基于能值分析的長(zhǎng)株潭城市群生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)演變態(tài)勢(shì)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(guò)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(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)有機(jī)地聯(lián)系和統(tǒng)一起來(lái)，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(yíng)機(jī)制[2]，為各種生態(tài)流的綜合分析開(kāi)辟了定量研究新方法，在國(guó)內(nèi)外掀起了能值分析的熱潮。城市群作為一種特殊類(lèi)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系，分析了長(zhǎng)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(shì)，提出了城市群發(fā)展的應(yīng)對(duì)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(zhǎng)株潭城市群地處我國(guó)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(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的結(jié)合部，是中部崛起戰(zhàn)略中重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的城市群之一。長(zhǎng)株潭城市群由長(zhǎng)沙、株洲、湘潭三市組成，區(qū)域面積2.8萬(wàn)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(zhǎng)株潭城市群地勢(shì)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(kāi)放以來(lái)，長(zhǎng)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(zhǎng)，工業(yè)企業(yè)數(shù)量持續(xù)增加。在此過(guò)程中，城鎮(zhèn)建設(shè)與產(chǎn)業(yè)開(kāi)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(wèn)題。同時(shí)，資源利用效率低、單位GDP能耗高等問(wèn)題日益，造成了較大范圍的能源短缺現(xiàn)象?？偟膩?lái)看，環(huán)境污染和能源短缺已經(jīng)成為現(xiàn)階段長(zhǎng)株潭城市群必須解決的問(wèn)題，否則將會(huì)制約其可持續(xù)發(fā)展和競(jìng)爭(zhēng)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(chǔ)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(lái)源于太陽(yáng)能[1]，故常用太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率(SolarTransformity)作為各種物質(zhì)或能量的轉(zhuǎn)換單位。長(zhǎng)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?yáng)輻射能、風(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(kāi)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(guó)際旅游收入能值。輸出能值為出口商品能值。可更新資源和不可更新資源在系統(tǒng)中通過(guò)人類(lèi)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(yíng)養(yǎng)的損失，環(huán)境的污染主要是工業(yè)三廢對(duì)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(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》、《湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒》、《長(zhǎng)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(zhǎng)沙、株洲、湘潭國(guó)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(zhǎng)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(yǔ)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(lái)源，系統(tǒng)內(nèi)主要成分、各組分的過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)株潭城市群的主要能量來(lái)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(lèi)資源換算為統(tǒng)一的能值單位，計(jì)算各能量類(lèi)別的流動(dòng)量，編制成2000-2009年長(zhǎng)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(píng)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(píng)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(zhǎng)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(shì)。第一，可更新能源。長(zhǎng)株潭城市群可更新能源的能值量10年間幾乎沒(méi)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(zhǎng)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(lèi)、農(nóng)產(chǎn)品、水產(chǎn)品和林產(chǎn)品，2000年來(lái)均呈上升的趨勢(shì)，說(shuō)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。可以認(rèn)為，長(zhǎng)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(zhǎng)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(kāi)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(kāi)發(fā)的需要，長(zhǎng)株潭城市群對(duì)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(lái)，造成了整體發(fā)展的瓶頸。第四，輸入和輸出能值。長(zhǎng)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(guó)際旅游能值。商品的進(jìn)出口一直呈遞增趨勢(shì)，且呈現(xiàn)貿(mào)易順差，輸出能值占有優(yōu)勢(shì)。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(zhǎng)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(shì)；工業(yè)廢水在10年中治理力度不大，略有下降的趨勢(shì)；工業(yè)廢氣在10年中不斷加大，且呈現(xiàn)直線上升的趨勢(shì)。總的來(lái)看，近10年來(lái)長(zhǎng)株潭城市群的廢物總能值有所下降，說(shuō)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(shì)隨著能值的變化，長(zhǎng)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(shì)。第一，社會(huì)子系統(tǒng)能值演變態(tài)勢(shì)。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(shì)，充分表明長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(gòu)買(mǎi)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(zhǎng)，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(lái)越傾向于向外部購(gòu)買(mǎi)資源性能值，因此，城市的對(duì)外開(kāi)放度在不斷增大，這同輸入能值比呈不斷上升趨勢(shì)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(shuō)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(shì)說(shuō)明城市群不斷投入高能值的科技，購(gòu)買(mǎi)高能值資源，加大經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)強(qiáng)度；長(zhǎng)株潭城市群能值產(chǎn)出率呈下降的趨勢(shì)，說(shuō)明對(duì)于能源生產(chǎn)和利用的效率不太高，產(chǎn)業(yè)的區(qū)際、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng)株潭城市群的能值自給率呈下降的趨勢(shì)，說(shuō)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(lài)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(shì)，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(shuō)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(shì)。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(shuō)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(shuō)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(duì)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力的綜合評(píng)價(jià)，EISD(1)越高的系統(tǒng)，在可持續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)尺度上越具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[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(píng)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(píng)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(shì)，說(shuō)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(guò)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(zhǎng)株潭城市群生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展對(duì)策從能值分析的結(jié)果來(lái)看，長(zhǎng)株潭城市群生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的問(wèn)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(shì)，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(lài)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(guò)大。針對(duì)這些情況，結(jié)合能值分析數(shù)據(jù)，為長(zhǎng)株潭城市群生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)提出一些發(fā)展對(duì)策如下。4.1做好長(zhǎng)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(zhǎng)株潭城市群應(yīng)加快建立能值評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，編制長(zhǎng)株潭城市群生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)規(guī)劃，對(duì)不同區(qū)域的能值流量變化態(tài)勢(shì)、資源環(huán)境承載力情況進(jìn)行綜合評(píng)估，對(duì)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(duì)長(zhǎng)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(shì)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(shì)，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(duì)城市群的發(fā)展進(jìn)行合理控制從上述分析可以看出，長(zhǎng)株潭城市群的人均資源環(huán)境承載力呈不斷下降趨勢(shì)，在近期內(nèi)難以改變。根據(jù)這一情況，長(zhǎng)株潭城市群應(yīng)對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)的資源環(huán)境承載力進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)10至20年內(nèi)的人均資源環(huán)境承載力，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果制定城市群發(fā)展控制導(dǎo)則。對(duì)長(zhǎng)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(shì)和資源環(huán)境承載力，對(duì)長(zhǎng)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(kāi)發(fā)區(qū)、重點(diǎn)開(kāi)發(fā)區(qū)、限制開(kāi)發(fā)區(qū)、禁止開(kāi)發(fā)區(qū)的范圍、面積和控制原則，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市群整體發(fā)展的有效控制。4.3大力開(kāi)發(fā)新能源和替代性資源，優(yōu)化能值結(jié)構(gòu)針對(duì)能源消耗總量大于供給總量的現(xiàn)象，長(zhǎng)株潭城市群應(yīng)加大技術(shù)投入，不斷開(kāi)發(fā)新能源和替代性資源。積極推進(jìn)風(fēng)能、水能、太陽(yáng)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