我國鋼鐵行業資源-環境-經濟系統耦合協調分析

范鳳巖，任曉娟，柳群義

(1.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037；2.中國地質科學院全球礦產資源戰略研究中心，北京 100037；3.中國地質科學院礦產資源研究所自然資源部鹽湖資源與環境重點實驗室，北京 100037；4.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083)

0 引 言

鋼鐵行業涉及眾多部門，具有極高的產業關聯度[1]，是體現國家經濟發展水平和綜合國力的重要縮影。我國持續推進工業化、城鎮化進程對鋼鐵產生了巨大的消費需求。據世界鋼鐵協會統計，2019年中國粗鋼產量占全球粗鋼總產量的53.3%，高達9.963億t，居世界首位。鋼鐵產業作為我國經濟發展的龍頭，有力地帶動了鐵路運輸、交通、能源等行業的發展，為國民經濟持續、穩定、健康發展提供了強有力的支撐。然而，由于鋼鐵企業的生產系統包括燒結、焦化、煉鐵、煉鋼、軋鋼等多道生產工序，它們一直是能源消耗和污染物排放的大戶[1-2]。《中國鋼鐵工業節能低碳發展報告(2019)》指出，就全國能源消耗而言，鋼鐵工業占比約為11%。煙霧、粉塵、二氧化碳、二氧化硫、廢水、廢渣等污染物的排放在各工業行業中都位居前列[3]。我國鋼鐵行業的基本狀況是產量增長與高耗能、高污染并存，其發展長期面臨資源和環境的制約[4]。因此，尋求鋼鐵行業資源、環境和經濟的協調發展已成為可持續發展的客觀要求。全面考察鋼鐵行業資源、環境和經濟系統協調發展的演變狀況不僅是對踐行可持續發展理念的有益嘗試，也對產業結構升級具有一定的指導意義。

隨著可持續發展理念的深入人心，探尋資源、環境和經濟(REE)系統之間的動態相互作用及協調發展狀況逐漸成為研究的熱點。REE是一個復雜而龐大的系統，其特點是單個子系統和多個子系統中的要素之間存在不同的交互作用。部分學者專注于該領域的研究并取得了一定的進展。WANG等[5]以山東省為研究對象，在構建指標體系的基礎上，采用協調指數和綜合評價模型對其2004～2012年經濟-能源-環境(3E)系統協調度開展評價；XING等[6]利用武漢市2000～2015年數據，采用系統動力學方法構建了經濟-資源-環境(ERE)系統耦合協調度模型對四種典型情景進行分析；ZUO等[7]、WU等[8]采用同樣的方法分別對京津冀地區和北京市經濟-能源-環境(3E)系統的發展進行模擬；GUAN等[9]則將系統動力學和地理信息系統相結合對重慶經濟-資源-環境系統的進行動態時空建模；徐永輝[10]借助耦合模型，對2012～2016年四川省和重慶市資源、經濟與環境系統間的耦合協調水平進行評估；陳燕[11]采用包含非合意產出的數據包絡(DEA)模型評價了準東地區資源、環境和經濟系統之間、兩系統之間、各子系統內部的耦合協調發展程度。

隨著研究的不斷深入，資源的外延不斷擴大，資源的種類也更加豐富。SONG等[12]利用修正后的耦合度計算公式對中國11個沿海省份的海洋經濟-資源-環境系統耦合變化過程進行了描述；WU等[13]將系統動力學與土地利用轉化的小范圍效應模型相結合，探討土地資源與經濟發展和環境的相互關系；常玉苗等[14]通過構建評價指標體系，采用耦合協調度模型對我國各省市工業經濟和水資源環境的耦合度開展實證研究。在礦產資源方面，曹光等[15]、吳琪等[16]、高清等[17]嘗試對不同地區礦產資源開發與經濟發展的關系進行探討；汪中華等[18]以內蒙古草原為例，運用耦合協調度模型對其1998～2014年礦產資源開發和生態環境協調發展狀況進行評價。將礦產資源、環境和經濟納入統一的框架，楊永均等[19]將評價指標體系和耦合協調度模型相結合，對貴州省所轄9個市(州)的礦產資源開發、社會經濟發展和生態環境保護之間的協調度展開討論；方傳棣等[20]則對長江經濟帶開展情境模擬，通過協調度模型，比較了不同情景下長江經濟帶11個省市礦產-經濟-環境的協調度時空變化情況；王雪芹等[21]利用同樣的方法對山西省經濟-資源-環境系統耦合協調發展水平進行多維測度與分析。

可以看出，現有的研究大多從區域的角度對資源-環境-經濟系統及子系統之間的關系進行探討，針對礦業尤其是某一特定資源型行業的研究較少。在構建評價指標開展評價時，環境和經濟指標往往采用全社會總量指標，無法體現具體行業的特殊性。鑒于此，本文在前人研究的基礎上，構建鋼鐵行業資源-環境-經濟(REE)綜合評價指標體系，并引入加權TOPSIS法和耦合協調度模型，對資源-環境-經濟復合系統及其內部的耦合協調特征進行實證研究，以期為實現我國鋼鐵行業的可持續發展提供決策支持。

1 鋼鐵行業資源-環境-經濟耦合協調機理與指標體系

1.1 鋼鐵行業資源-環境-經濟耦合協調機理

作為原材料的生產和加工部門，鋼鐵行業的可持續發展離不開資源開發、環境保護和經濟發展之間的相互協調、相互作用(圖1)。首先，大量的原材料需要投入到鋼鐵的生產過程中，如鐵礦石以及石油、電力、煤炭等能源。資源在開發過程中會對生態環境產生影響，包括直接或間接的影響，如土地資源的損毀、地質災害等。這種負外部性一方面將影響資源的存量，另一方面會增加環境的治理成本從而對資源的開發利用產生不利影響。相反，良好的生態環境則會減少企業壓力，改善礦區居民生存環境，從而對資源保護產生積極作用。其次，在資源系統和經濟系統之間，鋼鐵行業發展所依賴的資源開發可以增加就業機會、居民收入和工業增加值，并為經濟發展提供原料。相應地，經濟發展也會進一步增加對資源的需求，從而增加對資源開發和勘探的技術投入和資本支持，為資源開發提供經濟支撐。最后，在經濟系統和環境系統之間，經濟發展加大了對資源的開發力度，造成環境壓力，但同時，人民生活水平的提高會促進對良好環境的追求，從而加大對環境保護資金和技術的支持，生態環境良好與否決定了是會為經濟發展提供保障還是會損害和限制經濟的發展[19]。

圖1 鋼鐵行業資源-環境-經濟系統耦合協調機理Fig.1 Coupling and coordination mechanism ofresource-environment-economy system iniron and steel industry

1.2 指標體系的構建

資源-環境-經濟是一個復雜、動態、多層次的開放系統[22]。無論指標如何選取，都不可能全面體現鋼鐵行業三個系統協調發展的全部內容。本文根據數據的可獲取性以及指標選取的科學性、可操作性、廣泛性和完備性原則，參考現有成果[21,23]，并結合鋼鐵行業的特點，從資源、環境和經濟三個子系統出發，選取20個指標，構建鋼鐵行業資源-環境-經濟耦合協調發展指標體系見表1。

表1 鋼鐵行業資源-環境-經濟系統耦合協調評價指標體系Table 1 Evaluation index system of resource-environment-economic system coupling coordination iniron and steel industry

1.3 數據來源

本文的研究時間為2000～2018年。資源子系統中鐵礦石產量、生鐵產量、粗鋼產量及消費量數據來源于世界鋼鐵協會及《中國鋼鐵工業年鑒》。廢鋼回收量來源于《中國再生資源回收行業發展報告》，鋼鐵行業平均用工人數來源于《中國工業經濟統計年鑒》及《中國統計年鑒》中對黑色金屬冶煉和壓延加工業的統計。經濟子系統中結構性指標如鋼鐵工業利潤占工業利潤比例、鋼鐵工業資產占工業資產比例、鋼鐵工業主營業務收入占工業主營業務收入比例、鋼鐵工業主營業務成本占工業主營業務收入比例等來源于中國統計局(1)該部分數據中鋼鐵行業亦采用黑色金屬冶煉和壓延加工業代替。網站。其余數據來源于歷年《中國鋼鐵工業年鑒》(2)由于環境子系統中個別年份數據缺失，采用年鑒中提到的增減率進行推算。。為了消除價格波動的影響，鋼鐵行業固定資產投資以2000年為基期，按照固定資產投資價格指數進行平減，鋼鐵行業總產值按照黑色金屬冶煉及延壓業工業生產者出廠價格指數進行平減。

2 研究方法

耦合協調度描述了子系統在發展過程中相互影響和協同作用的程度[19]，被證實是衡量系統間協調發展水平的有效方法。鑒于初始數據的量級和量綱存在很大差異，為了客觀有效地分析復合系統的耦合協調特征，本文借鑒現有的研究成果，首先通過加權TOPSIS法計算鋼鐵行業資源、環境和經濟子系統的評價值，并在此基礎上引入耦合協調度模型評估各系統之間交互耦合、協調發展的狀況。

2.1 加權TOPSIS法

TOPSIS法，即逼進理想解排序法，常用于有限方案多目標決策中，在多系統評價和直接體現數據源間的差異性方面具有普適性、客觀性強的優點[24]。其基本思路是通過測算評價對象與理想化目標的接近程度進行優劣排序。在實際運用中，由于不同的指標代表性不同，攜帶的信息量也不同，TOPSIS法通常需要對指標進行賦權[20]。相較于層次分析法等主觀的賦權方法，熵權法可與TOPSIS法相結合用于多指標綜合評價中以提高評價的客觀性[17,25]。評價步驟如下所述[26]。

1) 構建評價矩陣。設在一個評價系統中，有評價對象m個，評價指標n個，可以得到一個數據矩陣見式(1)

X=(Xij)m×n

(1)

式中，Xij(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)為第i個評價對象在第j個評價指標中的數值。

2) 初始數據矩陣標準化。為消除因各指標的量綱不同對評價結果造成的影響，常采用極差變換法對各指標進行處理，計算見式(2)和式(3)

(2)

(3)

Y=(Y1，Y2，…Yn)

(4)

4) 計算第j項指標信息熵的值ej，見式(5)。

(5)

式中，K=1/lnm為非負常數，且0≤ej≤1。

5) 計算第j項指標的權重wj，見式(6)。

(j=1,2,…,n)

(6)

6) 計算加權矩陣，見式(7)。

(7)

7) 確定正理想解和負理想解，正理想解Z+由Z-中每列中的最大值構成見式(8)，負理想解Y-由Y中每列中的最小值構成見式(9)。

Z+=(maxZi1maxZi2…maxZin)

(8)

Z-=(minZi1minZi2…minZin)

(9)

8) 計算被評價對象與正理想解、負理想解的距離，見式(10)。

(i=1,2,…,m)

(10)

9) 計算各評價對象與正理想解的接近程度，見式(11)。

(11)

根據以上步驟便可得到資源、環境和經濟子系統的綜合評價值。

2.2 耦合協調度模型

現有的研究大多參照物理學中耦合系數模型，推廣得到多個要素相互作用的耦合度模型[19,23,27]，見式(12)。

(12)

式中：Cn為耦合度；Un為子系統的綜合評價值。

進而容易得到二元系統和三元系統的耦合度模型見式(13)和式(14)。

(13)

(14)

式中，C為系統耦合度。C值大小反映了各子系統之間關聯性的強弱，C值越大，關聯性越強。耦合度只能表示出各系統間相關作用的強弱，無法反映系統或各要素之間的綜合發展水平[23]。

為了彌補這種不足，以真實地描繪系統協調發展水平的高低，定義耦合協調度公式見式(15)和式(16)。

(15)

T=αu(x)+βv(y)+γh(z)

(16)

式中：D為耦合協調度；T為資源-環境-經濟綜合系統評價得分；u(x)、v(y)、h(z)分別為資源、經濟和環境各子系統的綜合評價值；α、β、γ為待定系數，在研究系統整體時，認為三者之間具有相等重要性，取α=β=γ=1/3。當研究兩兩之間關系時，取α=β=γ=1/2。借鑒文獻[21]的做法，耦合協調度等級劃分標準見表2。

3 結果與分析

3.1 綜合發展水平分析

根據上文研究方法可以得到2000～2018年中國鋼鐵行業資源-環境-經濟(REE)系統及各子系統的綜合評價值見表3和圖2。

表2 耦合協調度等級劃分Table 2 Classification of coupling coordination degree

表3 鋼鐵工業資源-環境-經濟系統各年度綜合評價值Table 3 Comprehensive evaluation value of resource-environment-economy system of iron and steel industry

由圖2可知，資源-環境-經濟(REE)綜合系統評價值整體呈逐漸上升的趨勢，具體可分為三個階段。第一階段(2000～2003年)，綜合系統評價值較為穩定，雖然環境系統不斷改善，評價值不斷上升，但無法彌補因廢鋼回收利用率不高導致的資源系統評價值下降帶來的負面影響。 第二階段(2003～2014年)，綜合系統評價值穩步上升，在該期間內，鋼鐵行業作為我國節能降耗和污染減排的重點關注對象，環境系統不斷改善，資源系統評價值也隨著鋼鐵行業的快速發展不斷上升，但就經濟系統而言，由于受到金融危機的影響，2008年之后，鋼鐵行業在工業中利潤、收入、資本等占比都有所下降，說明鋼鐵行業受金融危機的沖擊較大，在工業行業中的地位和貢獻都開始下降。最終，在三個子系統的共同作用下，綜合系統的評價值緩慢上升。第三階段(2014～2018年)，受鋼鐵行業“去產能”政策的影響，資源系統中鋼鐵行業各產品的產量增速開始下降，尤其是鐵礦石產量逐年減少，經濟系統中鋼鐵行業固定資產投資也開始減少，受這兩個子系統評價值下降的影響，雖然環境系統評價值上升，綜合評價值仍緩慢下降并趨于穩定。

3.2 耦合協調度分析

根據耦合協調度模型，耦合協調度的計算結果見表4和圖3。

圖2 鋼鐵工業資源-環境-經濟系統綜合評價值時序圖Fig.2 Time sequence diagram of comprehensive evaluationvalue of resource-environment-economy systemin iron and steel industry

圖3 資源-環境-經濟系統耦合協調水平發展趨勢Fig.3 Development trend of coupling coordination levelof resource-environment-economy system

表4 鋼鐵行業資源-環境-經濟系統耦合協調度分析表Table 4 Table of coupling coordination degree of resource-environment-economy system in iron and steel industry

鋼鐵行業資源-環境-經濟系統之間的耦合協調度整體處于上升階段，除2000年極度失調外，系統實現了由勉強協調到良好協調的過渡，表明系統演進的整體趨勢呈良性發展狀態。2000年綜合系統的耦合協調度為0，這主要受環境子系統的影響，在整個研究期內，環境系統的各指標均呈下降趨勢，受研究方法所限，環境系統的評價值在2000年為0，2018年為1(表3)，因而耦合協調度在2000年出現極值。總體來說，隨著鋼鐵行業結構調整與優化，資源的開發和管理方式逐步改善，鋼鐵企業的生產規模和競爭力有所提高，從而推動系統呈現出良好的協調發展狀況。

就資源-環境系統而言，兩者的協調度大體呈現增長狀態，這主要由于鋼鐵行業是高污染、高排放行業，一直以來國家對于鋼鐵行業節能減排十分重視，大范圍高強度節能減排政策使環境發展水平不斷改善，相應地，資源-環境的耦合協調度不斷優化。

資源-經濟系統耦合協調度與資源系統的發展水平基本呈現相同的趨勢。起初，受低水平資源發展水平的影響，資源-經濟系統耦合協調度由2000年的0.598 6下降到2003年的0.508 6；之后，經濟發展遇到資源行業十年黃金發展期，資源-經濟系統耦合協調度開始上升，雖然金融危機對經濟系統產生負面影響，但對資源系統的影響不大，最終資源-經濟系統耦合協調度的方向未受影響，但其強度減弱，因而2003～2014年資源-經濟系統耦合協調度緩慢上升。2014年后，鋼鐵行業受國際金融危機的深層次影響，供需矛盾突出，化解過剩產能的措施使得資源-經濟系統耦合協調度下降，鋼鐵行業進入深度調整階段。

經濟-環境系統與資源-環境-經濟(REE)系統的耦合協調度發展趨勢基本相同，整體協調水平不斷優化。在建設資源節約型、環境友好型社會的大背景下，保證鋼鐵工業綠色發展和產業結構升級是可持續發展的重要舉措，研究期內，環境綜合評價指數受節能減排政策的影響總體呈現不斷上升趨勢，耦合協調水平也不斷改善。

4 結論與建議

4.1 結論

1) 從綜合評價值來看，資源-環境-經濟(REE)綜合系統評價值經歷了由平穩-上升-平穩的發展趨勢。在研究期內，資源系統總體呈倒N型波動上升，環境系統表現良好，評價值始終呈上升態勢，經濟系統評價值前期緩慢上升，2008年受到全球金融風暴影響出現下滑。

2) 從耦合協調發展水平來看，資源-環境-經濟(REE)系統經歷了從勉強協調到良好協調的過渡，系統的耦合協調度不斷上升。這得益于環境系統表現良好，資源-環境系統和環境-經濟系統的耦合協調水平總體上不斷優化。資源系統的發展與鋼鐵行業的發展密切相關，因而資源-經濟系統的耦合協調度具有一定的波動性。

3) 總體來看，中國鋼鐵行業資源-環境-經濟系統的耦合協調狀態不斷改善，說明鋼鐵行業的節能減排和經濟結構轉型工作取得了一定的成效，資源、環境、經濟發展的矛盾有所改善。

4.2 建議

鋼鐵行業在國民經濟中的重要地位毋庸置疑，但產能過剩、產品結構扭曲、環境不友好、優質資源短缺等問題的存在也對我國鋼鐵行業資源-環境-經濟的協調發展構成威脅。為了鋼鐵行業的可持續發展，本文通過分析并結合我國鋼鐵行業的實際情況提出如下建議。

1) 通過分析發現，雖然我國鋼鐵行業的資源系統不斷優化，噸鋼綜合能耗和污染物排放在我國各級政府高度重視以及各項制度的實施下呈逐年下降趨勢，但國民經濟發展對鋼材需求的快速增長使鋼鐵行業能源消費總量并未發生實際下降。節能激勵政策的缺失，是鋼鐵行業推行循環經濟的障礙之一。這方面可以參考國內外成功經驗，制定完善適合我國國情的政策法規，如提高鋼鐵產業在環境保護、資源利用等方面的準入門檻，通過能源服務公司、自愿協議、能效標識等方法提高鋼鐵資源的循環利用效率[28]。在能源結構的調整中，進一步提高清潔能源的使用比例，實現清潔生產。

2) 產能過?？胺Q我國鋼鐵行業的“頑疾”，縱然近幾年我國致力于供給側改革，但鋼鐵行業產能利用率不高、高品質鋼材供給無法滿足需求的矛盾依然存在。除了對原有產能進行壓縮精簡、淘汰落后以外，鋼鐵企業還可以從國內國外兩個市場出發化解產能過剩。對內通過提高鋼鐵企業各項指標，鼓勵應用高新技術增加鋼鐵產品附加值，完成從“數量”到“質量”的轉變。對外借助“一帶一路”倡議的重要契機，開展國際產能合作，消化國內產能。

3) 我國鐵礦資源對外依賴程度高，鐵礦石對外依存度從2015年起維持在80%以上，國內環保的壓力和對優質鐵礦資源的需求更加劇了這種依賴性。提高鐵礦資源保障程度，鋼鐵企業可以參與海外合作勘探開發和投資的力度，增加海外權益資源的供應。其次，運用好鐵礦石期貨等金融工具，減少價格波動帶來的不確定性[29]。