基于能值分析山西省生態經濟系統可持續研究

蘇 慧，張仲伍*，張興毅，王 娟

(1.山西師范大學 地理科學學院，山西 臨汾 041000；2.山西省發展和改革委員會宏觀研究院，山西 太原 030000)

【研究意義】隨著經濟深入發展，資源與環境的矛盾進一步突顯，生態環境惡化嚴重，對區域經濟的可持續產生了嚴重影響，生態經濟的建設迫在眉睫。可持續發展注重于經濟增長模式的長遠發展，生態經濟系統將自然生態系統和社會經濟系統有機結合，系統內部存在著各種物質和能量的交換。【前人研究進展】能值理論創立于20世紀80年代，創立者是美國著名生態學家H.T.Odum等[1]。我國學者藍盛芳等[3]對能值理論進行了一系列研究，能值方法被廣泛應用于海洋生態系統[4-5]、農業生態系統[6-11]、城市生態系統[12-16]、生態經濟系統[17-23]等系統的可持續發展研究。在能值理論分析生態經濟系統的可持續發展研究中，嚴茂超等[17]運用能值理論，對主要能值指標進行了系統研究，并與其它國家進行了比較分析，為西藏可持續發展提供建議；杜鵬等[18]選取了七項能值指標研究甘肅生態經濟系統的可持續發展；李松等[19]通過繪制生態經濟系統能值表和能值計算，利用幾何平均數分析了貴州省可持續發展現狀和趨勢；孫玥等[20]基于能值理論構建了遼寧省生態經濟系統評價體系，對遼寧省生態經濟系統的發展趨勢以及可持續能力進行了全面評價；王鵬等[21]通過計算2010-2015年寧夏各能值指標，繪制寧夏生態經濟系統評價表，分析其可持續發展狀況；王鵬成[22]等基于能值理論對威海市生態經濟系統可持續發展能力進行定量研究；卓瑪措等[23]通過繪制能值分析表和建立能值評價體系對青海省生態經濟系統可持續發展能力進行評估，對其提出相應的可持續建議。從研究內容來看，國內學者主要集中于研究區域能值以及可持續發展的時間變化特征[24]，關于生態經濟系統的能值評估和可持續狀況空間變化的研究較少。【本研究切入點】本文在計算山西省各市域能值指標的基礎上，運用ArcGis自然斷點法分析各地區可持續發展能力的空間特征和區域差異。【擬解決的關鍵問題】為山西省生態經濟系統目前存在的問題提供方法建議和理論依據，提高區域經濟可持續發展能力。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

山西省位于黃河中游東岸，總面積15.67萬km2，地處黃土高原，地貌復雜，山巒疊嶂，總體東北高西南低。山西省屬于典型的溫帶季風氣候，降水時空分布不均勻，集中于夏季，且受地形因素影響較大。山西省礦產資源豐富，多種礦產資源出口量居全國前列，尤其是煤炭資源的儲量以及開采量長期以來高居全國首位，在我國經濟發展和能源安全方面發揮著關鍵作用。全省經濟發展主要依賴于資源和環境，長期的粗放型經濟造成了比較嚴重的結構型污染，環境惡化迅速蔓延，生態破壞日趨嚴重。隨著城市化快速發展，資源環境壓力不斷增大，與經濟的矛盾進一步凸顯。增強可持續發展能力，建設生態經濟是解決山西經濟問題的首要途徑。

1.2 數據來源與處理

本文數據主要來源于2016山西省年鑒，山西省資源調查報告以及山西省環境質量公報等資料。研究中所涉及到的太陽能值轉換率主要來源于前人研究成果[3]，能值折算系數來源于文獻[25-26]，采用9.44×1024sej/a全球能值基準值。

圖1 山西省行政區劃Fig.1 Shanxi province administrative division

1.3 研究方法

1.3.1 能值理論 在能值理論中用太陽能值來衡量某種物質的能量，即流動或儲存的能量含有的太陽能，單位是太陽能焦耳(sej)[1]。單位能量或物質所含的太陽能量稱為太陽能值轉換率[3]，其單位是太陽能焦耳/焦耳(克)，即sej/j或sej/g[3]。某物質的能值計算方法為：能值(sej)= 能值轉換率(sej/j)×能量(j)[4]。能值理論使不同種類的能量可以進行比較，將經濟、自然、社會子系統有機結合起來。

1.3.2 ArcGis自然斷點法 自然斷點法作為一種統計方法，它根據數值統計分布規律分級，可以使類與類之間的不同最大化[6]。運用自然斷點法可以將一組數據分為若干級別，便于對數據進行比較和歸類。將自然斷點法與ArcGis軟件相結合，有助于進一步分析數據的空間差異。

2 結果與分析

2.1 山西省生態經濟系統能值結果分析

山西省生態經濟系統能值評價表中可更新資源有太陽能、風能、雨水化學能、雨水勢能、地球旋轉能；可更新資源產品包括糧食、油料、蔬菜、水果、肉類、牛奶、水產品、禽蛋等；不可更新資源包括原煤、電力、水泥、鋼材、生鐵、化肥、焦炭；貨幣流包括進出口貿易；廢棄物包括固體廢物和廢水(表1)。

山西省生態經濟系統能值總量為2.39×1024sej，其中可更新資源能值2.96×1023sej；不可更新資源能值2.10×1024sej，其比重達到87.62 %，說明不可更新資源在生態經濟系統中占主導地位，未來山西經濟發展應當注重可更新資源的開采利用。

表1 山西省生態經濟系統能值統計

從能值指標項目來看，山西省生態經濟系統中的24個能值指標中，能值最高的前兩位分別是電力和原煤，說明山西省的煤炭資源以及火力發電是生態經濟系統中的關鍵因素。從能值總量空間分布來看，山西11個市域能值總量從大到小依次是大同、朔州、長治、忻州、晉中、呂梁、晉城、太原、臨汾、運城、陽泉。大同市煤炭資源豐富，能值總量最大，應該加快可更新資源的開發和經濟轉型。陽泉市土地面積小，資源相對較少，生態經濟系統能值總量最小。

2.2 山西省生態經濟系統可持續發展分析

依據能值理論，結合山西省生態經濟系統可持續性特征，以2016年山西省生態經濟系統能值數據為基礎，分別從社會、經濟和自然3個子系統以及生態經濟系統可持續發展綜合評價四個方面，分析山西生態經濟系統可持續水平以及區域差異(表2)。

表2 山西省生態經濟系統可持續指標評價

表3 山西省生態經濟系統可持續指標分級

利用ArcGis空間分析工具，分析山西省生態經濟體系可持續發展評價指標的空間特征與差異(圖1)。利用自然斷點法對各可持續發展指標進行分級，將所有指標分為3個等級(表3)。

2.2.1 社會子系統分析 本文選取能值密度和人均能值2個指標分析社會子系統。

2.2.2 經濟子系統分析 本文選取能值貨幣比和能值交換率(EER)作為經濟子系統評價指標。

能值貨幣比率是指某地區單位貨幣相當的能值量[3]，該指標越大，表示單位貨幣購買的能值量愈大，地區經濟開發程度愈低。大同、朔州和忻州屬于Ⅰ級區，大同和朔州經濟增長主要依靠自然資源開發，忻州經濟開發晚，經濟開發程度低，所以能值貨幣比率高；陽泉、呂梁、長治、晉中，晉城，臨汾屬于Ⅱ級區，這幾個市域經濟開發程度中等；太原和運城屬于Ⅲ級區，說明其經濟發展水平高，能值貨幣比率小。

2.2.3 自然子系統分析 本文選取環境負載率(ELR)、可更新資源比作為自然子系統評價指標。

圖2 山西省生態經濟系統能值空間分布Fig.2 Spatial distribution of energy value of ecological economic system in Shanxi province

2.2.4 山西省生態經濟系統可持續發展綜合分析 生態經濟系統可持續發展指標主要有能值產出率(EYR)、能值可持續指標(ESI)、能值可持續發展指標(EISD)等。

3 結論與討論

本文基于能值理論，構建社會、經濟、自然3個子系統以及可持續發展綜合評價體系，對山西省生態經濟系統的運行狀態、可持續發展水平及其區域差異進行研究。

(1)2016年，山西省生態經濟系統能值總量2.39×1024sej，其中不可更新資源能值2.10×1024sej，其比重達到87.62 %，以不可更新資源占主導地位的生態經濟系統能值結構使山西省缺乏良好的資源基礎，可持續能力低，表明今后應該加大對可更新資源開發力度，提高生態經濟系統可持續能力。

(2)山西省各市域社會子系統能值指標存在較大差異。能值密度與各市經濟發展水平比較吻合，經濟發展水平較高或資源開發較早的太原、大同、陽泉、朔州等地能值密度高。人均能值與人口和能值總量有關，最高的是人口較少的朔州，說明朔州居民生活水平高。

(3)經濟子系統方面，能值貨幣比率反映地區經濟開發程度，大同、朔州、忻州3個市域的能值貨幣比高，說明這些地區過度依賴傳統資源，經濟開發程度低；能值交換率反映系統經濟發達程度，與經濟發展水平基本一致。

(4)自然子系統方面，環境負載率和可更新資源比率都反映經濟對生態環境的壓力，可更新資源比率高的地區，環境負載率低；反之，環境負載率高的地區，都是對傳統資源依賴大的地區。大同、陽泉、太原、朔州等傳統資源型城市生態環境壓力大，環境負載率高。

(5)從山西省生態經濟系統可持續性來看，能值產出率反映系統對外經濟貢獻的程度，忻州市對外經濟貢獻最大；能值可持續指標反映經濟發展類型，晉中生態經濟系統發展最具潛力和活力；能值可持續發展指標反映系統可持續狀況和能力，運城可持續發展能力最好。

基于能值分析方法，可以將經濟、自然、社會子系統作為一個整機進行研究，解決了不同單位能量進行比較評價的問題。通過建立可持續發展評價體系，將生態經濟系統作為一個整體，多角度，更全面地對區域可持續能力和水平做出科學客觀的評估。能值理論及分析方法在生態經濟系統可持續發展研究、生態經濟效率的評估方面將發揮越來越重重要的作用。