生态足迹模型的多尺度分析及其预测研究自然地理学专业论文.docxVIP

南京师范大学博士学位论文 南京师范大学博士学位论文 陈成忠．生态足迹模型的多尺度分析及其预测研究 摘 要 近10年来，生态足迹模型作为一种衡量自然资源可持续利用的生物物理定量评价方法， 得到有关国际机构、政府部门、非政府组织和研究机构的广泛关注。成为可持续发展领域的 研究热点，也成为生态经济学的研究焦点和前沿。但由于存在着静态性、缺乏预测性和结论 单一性等许多令人遗憾的不足之处，在学术界引起较大争议，甚至遭到一些研究者批评。本 文为克服生态足迹模型过于静态性、缺乏预测性和结论单一性的缺陷。以中国为例，基于可 变均衡因子、世界不变平均单产法计算生态足迹，可变均衡因子、国家不变产量因子法计算 生物承载力；将经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)、动力学建模方法应用 于生态足迹模型的综合或单项指标多尺度分析和多情景预测研究；基于熵值法提出生态足迹 构成指数和生物承载力构成指数两个新概念，评价区域系统的可持续发展潜力，完善生态足 迹理论的指标体系，并运用求和自回归滑动平均(Autoregressive integrated moving average models，ARIMA)建模原理进行模拟及预测；将EMD多尺度分析和偏最小二乘回归分析或因 子分析相结合，应用于生态足迹不同组分变化的驱动因素研究；运用能值法、投入产出法， 对传统生态足迹模型中的进出口贸易足迹进行计算改进。具体方法和结论如下： (1)基于生态足迹指数的全球生态可持续性时空分析发现，1961．2003年全球生态足迹 指数在波动中急剧。卜降，1987年转入不可持续状态。1996、1999、2001、2003年不同国家和 地区的生态足迹指数差别很大。从生态足迹指数1996、1999、2001、2003年四年的空间分布 格局看，全球的不可持续和严重不可持续发展地区基本在人口比较集中、经济发展水平相对 比较发达的中纬度地区，中国也在其中。利用EMD方法提取1961．2003年全球人均生态足迹 变化的波动周期，建立具周期性波动的非线性动力学模拟模型，进行长时间序列的多情景数 值模拟表明，只要人类采取有效措施，逐步消除生态超载、实现可持续发展是完全可能的。 从整体上看，全球的生态可持续发展形势有逐步恶化趋势，中国的生态可持续发展形势亦不 容乐观。 (2)1949．2006年，中国生态足迹指数在波动中急剧下降，生态足迹效率20世纪80 年代以前变化非常缓慢，自80年代末大幅提高。EMD多尺度分析发现，中国人均生态足迹 存在明显的4．4年和13．1年两个波动周期，生物承载力具有明显的4．5年和6．4年两个波动 周期。中国人均生态足迹变化的偏最小二乘回归分析发现，人口数量及构成、交通运输、三 大产业产值及进出口贸易总额等是驱动其周期性变化和持续增长的主要因素。适当加快小城 镇化建设，加强交通运输管理，优化产业机构，制定合理的贸易策略是中国减少生态足迹、 降低人类环境影响的有效措施。EMD多情景动力学预测表明，若一切照旧．中国将朝向远 离可持续的方向发展；若采取有效措施，即依据缓慢变化或快速减少情景发展，中国不仅自 身能实现可持续发展，而且还将对全球的可持续发展做出巨大贡献。 (3)基于熵值法提出能够衡量生态足迹和生物承载力构成多样性的生态足迹构成指数 和生物承载力构成指数两个新概念，计算并构建了中国人均生态足迹构成指数和生物承载力 构成指数较为理想的ARIMA预测模型分别为AroMA(2，1，1)、ARIMA(1，l，1)。预测结果表 南京师范大学博士学位论文 南京师范大学博士学位论文 陈成忠．生态足迹模型的多尺度分析及其预测研究 明，2006．2010年，中国入均生态足迹构成指数将在波动中有所下降，生物承载力构成指数 持续下降，未来4年可持续发展潜力在波动中也将有所降低。若采取有效措施，可持续发展 形势将有较大好转。中国人均生态足迹构成指数与10个驱动因素的偏最小二乘回归分析发 现，正相关因素依次为城镇人口、第一产业产值、总人口、进出口贸易总额、第三产业产值， 负相关因素依次为政府消费、农业人口、居民消费、人均GDP、第二产业产值。 (4)运用统计·动力学建模方法，构建了生态足迹模型各组分构成比例变化的普适预测 模型。以中国人均能源足迹、生态足迹和生物承载力构成为例，预测结果表明，未来10年， 原煤足迹比例逐渐下降，原油足迹、天然气足迹、水电足迹比例逐步上升：耕地足迹、林地 足迹比例不断-卜．降，草地足迹、水域足迹、能源足迹将逐渐上升，建设足迹比例将在下降一 段时间后缓慢回升；耕地承载力、林地承载力、草地承载力比例不断增加。水域承载力和建 设承载力比例均呈下降趋势。提高煤炭利用效率、实现海洋渔业的可持续开发、保护耕地、 提高技术、进一步实