基于系統動力學產業生態系統的限制因子的實證研究

張 晶

(徐州工程學院經濟學院，江蘇 徐州 221008)

1 產業生態系統的概念

國內外學者對產業生態系統進行的界定不完全相同，但其中心思想都是借鑒自然生態系統的運作模式將產業生態納入全球自然生態系統中，提高產業生態效率，減少資源的浪費和廢棄物的排放，最終達到經濟與環境效益的最大化。另外學者對產業生態系統的特征從不同的角度進行了描述，大都認為產業生態系統具有動態性這一特征，即產業生態系統有一個從低級向高級或者是從一級向三級演化的過程。一級產業生態系統是傳統的產業系統，資源的開采和利用都是粗放的，利用效率低;二級產業生態系統實現了高效率的資源利用，但仍然有廢棄物的存在，不能夠長期維持;三級產業生態系統實現了完全的循環，是最高形態的產業生態系統。

不同學科的國內外學者對產業生系統進行了探討與研究，并根據生態學的觀點提出了產業生態系統的本地化、動態性、開放性、產業共生、產業生態位和產業生態群等落等理論。這些定性研究豐富了產業生態學的學術思想，指出了產業生態系統的未來發展方向，具有較強的理論意義。但定性研究也存在著不足之處:定性研究能夠對產業生態系統進行大體描述，難以發現產業生態系統中存在的具體的、可操作性的問題，這勢必會影響產業生態系統向高級形態演化的進程。因此在國內外學者定性研究的基礎上，對產業生態系統進行定量研究就顯得尤為重要。

2 系統動力學的研究綜述

系統動力學是美國麻省理工學院Jay W Forrester 教授于1956年創立的一門分析和模擬動態復雜系統的學科，是溝通自然科學和社會科學等領域的橫向學科。系統動力學的應用范圍日益擴大，多用于處理諸如人口、自然資源、生態環境、經濟和社會連帶的復雜系統問題［1-2］。

美國麻省理工學院Jay W.Forrester，Dennis L.Meadows 提出了影響經濟增長建立的世界動力學模型和“世界末日”模型的改進［3-4］。我國建立的比較著名的系統動力學模型有:新疆社會經濟發展規劃［5］、上海交通大學國家自然科學基金課題組構建的南京市可持續發展系統模型［6］、李農的中國宏觀SD 模型［7］、劉宏業建立的基于安全的可持續發展系統動力學模型［8］。

系統動力學已成功地應用于宏觀經濟學、生態與環境、生物學及工程技術等領域對復雜性系統的預測分析中。目前將系統動力學應用于產業生態系統的分析并不多見，所以本論文擬采用系統動力學來對城市產業生態系統進行仿真分析，具有一定的創新性。本文采用的軟件是Vensim PLE5.9。

3 系統動力學的建模過程

3.1 系統邊界確定

本文將產業生態系統分為四個子系統，即社會發展、產業經濟、環境壓力和可持續發展支持。產業經濟發展和社會發展相互促進，社會發展會促使消費水平增加，人們需要更多的物質財富，從而產業經濟會增長，而產業經濟增長會增加GDP，增加人們的收入，從而促使社會進一步發展。但產業經濟發展會使生態環境的壓力增加，可持續發展壓力增加?？沙掷m發展子系統如果得到發展，則意味著對經濟的支持能力增加，環境的壓力減少，則利于產業經濟進一步發展。社會發展和可持續發展之間也有相互矛盾之處，社會發展表明人們需要消費更多的能源和物質，可持續發展的壓力增加。同樣產業經濟與可持續性有矛盾之處，產業經濟的發展產生更多的廢棄物，對可持續發展造成阻礙。產業生態研究的主要目的是經濟與環境的統一，以目前的發展來看，尚處于相互矛盾階段。

因為模型是現實世界的簡化，很難把所有的變量體現，所以選擇主要的變量作為研究對象，選擇人均GDP、人口量、生活質量來代表社會發展子系統;指標GDP、工業產值、全社會勞動生產率代表產業經濟子系統;選擇指標生態壓力、污染總量來代表環境壓力子系統;可持續發展系統污染的情況以科技投入來代表。

3.2 建立仿真模型

(1)因果關系分析。確定產業生態系統邊界后，要分析各要素間的因果關系。產業生態系統中的各子系統之間相互作用，形成了復雜的正負反饋回路。產業生態系統在正反饋回路的作用下，不斷發展。

如圖1 所示，正反饋回路指的是變量于回路任何一處初始偏離循環回路一周將得到增大或者加強，即有自增強或非穩定特征。例如:國民生產總值— (+)科技投入— (+)GDP 增長速度—(+)國民生產總值;負反饋回路即變量于回路任何一處初始偏離循環回路一周將得到減小或者變弱，具有使系統趨于穩定的特征。例如:國民生產總值— (+)人均 GDP— (+)總人口—(+)生活資源消費量— (+)生活廢棄物排放量— (+)生態環境壓力— (-)GDP 增長速度— (+)國民生產總值。

(2)確定系統流圖。系統流圖用來表述變量之間的定量方程，根據產業生態系統因果關系圖中各因素的性質以及因素之間的因果關系，確定GDP、總人口、污染總量作為系統為積累變量，以人口增長量、人口死亡量、GDP 增長量、污染增長量和污染去除量作為速率變量。其他變量為輔助變量及常數，得到各子系統和產業生態系統的流圖，如圖2 所示。

圖1 產業生態系統因果關系圖

(3)模型參數確定與重要方程建立。根據圖2所示流圖，運用各種統計方法，確定系統參數:①利用歷史數據求算術平均值和中位值，如人口增長率等;②發展趨勢推算，統計資料和選定的公式外推:投資影響系數、工業影響污染系數等;③采用回歸分析模型確定參數。在Eviews 軟件支持下，采用一元線性回歸模型確定生產結構影響系數等。

產業生態系統的多樣性指的是產業生產的產品和提供服務是多樣的，系統中結構組成和各組成之間結構關系的多樣性。產業主導性是產業生態系統中產值最高的產業，其他產業與其相鏈接，以它的產品或者副產品為產品的原材料或輔助材料，與其共生共存。產業生態系統多樣性有一定的矛盾之處，如果總產值一定則不可能兩者同時大，產業生態系統能夠穩定持續發展則必須二者協調。產業主導性和多樣性協調是屬于可調控的參數［9］，政府可以通過財稅政策采取手段使企業的主導性增加、多樣性變大，同時促進企業之間協同發展，促使其協調度增加。

產業生態系統仿真模擬以徐州市2010年為初始年，模型中流位變量的初始值以2011年徐州市統計年鑒中相關數據為初始值。

3.3 模型的檢驗及靈敏度分析

本產業生態系統模型運行Vensim 系統動力學軟件提供的編譯檢查和跟蹤功能，對模型所表達的正確性進行了檢驗，運用仿真值與歷史統計數據的擬合程度，結果表明模型通過了檢驗。因此，模型可以用來對徐州市產業生態系統進行預測。

通過改變參數值進行模型的靈敏度分析，改變參數的數值系統輸出值變動較明顯，則該參數為模型的敏感參數。通過對模型的調控，發現影響系統的最敏感的參數為科技投入比例、投資系數、產業的多樣性與主導性協調度。

4 計算機的仿真試驗

4.1 模型的仿真分析

利用建立的系統動力學仿真模型，對徐州市產業生態系統未來的發展進行仿真，仿真時間以2010年為基年，仿真時期到2060年，時間跨度為50年。

社會發展系統采用了人均GDP 和生活質量來代表，如圖3 所示，人均GDP 保持著較好的上升態勢，但生活質量卻不盡如人意，由于污染和生態壓力的影響，生活質量處于波動狀態，然后快速下降。

產業經濟子系統以GDP 的增長率、全社會勞動生產率來代表，如圖4 所示。污染的影響和資源的缺口都是影響GDP 增長率的因素。全社會勞動生產率和工業產值處于增長的狀態，未來產業經濟系統一直處于發展的態勢，相對以前的增長速度有所下降。

圖2 產業生態系統流圖

對生態環境子系統的預測選取的值是生態壓力和污染總量，如圖5 所示。隨著產業經濟子系統的發展，生態環境子系統中生態壓力的值和污染的總量處于持續增加的狀態。隨著徐州市產業生態系統進一步的發展，生態環境的壓力逐漸加大。

經過模型的預測按社會發展子系統有一定程度的提升，但提升的空間不大。產業經濟子系統在接下來的時間內仍然處于發展階段，只是發展的速度出現了下降。由于產業經濟子系統的發展導致生態壓力逐漸增大，由此影響經濟的進一步發展。下一步調控的目標是增強可持續發展系統的支撐系統，增加生態承載力，提高生態效率，從而使產業生態系統能夠健康可持續地發展。

圖3 仿真模型預測社會子系統指標值

圖4 仿真模型對產業經濟子系統指標的預測結果

圖5 仿真模型對生態環境子系統指標的預測結果

4.2 模型的調控

(1)調整科技投入。從模型中的靈敏度可以知道，對系統增長影響較大的參數有科技投入、多樣性與主導性協調度、投資結構，下面通過調整這些參數來看對各系統的影響。

圖6、圖7 是將科技投入的比例擴大到初始值的1.5 倍和2 倍得到的結果?？梢悦黠@看出，增加科技投入后GDP 的增長速度有明顯的提高，并且隨著科技投入比例越高增加的幅度越大。說明科技投入對GDP 的影響效果是較大的。圖7 是不同科技投入下對污染的影響，可以發現一個明顯的區別:就是隨著科技投入的增加，其總量趨勢是下降的，標注3 是科技投入量最大的線，在最下方;標注2 為科技投入量居中的線，它的總量居第二位。從上面三張圖可以看出，改變科技的投入量能夠在增長GDP 的同時減少對環境生態的壓力，促進產業生態系統向更健康的方向發展。

圖6 不同科技投資水平的GDP 對比圖

圖7 科技投資水平下的污染對比圖

(2)調整多樣性與主導性協調度值。產業生態系統的特征之一是產業的多樣性與主導性協調。如果產業生態系統和自然系統一樣組成一個閉合的循環高效系統，那么其產業主導性和多樣性一樣存在著高度的協調關系。為了觀察產業多樣性與主導性協調對產業生態系統的影響，將模型中產業主導性與模擬協調性增高了原來的50%。如圖8 所示，圖中包含了調整協調性增加前后的四條線，可以看出協調性后GDP (標注1、2)的總量有所上升，但幅度并不大。另外兩條線為污染總量(標注3、4)的兩條線，兩條線具有明顯的差別，協調度增加后總的污染量有明顯的降幅。通過圖形可以看出，通過對產業生態系統的多樣性和主導性協調度進行調度，可以大幅度減少污染的量，而同時GDP 量有所增加，但增加的幅度不大。

圖8 不同產業協調度下GDP 與污染對比圖

(3)調整投資系數?？刂颇Ｐ椭械耐顿Y比例為原來的130%，得到如圖9 所示的工業產值(標注1、2)、污染量(標注3、4)提高投資比例前后的線，前幾年提高投資比例后對工業產值、污染值的影響不大，只是到后面才有比較明顯的提升。究其原因，應該是因為靠投資拉動經濟已經出現了邊際收益遞減的現象。目前固定資產占投資的比例最高已經達到了68%，所以再靠投資拉動經濟增長已經不太現實。另外投資拉動經濟增長短期內會增加污染量，從而加重生態環境的壓力。圖9 中2045年前線4 在線3 上面，說明增加投資拉動經濟增長短期內會增加環境的壓力。最后工業產值出現較快提升，隨著工業產值的提高，采用了較先進的技術和工藝，污染下降。

圖9 不同投資比例下工業產值和污染的對比圖

(4)同時調整系統協調性與科技投入。將科技投入量和產業協調性同時增加的結果如圖10 所示。從圖中可以看出，相對于單獨調整投入量與產業系統的協調性，兩者同時調整的效果明顯得多。GDP 出現快速上升(標注1、2 分別為調整前后的值)，而污染有較明顯的下降(標注3、4 分別為調整前后的值)。

圖10 不同產業主導性和科技投入量的GDP 與污染的對比圖

5 啟示與政策建議

利用構建的產業生態系統的仿真模型對徐州市研究的結果表明，產業生態系統的限制因子是科技投入比例、投資系數、產業的多樣性與主導性協調度。通過調控模型發現，調整投資系數對經濟增長有一定促進，但效果不明顯。增加科技投入可以促進GDP 增長，但對污染減少的效果不顯著。增加科技投入比例的同時增加產業的協調度，結果GDP 增加的同時較明顯降低污染量。

基于以上研究，提出如下政策建議:

5.1 加大科技投入，發展生態科技

政府應該加大對科技的投入力度，對研發投入大的效果好的企業在財稅政策上采取適當的激勵措施，調動企業創新的積極性。

發展生態科技企業缺乏相應的動力，政府應給予相應的資金和政策支持。支持高校及科研機構對生態科技進行研究，并結合各企業的實踐制定出相關的技術標準，通過分析各企業產品的生命周期和物質流與能流，研究發展所必需的生態技術，降低生產過程中的能源浪費和污染物產生。

5.2 鼓勵產業融合，提高產業生態系統的協調性

企業之間相互協同發展是環境與經濟發展雙贏，但企業之間往往缺乏合適的渠道進行相互溝通，或者溝通有一定的障礙，這時候政府應該出面進行協調，對與主導產業相關企業落戶給予稅收和政策方面的支持。另外不定期舉辦企業與企業之間、企業與高校之間的業務洽談，并且為企業之間搭建協同發展的橋梁，對企業如果能夠節約資源的行為進行稅收和財政方面的補貼。鼓勵各產業之間協同發展，構成產業間能源流動、物資循環和信息共享產業系統。

5.3 發展靜脈產業，建立虛擬工業生態園

靜脈產業又稱為資源再生利用產業，是產業生態系統中的分解者，它以環境保護和節約資源為目的，利用先進的技術，將生產和生活過程中產生的廢棄物轉化為重新利用資源和產品，因其功能類似于靜脈血管，因此稱為靜脈循環企業。靜脈循環企業是產業生態系統中較為關鍵的環節，因為只有它的存在才能夠實現系統的閉路循環，演化成為三級產業生態系統。

產業生態系統實現健康發展，系統排放的廢棄物應該逐步減少甚至零排放，因此對各環節的廢棄物進行重復利用是重要內容。建立虛擬工業生態園即網上廢棄物交易平臺，促使廢棄物實現網上交易，既可節約資源，又能減少廢棄物的排放。建立虛擬生態園應該將各企業的數據進行搜集并輸入數據庫，查找具有潛在配對關系的企業，查找企業應該注意就近節約運輸成本，確保廢棄物交易有收益。

［1］王其藩.系統動力學［M］.北京:清華大學出版社，1998.

［2］Dennis Meadows，et al.增長的極限——羅馬俱樂部關于人類困境的報告［M］.長春:吉林人民出版社，1997.

［3］史學義.煤炭城市轉型與可持續發展的研究［D］.遼寧工程技術大學，2004，69-74.

［4］蘇懋康.系統動力學原理及應用［M］.上海:上海交通大學出版社，1988.

［5］凌亢，王浣塵，陳傳美.南京市可持續發展系統模型的運行與檢驗［J］.武漢大學學報社科板，2002，(1):64-69.

［6］李農，王其藩.我國宏觀經濟SD 模型與模擬［J］.系統工程理論與實踐，2001，(9)1-9.

［7］劉宏業.工業系統安全管理及其影響經濟可持續發展的研究［D］.2004.

［8］張晶，王麗萍.基于多樣性與主導性相協調的產業生態化實證研究［J］.科技進步與對策，2012，(9):70-73.