油气资源开发区域生态承载力变化及发展能力评价

　　摘要：为了解油气资源开发过程中的生态占用情况，利用生态足迹法，结合油气资源开发特点、对环境的影响及开发区域的自然情况，增加污染账户，来分析开发区域生态承载力变化趋势;利用生态压力、万元GDP生态足迹、生态足迹多样性和发展能力等指数来评估该区域的可持续发展能力。以大庆油田为例，对1987—2017年的相关统计数据进行了测算，结果表明：近30年间大庆油田人均生态足迹明显高于人均生态承载力，生态赤字水平逐年升高，生态压力指数波动式增加，区域生态压力逐年增大，万元GDP生态足迹大幅下降后保持相对稳定，区域生态多样性与发展能力之间的差距在扩大。研究认为进入开发中后期阶段的油田，既面临地区生态供需矛盾突出的现实，又面临经济高质量转型升级的考验，需要采取均衡化、生态化、智慧化的策略，对油田土地进行综合开发与再利用。

　　关键词：油气资源;生态足迹;生态承载力;发展能力

　　自Rees提出生态足迹研究方法以来，因其在衡量区域经济发展潜力方面的科学性和普适性，在世界范围内得到了广泛推广和应用，研究领域不断扩展。[1]该方法引入中国后，引起了学者的研究兴趣，利用该方法及对该方法的改进，在不同尺度、行业领域生态承载力研究方面取得了很多成果。如黄宝荣等[2]在全国尺度上用该方法测算2000—2010年我国的生态足迹时发现，人均生态足迹由1.40gha增加到2.43gha，低于2.60gha的世界平均水平。一些学者还对该方法不断改进，特别是在地区生态足迹账户、计算方法、指标选择等方面，以适应区域方面的研究要求。如郝海广等[3]关于农牧交错区草地消费足迹与收入水平关系的研究;荣傲登等[4]利用耕地、草地、化石能源、建筑用地及水域等指标，对河流流域生产性土地的生态足迹和生态承载力的研究;Liu等[5]

　　基于净初级生产力改进的生态足迹评价模型(EF-NPP模型)，对国家级自然保护区的研究;曹威威等[6]从消费端和供给端构建生态足迹账户体系，对能值生态足迹和能值生态承载力模型进行改进和优化，对省域生态经济系统变化特征的研究;赵鹏宇等[7]在现有生态足迹模型中通过增加污染排放、水资源账户，重新确定各项生物账户全球平均产量与土地均衡因子，对市县区域生态足迹和生态承载力空间差异的研究。生态足迹法也常用在行业领域[8-10]、城市及地区生态盈亏的生态承载力[11-14]测算中。

　　生态足迹法侧重于测算生态系统供给服务功能的特性与油气资源开发区域生态系统所面临的主要压力方向是吻合的。油气资源开发过程复杂，要经历物探、钻井、测井、采油、井下、油气集输及闭井恢复等环节，且具有开发持续时间长(30～70年)、占用区域面积大、地下隐蔽等特点。开发中产生的废气、废水、固废等“三废”污染介质，会给当地生态环境带来一系列不同程度的长期影响，其中采油过程对水资源(污染)的影响最大，其次是物探、钻井环节产生的固废。[15]经过长期开发的油气资源区域，地区生态环境发生了很大改变，[16]有必要结合油气资源开发特点、区域生态环境特征，对该类型区域生态承载力变化情况进行评价，以了解该区域的生态占用情况，为该区域经济和环境的可协调发展制定对策。

　　一、评价方法及指标选择

　　(一)评价方法

　　利用生态足迹及发展能力研究方法，按以下思路研究油气资源开发区域内的生产活动：首先，从区域资源需求层面，将对当地资源、能源的消费量和由此产生的废弃物排放量转化成相应的具有生产力的土地面积，来分析该区域的吸纳能力，进而判断该区域的发展潜力;其次，从区域资源供给层面，考量所在区域的生态环境系统，分析其能提供给开发区域人口和经济增长的生态空间，即区域所能支撑的最大人口数量和经济活动总量;最后，通过计算生态压力、万元GDP生态足迹、生态足迹多样性及发展能力指数来判断该区域的可持续发展能力。

　　1.生态足迹模型

　　研究特定时间条件下供给区域内的生态足迹，是通过将人口消费的自然资源与燃料能源转换成生产性土地面积，面积数值越大，表示产生的生态负荷越多。计算公式为

　　EF=N×ef=N×∑ri×ciPi(1)

　　式中：EF为区域总生态足迹，ef为区域人均生态足迹，N为人口数量，i为消费项目的类别，Ci为第种消费项目人均消费量，Pi为第i种消费项目平均生产能力，ri为不同类型土地的均衡因子。

　　生态承载力判断的是区域内部资源所能供养的人口最大负荷量，计算公式为

　　EC=N×ec=N×∑(ai×ri×yi)(2)

　　式中：EC为生态承载力总量，ec为人均生态承载力，ai为人均各类生物生产性土地面积，yi为不同类型土地的产量因子。

　　2.生态盈亏与压力指数

　　利用生态盈亏来判断区域发展是否处于生態承载力范围之内，利用生态压力指数来说明人类活动对区域生态系统的干扰强度，二者相互补充与印证，可以更好地反映区域生态承载力变化状况，计算公式为

　　ed=ec-ef(3)

　　EPI=ef/ec(4)

　　式中：ed为人均生态盈亏，ed>0表示人均生态盈余，生态系统是安全的、可持续的，反之不安全、不可持续;EPI

　　为生态压力指数，当其小于1时，表明干扰强度未达到生态系统的自反馈上限，生态系统平衡，反之生态安全则受到威胁，EPI越大，生态系统遭受的干扰强度越大。

　　3.万元GDP生态足迹指数

　　该指数反映区域经济发展对区域系统资源利用率的高低，可用以判断区域发展潜能，数值越大，资源利用效率就越低，意味着发展能力不足。计算公式为

　　4.区域生态足迹多样性与发展能力指数

　　生态足迹多样性指数是用来描述一个区域内各类资源消耗所占各类土地面积的均衡程度，指标值越大，区域总生态足迹在不同地类中的分配占比越平均，生态系统多样性越高;反之，说明区域产业类型单一，生态系统处于不稳定状态。计算方法参照Shannon-Weaver模型[17];用区域人均生态足迹与多样性指数相乘，判断区域生态经济系统的发展能力，计算方法参照Ulanowicz的文献[18]。二者计算公式为

　　H=-∑(pj×lnpj)(6)

　　C=ef×H=ef×[-∑(pj×lnpj)](7)

　　式中：H为区域生态足迹多样性指数，C为区域生态经济系统发展能力指数，pj表示第j类土地类型在生态足迹中的比例与分配状况。H

　　值越高表明区域内土地利用类型比例适中，生态系统结构处于稳定状态。C值与人均生态足迹和多样性指数之间正相关。当多样性指数处于稳定时，高人均生态足迹会提升发展能力指数，这说明区域经济发展能力是靠过多的生态足迹负荷取得的，这样的发展能力很难持续;好的状态是生态负荷一定，通过区域内各土地类型的合理使用，提升多样性指数，来提高区域经济发展能力。

　　(二)账户及指标选择

　　油气资源开发区域内各类生物资源、能源、水资源消耗及污染排放产生的生态足迹构成区域总生态足迹。传统生态足迹计算大多包括生物资源账户、能源账户两部分。根据油气资源开发特点及对开发区域水环境的影响，现将“水资源账户”和“污染消纳账户”扩展到生态足迹计算中，用来描述开发区域的水资源供给能力和污染排放生态足迹。考虑到该区域出产的产品类别与资源、能源消费情况，根据开发区域数据的可获得性、开发区域生物资源情况，选取的生态足迹指标见表1。

　　(三)相关说明

　　1.土地类型划分及均衡因子选取

　　根据油气资源开发区域情况，将水资源用地、污染消纳用地加入到生态足迹模型中。计算时，各土地类型的均衡因子参照杨屹等[19]的计算方法取值，即建设用地2.34、耕地2.34、水域0.32、草地0.48、化石能源用地1.64、林地1.64、污染消纳用地1.0、水资源用地1.0。

　　2.产量因子选取

　　为补偿人类对化石能源类自然资本的消耗，理论上应留出用于吸收CO2所需的能源用地面积，但实际上人类并未专门划出此类土地来吸收能源燃烧释放的废气，故能源用地生态承载力面积一般为0。常认为林地消纳吸收废气，水域净化消纳污水，固体废弃物堆积则占用耕地，为避免重复计算，故不单独计算污染消纳用地的生态承载力。计算时，各土地类型的产量因子参照Wackernagel等[20]计算中国生态足迹时采用的平均值，即建设用地1.66、耕地1.66、草地0.19、林地0.91、水域1.00、水资源用地2.45、能源用地0。

　　3.数据处理

　　计算中涉及的全球平均生产能力数据来源于联合国粮农组织(FAQ)统计数据库[21]。能源项目人均足迹测算是以单位能源消耗产生的平均发热量为标准，通过各能源项目折算系数、全球平均能源足迹，将区域能源消耗转化为能源用地面积;废气生态足迹测算是将废气排放量转化为吸收大气污染所需的林地面积，按照单位面积阔叶林对SO2的平均吸收能力取88.65千克每公顷、单位面积林地对粉尘的阻滞能力取10.11吨每公顷[22-23];废水生态足迹测算是根据单位面积水域对污水的平均吸纳能力取365吨每公顷[24];固废生态足迹测算是按照单位土地面积固废的适宜堆积量10.9万吨每公顷换算[25];水资源人均足迹测算是按水资源全球平均生产能力3.14×103立方米每公顷标准计算[19]。最后通过“产量因子、均衡因子”将土地面积调整为具有等价生产力的面积。

　　二、基于大庆油田的测算

　　(一)研究区域范围

　　大庆油田位于松辽平原中央、黑龙江省中西部、松嫩平原腹地，地理坐标为东经125°12′至124°19′，北纬45°46′到46°55′。主要勘探区域包括东北和西北两大探区，由萨尔图、杏树岗、喇嘛甸、朝阳沟等48个规模不等的油气田组成，总面积达22 161平方千米。经过60年多的持续开发，油田形成了以原油开采、集输、注水、给排水、污水处理、电力、通信、道路、消防、矿区建设、机修、油田化工为主的完善的油气开发系统，油田区域原生态环境也发生了很大改变。

　　(二)数据来源

　　研究中涉及的数据主要来自：大庆油田开发统计数据，包括《中国石油天然气集团公司年鉴》、大庆油田档案馆等;《大庆市统计年鉴》《大庆市环境状况公报》等;大庆市自然资源保护局提供的历次土地利用调查数据。为统一数据口径，采用大庆市农产品产量替代农产品消费量。因相关数据可获得性问题，能源类指标采用规模以上工业企业的能源消耗量，水资源消费量采用工业用水量。由于个别年份数据采集不全的原因，2000年以前的数据选取1987年、1990年和1995年3个时间节点。

　　(三)计算结果及分析

　　1.生态足迹分析

　　根据式(1)测算得到大庆油田1987—2017年各账户人均生态足迹情况，见表2。从表2可以看出，总体人均足迹呈上升趋势，由5.460公顷每人升至10.846公顷每人，30年间增长近一倍。各账户中，除水资源总体呈降低趋势外(2002年人均生态足迹达到峰值后逐渐降低)，其余各用地人均生态足迹均呈上升趋势，其中林地增长了8.5倍，建设用地增长了8.2倍(呈波动式增长)，草地增长了4.1倍，水域增长了3.6倍，耕地增长了1.9倍，能源用地增长了0.7倍，污染消纳用地增长了0.1倍。这说明区域油气经济的发展推动了本地工业化的进程，进而产生了对城市建设用地需求的增长;油田建设、人口增加及生活水平的提高，对农副产品消费需求逐渐增加，对草地资源占用逐渐加大;油田地区水域、湿地资源丰富，市民对水产品需求量的增加带动了水产业的发展。从结构看，不同类型人均生态足迹占比差别较大，其中能源用地占比69.79%、耕地占比10.34%、草地占比8.30%，其余用地占比較低。作为重要石油、石化工业基地，能源生产、加工、消费量巨大，使地区能源消耗的生态占用较突出，能源用地占比较高，且呈增长趋势，说明该地区经济发展对能源依赖性较大，具有典型能源型地区特征。由于油田地处松嫩平原腹地，适宜大规模粮食生产，耕地占比仅次于能源用地。

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文章名称： 油气资源开发区域生态承载力变化及发展能力评价

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