基于三維生態足跡的內蒙古可持續發展潛力評價

海小輝,田 悅,王 許

(1.內蒙古財經大學 統計與數學學院,內蒙古 呼和浩特 010070;2.中國礦業大學 經濟管理學院,江蘇 徐州 221116)

一、引言

隨著城市化、工業化、信息化的快速發展,人口膨脹、資源短缺、環境污染、生態破壞等問題凸現,嚴重制約城鎮經濟、社會發展,甚至已威脅到區域及國家的生態安全和可持續發展。內蒙古地域遼闊、歷史悠久、資源豐富,人均耕地、草場面積、森林面積及礦產資源含量居全國前列,是我國重要的能源和原材料供應地,在我國經濟社會發展中占有重要地位。但由于自然條件惡劣、生態環境脆弱以及人類活動日益頻繁等因素,出現資源過度開發、土地沙化、水土流失、環境污染等生態環境問題,限制了內蒙古社會經濟的可持續發展。

生態足跡模型作為一種有力的生態環境核算工具,運用直觀的數學公式,對社會消費量和生態環境的閾值進行計算,可以有效評估地區生態環境的可持續性。本文采用2010—2019年數據對內蒙古自治區的生態足跡進行測度,分析內蒙古生態可持續發展潛力;采用偏最小二乘回歸模型分析影響生態足跡變化的驅動因素,進而預測內蒙古2020—2025年的人均生態足跡,從而預測內蒙古自治區的可持續發展趨勢。不僅對學術研究,更對科學合理地制定內蒙古生態環境保護的相關政策都有重要意義。

二、文獻綜述

1992年,Willian E.Rees首次提出了生態足跡的概念,在此基礎上,博士生Wackernagel對生態足跡概念進行了豐富和完善[1]。從此生態足跡作為一種評價可持續發展的生物、物理方法。三維生態足跡模型中,因六種類型的生態赤字(盈余)相加可能出現抵消情況導致低估足跡深度,我國學者方愷提出了改進的三維生態足跡模型并用其分析了全國及全球生態足跡的時空變化特征[2-3]。劉家旗以2010—2017年黃河流域為研究對象,采用生態足跡法對其可持續發展狀況進行了評估,并基于GM(1,1)模型,對不同政策情景下的黃河流域在2020—2025年的可持續發展狀況進行評估[4]。為了更深一步探究經濟發展過程中不同影響因素對生態足跡的影響,國內外學者開始從諸多方面研究生態足跡的影響因素,評估因素產生的影響以便制定正確的決策。白冰玉對西安市2009—2018年間生態足跡進行測算,應用偏最小二乘法分析影響西安市生態足跡變化的驅動因素的重要程度,以揭示生態足跡的變化原因[5]。

綜上,生態足跡模型作為生態環境核算的有力工具,使用直觀的數學公式來計算社會消費量以及生態環境的閾值,可以有效地評估地區生態環境可持續情況[6]。三維模型分別從時空兩方面表征了人類對資本存量的消耗(足跡深度)和對流量的占用(足跡廣度),增強了生態足跡在不同區域、不同時期之間的可比性,并在一定程度上克服了經典模型的評估缺陷[3]。本文擬采用改進的三維生態足跡模型分析內蒙古地區的生態足跡廣度、生態足跡深度和生態赤字,探討內蒙古生態可持續發展潛力;對于足跡影響因素研究,本文在以往學者研究基礎上引入了退耕還林面積、環境保護支出、建成區綠化覆蓋率等變量作為政府實行生態補償的替代變量,考察政府實行生態補償政策對生態足跡的影響。

三、三維生態足跡動態演變分析

(一)數據來源

本文選取內蒙古2010—2019年生態資源所占用的足跡消費量和全球平均生產力,其中包括農業、林業、牧業、漁業、能源產業的土地面積及其消費品數據。數據主要來源于《內蒙古統計年鑒》《FAO聯合國糧食及農業組織》《內蒙古自然資源與環境統計年鑒》等統計年鑒及公報。具體指標如表1所示。

表1 生產產品分類

(二)計算方法[7-8]

1.二維生態足跡

具體計算公式如下:

EF=N×ef=N×∑(rj×Ai)

=∑[rj×(Ci/Pi)]

(1)

EC=N×ec=N×(1-12%)∑(rj×aj×yj

)(2)

ED=EF-EC

(3)

關于公式(1)(2)(3)的解釋說明見表2。

表2 公式(1)(2)(3)符號說明

根據公式(1)(2)(3)計算得到內蒙古的人均生態足跡、人均生態承載力和人均生態赤字如表3所示。

表3 內蒙古生態足跡數據匯總

2.三維生態足跡

具體計算公式如下:

(4)

(5)

EF3D.region=EFsize.region×EFdepth.region

(6)

關于公式(4)(5)(6)的解釋說明見表4。

表4 公式(4)(5)(6)符號說明

根據公式(4)(5)(6)計算得到內蒙古的人均三維生態足跡、人均足跡廣度和人均足跡深度如表5所示。

表5 內蒙古生態足跡數據匯總

(三)生態足跡、生態承載力、生態赤字動態演變分析

在2010—2019年研究時間段內,內蒙古人均生態足跡、生態承載力和生態赤字歷年變化趨勢如圖1所示。

圖1 內蒙古人均生態足跡相關指標變動趨勢圖

如圖1所示,內蒙古的人均生態足跡是在持續上升的,而且上升幅度很大,從2010年的8.81hm2/人上升到了2019年的14.63hm2/人,年增長率達到了5.8%。在這期間,2010—2017年的生態足跡相對穩定,8年內只增長了3.09hm2/人;2017—2019年的增速顯著加快,并呈現出一種陡坡型的發展態勢;這表明內蒙古在過去10年的快速發展中,對自然資源的消耗也是巨大的。

內蒙古人均生態承載力在研究期間內波動明顯,其中2010—2011年的生態承載力較為穩定,幾乎沒有發生變化,但是在2012—2013年這一年間突然急劇下降,生態承載力一度跌入谷底,在2014—2017年生態足跡開始緩慢回升,并在2018年猛增至4.74hm2/人,之后趨于穩定?？傮w來看,雖然生態承載力呈現較大波動,但總體仍呈現出緩慢增長趨勢,說明內蒙古的生態承載力在逐年增加,但增加的速度卻小于生態足跡增加的速度,這意味著內蒙古地區的自然資源消耗比自然資源供給要快得多,所以不能抵消增加的生態赤字,導致了生態赤字的不斷增長。

從2010—2019年,內蒙古地區長期存在生態赤字狀態,從未出現過生態盈余,并且生態赤字呈現出逐年遞增的趨勢,由2010年的4.74hm2/人上漲到2019年的9.88hm2/人,增長量為5.14hm2/人,年增長率為8.5%。由此可見,近10年間內蒙古的生態需求一直大于生態供給,存在明顯的不對稱性,生態赤字問題日益突出,截至2019年,已達到了9.88hm2/人,2019全區的人均生態足跡達到了人均生態承載力的3.08倍,表明內蒙古的生態狀態在不斷惡化,生態環境的壓力越來越大,人類對環境與資源的使用已遠超其所能承載的極限,進入了一種不可持續的發展狀態。

(四)內蒙古可持續發展能力分析

1.生態資源利用效率指數

萬元GDP生態足跡代表的是資源利用效率,它指的是每生產一萬元GDP所占用的生態資源,它反映了經濟社會發展的質量和資源利用的效率,這個指標是一個逆指標,比值越小,意味著資源利用效率越高,經濟和社會發展質量就越好。其計算公式如下:

EE=EF/GDP

(7)

公式(7)中,EE表示生態資源利用效率指數,EF表示生態足跡,GDP表示國內生產總值(單位為萬元)。

2.生態足跡指數

生態足跡指數是指區域生態盈余與生態承載力的比值,計算公式為如下:

EFI=(EC-EF)/EC

(8)

公式(8)中,EFI表示生態足跡指數。

3.生態壓力指數

生態壓力指數是指區域生態足跡與生態承載力的比值,反映了區域承載的生態壓力的程度。生態壓力指數的基準值為1,說明此時的自然資源消耗與自然資源供給正好相等,也就是在這個時候,只消耗自然資本流量,而不需要使用自然資本存量。生態壓力指數越高,表明該地區的生態安全狀況越差,生態壓力越大。其計算公式如下:

ETI=EF/EC

(9)

公式9中,ETI表示生態壓力指數。

4.生態資源利用效率指數、生態足跡指數和生態壓力指數動態演變分析

由公式(7)(8)(9)計算出的生態資源利用效率指數、生態足跡指數和生態壓力指數的具體數值如表6所示。

表6 生態資源利用效率指數、生態足跡指數和生態壓力指數

按照公式(7)(8)(9),根據生態足跡模型的計算結果對內蒙古2010-2019年的資源利用效率、生態足跡指數和生態壓力指數進行計算,其動態演變趨勢如圖2所示。

圖2 2010—2019年內蒙古可持續發展相關指標變動趨勢圖

通過對內蒙古資源利用效率指數進行分析,可以看到,內蒙古在所調查的時間段內,單位面積的產量在不斷地增加,生產萬元GDP所需的生態資源也在不斷地下降,生態資源的使用效率也在不斷地提升;但其生態資源消耗數量仍然很大,生態形勢依舊不容樂觀;對內蒙古地區生態足跡指數進行分析可以發現內蒙古地區的生態足跡指數明顯降低,生態足跡發展趨勢嚴峻;通過計算生態壓力指數發現內蒙古在研究期間的生態壓力指數逐年上漲,這說明內蒙古地區在過去10年中面臨著日益嚴重的生態環境壓力。從總體上看,各項指數的測算都顯示出內蒙古地區環境所承受的生態壓力在逐年增加,其生態可持續發展不容樂觀[9]。

四、三維生態足跡驅動因子分析

本文利用偏最小二乘回歸模型對內蒙古生態足跡影響因素深入研究,從而找出自然資本變動的主要原因,促進內蒙古生態可持續發展。

(一)指標選取

在探究生態足跡的影響因素時,參考眾多學者對影響因素指標的選取,主要涉及人口、經濟、產業結構、生態污染、科技發展、環境建設等方面。

根據已有研究成果以及內蒙古自治區的發展特點,提出了本區特色的自變量。第一,生態承載力,表明了地球自然環境、生態環境所能提供給人類生產活動的生態資源總量,反映了一個地區的生態環境狀況;第二,常住人口,人口數量與生態足跡息息相關,通常情況下,人口越多對環境的破壞越大;第三,人均地區生產總值,能夠很好地代表一個地區的經濟發展水平,因此人均GDP可以很好地代表經濟發展對生態足跡的影響;第四,第二產業生產總值,第二產業在我國主要指工業和建筑業,由于內蒙古地區發展中工業占有較大的比重,可以很好地代表能源利用對生態足跡的影響;第五,退耕還林面積,雖然內蒙古自治區地大物博,但是低產耕地較多、水土流失嚴重,為恢復生態平衡,國家在早年間重點提出在內蒙古地區采取退耕還林政策,其既能改善生態環境又能增加經濟效益;第六,建成區綠化覆蓋率,指在城市建成區的綠化覆蓋面積占建成區面積的比率,可以反映出該地區對生態環境的重視程度;第七,環境保護支出,代表了一個地區對環境保護的重視程度,反映了該地區對生態環境的態度;第八,科學技術支出,反映該地區全部科技活動的支出情況,投入越多說明該地區會引入先進的科學技術,對生態足跡可能會產生影響[10]。

基于內蒙古自治區的具體情況,選擇了人均三維生態足跡作為被解釋變量,選擇了8個指標作為解釋變量,如表7所示。

表7 解釋變量

(二)偏最小二乘回歸模型構建

根據上文中人均三維生態足跡計算結果,以2010—2019年人均三維生態足跡為因變量,建立其驅動因子的偏最小二乘回歸模型(PLS)。具體建模步驟如下。

1.交叉有效性分析

最佳成分數的選擇關系到偏最小二乘回歸建模的成敗,也是后續回歸分析的依據。為保證估計結果的可靠性,采用交叉有效性原則檢驗精度。當Q2的數值大于或等于0.0975時,表示主成分再增大是沒有意義的,也就是相應的主成分個數是最優的主成分個數;當Q2小于0.0975時,需結合VIP投影重要性分析得出最佳主成分個數。

表8 PLS模型的交叉有效性驗證

經過標準化處理后的偏最小二乘回歸模型為:

(10)

2.精度檢驗

在偏最小二乘回歸模型分析中,常用變量投影重要性(VIP)來衡量每個自變量對因變量的解釋力。一般認為,VIP大于1的自變量重要,在0.5-1之間的比較重要,小于0.5的則不重要。將各指標因素進行變量投影重要性分析,結果如表9所示。

表9 變量投影重要性指標

由表9可知,因子P、GDP、SI、X2和X3的VIP大于1,表示其對人均三維生態足跡有顯著影響;X4的VIP在0.5—1之間,表示其對人均三維生態足跡影響比較重要;而EC的VIP值為0.150<0.5,X1的VIP值為0.035<0.5,可見,EC與X1對人均三維生態足跡的影響很小。所以,用偏最小二乘方回歸方法進行的變項投影重要性分析,其結果與偏最小二乘方回歸方法所得到的結果是基本一致的。

(三)模型結果分析

由表9可知,除了生態承載力和退耕還林面積外,其他變量對人均三維生態足跡的解釋力度都大于0.5,說明各變量的選取都很合適,整體上對因變量的解釋力度也比較大。同時,與其他變量相比,盡管生態承載力和退耕還林面積的VIP值最低,但其對人均三維生態足跡仍然具有一定影響。

由公式(10)可知,人均三維生態足跡正向影響因素包括:總人口、人均GDP和環境保護支出;逆向影響因素包括:生態承載力、第二生產總值、退耕還林面積、建成區綠化覆蓋率和科學技術支出。具體結果分析如下。

人均GDP是生態足跡正向影響最大的因素,其回歸系數值為3.808,VIP=1.318大于1,說明該指標對生態足跡有顯著的正向影響。選取指標時,我們把人均GDP看作經濟發展水平,說明隨著經濟的不斷發展,會對自然環境造成一定的破壞。由此可見,經濟與環境的協調發展將逐漸成為發展的主流。

人口數量對生態足跡的正向影響也較大,其回歸系數值為0.801,VIP=1.302大于1,說明該指標對生態足跡有顯著的正向影響。由此可見,隨著人口的增加,在此區域自然資本流量不足以滿足消費需求,需要消耗自然資本存量,導致生態壓力越來越大。

環境保護支出也是生態足跡正向影響的因素,其回歸系數值為0.695,VIP=1.028大于1,說明該指標是非常重要的正向影響指標。由此可見,政府增加環境保護支出并沒有達到緩解生態壓力的效果,這可能是因為環境保護支出的增加并沒有達到預期提高資源利用效率的效果,從而使得這個變量對生態足跡出現正向影響現象,也側面反映出了政府的環境保護政策還有待完善[11]。

第二生產總值也是生態足跡負向影響最大的因素,其回歸系數值為-1.858,VIP=1.339大于1,說明該指標對生態足跡有顯著的負向影響。由此可見,近幾年科學技術的發展有效緩解了內蒙古的生態的壓力,對當地可持續發展有著很好的促進作用。

科學技術支出對生態足跡產生負向影響,其回歸系數值為-1.149,VIP=0.582,說明其是生態足跡比較重要的負向指標。由此可見,近幾年科學技術的發展有效緩解了當地的生態壓力,對當地可持續發展有著很好的促進作用。

生態承載力對生態足跡將會產生負向影響,其回歸系數值為-0.729,VIP=0.150,雖然不如其他指標的影響大,但對生態足跡也會產生一些影響。由此可以看出,生態承載力與生態足跡的發展方向是相反的,當生態承載力變大時,就意味著生態環境變好,生態足跡將會變小。

退耕還林面積對生態足跡產生負向影響,其回歸系數值為-0.777,VIP=0.035,表明退耕還林面積對生態足跡的影響很小。由此可見,退耕還林政策雖然可以緩解當地的生態壓力,但這種作用還沒有很好地顯現出來,可能還需要一段時間。

建成區綠化覆蓋率的回歸系數值為-0.052,VIP=1.164,雖然其在偏最小二乘回歸模型中的參數估計并不顯著,但VIP值大于1,對生態足跡仍起到重要作用。

五、三維生態足跡預測

(一)GM(1,1)模型簡介

1.模型介紹

在灰色系統理論的研究中,預報或預測已成為灰色系統理論的一個最活躍的領域。最常用的灰色系統預測模型是GM(1,1)模型,其運算過程如下:

設A=[αβ]T,利用最小二乘法求A=(BTB)-1BTY,其中:

(11)

Y=[X(0)(2),X(0)(3),X(0)(n)]T

(12)

將所求的參數值帶入微分方程可得:

(13)

上述模型所獲得的是一次累積量,通過數據X(1)(i+1)逆生成,才能獲得所需要的預測值。

2.模型檢驗

首先,級比檢驗。在建立灰色預測模型GM(1,1)前,要做時間序列的級比檢驗。若所有的級比值都位于區間(e＾(-2/(n+1)),e＾(2/(n+1))內,則表示通過級比檢驗,說明該序列適合構建灰色模型。

其次,后驗差檢驗。用后驗差比率可以檢驗灰色預測結果的精度,越小的后驗差比率表明灰色預測的精度越高。

再次,殘差檢驗。通過計算所得預測值與樣本數據的相對誤差進行檢驗,相對誤差值越小越好,一般情況下小于20%即說明擬合良好。

(二)內蒙古生態足跡指標預測

1.內蒙古生態足跡模型檢驗

選用2010—2019年內蒙古的人均生態足跡廣度、深度以及人均三維生態足跡作為統計值,分別檢驗是否適合使用GM(1,1)模型,結果如下:

首先,級比檢驗。由表10可知,人均生態足跡的廣度、深度以及人均三維生態足跡序列的各級比值都在區間(0.834,1.199)內,說明這三個序列都適合構建灰色預測模型。

表10 級比檢驗結果

其次,后驗差檢驗。通過對三個模型分別進行后驗差檢驗,可知人均生態足跡廣度后驗差比值為0.452,表明模型精度合格;人均生態足跡深度后驗差比值為0.538,表明模型精度基本合格;人均三維生態足跡后驗差比值為0.097,表明模型精度很高。

再次,殘差檢驗。由表11可知,人均生態足跡廣度預測模型的平均相對誤差為6.814%小于20%,說明使用GM(1,1)模型對人均生態足跡廣度進行預測是可行的;人均生態足跡深度預測模型的平均相對誤差為7.322%小于20%,說明使用GM(1,1)模型對人均生態足跡深度進行預測是可行的;人均三維生態足跡預測模型的平均相對誤差為3.145%小于20%,說明使用GM(1,1)模型對人均三維生態足跡進行預測是可行的。

表11 相對誤差值 單位:%

2.內蒙古生態足跡預測

內蒙古人均生態足跡廣度、人均生態足跡廣度和人均三維生態足跡預測結果如下:

從表12的預測結果來看,未來六年內蒙古人均生態足跡廣度、人均生態足跡深度和人均三維生態足跡都還在以一種非常明顯的速度在增長著,且增長速度較快;這表明隨著經濟的發展,內蒙古透支自然資本存量的狀況越來越嚴重,自然資源的消耗速度高于其可再生速度現象愈演愈烈,生態環境壓力逐年增大,可持續發展狀況不容樂觀。

表12 內蒙古生態足跡預測結果

六、結論與建議

(一)結論

本文采用三維生態足跡模型測算了2010—2019年內蒙古的人均三維生態足跡,人均生態生態承載力,人均生態足跡廣度和人均生態足跡深度和生態赤字,可得出以下結論:

1.通過測算結果可知2010—2019年內蒙古人均生態足跡表現為緩慢上升趨勢;人均生態承載力波動明顯,但總體仍表現為增長;10年間內蒙古一直處于生態赤字狀態,并且赤字狀況日益嚴重。由此可見,內蒙古的生態承載力雖然在增加,但其增加速度遠遠小于生態足跡的增加速度,使得生態赤字狀況越來越嚴重,生態環境正在逐步惡化,可持續發展水平較差。

2.通過測算2010—2019年內蒙古的資源利用效率、生態足跡指數和生態壓力指數,可知研究期間內蒙古總體呈現區域發展極不安全、嚴重不可持續發展的狀態,且這種狀態有愈演愈烈的趨勢。由此可見,內蒙古的經濟發展模式仍在不斷地大規模消耗資源,生態資源的消耗速度高于其可再生速度,內蒙古自然環境面臨的生態壓力逐年增大,可持續發展能力堪憂。

3.通過建立偏最小二乘分析模型,可知人口、人均GDP和環境保護支出的VIP值均大于1,對生態足跡產生顯著的正向影響;第二生產總值和建成區綠化覆蓋率的VIP值大于1,對生態足跡產生顯著的負向影響;科學技術支出的VIP值在0.5—1,對生態足跡產生比較重要的負向影響;生態承載力和退耕還林面積的VIP值小于0.5,對生態足跡產生最輕微的負向影響。

4.通過對人均生態足跡廣度、深度以及人均三維生態足跡進行預測,結果表明未來6年,內蒙古的人均生態足跡廣度、深度以及人均三維生態足跡都呈現出顯著的增長趨勢,這說明未來內蒙古的生態環境壓力會逐年增加,生態可持續形勢依然不容樂觀。因此,政府要積極采取政策,轉變現有的生態形式,促進生態的可持續發展。

(二)建議

根據內蒙古的生態環境綜合評估,對其可持續發展提出以下5點建議。

1.以技術為核心提高土地利用效率

從內蒙古的生態盈余狀況來看,建設用地和化石能源用地是波動的主要原因。在城市化與工業化發展過程中,在現有技術條件下,內蒙古的生態盈余狀況不斷惡化。因此,在未來,減少建筑用地和化石能源用地,發展與內蒙古地區相適應的科學創新技術,高效、可持續的土地管理和使用也將,有利于緩解生態赤字。

2.提倡節約發展,提倡綠色發展,降低人均生態足跡

實現內蒙古的可持續發展,必須降低人均生態足跡。發展的目的在于提升人民生活的幸福感,真正的發展并不意味著必然的環境惡化,也不意味著生態的失衡。然而,隨著人口的增多和消費的不斷擴大,大量的消耗品被消耗,同時,因為土地面積的固定,導致了生態足跡的增大。為此要倡導綠色節約發展,統一經濟發展和生態保護之間的關系。首先減少人們的資源浪費,倡導有效消費。其次是生產上的節約,即從原料、能源、礦產資源、水資源等多方面進行節約。最后要提倡工農業生產遵循減量化、再使用、資源化等原則。降低人均生態足跡,避免人類活動對自然資源的過度消耗。

3.增加環境保護資金投入,促進生態平衡

將資源環境承載力融入規劃與治理工作,科學評估,避免過度開采,發展循環經濟,盡力降低人類經濟活動對資源環境的負面影響。實施更嚴格的環保法規,使企業和個人對其環境影響負責,同時通過設立環?；?吸引更多的投資用于環保項目。增加環境保護資金投入,切實落實自然資源用途管制制度,建立補償制度,補貼污染廢料的成本,解決保護環境和持續發展的矛盾,使資源得到可持續的、健康的發展。

4.節能降耗,大力發展清潔能源

提高工業能源利用效率,促進企業降耗增效,加快形成綠色集約化生產方式,會有效提高生態足跡。內蒙古作為國家重要能源和戰略資源基地,肩負著保障國家能源安全的重要責任。在保障電力供應的情況下,調整能源結構,能源供應向清潔能源轉變,加強煤炭清潔高效利用、優化煤炭和新能源組合,促進內蒙古能源可持續發展。

5.實施退牧還草和退耕還林政策,保護生態環境

退牧還草、退耕還林是有效地促進生態恢復措施。通過這些措施,既可以保護土地資源,防止過度耕種和過度放牧引發的土地退化和生態破壞,也可以提供新的經濟發展機會,保證內蒙古的可持續性。