基于IPAT模型的中國園林綠化廢棄物產量影響因素與時空特征研究

舒天楚

蔡文婷

郭含文

李 旭

聶小琴*

園林綠色化廢棄物或綠色廢棄物(以下簡稱“園林綠化廢棄物”)是指園林植物自然凋落或人工修剪所產生的枯枝、落葉、草屑、樹木與灌木剪枝及其他植物殘體[1]。近些年來，隨著“園林城市”及“公園城市”建設的持續推進，我國加大了對城市園林綠化的投資力度。截至2019年底，全國完成城市綠地建設226.94萬hm2，城市建成區綠地率、綠化覆蓋率分別達37.63%和41.51%，城市人均公園綠地面積達14.36m2[2]。隨著綠化面積的迅速擴大，城市園林綠化廢棄物產量快速增加，園林綠化廢棄物因含有豐富的有機物和營養物而不同于日常生活、醫用、工業生產等垃圾[3]。因此，園林綠化廢棄物的再利用已經成為各地政府與諸多研究者關心的問題。

國外有關園林綠化廢棄物的相關工作開展較早，其經驗技術及政策、法律法規也較國內成熟，以美國、歐盟和日本較為突出。1994年美國環保署(EPA)發布了有關園林綠化廢棄物和生活垃圾的堆肥法則[4]和園林綠化廢棄物的處理方法及有關規定。英國制定了“禁止泥炭進行商業性應用”的10年計劃，以園林綠化廢棄物腐熟有機物等替代物取代泥炭[5]。日本在2000年通過制定《促進再循環產品采購法》把園林綠化廢棄物資源化處理的生態產品全部納入政府采購清單[6]。我國園林綠化廢棄物資源化利用尚處于探索階段，完整的產業鏈條尚未成型，園林綠化廢棄物資源化利用的首要障礙是相關政策法律的缺失。園林綠化廢棄物的收集收運涉及多種不同的責任主體，導致我國園林綠化廢棄物產量尚未形成完善的“臺賬”統計體系，無論是國家還是各地方層面均無科學、完整的園林綠化廢棄物產量產生數據。

園林綠化廢棄物資源化再利用是綠色、低碳、循環發展的必然趨勢和主要內容。目前，國內外對園林綠化廢棄物的研究主要集中在園林綠化廢棄物的產量估算、處理現狀和資源化利用現狀[7]。如春建偉[8]等通過調查和分析，對深圳市園林綠化廢棄物的產量進行了估算。劉瑜[9]等對園林綠化廢棄物的資源化利用現狀進行詳細分析。目前學者更多關注園林綠化廢棄物的產量，而對于園林綠化廢棄物產量的動態變化特征關注較少。另外，園林綠化廢棄物研究區域也主要集中在單一城市[10-12]，而對全國層面上園林綠化廢棄物產量的時空特征研究卻很少。此外，園林綠化廢棄物的產生受到多方面因素影響，目前大多數研究缺少對環境、經濟等因素的科學性研究，因此對影響園林綠化廢棄物產量的因素進行分解和實證分析是必要的。IPAT模型是用于研究經濟增長與能源消耗的經典模型，徐國泉等[13]通過IPAT模型與Divisia對數平均權重分解法從能源效率、能源結構等方面對中國碳排放因素進行實證分析；許博等[14]基于IPAT的演變模型STIRPAT從城市化水平、人口規模和家庭規模等影響因素出發對生活垃圾產生量的區域差異進行分析；而將該模型應用于研究園林綠化廢棄物產量的驅動因素較少。

本研究基于2011—2019年中國城市園林綠化廢棄物產量面板數據，對全國的園林綠化廢棄物產量現狀進行動態特征分析和時空特征研究，進一步研究了園林綠化廢棄物產量的空間分布特征，并將全國分為七大地區進行比較分析。另外，以IPAT模型為基礎，建立固定效應模型，分別從全國和區域深入探究環境因素、經濟因素、城市因素和綠地因素對園林綠化廢棄物產量的影響，剖析4種因素對園林綠化廢棄物產量的貢獻效率[14]，從而探究影響園林綠化廢棄物產量的關鍵因素，同時為政府制定并實施有效的園林綠化廢棄物可持續管理提供理論依據。

1 研究方法

1.1 數據來源與處理

本研究中，2011—2019年各省、直轄市和自治區的城市人口、地區生產總值(GDP)均取自《中國統計年鑒》[15]；各地區城市建成面積、建成區綠地率和建成區綠化覆蓋率均取自《中國城市建設統計年鑒》[2，16-18]。另外，由于我國園林綠化廢棄物產量數據統計的嚴重缺乏，已有的統計方法口徑和參考值不同，缺乏科學性；本文根據以往研究[1，8-9]，核算出各地區園林綠化廢棄物年產量計算公式為：

從而統一各地區計算參數標準，式中，G為園林綠化廢棄物年產量(104t/a)；L為城市建成區綠地面積(km2)；?為園林綠化廢棄物產量系數(t/hm2)，即每公頃綠地每天產生園林綠化廢棄物量為0.04t；T為產生時長(d)。

1.2 模型建立

1971年，Ehrlich[19]等提出了IPAT模型，即I=PAT，式中，I、P、A、T分別代表環境壓力(Impact)、人口(population)、經濟(affluence)和技術(technology)。此后，Commoner[20]在1992年闡釋了人口、財富與環境壓力之間關系的基礎上，提出了經典的IPAT模型。

本研究中，園林綠化廢棄物產量的基本公式為：

式中，C為園林綠化廢棄物產量；A為建成區綠地面積；E為城市建成區面積；Y為城市經濟生產總值(GDP)；P為人口。選取的變量名稱、符號和單位如表1所示。

表1 變量選取

式(3)表示，人均園林綠化廢棄物產量Z的變化來自S(綠地建設)的變化、F(環境壓力)的變化、I(城市發展)的變化和R(經濟發展)的變化。則第t年相對于基期的人均園林綠化廢棄物產量變化為：

基于式(4)，本文采用Divisia對數平均權重分解法[21]對其進行分解，各因素分解結果為：

對式(5)兩邊取對數得：

對應式(4)和式(8)，可設各項相應成比例為：

假設可為任意常數[13]，設：

則：

1.3 分析方法

本文采用我國31個省份、直轄市和自治區(除港澳臺)的人口、經濟生產總值(GDP)、城市建成面積、建成區綠地率和建成區綠化覆蓋率等面板數據，深度分析了我國城市園林綠化廢棄物產生的時空特征和動態特征。利用IPAT模型對環境建設投入強度、單位綠地園林綠化廢棄物產生效率、單位城區面積產值以及人均經濟產值進行貢獻能力分析。最后基于研究成果對各地區園林綠化廢棄物產量特征進行歸類性分析。

1)我國城市園林綠化廢棄物產量時空特征分析。

從園林綠化廢棄物產量的動態特征和時空特征兩方面，分析我國“十二五”至“十三五”以來各地區園林綠化廢棄物產量與其人口、GDP和建成區綠地面積的協同變化趨勢。為統一各地區園林綠化廢棄物產量生成系數和口徑，本文所涉園林綠化廢棄物產量均由式(1)得出。另外，本文按區域位置將全國分為東北地區(黑龍江省、吉林省、遼寧省)；華東地區(上海市、江蘇省、浙江省、安徽省、福建省、江西省、山東省)；華北地區(北京市、天津市、山西省、河北省、內蒙古自治區)；華中地區(河南省、湖北省、湖南省)；華南地區(廣東省、廣西壯族自治區、海南省)；西南地區(重慶市、四川省、貴州省、云南省、西藏自治區)；西北地區(陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區、新疆維吾爾自治區)。

2)城市園林綠化廢棄物產生的因素驅動模型分析。

此前對影響城市園林綠化廢棄物產生的因素研究較少，目前對城市園林綠化廢棄物的界定關鍵詞為“自然凋落”和“人工修剪”，根據前期調研基礎和相關研究成果，本文將人口因素、環境因素、城市因素和綠地因素作為可能影響其產量的首要因素。為進一步分析各地區園林綠化廢棄物產生的影響因素，本文通過建立IPAT模型并采用Divisia對數平均權重分解法判斷不同因素對園林綠化廢棄物產生的貢獻驅動能力。

3)城市園林綠化廢棄物產生特征歸類性分析。

基于因素驅動模型分析結果，將不同影響因素地區進行歸類性分析，并將歸類結果分為“平衡型地區”“S型地區”“I型地區”和“R型地區”。

2 結果與討論

2.1 我國園林綠化廢棄物產量動態特征

由圖1可見，2011—2019年近10年間我國園林綠化廢棄物產量增長顯著。與此同時，由于城市化水平的提高和農村人口不斷向城市遷移，我國城市人口由35 425.6萬人增加到43 503.66萬人，給城市帶來較大壓力。由于城市人口數量和其所占比例不斷增加，加上居民生活水平的提高，以及我國加大了對園林綠化的投資力度，使得我國園林綠化廢棄物產生總量也不斷增長，由2011年的2 245.31萬t增長到2019年的3 313.38萬t。這與我國的城市人口和GDP增長趨勢基本相同(圖1、2)。此外，隨著我國進入生態文明建設時代，園林綠化的投資力度逐步加大，城市綠地率逐漸提高，由2011年的35.27%增長至2019年的37.63%，這與我國園林綠化廢棄物產量的變化趨勢基本相同(圖3)。2011—2019年我國園林綠化廢棄物產量增長了1 068.07萬t，增長速度較快。

圖1 園林綠化廢棄物產量和城市人口的變化趨勢

圖2 中國園林綠化廢棄物產量和GDP的變化趨勢

圖3 園林綠化廢棄物產量和建成區綠地率的變化趨勢

2.2 我國園林綠化廢棄物產量的空間特征

2.2.1 我國園林綠化廢棄物產量區域比較

從產生總量看，2006—2019年，我國不同區域園林綠化廢棄物產生總量差別較大。從表2可以看出，2006—2011年，2011—2016年，2016—2019年，全國園林綠化廢棄物產生總量分別增長36.37%，20.90%，17.38%，同時各區域園林綠化廢棄物產量的增長率也均呈降低趨勢。增長率降低的主要原因是我國近些年來對園林綠化廢棄物管理的逐步加強及資源化處置能力的提高。值得關注的是，由于轉運和末端處置能力的不足，我國城市每年產生的園林綠化廢棄物中會有一部分未得到妥善處理而堆積貯存，這也加大了第二年的處置需求。2012年以前，我國大多數地區園林綠化廢棄物的資源化處置率較低，僅在少數試點城市擁有較高的資源化率，我國園林綠化廢棄物處置方法以填埋為主，焚燒為輔。以北京市為例，2012年北京市園林綠化廢棄物資源化率不足5%，2007—2015年北京市相繼出臺了《關于建設節約型城市園林綠化的意見》《北京市園林綠化科技發展規劃(2009—2020年)》以及《園林綠化廢棄物堆肥技術規程》等相關文件和技術標準，為園林綠化廢棄物資源化處理技術和產品再利用提供了方向和政策支持。2015年，北京市新建4處園林綠化廢棄物資源化處理中心，資源化率達到15%，而同年廣州市資源化率已超過到50%[22]。北京市園林綠化局于2016年發布了《關于全面禁止燃燒園林綠化廢棄物推進資源化利用的意見》，建立杜絕焚燒和監管機制，并力爭到2020年基本建成園林綠化廢棄物綜合利用產業體系，在城區綠地和公園，集中收集綜合利用率達到100%。

表2 2006—2019年不同地區園林綠化廢棄物產量增長率(單位：%)

2.2.2 中國園林綠化廢棄物產生量的時空特征

2011—2019年我國園林綠化廢棄物產量主要集中在華東地區、華南地區、華北地區、東北地區和華中地區；西南地區和西北地區占比較小(圖4)。這可能與地區之間的經濟發展程度相關，經濟較為發達的地區，對園林綠化的投入較大，園林綠地總量增長較快，使得園林綠化廢棄物的產量逐漸增大。吉林、河北、湖北、安徽、廣西2019年園林綠化廢棄物的產量較2011年發生較大變化。這主要是因為這些省份的綠地率分別從2011年的26.41%、30.28%、32.62%、32.17%和27.06%增長至2019年的34.56%、38.58%、34.69%、39.10%和35.38%。2011—2019年間，我國園林綠化廢棄物產量呈現出東部多西部少的趨勢，因此，我們采用園林綠化廢棄物產生量作為因變量，從地區和省份層面探討城市人口、富裕程度和環境因素對園林綠化廢棄物產生量的影響。

圖4 2011、2016和2019年園林綠化廢棄物產生量的時空特征(底圖引自中國科學院地理科學與資源環境研究所.http://www.resdc.cn/)

2.3 中國園林綠化廢棄物產生的因素分析

2.3.1 數據收集、估算與整理

本文對中國總的園林綠化廢棄物產量采用以下公式進行估算：

其中，Ai為第i個城市的綠地面積；Ei為第i個城市的建成區面積；Yi為第i個城市的GDP；Pi為第i個城市的人口。通過計算得到“十二五”至“十三五”期間我國31個省份、自治區、直轄市的因素分析基礎數據。

2.3.2 因素分析

圖5為以2006年為基期的園林綠化廢棄物產生因素分析情況，可以發現，我國園林綠化廢棄物產生的主要驅動因素分別為經濟因素(R)、城市因素(I)和綠地因素(S)。結果顯示，在初始設定的4種影響因素中，環境因素(F)的貢獻率在各地區趨近于0，這也說明單位綠地面積園林綠化廢棄物產生效率并不是影響該地區產量的主要因素。另外，驅動因素集中體現在經濟因素(R)與城市因素(I)方面；其中，造成中國園林綠化廢棄物快速增長的主要促進因素是經濟因素(R)，而主要的抑制因素為城市因素(I)，也就是說，單位城市化面積的產值越高，對該區域園林綠化廢棄物產生的抑制效果更突出。

圖5 2011、2016和2019年各城市園林綠化廢棄物產量驅動因素分解情況

2.3.3 歸類性分析

基于區域內影響園林綠化廢棄物產生的主要驅動因素特征，將區域按照驅動強度進行分類。根據各省、直轄市和自治區園林綠化廢棄物產量影響因素分解情況可知，我國園林綠化廢棄物產量更多的是受經濟因素(R)和城市因素(I)的影響和驅動。因此，本文根據各因素貢獻值(Z)的計算結果，將我國各區域按因素驅動強度分為“平衡型地區”“R型地區”“I型地區”和“S型地區”，每種類型對貢獻值的界定值如表3。

表3 區域歸類界定范圍

圖6為2019年各類型地區空間分布特征情況，可以看到，我國園林綠化廢棄物的產量具有一定的區域性且不同地區產量差別較大。“平衡型”地區是指促進因素(R，S)與抑制因素(I)協同影響園林綠化廢棄物產量，我國園林綠化廢棄物產量“平衡區域”主要集中在華中地區和華北地區；“R型”地區是指城市經濟發展拉動了園林綠化廢棄物產量的增長，主要集中在西南地區的四川省和重慶市以及華南地區；“I型”地區即指城市化發展抑制了園林綠化廢棄物產量增長，主要表現在安徽省；“S型”地區是指綠地因素拉動了園林綠化廢棄物產量增長，主要集中在西藏自治區、新疆維吾爾自治區和寧夏回族自治區。

圖6 2019年各類型地區空間分布圖(底圖引自中國科學院地理科學與資源環境研究所.http://www.resdc.cn/)

4 結論

本文對“十一五”以來中國城市園林綠化廢棄物產量現狀進行動態分析和時空特征分析，并通過建立IPAT固定效應模型，從不同維度對園林綠化廢棄物產量驅動因素進行實證分析，得出以下結論。

1)從園林綠化廢棄物產量的動態特征來看，2006—2019年我國城市園林綠化廢棄物產生總量增長明顯，2006—2019年我國園林綠化廢棄物產量增長趨勢與我國城市人口、經濟水平以及建成區綠地率的變化趨勢基本一致。

2)從七大區域園林綠化廢棄物增量與時空分布特征來看，全國不同區域園林綠化廢棄物產量空間格局差異顯著。2006—2011年，我國園林綠化廢棄物產量最多集中在華東地區；15年來西南地區園林綠化廢棄物產量增量最多，這與其較高速的經濟增長和綠化建設有關。2016—2019年，我國園林綠化廢棄物產量多集中于東南地區。總體來說，我國園林綠化廢棄物產量具有較為明顯的時空特征。

3)從各地區驅動因素貢獻情況來看，經濟因素(R)、城市因素(I)與綠地因素(S)均是影響園林綠化廢棄物產生的主要驅動因素，其影響作用依次為R＞I＞S。其中，R與S是拉動城市園林綠化廢棄物產量增長的促進因素，I為抑制因素。2016年以來，城市因素(I)的貢獻率不斷增加，這是由于城市化發展速度超過了城市綠地建設速度，由此說明了我國推動“公園建設”和“生態城市”建設是城市發展的內在需求，也是以人民為中心，滿足人民群眾對美好生活和優美生態環境日益增長需求的必然要求。

4)從驅動因素歸類結果來看，2019年全國有15個城市處于“平衡型”發展模式，主要集中于華北地區、東北地區和華中地區，說明我國大部分地區園林綠化廢棄物產量處于穩定增長階段；安徽省是唯一的“I型”區域，這說明安徽省的城市化發展問題較為突出，應更注重城市的公共綠地開發與建設；“S型”區域包括新疆維吾爾自治區、寧夏回族自治區和西藏自治區，應加強該區域相關技術發展和環境建設投入。另外，全國有12個城市處于“R型”發展模式，主要集中在華東地區和華南地區，說明其園林綠化廢棄物產生問題較為突出，應加快建立園林綠化廢棄物分類收集、資源化處理的創新型全鏈條管理模式。

5 政策建議

1)明確收運鏈條，建立統計機制。

我國園林綠化廢棄物產量逐漸增大，但目前既沒有將園林綠化廢棄物納入城市固廢統計體系，也沒有專門統計機制和臺賬體系，從而導致“產量大，統計難”的現實困境。現有的統計方法多集中于不同口徑的分類計算和園林部門粗算，缺乏科學性、系統性和完整性。本文認為，園林綠化廢棄物產量統計的關鍵在于前端規模化、系統化的收集運輸模式，因此，各地區應盡快建立園林綠化廢棄物收運鏈條，建立科學的“臺賬”機制；以區域特點出發，制定地方性的園林綠化廢棄物收運規范和統計標準。

2)加強統籌協調，有序推進資源化處理與利用。

應從國家層面加強頂層設計，加快明確園林綠化廢棄物合理定位，從規劃角度加快構建園林綠化廢棄物“收集-收運-處理”系統，使之與市容環境、生態保護等城市建設內容統籌兼顧，尤其在“S型”地區，應積極制定園林綠化廢棄物的計量補貼、產業扶持等專項配套政策。對于“R型”區域和“平衡型”區域，也可通過資源化產品銷售激勵措施提高園林綠化廢棄物處理企業積極性，將園林綠化垃圾資源化利用產品納入生態修復、土壤改良、荒山造林等工程項目的優先采購范圍，促進園林綠化垃圾再利用產業發展。同時，應加快解決以“I型”和“R型”區域為主的處理場地選址難、統計體系與智能管理平臺搭建難等現實問題，積極探索公園城市理念指引的經濟發展、人居環境改善和城市高質量發展三維度的協同共進。

3)探索創新模式，提高資源化處置效率。

應針對不同區域特征，設計可復制可推廣的創新型園林綠化廢棄物收運模式。對于“R型”區域和“平衡型”區域，有必要基于“垃圾分類”工作推進及“無廢城市”建設等宏觀政策指引，進一步探索園林綠化廢棄物與廚余垃圾的協同處置工藝，根據園林綠化廢棄物木質纖維含量大、含水率低、碳氮比(C/N)較高，而廚余垃圾具有含水率高、有機質多和碳氮比小等特點，利用現有的廚余垃圾處理設施進行協同堆肥，從技術層面破解園林綠化廢棄物堆肥肥效低、發酵時間長、輔料投入大等現實問題，從而實現資源互補與綜合利用的目的。

注：文中圖片均由作者繪制。