基于能值分析的西安市3個發展核心區生態健康評價

王智宇, 馬俊杰, 陳新新, 趙 丹, 滕 騰, 楊煜岑

(1.西北大學 城市與環境學院, 西安 710127; 2.西咸新區 能源金融貿易區, 西安 710200)

隨著社會經濟的發展和人口基數的增長，人類活動對自然環境的影響愈發明顯，如何協調人類社會發展與生態環境健康之間的矛盾，近年已成為國內外生態環境領域的研究熱點，為了評價生態經濟系統的可持續發展能力，能值分析被廣泛應用于各領域的科研工作中。能值理論創立于20世紀80年代，由美國生態學家Odum提出，Ulgiati等[1]對意大利的社會經濟系統和自然生態系統進行能值分析，評價了其可持續發展和資源利用情況；Nelson等[2]基于能值分析研究出了濕地系統處理污水比傳統污水處理工藝具有更好的環境效益與經濟效益；Campbel[3]認為能值分析是能夠評價生態系統健康的一種方法，可以用于評價生態系統是否具有完整的結構與良好的性能；Bakshi[4]探討了能值分析方法與生命周期評估法(LCA)結合起來應用于化學工業中的環境效益和經濟效益。

國內能值研究起始于1988年Lan等[5]的共同研究，Lan等將能值理論與方法引入我國農業總體生產的評估，為農業生產的穩定發展提供科學依據；嚴茂超等[6]運用能值理論與方法，將西藏主要自然資源的能值指標與其他國家進行了比較；陸宏芳等[7]對國際能值分析理論現行能值評價指標體系作了歸并簡化，提出了評價系統可持續發展能力的新的能值指標(EISD)，并將其應用于珠江三角洲基塘農業生態工程建設評價；隋春花等[8]通過能值分析，從自然—社會—經濟復合生態系統角度，對廣州和上海的各種生態流進行比較研究，評價了廣州城市生態系統自然環境現狀和社會經濟發展；劉耕源等[9]采用能值分析的方法，構建了適合包頭市的城市健康能值指標，評價了包頭市5年的生態健康趨勢。

能值分析能夠把自然生態系統與人類經濟系統進行統一的定量分析，為各種生態系統的定量分析提供共同的度量標準，有利于生態流流量綜合分析[10]，因此，本文從能值分析的角度出發，對西安市3個發展核心區，即灞橋區、雁塔區和未央區的基礎數據進行計算分析，并運用模型進行生態健康評價，從而分析討論3個區的生態健康程度，對研究區的可持續發展提出合理的建議和科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

灞橋區位于西安城區東部，地理坐標為東經108°59′—109°16′，北緯34°10′—34°27′。全區總面積332 km2，常住人口60.82萬人。2014年，全區生產總值為309.73億元，其中第二產業占比約47%，第三產業占比約48%。雁塔區地處西安城區南部，地理坐標為東經108°10′—109°02′，北緯34°10′—34°15′，全區總面積151 km2，常住人口120萬人，2014年，全區生產總值為1 114.46億元，其中第三產業產值比重近70%。未央區坐落西安城區北部，地理坐標為東經108°47′—109°02′，北緯34°14′—34°26′，全區總面積262 km2。2014年，全區生產總值703億元，其中第二產業占比約53%，第三產業占比約46%。3個區同處市郊，近年名稱也從舊的“郊三區”變為“城六區”中的區域，現階段已成為西安市建設與發展的主要空間，政府相繼在3個區內建立建成多個開發區，如浐灞生態區、國際港務區、經濟技術開發區及曲江新區等，可以說這3個區是西安市目前的發展核心區。

1.2 研究方法

本文所采用的數據來自《西安市統計年鑒》、《陜西省統計年鑒》、各相關部門資料及其他實地收集的資料。應用Odum的“能量系統語言”圖例，繪制研究區的能量系統圖，概括總結研究區系統各層級與自然環境的關系。通過藍盛芳等[11]和Odum[12]的相關理論和方法，計算3個區生態環境系統和社會經濟系統中能值流的基礎數據，運用PSR模型建立生態健康評價指標體系，參照李永建[13]的邏輯斯蒂增長曲線模型進行各項指標的單因子評價，并通過層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)對各項指標賦予權重，最后采用多因子綜合評價法計算出3個發展核心區生態健康綜合評價值HEI。

能值分析建立在Odum創立的能量符號語言系統之上。由圖1可知，部分自然可更新資源及不可更新資源產品會對生態環境系統有一定的影響，并作用于社會經濟系統，同時社會經濟系統會有一定的輸入能值(IMP)和輸出能值(出口量與廢棄物排放)。本研究基于復合生態系統視角[14]，通過計算分析生態經濟系統的能值指標，達到評價3個區生態系統健康程度的目的。

2 結果與分析

2.1 生態經濟系統綜合能值分析

城市生態經濟系統中能值流互相交錯影響，為了能夠定量分析城市生態經濟系統的健康程度，本文結合陸宏芳城市復合生態系統的理念，選取合適的城市生態經濟系統綜合指標，將生態環境子系統和社會經濟子系統的基礎數據整合，制定2014年灞橋區、雁塔區和未央區的城市生態經濟系統主要能值指標比較表(表1)。

由表1可以看出，2014年西安市灞橋區、雁塔區和未央區的能值自給率(ESR)及能值密度(EPA)基本持平，能值貨幣比率較高，可持續發展指數(ESI)均小于1。能值自給率與生態經濟系統自給自足的能力成正比，說明了3個區的社會經濟發展主要依靠本地資源的開發與消耗，同時輸入能值占比較少，致使本地自然資源未能高效利用，造成社會經濟發展的可持續性程度較低，出現自然資源短缺及生態健康狀況惡化的現象；能值貨幣比反映了3個區單位能值投入的產出價值較高，即GDP創造的能值價值得到了有效體現，3個區域在發展的過程中商業化程度較發達；能值密度(EPA)是體現區域能值集約利用強度和社會經濟發展程度的重要指標[15]，3個區數值較高，說明該地區的工業化程度較高，但對生態環境的壓力和影響也較大，側面反映了3個區資源的短缺，以及對資源的高強度利用，雖然3個區社會經濟發展迅速，初步達到發達國家水平，但可持續性仍然較低。

圖1生態經濟系統能值分析

表1 2014年城市生態經濟系統主要能值指標比較

2014年西安市灞橋區人均能值(EPP)為2.70E+16 sej，分別是雁塔區及未央區的4.15倍及1.55倍；未央區的生態負載率(ELR)為33.58，高于灞橋區2.56倍、雁塔區1.61倍，能值受益率為0.44，高于灞橋區1.65倍、雁塔區1.31倍。

綜合比較而言，灞橋區自然資本貯存量、可更新資源消耗及人均能值為3個區最高，說明灞橋區現階段有效利用了本地現有資源，這與灞橋區主要以生態建設為主的城市化發展規劃密不可分，而人均能值較高也說明灞橋區人均可支配資源較多，居民能有較好的環境舒適度，主要是由于灞橋區相對其他兩個區地廣人稀、自然資源豐富，使得灞橋區的可持續發展之勢相對較高。但是灞橋區輸入能值較高，在有效利用本地資源的同時較為依賴外界輸入資源，說明該區的社會經濟發展依靠外部經濟的帶動，仍處于可持續性較低的階段。

雁塔區人均能值較低，一方面是由于該區作為城市南部金融、教育、商貿及住宅核心區[16]，不斷的城市化發展使人口數量持續增長，2014年已達119.74萬人，然而人口承載量較低，實際人口為承載量的1.99倍，生態系統的承受人口能力已處于超負荷階段，這對該區的生態環境壓力較大。另一方面人均能值體現出該區居民生活水平的較低，雖然該區域為3個區中發展最好，但因為土地及自然資源有限，人口增加對環境承受能力的影響愈發明顯，隨著雁塔區城市規劃擴張及城鎮化建設，該區域資源有限而人口基數持續增長，會導致居民人均能值利用量減少，即人均可支配享受的能值較少，從而降低了人們的生活水平。

未央區生態負載率(ELR)和能值受益率(EER)較高，生態負載率較高體現城市生態經濟系統的發展是建立在不可更新資源消耗的基礎之上[17]，這說明未央區社會經濟系統欠發達，而能值受益率能夠通過進出口貿易得失來反映該地區的經濟發展情況[18]，數據表明，未央區輸入能值占總能值用量比重43.70%，不可更新資源利用能值占53.43%，可更新資源占比僅為2.89%，可以看出，輸出能值占總能值用量的比重較小，外貿過程中處于不利的環境，會對自身社會經濟發展造成影響，未央區較為依賴外界輸入能值及本地不可更新資源的開發與利用，未能合理高效利用本地現有資源，對生態環境造成了一定的壓力，使該區生態系統恢復力和社會經濟發展可持續性較低。

2.2 生態健康評價方法

采用PSR(Pressure—State—Response)模型，以區分3類指標，即壓力指標、狀態指標和響應指標。壓力指標表征人類的經濟和社會活動對環境的作用；狀態指標表征特定時間階段的環境狀態和環境變化情況，包括生態系統與自然環境現狀，人類的生活質量和健康狀況等；響應指標指社會和個人如何行動來減輕、阻止、恢復和預防人類活動對環境的負面影響，以及對已經發生的不利于人類生存發展的生態環境變化進行補救的措施[19]。本文選擇活力、組織結構、恢復力以及服務功能作為3個區生態系統健康狀態指標評價的要素。

研究區生態系統健康評價方法分兩個部分，一是將各指標進行單因子評價，二是利用層次分析法(AHP)[20]對各指標進行權重分析，并利用多因子評價方法得出研究區生態系統健康評價綜合指數(HEI)[21]。

(1) 單因子評價模型。參照李永建[13]的邏輯斯蒂增長曲線模型，對各單項指標進行評價。即當指標量增加與生態系統健康的增加方向相同時利用公式(1)，當二者增加方向相反時用公式(2)。

(1)

(2)

式中：P代表單項指標的生態系統狀態指標評價值(無量綱)；R表示單項指標測度值(%)。

(2) 多因子綜合評價。運用層次分析法(AHP)對單項因子賦予權重，進行綜合多因子評價，計算公式為(3)。

(3)

式中：Pi為第i個單項指標評價值(無量綱)；Wi為第i項單項指標權重(無量綱，利用層次分析法確定)

2.3 評價結果

通過對研究區數據的歸納分析與計算，以及上文中的能值指標計算方法，可以得到2014年灞橋區、雁塔區和未央區的單項指標測度值，即單因子評價模型中的R值，并由R值計算得到需要的單項因子評價值Pi。

其次，生態系統健康評價中對評價因子權重的分配直接影響到評價結果，而且在多項因子綜合評價中的計算也需要對單因子指標賦權重，因此合理地對單項因子賦權重，對于提高評價精度與靈敏度有著十分重要的意義[22]。本文采用層次分析法(AHP)來對評價因子賦予權重，建立層次結構模型(圖2)，通過專家評判對評價因子賦予權重，本文是通過兩次賦予不同權重得出結果，基于綜合考慮的情況下，取兩次賦予的平均權重作為最后計算使用的數據。

得出的測度值R用單項評價因子公式，可以計算出各個因子的單項評價值Pi，同時使用多因子綜合評價，利用Pi和Wi的值計算得出綜合健康評價指數，以達到對西安市3個區生態系統健康的定量化評價，評價結果見表2。

采用本文確定的指標體系，用單因子評價和多因子綜合評價的方法對西安市灞橋區、雁塔區及未央區3個核心發展區的生態健康評價進行了研究，得到了3個區2014年生態健康的綜合評價指數：灞橋區(HEI)為0.704；雁塔區(HEI)為0.402；未央區(HEI)為0.705。由表3可以看出，3個發展核心區的生態健康程度均高于北京(2008年)、廣州(1995年)、香港(1988年)及澳門(2003年)。

(1) 共性分析。根據單項指標評價值的計算結果來看，3個發展核心區的能值投資率、能值產出率、不可能新資源、生物多樣性種類、經濟社會可持續指數及生態系統可持續指數基本持平。3個區的能值投資率評價值普遍較低，評價值在0.030～0.075區間，而能值產出率及不可更新資源能值占比的評價值較高。這說明3個區在開發利用本地現有資源的同時，也較為依賴外界輸入能值，未能高效利用本地現有資源。西安市處于社會經濟高速發展階段，隨之而來的是工業化進程的加快，3個區的第二產業占了絕大比重，城市供暖、供電及工業生產不可避免的消耗大量自然資源，以保障社會經濟發展及居民生活水平，這對生態環境造成了一定壓力。

圖2層次結構模型

表2 城市生態經濟系統健康能值評估指標匯總

3個區在發展的過程中，為了增加環境效益與經濟效益，也不斷改善生態環境，例如灞橋區增加綠化面積，雁塔區城市公園的建設，以及未央區新型工業園區的完善等，使社會經濟發展和生態環境保護更加協調，一定程度上提升了生態環境質量，增加了生物多樣性。可以看出，3個區在發展的過程中考慮到了生態環境的改善，但是不可避免地開發利用不可更新資源，同時依賴外部輸入能值來維持本地發展，雖然生態健康程度較為良好，然而可持續發展程度較低。從長遠角度來看，只有高效利用本地現有資源，擺脫對輸入能源的依賴，才能化被動為主動，從區域內部提高生態健康程度，達到可持續發展的目的。

(2) 差異性分析。3個發展核心區的差異體現在人口密度、人類活動干擾、電力能值占比、自然資本貯存量、生態負責率、人口承載量氣候調節等方面。灞橋區為城東發展核心區，人口密度和人類活動干擾相對較少，綜合評價值較高，分別為0.947，0.183；自然資本貯存量及氣候調節評價值為3個區最高，分別為0.724及0.461。數據表明，灞橋區自然環境優勢相對明顯，有良好的生態環境基礎，該區不僅持續增加城市綠地面積，同時針對濕地進行有效保護，生態環境相對優良。然而該區第二產業占比較大，為47%，諸如灞橋熱電廠之類的工業生產單位，不僅對本地不可更新資源進行消耗，同時也對生態環境造成了一定的壓力。雖然自然資本貯存量較多，氣候調節能力較強，但如果不針對資源進行合理開發利用，社會經濟發展會愈發不可持續，生態健康程度仍然會降低。因此，該區應在現有生態環境的基礎上，適當將第二產業比重向第三產業遷移，并提高資源開發利用的合理性與高效性。

雁塔區作為城南核心區域，第三產業占比72%，隨著城市化建設，社會經濟較為發達，城鎮及鄉村居民不斷涌入，人口高度集中，行政面積卻為3個區最小，使得人口密度和人類活動干擾較大，綜合評價值較低，分別為0.065，0.083，雁塔區比較重視社會經濟發展過程中的生態環境保護，在文化旅游區、城市居民區、教育辦公區及城市公園都有覆蓋率較高的綠植，但是人類活動干擾對環境造成的壓力依然明顯。由于該區地理位置特殊，處于市中心，自然資源較為缺乏，然而大量的城市居民日常生活都需要以豐富的自然資源作為支撐，一方面本地僅有的自然資源不斷被利用，另一方面尤為依賴外界輸入社會經濟系統內部的資源，這成為該區生態健康評價指數較低的因素?？紤]到該區社會經濟發展狀況優良，但自然環境狀況不容樂觀，建議合理配置自然資源，平衡好人口流入與自然環境現狀尤為重要。

未央區是集政府、工業、住宅、商業、文化旅游為一體的城北核心區，同樣存在人類活動干擾的問題，但最主要的問題是工業生產帶來的環境影響，該區第二產業比重為3個區中最高的53%，區內新型工業園區的建設是為了更好地將工業生產與綠化結合，起到一定的生態適應性，但是工業生產不可避免會大量消耗本地不可更新資源，由數據看出，該區不可更新資源綜合評價值為最低的0.423，反映了該區的社會經濟發展主要依靠第二產業，即建立在自然資源的消耗基礎之上，這種發展模式是不可持續的。同時，該區的氣候調節能力綜合評價值較低，說明生態系統的恢復力較弱，如果不能及時調整發展模式，生態系統無法承受社會經濟發展帶來的壓力。因此，該區應當降低工業生產的比重，現有的發展模式很適合于第三產業，可以將重心向第三產業發展靠攏，提高該區的生態健康程度。

表3 西安市3個區域主要能值指標與其他地區的比較

3 討論與結論

本文將藍盛芳等[11]和Odum[12]的能值分析方法與理論、Brown等[27]提出的ESI評價標準以及陸宏芳等[14]的城市復合生態系統能值分析研究相結合，基于對西安市灞橋區、雁塔區和未央區的能值計算分析，采用PSR模型建立健康評價指標體系，選擇活力、組織結構、恢復力以及服務功能作為研究區生態系統健康狀態指標評價的要素，運用單因子評價模型計算各個指標評價值，再使用層次分析法對指標進行賦權重處理，最后用多因子綜合評價得出各個區的生態健康評價指數為灞橋區0.704，雁塔區0.402及未央區0.705。

灞橋區的人類活動干擾較少，自然資源及生態投入較多，氣候調節能力較強，該區在原有良好的生態環境基礎上應加以維持，在現階段發展社會經濟的同時兼顧生態建設。但是該區第二產業占比約47%，工業生產對于不可更新資源的使用較為依賴，不利于該地區的可持續發展，應適當降低第二產業比重，合理提高自然資源利用的高效性與合理性，平衡現階段發展與環境的關系，提高本地生態健康程度。

雁塔區主要以第三產業為主，社會經濟發展較發達，但是該區人口密度過于集中，使得實際人口為人口承載量的1.99倍，人為因素的干擾對雁塔區的生態環境造成了一定的壓力。同時居民日常生活需要以大量的物質資源作為基礎，該區原有自然資源較少，比較依賴外部輸入資源，這就降低了該區對生態環境改善的主動性，該區提高資源利用效率，調整能源輸入現狀，在本地原有的自然資源基礎上合理開發利用，協調好人口不斷涌入與環境承受能力的關系，達到社會經濟效益與生態環境效益的雙重提高。

未央區起初是以第二產業為主，現階段發展以市政、文化、商業、教育等第三產業為核心，區內社會經濟發展良好。但主要問題為該區目前第二產業占比仍較大，為53%，不可更新資源的使用為3個發展核心區中最多，較為依賴本地不可再生資源的利用，同時也會產生工業“三廢”污染環境，該區氣候調節能力較弱，說明工業生產帶來的環境污染對生態系統恢復力有一定的壓力，將工業發展帶來的社會經濟效益建立在自然資源的開發之上是不可取的。為使得其生態健康程度較為良好，應重視工業污染在社會經濟發展中造成的環境問題，同時現階段不斷發展已經基本成型的第三產業。

本文將能值分析方法與城市復合生態系統相結合，定量分析3個區域的城市生態系統指標，能夠較為全面地反映社會經濟的可持續發展程度，并合理分析3個發展核心區的共性和差異性，提出相應的建議。同時，有效地將單因子評價和多因子綜合評價結合起來，并運用層次分析法(AHP)增加多因子綜合評價的準確性，使計算出來的生態健康指標更為準確合理。但能值分析的數據基本來源于統計年鑒與實地收集相關資料，在基礎數據的處理上會有一定誤差(可控范圍內)。

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