福州市生態環境壓力與經濟發展的脫鉤耦合關系

楊泓川, 陳松林

(1.福建師范大學 地理科學學院, 福建 福州 350007; 2.福建省亞熱帶資源與環境重點實驗室, 福建 福州 350007)

耦合是指兩個(或兩個以上的)系統或運動形式以各種媒介實現諸如物質交換、能量傳遞、形態轉移等多種相互作用的物理學現象[1]。而脫鉤也稱“去耦”，外在表現為耦合系統中相互作用力的消失，但本質上卻體現了耦合系統進入更高(或更低)級的協調階段[2]。因此，脫鉤和耦合可以看作是同一過程的不同階段，脫鉤耦合關系可以用來描述兩個(或兩個以上的)系統的相對運動狀態[3]。生態環境壓力與經濟發展的脫鉤耦合關系就是生態環境與經濟發展兩大系統的相對運動狀態。

國外對生態經濟耦合系統的研究主要集中在模型分析以及理論框架的構建上，發展并產生了3項標志性成果[4]：①20世紀80—90年代由聯合國環境規劃署(UNEP)和經濟發展與合作組織(OECD)聯合開發的“壓力—狀態—響應”(PSR)模型，為探討經濟發展與環境關系提供了一套完整的理論框架和全新的分析思路；②20世紀末提出的環境庫滋涅茨曲線認為經濟發展過程中經濟增長與環境污染之間存在一種先同步后相背的“倒U型”變化規律，即伴隨著經濟發展，環境經歷了一個先惡化后改善的變化過程[5]；③21世紀初，OECD提出脫鉤模型，認為當經濟增長率高于環境壓力增長率時，生態經濟耦合系統趨于協調，應當通過各種手段加快二者的相背變化，以使環境壓力不再成為經濟增長的“阿喀琉斯之踵”[6]。國內相關研究起步較晚，一般基于國外理論展開概念辨析、機制分析和實證研究[7-10]，主要體現出3個方面的特色：①由于中國行政區劃體系的影響，多空間尺度下生態經濟系統耦合關系的差異性成為研究的重點[11-13]；②通過跨學科理論遷移豐富和完善既有理論，特別注重物理學研究宏觀物體的理論與方法和地理學過程和格局的分析視角相結合[14-15]。③以經濟發展的重要表現形式城市化與生態環境的耦合關系在此類研究中占據主導地位[16-19]，這和中國當前的經濟發展階段密切相關。

通過文獻梳理發現，目前關于生態經濟系統耦合關系判別的研究仍存在缺陷：①研究方法難以適應脫鉤耦合關系在短期尺度上的細微變化；②對生態環境壓力的內涵不明晰，以至于難以識別經濟發展與資源消耗、經濟發展與環境污染和經濟發展與生態壓力綜合狀況之間的差異化關系，造成結果分析片面化。基于此，本研究擬以福州市為例，采用“省公頃”生態足跡模型將研究區生態壓力狀況本地化，分別設立表征區域生態環境壓力的綜合性指標和資源、環境兩方面的分解性指標，利用多因素評價法測度研究區經濟發展水平，并借助改良脫鉤耦合模型對研究區經濟發展與資源消耗、環境污染和生態綜合狀況的脫鉤耦合關系進行判別，揭示研究區經濟生態系統耦合特征。

福建省作為中國東南沿海的重要開放窗口和生態大省，其經濟和生態的協調發展對于全國具有一定的先行和示范意義。而福州市作為福建省省會，其經濟增長過程和生態文明建設過程必將成為整個省域的宏觀折射及微觀縮影，具有較強的代表性。從研究視角看，當前對福州市的研究通常只從單方面考察其生態環境壓力或經濟發展狀況，而并未揭示兩者的相互作用關系[20-21]；少數研究涉及到兩者的協調性但理論依據有所不足[22]。因此本研究以耦合模型為載體，定量研判福州市生態環境壓力和經濟發展的耦合特征，這對于明晰福州市生態環境壓力現狀以及統籌生態經濟系統協調發展具有一定的積極意義。

1 理論模型與數據來源

生態環境壓力的內涵和外延國內外學者尚未達成共識，但國內大多數學者普遍接受修飾壓力的定語生態環境是由生態和環境構成的一個組合名詞[23]，它既包括各種生態生產性產品與人類生存發展的資源保障關系也包含了環境容量與人類永續發展的約束控制關系，也就是說生態環境可分為資源保障和環境容量兩大要素。值得注意的是，壓力的根本受體并非環境本身，而是人，而人類活動又是生態環境壓力產生的根本因素之一。基于此，本研究認為生態環境壓力是指生態環境系統所提供的資源供給功能和環境容量功能同人類活動的需求不相適應的矛盾而導致人類整體福利下降的系統負效應。因此可以表觀為人類活動、資源供給與環境容量三元耦合模型(圖1)。

圖1 經濟發展、資源供給和環境容量三元耦合模型

其中經濟發展是最具活力的人類活動，它是在經濟增長的基礎上，一個國家或地區經濟結構和社會結構持續高級化的創新過程或變化過程[24]，最直接表現為人民生活富裕。可見經濟發展是經濟增長水平和人民生活水平兩大要素綜合體。在宏觀世界中，經濟發展與生態環境壓力是一對典型的交互耦合關系，主要體現在： ①人類社會在經濟發展的不同階段對生態環境所施加的壓力存在差異； ②由于經濟發展的非線性特征，脅迫生態環境也呈現出對應的非線性響應； ③生態環境的負效應阻礙社會經濟的進一步發展； ④經濟發展系統和生態環境系統內部諸要素的耦合關系并不一定是同步的。經濟發展與生態環境壓力間的耦合關系就是經濟發展的要素綜合體與資源供給和環境容量兩大要素交互脅迫的非線性復雜關系的總和[25]。

本研究測算生態足跡所需的福建省各年份生物產量數據、土地利用現狀數據以及福州市城鎮、農村居民各類產品年人均消費量等資料，來自2011—2016年《福建統計年鑒》，2011—2016年《福州市統計年鑒》，2011—2016年《福建農村統計年鑒》和福建省土地利用變更調查成果；脫鉤耦合模型中計算經濟發展指數所需的10項指標均采自2011—2016年《中國城市統計年鑒》。

2 研究方法

2.1 生態足跡模型

生態足跡模型用以表征生態環境壓力，本研究采用“省公頃”對傳統生態足跡模型進行修正主要原因在于客觀性。①通過省域內土地實際生態生產能力求取均衡因子和產量因子，有助于消除全球單位產量年際波動造成的“生態足跡幻覺”[26-27]，更能反映福州市的生態環境壓力狀況；②福州市作為福建省省會城市的人地關系特殊性只有在省域范圍內才能較好體現。“省公頃”生態足跡模型的計算結果是全省平均生產力的面積當量(hm2)，它代表省域內平均生產水平下1 hm2土地的生產能力[28]。

任意一種土地利用類型，省域內任何一個區域基于“省公頃”生態足跡為：

(1)

式中：EF——區域生態足跡； ef——人均生態足跡；N——研究區常住人口數；ci——第i種產品的年人均消費量(kg/人)；pi——第i種產品在省域內的平均產量；n——生態物質產品數。YF和EQF——所研究土地利用類型基于“省公頃”的產量因子和均衡因子。由于篇幅有限；“省公頃”均衡因子和產量因子的計算過程詳參考薛若晗[28]的研究，取2010—2015年福建省均衡因子的平均值作為計算參數，農地、林地、草地、水域的均衡因子分別為3.70；0.36；0.20；0.64，建成地和碳吸收地的均衡因子分別等于農地和林地的均衡因子(hm2)。2010—2015年福州市產量因子(ahm2/hm2)計算結果歸納整理見表1。

表1 2010-2015年福州市產量因子 hm2

碳吸收地生態足跡主要由消費化石能源所致，計算公式為：

(2)

式中：PC——該地區CO2排放量，這里用“萬元地區生產總值能耗”和“地區生產總值”折算該地區消耗的標準煤當量，根據相應的轉換系數[29]得到CO2排放量；SOCEAN——給定年份海洋吸收CO2的百分比，參考相關資料取值為21.74%[30]，YC——每年福建省林地平均碳吸收率，參照已有研究[31]，福建省杉木林、馬尾松林、闊葉林和竹林4種森林類型的碳吸存量超過總量的93.5%，依據各類森林的面積和年碳凈吸存量，加權平均得到YC為3.978 4 t/hm2。

省域內任意一種土地利用類型的生態承載力為：

ED=A×YF×EQF

(3)

式中：A——一種給定土地利用類型可得面積。根據生產潛力的相似性將耕地和園地合并為農地，此外，本研究只核算淡水產品的生態足跡，為了盡可能考慮原始物質來源的準確性使均衡因子和產量因子的設置更加合理，所以在核算水域面積時扣除了“沿海灘涂”。

區域生態環境壓力靜態狀況的生態赤字為：

ED=EF-BC

(4)

沿用傳統生態足跡模型中的生態超載指數(BOI)來表征區域內生態環境綜合壓力狀況，根據生態足跡賬戶中農地、林地、草地、水域、建設用地和碳吸收地在屬性上表現出的資源環境偏好，將前5類生態生產性土地上的生態足跡進行匯總，設立資源消耗指數(RPI)以衡量研究區內資源壓力狀況。將碳吸收地生態足跡為變量設立環境污染指數(EPI)表征研究區環境壓力狀況。

計算公式分別為：

RF=EF-EF碳

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：RF——資源消耗足跡； RPIk——第k年資源消耗指數標準化值； RFk和RF2010——第k年和基期年的資源消耗足跡； EPIk——第k年環境污染指數標準化值； EF碳k和EF碳2010——第k年和基期年的環境污染足跡； BOIk——第k年生態超載指數標準化值，其余變量涵義同理可知。

2.2 多因素綜合評價法

多因素綜合評價法用以測算經濟發展指數，綜合度量福州市經濟發展狀況，從經濟增長水平和人民生活水平兩方面選取10項指標構建評價指標體系。采用極值標準化法消除各項指標原始量綱，并用Matlab編程得到各指標熵值及權重，評價指標體系見表2。

表2 福州市經濟發展指數評價指標體系

注：“+”為正向指標，“-”為負向指標。

任意一年的經濟發展指數計算公式：

(9)

式中：EDIk——第k年經濟發展指數標準化值；m——指標的個數；Wj——第j項指標的權重；Pkj——第k年第j項指標的標準化值。

2.3 脫鉤耦合模型

根據公式(1)—(9)測得參數計算資源消耗指數(RPI)、環境污染指數(EPI)、生態超載指數(BOI)和經濟發展指數(EDI)，以分別表征福州市資源消耗、環境污染、生態壓力和經濟發展水平。將上述各指標年際變化率作為變量計算出脫鉤彈性系數，以此作為經濟發展綜合狀況與資源消耗狀況、環境污染狀況和生態壓力綜合狀況三組脫鉤耦合類型的評判依據，公式如下：

(10)

(11)

(12)

式中：EBOI,EDI，ERPI,EDI和EEPI,EDI——經濟發展與生態壓力綜合狀況、資源消耗狀況和環境污染狀況的脫鉤彈性系數。

3 結果與分析

3.1 生態環境壓力狀況分析

根據公式(1)—(4)計算得到福州市2010—2015年區域生態足跡和區域生態承載力(圖2)以及生態赤字(圖3)，并分析福州市生態環境壓力狀況：

(1) 由圖2a可知，縱向上福州市生態足跡呈逐年上升趨勢，由基期的5.94×106hm2升至6.80×106hm2，增幅為14.57%，而在2015年下降至6.78×106hm2。在6種生態生產性土地中，除農地生態足跡逐年下降明顯，草地和水域生態足跡圍繞基期年小幅上下浮動外，其余3種生態生產性土地，碳吸收地、建成區和林地的足跡均逐年升高。農地足跡的下降主要是由于農地產量因子下降、城鎮居民糧食消費顯著下降和城鎮人口基數的不斷擴大同時催生的。其中農地產量因子下降(表1)的原因是，盡管福州市農地的平均生產力在研究期內仍處于持續增長態勢，但是其增長速度要慢于省域農地生產力的平均增速，其根源在于福州市本身并非省內農業優勢產區，并且隨著近年來產業結構調整步伐加快，農業轉型形勢趨于嚴峻。按常理，消費結構的優化應該會體現在草地和水域足跡的上升上，但就現狀而言，這2類土地產品的消費變化比較小，并伴隨年際波動。碳吸收地、建成區和林地生態足跡增加的原因較為明顯且最終都指向經濟支撐，分別是能耗的逐年增加、建成區面積的不斷擴大和家具消費量的增加；橫向上足跡賬戶的內部結構貢獻率大小依次為：碳吸收地>農地>建成地>林地>草地>水域。若將生態壓力分解為資源消耗壓力和環境污染壓力兩大部分，則依據生態足跡的研究的基本邏輯將農地、建成地、林地、草地和水域等5項足跡合并表征資源壓力，而碳吸收地表征環境壓力。可見在生態壓力的內部結構中環境壓力的貢獻率已超過60%，表明福州市環境污染壓力高于資源消耗壓力居于主體地位。

圖2 2010-2015年福州市區域生態足跡與區域生態承載力

(2) 由圖2b可知，福州市區域生態承載力波動上升，但整體上升幅度較小,僅上升1.68%，縱向變化最為明顯的是農地、建成地和林地。農地與建成地之間承載力此消彼長，主要原因是土地面積的變化，這也印證了福州市的快速城鎮化必定以犧牲耕地為代價；林地承載力增長歸因于林地產量因子的上升；此外，由于“沿海灘涂”以及居民的海產品消費均未納入計算，水域生態足跡和生態承載力都會相對低估；草地足跡和承載力之間相對差距最大，原因是一方面福州市草地面積較少，人均占有量低；另一方面，受現代健康理念和傳統飲食文化的影響，福州人日常食品消費結構中奶制品和牛羊肉所占份額較高。

(3) 就生態環境壓力狀況而言(圖3)，2010—2015年福州市的生態賬戶處于持續赤字狀態，支撐經濟發展所需的額外生態承載力由2010年的2.89倍，增長到2015年的3.37倍，基本處于生態透支較為嚴重的高壓態。其中，2010—2014年福州市生態赤字逐年攀升，從4.41×106hm2上升到5.25×106hm2，總增長率為18.96%，年平均增長率為3.16%。2015年仍處于赤字高位，但有略微回落至5.22×106hm2，原因主要是和2014年相比，城鎮居民的糧食消費有所回落，盡管總人口數在增加，但是糧食消費更少的城鎮居民基數也在增大，兩種因素的共同作用導致其變化過程發生波動。

圖3 2010-2015年福州市生態壓力變化

3.2 生態環境壓力與經濟發展脫鉤耦合關系

3.2.1 脫鉤耦合關系判別 OECD最初將脫鉤程度劃分為脫鉤、耦合、負脫鉤三大類型[32]，Tapio進一步將其細化為強負脫鉤、弱負脫鉤、衰退性耦合、衰退性脫鉤、強脫鉤、弱脫鉤、擴張性耦合和擴張性負脫鉤8類[33]，傳統方法都考慮了兩系統同向變化和反向變化的所有可能情形。本文不再沿用傳統分類方法，原因是短期尺度的經濟發展過程通常是穩定的，如福州市在研究期內經濟負增長現象不可能發生，若按原始耦合關系判別方法將造成大量判別類型冗余，且無法刻畫耦合關系的細微波動。基于此對傳統模型予以改進，通過選擇性預設某一要素的變動方向，即只考慮ΔEDI>0的情形，同時采用分級的方式強化脫鉤類型的劃分而弱化耦合部分的劃分以降低冗余，并彌補經典脫鉤模型無法精細描述脫鉤演化過程的缺陷。以生態環境綜合壓力指數(BOI)與經濟發展指數(EDI)為例，當ΔBOI<0且ΔEDI>0時，脫鉤類型為強脫鉤；當ΔBOI>0且ΔEDI>0時,脫鉤類型為弱脫鉤，上述兩類脫鉤類型稱為基底類型。在基底類型中以0.25為間隔在EBPI,EDI絕對值[0,1]范圍內劃分出Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ4種程度類型，并以1為閾值作為脫鉤和耦合的臨界狀態。脫鉤耦合類型的判定標準及內涵見表3，EDI同其他兩項分解性指標的脫鉤耦合關系可類比判別。

表3 經濟發展與生態環境綜合壓力脫鉤耦合類型判定標準

3.2.2 脫鉤耦合關系分析 根據公式(1)—(12)計算得到脫鉤耦合彈性系數(表4)，結果表明：福州市經濟發展與資源消耗壓力、經濟發展與環境污染壓力、經濟發展與生態環境綜合壓力3組脫鉤耦合要素在T1—T5全時期范圍內的脫鉤耦合類型均為脫鉤型，未出現臨界狀態和耦合型，這也意味著3組脫鉤耦合要素要么處于良性協調狀態，要么處于同向增長的合理區間內，以上結果合力表征了福州市區域發展總體可持續性。然而，3組脫鉤耦合要素呈現出差異化的時序演化特征。

表4 3組要素脫鉤耦合類型演化過程

(1)ERDI,EDI的演化過程可分為平穩期(T1—T2)和震蕩期(T3—T5)。平穩期內福州市經濟發展與資源消耗壓力的脫鉤耦合類型均為強脫鉤Ⅰ，在這一階段福州市的經濟發展與資源消耗壓力之間具備較低程度的良性互動關系，即福州市該階段經濟綜合實力的高速增長并沒有以資源的過度消耗為代價，相反由于科技水平的進步和資源配置效率的提升驅動資源消耗壓力產生了明顯的下降趨勢；震蕩期內ERDI,EDI值波動幅度較大，從-0.71躍升至0.96隨后又驟降至-0.42，變化形態呈現為明顯的低—高—低“倒V字”型特征，這也導致經濟發展與資源消耗壓力脫鉤耦合類型一度經歷了由強脫鉤Ⅲ到弱脫鉤Ⅳ再到強脫鉤Ⅱ的起伏變化過程。一方面資源消耗壓力觸底反彈，而另一方面經濟發展恰逢降速提質階段，兩相作用催生T4時期ERDI,EDI逼近臨界狀態。總體來看脫鉤耦合類型在研究期80%的時段中為強脫鉤，福州市經濟發展與資源消耗的矛盾較小。

(2)EEPI,EDI在時間序列的格局上呈現出“兩端低，中間高”的特點。起始時期經濟發展與環境污染壓力同向增長，但ΔEPI的增長速度遠遠滯后于ΔEDI，導致其在脫鉤耦合類型的上屬于弱脫鉤Ⅰ。而在T2—T4時期ΔEPI持續高水平增長，年平均增長率超過7%，相比而言ΔEDI在增速方面正逐漸喪失優勢地位，經濟發展與環境污染壓力的脫鉤耦合類型由弱脫鉤Ⅲ進一步發展成為弱脫鉤Ⅳ，折射出的現實含義就是這一階段福州市經濟發展對環境污染造成的影響具有顯化趨勢。T5時期福州市明確精心打造“美麗福州”的目標，并以國家級生態市創建工作為契機，在推進節能減排攻堅、加大環境保護力度和上實施了一系列積極舉措，使得生態環境狀況得到明顯改善，經濟發展與環境污染壓力的脫鉤耦合類型回到弱脫鉤Ⅰ。總體來看該組要素的脫鉤耦合類型在研究期內均為弱脫鉤，福州市經濟發展與環境污染的矛盾依然需要謹慎對待。

(3)EBOI,EDI的一個重要特征是無論在任何時期其值均介于該時期ERDI,EDI和EEPI,EDI兩項指標值的區間范圍內，體現出生態環境綜合壓力是資源消耗壓力和環境污染壓力綜合作用的結果，同時也能看到前兩組脫鉤耦合要素對于第三組脫鉤耦合要素的影響程度有所區別。它們之間的基本關系是：①第三組要素的基底類型為ERDI,EDI和EEPI,EDI之間絕對值較大一方的基底類型；②當前兩組脫鉤耦合要素基底類型相同時，第三組要素的程度類型大于或等于前兩組要素的最大程度類型，反之則小于或等于前兩組要素的最大程度類型。T1—T4時期經濟發展與生態環境綜合壓力的脫鉤耦合類型的基底類型均為弱脫鉤，程度類型不斷提升，這與經濟發展和環境污染壓力的脫鉤耦合類型基本保持一致，生態環境綜合壓力伴隨經濟發展呈波動上升趨勢；T5時期該組要素的脫鉤耦合類型為強脫鉤Ⅰ，但EBOI,EDI的值僅為-0.03，這表明這種良性互動的狀態極不穩定。

4 結論與討論

通過概念辨析和結果與分析，本研究得出以下主要結論：

(1) 福州市生態環境壓力狀況總體較大，生態透支程度較高，在生態環境壓力的內部結構中環境污染壓力比重高于資源消耗壓力并居于主體地位。

(2) 從福州市經濟發展的要素綜合體與資源保障和環境容量兩大要素所呈現的脫鉤耦合關系看，研究期內3組脫鉤耦合要素在T1—T5范圍內的脫鉤耦合類型均為脫鉤型，未出現臨界狀態和耦合型，經濟發展方式基本處在可持續的范圍之中。

(3) 從3組脫鉤耦合要素的脫鉤耦合關系差異化的時序演化特征看：①福州市經濟發展與資源消耗的矛盾較小；②經濟發展與環境污染的矛盾整體呈顯化趨勢，盡管期末有所緩和，但仍需謹慎對待；③經濟發展與生態環境綜合狀況的脫鉤耦合關系是前兩組脫鉤耦合要素綜合作用的結果，其基本延續了經濟發展與環境污染壓力關系的變化特征，兩者在期末產生的良性協調狀態極不穩定。應當堅持綠色發展的正確導向，加快實施在生態環境保護領域特別是節能減排上的有力舉措，促進經濟發展與生態環境的協調關系常態化。

本研究綜合生態足跡模型、多因素綜合評價法和改良脫鉤耦合模型揭示了福州市的生態經濟系統脫鉤耦合關系特征，結果表明改良脫鉤耦合模型能夠有效刻畫短期尺度生態經濟系統耦合關系，對變化現象的解釋力增強具有一定積極意義。但仍存在一些不足，研究旨在探討短期尺度上城市經濟發展與生態環境壓力脫鉤耦合關系的現狀及其相互關系，并未深入分析影響兩者脫鉤耦合關系的主導因子和作用機理，而這一部分的研究對于實際工作具有較強的指導意義。此外，生態足跡模型的優勢和局限性都比較明顯，該方法固然能夠避免在使用多因素綜合評價法時權重確定的主觀性，但其在表征環境污染壓力方面仍不夠充分。