地類(lèi)面積，12%是生物多樣性保護(hù)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(guò)式3和式4計(jì)算而得，其中Pi表示人口數(shù)量。

當(dāng)生態(tài)足跡大于生態(tài)承載力時(shí)，就會(huì)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(gè)圓環(huán)(圖1)，外圓包含的面積表示生態(tài)足跡，內(nèi)圓包含的面積是生態(tài)承載力，外圓和內(nèi)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(yīng)用[10]。三維生態(tài)足跡法利用兩種形式表達(dá)人類(lèi)需求與自然供給的時(shí)空關(guān)系，即生態(tài)足跡尺度（EFsize）和生態(tài)足跡高度（EFdepth）。當(dāng)生態(tài)足跡高度大于0時(shí)，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(lèi)提供資源和物質(zhì)的生產(chǎn)性土地面積；圓柱高代表生態(tài)足跡高度，表示在當(dāng)前技術(shù)水平下，以現(xiàn)有土地生產(chǎn)能力需要多長(zhǎng)時(shí)間才能滿足當(dāng)年城市發(fā)展需要，并彌補(bǔ)目前出現(xiàn)的生態(tài)赤字（式6），當(dāng)生態(tài)足跡高度大于1時(shí)，表示當(dāng)前土地面積提供的生物生產(chǎn)量已經(jīng)不能滿足城市發(fā)展需求。生態(tài)足跡越高時(shí)，表明城市的生態(tài)赤字越大，發(fā)展方式越遠(yuǎn)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(lái)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(guān)系；三維生態(tài)足跡從時(shí)間角度，即通過(guò)自然生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)生物量滿足城市發(fā)展資源需求所需的時(shí)間觀察城市發(fā)展可持續(xù)趨勢(shì)，花費(fèi)的時(shí)間越長(zhǎng)，表明城市對(duì)資源透支消費(fèi)嚴(yán)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(jīng)117°17'—117°42'，北緯34°17'—34°32'，全區(qū)總面積620 km2，人口53余萬(wàn)。賈汪區(qū)南部屬黃泛沖積平原，地勢(shì)平坦，北部為丘陵山區(qū)，有主要山峰55座，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，具有淮河流域特點(diǎn)，冬冷夏熱，四季分明，年平均氣溫14.2 ℃，無(wú)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(jì)26萬(wàn)余人，近全區(qū)總?cè)丝诘囊话?。?882年采煤至今已有130余年的開(kāi)采歷史，曾有年產(chǎn)量120萬(wàn)t以上的大型國(guó)有煤礦5座，年產(chǎn)量20—30萬(wàn)t的地方煤礦16座，年產(chǎn)量10萬(wàn)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(qiáng)行關(guān)閉243座煤礦，現(xiàn)僅有徐州礦務(wù)集團(tuán)旗山煤礦還在運(yùn)營(yíng)。由于長(zhǎng)期進(jìn)行煤炭開(kāi)采和煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展，城市在經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)同時(shí)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生許多負(fù)面影響，特別是自然資源的過(guò)度利用。自2001年大規(guī)模關(guān)閉煤礦后，賈汪區(qū)已進(jìn)入城市發(fā)展轉(zhuǎn)型階段，亟需轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展[14]。

4 結(jié)果與分析

4.1 傳統(tǒng)生態(tài)足跡法

煤炭資源型城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單一，特別是重工業(yè)發(fā)展對(duì)城市經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)尤為突出。首先對(duì)賈汪區(qū)2000年來(lái)重工業(yè)產(chǎn)值（HIP）占工業(yè)總產(chǎn)值（IP）比重（H）變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。圖3表明，2000—2002年，重工業(yè)產(chǎn)值占工業(yè)總產(chǎn)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(guān)閉引起相關(guān)行業(yè)的不景氣；2004年，區(qū)政府?dāng)U大招商引資，扭轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)嚴(yán)重下滑的局面，使重工業(yè)再次占據(jù)當(dāng)?shù)毓I(yè)的主導(dǎo)地位，至2010年，重工業(yè)產(chǎn)值占工業(yè)總產(chǎn)值的77.83%。

煤礦關(guān)閉后當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展受到重大影響，許多煤礦失去了為當(dāng)?shù)厝藗兲峁┚蜆I(yè)服務(wù)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(zhuǎn)型初期對(duì)外來(lái)人口吸引力有所下降。隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展成果累積，對(duì)外來(lái)人口和投資吸引力逐漸增強(qiáng)，2008年后人口又逐漸轉(zhuǎn)入增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

利用傳統(tǒng)生態(tài)足跡法計(jì)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(jìn)程和城市擴(kuò)張，耕地面積減少、建設(shè)用地增加，生態(tài)承載力在2000—2010年間呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)；生態(tài)足跡在2000—2003年間緩慢增長(zhǎng)，2004年后開(kāi)始急劇增長(zhǎng)，也在該年開(kāi)始出現(xiàn)生態(tài)赤字，即生態(tài)足跡超出當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)承載力，說(shuō)明轉(zhuǎn)型期經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)資源消耗強(qiáng)度過(guò)大，主要表現(xiàn)為賈汪區(qū)重工業(yè)再崛起和資源型產(chǎn)業(yè)大規(guī)模擴(kuò)張，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大壓力，不利于資源枯竭型城市轉(zhuǎn)型進(jìn)程和可持續(xù)發(fā)展[15]。由于賈汪區(qū)在2007和2008年對(duì)工業(yè)投資比重有所減少，2009年時(shí)出現(xiàn)了生態(tài)足跡降低，但在2010年又恢復(fù)了上升趨勢(shì)。

圖3 2000—2010年重工業(yè)產(chǎn)值/工業(yè)產(chǎn)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(shì)（圖5），原因是人均生態(tài)足跡（ef）大幅增加，通過(guò)調(diào)查得知賈汪區(qū)經(jīng)濟(jì)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(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（gdp）變化趨勢(shì)與人均生態(tài)足跡、人均生態(tài)赤字的變化趨勢(shì)相似，從一定程度上可以說(shuō)賈汪區(qū)是高污染、高消耗的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)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(nèi)，生態(tài)足跡高度在2000—2003年間為1，說(shuō)明當(dāng)?shù)啬軌驗(yàn)榻?jīng)濟(jì)發(fā)展提供足夠的物質(zhì)資源和生物生產(chǎn)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(kāi)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(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的滯后效應(yīng)，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(guān)系。本地煤礦關(guān)閉后，賈汪區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展動(dòng)力不足，地方對(duì)重工業(yè)的再發(fā)展為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)推動(dòng)力量，但同時(shí)對(duì)資源、生物生產(chǎn)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(duì)資源需求量相當(dāng)于在當(dāng)時(shí)技術(shù)條件下自然系統(tǒng)花費(fèi)1.62年時(shí)間的生產(chǎn)量；2010年時(shí)的生態(tài)資源需求量需要自然系統(tǒng)花費(fèi)9.89年時(shí)間生產(chǎn)?？梢钥闯觯Z汪區(qū)近年來(lái)的發(fā)展嚴(yán)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(duì)自然資源的使用權(quán)利。從另一方面看，當(dāng)?shù)卣鲗?dǎo)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式仍然高度依賴資源、過(guò)多發(fā)展資源消費(fèi)型產(chǎn)業(yè)，并沒(méi)有真正轉(zhuǎn)型升級(jí)。

圖6 賈汪區(qū)2000—2010年人均生態(tài)足跡變化中各地類(lèi)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(jié)構(gòu)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(kāi)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(shì)相吻合，說(shuō)明煤礦關(guān)閉后，城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)礦產(chǎn)資源依然呈現(xiàn)巨大需求，從產(chǎn)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(shì)，原因是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施用地、工業(yè)用地隨之?dāng)U張，人均建筑用地由2000年到2008年增長(zhǎng)了8.28%；2008年后變化不大，這與土地利用總體規(guī)劃建設(shè)用地指標(biāo)約束有很大關(guān)系。耕地生態(tài)足跡呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，一是因?yàn)槿丝诳倲?shù)變化不大，對(duì)糧食需求比較穩(wěn)定，二是科技因素帶來(lái)賈汪區(qū)農(nóng)業(yè)土地生產(chǎn)力提高。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

（1）生態(tài)足跡法能定量分析人類(lèi)對(duì)自然資源需求是否處在生態(tài)承載力范圍之內(nèi)，三維生態(tài)足跡法能從時(shí)間維度觀察自然資源供需關(guān)系。11年來(lái)，賈汪區(qū)生態(tài)足跡和生態(tài)赤字呈現(xiàn)逐步增長(zhǎng)狀態(tài)；2000—2003年，生態(tài)足跡尺度在生態(tài)承載力范圍內(nèi)，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(kāi)始大于1，即資源消耗量超出自然系統(tǒng)年再生產(chǎn)能力；2010年，自然系統(tǒng)需花費(fèi)9.89年時(shí)間生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)接續(xù)工作以消耗資源為代價(jià)，使當(dāng)?shù)刈匀幌到y(tǒng)資源更新、供給能力與社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)發(fā)展量上衡量，更要從質(zhì)的角度衡量，即考察經(jīng)濟(jì)發(fā)展與自然承載力的關(guān)系。在各種地類(lèi)生態(tài)足跡中，能源化石用地足跡和建筑用地足跡增長(zhǎng)明顯，特別是在2004年煤礦關(guān)閉后，賈汪區(qū)大規(guī)模引入重工業(yè)企業(yè)，對(duì)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(huì)系統(tǒng)中資源輸入量越來(lái)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(huì)逐漸減少，若不及時(shí)調(diào)整城市發(fā)展戰(zhàn)略，必將面臨資源枯竭、環(huán)境惡化，無(wú)法支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的局面。

5.2 建議

礦產(chǎn)資源的不可再生性使資源型城市發(fā)展不能長(zhǎng)期依賴礦產(chǎn)資源，勢(shì)必面臨資源枯竭的挑戰(zhàn)。轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)和資源環(huán)境關(guān)系是資源枯竭型城市轉(zhuǎn)型期要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，利用生態(tài)足跡法衡量城市發(fā)展對(duì)資源依賴程度和利用程度，可以定量了解經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型方式的可持續(xù)性。根據(jù)對(duì)賈汪區(qū)生態(tài)足跡核算和分析，對(duì)賈汪區(qū)城市轉(zhuǎn)型發(fā)展提出以下三點(diǎn)建議：（1）閑置資源再利用。煤炭城市在枯竭期會(huì)經(jīng)歷大規(guī)模煤礦關(guān)閉過(guò)程，原企業(yè)辦公用地、壓占地等土地應(yīng)該進(jìn)行合理再利用。通過(guò)調(diào)查和可行性研究，可以選擇廠房出租、土地復(fù)墾利用等利用方式，避免資源閑置浪費(fèi)，提高土地利用率。（2）調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。煤炭資源型城市經(jīng)歷了長(zhǎng)期以重工業(yè)為支撐的產(chǎn)業(yè)道路，經(jīng)濟(jì)發(fā)展多以資源消耗和環(huán)境污染為代價(jià)。在資源枯竭階段，資源型城市的先天發(fā)展優(yōu)勢(shì)逐漸消亡，以資源型重工業(yè)為主要經(jīng)濟(jì)支撐的局面應(yīng)適時(shí)調(diào)整，重點(diǎn)發(fā)展第三產(chǎn)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(chǎn)業(yè)。（3）培養(yǎng)企業(yè)生態(tài)責(zé)任意識(shí)。以重工業(yè)為主的資源型城市，追求經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)忽視了經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系，使得生態(tài)環(huán)境受到很大程度的破壞。加強(qiáng)企業(yè)的生態(tài)責(zé)任意識(shí)，有助于在城市轉(zhuǎn)型期間提升經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量，對(duì)城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。

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