基于能值分析的環太湖城市群生態經濟系統可持續發展研究

賈小樂,周 源,延建林,魏億鋼

1 中國工程院戰略咨詢中心,北京 100088 2 清華大學公共管理學院,北京 100084 3 北京航空航天大學經濟管理學院,北京 100191

近年城市化發展引起的城市霧霾、水體污染、城市洪水、土壤污染等環境問題事件頻發,開展城市和城市群的可持續發展評價研究,系統規劃城市和城市群未來的可持續發展道路,已然成為重要的科學議題和現實問題[1- 3]。

衡量城市可持續發展程度及健康水平的主要測度工具是城市可持續發展的評價指標和方法,其中能值分析方法最為代表,它是20世紀80年代由美國著名生態學家、系統能量分析先驅H.T.Odum創立[4- 7],是以地球系統最基礎的驅動源太陽能為共同的基礎參照標準,用太陽能值轉化率作為各種物質或能量的轉換單位,量化自然生態系統和社會經濟系統中的各種能量流、物質流、貨幣流和信息流。它突破了不同質量的能量之間統一評價的障礙,可以衡量和比較不同形式、不同等級的能量的真實價值。

國外從20世紀90年代起應用能值分析方法開展研究,這其中代表性研究有Ulgiati、Brown、Whitfield等分別對意大利、泰國、美國佛羅里達杰克遜維爾市等進行能值分析研究,取得了一系列的研究成果[8- 10]。同時國內對于能值理論和方法的研究也在不斷擴展,20世紀90年代初,隋春花和藍盛芳首次把能值理論和研究方法引入中國,隨后有多名學者對我國的廣州、西藏、北京、新疆等地的資源環境、經濟活動形成的生態經濟系統進行了能值分析和可持續性的評估研究[11- 16]。

城市群是生態系統和經濟系統相互交織、相互作用、相互耦合而成的能值流高度密集的復合異質系統和多維結構[16],當前城市群發展與環境保護之間的矛盾日益尖銳,但國內圍繞城市群可持續發展的研究相對較欠缺,主要有藺雪芹[17]、楊天姿[18]、楚芳芳[16,19- 20]和方創琳[21]等分別對山東省沿海城市群、長株潭城市群、京津冀城市群的生態經濟環境與可持續發展進行定量研究。本文運用能值分析理論與可持續評價指標體系方法,開展城市群整體評估與內部各城市的深入剖析相結合的可持續發展定量化研究和對比分析,一方面豐富和完善城市群可持續發展的理論研究基礎,另一方面為系統規劃城市群可持續發展提供可靠的參考評估及決策依據。

1 研究區概況

圖1 環太湖城市群行政區劃位置圖Fig.1 Location of Taihu Lake city cluster

環太湖城市群地處我國東部,位于江蘇省南部和浙江省北部區域,即長江三角洲地區中部且環繞太湖的周邊地區,臨近南京、上海和杭州三大城市,是我國東部重要的城市群之一。環太湖城市群由江蘇蘇州、無錫、常州和浙江湖州、嘉興五個城市組成(圖1),地理位置位于30°21′—32°04′N,119°08′—121°20′E,總面積約為27250 km2,約占長江三角洲地區面積和人口總數的四分之一,是長江三角洲地區重要生態涵養區和生態屏障。近年來環太湖城市群的工業化、城市化進程不斷的加速,從而使城鎮人口規模不斷增長,工業企業數量持續增加。隨之而來的環境問題也日益突出,工業化和城市化發展導致農業生態用地的減少,增長的人口與有限的資源之間的矛盾加劇,環境質量下降,出現了諸如2007年太湖藍藻污染事件和近年連續的霧霾天氣等?？梢姯h境污染的治理和短缺資源的補給已成為環太湖城市群發展急需面對的問題?；谝陨蠁栴}本研究選取環太湖城市群為研究對象展開討論。

2 研究思路

2.1 基礎資料梳理與分析

(1)根據2016年《中國城市統計年鑒》、《浙江省統計年鑒》、《江蘇省統計年鑒》、《蘇州市統計年鑒》、《無錫市統計年鑒》、《常州市統計年鑒》、《湖州市統計年鑒》、《嘉興市統計年鑒》和蘇州、無錫、常州、湖州、嘉興國民經濟和社會發展統計公報等,收集整理環太湖城市群的自然地理、經濟和社會等資料。

圖2 環太湖城市群生態經濟系統能量系統圖Fig.2 Emergy flow diagram for ecological-economic system in Taihu Lake city cluster

(2)根據H.T.Odum的能量系統圖方法[4- 7],繪制環太湖城市群生態經濟系統能量系統圖(圖2),先劃定環太湖城市群生態經濟系統的邊界,可更新自然環境資源太陽能、風能、雨水能、地球旋轉能進入系統被人類的社會經濟活動無償的利用;不可更新自然環境資源土壤有機質和表土層被系統內人類社會經濟活動無償的損耗;系統內本地自然環境投入的可更新資源產品農產品、畜產品、林產品和水產品等和不可更新資源產品煤電鋼、水泥、化肥等伴隨產品的生產、交換活動進入人類的社會經濟活動被利用并產生人的服務價值及相應的貨幣流;同時系統接受外界的進口商品和燃料等能量反饋輸入并伴隨產生人的服務價值及外資和旅游等貨幣流;并且隨之產生相應的輸出商品及貨幣流,系統產生的廢棄物對自然環境產生影響。

2.2 開展環太湖城市群生態經濟系統能值分析

(1)可更新自然環境資源原始數據：太陽能原始數據=面積×太陽光平均輻射量；風能原始數據=高度×密度×渦流擴散系數×風速梯度×面積；雨水勢能原始數據=面積×平均海拔高度×年均降雨量×雨水密度×重力加速度；雨水化學能原始數據=面積×年降雨量×吉布斯自由能×雨水密度；地球旋轉能原始數據=面積×熱通量。

(2)不可更新自然環境資源原始數據：土壤有機質凈損耗能原始數據=土壤面積×(土壤侵蝕率-土壤形成速率)×有機質平均含量×熱能值；表土層凈損耗能原始數據=農用土地面積×表土侵蝕率-植被演替面積×表土形成速率。

(3)其他資源原始數據參見統計年鑒數據,能量折算系數、能值轉換率依據H.T.Odum的研究成果。根據環太湖城市群可更新資源、不可更新資源、貨幣流和廢棄物流的原始數據,將各類資源換算為統一的能值單位計算各能量類別的流動量,編制成2015年環太湖城市群生態經濟系統能值分析表(表1)。

表1 2015年環太湖城市群城市生態經濟系統能值分析表

由于各城市統計口徑不同,表現為部分數據分類的不一致,此表基于原始統計分類進行數據處理

2.3 建立環太湖城市群能值指標評估體系

根據能值分析理論和環太湖城市群的實際情況,建立全面反應城市群生態經濟系統的指標體系,選取能值流量指標、社會亞系統評價指標、經濟亞系統評價指標、自然亞系統評價指標和綜合評價指標(表2)。

表2 環太湖城市群城市生態系統能值指標體系

P：人口數量 Population,S：土地面積 Square,E：用電量能值 Electricity；計算公式參見H.T.Odum的研究成果,健康能值指數參見[15],改進的健康能值指數參見[22]有修改

3 研究結果與分析

根據2015年環太湖城市群生態經濟系統能值分析表(表1)和環太湖城市群生態經濟系統能值指標體系(表2)及相應的計算表達式得出2015年環太湖城市群城市生態經濟系統可持續發展指標參數表(表3)。

表3 2015年環太湖城市群城市生態經濟系統可持續發展指標參數表

3.1 能值流量結果與分析

根據2015年環太湖城市群生態經濟系統可持續發展指標參數表和2015年環太湖城市群能值流量指標圖(圖3)進行分析：

圖3 2015年環太湖城市群能值流量指標圖Fig.3 Emergy flow index for ecological-economic system in Taihu Lake city cluster (2015)

1)可更新資源能值：蘇州市可更新資源能值利用量最大。由于蘇州調整農業產業結構(食用植物油占比大幅提高達40.71%),農業可持續發展潛力超過其他四市,可更新資源產品能值高于其他四市。

2)不可更新資源能值：常州市、無錫市和嘉興市的不可更新資源能值消耗量大于蘇州市。2015年蘇州市、無錫市、常州市、湖州市和嘉興市的不可更新資源產品以水泥和鋼鐵為主,占比達88.02%、96.33%、97.08%、97.97%、91.85%。

3)貨幣流能值：貨幣流能值包括輸入能值和輸出能值,蘇州市產生的貨幣流輸入能值和輸出能值最大。其中,蘇州市和無錫市的進口商品總額在其輸入能值中的占比高達63.59%和49.76%,說明蘇州和無錫的對外貿易開放度較高；而常州市、湖州市和嘉興市的旅游收入在其輸入能值中的占比較高,達到38.02%、60.06%和50.50%,說明旅游收入日益增長已成為它們的主要輸入能值來源,也從側面反應了服務業快速發展的趨勢。同時,5個城市的燃料原煤的輸入能值占比分別為12.66%、21.30%、17.33%、23.81%和20.04%,說明該地區能源稀缺，且依賴外界資源輸入。2015年5個城市的商品進出口呈現貿易順差,說明2015年環太湖城市群對外貿易經濟增長明顯。

4)廢棄物流能值：蘇州排出的廢棄物流能值最大。結果表明蘇州市、無錫市、常州市的廢氣占比較大(達到49.92%、55.16%、50.41%),湖州市和嘉興市的廢水占比較大(達到50.26%和40.57%)。

5)能值總量：2015年五市可更新資源在能值利用總量中占比小(分別為6.78%、2.88%、3.63%、7.95%、4.52%),說明自然可更新資源在促進環太湖城市群生態經濟發展中具有重要的潛力；而五市不可更新資源在能值利用總量中占比最大,均超過50%(分別為56.95%、85.95%、90.93%、86.37%、85.28%),說明環太湖城市群生態經濟發展主要依存于不可更新資源的開發與利用,屬于資源消耗型經濟生態模式；另外五市輸入能值占比小于50%(分別為36.27%、11.16%、5.44%、5.67%、10.21%),說明對外貿易對環太湖城市群生態經濟系統可持續發展有影響。

3.2 社會、經濟、自然亞系統演變態勢結果與分析

根據2015年環太湖城市群生態經濟系統可持續發展指標參數表(表3)和2015年環太湖城市群社會亞系統評價指標圖(圖4)、經濟亞系統評價指標圖(圖5)、自然亞系統評價指標圖(圖6),可以得出2015年環太湖城市群5個城市在經濟發展、社會建設、自然環境等方面有明顯的差異性,具體分析如下：

圖4 2015年環太湖城市群社會亞系統評價指標圖Fig.4 Evaluation index for social subsystem in Taihu Lake city cluster (2015)

1)社會亞系統：2015年環太湖城市群人均能值量遠高于中國平均水平(7.00×1015sej/人,2007年),說明環太湖城市群人民的生活水平與質量顯著提高。2015年環太湖城市群能值密度遠高于全國平均水平(7.54×1011sej/m2,2007年),說明環太湖城市群的能值集約程度很高,意味著土地資源稀缺性將成為經濟長遠發展的壁壘。2015年環太湖城市群中蘇州、無錫和嘉興的人口已超過人口承載量峰值,表明三市生態經濟系統環境處于一種過度飽和的狀態,環境人口承載壓力過大,可持續發展能力受限。2015年環太湖城市群中人均電力能值均較高,說明環太湖城市群的城市支柱產業的技術與信息化發展程度很高。

圖5 2015年環太湖城市群經濟亞系統評價指標圖Fig.5 Evaluation index for economic subsystem in Taihu Lake city cluster (2015)

2)經濟亞系統：根據2015年環太湖城市群中能值/貨幣比值數據,可以看出5個城市單位貨幣量所能購買的能值總量不同,城市發展水平不同。其中蘇州市經濟現代化程度高于其他四市,城市傾向于外部輸入的能值,蘇州對外開放程度更高,單位貨幣所能購進的資源產品更多。根據2015年環太湖城市群中能值交換率數據,五市輸入能值均高于輸出能值。根據2015年能值產出率數據,蘇州市的生產效率相對較低,應該提高城市資源的利用效率。根據2015年環太湖城市群中電力能值數據,可以看出蘇州市電力能值比最高,工業化程度更高。根據2015年環太湖城市群中能值投資率數據,可以看出蘇州市能值投資率最高,產業競爭力更高。

3)自然亞系統：根據2015年環太湖城市群能值自給率數據,常州市和湖州市城市發展對本地自然生態環境的依賴度更高,而蘇州市和無錫市由內部資源利用逐漸轉向依賴外界資源。根據2015年環太湖城市群環境負載率數據,蘇州市的環境負載率最低,說明蘇州市環境壓力最低。根據2015年環太湖城市群廢棄物能值比數據,蘇州市的廢棄物利用率較高,環境負載率較低,可更新資源的利用效率較大。根據2015年環太湖城市群可更新能值比率數據,湖州和蘇州的可更新能值比率最高,說明對本地可更新資源的利用合理。根據2015年環太湖城市群廢棄物與可更新能值比率數據,無錫市的廢棄物與可更新能值比率最高,廢棄物排放環境壓力較大。根據2015年環太湖城市群購入能值比率數據,蘇州市購入能值比率最高,對外界資源的依賴度較高。

圖6 2015年環太湖城市群自然亞系統評價指標圖Fig.6 Evaluation index for natural subsystem in Taihu Lake city cluster (2015)

3.3 可持續發展結果與分析

可持續指標ESI為能值產出率與環境負載率的比值,是衡量城市生態系統可持續發展能力的指標。如果一個區域經濟系統能值產出率較高,環境負載率相對較低,則可持續發展指數較高,區域經濟系統發展是可持續的,反之區域經濟系統發展不可持續。但Ulgiati S指出,可持續指標ESI并非呈簡單線性關系,ESI<1為消費型經濟系統,110為經濟不發達狀況[8,12]。根據2015年環太湖城市群可持續指標ESI數據(圖7),可以看出1<湖州市可持續指標ESI<10,湖州的經濟系統富有活力和發展潛力,具有可持續發展特征；而其他四市均<1,屬于消費型經濟系統。

對可持續指標ESI改進獲得復合型評價指標——能值可持續發展指標EISD,它能兼顧反應社會經濟效益與生態環境壓力的系統可持續發展的評價特征,是反映實際可持續發展能力的指標,其值越高表明單位環境壓力下的社會經濟效益越高,在保持可持續發展道路上更具競爭優勢。根據2015年環太湖城市群能值可持續發展指標EISD數據(圖7),可以看出湖州市能值可持續發展指標EISD最高,說明湖州市單位環境壓力下的社會經濟效益最高,更具可持續發展競爭力。

圖7 2015年環太湖城市群可持續發展及健康水平綜合評價圖Fig.7 Evaluation for sustainable development and health level of ecological-economic system in Taihu Lake city cluster (2015)

3.4 城市健康水平結果與分析

結合能值的方法進行城市生態系統的健康評價,構建健康能值指數EUEHI,以能值產出率、能值交換率、環境負載率分別代表活力、組織結構和恢復力3個方面,以能值密度和能值貨幣比值來評定城市的服務功能維持,綜合反映城市生態系統的健康水平[15]。根據城市健康評分分級標準,EUEHI<0.5是病態,0.5

對健康能值指數EUEHI改進,以能值產出率、能值交換率和能值自給率分別代表系統的活力、組織結構和服務功能維持3個方面,以環境負載率和廢棄物與可更新能值比率的乘積代表恢復力,綜合構建改進的健康能值指數EUEHI′,從系統自我發展的能力以及系統對發展所帶來的廢棄物的控制和處理能力方面來評價城市的健康狀態[23]。根據2015年環太湖城市群改進的健康能值指數EUEHI′數據(圖7),可以看出蘇州市和無錫市的健康水平較低,相比較湖州市改進的健康能值指數EUEHI′最高,綜合考慮湖州更具有可持續發展的潛力。

3.5 與其他城市群的對比結果與分析

選取長株潭城市群進行對比分析：長株潭城市群是多中心網絡化的生產、生活、生態協調發展的城市群典范,地處我國中部地區,在湖南省中部偏東位置,位于泛珠三角經濟區與長江經濟帶的結合部,是中部崛起戰略中重點開發的城市群之一,由長沙、株洲、湘潭三市組成,區域面積2.8×104km2。

長株潭城市群2000—2005年可持續指標ESI從26.55 下降到10.52,說明生態環境超出負荷,但負荷力下降；2006—2009 年可持續指標ESI從8.977 下降到4.494,說明生態空間尚有剩余。而2015年蘇州市可持續指標ESI為0.30,無錫市可持續指標ESI為0.29,常州可持續指標ESI為0.72,湖州可持續指標ESI為1.59,嘉興可持續指標ESI為0.51,環太湖城市群可持續指標ESI為0.68。對比分析得出2009年長株潭城市群經濟系統更具富有活力和發展潛力,而環太湖城市群屬于消費型經濟系統,需要提高城市群的可持續發展潛力。

4 研究結果討論

4.1 共性問題

根據可更新資源能值數據分析結果,無錫、常州、湖州和嘉興市仍以傳統的農業結構為主,肉類與水產品占比超過50%(分別為73.05%、80.33%、66.26%和63.08%),建議無錫、常州、湖州和嘉興市對傳統的“糧豬型”農業格局進行調整,提高農業可持續發展潛力。

根據不可更新資源能值數據分析結果,五市的不可更新資源產品均以水泥和鋼鐵為主,2015年開始以去產能、去庫存、去杠桿、降成本、補短板為重點的供給側結構性改革已經全面展開,建議環太湖城市群五市應該加快傳統產業轉型升級。

根據廢棄物流能值數據分析結果,五市應加大對工業三廢處理的綠色制造產業的布局與規劃。

根據能值交換率數據、可持續指標ESI數據和可持續發展指標EISD數據分析結果,為促進城市可持續發展,建議蘇州市、無錫市、常州市和嘉興市提高城市可更新資源的利用效率,降低不可更新資源的消耗,減小環境負載壓力,同時盡量出口最終產品,購買輸入高能值的資源和科技產品,加大經濟開發強度,提高城市的可持續發展能力。

根據人口承載量數據分析結果,為促進可持續發展,建議蘇州、無錫和嘉興應合理的規劃人口發展,同時常州和湖州環境人口承載力空間較大,建議合理規劃促進城市群產業和人口發展。

4.2 湖州問題

根據能值密度數據分析結果,湖州市能值密度顯著低于其他四市,這主要是由于湖州能值利用總量最低,未來湖州市發展潛力巨大,建議加大可更新資源的利用潛力,同時擴大對外貿易開放程度。根據人均電力能值數據分析結果,湖州市人均電力能值低于其他四市,這主要是由于湖州支柱產業的技術與信息化發展程度低于其他四市,湖州科技與信息產業發展空間較大,建議加快新興產業布局。

4.3 無錫和常州問題

根據環境負載率數據分析結果,建議無錫、常州降低不可更新資源的消耗量,促進城市的生態功能提升。根據可更新能值比數據分析結果,建議無錫市和常州市提高本地可更新資源利用率,促進城市可持續發展。根據廢棄物與可更新能值比率數據分析結果,無錫市應引進高科技技術和工藝減少廢棄物產生帶來的環境壓力。根據購入能值比率數據分析結果,由于常州能值利用總量較高,但輸入能值較低,建議常州擴大對外開放的程度,減少對本地不可更新資源的消耗,提高城市的可持續發展潛力。

4.4 蘇州問題

根據人均能值量數據分析結果,蘇州人均能值量顯著低于其他四市,這主要是雖然蘇州能值利用總量較高,但蘇州的人口(已超千萬)遠超其他四市,為保證蘇州人民的生活水平和質量,提高城市的可持續發展能力,建議蘇州合理引導人口發展。

同時值得關注的是蘇州市輸入輸出能值顯著高于其他四市,廢棄物能值也顯著高于其他四市,在蘇州出口貿易中占主導地位的是外資企業,出口額一直占蘇州市對外貿易出口額一半以上,蘇州市對外出口的產品多以工業制成品為主,產品附加值低,雖然拉動蘇州的就業及地區經濟的發展,但由于其高耗能、高碳排放,長期會阻礙蘇州的經濟發展。建議蘇州引入具有技術溢出效應的外資企業,提高出口產品附加值,降低本地的能耗和碳排放,提高可持續發展空間。

5 環太湖城市群生態經濟系統發展對策

從能值分析的結果來看,環太湖城市群生態系統存在的問題主要有三個方面：第一,環太湖城市群的農業和工業結構比較傳統,本地不可更新資源消耗大,本地可更新資源和廢棄物利用不足,自組織程度下降,對環境造成的壓力增加；第二,環太湖城市群生態經濟系統環境處于飽和的狀態,環境人口承載壓力較大,可持續發展能力受限制；第三,環太湖城市群對外貿易的程度在不斷擴大,對外資源的依賴度在不斷提高。針對這些現狀,結合能值分析的結果,為環太湖城市群生態經濟系統的發展提出了以下對策：

5.1 調整產業結構

環太湖城市群五市(除蘇州)仍以傳統的農業結構為主,肉類與水產品占比大,以傳統的“糧豬型”農業格局為主,農產品下游產業發展潛力巨大,應調整農業格局,促進農業可持續發展潛力,生產更多的產業鏈下游產品,提高出口產品的附加值,實現資源的高效利用。

同時環太湖城市群五市的工業產品以水泥和鋼鐵為主,在全國大力開展供給側結構性改革的環境下,應該加快傳統產業轉型升級,以市場需求為導向,引進先進的生產加工技術,轉型生產高附加值鋼材產品,從而降低對低附加值鋼材產品的出口和高附加值鋼材產品進口產生的資源利用消耗帶來的價值逆差。

5.2 規劃人口發展

環太湖城市群中蘇州、無錫和嘉興的人口已超過人口承載量峰值,環境人口承載壓力過大,環境處于飽和的狀態,蘇州、無錫、常州和嘉興的能值集約程度很高,土地資源稀缺性將成為經濟長遠發展的壁壘,在近期內難以改變,可持續發展能力受限。建議環太湖城市群每個城市應對區域范圍內的資源環境承載力進行分析,預測未來10年至20年內的人均資源環境承載力,對城市的建設用地面積、人口規模、產業發展進行合理的控制和引導,進行主體功能分區規劃,實現生態系統可持續的發展。

5.3 推進綠色智造

環太湖城市群生態經濟發展主要依存于不可更新資源的開發與利用,可更新資源的利用不足,屬于資源消耗型經濟生態模式。同時廢棄物排放環境壓力較大(特別是無錫市),廢棄物利用率較低(常州市)。面對經濟快速增長帶來的環境問題,鼓勵發展“節能減排-低碳循環-綠色生態-可持續”的綠色智造模式,應以低碳產業為發展重點,優化產業結構,加大技術研發力度,引進高科技技術和工藝,建立起低開采高利用低排放高循環利用的發展模式,實現生態系統可持續的發展。

5.4 開發利用新能源

環太湖城市群燃料消耗以輸入購買為主,主要為不可再生資源原煤、焦炭、汽油、柴油、燃料油和天然氣,在輸入能值中占比較高。建議環太湖城市群應加大技術投入,結合當地的優勢特色,不斷開發新能源和替代能源,積極推進風能、水能、太陽能、地熱能和沼氣能在社會生產和人民生活中的應用,逐步替代對不可再生資源的消耗。同時加大研發力度,生產可再生的低碳環保材料,調整能源資源結構,促進生態系統可持續的發展。

5.5 優化對外開放結構

環太湖城市群的進出口貿易呈順差,對外貿易經濟增長明顯,蘇州和無錫經濟現代化程度更高,常州市、湖州市和嘉興市的服務業(特別是旅游業)呈現出較快的發展趨勢。但“蘇州模式”的外向型經濟模式對本地企業技術溢出效應較低,外資企業占對外貿易出口的主導地位,對外出口的產品附加值低。建議環太湖城市群政府創新體制機制,積極開拓國際資源供給渠道,發展跨境電商等新經濟形態,引進高科技的技術和設備、高水平人才隊伍、高能值的管理經驗,改變以往的初級產品輸出的格局,提高出口商品的質量、性能和科技附加值,以出口最終產品為目標,提高產品的能值交換率,促進生態系統可持續發展。同時建議環太湖城市群發揮政府治理作用抓住文化旅游和商務旅游的新經濟形態打造面向市場的旅游特色。