Urban total ecological footprint forecasting by using radial basis function neural network: A case study of Wuhan city,China

Ecological footprint (EF) forecasting is essential for dynamically evaluating human impact on earth as well as for planning for a sustainable future. In this paper, a radial basis function neural network (RBFNN) model was developed to forecast the total ecological footprint (TEF) from 2006 to 2015. For a case study of Wuhan city, Hubei province in central China, per capita ecological footprint (EF) and biological capacity (BC) were calculated from 1988 to 2005. Partial least square (PLS) was used to select the important impact factors. We put the selected socio-economic factors as input and the TEF as output together to build RBFNN model and predict the development trends of the TEF in the following 10 years. Five-fold cross-validation was conducted to validate the model in the process of input selection and RBFNN model training. From the results, continuous increase of per capita EF (1988–2005) indicated stronger and stronger human effect on the district and Wuhan's ecological state is in the ecological deficit. Up to 2015, the district would have been bearing accumulative TEF of 24.782 million gha, which is near 2.5 times of that in 1988. Although the increase rate of gross domestic product (GDP) would be restricted in a lower level from 2006 to 2015, the urban ecological environmental burden could only respond to the socio-economic circumstances moderately.     

沿海快速城市化地区能值生态足迹变化分析

当前我国经济的快速发展和生态环境之间的矛盾日益显著,不利于城市可持续发展。生态足迹目前已成为普遍接受的可持续发展指标,选定生态足迹改进方法——能值生态足迹模型,以城市化地区厦门市为研究区进行计算分析,以期发现快速城市化过程中可能面对的问题。首次计算分析了厦门市1980年至2010年的能值生态足迹动态变化,并对其可持续发展进行了评价。结果表明,30年间厦门市人均生态足迹需求从1980年的8.6 ghm2持续增长至2010年的52.8 ghm2,而供给方面的人均生态承载力却从1980年的181.2 ghm2持续下降为47.5 ghm2,2009、2010年该市由生态盈余转为生态赤字。同时,从生态足迹组分及其比例来看,30年间化石燃料用地和建设用地的生态足迹增长迅速,二者对厦门市人均能值生态足迹变化贡献最大,并且成为2000年后总体足迹中所占比例最大的组分,各自占比超过20%。结果分析显示,厦门市开始面临逐渐加重的生态环境压力,需要开始重视其可持续发展。因此调整厦门市的产业结构和控制城市化发展非常必要。一方面,应该降低第二产业的比例,降低对化石能源的使用,同时促进第三产业的发展和第一产业的现代化,以此为城市提供更多的资源供给并降低资源需求,特别是化石能源的需求。     

基于生态足迹-净初级生产力的珠三角城市群经济与生态的关系

随着区域经济一体化进程加快,人类活动对区域可持续发展的影响越来越重要。本研究利用MODIS遥感数据,基于净初级生产力的生态足迹法(EF-NPP),对珠三角城市群6大生物生产性土地面积的均衡因子和产量因子进行计算,分析研究区2000—2020年的人均生态足迹、生态承载力、自然资源利用效率和生态适度人口的变化。结果表明: 2000—2020年,珠三角城市群人均生态足迹不断上升,化石能源用地的生态占用最高,人均生态足迹呈现出西部高、中部低、东北部较高的空间变化特征;人均生态承载力高值集中分布在肇庆市、江门市,低值集中分布在深圳市、东莞市、佛山市、中山市;生态适度人口与区域实际人口的差距随时间呈增大趋势,其中,2020年生态适度人口与区域实际人口的差距达3062万人,区域实际人口数远大于生态适度人口数,人口压力大;三大产业自然资源利用效率高,人均生态足迹所能创造的经济效益在研究期间增加3.68 万元·hm^-2,年均增速为0.18万元·hm^-2,且第三产业的增加速度最快。研究结果能为中小尺度区域自然资源利用效率的研究提供一定的借鉴与参考。     

基于改进三维生态足迹模型的洞庭湖区生态可持续时空演化研究

洞庭湖是长江流域重要的调蓄湖泊,也是中国重要的农产品主产区。科学评估洞庭湖区生态可持续状态,揭示其时空演化特征,对探究其生态可持续影响因素与作用机理,降低生态赤字具有重要意义。基于碳足迹与生态足迹理论构建了改进的三维生态足迹模型,填补了化石能源无法核算生态承载力的问题,同时调整了不同土地利用类型的参数因子。在对洞庭湖区25个区县进行可持续发展的动态评价分析中,计算了2000—2019年生态赤字、足迹广度与深度的时空分布特征。研究结果表明：(1)近20年来洞庭湖区的人均生态足迹增长速度远高于人均生态承载力,致使人均生态赤字在时间维度上不断增大,空间维度上呈湖滨向周边地区扩散的趋势;(2)洞庭湖区除林地之外的土地利用类型均存在自然资本存量的消耗,且表现为高生态赤字;(3)三次产业结构的分配、土地利用的变化、居民对生活质量的提高以及生态保护政策的有效实施等均会对洞庭湖区的可持续发展产生较大影响;(4)改进后的化石能源账户相较于传统账户的计算方法更能反映真实的碳排量与碳吸收量。研究以期为洞庭湖区土地利用、生态保护以及促进社会经济可持续发展提供科学参考。     

城市发展指数和生态足迹在直辖市可持续发展评估中的应用

综合应用城市发展指数(CDI)和生态足迹(EF)指标,分析各直辖市1978—2012年的可持续发展情况,衡量发展方式由资源消耗型向环境友好型转变的程度。研究表明:各直辖市的CDI不断增长,至2012年均达到80左右,基本处于同一层次水平,城市经济社会发展状况总体良好。EF的动态变化呈现阶段性发展的特点,各直辖市间也存在显著差异,除上海市,其他3个直辖市的EF呈现增长态势,至2012年,北京EF最高(2.60 hm2/人),重庆最低(1.79 hm~2/人),是唯一一个低于全国平均EF的直辖市。综合分析CDI和EF,在相似的社会经济发展水平下,重庆市的资源消耗较低,可持续发展潜力较大;天津市一直处于资源消耗型发展中,亟待转型;近十年来,上海和北京的城市建设模式出现了一定转变,由以消耗环境资源为代价的发展模式转变为环境友好型的发展模式。     

能值生态足迹模型的改进——以海南为例

通过对比总结现有能值生态足迹模型研究成果,从能值密度、能值生态承载力、能值生态指标分类和整合等方面分析了模型存在的问题,在此基础上,构建了消费端和供给端构建足迹账户体系,并提出能值生态足迹和能值生态承载力模型的改进和优化。利用改进模型,实证分析了2000—2016年海南生态经济系统的变化特征。结果表明:(1)能源账户和生物产品账户足迹大幅增加。污染账户和建设用地账户足迹状态稳定。(2)生产承载力随着技术进步不断提高,而环境承载力随着人类对环境资源的占用强度增加不断下降。(3)海南生态环境整体表现为生态盈余,但污染账户、能源账户盈余缩减,2011年能源账户开始出现生态赤字。通过足迹账户的构建,能够更清晰地追踪各账户和各类土地能值生态足迹、能值生态承载力以及能值生态盈余/赤字产生的变化,能值生态足迹模型改进之后能够更客观反映区域生态经济系统状况,为地区有针对性开展环境管理和保护提供依据。     

生态足迹的模型修正与方法改进

生态足迹是测定人类活动的资源消费需求,判明自然资产是否被过度利用的有效工具。介绍了生态足迹的基本概念和模型,简单分析基本模型存在的主要缺陷和争论,重点解析了近年来生态足迹模型在参数调整、项目计算、账户扩展等方面的演变和修正。介绍生态足迹研究的传统方法:综合法和组分法,评述了生命周期评价,基于投入产出分析,三维模型,净初级生产力,能值理论,时序分析等的方法改进。对未来的研究方向提出自己的看法,期望对我国的生态足迹研究有一定的启示作用。     

旅游城镇化不可转移生态足迹演变及驱动因素

研究沿用不可转移生态足迹反映旅游城镇化地区所承受的生态压力,利用偏最小二乘法构建足迹与驱动因子之间的回归模型,并通过构建驱动指数模型,比较各驱动因素对不可转移生态足迹变化的贡献。以张家界为案例地,研究旅游城镇化各阶段足迹演变及驱动规律。研究结果显示：（1）旅游城镇化地区不可转移生态足迹、人均不可转移生态足迹总体上呈现出平缓增长的动态变化,发展能力具有不稳定性。对外开放程度的提高,并不能抑制足迹的增长。在不控制生产总量的情况下,资源生产效率的提高会带来更多的不可转移足迹。（2）各因素对人均不可转移生态足迹影响的弹性系数由大到小分别为城镇居民人均可支配收入、第二产业增加值、城镇化率、第三产业增加值、资源生产效率、城市建设用地、第一产业增加值、旅游人口密度。产业内部结构会影响产业增加值对人均不可转移足迹的弹性系数。（3）旅游城镇化初级阶段,不可转移生态足迹增加,最主要的驱动因素是第二产业增加值、旅游人口密度、第三产业增加值;旅游城镇化高级阶段,不可转移生态足迹增加,最主要的驱动因素是第三产业增加值、第二产业增加值、第一产业增加值。建议如下：在旅游城镇发展的初级阶段,合理推进城镇化进程,控制旅游规模,提高第二产业、第三产业生产效率,改变高能耗结构,培养居民、旅游者生态意识;在旅游城镇发展的高级阶段,调整第一产业和第三产业内部结构,提高第二产业效率,培育以旅游引导的技术密集型业态,提高第三产业比重和质量,通过贸易实现生物生产性足迹输出,有效控制不可转移生态足迹的增长,显著提高旅游城镇化地区发展能力。     

Risk Analysis and Carbon Footprint Assessments of the Paper Industry in China

China is the largest paper producer and consumer in the world. However, China's paper industry is inefficient in its consumption of natural resources. Whereas the proportion of wood pulp used by the paper industry in developed countries is up to 63%, the corresponding figure for China is only 23%, leading to high energy and water consumption and severe environmental pollution. This article presents a systematic risk analysis using life cycle assessment and carbon footprint calculation associated with China's straw-pulp and wood-pulp paper industries. Risk prevention measures are proposed based on the results of this analysis. The study has important ramifications for the sustainable development of China's paper industry.     

基于国家生态足迹账户计算方法的福建省生态足迹研究

运用国家生态足迹账户计算方法(2010版),计算并分析2000-2009年福建省的生态足迹和生态承载力,旨在展示国外生态足迹计算方法研究的最新进展,更准确地揭示近年来福建省的生态足迹和生态承载力状况。结果表明:2000-2009年福建省人均生态足迹由1.2902 gha^**快速增长至2.4925 gha;人均生态承载力由0.9772 gha轻微下降为0.9363 gha;生态赤字持续快速扩大,支撑经济发展由需要1.32倍的福建生态承载力变为需要2.66倍;碳吸收地在生态足迹结构中始终占据首位且呈快速扩大趋势,是福建生态赤字的主导因素;生态效率年均增长率大大低于地区生产总值年均增长率,目前福建生态效率还远低于主要发达国家。     

2000年以来中国潜在植被净初级生产力的时空分布模拟

潜在植被的净初级生产力(PNPP)是在无人类干扰情况下,立地所能发育形成最稳定成熟植被的净初级生产力,PNPP能够直接反映自然生态系统的质量状况,是分离人类活动对生态环境影响的重要指标。研究改进了CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型,引入潜在光合有效辐射吸收比例(PFPAR)模拟了2000—2020年中国植被PNPP的时空分布格局。结果表明：中国PNPP空间分布差异较大,东南沿海和东北大、小兴安岭地区PNPP较高,新疆、西藏等西部干旱、高寒地区PNPP较低,呈现以400 mm等降水量线为界的空间分异格局。2000—2020年,中国PNPP总体上呈现递增趋势,年际波动小,PNPP减少的区域与增加的区域面积基本相等。PNPP波动较大的地区主要位于青藏高原、四川盆地和贵州高原。研究结果量化了气候变化背景下真实的生态状况和潜在生态状况的差异,可分离出人类活动对自然生态系统的直接影响,为制定针对性的生态修复对策提供了科学依据。     

关中-天水经济区生态足迹变化驱动因素

揭示影响关中-天水经济区生态足迹变化的驱动因素,对建立节能型产业结构,寻求经济与环境、生态与社会的协调发展具有重要意义。应用生态足迹和偏最小二乘法,在计算2005至2014年关中-天水经济区生态足迹的基础上,确定偏最小二乘法变量投影重要性和标准偏最小二乘法系数,比较了驱动因素的重要程度。结果显示,影响生态足迹变化较为重要的驱动因素有第三产业增加值、国内生产总值和社会消费品零售总额。相比之下,常用耕地面积与全区人口数对关中-天水经济区生态足迹驱动作用不显著。为此提出将优化产业结构与优化能源结构有机结合起来、转变能源利用方式、提升能源利用率、提高土地利用率、加强土地保护、提高土地生态承载力、引导低碳消费行为、推行低碳生活方式等对策建议。     

北京市消耗食物生态足迹距离

以北京市消耗食物生态足迹的距离为研究核心。结果表明2008年至2012年,北京的生态足迹距离、人均生态足迹和生态足迹总里程总体呈现逐年增长趋势:生态足迹距离增大到676.75 km,增长19.3%;人均生态足迹距离增加到18.42万km,增长54%;生态足迹总里程增加了1倍强,达到56亿t km。北京市的食物生态足迹距离不断扩大,并涵盖了全国大部分地区,北京城市化的生态成本上升。所消耗各类食物的生态足迹距离从大到小分别为水果类、蔬菜或粮油类、肉蛋类和水产类。蔬菜类和水果类的生态足迹距离存在明显的季节波动,且冬春季节远高于夏秋季节。从转移生态承载力来源地的视角,直线距离越远、占据市场份额越大的地区,对北京市消耗食物生态足迹距离的贡献率越高。     

煤炭资源型地区产业能-水足迹效率及影响因素

我国煤炭资源型地区众多,但其资源环境等可持续发展问题形势严峻,如何针对能源和水这两种重点资源进行协同管理是解决这些问题的关键之一。基于区域不同产业能-水耦合视角,采用投入产出分析对2002-2012年山西省不同产业的能-水足迹效率进行评价,并采用结构分解分析能-水耦合的影响因素,主要结论有：（1）研究期间,山西省各产业能-水足迹都呈上升趋势,能源足迹的增加主要表现为各产业间接消耗能源的增加,而水足迹的增加主要表现为各产业直接消耗水资源的增加。（2）不同行业能-水足迹效率差异很大,足迹较大的产业其足迹效率都较低。尽管研究期间各产业能-水足迹效率呈现上升趋势,但大部分产业能-水足迹效率仍处于较低水平。（3）从各产业能源足迹效率和水足迹效率的耦合情况来看,各产业能-水足迹效率耦合状况趋于优化,逐步由低水足迹效率和中等能源足迹效率（W_lE_m）为主转变为中等水足迹效率和中等能源足迹效率（W_mE_m）为主,但与发达地区相比,仍然具有一定的差距。（4）从能-水足迹效率影响因素来看,各产业技术水平的提高是导致能-水足迹效率提高的主要动力,经济规模的持续扩大是各产业能-水足迹上升的主要原因,部门间的联系和地区经济结构对能-水足迹效率的影响也逐步增加。这些发现从理论上揭示了资源利用强度和效率对产业能-水消耗的影响机制,从实践上对资源型地区节能节水具有重要指导意义。     

城市化对区域生态足迹的影响及其耦合关系

城市系统与区域生态系统间存在着复杂的相互影响,分析二者的交互耦合关系,可以客观地反映区域生态协调发展程度,为区域城市化发展提供科学依据。在修正城市生态足迹模型的基础上,计算了2000—2015年昆明市三维生态足迹动态,并建立了城市化综合评价指标体系,探讨生态足迹模型变化的驱动因子,构建城市化与生态耦合模型并测算其协调度。结果表明:过去15年间,昆明市土地利用类型的流转加剧、建设用地比例提升、经济增长和社会进步指标反映出城市化水平逐年提高;自然资源消耗增加和污染排放加剧使得人均生态足迹逐年上升。研究初期,人均生态承载力下降态势明显,后逐渐有所上升,生态赤字逐年减小,资源压力有所减轻。生态足迹广度基本不变、生态足迹深度先上升后下降、资源的利用效率逐年增加,其主要驱动因素在于社会层面的高质量城市化发展与经济产业结构调整。昆明市生态足迹与城市化耦合水平及协调度均呈逐年稳定上升,于2015年基本过渡到协调阶段;生态承载力与城市化耦合水平及协调度均呈波动上升态势,这与城市化负向作用逐渐积累、集中凸显相关。总体上,昆明市城市化进程中,需要提升城市化发展质量,管控城市扩张规模。     

21世纪以来陕西生态足迹和承载力变化

采用修正后的生态足迹模型测算了2000—2012年陕西省生态足迹和生态承载力。修正的工作主要体现在增加了包括废气、废水和固体废弃物科目的污染排放账户,确定了同全球平均产量表科目有差异、但能体现陕西地域特点的板栗、核桃、禽蛋、蚕茧、花椒、棕片及生漆7个科目的全球平均产量,并且测算了对应的生态足迹。结果显示,21世纪以来陕西省人均生态足迹从1.300 hm~2/人增加到3.077 hm~2/人,人均生态赤字由0.374 hm~2/人增加到2.176 hm~2/人,人均生态承载力从0.926 hm~2/人减少到0.901 hm~2/人。这些数据表明陕西已处于生态超载的状态,且有逐步加剧的趋势。万元GDP生态足迹由2.626 hm~2/万元减少到0.799 hm~2/万元,表明全省资源利用率正逐步提高,经济发展能力持续向好。这一观点从发展能力指数由3.191增加到6.842也可得到验证。陕西省生态足迹值的上升和生态承载力的下降导致了生态赤字的增加。究其原因,第一,陕北能源重化工产业的发展对煤、石油等矿物能源消耗加速;第二,关中城市群中城镇人口聚集、工业企业发展等带来的污染排放增速过快;第三,陕南矿物资源开采伴生的生态环境破坏加剧。为此,陕西省应把生态承载力作为推进新型城镇化、承接产业转移和规范产业发展的重要依据,严格控制省内地级市以上主城区人口数量,提高县城和重点镇的人口城市化率,把重点镇建设和避灾扶贫移民有机结合起来,建立能源重化工、矿物开采等行业门槛,执行节能减排目标机制。     

Assessment of economic and ecological carrying capacity of agricultural crops in Nicaragua

The relationships between, and usefulness of, three different analysis methods: (1) economic cost and return estimation (CAR), (2) ecological footprint (EF) and (3) emergy analysis (EA) in assessing economic viability, ecological carrying capacity and sustainability in tropical crop production was the focus for this study. The analyses were conducted on six agricultural crop production systems in Nicaragua: common bean (Phaseolus vulgaris L.), tomato (Lycopersicum esculentum L. Mill), cabbage (Brassica oleraceae L. var. capitata), maize (Zea mays L.), pineapple (Ananas comosus L. Merr.) and coffee (Coffea arabica L.). The economic indices studied were revenues and profitability. The ecological footprint indices were ecological footprint per hectare of crop (EF_crop), ecological footprint per 1000 USD revenues (EF_rev) and ecological footprint per gigacalorie of food energy produced (EF_Gcal). The emergy analysis indices used were emergy-based profitability (EA_prof) and emergy-based ecological footprint (EA_EF). The study indicated that cabbage and tomato were the most profitable crops, both in economic and emergy terms, and that coffee was the least profitable crop to grow. On the other hand, beans, coffee and maize were most sustainable when sustainability was measured as ecological carrying capacity, assessed by EF or emergy-based EF, while cabbage and tomato were the least sustainable. Moreover, maize turned out to be the crop with the lowest area demand per production of gigacalorie. Profitability assessed in economic terms or in relation to emergy use (EA_prof) or to ecological footprint showed similar patterns and gave the same rankings between the crops. However, profitability assessed by CAR was higher than when assessed by EA_prof, due to the fact that no environmental appropriation is included in the CAR. Area appropriation assessed with emergy or with ordinary ecological footprint also resulted in mainly the same rankings between the crops, while the actual size of the areas was at most 10 times larger when assessed in emergy than with plain ecological footprint. Our results add to the body of knowledge on the poor coherence between economic profitability and ecological sustainability. However, we argue that these evaluations may be used as methods for quantitatively assessing different production systems, leading to indices weighting together economic and environmental aspects that may be used to make decisions.     

The historical ecological footprint: From over-population to over-consumption

The ecological risk from over-population has been recognized since Malthus (1798). GDP growth per capita in agriculture disproved his pessimism but, since the Club of Rome and its case on Limits to Growth more recently there has been concern that there is a parallel risk from such growth in terms of ecological footprints (EF). Authors have developed a GDP/EF correlation function and calculated the ecological footprint (EF) from 10,000 B.C. till 1960, using historical statistics, with the method of backcasting (Brandes and Brooks, 2005).¹ In all major indicators growth patterns have been dominating, not only since the industrial revolution, but in the known history of mankind. From data since 1961, we calculate the correlation between GDP and the ecological footprint and have been able to determine long time data series of population, GDP, biocapacity and EF. Our findings are first: the main driver of growth and environmental degradation is not population per se, but consumption patterns and levels multiplied by the number of consumers, especially in developed economies, as the I = PAT equation recognized (Ehrlich and Holdren, 1971). In fact, as we approach to today, population, which used to be the key driver to growth and environmental degradation, becomes the least important driver, especially in the last two decades. Second: change is not incremental or linear as assumed in much mainstream economics: in line with Schumpeter's bunching and swarming and it jumps and leaps asymmetrically, as in our finding of such a leap (the 7th) between the 1930s and 1970s. Third: the dominant paradigm legitimizing growth (from the late 18th century) while already challenged by many since the Club of Rome and other reports should be revisited in terms of the concept of ‘fullness’ in the sense that while the earth in 1776 was roughly 10 per cent full, by 2008 this figure was over 150 per cent.     

基于碳足迹的江西生态补偿标准时空格局

碳足迹是一种测度碳排放影响的新方法,可利用区域碳足迹和碳承载力的差值来确定区域生态补偿标准.通过构建碳足迹、碳承载力与生态补偿标准模型,研究江西省及11地市生态补偿标准的时空变化.结果表明: 2000—2013年,江西省碳足迹呈现快速增长趋势,年均增长率为8.7%,碳承载力呈波动变化趋势,各年份均有碳盈余,但净碳盈余呈波动下降趋势.南昌和九江对江西省总碳排放贡献率较大,赣州、吉安和上饶对碳吸收贡献较大.2013年,江西碳盈余生态补偿额为22.73亿元,赣州、吉安、抚州和上饶可优先获得较高的生态补偿额度.研究结果可为江西省生态补偿机制建立以及CO₂排放权的有偿转让等提供一定的科学依据.     

基于碳足迹研究的中国地区工业低碳转型——以山东省为例

行业的低碳发展是工业低碳转型的目标,以工业部门为对象,应用脱钩效应和面板模型分析行业能源消费的碳足迹,对深入研究地区工业低碳转型具有重要现实意义。以山东省为例,分析工业能源消费碳足迹的1997年至2012年样本数据,将工业部门分为高耗能行业、其他行业、战略性新兴行业,展开研究,结果表明:(1)自20世纪90年末代开始节能降耗,山东省工业呈现强负"脱钩"、强"脱钩"、扩张负"脱钩"和弱"脱钩"交替发生,表明对工业节能降耗调控波动大,不利于工业部门均衡有序发展;(2)高耗能行业是能耗大户,高耗能行业与工业在绝大部分年份的脱钩状态相同,表明高耗能行业主导工业总体脱钩状态,是节能减排的主要对象;随着节能降耗的深入,相关政策趋紧,碳足迹边际成本不断升高,应关注锁定效应大的火电行业和碳足迹边际成本高的化学工业;(3)其他行业包含行业多,但总体能耗水平不高,随着节能减排的开展和行业持续发展,能耗将增加,必将承担更多的节能减排,需要关注锁定效应强的金属制品业发展,推动碳生产力系数高的食品饮料业发展;(4)战略性新兴行业碳锁定效应最弱、碳足迹边际成本最低和碳生产力系数最高,是国家大力倡导发展的行业;由于基数低,对工业碳排放态势影响极其有限,应大力推动碳锁定效应弱的新一代信息技术产业、碳足迹边际成本低的新材料行业、碳生产力系数高的节能环保业和新材料行业。