黃河流域山西礦區自然資本占用動態評估及驅動機制

蔣毓琪，楊怡康，朱少英

山西大同大學商學院

生態文明是以生態環境為載體對人類文明形態的詮釋，支撐著人類社會經濟發展，關系著人類福祉。黃河流域作為我國重要的經濟地帶，流經9個省區，人口占全國的30.3%，地區生產總值占全國的26.5%，生態保護和高質量發展是承載流域社會經濟可持續發展的前提。山西省作為黃河流域重要的煤炭資源型城市，工業化與城市化進程加快推進、資源高度損耗的粗放型經濟增長方式，使得環境污染與生態系統退化等形勢較為嚴峻。

基于要素稟賦理論，豐裕的自然資產成為資源型城市經濟增長的邏輯起點和路徑依賴[1]。煤炭資源開采在推動經濟增長的同時，也使得礦區環境污染加重、生態服務功能衰退，進而引致生態空間占用容量超載。生態占用容量主要通過測算生態足跡來體現。生態足跡概念由Ree提出并建立一維模型，隨后Wackemagel等[2]于1999年將其擴展到二維模型，其更側重于自然資本的消費量與流量，而非維持區域生態系統平衡的自然資本存量。張志強等[3]基于生態足跡的概念，指出了生態足跡模型的優缺點。Niccolucci等[4]對模型進行了改進，分別引入生態足跡深度和廣度，量化存量資本消耗與流量資本占用，構建了三維立體模型。生態足跡方法具有架構清晰、易于操作的特點，可為評估區域自然資本利用狀況與生態環境可持續發展提供理論依據。國內外學者圍繞自然資本，聚焦于三維生態足跡模型，從理論與實證方面進行了相關研究。在理論層面，由于地類的差異性導致其生態占用盈余與赤字不可替代，自然資本尚未耗竭使得足跡深度難以表征流量占用程度。針對生態足跡模型存在的缺陷，方愷等[5]對其進行改進，建立了改進的三維生態足跡模型。實證方面的成果集中于研究區域、研究方法、研究對象等。在研究區域方面，Niccolucci等[6]基于40年的數據從全球視角分析了生態足跡深度和廣度2個維度的時空演化特征。方愷[7]基于G20的環境監測數據，探究其自然資本的空間演化時序與格局分異。秦超等[8]基于陜西省30多年數據對其自然資本動態變化進行研究。在研究方法方面，自然資本測算主要包括能值法、空間分析法與生態足跡分析法，其中三維生態足跡模型被普遍應用到諸多領域[9]，其作為生態足跡的改進模型可用于評估生態公平性、生態系統壓力與狀態等，但仍存在一些缺陷[10]。在研究對象方面，程鈺等[11]對黃河三角洲地區自然資本進行動態評估并分析其動態演變特征。杜悅悅等[12]以京津冀城市群為例，探究了不同城市之間自然資本利用的差異性。靳相木等[13]運用改進三維生態足跡模型，測算了溫州市不同地類的承載力指數。吳健生等[14]基于改進三維足跡模型，引入足跡廣度基尼系數等指標，分別從產品、地類、區域3個維度評估關中地區土地自然資本利用狀況。

流域是陸地生態系統的重要組成部分，礦區作為其重要地理單元，是資源型城市經濟增長的核心要素，更是煤炭產業發展的空間載體。礦區具有生態環境空間的公共品性質和外部性特征，煤炭資源開采這一驅動因素使得在有限生態環境容量和資源承載力的約束條件下不同類型生態服務伴隨著生態過程發生變化。基于生態足跡理論，生態占用強調對生態空間的需求，生態承載力側重生態空間的供給側，且為經濟發展提供資源并凈化污染。生態占用超出生態承載力范圍將導致生態系統失衡。有學者針對礦區生態占用失衡，提出以下解決思路：在定性方面，理清采礦權產權，明確責任主體，制定強制性制度與稅收、財政補貼相結合，倒逼其發展循環經濟使外部成本最小化；在定量方面，運用直接市場法、使用者成本法與影子工程法等測度負外部成本[15]。薛建春[16]基于20年時間序列數據，運用經驗模態分解（empirical mode decomposition，EMD）法和動力學預測法，探究礦區人均生態足跡的演化規律，并利用系統動力學模型對礦區人均生態足跡進行預測。此外，基于市場價值與環境經濟學理論，煤炭開采導致礦區生態足跡赤字主要表現為大氣污染、水體污染、地表塌陷等，理應從這些方面測算其負外部效應帶來的環境經濟損失[17]。

綜上所述，自然資本已有研究成果集中于理論與實證2個方面，以研究區域、研究方法、研究對象等為視角對其進行動態評估。礦區生態環境的相關研究僅限于生態足跡的測算方法、生態占用與生態承載力之間的關系以及從市場價值、生態服務價值等視角定量測度負外部成本。基于礦區自然資本角度，在有限生態環境容量和資源承載力的約束條件下對礦區自然資本的足跡深度與廣度進行定量分析，系統解釋煤炭開采對礦區自然資本產生直接作用的研究較少，尚需進一步研究與探討。筆者以黃河流域山西礦區為例，以自然資本為視角，基于生態足跡與生態承載力核算結果，運用三維生態足跡模型，測算足跡深度與廣度，旨在分析自然資本流量與存量的動態演變特征并闡釋其作用機理，以期為黃流域礦區生態修復、環境保護及生態補償提供理論依據。

1 研究區域概況與數據來源

1.1 研究區域概況

山西省作為黃河流域典型的資源型城市，煤炭資源具有儲量大、煤質優、煤層厚、易開采的特點，保有儲量為2 946.17億t，主要分布于大同、寧武、河東、西山、霍西、沁水六大煤田（圖1），其中，尚未利用資源量為1 701.98億t。在煤炭資源開發方面，山西省共有生產煤礦616座，合計產能96 320萬t/a[18]，意味著山西生產煤礦以大型煤礦為主。煤炭工業大規模開采、利用對大氣環境的影響，主要表現為煤礦抽放瓦斯利用率較低，煤矸石自燃易產生CO、SO2等有害氣體；對水資源的影響，主要表現為礦井水排出引起地下水位嚴重下降、洗煤過程排放廢水中含重金屬離子以及降水沖刷煤矸石將其有害物質帶進地表水循環[19]，通過大氣與地表、地下水體等介質流轉，對黃河流域生態環境帶來外部成本。

圖1 山西礦區煤田分布Fig.1 Coal resource distribution in Shanxi mining areas

1.2 數據來源

確定具體的消費項目是測算生態足跡的前提，自然資本消費由生物資源消費和能源消費構成。山西礦區資源消費主要來自煤炭開采，涉及到耕地、草地、林地、水域、建筑用地與化石能源用地等不同地類（表1），其面積等數據來自2010—2019年《中國城市統計年鑒》《中國環境年鑒》《中國能源統計年鑒》《山西統計年鑒》以及山西省各城市國民經濟和社會發展統計公報等。由于山西六大煤田不是完整的行政區域，獲取準確消費數據難度較大，因此，本研究依據不同煤田所在地市的消費情況整體分析，通過產量因子與均衡因子進行估算[20-21]，得到山西礦區自然資本具體消費量。

表1 2019年黃河流域山西礦區不同土地利用類型面積Table 1 Area of different land types in Shanxi mining areas of the Yellow River Basin in 2019萬hm2

2 研究方法

2.1 三維生態足跡模型

基于人類對自然資本存量消耗與自然資本流量占用的時間和空間2個維度的思想，Niccolucci等[6]引入足跡深度和廣度，用以表征人類對自然資本存量和流量的利用水平，構建三維生態足跡模型。足跡廣度（EFsize）閾值為[0,EC]，意味著生態系統的資本供給側數量的上限是生態承載力（EC）；足跡深度（EFdepth）閾值為 [1,∞]，其值越大，表示對自然資本的需求量越大（圖2）。

圖2 自然資本廣度與深度的物理意義[22]Fig.2 Physical meanings of depth and size of natural capital

基礎三維生態足跡模型測算生態占用赤字是基于生態承載力與生態足跡的差值，忽視了赤字與盈余性質的差異，使二者作用相互抵消，導致生態足跡廣度偏大而足跡深度被低估。因此，本研究借鑒方愷等[5]提出的改進三維生態足跡模型進行測算。

人均生態足跡深度與廣度，表示為：

式中：EFdepth,region為人均生態足跡深度，無量綱；EFsize,region為人均生態足跡廣度，hm2/人；EF3D,region為黃河流域礦區人均生態足跡面積，hm2/人；i為不同地類；ECi為生態承載力，hm2；EFi為生態足跡，hm2。

2.2 模型補充指標

（1）自然資本流量占用率

人類活動對自然資本流量產生影響，為了表征人均生態足跡處于自然深度時煤炭開采對礦區實際生態占用，引入自然資本流量占用率（ORflow），其可表示為：

（2）自然資本存量流量利用比

自然資本存量消耗導致其存量發生變化，煤炭資源開采引致其存量動態變化。為了探究煤炭開采對煤炭存量的動態關系，引入自然資本存量流量利用比，其表示為：

2.3 自然資本變化率

為了闡釋煤炭開采對礦區生態占用的足跡深度與廣度空間時序演變的趨勢與速度，借助多項式回歸模型，表示為：

2.4 剪刀差

為了進一步探究煤炭開采對礦區生態占用的足跡深度、足跡廣度空間時序演變趨勢與速度的差異，引入剪刀差模型，表示為：

2.5 驅動模型建立

2.5.1 驅動因素選取

自然資本動態演變不僅受自然條件影響，還受社會經濟因素深層次驅動。參考已有成果[23-26]，選擇人均生態足跡為被解釋變量。在城鎮化與工業化進程中，山西省作為典型的資源型城市，煤炭資本稟賦成為其社會經濟發展的邏輯起點和路徑依賴。煤炭資源開采在推動社會發展、經濟快速增長、人均收入增加的同時，還伴隨著工業二氧化硫、工業廢水等高排放與高污染，使得有限的礦區生態環境承載力供給側超額，引致礦區生態占用赤字。為了使經濟增長與生態環境協同發展，降低單位GDP能耗，山西省實施煤炭供給側結構性改革，通過制定環境保護政策與環境規制制度，倒逼煤炭企業調整產業結構，對第一、二、三產業增加值以及原煤產值在GDP中的占比產生了直接影響。因此，從生態環境供給、資源稟賦、社會發展、經濟增長、能源損耗與煤炭污染等6個方面選擇14個變量作為山西礦區自然資本動態變化的驅動因素。其中，選用生態承載力表征生態環境供給，選用煤炭開采規模表征資源稟賦，社會發展選擇城鎮化率、人口總數、城鎮居民人均可支配收入、農民人均可支配收入、環境規制綜合指數來衡量，經濟增長選擇第一產業增加值、第二產業增加值、第三產業增加值以及原煤產值在GDP中的占比來衡量，選用單位GDP能耗表征能源損耗，煤炭污染選擇工業廢水排放量、工業二氧化硫排放量來衡量（表2）。

表2 黃河流域山西礦區自然資本占用動態演變的驅動因素Table 2 Driving factors of the dynamic evolution for ecological capital occupation in Shanxi mining areas of the Yellow River Basin

2.5.2 偏最小二乘回歸模型

利用主成分分析、因子分析法與多元回歸模型對自然資本變化與已有成果進行對比研究發現，偏最小二乘（PLS）回歸不僅具有以上分析方法的特點，還可以規避樣本量小、多重共線性等問題，提取主成分時充分考慮了自變量與因變量的線性關系，對信息進行重組，有效提升自變量對被因變量的解釋效應[29]。因此，本研究運用偏最小二乘回歸模型分析驅動黃河流域山西礦區自然資本時空動態演變的影響因素。

3 結果與分析

3.1 生態足跡與生態承載力分析

依據生態足跡模型[30]，測算黃河流域山西礦區生態足跡與生態承載力（圖3）。結果顯示，人均生態足跡由2010年的5.03 hm2/人增至2016年的6.75 hm2/人，增幅為34.19%，年均增長5.70%，自2017年后，人均生態足跡逐步減少，降至2019年的5.49 hm2/人。人均生態承載力2010—2016年逐年下降，2017年以后的3年略有小幅增加。人均生態赤字具有先增后減的特點，雖然2016年后，生態足跡與生態承載力的差距總體趨于縮小，但生態赤字現象仍然存在。

圖3 2010—2019年黃河流域山西礦區人均生態足跡與人均生態承載力變化趨勢Fig.3 Change trend between per capita ecological footprint and per capita ecological carrying capacity of Shanxi mining areas in the Yellow River Basin from 2010 to 2019

3.2 生態足跡深度與廣度動態變化分析

基于人均生態足跡與承載力的計算結果，利用式（1）～式（3），得到黃河流域山西礦區人均生態足跡深度與廣度（表3）。由表3可見，2010—2019年人均生態足跡廣度大致呈遞減趨勢，由0.63 hm2/人降到0.47 hm2/人，其中2016—2019年由降低變為增長，但幅度較小且平穩；人均生態足跡深度呈現出倒U型特征，由7.98 hm2/人增加到15.34 hm2/人，隨之減少到11.68 hm2/人。人均生態足跡廣度與深度的變化趨勢在2017年后發生轉變，這主要歸因于山西省加強生態文明建設，注重礦區生態環境修復與治理，減少煤炭資源開采，提升煤炭化工產品附加值，使得能源消耗賬戶中的工礦用地對礦區生態足跡赤字貢獻率降低。

表3 2010—2019年黃河流域山西礦區人均生態足跡深度與廣度Table 3 Per capita ecological footprint depth and size of Shanxi mining areas in the Yellow River Basin from 2010 to 2019hm2/人

3.3 資本存量消耗與流量占用的動態變化趨勢分析

基于改進的三維生態足跡模型，計算研究區域資本流量占用率是建立在生態承載力大于生態足跡基礎上的。在現實情況中，黃河流域山西礦區由于煤炭開采，使得礦井瓦斯、矸石自燃產生CO、SO2、CO2等有害氣體，尤其是大量的NOx，形成化學污染與酸雨，對土壤、農林業與水體等造成破壞，給耕地、林地、草地、水域等不同地類帶來嚴重的外部成本，與式（4）矛盾，因此，資本流量占用率未能測算。

依據式（5），可得黃河流域山西礦區資本存量流量利用比（圖4）。2010—2019年，存量流量利用比呈先增后減的倒U型變化趨勢。2016年前，存量流量利用比逐年上升，煤炭資源過度開采是礦區化石能源用地存量消耗速度加快的主要原因。2017年，存量流量利用比開始下降，表明山西省社會經濟發展對礦區煤炭資源流量的占用越來越小，意味著經濟增長對煤炭資源開采的依賴程度有所緩解。其原因歸結為2016年山西省實施煤炭供給側結構性改革，關閉了多家煤礦，化解過剩產能，使得山西礦區生態占用逐年減少。

圖4 2010—2019年黃河流域山西礦區存量流量利用比Fig.4 Utilization ratio of stock flows of Shanxi mining areas in the Yellow River Basin from 2010 to 2019

3.4 生態足跡廣度與深度剪刀差

依據式（6）～式（8）計算得到黃河流域山西礦區生態足跡深度與廣度的剪刀差（表4）。2010—2019年礦區生態足跡深度與廣度差異由大變小，其中 2010—2016年剪刀差由1.13升到1.56，處于[0,π/2]，表明礦區生態足跡深度呈遞增趨勢，其與足跡廣度同向變動；2017—2019年，剪刀差由-1.53變到-1.48，處于[-π/2, 0]，表明礦區生態足跡深度呈遞減趨勢，其與足跡廣度同向變動。因此，礦區生態足跡深度與廣度的剪刀差主要取決于足跡深度的變化。

表4 2010—2019年黃河流域山西礦區足跡深度與足跡廣度剪刀差Table 4 Scissors difference between footprint depth and footprint size of Shanxi mining areas in the Yellow River Basin from 2010 to 2019

3.5 驅動機制

3.5.1 驅動因素分析

依據PLS模型回歸結果，提取一個主成分，交叉有效性Qt2=0.983＞1-0.952，提取第二個主成分時，交叉有效性小于0.097 5，故只提取一個有效成分。，意味著擬合程度較高，模型選取合理。根據特異點識別原理，樣本點均分布于特異點識別圖內，可以保證樣本質量。基于數據擬合，得到PLS回歸方程系數[31]（表5）。

表5 PLS模型回歸結果Table 5 Regression results of PLS model

回歸結果表明，工業二氧化硫排放量（X14）、工業廢水排放量（X13）、生態承載力（X1）、煤炭開采規模（X2）、原煤產值占 GDP的比例（X11）、單位GDP能耗（X12）、環境規制綜合指數（X7）與第二產業增加值（X9）對黃河流域山西礦區礦區自然資本動態變化的影響較大。城鎮化率（X3）、人口總數（X4）、城鎮居民人均可支配收入（X5）、第三產業增加值（X10）、農民人均可支配收入（X6）與第一產業增加值（X8）對礦區自然資本影響程度不明顯。其中，工業二氧化硫排放量（X14）、工業廢水排放量（X13）、煤炭開采規模（X2）、原煤產值占 GDP的比例（X11）、單位GDP能耗（X12）、第二產業增加值（X9）與礦區自然資本動態變化呈正相關，表明煤炭資源開采在推動山西省社會經濟增長的同時，資源優勢轉化為經濟優勢呈現出高污染、高能耗的特點，環境污染和生態破壞引致自然資本流失，是自然資本生態占用赤字嚴重的主要原因。生態承載力（X1）、環境規制綜合指數（X7）與礦區自然資本動態變化呈負相關，意味著山西省制定并實施環境規制政策，倒逼排污煤炭企業轉型升級，煤炭企業減產控產，使用清潔技術，降低有害氣體與污水排放，使得礦區生態環境污染態勢改善，生態承載力供給側增強，自然資本流失情況有所好轉。

3.5.2 驅動機制建立

山西省作為黃河流域典型的煤炭資源型城市，其礦區生態資本變化是一個系統工程，由經濟增長、社會發展、工業排污、生態環境破壞與政策制度等多重因素綜合影響。基于“要素稟賦理論”，豐裕的煤炭資源成為其社會發展與經濟增長的邏輯起點和路徑依賴，煤炭資源開發步伐的推進使山西省進入成熟期甚至即將進入衰退期，開采規模增加伴隨著高排污、高能耗的工業污染，導致礦區環境遭受嚴重污染[32-33]，生態服務功能衰退，意味著其生態需求嚴重超過生態空間的供給側。基于生態足跡理論，有限生態環境容量、資源承載力與煤炭開采引致生態系統失衡的矛盾突出，導致礦區生態環境惡化，自然資本數量與容量劇減，負外部性加劇。為了應對山西礦區自然資本生態占用赤字，2016年政府制定環境規制政策，淘汰落后、過剩產能，實行控煤政策使煤炭產量有所下降，礦區生態資本存量與流量的消耗變動有所減緩，甚至出現下降趨勢，但礦區生態占用赤字仍然顯著存在。總之，資源稟賦，煤炭開采規模，礦區生態供給與需求，生態足跡與生態承載力以及資本流量、存量的深度、廣度等諸多驅動因素共同作用，構成了黃河流域山西礦區生態占用時空動態演變的驅動機制（圖5）。

圖5 黃河流域山西礦區生態占用演化的作用機理Fig.5 Action mechanism of ecological occupation evolution of Shanxi mining areas in the Yellow River Basin

4 結論

（1）2010—2019年，黃河流域山西礦區人均生態足跡由2010年的5.03 hm2/人增至2016年的6.75 hm2/人，增幅為34.19%，2017年之后，人均生態足跡逐步減少，2019年降到5.49 hm2/人。人均生態承載力2010—2016年逐年下降，2017年之后略有小幅增加。人均生態赤字具有先增后減的特點，表明生態足跡與生態承載力的差距總體趨于縮小。

（2）2010—2019年，黃河流域山西礦區人均生態足跡廣度大致呈遞減趨勢，由0.63 hm2/人降到0.47 hm2/人，其中2016—2019年由降低變為增長，但幅度較小且平穩。人均生態足跡深度具有倒U型特征，作為其重要影響指標的存量流量利用比與之對應，也呈先增后減的倒U型變化趨勢。此外，生態足跡深度與廣度的剪刀差主要取決于足跡深度的變化。這充分表明山西礦區人均生態足跡廣度與深度的變化趨勢趨于好轉，其原因歸結為山西省推進煤炭經濟綠色轉型，經濟增長對煤炭資源開采的依賴程度降低，使得能源消耗賬戶中的工礦用地對礦區生態環境的脅迫作用減小。

（3）依據PLS模型回歸結果，煤炭污染、資源稟賦、能源損耗、經濟增長的第二產業增加值、生態環境供給以及社會發展的環境規制指數是影響黃河流域山西礦區自然資本演變的重要驅動因素。其中，煤炭污染、資源稟賦、能源損耗、第二產業增加值與礦區自然資本動態演變呈正相關，表明煤炭資源開采在推動山西省社會經濟增長的同時，帶來的環境污染和生態破壞引致自然資本流失。生態環境供給、社會發展的環境規制指數與其呈負相關，表明山西省制定并實施環境規制政策，倒逼排污煤炭企業轉型升級，降低有害氣體與污水排放，使得礦區生態環境污染態勢改善，自然資本流失情況有所好轉。

（4）黃河流域山西礦區自然資本變化是一個復雜的自然-社會-經濟時空動態演變過程，其驅動機制是由資源稟賦，煤炭開采規模，礦區生態供給與需求，生態足跡與承載力以及資本流量、存量的深度、廣度等諸多因素共同作用的結果。