海島基礎設施物質存量構成及動態變化研究

郭振+張炫釗

[摘 要]以山東廟島為研究區，根據自下而上的存量分析體系構建基礎設施物質存量計算模型，利用遙感影像提取技術等方法獲取相關數據，定量研究海島基礎設施物質存量構成及其于2011—2016年的變化情況，并通過IPAT模型分析存量變化的主要人文驅動力因素。結果表明，廟島基礎設施物質現存量約為292.5kt，集中于以水產養殖場和加工廠為主的生產性建筑中，主要材料為碎石、石材、磚塊、沙子和水泥；5年內基礎設施物質存量共增加62kt，89.7%用于興建水產養殖和加工業相關的建筑及港口基礎設施；人均生產總值的增加是導致基礎設施物質存量增加的主要人文驅動力因素。由此建議在山東廟島發展過程中，可以通過優化海島產業結構、積極開發利用島內現有資源、合理回收利用建材等途徑，以更好地推動海島資源的可持續利用管理與環境保護。

[關鍵詞]產業生態學；海島系統；基礎設施；物質存量分析；IPAT模型

[中圖分類號]X37 [文獻標識碼]A [文章編號]1671-8372（2017）04-0040-07

Abstract：Taking the Miao Island in Shandong province as the research area to construct the calculation model of the material stock of the infrastructure， obtaining the relevant data by using remote sensing image extraction technology and other methods， this study makes a quantitative research on the material stock of island infrastructures and its change pattern from 2011 to 2016， and analyzes the main humanistic driving forces of stock change through IPA model according to the bottom-up inventory analysis system. The result shows that the material stock of the infrastructures on the Miao Island is 292.5kt， concentrated in the productive buildings， mainly in aquaculture and processing plants， and the major building materials are gravel， stone， brick， sand and cement； the material stock of the infrastructures has increased to 62kt during the 5 years， among which 89.7% are used to build aquaculture and the construction related to processing industry and the port infrastructure. The study also finds that the increase in per capita GDP is the main cultural driving factors to lead to an increase in the amount of material in the infrastructure. Based on the analysis above， it is suggested that during the development of the Miao Island， it could be better to promote the sustainable utilization management and environmental protection of island resources by optimizing the industry structure， actively developing and utilizing existing resources on the island， and rationally recycling and utilizing materials.

Key words：industrial ecology； island system； infrastructure； the analysis of material stock； IPAT model

海島是一類四面環海、環境相對封閉的特殊地理系統[1]。作為國家遠離陸地的海洋領土，海島的發展在維護國家海洋權益、開發海洋資源、促進海洋區域和沿海地區經濟增長方面均具有重要作用[2-3]。海島的各類基礎設施不僅為島民提供了居住環境和交通運輸等基本生活服務，也為海島社會經濟的長期增長提供了重要的固定資本，因此是海島發展過程中不可或缺的要素。隨著 “一帶一路”倡議的提出及逐步實施，我國近岸海島地區經濟社會發展速度加快，許多海島的基礎設施建設工程日趨頻繁。

由于面積相對較小、交通便利性較差，多數海島存在自然資源匱乏的問題[4]，一方面島上的基礎設施在生產、加工和建造過程中所消耗的水泥、沙石料以及金屬等各類建材大多需由陸地提供[5-6]；另一方面，基礎設施在報廢拆除后所形成的建筑垃圾通常長期滯留于島內，加上海島靜脈產業鏈尚不完善，潛在增加了海島生態環境風險壓力。而當前國外系統考察海島生態系統中人工設施物質存量的研究尚不多見，我國海島基礎設施物質存量的研究也處于空白。因此，本研究選取我國北方小型有居民海島之一—山東廟島為研究區，在海島存量分類體系的基礎上，定量研究海島基礎設施物質存量的構成及動態變化，并對其物質存量驅動力因素進行分析。研究可為海島開發利用過程中的人類活動強度評價、探究基礎設施建設的資源依存度與潛在固體廢棄物風險，以及制定資源可持續利用管理與環境保護政策提供基礎支撐。endprint

一、海島基礎設施分類及模型構建

（一）物質存量研究體系

“物質存量（Material Stocks， MS）” 是產業生態學中的一個概念，泛指在社會中具有社會經濟產出功能、可為人類日常工作和生活提供服務功能的產品或物料的含量，一般以質量為計量單位[7-8]。針對社會系統的物質存量研究始于70多年前，但近20年來隨著全球城市化進程的加速以及城市代謝研究的興起，相關研究才開始逐漸受到人們的關注，并迅速發展成為產業生態學及區域可持續研究領域的新熱點[9-10]。

基礎設施材料涉及物質種類繁多，體量不一，開展系統性研究的數據可獲性差。因此，國內外基礎設施物質存量的研究多集中于發達國家和地區，以及一些大城市等統計數據較完備的區域[11]。Wiedenhofer等[12]分析了歐盟25個國家的建筑和交通網絡的物質存量；Mastrucci等[13]評估了阿爾澤特河畔埃施市的全部建筑物的物質存量及其在廢棄階段不同處理方式的環境影響；Fishman等[14]計算了日本和美國1930—2005年建筑材料的物質存量；Guo等[15]以及Huang等[16]分別以北京道路系統和北京、天津、上海的基礎設施存量為研究對象，分析了存量的構成及空間分布。

海島作為一類地理屬性相對封閉、邊界明確的特殊陸地生態系統，是開展獨立系統物質代謝研究的天然實驗區。為克服數據缺乏以及統計數據精度較低的問題，準確把握海島基礎設施物質存量的現狀和變化特征，本研究采用“自下而上（Bottom-up）”的存量分析思想，將研究對象分解成多個存量單元，通過對每個存量單元的再分級和子單元的存量計算，加和得到系統總存量[17-19]。例如，Schebek等[20]將萊茵—美茵地區非居民建筑物分成12類存量單元，通過計算各存量單元的參考建筑所含建筑材料物質存量，得到每一種存量單元的物質存量以及整個研究區各種建筑材料的物質存量。該研究體系不僅可揭示存量對象的內部組成和結構，克服基于“自上而下（Top-down）”方法難以解決的“存量黑箱”問題[7]，并且通過運用跨學科知識和前沿的信息獲取技術，較傳統基于社會統計數據的研究可獲得更高精度和時效性更強的存量信息，拓展了物質存量研究的范圍及深度。

（二）海島基礎設施物質存量分類

基礎設施一般是指為生產、生活提供基礎條件的、成套的工程構筑和設施[21]。一些城市代謝及區域尺度的研究并沒有將基礎設施深入分類，僅研究其總體或所含的少數建筑材料的物質存量。本研究結合基礎設施存量的相關研究以及充分考慮有居民海島的現實開發利用情況[16，22]，將海島基礎設施物質存量分為3個主要存量單元共11個存量子單元，涉及12種主要的建筑材料（見圖1）。

根據基礎設施的功能及結構，海島的基礎設施物質存量分為建筑、交通基礎設施以及管線基礎設施3個存量單元，各類基礎設施根據功能及結構差異性再劃分成若干子類單元（見圖1），每一類存量子單元依據該設施物質清單公式計算水泥、沙子、碎石、鋼材等各類建筑材料的投入量。

（三）海島基礎設施物質存量計算模型

1.建筑單元存量計算

本文采用“物質強度”法計算海島建筑的建材含量[13，20，23]。對于住宅、商業建筑與公共服務性建筑，屬于同一種結構的不同建筑的單位使用面積耗材特征相似，故可根據各類住宅單位使用面積各種人工材料總量MSBij1與海島范圍內該類建筑的總使用面積SBj1的乘積近似表示其物質存量總量。工廠、養殖場與農舍等工農業生產建筑的結構與材料取決于研究區的實際社會背景，且通常缺乏詳細的統計信息，因此，本研究將功能相近、結構相似的工農業生產建筑歸成一類，根據各類建筑的樣本施工圖進行結構分解，分別計算各結構的建筑材料的使用量，反向疊加得整個存量子單元的物質存量值。其公式為：

式（3）中，MSBij1為第j1類結構建筑單位使用面積的i類建筑材料的消耗量，SBPj1、SBCj1與SBRj1分別為第j1類結構住宅、商業建筑與公共服務性建筑的總使用面積，MSBij2k為第j2類工農生產性建筑的k結構中單位體積材料i的含量，VBPj2k為第j2類工農生產性建筑的k結構的總體積。

2.交通基礎設施單元存量計算

（四）基礎設施物質存量變化人文驅動力因素分析模型

為分析基礎設施整體和各種建筑材料的物質存量在海島變化的人文驅動力因素，研究引入IPAT模型。IPAT模型是一種描述人文驅動力對環境壓力影響的簡便量化分解模型[24]，目前廣泛應用于研究環境影響與人口經濟發展的關系[25]。

物質存量是人類活動對自然資源的占有量和潛在的建筑廢棄物量，可視為一種環境影響，一些學者利用該模型定量研究影響物質存量變化的人文因素。本文基于Steinberger等[26]和Schandl等[27]的研究成果，以海島人均生產總值GDP/P代表A；以物質存量強度MS/GDP，即生產單位GDP所需要的MS代表T。P、A和T三個變量對I的影響強度的自然對數變化量可表示為：

通過比較每個指標值5年前后自然對數變化量占△ln（MS）的百分數來判斷其對MS變化的貢獻程度。

二、研究區概況及參數獲取

（一）山東廟島概況

廟島隸屬山東煙臺長島縣，位于廟島群島西南部，島陸面積1.73 km2，南距蓬萊12.1 km，東離南長山島3 km，至2015年底擁有人口447人。廟島是一座以水產養殖與捕撈業為主導、加工業和旅游業為輔的典型北方小型海島。隨著長島縣打造我國北方生態旅游度假島的各項配套工程的實施，2011—2016年，廟島的主要產業發展迅速，居民收入和生活水平顯著提高，各類基礎設施迎來一個興建和更新期。

（二）數據來源

1.遙感影像提取endprint

本研究基于2016年6月份的PLEIADES立體像對遙感影像（見圖2），利用三階有理函數模型和地面控制點，構建研究區數字表面模型DSM（1m）。通過矢量化和空間數據處理，提取各類基礎設施的占地面積、高度及其他相關信息。同時，結合2011年SPOT高分影像對比獲得各類基礎設施5年間的土地利用變化情況。

2.現場調研

課題組于2016年對廟島進行了四次實地調研。經實地調查測量，修正補充衛星影像，獲取各建筑物層數及部分基礎設施結構與材料信息；現場測量碼頭周邊海域水深等數據；通過開展廟島居民問卷調查（有效回收35份問卷），收集民居在研究時間段內的修繕情況；碼頭及部分基礎設施清單數據根據走訪島上住戶及相關建筑施工單位獲得。

3.其他參數獲取

海島管道信息、島嶼歷年居民人口與GDP值等由廟島開發管理處和長島縣發展改革和統計局提供，廟島發展歷史和地理信息等來源于《長島縣志》，其余基礎設施單位面積耗材量數據基于相關文獻[28-32]、建筑規范、工程案例清單和商業數據庫。

三、結果與分析

（一）廟島基礎設施物質存量現狀構成分析

根據前文各存量單元的物質存量計算公式及廟島基礎設施相關數據計參數，分別計算得出2011年與2016年研究區基礎設施物質存量（見表1）。

1.存量單元物質存量現狀構成分析

目前，廟島基礎設施物質存量達292.5kt；各存量單元的物質存量值關系為：MSB>MST> MSP，且MSB為202.1kt，幾乎等于MST與MSP的總和。可見，廟島建筑的規模遠大于其他基礎設施的規模，即研究區內為發展基礎設施所調用的自然資源，主要用于建造提供住宿、生產和公共服務功能的建筑。

2.存量子單元物質存量現狀構成分析

MSB中，民居建筑單元和工農業生產性建筑單元的物質存量占絕大部分，分別為54.0kt、147.9kt。結合廟島現狀，生產性建筑主要包括養殖池、加工廠及附屬的宿舍與倉庫，表明當地水產養殖和加工業明顯依賴基礎設施和自然資源。道路基礎設施存量單元與港口基礎設施存量單元分別為23.7kt和62.0kt，大約為1：3，反映出港口規模大于道路基礎設施規模。廟島的供水管道是當前唯一的管道基礎設施，即MSP為4.3kt。

3.建筑材料物質存量現狀構成分析

目前該島投入最多的物質材料為碎石，占總存量的24.37%；石材次之，占總存量的24.08%；磚塊和沙子依次占存量的24.06%和18%。上述四種人工物質是組成該島基礎設施的主要建筑材料，其余建筑材料在島上的積累量明顯較少，總量不足MSTotal的10%。碎石主要存在于MST，PVC主要積累于MSP，MSB包含其他建筑材料的絕大部分存量。

（二）廟島基礎設施物質存量動態變化分析

1.存量單元物質存量動態變化分析

2011—2016年，廟島基礎設施物質存量整體呈增加趨勢，增量為62.0kt，增幅27%。MSN和MST的增量最大，占總增量的51.29%和48.59%，MST的增幅最為顯著，MSN的增幅次之（見圖3）。MSP的增量較小，為總增量的0.12%，且增幅較弱。

2.存量子單元物質存量動態變化分析

MSB的增加量最大，為31.8kt。其中，民居建筑與公共服務性建筑的增加量較少，其和僅為2.5kt；生產性建筑物質存量的增加量約為29.3kt，占MSB變化量的絕大部分，表明5年內海島水產養殖和加工業以大量消耗島外自然資源為代價，實現了產業規模的擴大。道路基礎設施與港口基礎設施的物質存量分別增加3.9kt和26.3kt，即廟島的島陸和海上交通基礎設施均得到改善。新自來水管道于2013年的鋪設導致了研究區內MSP的增加，增量約65t。由此可見，“工農業生產性建筑”和“港口基礎設施”是物質存量增量最大的兩個子單元，增量占總增量的89.7%。

3.建筑材料物質存量動態變化分析

瓦的物質存量略有下降，而其余建筑材料的物質存量均增加。由圖4可知，5年內廟島基礎設施中增量最大的5種建筑材料依次是磚塊、碎石、沙子、石材和水泥。然而，增幅最大的5種建筑材料依次為PVC、瓷磚、磚塊、鋼材、水泥和碎石，其中，PVC的增幅最為顯著。可以預測，廟島基礎設施的發展在未來對PVC和鋼材等高耗能建材產品的需求量將會增大。

從物質流的角度來看（見圖5），運入島內的水泥、沙子、碎石和石材等大宗建筑材料主要用于交通基礎設施的建設項目，其次是興建各種非民居建筑，少量成為當地居民擴建房屋的材料。木材、磚塊、鋼材、鋁合金和玻璃物質存量的增加主要是水產養殖和加工廠、宿舍以及公共建筑建設的結果；另外，道路、碼頭的新建工程以及民居的擴、改建也促使這些材料在海島范圍內的積累。進入研究區的絕大部分PVC是供水管道，其余則以交通設施和建筑部件的形式滯留于其他存量單元中。

（三）物質存量變化的人文驅動力因素

基于公式7，計算得到△In（MSTotal）、△ln（P）、△ln（GDP/P）和△ln（MSTotal/GDP）分別為0.24、0.04、0.15和0.05。各人文驅動力因素對MSTotal增長的貢獻度如圖6所示。

計算結果表明，廟島5年內人口（P）、人均生產總值（A）和物質存量強度（T）三個因素的增加均帶動了人工物質積累于島上的基礎設施中；其中，人均生產總值的增加是導致各種人工物質在研究區內基礎設施中積累的關鍵人文驅動力因素。此外，由△（MS/GDP）>0可知，廟島的基礎設施創造單位GDP所需的物質存量增加，即其資源的使用效率及滿足社會經濟活動發展的能力在5年內有所降低。

四、討論與政策啟示

（一）優化海島產業結構endprint

由前文可知，水產養殖和加工業相關建筑的物質存量，既在當前MSTotal中占據大量份額，也是5年內物質存量增加最大的存量子單元；從建筑材料的角度來看，這些基礎設施對磚塊、鋼材等廟島無法自給的高耗能人工材料需求量較大，其建設工程也是上述建材于5年內在島內積累的重要原因。從人文驅動力因素分析結果來看，作為當前研究區內的支柱產業，水產養殖和加工業雖然直接促進了該島人均生產總值的增長，但這種增長方式也使基礎設施物質存量顯著增加。即該產業規模的擴大在提高當地人均收入的同時，卻以消耗更多的自然資源為代價。

政府應積極引進先進的水產養殖和加工技術，在現有的基礎設施條件下，增加水產品產量，從而提高當地人均生產總值，降低基礎設施物質存量強度以及相關建筑材料輸入流量。同時，政府可充分利用當地自然環境和傳統媽祖文化背景優勢，基于交通基礎設施現狀，大力扶持生態旅游業等第三產業，降低居民對水產養殖業的依賴程度，從而進一步提高基礎設施物質存量使用效率。

（二）積極開發利用島內現有資源

研究區主要的建筑材料中，碎石、石材和沙子可部分由海島自給，這些材料不僅占據當前基礎設施物質存量的大部分，也是5年內基礎設施發展積累較多的成分，是交通基礎設施和各類建筑物修建工程中必不可少的物質材料。由《長島縣南五島概念性總體規劃》等文件可知，長島縣政府計劃于廟島修建環島觀光道、度假別墅和娛樂設施等項目。可以預測，上述三種物質資料未來的需求量極可能居高不下。從海島基礎設施生命周期的角度看，倘若這些建材在適當條件下于島內開采獲取，則可減少相關基礎設施建設過程中貨車與貨船因長距離運輸這些大宗建材而消耗的化石燃料，進而有效降低海島發展過程中對外界自然資源的依賴程度。

（三）合理回收利用建材

已在島內大量積累、未來需求量顯著的水泥和磚塊等建材，只能于島外獲取，且其生產的過程能耗較大。在基礎設施報廢階段合理回收利用這些建筑材料不僅能夠避免建筑垃圾長期滯留于島內所造成的環境負擔，而且可減輕島外一次資源消耗量，實現區域可持續發展。其中，基于相關文獻[33-35]提供的回收率，廟島基礎設施的部分建筑材料理論回收量如表2所示。

因此，相關部門在舊建筑拆除改建過程中，應盡可能篩選出完整的磚塊，直接作為某些低質量要求設施的材料（如院墻砌體）；可將不完整的磚塊，以及水泥碎塊、黏土瓦和瓷磚經分類和簡單處理后，充當某些基礎設施的碎石材料源；對于鋼材和玻璃等生產和回收工序復雜的建筑材料，應收集并統一運至島外集中回收處理。

五、結論與展望

當前，廟島基礎設施整體處于發展與優化狀態，2011—2016年其物質存量共增加62.0kt，現為292.5kt。研究區內基礎設施的物質存量集中于工農業生產性建筑中，主要用于維持水產養殖業和加工業發展。此外，以水產養殖場和加工廠為主的建筑以及港口交通設施的興、改建工程是導致5年內基礎設施物質存量增加的主要原因。碎石、石材、磚塊、沙子和水泥等傳統建材是廟島基礎設施中當前積累最多的建筑材料，也是5年內增加最多的建筑材料，PVC、鋼材和瓷磚等新型成品建材的需求量明顯增加。2011—2016年，人均生產總值的增加是促進廟島基礎設施物質存量增加的主要人文驅動力因素。在研究時間段內，基礎設施的自然資源使用效率及滿足社會經濟活動發展的能力有所降低。基于上述結論，政府可通過優化海島產業結構、積極開發利用島內現有資源、合理回收利用建材等措施，降低廟島因興建基礎設施帶來的資源浪費與環境壓力。

從國家海洋戰略及藍色經濟相關規劃，以及有居民海島結合自身的區位優勢和涉海產業自我發展創新的角度來看，我國海島各方面事業的發展前景廣闊，海島的物質流、能量流的輸入將日益增大。海島的生態環境及資源可持續等的問題也將逐步成為新的研究熱點，而對海島生態系統的研究又可為城市的發展及其他生態系統的研究提供新的思路與方法。下一步的研究中，我們也將選擇不同區位、面積、人口以及開發利用方式的海島作為研究區，開展更多的海島物質流及能量流案例分析，為海島物質代謝研究以及面向資源、環境可持續的海島基礎設施規劃管理提供理論支撐。

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[責任編輯 張桂霞]endprint