區域生態效率研究進展

胡熠娜,彭 建,,*,劉焱序,王 曼,王仰麟

1 北京大學城市與環境學院, 地表過程分析與模擬教育部重點實驗室,北京 100871 2 北京大學深圳研究生院城市規劃與設計學院, 城市人居環境科學與技術重點實驗室,深圳 518055 3 北京師范大學地理科學學部, 地表過程與資源生態國家重點實驗室,北京 100875

隨著世界經濟、人口的快速增長,資源枯竭、環境惡化、生態失衡等一系列問題不斷突顯出來,對經濟的可持續增長和區域的可持續發展造成了嚴重威脅[1]。如何協調經濟增長、資源節約和環境保護三者之間的關系,從而實現可持續發展,已成為當今世界關注的熱點問題,也是人類面臨的巨大挑戰。作為衡量自然資源滿足人類需求的效率的重要指標,生態效率這一概念不但能夠反映可持續發展理論的核心內涵,強調社會經濟發展和資源環境保護的和諧統一,也能夠定量刻畫人類與自然的耦合程度。時至今日,生態效率已成為可持續發展理論的重要實踐探索,也為區域可持續發展定量評估提供了重要方法參考。

生態效率概念由Schaltegger和Sturm于1990年首次提出,認為生態效率是產品或服務增加的價值與增加的環境影響的比值[2]。隨后,國外眾多學者和機構對生態效率的概念進行了辨析,并將其應用到產品、企業、產業、區域等多個層面[3- 6]。自Claude Fussler[7]將生態效率概念引入中國以來,國內學者在生態效率的評價與應用方面開展了大量工作[8- 10]。整體而言,研究內容方面,國外學者主要關注生態效率的概念界定和模型優化,而國內學者則更多關注于對評價框架的改進。理論應用方面,國外學者主要關注產品、企業和產業等方面,區域層面的應用相對較少；而國內學者在產品、企業和產業等層面研究較少,更多關注于對區域、城市以及國家循環經濟建設等大尺度的研究[11- 13]。

產品、企業和產業的生態效率評估能夠實現產品生產過程中的資源投入與環境損耗最小化、經濟效益最大化,從而有效提升特定行業的可持續生產水平[14]。而在區域層面進行生態效率評估,能夠客觀評估區域整體的資源配置、環境質量和經濟發展之間的效率關系,對于區域可持續發展意義更為重大。同時,從中、微觀尺度的產品,企業到宏觀尺度的產業、區域,生態效率研究中的關注對象各有側重。尤其是宏觀尺度的區域生態效率研究,將區域內部所有產品、企業、產業等要素看作一個整體,綜合評估區域內的資源-經濟-環境效率,較其他層面具有顯著差異。然而,已有研究大多將不同層面的生態效率混雜而談,鮮有專門針對區域層面生態效率研究的系統梳理。基于此,本文在明晰區域生態效率概念內涵的基礎上,重點總結了區域生態效率近年來的研究進展,并提出了區域生態效率研究的重點發展方向。

1 區域生態效率概念內涵

生態效率一詞譯自英文單詞eco-efficiency。其中,eco-既是生態學ecology的詞根,又是經濟學economy的詞根,而efficiency則表示“效率、效益”的含義[15]。因此,生態效率應兼顧生態和經濟兩個層面,從社會-自然耦合的視角來定量刻畫區域發展過程中的經濟和自然協調程度。

在Schaltegger和Sturm最初定義的基礎上,1992年世界持續發展工商業聯合會(WBCSD)在向聯合國環境發展大會提交的《改變航向：一個關于發展與環境的全球商業觀點》報告中將生態效率界定為“通過提供具有價格優勢的服務和商品,在滿足人類高質量生活需求的同時,將整個生命周期中對環境的影響降到至少與地球的估計承載力一致的水平上”[16]。這一認知揭示了生態效率兼顧社會經濟發展和資源環境保護兩方面,自此生態效率概念被廣泛認識和接受。

隨后,眾多研究機構分別從滿足人類需求、降低資源消耗、減少環境破壞等不同視角,提出了一系列生態效率的概念內涵(表1)。盡管各組織機構對于生態效率的定義有所不同,但其關鍵詞均包含了人類需求、承載力、資源、環境、可持續等方面,因此其核心內涵具有共同性,均是從投入-產出視角,以資源環境影響最小化和經濟產出最大化為目標,秉持經濟的發展不可以犧牲資源環境為代價的理念。

基于生態效率概念的核心內涵,可以認為區域生態效率直接面向區域這一經濟-資源-環境復合系統,是對其協調可持續發展水平的度量[25],其實質是通過區域內資源和資本的高效配置,在區域經濟效率最大化的同時,使得其對資源環境影響最小,從而達到區域內部經濟和環境和諧共贏,實現區域可持續發展。

2 區域生態效率研究進展

區域生態效率是對區域內部經濟發展與生態環境保護之間協調程度的度量。評估區域生態效率有助于揭示區域的發展質量,從而指導區域的協調可持續發展。國外學者對于區域生態效率的研究主要圍繞概念內涵展開,從不同視角對區域生態效率的定義進行解析,有效推動了區域生態效率研究的理論發展。隨后,大量學者開始關注區域生態效率的定量研究(圖1),從經濟產出/環境投入的單一比值方法,到DEA等模型方法的客觀評估,區域生態效率的評估逐漸成熟和完善,為定量化表征區域的發展質量和可持續水平提供了技術支撐。同時,國內外學者逐漸從靜態的生態效率研究轉變為長時間序列的空間動態評價,揭示了生態效率的區域差異和演變規律。此外,部分學者開始關注影響因素和驅動機理的研究,從而為區域生態效率的提升提供理論依據。

表1 生態效率概念內涵對比

圖1 區域生態效率研究進展Fig.1 Progress on regional eco-efficiency research

2.1 研究方法：從單一比值到模型模擬

區域生態效率的準確評價是有效提升區域可持續發展水平的重要前提。對區域生態效率評價方法的研究是生態效率研究中的熱點,如何設計適當的方法使得評價更為客觀合理是一大核心問題[17]。目前,區域生態效率研究方法主要可以分為經濟-環境比值法和模型法兩大類。

經濟-環境比值法基于WBCSD對生態效率的定義,從投入-產出視角出發,采用經濟產出和環境負荷的比值來衡量。然而,學界目前對于經濟產出和環境負荷的定量表征尚未完全統一：經濟指標方面,地區GDP是應用最為廣泛的指標[26-27],也有學者應用綠色GDP[28]、工業生產總值[29]等指標；環境負荷方面,已有研究大多從資源消耗和環境影響兩個方面分別選取多個代表性指標。例如,黃和平[30]選取能源消耗、用水、建設用地等作為資源消耗指標,COD排放、SO2排放和固體廢棄物排放作為環境影響指標對江西省進行生態效率研究。然而,多要素的融合往往存在權重設定主觀的問題。因此,部分學者將生態足跡模型、能值分析、物質流分析等方法引入生態效率研究。例如,季丹[31]基于生態足跡方法構建了區域生態效率模型,分析了我國30個地區的生態效率。李名升和佟連軍[32]應用能值分析和物質流分析構建了生態效率指標,在吉林省進行了實證分析。Liu等[33]基于城市物質代謝原理評估了廈門市生態效率。

隨著技術的革新與發展,為克服權重設定主觀等問題,學者們提出了諸多模型方法。目前應用較廣泛的模型主要是數據包絡分析模型(Data Envelopment Analysis, DEA)。該模型由Charnes、Cooper和Rhode[34]于1978年提出,能夠在不設定具體函數形式的情況下評價“多投入多產出”模式下決策單元間的相對有效性,不受限于特定的生產函數假設,且有效克服了權重設定的人為主觀性。CCR模型等早期的DEA模型中的指標體系基于投入-產出視角通常以經濟增加值為產出,資源和環境負荷為投入。隨著混合DEA模型、超效率DEA等一些新的模型出現,生態效率研究的準確性大大提高。這些模型雖然仍以資源消耗作為投入、經濟增長作為產出,但通常將環境影響作為經濟增長過程中的負面產出,而不再作為投入,從而更真實地反映實際生產過程[35-36]。例如,Huang等[37]基于改進的DEA模型以GDP為期望產出,以資本、勞動力、土地和能源為資源投入,以二氧化硫、廢水廢氣等排放作為非期望產出,定量分析了中國2000—2010年的生態效率演變。總的來說,區域生態效率的研究指標逐漸由單要素評價向多要素評價轉變,評價方法也逐漸由主觀賦權評估趨向客觀模型模擬。

2.2 研究對象：從靜態評估到時空動態

從時空尺度來看,已有研究主要基于靜態和動態的視角,在不同時空尺度上進行區域生態效率研究,從而探究不同區域的空間差異性和長時序演變規律。相較而言,早期的研究多為靜態評價,主要基于經濟-環境比值法和DEA等模型評價結果,從空間維度上進行細部差異分析。例如,王波和方春洪[38]基于因子分析評價了我國各省2007年的生態效率,并按東、中、西三大經濟帶進行比較分析。

不過,σ收斂系數、Malmquist指數等傳統的數量統計模型均建立在區域空間實體不存在任何空間關聯的假設前提之下[43]。事實上,生態效率在區域之間存在的擴散和極化效應,可以縮小或擴大生態效率的區域差異。因此,一些學者嘗試利用莫蘭指數(Moran′s I)等方法探究區域生態效率的空間聯系。例如,任宇飛和方創琳[44]在對京津冀地區生態效率進行測度的基礎上,通過全局莫蘭指數發現2006—2014年京津冀地區縣域單元生態效率存在空間正向集聚趨勢,且鄰域單元生態效率的差距有所縮減；胡彪和付業騰[45]運用空間自相關分析了中國省域生態效率全局及局域的空間差異,指出中國生態效率相近的區域在空間上表現出波動的集聚現象。這些研究均一定程度上反映了區域生態效率的空間地理關聯,直接指向了對于區域生態效率空間分異及其演化驅動機制的探討。

2.3 研究內容：從效率測度到機理認知

區域生態效率研究早期主要集中在概念的辨析、測度方法的優化和評價模型的構建等內容。對于區域生態效率評價結果的分析尚停留在簡單的數值分析,缺少對區域生態效率影響因素的探究,更沒能揭示不同區域生態效率差異的形成機理。隨著區域生態效率研究的發展,越來越多的學者開始從關注數值評估結果轉向對生態效率格局變化的驅動機理研究。例如,李在軍等[46]借助空間計量經濟模型對中國區域生態效率的影響因素進行分析,發現城市化水平及經濟發展的提高有助于提升區域生態效率,而第二、三產業比重的增加則屬于負向驅動因素。潘興俠等[47]運用空間統計和空間誤差模型對我國省域生態效率水平的空間關聯機制及其影響因素進行了定量分析,發現利用外資、人力資源、產業結構對生態效率具有顯著正向影響,而環境污染治理投資和排污收費制度對區域生態效率的影響并不顯著；Huang等[37]發現同種要素對于不同區域的貢獻有所差異,例如科技對于中國東、中、西和東北地區的生態效率增長貢獻率分別為56.87%、58.21%、18.27%、62.19%。總的來說,區域發展規模和模式、資本和環境投入是當前區域生態效率驅動機理分析的核心關注因素。

隨著驅動機理研究的不斷深入,學者們發現既有研究盡管能夠在整個時間段內揭示區域生態效率的影響因素及其作用機理,但沒能剝離不同城市化階段的差異。為了更有效地指導區域可持續發展,城市化關鍵閾值的識別成為當前研究的熱點。例如,李佳佳和羅能生[48]發現2003—2013年中國281個地級市城市規模對生態效率的影響呈現N型曲線的特征,生態效率隨城市規模的擴張先上升后下降再上升,對應的兩大城市規模閾值分別為54.48、337.22萬人。

3 區域生態效率研究展望

區域生態效率是認識區域經濟發展與生態環境協調度、衡量區域發展質量的有效指標,能夠為區域可持續水平的提升路徑識別提供科學支撐。自生態效率概念提出以來,國內外學者以可持續發展為宗旨,不斷深化生態效率的概念內涵與模型方法,取得了大量科學成果。然而,區域生態效率研究仍然存在諸多問題,主要表現為缺少區域內部精細化評估、階段性規律及其影響因素的探究不足、研究結果的實際指示意義缺乏梳理,因此已有區域生態效率研究仍難以有效指導不同發展階段區域可持續發展的時空差異化管理。

在全球快速城市化的大背景下,生態文明已成為基本國策,建設美麗中國和構建人類命運共同體是中國可持續發展的重大目標,城市化面臨著轉型挑戰。同時,隨著科技的進步,大數據和新技術的發展為區域生態效率的研究提供了新的思路和模式。新時代的區域生態效率研究面臨新的機遇與挑戰,需要在數據方法、研究內容和成果應用等方面進一步創新和拓展[49],為實現生態文明戰略做出科學貢獻(圖2)。

圖2 區域生態效率重點研究方向Fig.2 Key research directions on regional eco-efficiency

3.1 地理大數據的時空分析

已有的區域生態效率研究中使用的社會經濟發展指標主要依托統計數據,因此大多在行政區域尺度上展開[50-51]。然而,省、市等行政尺度上的研究無法清晰體現區域內部的空間異質性,且難以衡量空間關聯、溢出效應等對評價結果的影響。另一方面,傳統統計數據往往以年、月為間隔進行統計,時間連續性較差,嚴重制約了區域生態效率的動態監測。

隨著GIS和遙感技術的發展,海量的遙感監測和實時的統計數據為區域生態效率研究在多尺度上的動態空間化表達提供了重要依托。基于地理空間大數據,經濟和環境數據趨向于更加多元化和精細化,能夠更全方位地表現區域內部經濟和生態狀況以及區域間社會經濟聯系,從而大大提升區域生態效率研究的準確性。同時,區域生態效率不再是一個單一數值,而是一個更為細致的空間化表達。因此,基于這種多尺度的區域生態效率表征,從空間異質性視角探究復雜的空間關聯模式和不同的影響機理,將是未來區域生態效率研究的重要內容。

3.2 多要素集成的模型研發

評價方法的發展和完善是區域生態效率研究發展的重要支撐。從經濟-環境指標的比值評價,到生態足跡、能值分析等一系列模型的引入,再到DEA等模型的發展,極大地提升了區域生態效率研究的客觀性[52]。基于地理大數據的內在要求,區域生態效率的研究方法也需進一步深化。一方面,如何有效融合海量的多源數據,尤其是空間化的環境要素和基于統計的經濟數據之間的融合,為模型的研發提出了挑戰[53]；另一方面,區域生態效率往往在多時空尺度展開,如何構建能夠適應不同尺度、不同區域特征的可重復性較高的模型算法也是一大難點。同時,社會系統是一個開放的系統,其經濟活動不但對其內部環境具有影響,也會對其外部環境產生影響,如何利用模型模擬這種空間溢出效應,也是亟待解決的問題之一。

在今后的區域生態效率研究中,有必要考慮社會經濟統計數據的合理空間化以及多要素多尺度的有效融合。同時,應對社會-自然耦合系統中的經濟發展與環境影響的復雜關系,借助人工智能等先進數據分析手段模擬區域內、外部環境對區域經濟活動的響應機制,從而準確評估區域經濟發展對生態環境的影響,也將是區域生態效應研究的重要方法創新。

3.3 區域城市化的重點關注

全球城市化進程加快,城市區域承載了地球上超過50%的人口和80%的經濟增長[54],城市地區已成為實現人類可持續發展目標的關鍵區域[48]。然而,高速城市化進程在推動經濟發展的同時,也帶來了空氣污染、水質惡化、土壤退化等一系列生態環境問題,嚴重制約了城市地域的可持續發展[55-56]。如何在實現經濟發展的同時最大程度上保護好生態環境,即提高城市地區的生態效率,已成為新型城鎮化和生態文明建設面臨的一個重要問題[57]。城市發展與生態效率演變之間的內在機制,也是當前區域生態效率研究的重點方向。因此,實時監測城市發展不同階段的生態效率狀況,了解不同城市擴張規模、不同城市發展模式和城市化不同階段的生態效率響應,對于科學指導城市的可持續發展具有重要意義。

隨著經濟、資源等要素在全球或區域城市網絡中的流動作用,城市逐漸從孤立的點狀城市轉向相互緊密聯系的面狀城市區域[58]。城市群已成為推進中國新型城鎮化的重要空間主體,也是國家政策制定的熱點區域[59]。然而,城市群內部發展極不平衡,甚至出現兩極化的狀況,核心城市與邊緣城市間的發展極不協調。針對這一問題,可通過分析城市群內部經濟、資源等要素的空間聯系,探究經濟發展與環境影響的耦合關系,構建城市群內部的生態效率核算和預測模型,提出提升城市群整體發展質量的對策建議,為推動特大城市群地區的可持續發展、實現國家新型城鎮化戰略目標做出科學貢獻。

3.4 面向可持續的區域管治

可持續發展是新時代的主題,也是人類面臨的最大挑戰[60]。在當今全球化的大背景下,我國提出構建人類命運共同體的重大構想,加快生態文明體制改革,建設美麗中國。在這種時代使命下,我們需要走一條人與自然和諧共生的現代化道路。區域生態效率研究的核心就是對區域經濟社會與生態環境和諧發展水平的探究,因此區域生態效率提升是可持續發展最為有效的實踐之一。

進一步的研究應始終面向可持續發展目標,將區域生態效率研究從效率測度、影響因素識別、驅動機制探究逐步深化到區域生態效率的提升路徑判定,使區域生態效率研究成為區域管治的有效依托。同時,根據不同區域的經濟發展差異和生態環境本底特征,高效配置區域內外的資源和資本,從而進行具有本底特色的、科學合理的差異化區域管治,為生態文明戰略的實施和人類命運共同體的建設提供決策依據。

4 結語

區域生態效率是衡量區域發展質量的重要指標之一,能夠為區域可持續發展和生態文明戰略的實現提供重要的科學依據。目前,區域生態效率的概念界定已較為統一,即從經濟產出和資源消耗、環境影響等層面衡量區域發展的協調程度。隨著區域生態效率理論的成熟與完善,其研究方法也逐漸從經濟投入/環境影響的簡單比值評估發展為更為客觀的模型模擬。同時,生態效率研究不再停留在靜態的單一區域層面,而是轉向時空動態評估,影響因素及其驅動機理的研究也逐漸受到重視。

隨著“大數據”、“人工智能”等新興技術的發展,從全球到地方多尺度長時間序列的區域生態效率研究,將為不同區域發展水平的評估提供科學基礎；借助人工智能等先進數據分析手段處理多源的海量地理空間數據及社會經濟統計數據,是區域生態效率研究的技術導向；在全球高速城市化的大背景下,關注特大城市群地區,探究不同城市化規模、城市化模式和不同城市化階段的生態效率,對于新型城鎮化建設具有重要意義；面向全球和區域的可持續發展目標,測度不同區域的發展質量,厘清不同區域的影響機理,將為區域的差異化管治和特定發展路徑的識別提供重要的決策依據。