贯彻落实可持续发展, 是我国开创社会主义生态文明新时代的重要基础, 也是学术界和管理者共同关注的热点问题^{[ 1- 3]}。在人类对资源的消耗、生境的破坏及空间的占有达到空前规模的情势下, 自然资源禀赋成为影响区域经济社会可持续发展的关键因素^{[ 4- 5]}。生态足迹法对测度和分析区域经济社会发展的可持续性提供了客观和简明的理论依据^{[ 2]}, 国内外专家从模型的改进、尺度及视角方面进行大量研究并提出富有价值的指标和方法^{[ 6]}。在模型改进方面, Niccolucci等^{[ 7- 8]}基于前人研究的基础上首次将模型维度由二维扩展至三维, 实现了对资本流量和存量的区分测算^{[ 9]}；方恺等^{[ 10- 14]}在三维生态足迹模型的基础上推导出区域足迹广度及深度的计算公式, 避免了计算中生态损益值的错误抵消；其后朱高立等^{[ 15]}又引入资本流量占用率、存量流量利用比、剪刀差等指标以探寻自然资本变化的特征；靳相木^{[ 16]}、沈文东等^{[ 17]}分别对足迹广度及足迹深度的取值范围进行商榷, 实现了统一模型中对生态盈余状态的核算。在研究尺度方面, 方恺等^{[ 10- 14]}基于改进后的模型对全球、中国及各省自然资本进行核算与分析, 其后又建立了从“产品—地类—区域”多尺度转换的三维生态足迹模型^{[ 18]}；杜悦悦^{[ 6]}、周星星等^{[ 19]}分别以城市群为区域尺度研究, 揭示其自然资本利用格局；马维兢等^{[ 5]}从流域尺度出发, 揭示了九龙江流域的自然资本利用状况；杨屹等^{[ 20- 21]}先后针对性的以生态脆弱区及中国丝绸之路经济带沿线省份为研究尺度, 分析生态足迹时空差异、自然资本占用成因及对公平性进行评价。在研究视角方面, 方恺等^{[ 18]}从生产性的视角推算出土地足迹及承载力的计算方法；郑德凤等^{[ 22]}从消费视角测度了中国省、市、自治区的自然资本可持续利用现状；余灏哲等^{[ 23]}从DPSIR(Driving-Pressure-State-Impact-Response)视角出发, 对山东省水资源可持续利用强度进行测度。综上所述, 生态足迹的研究尺度逐渐细化具体, 研究领域不断拓宽, 但目前有关研究大多只基于单一视角, 未能从多角度真实的反映区域可持续发展状况^{[ 24]}。

新疆作为维护“一带一路”经济带生态屏障的关键节点, 陆上丝绸之路的交通枢纽, 协调区域可持续发展, 建立和谐共生的生态经济环境更为迫切^{[ 25]}。面对南北疆发展的两极分化, 如何优化土地利用格局、协调南北疆发展差异, 成为新疆可持续发展亟待解决的问题。目前, 对于新疆生态足迹的研究大多都基于二维层面, 并且将大尺度的均衡因子和产量因子应用到区域小尺度的研究与评价中, 会导致结果出现一些误差；其次, 在研究过程中只单一的针对新疆整体或其某一地州市进行分析, 缺乏对南北疆区域间自然资源动态流转机制的剖析；也鲜有在核算自然资本的同时结合经济指标对区域可持续发展状况进行量化。故本文采用改进的三维生态足迹模型, 选用当地的产量因子与均衡因子, 计算2003—2018年新疆整体及各地州市的生态足迹以及相关指标的时间序列值, 纵向追踪新疆各个时点的可持续程度, 并从空间上横向对比分析新疆各地州市可持续发展的分异情况, 聚焦南北疆自然资本利用存在的差异, 以此来揭示新疆生态足迹变化特征与区域发展演化的内在互动机制, 从而弥补指标静态性的缺憾。最后利用偏最小二乘回归模型对影响生态足迹的驱动因素进行分析, 结合基尼系数及差异系数剖析影响南北疆可持续发展的动因, 以期为实现南北疆区域共同富裕及区域经济协同发展提供有力参考, 为缩小南北疆发展差距提供科学依据。

1 研究区概况及数据来源 1.1 研究区概况

新疆位于西北边陲, 深居内陆, 距海洋远。地处东经73°40′—96°18′, 北纬34°25′—48°10′之间, 占中国国土面积的六分之一, 是我国干旱区的主体^{[ 26]}。新疆现有14个地、州、市, 以天山山脉为界, 将新疆分为了南疆与北疆两个各具风格的地区( 图 1)。南疆地域辽阔, 地形复杂, 有丰富的光照资源和矿产资源, 目前已发现矿种占全疆矿种的70%以上^{[ 27]}, 但其多沙漠戈壁, 干旱少雨, 自然条件恶劣。北疆地区可利用的土地面积远高于南疆地区, 占北疆土地总面积83.85%。2018年, 南疆地区人口占全疆人口的52%, 但生产总值却只占到了全疆的28%。南疆地区相较于北疆地区的资源禀赋处于弱势且经济基础十分薄弱, 经济发展呈现“北高快, 南低慢”的分异格局。新疆总体生态环境脆弱, 南北疆发展呈现两极分化, 加之人类活动的过度干扰, 生态承载超负荷, 严峻的生态环境损耗着资源家底, 因此, 对实现新疆可持续发展的要求更加迫切。

1.2 数据来源

本研究生物资源、化石能源核算及区域经济差异化指数计算都来源于《新疆统计年鉴》(2004—2019)、新疆各地州市的统计年鉴(2004、2009、2014以及2019年)以及国民经济和社会发展统计公报。生态足迹计算中均衡因子和产量因子的选取分别采用的是刘某承等^{[ 28- 29]}测算的结果, 能源的折算系数参考郭秀锐等^{[ 30]}研究结果, 并结合研究区特点加以应用。在进行生态承载力的有关计算时采用新疆各地州市土地利用规划及土地利用总体规划数据。需要说明的是：(1)当生态足迹适用于省级以下行政区划时, 没有基本条件或统计监督机制来提供详细统计。因此为了数据口径的统一, 以新疆各类产品的生产量代替消费量。(2)对于统计年鉴中部分缺失的产量数据, 利用研究时段内的平均产量代替。

2 研究方法及相关指标 2.1 改进的三维生态足迹模型

Niccolucci等人基于经典二维模型, 引入足迹深度和足迹广度两项新的指标, 构建出可进行立体分析并对资本存量及流量区分核算的三维生态足迹模型, 其生态足迹的表征实现了由二维平面面积到三维圆柱体体积的转变, 以此来解释人类对自然资源流量和存量的占用情况^{[ 13]}。但基础的三维生态足迹模型计算未能将生态损益值准确表达, 仅适用于生态赤字的单一土地类型, 意味着在积累不同类型的土地时往往低估了生态足迹深度。基于此, 方恺等^{[ 31]}将基础三维模型进行改进优化, 得出了如下针对区域尺度的生态足迹广度和深度的计算公式：

(1)

(2)

(3)

式中, EF_{size, region}为区域足迹广度(hm²)；BC_i为第i类土地的生态承载力；EF_i为第i类土地的生态足迹；n为地类数；EF_{depth, region}为区域足迹深度(无量纲)；EF_{3D, region}表征区域三维生态足迹。当EF_{depth, region}=1, 此时人类所需的流量资本刚好被利用, 无需动用存量资本；当EF_{depth, region}＞1, 表示此时需要消耗存量资本来弥补流量资本的不足。EF_{depth, region}的值越高, 表明自然资本存量被消耗的越多, 呈现不可持续发展态势。

2.2 相关指标补充 2.2.1 存量流量利用比

在资本流量被完全占用时(EF>BC), 存量资本开始逐渐被消耗。存量流量利用比能够表征人类利用自然资本中存量、流量之间的大小关系^{[ 5]}, 其计算公式为^{[ 10]}:

(4)

2.2.2 资本流量占用率

当资本流量未被完全占用时(EF≤BC), 即处于生态盈余时期, 资本流量占用率能够表征对自然资本的实际占用情况, 其计算公式^{[ 10]}为：

(5)

2.3 偏最小二乘回归法 2.3.1 原理方法

偏最小二乘回归(PLS)用于查找两个矩阵(X和Y)的基本关系, 通过找到X空间的多维方向来解释Y空间方差最大的多维方向, 解决了多元回归分析中变量的多重相关性问题, 能够很好的解释各个自变量对因变量的作用强度。因此, 在探讨影响生态足迹变化的驱动因素时常采用PLS模型^{[ 32]}。

偏最小二乘回归中的变量投影重要性(VIP)常应用于识别各指标对生态足迹的影响程度。一般情况下, 其值在1以上的指标为显著影响因素, VIP值介于0.8—1之间的指标为一般重要因素, VIP值低于0.8以下的指标为极不重要因素^{[ 33- 34]}。

2.3.2 指标选取

根据新疆2003—2018年的实际情况及数据的可获取性, 考虑到社会、人口及经济对本地直接或者间接的关系, 参考前人对生态足迹影响因素的选取方法, 选取了如下的指标( 表 1)。

2.4 南北疆经济差异指标 2.4.1 基尼系数

基尼系数是量度贫富悬殊程度的标量。本文借鉴黄涛等^{[ 35]}对基尼系数的分析方法, “用Y_i, i=1, …, n, 表示某个总体新疆的n个组成部分(南疆、北疆或南北疆)的国内生产总值, D_i=Y_i/P_i为人均国内生产总值, P_i表示各部分的人口。其计算公式为：

(6)

采用高志刚等^{[ 36]}对差异系数给定了区域经济相对差异的警限、警情、警度3个衡量差异程度的数量界限( 表 2)。

2.4.2 差异系数

差异系数适用于量化区域间经济差异, 其大小可衡量区域经济协调程度。本文借鉴徐良等^{[ 37]}研究的差异系数测度南北疆经济差异。其计算公式为:

(7)

式中, Y_b表示b区域的产业增加值, Y表示总产值, P_b表示b区域的人口, P则表示总人口数。

3 结果与分析 3.1 新疆三维生态足迹演变分析 3.1.1 新疆2003—2018年人均生态足迹、生态承载力和生态赤字动态变化分析

新疆人均生态足迹从2003年的4.078 hm²增长至2018年的8.969 hm², 增加幅度为119.94%。人均生态承载力波动细微, 基本保持在1.7 hm²左右, 即可提供的人均消费的生物生产性用地仅为1.7 hm²( 图 2)。人均生态足迹大约为人均生态承载力的5.1倍, 意味着以目前的消费水平至少需要大约5个新疆空间上的生物生产性面积来维持社会经济活动。研究期内新疆一直处于生态赤字状态, 人均生态赤字由2003年的2.247 hm²增长到2018年的7.356 hm², 增长了近3.3倍, 可见生态压力不断加大, 处于生态不可持续的发展状态。各类生物生产性用地对生态足迹的贡献程度为能源用地＞耕地＞草地＞林地＞水域＞建设用地, 能源足迹在研究期内一直以来都是生态足迹的决定性部分, 从2003年占据大约59%的份额上升到2018年占据大约71%的份额( 图 3)。

3.1.2 新疆2003—2018年区域足迹广度和足迹深度分析

为了对区域占用资本流量的优势进行比较, 引入足迹广度的构成可在一定程度上进行表征^{[ 11]}。新疆人均区域足迹广度的构成份额大小依次为：草地＞耕地＞林地＞建设用地＞水域( 图 4)。草地占据了最多的部分, 大约占据了60%；耕地的份额仅次于草地, 耕地足迹广度虽略有增加, 但变化波动不明显；林地足迹广度位于第三, 这其中绝大部分被用来吸纳人类生产生活过程中产生的CO₂；建设用地与水域占据份额很少, 分别仅占据3%和2%。

在研究期内新疆人均区域足迹广度总体上呈现平稳上升趋势, 由2003年的1.001 hm²上升到2018年的1.383 hm², 增长率基本维持在8%以内, 其变化趋势与人均生态足迹基本一致。表明研究期内新疆资本流量的占用水平在缓慢增加, 这是由于西部大开发战略的实施对新疆经济发展的助推作用, 经济领域得到不断改善, 同时新疆致力于社会稳定和长治久安, 在稳中求发展。

新疆2003—2018年人均区域足迹深度整体上呈波动上升趋势, 由2003年的1.470增加到2007年的1.688, 于2008年又下降至1.493, 随后又逐渐增长到2018年的2.011( 图 5)。研究期内区域足迹深度均超过原长1, 居民需要大约2个新疆空间上的生物生产性用地才能达到可持续的满足期间资源的消耗量。可以看出, 新疆正逐年透支着资本存量来满足各项发展的需求, 加之生态环境又相比一般地区更为脆弱, 如此以往, 未来将要面临更大的生态压力和风险。

3.1.3 新疆2003—2018年资本流量及存量变化分析

研究期内资本流量的占用率不断上升( 图 6), 由2003年的55%上涨到2018年的86%, 增长率为56.4%, 表明流量资本占用强度不断增加, 生态所能提供的自然资本逐渐趋于饱和状态。2003—2018年, 存量流量利用比以年均5.6%的增长速度逐渐上升, 流量资本已经无法满足生产生活所需, 表明新疆以逐渐加大存量资本来弥补流量资本不足的情况已经成为常态, 生态赤字问题愈发严重。但研究期内存量流量利用比还未超过1, 还未完全用存量资本的消耗代替流量资本。新疆作为自然资源丰富的大省, 提高资源利用效率以及把控生态安全防线势在必行^{[ 25]}。

3.2 新疆2003—2018年各地州市自然资本利用的空间格局 3.2.1 各地州市人均生态足迹分析

从2003—2018年间4个时段内, 新疆各地州市人均生态足迹均有不同程度的增加, 南北疆地区生态足迹的增长幅度和速度存在明显差异, 呈现“北高快, 南低慢”的态势( 图 7)。(1)各地州市人均生态足迹在16年间均有不同程度的增加, 南北疆地区增长幅度存在明显差异, 北疆地区的人均生态足迹值(14.923 hm²/人)普遍高于南疆人均生态足迹值(5.274 hm²/人)。由于资源禀赋及地域发展模式的差异, 南北疆地区发展差异逐渐加大, 南疆地区的发展水平始终落后于北疆地区, 使得其生态足迹值低于北疆地区。(2)研究期内, 克拉玛依市、乌鲁木齐市以及昌吉回族自治州人均生态足迹值明显高于其他地区。克拉玛依市极具丰富的油气资源, 是全疆重点开发与建设的新型工业化城市, 其能源的需求与消耗是其人均生态足迹值明显高于其他地区的主要原因。乌鲁木齐市和昌吉回族自治州属于天山北坡经济带, 是新疆经济发展最高速的区域, 因而其资源的消耗与利用程度高于其他地区。(3)16年间, 和田地区、克州及喀什地区人均生态足迹值明显低于其他地区。

3.2.2 各地州市生态赤字分析

本文引用了区域生态损益值的划分方法, 将区域划分为生态盈余区、生态低压区、生态中压区以及生态高压区^{[ 28]}, 并对2003年、2008年、2013年和2018年新疆各地州市人均生态赤字进行分析。新疆各地州市生态赤字情况呈现不同程度的增长趋势, 高值区为北疆的克拉玛依市及天山北坡经济带, 中低值区位于新疆中南部, 在2018年全疆步入生态赤字阶段( 图 8)。可以看出：(1)从2003年到2018年间新疆各地州市生态赤字情况呈现不同程度的增长趋势, 各地差异性显著, 北疆生态压力逐渐加重的态势高于南疆。(2)2003—2013年间阿勒泰地区和克孜勒苏柯尔克孜自治州一直处于生态盈余的状态, 但也呈逐渐下降趋势, 最终在2018年步入生态赤字阶段。(3)克拉玛依市在16年间一直为生态高压区, 乌鲁木齐市、昌吉回族自治州、石河子市及吐鲁番地区在期间逐渐发展为生态高压区。克拉玛依市是被戈壁沙漠围绕的一座资源型城市^{[ 38]}, 对矿产资源的高需求与强开发使其大量的消耗着自然资本存量, 造成严重的生态赤字。乌鲁木齐市作为新疆首府, 是全疆政治经济中心, 城市的建设、工业化发展以及对资源的高需求使得本就脆弱的生态环境面临更大的挑战^{[ 39]}。昌吉回族自治州是天山北坡经济带的重要支点, 占据着全疆经济发展的重要地位。虽然州八县各具资源优势, 但随着快速的发展和人口增加, 对资源的消耗与日俱增, 逐渐加重对生态环境的压力^{[ 40]}。近年来石河子市城镇化进程不断加快, 大力发展工业, 对生态环境造成了严重的破坏。吐鲁番地区具有“火州”和“风库”之称, 其资源禀赋加之粗放式的发展使其脆弱的生态环境逐渐处于高压状态。加强对生态的修复与保护, 用政策和制度进行刚性约束, 减少能耗, 以缓解其高压态势。

3.3 影响生态足迹变化的驱动因素

以研究期内新疆生态足迹为因变量, 上述选取的十一个指标为自变量, 将数据输入SPSS软件中进行部分最小平方分析。结果显示, 前3个潜在因子累计Rx₂=0.997, 可以解释自变量99.7%的信息, Ry₂=0.995可以解释因变量99.5%信息。这说明确定的3个主成分就可以对数据进行很好提取, 此时该模型对数据的拟合程度较高, 选取该模型合理。最终得到的因变量关于自变量的偏最小二乘回归方程如下：

(8)

由方程可以看出, 11个指标中只有第三产业增加值(X₃)与生态足迹呈现负相关关系, 即对生态足迹有逆向驱动作用, 输出结果印证了理论上第三产业将抑制生态足迹的增长^{[ 2, 41]}。自变量的累积投影重要性VIP值可以衡量驱动因子对生态足迹的影响强度大小, 根据SPSS软件的分析结果, 得到该模型各变量投影重要性( 表 3)。可以看出, 第一产业增加值(X₁)、第二产业增加值(X₂)、城镇化率(X₁₁)、社会消费品零售总额(X₇)、能源消费总量(X₄)、年末常住人口(X₁₀)、全社会固定资产投资(X₅)、城市居民人均可支配收入(X₉)、第三产业增加值(X₃)的VIP值均大于1, 为显著驱动因素。农民人均纯收入(X₈)和进出口总额(X₆)的VIP值在0.8—1之间, 为一般重要因素。在经济发展的指标中, 第一产业增加值对生态足迹变化的驱动作用最为显著, 第一产业对生态资源的不断占用, 驱动生态足迹的显著增长, 第三产业增加值的VIP值虽然低于第一产业增加值, 但也能显著抑制生态足迹的增长。在消费结构指标中, 农民人均纯收入(X₈)驱动作用不强, 主要为城镇消费拉动生态足迹增长。在人口指标中, 城镇化率(X₁₁)和年末常住人口(X₁₀)的驱动作用相近, 反映出人类活动对生态足迹的显著影响。

3.4 南北疆区域经济化差异分析 3.4.1 南北疆贫富差距分析

2003—2018年间, 南北疆地区基尼系数维持在0.4—0.5之间, 处于中警警度水平( 图 9)。但其由2003年的0.47波动降至2018年的0.40, 虽然南北疆地区贫富差距超过警戒线, 但这种差距也在逐渐减小。北疆内部的基尼系数从2007年以来一直小于南疆, 在2003年到2008年之间, 基尼系数处于0.4—0.5之间, 属于中警警度水平, 从2009年开始进入轻警警度水平, 北疆贫富差距逐渐处于可接受的状态。而南疆区域, 从2003年的0.36上升到2008年的0.45, 之后呈现逐年下降趋势。可见, 近几年科技向南发展及大力援疆计划的实施对缩小南北疆贫富差距已见成效。

3.4.2 南北疆经济差异分析

研究期内南北疆区域经济差异系数变化波动不大, 北疆区域经济差异系数明显高于南疆区域( 图 10)。北疆内部间的经济差异系数从2003年的0.86逐渐上升到2006年的0.86, 之后逐年下降至2018年的0.82, 南疆区域经济差异系数变化细微, 基本处于0.8左右。这与新疆近年来发展态势相符, 南疆地区需扶贫的人口占据了全疆人口的85%, 相对落后的经济发展自始至终限制了南疆区域经济内部的差异水平^{[ 27]}。

4 结论与讨论 4.1 讨论

随着生态足迹方法的发展, 更为准确的量化区域自然资本利用与流转的真实状况一直以来是模型优化的方向^{[ 24, 42]}。因此本文着眼于南北疆不均衡发展的背景下, 利用改进后的三维生态足迹模型测度新疆整体及各地州市自然资本利用情况, 结合基尼系数和经济差异化系数从自然与经济的视角量化南北疆发展分异的状况。通过与新疆已有的相关研究成果进行比较, 发现本文测算结果与熊传合^{[ 25]}、张娜^{[ 43]}、韩芳芳^{[ 44- 45]}、史磊^{[ 46]}和樊高源等^{[ 47]}测算的相同时期新疆整体或地州市的人均生态足迹、人均生态承载力和人均生态赤字的结果偏差较小且整体增减趋势基本一致。造成部分偏差的原因可能为均衡因子和产量因子的选取不同以及生物账户核算项目的差别等。对此, 在后期的研究中很有必要探索更适用于新疆且统一账户的生态足迹方法核算自然资本。

化石能源是新疆自给有余的优势资源, 能源足迹在研究期内一直以来都是生态足迹的决定性部分, 2018年占据大约71%的生态足迹份额。本文仅探究了各类生物生产性用地对生态足迹的贡献程度, 而新疆本身资源丰富, 作为能源的流出地区, 资源本身也可以认为是抵消生态赤字的手段, 某种程度上可以将新疆自身的化石能源也视为一种生态容量, 所以有待从这个角度加深研究。

4.2 结论

本文立足于量化新疆南北疆自然资源与区域经济差异的视角, 基于改进后的三维生态足迹模型及引入资本流量占用率和存量流量利用比对2003—2018年新疆三维生态足迹进行分析, 以期把握新疆整体可持续性发展脉络, 为进一步探明南北疆发展差异的动因, 对研究期内各地州市人均生态足迹和人均生态赤字进行核算, 并针对南北疆自然资本利用的差异性进行对比分析, 利用偏最小二乘回归法探寻影响生态足迹变化的驱动因素, 最后结合基尼系数及差异系数核算南北疆经济分异程度。研究表明：

(1) 在2003—2018年间, 新疆人均生态足迹逐渐增加, 人均生态承载力变化波动细微, 16年内新疆人均生态赤字由2003年的2.247 hm²增长到2018年的7.356 hm², 增长了近3.3倍, 可见生态压力不断加大, 处于生态不可持续的发展状态。

(2) 在2003—2018年间, 新疆人均区域足迹广度总体上呈现平稳上升趋势, 其变化趋势与人均生态足迹基本一致。人均区域足迹深度整体上呈波动上升趋势, 居民需要大约2个新疆空间上的生物生产性用地才能达到可持续的满足期间资源的消耗量。

(3) 研究期内资本流量的占用率不断上升, 生态所能提供的自然资本逐渐趋于饱和状态。存量流量利用比以年均5.6%的增长速度逐渐上升, 表明新疆以逐渐加大存量资本来弥补流量资本不足的情况已经成为常态, 生态赤字问题愈发严重。

(4) 从2003年到2018年间各地州市人均生态足迹在研究期均有不同程度的增加, 南北疆地区增长幅度存在明显差异, 北疆地区的人均生态足迹值(14.923 hm²/人)普遍高于南疆人均生态足迹值(5.274 hm²/人)。克拉玛依市、乌鲁木齐市以及昌吉回族自治州人均生态足迹值明显高于其他地区。和田地区、克州及喀什地区人均生态足迹值明显低于北疆地区。新疆各地州市生态赤字情况呈现不同程度的增长趋势, 北疆生态压力逐渐加重的态势高于南疆。

(5) 第一产业增加值对生态足迹正向驱动作用最为显著, 第三产业增加值对生态足迹起到逆向驱动作用。南北疆地区基尼系数维持在0.4—0.5之间, 处于中警警度水平。南疆区域经济差异系数变化波动不大, 北疆区域经济差异系数明显高于南疆区域。

综上所述, 新疆在16年间一直处于不可持续发展状态, 各地州市自然资本利用差异显著, 北疆对流量资本的利用以及对存量资本的消耗均高于南疆地区。经济发展模式、自然资源禀赋、人口及政策都主导着自然资本的演变。新疆作为自然资源丰富的大省, 提高资源利用效率以及把控生态安全防线, 平衡好社会财富积累和控制生态赤字的天平, 及时止损, 南北疆协调发展, 才能打好新疆可持续发展的攻坚战。