基于能值分析的绵阳市城市生态经济系统健康评价

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　　摘要：基于能值分析理论构建了城市生态经济系统健康评价指标，用能值分析方法统一度量能量流、物质流、货币流以及人口流之间的关系并进行定量分析。从时空角度评价了绵阳市城市生态经济系统健康状况及其变化趋势，然后提出适合绵阳市生态经济系统可持续发展的建议和对策。结果表明，2009—2016年，绵阳市经济快速发展，综合实力显著增强。能值投资率及电力能值比都在逐年增加，而净能值产出率持续减少，2016年同比2009年降低了40%。系統内环境压力不断增大，环境负荷率由1.52上升到2.39，EISD由6.23下降到4.68，EUEHI呈先上升后减小再上升的变化趋势。系统的可持续发展能力正在逐渐减弱，且绵阳市的健康能力表现出不稳定的状态。为了维护绵阳市生态经济系统的可持续发展能力和健康指数，未来需要进一步优化产业结构，提高资源能值利用率;大力发展高新产业，降低环境负荷;转变生态经济发展模式，实现城市健康与生态环境的和谐发展。
　　关键词：能值;城市生态经济系统;可持续发展能力;健康指数;绵阳市
　　中图分类号：F062.2;F205         文献标识码：A
　　文章编号：0439-8114（2020）03-0158-07
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.03.035
　　Health evaluation of urban ecological economic system
　　in Mianyang city based on emergy analysis
　　DENG Jin-shang，XIANG Xiao-yu，DING Peng-kai，SHAO Huai-yong
　　（College of Earth Sciences，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）
　　Abstract： Based on emergy analysis theory， a health evaluation index for urban eco-economic systems is constructed. The emergy analysis method is used to uniformly measure the relationship between energy flow， material flow， currency flow， and population flow and perform quantitative analysis. From the perspective of time and space， the health status and changes of the urban eco-economic system in Mianyang city were evaluated， and then suggestions and countermeasures suitable for the sustainable development of the eco-economic system in Mianyang city were put forward. The results show that from 2009 to 2016， Mianyang city's economy developed rapidly and its comprehensive strength increased significantly. Both the emergy investment rate and the power emergy ratio have been increasing year by year， while the net emergy output rate has continued to decrease， with a year-on-year decrease of 40% in 2016. The environmental pressure in the system is constantly increasing， the environmental load rate has increased from 1.52 to 2.39， the EISD has decreased from 6.23 to 4.68， and the EUEHI has a trend of rising first， then decreasing and then rising. The sustainable development capacity of the system is gradually weakening， and the health capacity of Mianyang city shows an unstable state. In order to maintain the sustainable development ability and health index of Mianyang's eco-economic system， it is necessary to further optimize the industrial structure in the future， improve the utilization of energy value of the resources; vigorously develop high-tech industries， reduce environmental load; change the model of eco-economic development， and realize the harmonious development of urban health and ecological environment. 　　Key words：  emergy; urban ecological economic system; sustainable development ability; health index; Mianyang city
　　自然界最基本的两个代谢要素是物质和能量[1]。城市生态经济系统由自然环境系统、人类活动系统及社会经济系统三部分组成。系统间相互影响、相互作用，物质与能量在它们之间循环、流动、转换、储存与耗散。随着生态学、经济学和地理科学的发展，研究城市生态经济系统亟需一种新的科学方法，为人类与生态环境和谐发展提供更多的选择。20世纪80年代国际上提出了新的科学概念和度量标准，国外学者开展了较广泛的研究，Odum等[2]、Brown等[3，4]对生态系统中不同类别的物质和能量在同一标准下进行比较和定量分析，对区域生态经济系统的发展模式进行评价。近年来国内也开始研究能值理论体系，起步较早的有严茂超[5]、蓝盛芳等[6]、贡璐等[7]、刘耕源等[7]、潘安等[9]、方敏哲等[10]，其研究领域涉及城市生态经济系统、农业生态经济和土地生态经济系统等。自此运用能值理论研究城市和农业生态经济系统，并量化和评价区域生态经济系统发展的可持续性成为科学热点之一。
　　基于前人的研究成果，Odum等[2]创立了能值理论体系，对能量流、物质流和货币流进行综合研究，通过反映生态经济系统及发展模式特征的指标，建立了一套科学的理论体系。能值理论不仅克服了传统分析方法中不同物质的能量无法在同一标准尺度下进行比较的难题[8]，还客观表述了生态环境与人类生产活动的关系，其正在向地理科学综合研究领域渗透，逐渐成为研究区域生态经济系统可持续发展的重要手段。
　　绵阳市是中国惟一的科技城，四川省第二大城市和第二大经济体、成都平原城市群北部中心城市、成渝经济圈七大区域中心之一，素有“富乐之乡、西部硅谷”的美誉[11]。其生态经济系统可持续发展的量化分析对中国西南地区经济活动与可持续发展的相互关系具有重要参考意义。在此基础上，运用能值理论分析方法，将时空动态与定量分析相结合，系统揭示绵阳市生态经济系统时空格局及其动态变化规律，以寻求适合绵阳市生态经济系统可持续发展的对策和途径[12]。
　　1  研究区概况
　　绵阳市（103°45′—105°43′E、30°42′—33°03′N）地处四川盆地西北部，呈西北—东南狭长带状，总面积20 248.4 km2，约占四川省面积的4.2%，属北亚热带山地湿润季风气候，四季分明，年平均降水量545.5～823.3 mm，年均氣温17.9 ℃，区域概况见图1。
　　绵阳市科教发达，产业兴盛，是中国重要的国防军工和科研生产基地。电子信息、汽车、新材料、节能环保、高端装备制造、生物等六大“两新”产业蓬勃发展，高新技术产业和战略性新兴产业产值占工业总产值比重分别超过45.6%、34.0%[11]。截至2017年末，全市总户数206.94万户，其中户籍人口536.82万人。全年实现地区生产总值2 074.75亿元，比上年增长9.1%，其中第一产业增加值291.66亿元;第三产业增加值944.33亿元，增长10.8%。
　　2  数据来源与研究方法
　　2.1  建立数据库
　　整理获得2009—2016年绵阳市自然资源和社会经济统计数据，建立复合信息数据库。社会经济数据及气象水文数据均来自《绵阳市统计年鉴（2009—2016）》《绵阳市经济和社会发展统计公报（2009—2016）》《绵阳市环境统计公报（2009—2016）》《四川省统计年鉴（2009—2016）》;地形地貌数据取自1∶30万DEM栅格数据，源于地理空间数据云。
　　2.2  编制能值分析表
　　选取可更新资源、不可更新资源、进口能值、出口能值、废弃物能值5个部分，参照不同指标的能值转换率和能值指标算法，将各种产品能量统一换算为太阳能值，然后计算能值流，绘制能值图表。
　　2.3  建立能值分析评价指标体系
　　结合绵阳市生态经济的特点，选取11个评价指标汇总数据，采用活力—组织结构—恢复力—生态系统服务功能体系，建立能值分析评价指标体系，计算可持续发展指数、可持续发展能值指标和生态经济系统健康指数。根据能值指标系统分析数据结果，对绵阳市生态经济系统的发展状况进行客观评价，并为绵阳市生态经济系统的可持续发展提出建议。
　　3  能值理论及指标体系
　　3.1  能值理论基本概念
　　一种流动或储存的能量所包含另一类别能量的数量，称为该能量的能值[13]。在现实世界中，用太阳能衡量某一能量的能值，即任何流动或储存的能量所包含的太阳能之量即为该能量的太阳能值[14]。能值分析以能量为基准，通过能值转换率把生态系统中不同来源和种类的能量流转化为统一的能值单位进行度量，将自然资源、人类活动、社会经济等不同因子有效地联系起来，为定量地综合评价区域生态经济系统的可持续发展水平提供了新的理论方法，同时也为系统自然资源的有效利用和社会经济结构的调整提供依据[15]。
　　3.2  指标体系计算方法
　　构建一个合适的评价指标体系是合理评价城市生态经济系统健康状况的关键。能值分析方法结合了生态学和经济学，用一个全新的研究视角，即从系统内的物质和能量流转循环的视角来评估城市生态经济系统健康水平。通过对这一系列能值指标的分析，可以更加全面而客观地了解城市生态经济的能源结构、产业配置、废物利用、进出口贸易与生态环境之间的关系，对于制定城市发展策略，实现系统的可持续发展具有极高的参考价值。能值指标计算必须基于基本的计量指标，也即代表了生态系统的能值流量。基本计量指标见表1。 　　根据绵阳市生态经济系统实际情况，基于Rapport提出的活力—组织力—恢复力—生态系统服务功能构建城市生态经济系统的健康评价指标体系。活力是指生态系统的物质与能量输入输出循环容量，是用于反映某一系统的发达程度，竞争力以及资源使用的效率。组织结构用于描述系统成分的多样性，侧面反映各成分之间的互相依赖程度[16]。恢复力指的是系统在受到胁迫消失时需要克服的压力以及反弹时的容量，可以充分反映系统维持自身结构和格局能力大小。生态服务功能维持是生态系统对人类的福祉提供一定能力的判定，可以衡量系统是否能满足人类生产生活。其包含指标及其含义见表2。
　　3.3  生态经济系统健康评价指标
　　3.3.1  可持续发展指标（ESI）  ESI由净能值产出率与环境承载率两个指标来定义。系统的净能值产出越高，环境负荷率又相对较低，则它就是可持续的，反之则是不可持续的[17]。Brown等[4]提出的量化标准：若110，说明此地区经济发展程度低，资源开发利用不够，是经济不发达的象征;ESI<1时，为高度发展的消费型导向经济，地区较为发达，对本地不可更新资源依赖较大，区域内环境压力更高。但实际生产中，ESI也存在一些不足，忽视了市场、文化对产出效益的影响[18]。
　　3.3.2  可持续发展能值指标（EISD）  EISD是在ESI的基础上进行改进的，表达式中增加了能值交换率，用来克服ESI忽略了的市场和文化对区域的影响，其不仅考虑了经济效益的影响，也考虑了交通系统等对环境的压力。EISD越高的系統，在可持续发展的长远尺度上越具竞争优势。
　　3.3.3  城市健康能值指数（EUEHI）  刘耕源等[8]指出，城市生态经济系统的健康应围绕活力、组织结构、恢复力、服务功能4个方面的协调发展，以NEYR、EER、ELR分别代表系统活力、组织结构、恢复力，以ED与EMR的比值代表服务功能。EUEHI越高，系统相对越健康。EUEHI可用于同一城市不同时期的纵向研究以及不同城市之间的横向比较研究，对系统内部4个方面进行调控优化，以此实现城市生态经济系统的健康发展。
　　4  结果与分析
　　建立的复合数据库中包含2009—2016年绵阳市环境资源、社会经济等数据资料，经过计算得到绵阳市生态经济系统能值分析基本计量指标（表3）及能值指标（表4）。
　　4.1  单要素分析
　　4.1.1  生态经济系统活力  能值投资率（EIR）是用来衡量生态经济系统中自然环境对人类生产活动影响的容受力。大致上可以认为EIR越高，则系统经济发展程度越高，EIR越小则说明发展水平越低且系统对环境的依赖性越强[19]。从图2可以看出，绵阳市近8年的能值投资率在微小的波动过程中稳步增长，表明绵阳市经济发展规模逐渐增大，城市的经济发展从依赖自然资源的开发和利用，慢慢转型为从外界进口需求资源，城市的发展程度上升，竞争力也在不断加强。“5.12”大地震后，由于绵阳市自身社会经济的匮乏和灾后重建的需求导致进口能值提升，虽然EIR变化浮动不算太大，但整体呈现上升的趋势。但2014—2016年，EIR又处于较为平稳的状态，表明绵阳市进口能值与资源能值间的比值结构未发生较大的变化，这不利于今后绵阳市的整体发展。相比2015年合肥市的0.59，淮南市的0.02，淮北市的0.12，绵阳市能值投资率仅为0.11，据此可以看出绵阳市的发展程度与省会城市的发展程度相比还是处于低水平，甚至是中间偏下[16]。总体来讲，能值合理的投入与搭配，并结合当地的地理优势与经济特点使城市更具竞争力。
　　电力能值比（FEE）是衡量城市工业化和生活水平的指标。电力具有高效、清洁等特点，体现了一个国家或地区的生活水平。分析数据可知，2009—2016年的电力能值比稳步上升，说明绵阳市工业化水准在逐渐上升，用电量不断增加，生活水平也不断提高。对比2008年合肥市电力能值比0.26[16]，昆明市0.35[20]，无锡市0.37[21]，可以看出绵阳市电力能值比还处于一个较低水平。
　　净能值产出率（NEYR）是反映城市经济发展对系统外反馈的依赖程度，也是系统产出对经济净贡献大小的指标。NEYR越高，反映系统的自然资源与经济活动产出的能值利用效率越高[12]。绵阳市2009年的净能值产出率最高，然后持续递减，到2016年NEYR只有4.71，下降了40%，说明绵阳市城市经济的发展对生态系统自身提供的资源依赖在逐渐减弱，也反映了绵阳市的进口能值逐年增加。
　　4.1.2  生态经济系统组织结构  不可更新资源能值比是系统资源占比结构是否合理的指标，也侧面反映对本地不可更新资源的依赖程度，比值越高其依赖程度越高，比值越低其依赖程度越低。绵阳市不可更新能值比相对来说变动较为平稳，近8年来也只在0.57～0.61之间波动。虽然城市生态经济系统对自身不可更新资源的依赖程度不算太高，但城市生态经济系统的经济结构还是需要不断地优化，减少系统对不可更新资源的依赖。
　　能值交换率（EER）用来衡量系统与外界的能值交换情况，比值越大系统越在对外贸易过程中处于有利地位。从图3可以看出，绵阳市进口能值和出口能值虽然都在不断上升，但能值交换率呈现“N”字形变化的趋势。比值从2009年的1.20上升到2011年1.89后，开始逐渐下降，2014年降至1.09，之后又呈现增长趋势，2016年能值交换率增至2.38，绵阳市能值交换率均大于1，表明绵阳市进口能值始终大于出口能值，在经济贸易中可以积累真实财富，但与其他发达地区相比还存在较大差距。因此在对外贸易过程中，应该调整进出口商品的结构，适当增加高能值商品的出口，减少对进口商品的依赖，着重引进高能值的商品与服务。 　　4.1.3  生态经济系统恢复力  环境负荷率（ELR）用来表示一定的经济活动水平下环境系统所承受的压力，反映了地区社会经济与生态环境直接的协调关系[22]。ELR越高，系统内环境压力越大，具有一定的环境预警作用。从图3可以看出，2009—2016年绵阳市环境负荷率呈现升高的趋势。2009年开始，随着灾后重建工作的推进，绵阳市经济活动大量增加，系统环境的压力升高。在2011年到达峰值后，环境负荷率开始下降，然后又升高。在国家号召建设生态城市的大环境下，市政府应该采取一定的措施应对环境问题，否则违背了建设绿色生态城市的战略目标。
　　人口承载力表明了生态系统自然环境下容纳的人口数，能反映城市的实际人口是否超出自然环境下的人口容受能力。在能值理论中，人口承载力的下限为系统资源可提供的人口数量，而人口承载力下限的8倍则为人口承载力上限[21]。数据结果表明，2009—2016年绵阳市实际人口数一直处于人口承载力阈值内，但也不应该盲目乐观。随着国家二胎政策的放开，相信在未来几年时间内，绵阳市人口将会迎来大幅度提升，考虑到区域可持续发展的目标，应该适度控制人口增长速率，不要以牺牲环境为代价来发展社会经济。
　　废弃物产生率（EEW）反映生态系统排放的废弃物对环境带来的压力。2009—2016年，从绵阳市纵向发展来看，由于工业化和人民生活水平的提高，城市发展的扩大，废弃物产量也在逐渐升高。从图2可以看出，其中2009—2012年废弃物产生率较为平稳，这也从侧面反映出市政府在废弃物排放处理方面采取了一系列措施，虽然效果不太明显，但从一定程度上使系统的循环能力和恢复能力得到增强。
　　4.1.4  生态经济系统服务功能维持  能值自给率（ESR）是地区自然资源的自给能力和外界交流能力的一个体现。ESR越高，系统自给自足的能力越强，反之，则系统自给自足的能力越弱[17]。2009—2016年，绵阳市能值自给率不断下降，从2009年的86%下降至2016年的77%，其与外界交流能力变强，不可更新和可更新资源的消耗程度缓慢降低，外界资源的引进和投入加大，依赖进口资源的程度逐渐增强。
　　能值货币比率（EMR）反映了地区单位货币的购买能力。经济落后的地区能值利用率低，EMR就越大，反之，经济发达的地区能值利用率高，EMR越小[17]。从图4可以看出，2009—2016年，绵阳市能值货币比率呈现出不断下降的趋势，2016年能值货币比率比2009年同比下降了44.3%，这也表明绵阳市经济在不断发展，外界的商品与服务、信息等能值财富在不断增加，导致能值货币比率不断下降。EMR下降，GDP上升，说明绵阳市的能值收入增加，系统为居民提供的福祉增加，城市的服务功能更加完善。
　　能值密度（ED）可间接反映区域经济发展强度和等级。经济活动频繁的地区开发程度较高，能值流动密度更大，其能值密度必然高于经济发展相对落后的地区[12]。从图4可以看出，绵阳市能值密度近似呈“N”字形变化。由于绵阳市区域面积基本不变，虽然有几年能值密度呈下降趋势，但总体来看其总能值呈增长状态，特别是2009—2011年增长速率最快，这可能是因为大地震后绵阳市经济活动受到重创，震后重建开始引入大量进口能值。灾后重建第4年能值密度开始下降，绵阳市经济发展强度对比前3年开始变弱，生态系统能力循环变慢。到2014年，影响能值密度的主要因素是不可更新资源与进口能值，2009—2016年不可更新资源与进口能值增长了一倍以上。为保证自然环境与社会经济的协调发展，绵阳市应控制不可更新资源的使用，加强可更新资源的开发与利用。
　　4.2  综合指标分析
　　4.2.1  能值可持续发展指数ESI  从图5可以看出，2009—2016年，绵阳市ESI均介于1～10之间，说明绵阳市仍处于发展中经济，且势头良好。但从发展趨势来看，ESI指数却呈不断下降的趋势，2009年ESI为5.20，2016年为1.97，8年内下降了62%。期间，绵阳市净能值产出率不断减少，环境负荷率持续攀升，最终导致ESI指数下降，说明绵阳市可持续发展能力正在持续恶化。未来，绵阳市亟需改变能值消耗的不合理结构，加大可利用资源的保护与开发，减少不可更新资源的消耗，降低环境负荷率，才利于系统的可持续发展。
　　4.2.2  可持续发展能值指标EISD  从图5可以看出，2009—2011年，绵阳市EISD变化平缓;2011年开始，EISD的下降幅度增大，从2011年的6.06下降至2015年的3.05;2016年开始出现较为强劲的反弹，达4.68，相比2015年最低值3.05上升了53%。8年内系统的能值交换率始终大于1，且呈现出先升高后下降再升高的变化特点，系统对外贸易中的地位不断发生改变，2016年绵阳市能值交换率达到历史新高2.39，部分有利因素扭转了EISD持续下降的趋势。
　　4.2.3  城市生态经济系统健康指数EUEHI  绵阳市不断朝着工业化和现代化方向发展，人民生活水平也在不断提高，但城市生态经济系统健康却存在隐患。从图5可以看出，EISD与EUEHI具有相似的变化特征。绵阳市EUEHI变化有3个阶段：第一阶段为2009—2011年，健康指数稳步上升，数值从3.67上升到5.19。期间，系统净能值产出率、能值货币比率减少，能值密度、能值交换率增加，环境负荷率相对较低，使得此阶段的城市健康状况发展势头较为良好;第二阶段是2011—2015年，健康能值指数持续下降。经过“5.12”大地震后，绵阳市灾后重建工作大部分已经完成，社会经济的恢复速度加快，但随之而来的是废弃物与污染物的排放增多，自然环境对人类经济活动的支撑能力下降，使得系统的健康状况持续走低;第三阶段是2015—2016年，系统健康指数强势反弹，同比2015年的3.72，上升了66%，为近8年内系统健康指数的峰值。说明绵阳市政府已经采取了一定的措施及政策来遏制持续恶化的生态环境。随着国家生态文明建设的深入开展，绵阳市需加大生态系统保护力度，建立绿色低碳循环发展经济，进一步调整能源结构，以此改善系统的健康状况。 　　5  讨论与建议
　　能值分析结果表明，2009年以来绵阳市经济地位逐渐提升，综合实力迅速壮大，人民生活水平得到了极大提高。但能值交换率降低、环境承载率连年走高等不利因素使得绵阳市可持续发展指数和城市生态经济系统健康指数不断降低。绵阳市经济的高速发展建立在对环境资源过度利用的基础上，短期内促进了经济的发展，但从长远角度看，给生态经济系统的可持续发展埋下了隐患。EUEHI变化趋势从侧面反映出目前绵阳市正处于高速发展阶段，但过高的环境负荷可能会给城市生态环境带来不可逆的危害，并且不合理的能值资源结构已对经济系统的发展潜力有所限制。因此应加强绵阳市的对外开放程度，提高系统的能值反馈率，改变经济增长方式，优化产业结构，依靠科技进步提高能值利用率，充分利用现有能值资源，尽量减少对环境资源的破坏，走可持续发展道路，改善生态经济系统健康状况。
　　1）优化产业结构，提高能值利用率。绵阳市现处于城市化转变的中后期，应着重加快现代产业的建设，调整重工业的资源使用结构，加快轻工业的发展速度，充分利用军工电子、IT、新能源等优势产业弥补自身发展的不足。提高可更新资源能值产出以及能值利用率，降低“三废”排放量，从而减少本土资源消耗和降低区域环境压力[12]。
　　2）大力发展高新产业，促进系统可持续发展。科技创新是国家发展的源泉，是可持续发展的动力之一。应以高新产业为导向，改变现有的经济增长方式，利用高新技术转变传统落后产业，加大风能、水能、地热能、太阳能等清洁能源的开发，利用清洁资源替代不可更新资源，降低系统对不可更新资源的依赖。
　　3）转变生态经济发展模式。根据绵阳市目前的发展需求，构建新的经济发展模式。依托“一圈四链三循环”模式，即以绵阳高新技术产业开发区为中心圈，围绕中心圈建立特色经济产业链、旅游文化产业链、现代企业产业链、商品服务产业链4个产业链，并建立绿色经济发展模式，保证区域内的能量、物质和社会经济处于良性循环的状态[23]。
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　　收稿日期：2018-02-20
　　基金项目：国家自然科学基金项目（41401659）
　　作者简介：邓锦山（1994-），男，四川成都人，在读硕士研究生，研究方向为资源环境遥感、生态环境评价和地理空间信息等，（电话）18382205215 （电子信箱）823718383@qq.com;通信作者，邵怀勇（1978-），男，山东菏泽人，教授，博士，主要从事山区资源环境遥感、山地生态环境评估与GIS空间建模研究，（电子信箱）huaiyongshao@163.com。
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