基于STIRPAT模型的農業資源環境壓力影響驅動分析

劉玉玉，李文義，張令光，姜 欣

(1.濟南大學 水利與環境學院， 山東 濟南 250022； 2.山東黃河河務局， 山東 濟南 250011；3.山東省水利科學研究院， 山東 濟南 250014； 4.山東省農村供排水安全工程技術研究中心， 山東 濟南 250014)

農業給人類生活供應最主要的物質，同時向社會經濟發展注入生產資料。目前農業面臨著兩大資源環境問題：一方面，農業生產耗水量較大，據2006年第四屆世界水資源論壇公布結果顯示，至2030年全球的糧食需求增加一倍，將需要更多的灌溉用水，而這部分用水已經占到全球人類淡水消費的七成；另一方面，伴隨農村生產力和經濟的發展，農用化學品自20世紀中期開始在農業生產中得到廣泛應用，引發了農業環境受到污染、農村生態遭到破壞等諸多問題。因此，明晰人類生活生產活動對農業水資源和環境影響驅動的規律和特征，并探索和提出相應的措施和建議可為當前資源環境可持續發展提供重要支撐。

目前，關于影響驅動分析的研究方法包括非線性動力學、灰色關聯法、STIRPAT模型以及自回歸模型等。其中，STIRPAT模型是基于IPAT的拓展，可定量研究人文指標對資源環境壓力影響的程度。同時，該模型與彈性系數的聯合分析，能夠進一步檢驗各因素變化對資源環境壓力的影響[1]。故而，STIRPAT模型已被廣泛運用于資源環境影響的研究和分析[2-5]。基于此，本文利用STIRPAT模型，以清原縣(撫順市農業縣)為研究對象，分析該地區主要人文要素對資源環境的影響驅動，以便于理解復雜的資源環境問題，為該地區的農業資源可持續利用和農村環境保護提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

清原滿族自治縣地處遼寧省撫順市東部，與吉林省交會，位于東經124°20′6″～125°28′58″，北緯41°47′52″～42°28′25″之間，總面積3 921 km2。其中，山地占82.7%，平地占13.8%，水面占3.5%，素有“八山一水一分田”之稱。清原縣位于遼東山地丘陵之地，東南高、西北低，境內有渾河、清河、柴河和柳河，是遼寧省天然綠色屏障，又是沈陽、撫順等中部城市的水源涵養地[6]。2001年8月被遼寧省政府納入國家生態建設示范縣行列。這一特殊的地埋位置，對遼寧經濟、社會可持續發展起著至關重要的作用。

1.2 研究方法

STIRPAT是自York等[7]提出的隨機回歸模型，基于IPAT模型的改進拓展。利用STIRPAT模型可定量研究P(人口)、A(富裕度)、T(技術)與I(環境影響)間存在的關系，在很多領域已得到廣泛的應用。其形式如下：

I=aPbAcTde

(1)

式中：a為常數；e是誤差；b、c和d分別為人口、富裕度和技術的指數。如果假設a=b=c=d=e=1，STIRPAT模型則是IPAT等式。為進一步檢驗和分析人文要素對環境I的影響，常將式(1)進行對數化：

lnI=lna+b(lnP)+c(lnA)+d(lnT)+lne

(2)

以lnI作為因變量， lnP、lnA和lnT作為自變量，對模型(2)進行多元回歸擬合。為了辨明經濟和環境壓力間有無存在倒U型環境庫茲涅茨曲線，將上述模型中自變量lnA分解為lnA與(lnA)2兩項，那么，模型變為：

lnI=lna+b(lnP)+c1(lnA)+c2(lnA)2+

d(lnT)+lne

(3)

式中：c1和c2為富裕度對數系數和其二次項的系數。式(3)中對lnA求一階偏導數，則得到富裕度對環境影響的彈性系數EIA為：

EIA=c1+2c2(lnA)

(4)

已知lnA的值，據式(4)可求EIA值，若c2值小于零，則可確定存在環境庫茲涅茨曲線以及存在環境開始改善的富裕狀態值。

1.3 指標與數據來源

(1) 自變量。人口和富裕指標：通常認為人口數量增大與經濟增長是導致環境問題的主要驅動力，很多研究結果也證實了這一假設[8-9]。因此，選擇總人口數與人均GDP作為人口與富裕程度的表征指標。

技術指標：模型中的技術指標可以分解為T1(現代化指標)和T2(結構化指標)。由于城市化進程和產業結構的調整可以改變經濟發展對農業的發展的影響，本文將城市化率作為反映研究區現代化的指標；將第三產業與第一產業之比作為反映產業結構的指標。

(2) 因變量。水資源壓力指標：水足跡基于消費角度評估人類對水資源系統的真實占用，建立了水資源利用和人類消費模式之間的聯系[10]，目前已作為水資源定量測度的主要指標被廣泛應用與研究[11-13]。因此，將水足跡作為測量人類對水資源消費壓力的指標。

環境壓力指標：提高化肥的施用量是實現農業增產和增值的重要途徑之一。自1985年開始，中國的化肥施用量以年均157萬t增長，至2005年已居世界第一位。由此帶來的環境問題也愈來愈明顯。因農用化肥的實際利用率只占總量的三分之一，多余的氮磷等給大氣、水體及土壤等造成了嚴重污染[14]。因此，本文選擇化肥施用量作為表征環境壓力的指標。

(3) 本文的數據主要來源于遼寧省統計年鑒和清原縣國民經濟統計資料，數據覆蓋27年(1990年—2016年)。

2 結果與討論

為了解決自變量之間的多重共線性問題，本文對清原縣農業水資源壓力和環境壓力分別進行嶺回歸擬合測算。嶺回歸估計是最小二乘估計[15]的一種改進算法，它是以放棄部分精確度為代價來尋求效果稍差但更符合實際的回歸方程[16]。

2.1 結果與分析

2.1.1 水足跡

水足跡可以通過將本地區所消費的商品與服務數量與各自產品和服務的單位產品虛擬水含量相乘求和計算得到[10]。目前已有眾多學者對虛擬水和水足跡進行了研究，方法和計算比較成熟[17]，在此不再贅述。參照文獻[18-19]，計算1990年—2016年清原縣水足跡。

清原縣農畜業水足跡在研究27年間呈波折上升的規律，于2012年達到最大為8.22億m3，又波折下降至6.11億m3(2016年)。1990年—2016年清原縣水足跡多年平均為4.59億m3，農產品和畜產品虛擬水多年平均分別為2.27億m3和2.31億m3，見圖1。雖然多年農產品和畜產品用水比例相當，但值得注意的是，農產品和畜產品比例發生很大變化：1990年—1994年，農產品虛擬水占農畜水足跡的81.21%；1995年后該比例波折下降、上升后趨于49.5%。表明清原縣在農業發展過程中，農業結構由主要從事單一糧食生產到逐步發展糧食、畜牧多元結構。

圖1 1990年—2016年清原縣水足跡動態特征

2.1.2 模型計算結果與分析

將水足跡、總人口、人均GDP、城市化率以及三產與一產之比作為模型1(測度資源壓力影響)；將化肥施用量、總人口、人均GDP、城市化率以及三產與一產之比作為模型2(測度環境壓力影響)，分別代入式(3)，對其進行嶺回歸分析，當自變量的回歸系數變化趨于平穩，測得嶺回歸結果確定隨機模型，從而分別得到資源和環境壓力影響回歸擬合方程為：

lnY1=-2.858+1.749lnP+0.238lnA-

0.012(lnA)2-0.755lnT1+0.166lnT2

(5)

lnY2=-45.352+15.181lnP+0.081lnA-

0.074(lnA)2-0.119lnT1+0.456lnT2

(6)

對嶺回歸的擬合結果進行檢驗，結果顯示擬合的方程能夠通過顯著性檢驗(見表1)。

表1 清原縣STIRPAT模型嶺回歸擬合結果檢驗

2.2 討 論

從模型1和2中各指標的系數可以看出：

(1) 人口影響。總人口的增加對水資源和環境壓力的加劇起到了一定的作用，在其他條件相同的情況下，總人口每增加1%導致對水資源和環境的占有量分別增加1.749%和15.181%；人口的增加對環境的壓力要大于水資源。

(2) 富裕程度影響。由表1系數中可以發現，在其他條件相同的背景下，經濟每增加1%將導致人類對水資源的消費占有量增加0.238%，對環境壓力增加0.081%。說明隨著經濟的進一步發展，人類對水資源消費占有量和環境壓力將會持續增加，但是增加速度要小于經濟增長的速度。

(3) 技術影響。城市化率和資源環境壓力呈負相關關系，即，城市化率的提高可以減緩水資源和環境的壓力，該結果支持發展或現代化進程可以緩解或減少對資源環境影響的假說；而產業結構的調整對于水資源和環境壓力的影響具有一定的推動作用。因此，對研究區清原縣，需要適度的發展現代化進程和合理調整產業結構，以減緩人類社會對水資源和環境壓力的影響[20]。

(4) Kuznets曲線分析。由于人均地區生產總值二次項的系數小于零，由此可見清原縣資源環境壓力變化在理論上可能存在著類似環境Kuznets曲線，也就是說，經濟的發展有可能帶來水資源消費減少和環境壓力降低的拐點。將式(3)對lnA求一階偏導數，得到人均地區生產總值即富裕度對資源和環境影響的彈性系數EIA分別為：0.238-0.024lnA和0.081-0.148lnA。當對人均地區生產總值取不同的值時，計算富裕度對資源環境影響的彈性系數并計算觀察數據范圍內各相鄰年彈性系數的變化，結果見圖2。

圖2 1990年—2016年人均地區生產總值對資源與環境影響的彈性系數

由圖2可見：(1) 1990年—2016年人均地區生產總值對水資源影響的彈性系數大于0，表示在研究期間經濟的增加與水資源壓力增加之間存在著正相關作用，也就是說，經濟的增長加劇了研究區水資源的壓力；而人均地區生產總值對環境影響規律不同，在2009年出現負值；(2) 隨著時間的發展，1990年—2013年彈性系數變化曲線呈逐漸下降變小，這說明，人均地區生產總值對水資源環境壓力變化影響在變小；在2013年出現拐點，表示后幾年經濟的增加對水資源和環境壓力的緩解或減少有著一定的推動作用。由此可見，研究區清原縣經濟發展對水資源與環境壓力變化的程度類似Kuznets曲線正在逐漸形成。

3 結 語

本文借助STIRPAT模型，擇取若干社會經濟指標，以農業縣清原縣為實例，對人類社會活動驅動影響的農業水資源與環境壓力變化進行了分析和探討，研究表明STIRPAT模型能較好的擬合資源環境和社會經濟指標之間的關系，反映了人口、富裕度、城市化率和產業結構等對資源環境壓力變化的影響。

基于構建的STIRPAT模型與結果分析可知，人類活動對水資源和環境影響是多角度綜合的、復雜的，表現在：(1) 總人口和經濟的增加以及產業結構對水資源和環境壓力的加劇起到了一定的推動作用，其中，人口增加對環境壓力影響最大；(2) 城市化率的提高對于水資源和環境壓力的影響具有一定的緩解作用；(3) 人均地區生產總值的增長與水資源環境壓力之間存在類似Kuznets曲線正在逐漸形成，該曲線已出現拐點，表明在未來經濟的增加可緩解或減少水資源和環境壓力。

基于本文擬合的模型與分析，結合研究區清原縣的實際情況，減輕水資源和環境壓力可以從以下幾個方面統籌決策：合理控制人口、科學調整產業結構、促進地區現代化發展以及探索轉變經濟增長方式。