南水北調中線水源區十堰市復合生態系統能值分析

華 堅，余文燕，李晶晶

(1.河海大學商學院，江蘇 南京 211100； 2.江蘇省“世界水谷”與水生態文明協同創新中心，江蘇 南京 211100)

南水北調中線工程興建能夠有效緩解我國北方地區水資源的不足，為京津冀一體化提供水資源保障[1-2]。中線水源區作為國家重點生態功能區，是南水北調核心功能區，為確保一泓清水永續北送，其生態文明建設尤為必要和緊迫。目前水源區城市普遍存在經濟發展落后、居民生態環境保護意識淡薄、水質污染、水土流失嚴重、森林覆蓋率降低等問題[3-4]。湖北省十堰市是南水北調中線“壩區庫首”之地，在整個南水北調工程中地位突出[5]，其生態環境問題直接關乎丹江口水庫能否承擔南水北調中線工程的重要功能。習近平總書記在中國共產黨第十九次全國代表大會上提出，要加強對重要生態功能區的保護和管理，加大對生態系統的保護力度[6]。2018年4月，習近平總書記強調長江經濟帶建設堅持“共抓大保護、不搞大開發”，要探索以“生態優先，綠色發展”為導向的高質量發展新路子。如何統籌經濟社會發展與生態環境保護的關系既是十堰市當前面臨的主要難題，也是十堰市探索實現高質量發展的必由之路。

復合生態系統是由社會、經濟、生態3個子系統耦合協同形成的有機整體，發展問題的實質是復合生態系統功能代謝、結構耦合及控制行為失調[7-8]等問題。當前相關研究大多集中在耦合機理分析、可持續發展能力及生態承載力評價[9-13]等，研究對象主要為行政區域、流域湖泊、城市群等經濟區域[14-16]，而針對社會經濟發展落后、環境承載壓力較大的重點生態功能區的研究較少。

常見的復合生態系統研究方法，如熵值法、熵權TOPSIS分析法[14-16]等，存在著生態系統分析中部分指標難以量化比較、自然資源評價不足等問題。能值分析方法能夠彌補上述方法的不足，通過對系統內外的能量流、物質流及貨幣流進行定量分析[14]，解決指標難以量化統一的問題，并將自然資源作為能值投入，使得生態效益的測算結果更為客觀，已被應用于可持續發展評價、生態外溢價值補償以及區域復合生態系統分析[16-18]等領域。

本文結合南水北調中線工程的特點，構建十堰市復合生態系統，采用能值分析方法研究十堰市復合生態系統發展狀態，有助于了解系統內部物質、貨幣及能量的流動情況，分析系統資源利用情況和自身環境承載能力，進而為促進十堰市復合生態系統協調發展提供建議。

1 研究區概況

1.1 十堰市概況

十堰市屬于北亞熱帶大陸性季風氣候，年平均日照時數在1 655～1 958 h之間，光熱充沛，年平均降水量為800 mm左右，水資源豐富。所轄區縣(茅箭區、張灣區、經濟技術開發區、鄖陽區、鄖西縣、竹山縣、竹溪縣、房縣、丹江口市)均為核心水源區。2017年十堰市水土流失面積多達117.05萬hm2，占其總面積的50.26%，特別是受南水北調中線工程庫區影響的丹江口市、鄖縣、鄖西縣等地，石漠化面積高達28.87萬hm2。十堰市作為全國、全省集中連片深度貧困地區，2017年國內生產總值為1 632.3億元，地方財政收入僅169.53億元，環保資金投入壓力巨大。

1.2 十堰市復合生態系統

本文構建南水北調中線水源區十堰市復合生態系統，見圖1。十堰市復合生態系統是指以人為主體，在十堰市范圍內，由經濟子系統、社會子系統和生態子系統相互聯系、耦合互動形成的復合開放系統。

圖1 南水北調中線水源區十堰市復合生態系統

各子系統之間相互關系具體表現為：①經濟子系統與社會子系統以收入為紐帶。十堰市經濟增長能夠提高居民收入水平，而社會公平、收入差距縮小有利于經濟可持續發展。②經濟子系統與生態子系統通過投資構成有機整體。十堰市籌措專項資金及國家轉移支付補助用于生態環境保護和水污染防治，而生態紅線壓力也促使十堰市傳統產業不斷向綠色化、高端化轉變。③社會子系統與生態子系統以健康為核心。十堰市社會穩定發展，提升居民對于生存環境的關注程度，使其積極采取措施改善生態環境。良好的生態環境有益于人體健康，從而促進社會可持續發展。

南水北調中線工程作為跨流域調水工程，與十堰市復合生態系統中的各個子系統之間存在著各種能量流、物質流、貨幣流的交換，產生如下多方面影響。

a. 南水北調中線工程規劃建設使得十堰市“增支減收”，同時帶來外部資金流入倒逼轉型。具體表現為：①為保持水源區的水質要求，生態環保資金投入大幅增加；②受“停建令”影響(《嚴格控制丹江口庫區淹沒線以下區域人口增長和基本建設的通知》[國辦發200312號])，當地經濟發展長期滯后；③關閉轉產庫區506家工業企業，造成稅收收入減少以及工作崗位流失；④丹江口水庫轉為以蓄水為主，水電站發電量減少直接影響財政收入；⑤外部資金流入倒逼十堰市轉變經濟發展方式，促進產業結構轉型升級，丹江口水庫建設與維護也為旅游業的發展提供支持。

b. 南水北調中線工程帶來的移民安置、淹沒耕地等問題一方面影響十堰市的社會穩定，另一方面也促使十堰市居民生產生活方式的轉變。具體表現為：①工程涉及移民數量多，安置任務重，丹江口大壩二期工程移民十堰市后靠安置人數10.5萬人，占庫區后靠安置總人數的84%；②淹沒土地面積廣，庫區建設使十堰市減少耕地19萬hm2；③調水工程對水質要求高，為避免農業面源污染要求農民減少化肥、農藥的使用。

c. 南水北調中線工程一方面使得十堰市水土流失問題突出，環境治理壓力增大，另一方面客觀推動十堰市水質持續改善。具體表現為：①丹江口大壩由162 m加高至176.6 m，蓄水量增多，使得十堰市庫區泥沙淤積、水土流失等問題更為嚴重；②受“兩退”(退耕還林，退種消落地)及關閉轉產周邊工廠的影響，沿江農業及工業廢水排放減少，保障了丹江口庫區水質持續穩定在Ⅱ類標準。

2 研究方法

2.1 十堰市復合生態系統能值圖

十堰市復合生態系統內部主要成分包括生產者(農林牧漁業、工業、商業)、消費者(城市、居民)以及儲存庫(丹江口水庫、廢棄物)等，通過能量、物質以及貨幣流動建立聯系。依據奧德姆創立的能量系統語言圖例規則[12]，繪制出十堰市復合生態系統能值圖(圖2)。

圖2 十堰市復合生態系統能值圖

十堰市復合生態系統的輸入能值包括兩部分：①直接來源于自然界，包括太陽能、風能等可更新環境能源，以及表層土損耗能等不可更新環境資源；②源于南水北調中線工程建設的反饋投入，包括財政支出、固定資產投資。系統的輸出能值包括有效能輸出(如商品服務、經濟、信息以及勞務輸出)與無效能輸出(主要是指廢棄物)。

南水北調中線工程是影響十堰市復合生態系統能值變化發展的主要作用流，通過以下能值流產生影響：①能量流，是指能量在系統中轉變、轉移與消耗的過程。如太陽能可通過植物光合作用轉化為化學能，并通過食物鏈傳遞至消費者。工程建設淹沒大量耕地，將對最終傳遞至消費者的能量產生影響。②貨幣流，是指隨著物質交換形成的貨幣流動。工程興建帶來的外部投資，部分轉化為消費資金，直接推動十堰市經濟增長。又因為存在投資乘數效應，進一步推動了十堰市經濟及社會的發展。③物質流，是指物質在系統內外生產、流通、消費及耗散的變動過程。調水工程建設減少了丹江口水電站的發電量，降低了系統生產者水電的使用量，進而影響產出。

表1 十堰市復合生態系統能值指標體系

2.2 十堰市復合生態系統能值指標

本文在總結藍盛芳等[18]能值指標選取的基礎上，構建包含基礎系統能值指標、各子系統能值指標、綜合能值指標的十堰市復合生態系統能值指標體系，見表1，以全面反映南水北調中線水源區十堰市復合生態系統內外部能值及各子系統間的相互作用關系。

3 結果與分析

數據來源于2003—2016年《十堰市統計年鑒》《十堰市水利統計年鑒》《十堰市水資源公報》和《十堰市統計公報》。能值折算系數及能值轉換率主要參考Odum[15]和藍盛芳等[18]的成果，計算得到太陽能值的單位為太陽能焦爾(solar emjoules, sej)。根據十堰市可持續發展特點，剔除不相關的工業、商業等影響因素后組成變量邊界，計算十堰市投入產出能值及能值評價指標，并繪制能量遷移圖，見圖3。

3.1 十堰市復合生態系統能值指標縱向分析

3.1.1基礎系統能值指標

a. 投入產出指標分析，見圖4。2003—2016年十堰市輸出能值大幅提升，輸入能值以及總能值增長幅度較緩，可再生資源能值與不可再生資源能值變化不大。南水北調中線工程建設給十堰市帶來外來資源，使得固定資產投入和財政投入增加。受此影響，十堰市招商引資能力增強，外部投資倒逼十堰市產業轉型升級，從而增加產出效率。由于資源能值主要受光照和降水的影響，而十堰市年日照時長和降水量無明顯變化，所以可更新和不可更新資源能值整體變動幅度較小。

b. 能值來源指標分析，見圖5。2003—2016年十堰市能值自給率及可更新資源能值比率均呈下降趨勢，購入能值比例以及輸入能值與自有能值比有所上升。原因在于南水北調中線工程建設使十堰市自有能值消耗大幅上升，自然環境潛力降低，能值自給能力下降。能值自給率與可更新能值比率重合程度高，兩者區別在于能值自給率包含不可更新資源能值，從側面反映了十堰市能值消耗中以可更新資源能值為主。十堰市購入能值比例上升，當地發展也愈加依賴外界資源，導致整體環境競爭壓力加大。

圖5 2003—2016年十堰市能值來源指標

3.1.2各子系統能值指標

a. 經濟子系統能值指標分析，見圖6(a)。2003—2016年十堰市復合生態系統能值貨幣比大幅下降，而能值投資率逐漸上升，凈能值產出率波動下降后有所回升，能值交換率在2014年后經歷明顯下降。能值貨幣比變動表明十堰市從輸入低質能值向高質能值轉化。能值投資率上升則說明十堰市經濟發展水平逐漸提高。凈能值產出率變動反映出十堰市能值輸出對經濟的貢獻程度先降后升。2005年丹江口水庫大壩加高工程動工，十堰市土壤流失、植被破壞等問題日益突出，使得能值輸出對經濟貢獻程度有所減少。在2014年南水北調中線工程正式通水之后，能值輸出對經濟貢獻程度顯著上升。受工程完工影響，能值交換率明顯下降，反映出十堰市對外利益交流大幅減少。

(a) 經濟子系統

(b) 社會子系統

(c) 生態子系統

b. 社會子系統能值指標分析，見圖6(b)。2003—2016年十堰市人均能值量以及能值密度均顯著提升。較高的人均能值量是保障傳統社會學意義上高質量生活水平的前提，由此表明十堰市居民生活水平和生活質量的提升。十堰市地域遼闊、資源豐富，為當地人民生活水平改善提供了物質保障。能值密度反映了能值集約度和強度[18-19]，能值密度增長體現出十堰市單位面積能值利用強度提高。但十堰市貧困人口眾多，脫貧攻堅任務艱巨，仍需進一步釋放人口紅利，推動社會發展。

c. 生態子系統能值指標分析，見圖6(c)。2003—2016年十堰市環境負載率呈不斷上升的趨勢，廢棄物與可更新能值比在早期經歷大幅波動后逐漸趨于平緩。由于南水北調中線工程建設初期廢氣、廢水等污染物逐年增加，植被破壞、森林資源減少等問題突出，加上調水工程對水質的嚴格要求，導致十堰市環境承載壓力不斷增加。而隨著政府部門逐漸重視環境污染問題，日漸重視十堰市的生態恢復和治理工作。如國務院批復《丹江口庫區及上游水污染防治和水土保持“十二五”規劃》，為減少廢棄物排放提供了政策保障，使得廢棄物與可更新能值的比值趨于平緩并有所下降。

3.1.3綜合能值指標

2003—2016年，十堰市能值可持續指標以及能值可持續發展指標均呈現下降趨勢，尤其是2004—2006年經歷大幅下降。能值可持續指標顯示：2003—2008年，能值可持續指標大于10，說明十堰市經濟不發達，對資源開發和利用力度不足。2009—2016年，能值可持續指標在1～10之間，表明十堰市復合生態系統具有發展活力和潛力，但能值可持續發展能力逐漸降低。2005年十堰市范圍內南水北調中線工程動工建設，使得十堰市復合生態系統的能值可持續指標逐年降低，并逐步向高消費驅動型系統轉變。而復合生態系統可持續發展指標逐年下降，是在考慮到外部能值交換的基礎上，輸入能值在總能值中占比不斷增大造成的，見圖7。

圖7 2003—2016十堰市綜合能值指標

3.2 十堰市復合生態系統能值指標橫向分析

2014年是南水北調中線工程建成并正式通水運營的一年，橫向分析十堰市復合生態系統能值指標，有利于掌握區域整體發展情況，為今后水源區保護提供依據。選擇測算2014年南水北調中線水源區城市的復合生態系統指標，并與十堰市進行比較分析，結果如表2所示。

表2 2014年水源區城市復合生態系統能值指標

根據基礎系統能值指標，十堰市復合生態系統輸入能值較少而輸出能值較多，其余指標與其他城市差距不大，投入產出指標整體處于中等水平。與其他城市相比，十堰市復合生態系統能值自給率及可更新資源比率較高，表明其自給自足能力較強，但外部能值交流偏少。

基于各子系統能值指標：①十堰市復合生態系統的能值貨幣比、能值投資率及能值交換率處于偏低水平，而凈能值產出率水平較高，反映出十堰市經濟發展程度較低，對環境依賴度及生產效率高，具有較強的競爭力；②十堰市復合生態系統的人均能值量及能值密度最低，表明十堰市居民生活水平較低，與洛陽、南陽差距較大，反映出水源區城市存在社會發展不平衡的問題；③十堰市復合生態系統的環境負載率、廢棄物與可更新能值比均較低，是因為十堰市自然資源豐富，環境承載力較強，且調水工程大力推進沿江污染企業“關停并轉”，促使廢棄物排放得到控制。

依據綜合能值指標，南水北調中線工程水源區7個市的能值可持續發展指標都在1～10之間，說明南水北調中線工程建設對水源區資源的開發利用比較充分，水源區富有活力和發展潛力。其中十堰市復合生態系統能值可持續指標和可持續發展指標在7個市中最高，表明十堰市可持續發展能力較強。

4 結論與建議

本文基于南水北調中線工程水源區十堰市復合生態系統，繪制生態系統能值圖，分析系統特征和內部能值流動情況，測算2003—2016年十堰市復合生態系統能值指標，結果表明：

a. 十堰市復合生態系統輸入、輸出能值增加，能值自給率與可更新資源能值比率下降，購入與輸入能值比例上升。上述指標變動反映出系統自給能力下降，能值消耗以可更新資源能值為主，并對外部資源依賴程度增強。

b. 能值貨幣比不斷降低，隨著工程完工通水，能值產出率回升而能值交換率大幅下降，人均能值量、能值密度與環境負載率逐漸提高，廢棄物與可更新能值比先升后降。①十堰市經濟發展表現為逐漸向高質能值輸入轉變，復合生態系統能值產出對于經濟貢獻增加，但對外能值交流大幅減少。②十堰市社會發展表現為居民生活水平和單位面積能值利用效率不斷提高。③十堰市生態發展表現為環境治理壓力增加，但因國家出臺相應的政策規劃，廢棄物排放量有所下降。

c. 十堰市復合生態系統可持續發展綜合指標大幅下降后趨緩，體現出系統在工程建設早期受影響幅度較大，并逐步向高消費型系統轉變，且可持續發展能力呈現下降趨勢。

d. 與水源區其他城市相比，十堰市復合生態系統中輸出能值、能值自給率、可更新資源比率、凈能值產出率及能值可持續發展指標偏高，但系統輸入能值、能值貨幣比、能值投資率、能值交換率、人均能值量、能值密度、環境負載率、廢棄物與可更新能值比均偏低。說明十堰市具有較高的能值產出效率，較強的能值自給與可持續發展能力，而對外能值交流較少，經濟發展程度及居民生活水平較低。

為避免十堰市及其他水源區復合生態系統出現生態惡化趨勢，從經濟、社會、生態3個層面提出以下建議。

a. 推進綠色發展，建立健全綠色低碳循環發展的經濟體系。十堰市高質能值輸入大幅增加，應根據主體功能區布局，發展壯大資源消耗少、環境污染小的綠色環境保護產業，尤其是戰略性新興產業、高新技術產業和現代服務業。加快產業綠色化、合理化和高級化進程。同時加大清潔技術推廣力度，構建清潔低碳、安全高效的能源體系，針對礦物、油、氣、煤等不可更新資源提高資源利用率，大力推廣減廢活動，提高廢棄物資源化程度。此外，重視科技能值的引進、消化和創新。十堰市地形環境復雜，農業剩余勞動力較多，工業輔助能值輸入偏低，既制約人力能值效用發揮，也導致環境開發低效率。應增加人才、先進技術和管理經驗等科技輔助能值輸入，以市場為導向，優化系統能值輸入結構及產出效率。

b. 改變居民生產生活方式，建立多元主體共同參與的環境保護體系。十堰市政府應致力于有效解決人口就業和社會保障問題，并出臺相應的人口遷移政策，適當鼓勵制造業勞務輸出。建立資源節約型的社會生產和消費體系，實現人口與社會經濟、資源、環境的協調發展。此外，十堰市應樹立市民的環境保護意識，積極倡導簡約適度、綠色低碳的生活方式，開展創建節約型機關、綠色家庭、綠色學校、綠色社區等專題行動，構建以政府為主導、企業為主體、社會組織和公眾共同參與的環境保護體系。

c. 著力解決突出環境問題，堅持全民共治、源頭防治。十堰市應牢固樹立“綠水青山就是金山銀山”的強烈意識，把生態環境保護放在壓倒性位置。在解決水污染突出問題后，應加快實施大氣污染防治行動和土壤污染管控和修復，提高污染排放標準，健全環境保護信用評價、信息強制性披露等制度。除此之外，十堰市應充分考慮凈能值產出率、環境負載率、能值投資率等指標，重點分析工程的經濟技術合理性和十堰市生態環境可承受性的關系，使南水北調中線工程總體布局與十堰市生態環境建設布局相協調。