基于能值分析的長株潭城市群生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演變態(tài)勢分析

基于能值分析的長株潭城市群生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演變態(tài)勢分析

20世紀(jì)80年代，OdumH.T.等人[1]以能值為統(tǒng)一度量標(biāo)準(zhǔn)，通過能值轉(zhuǎn)換率和能值貨幣比率，將生態(tài)系統(tǒng)各種生態(tài)流(物質(zhì)流、能量流、貨幣流、人口流等)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為能值，將自然生態(tài)環(huán)境與人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)有機(jī)地聯(lián)系和統(tǒng)一起來，較全面地反映區(qū)域自然—社會(huì)—經(jīng)濟(jì)復(fù)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、效率和運(yùn)營機(jī)制[2]，為各種生態(tài)流的綜合分析開辟了定量研究新方法，在國內(nèi)外掀起了能值分析的熱潮。城市群作為一種特殊類型的地域空間組織，是生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)相互交織、相互作用、相互耦合而成的能值流高度密集的復(fù)合異質(zhì)系統(tǒng)和多維結(jié)構(gòu)，城市內(nèi)部要素之間聯(lián)系密切，城市之間輸入輸出以及整體復(fù)合錯(cuò)綜復(fù)雜。本研究構(gòu)建了能值評價(jià)指標(biāo)體系，分析了長株潭城市群社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和自然系統(tǒng)的能值變化態(tài)勢，提出了城市群發(fā)展的應(yīng)對策略，以便促進(jìn)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，推動(dòng)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。1研究區(qū)概況長株潭城市群地處我國中部，湖南省中部偏東位置，位于泛珠三角經(jīng)濟(jì)區(qū)與長江經(jīng)濟(jì)帶的結(jié)合部，是中部崛起戰(zhàn)略中重點(diǎn)開發(fā)的城市群之一。長株潭城市群由長沙、株洲、湘潭三市組成，區(qū)域面積2.8萬km[2]，占湖南省總面積的13.2%，人口和GDP卻分別占到湖南省的36.5%和42.2%，人均GDP為全省的2.04倍(2010年)，是湖南省的行政、經(jīng)濟(jì)、文化中心。長株潭城市群地勢南高北低，南部以丘陵、山地為主，中部以河流沖積平原、丘陵為主，北部以平原、低丘為主。區(qū)域內(nèi)植被覆蓋良好，水域面積廣闊，具有良好的自然景觀和豐富的資源。改革開放以來，長株潭城市群的工業(yè)化、城市化進(jìn)程不斷加速，城鎮(zhèn)人口不斷增長，工業(yè)企業(yè)數(shù)量持續(xù)增加。在此過程中，城鎮(zhèn)建設(shè)與產(chǎn)業(yè)開發(fā)不斷占用農(nóng)業(yè)與生態(tài)用地，使得城市周邊的環(huán)境質(zhì)量不斷下降，人地關(guān)系日益緊張，出現(xiàn)了諸如酸雨率高、耕地質(zhì)量下降、生態(tài)調(diào)節(jié)功能降低、城市綠地分布不均衡、水域污染嚴(yán)重等問題。同時(shí)，資源利用效率低、單位GDP能耗高等問題日益，造成了較大范圍的能源短缺現(xiàn)象?？偟膩砜矗h(huán)境污染和能源短缺已經(jīng)成為現(xiàn)階段長株潭城市群必須解決的問題，否則將會(huì)制約其可持續(xù)發(fā)展和競爭力的提升。2研究方法與步驟OdumH.T.把能值定義為一種流動(dòng)或存儲的能量中所包含的另一種形式的能量數(shù)量，各種能量均來源于太陽能[1]，故常用太陽能值轉(zhuǎn)換率(SolarTransformity)作為各種物質(zhì)或能量的轉(zhuǎn)換單位。長株潭城市群生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的能值總量分為可更新資源能值、不可更新資源能值以及輸入能值?？筛沦Y源能值包括可更新能源和可更新資源產(chǎn)品能值，不可更新資源能值主要為不可更新資源產(chǎn)品能值?？筛履茉茨苤抵饕ㄌ栞椛淠堋L(fēng)能、雨水能和地球循環(huán)能；可更新資源產(chǎn)品能值主要包括農(nóng)產(chǎn)品、畜產(chǎn)品、林產(chǎn)品、水產(chǎn)品和水電等能值；不可更新資源產(chǎn)品能值主要包括煤、電(除開水電)、水泥、鋼鐵、農(nóng)藥和化肥等產(chǎn)品能值；輸入能值為進(jìn)口商品能值、實(shí)際利用外商投資和國際旅游收入能值。輸出能值為出口商品能值?？筛沦Y源和不可更新資源在系統(tǒng)中通過人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)被使用和消耗，同時(shí)系統(tǒng)又接受外界物質(zhì)能量的反饋輸入并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出，環(huán)境的不可更新資源的損失主要是土壤表層營養(yǎng)的損失，環(huán)境的污染主要是工業(yè)三廢對其大氣、土壤等的影響，此外，所有商品的生產(chǎn)、交換活動(dòng)都伴隨著人的服務(wù)價(jià)值及相應(yīng)的資金流。2.1基本資料收集與整理根據(jù)2001-2010年《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒》、《湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《長沙統(tǒng)計(jì)年鑒》、《株洲統(tǒng)計(jì)年鑒》、《湘潭統(tǒng)計(jì)年鑒》和長沙、株洲、湘潭國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)等，收集整理長株潭城市群的自然地理、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等資料。2.2繪制能量系統(tǒng)圖和能值圖應(yīng)用OdumH.T.的“能量系統(tǒng)語言”圖例，確定生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的邊界，系統(tǒng)主要能量來源，系統(tǒng)內(nèi)主要成分、各組分的過程和關(guān)系，繪制能物流、貨幣流等流向的系統(tǒng)能量圖解和能值圖解(圖1)。圖1長株潭城市群能量系統(tǒng)圖(能值流和貨幣流)Fig.1EnergysystemdiagraminChang-Zhu-TanCityCluster(emergyflowandmoneyflow)2.3編制長株潭城市群能值分析表根據(jù)相關(guān)原始數(shù)據(jù)，列出長株潭城市群的主要能量來源，能量折算系數(shù)、能值轉(zhuǎn)換率和計(jì)算方法參照相關(guān)文獻(xiàn)[2-9]，將各類資源換算為統(tǒng)一的能值單位，計(jì)算各能量類別的流動(dòng)量，編制成2000-2009年長株潭城市群生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值分析表(表2)。2.4建立能值指標(biāo)評估體系在能值分析表基礎(chǔ)上，將能值指標(biāo)進(jìn)行歸納整理，建立社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和自然亞系統(tǒng)能值指標(biāo)評估體系和可持續(xù)發(fā)展指數(shù)指標(biāo)。各指標(biāo)計(jì)算公式如下(表1)，其中總?cè)丝跒镻，面積為A，廢棄物能值為W，電力能值為。3結(jié)果分析3.1能值流量分析從2000-2009年長株潭城市群生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值分析表(表2)可以看出，能值總量、宏觀經(jīng)濟(jì)價(jià)值總量，可更新資源產(chǎn)品、不可更新資源產(chǎn)品、輸入能值及其宏觀經(jīng)濟(jì)價(jià)值都呈現(xiàn)上升的趨勢。第一，可更新能源。長株潭城市群可更新能源的能值量10年間幾乎沒有變化，能值比卻由49.88%下降到28.68%，主要是因?yàn)榭偰苤挡粩嘣黾?，利用率仍然很低，發(fā)展?jié)摿涂臻g都很大。第二，可更新資源產(chǎn)品。長株潭城市群可更新資源產(chǎn)品能值按高低排列依次為畜類、農(nóng)產(chǎn)品、水產(chǎn)品和林產(chǎn)品，2000年來均呈上升的趨勢，說明傳統(tǒng)的“糧豬型”農(nóng)業(yè)格局尚未改變。水電在2006年以前增幅不大，之后飛速發(fā)展?？梢哉J(rèn)為，長株潭可更新資源產(chǎn)品能值尚有較大的提升空間。第三，不可更新資源產(chǎn)品。長株潭城市群不可更新資源產(chǎn)品能值按高低排列依次為水泥、鋼鐵、電力(除開水電)、原煤、表土流失、化肥、農(nóng)藥和塑料。隨著城市建設(shè)和開發(fā)的需要，長株潭城市群對于建材、電力、原煤等不可更新資源產(chǎn)品的需求不斷增加，但資源、能源的供給未跟上來，造成了整體發(fā)展的瓶頸。第四，輸入和輸出能值。長株潭城市群輸入和輸出能值按高低排列依次為出口商品、進(jìn)口商品、實(shí)際利用外商直接投資和國際旅游能值。商品的進(jìn)出口一直呈遞增趨勢，且呈現(xiàn)貿(mào)易順差，輸出能值占有優(yōu)勢。2009年出現(xiàn)反常，出口總值銳減，外商投資企業(yè)不斷增加，輸入能值比例增加。第五，廢物流。長株潭的廢物流能值從高至低排列依次為工業(yè)固體廢棄物、工業(yè)廢水和廢氣能值。工業(yè)固體廢棄物的產(chǎn)生量雖然不斷增加，但綜合利用量不斷加大，所以排放量和污染也呈下降的趨勢；工業(yè)廢水在10年中治理力度不大，略有下降的趨勢；工業(yè)廢氣在10年中不斷加大，且呈現(xiàn)直線上升的趨勢?？偟膩砜矗?0年來長株潭城市群的廢物總能值有所下降，說明城市群的環(huán)境污染治理有一定成效。3.2社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和自然子系統(tǒng)演變態(tài)勢隨著能值的變化，長株潭城市群在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)建設(shè)、自然環(huán)境等方面也有著種種變化趨勢。第一，社會(huì)子系統(tǒng)能值演變態(tài)勢。社會(huì)子系統(tǒng)主要包括人均能值、人均電力能值、能值強(qiáng)度等系列指標(biāo)。從社會(huì)系統(tǒng)能值演變圖(圖2)可以看出，各項(xiàng)指標(biāo)均呈顯著的上升趨勢，充分表明長株潭城市群的居民生活水平不斷提升，社會(huì)福利條件逐漸改善。但另一方面，長株潭城市群的能值強(qiáng)度較高，人均承載力不斷下降。較高的能值強(qiáng)度意味著土地資源稀缺性將成為經(jīng)濟(jì)長遠(yuǎn)發(fā)展的壁壘。人均承載力不斷下降則會(huì)限制城市群產(chǎn)業(yè)、人口的容量，從而降低城市群可持續(xù)發(fā)展的能力。第二，經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)。從經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)能值演變圖(圖3)可以看出，長株潭城市群能值貨幣比率在10年間從5.246E+12下降到2.217E+12，這表明單位貨幣量所能購買的能值總量在逐年降低，城市發(fā)展水平在不斷上升，而貨幣財(cái)富也在不斷增長，但單位貨幣所能獲得的自然生態(tài)價(jià)值在減少，這一下降的直接結(jié)果是促使城市越來越傾向于向外部購買資源性能值，因此，城市的對外開放度在不斷增大，這同輸入能值比呈不斷上升趨勢的生態(tài)經(jīng)濟(jì)意義是完全一致的。電能是將基礎(chǔ)資源轉(zhuǎn)化為科技和信息的途徑之一，是維持經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要能源，電力能值比從0.1313E上升到0.2018E，說明工業(yè)化程度的不斷提高；能值投資率和能值交換率呈上升的趨勢說明城市群不斷投入高能值的科技，購買高能值資源，加大經(jīng)濟(jì)開發(fā)強(qiáng)度；長株潭城市群能值產(chǎn)出率呈下降的趨勢，說明對于能源生產(chǎn)和利用的效率不太高，產(chǎn)業(yè)的區(qū)際、國際競爭力水平較低，科技發(fā)展水平仍有待提高，應(yīng)該發(fā)展集約經(jīng)濟(jì)，提高城市資源利用效率。圖222000-2009年社會(huì)子系統(tǒng)能值演變Fig.2Thechangeofsocialsubsystememergyin2000-2009year第三，自然子系統(tǒng)。從自然子系統(tǒng)能值演變圖(圖4)可以看出，長株潭城市群的能值自給率呈下降的趨勢，說明在資源利用方面由內(nèi)部資源利用為主，逐漸轉(zhuǎn)向依賴外界提供。要在有效利用和科學(xué)管理自身資源的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引進(jìn)高科技和先進(jìn)設(shè)備，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，獲得最佳效益；生態(tài)功能潛力不斷下降，環(huán)境負(fù)荷率不斷上升，說明城市生態(tài)系統(tǒng)的高速發(fā)展是建立在自然環(huán)境壓力增加的基礎(chǔ)上的，城市群的自然生態(tài)功能隨著城市的快速發(fā)展在逐漸減弱，并且存在一定的退化趨勢。圖32000-2009年經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)能值演變Fig.3Thechangeofeconomicsubsystememergyin2000-2009year圖42000-2009年自然系統(tǒng)能值演變Fig.4Thechangeofnaturalsubsystememergyin2000-2009year3.3可持續(xù)發(fā)展分析可持續(xù)發(fā)展指數(shù)ESI表明系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的能力，當(dāng)ESI>10，生態(tài)環(huán)境超出負(fù)荷；當(dāng)10>ESI>1，區(qū)域處于發(fā)展中階段，生態(tài)空間尚有剩余。2000-2005年可持續(xù)發(fā)展指數(shù)從26.55下降到10.52，說明生態(tài)環(huán)境超出負(fù)荷，但負(fù)荷力下降，2006-2009年可持續(xù)發(fā)展指數(shù)從8.977下降到4.494，說明生態(tài)空間尚有剩余。改進(jìn)的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)EISD(1)以單位環(huán)境壓力所換取的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益為指針，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力的綜合評價(jià)，EISD(1)越高的系統(tǒng)，在可持續(xù)發(fā)展的長遠(yuǎn)尺度上越具競爭優(yōu)勢[10]，新拓展的可持續(xù)發(fā)展能值指標(biāo)EISD(2)，在環(huán)境影響評價(jià)中同時(shí)考慮了系統(tǒng)的消耗影響和排放影響，可以更全面明晰的評價(jià)城市系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力、狀態(tài)及其成因，為系統(tǒng)的優(yōu)化指明方向[11]。從圖形中可以看出，改進(jìn)的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)EISD(1)和EISD(2)都呈下降的趨勢，說明10年經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能值結(jié)構(gòu)不合理，不可更新資源過度消耗，可更新能源利用率很低，廢物量嚴(yán)重威脅著環(huán)境，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效率、存活力以及環(huán)境壓力面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)(圖5)。圖52000-2009年可持續(xù)發(fā)展指數(shù)演變Fig.5Thechangeofsustainabledevelopmentindexin2000-20094長株潭城市群生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展對策從能值分析的結(jié)果來看，長株潭城市群生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的問題主要在三個(gè)方面：第一，資源環(huán)境的人均承載力呈不斷下降趨勢，區(qū)域可持續(xù)發(fā)展能力不斷降低。第二，能源消耗總量大于供給總量，城市群的發(fā)展較大程度上依賴于外部能源。第三，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不斷降低，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的環(huán)境代價(jià)過大。針對這些情況，結(jié)合能值分析數(shù)據(jù)，為長株潭城市群生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)提出一些發(fā)展對策如下。4.1做好長株潭城市群生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)規(guī)劃，以能值理念指導(dǎo)全局發(fā)展長株潭城市群應(yīng)加快建立能值評價(jià)指標(biāo)體系，編制長株潭城市群生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)規(guī)劃，對不同區(qū)域的能值流量變化態(tài)勢、資源環(huán)境承載力情況進(jìn)行綜合評估，對城市群的能值總量進(jìn)行統(tǒng)籌布局和合理分配。在此基礎(chǔ)上，對長株潭城市群不同區(qū)域的總體發(fā)展導(dǎo)向、主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)選擇和城市建設(shè)要點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃。在保證城市群整體區(qū)域能值以良性態(tài)勢變化的基礎(chǔ)上，確保各個(gè)區(qū)域發(fā)揮自身能值優(yōu)勢，找準(zhǔn)突破口，實(shí)現(xiàn)快速、高效、生態(tài)的發(fā)展。4.2考慮區(qū)域資源環(huán)境承載力，對城市群的發(fā)展進(jìn)行合理控制從上述分析可以看出，長株潭城市群的人均資源環(huán)境承載力呈不斷下降趨勢，在近期內(nèi)難以改變。根據(jù)這一情況，長株潭城市群應(yīng)對區(qū)域范圍內(nèi)的資源環(huán)境承載力進(jìn)行分析，預(yù)測10至20年內(nèi)的人均資源環(huán)境承載力，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果制定城市群發(fā)展控制導(dǎo)則。對長沙、株洲、湘潭的城市建設(shè)用地面積、城市人口規(guī)模、產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向進(jìn)行合理的控制。同時(shí)，依據(jù)能值發(fā)展態(tài)勢和資源環(huán)境承載力，對長株潭城市群進(jìn)行詳細(xì)的主體功能分區(qū)，確定優(yōu)化開發(fā)區(qū)、重點(diǎn)開發(fā)區(qū)、限制開發(fā)區(qū)、禁止開發(fā)區(qū)的范圍、面積和控制原則，從而實(shí)現(xiàn)對城市群整體發(fā)展的有效控制。4.3大力開發(fā)新能源和替代性資源，優(yōu)化能值結(jié)構(gòu)針對能源消耗總量大于供給總量的現(xiàn)象，長株潭城市群應(yīng)加大技術(shù)投入，不斷開發(fā)新能源和替代性資源。積極推進(jìn)風(fēng)能、水能、太陽能、地?zé)崮茉诮煌?、生活、生產(chǎn)方面的應(yīng)用，以逐步取代傳統(tǒng)的煤電和汽柴油。同時(shí)，大力發(fā)展再生紙、再生織物、再生建材等低碳環(huán)保的材料，作為傳統(tǒng)資源的替代品在全社會(huì)廣泛推行。如此即能在較大