区域FEEEP系统演化路径特征及实证分析

2011-12-14孙立成周德群胡荣华

统计与决策 2011年9期

关键词：态势子系统能源

孙立成，周德群，胡荣华

（1.江苏大学工商管理学院，江苏镇江 212012；2.南京航空航天大学能源软科学研究所，南京 210016；3.南京财经大学经济学院，南京 210003）

区域FEEEP系统演化路径特征及实证分析

孙立成1，2，周德群1，胡荣华3

（1.江苏大学工商管理学院，江苏镇江 212012；2.南京航空航天大学能源软科学研究所，南京 210016；3.南京财经大学经济学院，南京 210003）

文章在分析区域FEEEP系统演化机制的基础上，运用LOGISTIC增长模型分析了区域FEEEP系统演化路径的特征，并以中国改革开改30年数据实证分析了区域FEEEP系统各子系统演化路径。结果表明：区域FEEEP系统是在经济增长机制和生态平衡机制共同作用下演化发展；各子系统在总体上均具有上升的演化态势，其食物子系统和人口子系统早期增长较快，近期均处于成熟及衰退阶段，而能源、经济和环境子系统早期增长较慢，但近期增长较快，处于快速成长阶段。

FEEEP系统;演化机制;演化路径

区域FEEEP系统是由食物、能源、经济、环境和人口五个系统所构成的一个具有高度复杂性、不确定性、多层次性，开放的巨复杂复合系统。由于可持续发展的实质指的是在一定时期和科学技术条件下,经济社会在人口、资源和环境三个约束条件下持久、有序、稳定和协调地发展[1-2]。因此可见，从可持续发展的角度来看，分析区域FEEEP系统的协调共生演化机制及路径将是把握区域FEEEP系统协调发展内涵及规律的基础，这不仅有助于增强了解区域可持续发展能力及其存在的问题，而且也是促进FEEEP系统内部五个要素进入良性循环发展道路的根本前提[3]。

1 区域FEEEP系统演化机制

由于区域FEEEP系统的五个子系统之间存在相互依存、相互制约、相互作用的共生关系，从支配区域FEEEP系统协调发展的内部机制来看可以归纳为两类：一类是经济增长机制，另一类是生态平衡机制[4]。

区域FEEEP系统是以人类的活动为基础的复合系统，因此FEEEP系统的演化和发展将取决于人们对各种需求的追求，而随着人口的增多、生活水平的提高，人类需求和数量和质量也会不断升级，因此区域FEEEP系统的演化发展也将呈现非线性、指数形式的增长态势；另一方面，区域FEEEP系统演化发展的同时又反过来引发人们新的需求，从而进一步推动FEEEP各子系统的增长，因此从经济增长机制来看，区域FEEEP系统的演化和发展就是在人类不断增长的需求和FEEEP各子系统及整体系统的增长中交互增长的过程。

在经济增长机制中，区域FEEEP系统演化发展主要表现为人类需求及FEEEP各类子系统无限增长的态势，但从具体子系统的特征来看，无论是食物、能源还是环境其供给能力却具有有限性的特征，因此在区域FEEEP系统演化发展过程中就会存在另一类机制，即生态平衡机制。由于生态系统的发展是以能量的转换和能源的循环为特征的，而且生态系统的更新与发展都具有较长的周期性，且均受到一系列环境条件的限制，因此可以看出，无论是食物、能源、环境子系统还是区域FEEEP整体系统的演化发展均会受到生态机制的影响，这也使得区域FEEEP系统不能以无限增长的方式演化下去，而要受到生态平衡机制的制约。

2 区域FEEEP系统演化路径及特征

由上述的分析可以看出，区域FEEEP系统在经济增长机制和生态平衡机制的双重作用下演化发展，而这种双重机制在数量演化关系上则主要表现为生态学中的Logistic法则，即区域FEEEP系统的演化发展既有其自身内在增长规律，又同时受到各子系统生态容量的限制。依据Verhulst所构建的Logistic增长模型，区域FEEEP系统的演化路径数学模型可以用下式表示[4,5,6]：

其中，上式中Xt为区域FEEEP系统协调发展的状态变量，对于具体各子系统来说可以用各子系统的主参变量来表示，如：对于人口子系统可以选择人口总量作为状态变量等；N表示在一段时间内，区域FEEEP系统协调发展状态变量的最大阈值；rt表示系统的自然增长率；X0表示初始区域FEEEP 系统状态变量值；（N-X0）/X0为限制因子，说明区域FEEEP系统的演化机制存在正负反馈机制，具有典型的非线性特征。

从具体区域FEEEP系统的演化路径来看，可以分为周期内短期变化态势和多个周期的长期变化趋势。在短期内区域FEEEP系统的演化路径方程如式（2）所示，描述了系统状态变量的路径变化轨迹，如图1所示的S形曲线；其速度方程则如式（1）所示，表明系统状态变量随时间的增长速度，如图2所示的钟形曲线。

为了解区域FEEEP系统演化路径的特征，需要对区域FEEEP系统的演化路径方程和速度方程做进一步分析。首先对方程（1）求二阶导数，可得[7-11]：

令 d2Xt/dt2=r(1-2/NXt)dXt/dt=0，可得在周期内曲线（2）的拐点为：Xt=N/2,即为t0时刻的D2点，说明在t0点区域FEEEP系统演化路径具有明显的变化，从表1也可以看出，在时段区域FEEEP系统演化路径具有上凹的特征，而在(t0,+∞)时段则具有上凸的特征；其次对方程（1）求三阶导数，可得：

线来说有两个拐点，即D1点和D3点，此时dXt/dt为Nr/6，D2点则是区域FEEEP系统演化速度曲线的最大值点，此时dXt/dt为 Nr/4；又由于从式（1）和（2）可得：当 t→∞ 时，有 Xt→N,dXt/dt→0，因此可以得出在短期内区域FEEEP系统演

化发展可分为四个阶段，即：起步期、成长期、成熟期和衰退期。各阶段区域FEEEP系统演化曲线及其速度曲线的特征如表1所示。

表1 区域FEEEP系统演化曲线特征

由表1可得，第一阶段为起步期，其时间段为（0，t1）。这一阶段区域FEEEP系统演化的速度曲线dXt/dt处于加速上升的态势，至拐点（t1,Nr/6）时加速度达到最大；而此时系统演化曲线Xt也由零缓慢上升至。说明在这一时期区域FEEEP系统处于刚发展阶段，系统的状态变量在各共生单元相互作用、相互影响下由于负熵能量的输入区域FEEEP系统状态变量在整体上处于不断发展的阶段，但发展的水平及程度相对较低。

第二阶段为成长期。这一时期的时间段为(t1,t0)，其中在t0点区域FEEEP系统演化路径速度曲线达到最大值，为Nr/6。在这一阶段，区域FEEEP系统路径演化曲线的加速度开始缓慢下降，到点（t0,Nr/4）时系统路径演化的加速度为0；而这一时段系统演化路径曲线则一直处于快速上升的态势，点（t0,Nr/4）为区域FEEEP系统路径演化曲线的拐点。说明在这一阶段区域FEEEP系统处于快速发展时期，通常在系统内部在整体上也表现为高度的协调发展状态，这也是区域FEEEP系统快速发展的黄金时期。

第三阶段是成熟期。时间段为 (t0,t2)，这一时期区域FEEEP系统演化路径的特征主要表现为加速度为负且缓慢下降，至点（t0,Nr/6）时达到负值最大。此时期系统的加速度虽然为负，但由于区域FEEEP系统演化路径的速度t0在点有着较大的初始速度，因此在这一时期系统的状态变量在整体上还是处于快速上升时期，直到点t2时，即状态变量Xt为N时曲线上升的速度才下降到时刻的水平。说明在这一时期，区域FEEEP系统的演化路径是由高的初始速度向低的发展速度转换的过程，区域FEEEP系统的发展也已日益成熟，其内部矛盾也日益显现，表现为系统内部不和谐现象的产生。

第四阶段是区域FEEEP系统发展的衰退期。主要是在(t2,+∞)时段，在这一时段系统演化发展的加速度再次由负的最大值趋向于0，系统发展的速度也在不断减小直至无限趋向于0，系统的状态变量则无限趋向于其短期周期内的最大值N0。说明在短期的衰退期内，区域FEEEP系统的状态变变量会向其潜在最大的状态变量逼近，其发展水平也趋向于稳定，此时系统的发展趋向于停止，系统内部协调性较差，具体的表现就是系统发展过程中投入产出效益的不断降低。

上述的分析一直是从区域FEEEP系统短期周期内讨论的，而且从第四阶段的分析可以看出，区域FEEEP系统在衰退期内其发展则一直处于停滞状态。但由于FEEEP系统是一个开放型的复合系统，其在发展过程中不但是受到生态平衡机制的作用，而且还受到经济增长机制的作用，所以从长期来看，区域FEEEP系统在发展过程中这种停滞时期很难维持较长的时间，因此在生态平衡机制和生态平衡机制双重作用下区域FEEEP系统演化路径将有如图3所示的三个发展态势,即E1的上扬发展态势、E2平行的发展态势和E3的下降发展态势。其中E2平行的发展态势就是上述第四个阶段，即系统处于一个停滞发展的时期。但随着时间的推移，当区域FEEEP系统在生态平衡机制和生态平衡机制作用下打破系统外界及内部制约性因素的影响时，系统就会进入下一个增长周期，即进入新一轮的起步阶段，这也是图3中E1的上扬的发展态势延伸，并最终会形成如图4的区域FEEEP系统长期演化路径，如图4中不同周期下L1、L2、L3长期演化路径。而当系统不能打破限制因素的影响时，系统将会沿着E3下滑的演化路径发展，并最终趋于消亡。在图4中可以看出，在不同周期内的区域FEEEP系统均有一定的衰退路径，如：即为t1时期的衰退路径，即为t1时期的衰退路径，即为t1时期的衰退路径等。

3 中国FEEEP系统演化路径实证分析

3.1 指标和数据

从共生理论来看，由于主质参量体现了区域FEEEP系统内部各子系统演化发展的本质，且在区域FEEEP系统内部演化关系中起着主导性的作用，因此分析区域FEEEP系统各子系统主质参量的演化路径及其协调共生的稳态性，可以从本质上揭示出区域FEEEP系统协调发展的内部演化规律及其存在的问题。同时，由于总量指标是系统主要特征的综合体现，因此从FEEEP问题的本质和区域FEEEP系统各子系统的特征来看，可以选取粮食总产量(S)、能源消费总量(N)、GDP 总量(J)、工业“三废”排放总量(H)和人口总量(P)作为区域FEEEP系统食物子系统、能源子系统、经济子系统、环境子系统和人口子系统的特征质参量，由于在工业“三废”排放中，废水的排放变化趋势较为平缓，因此在本文中主要选取工业废气(H1)和工业固体废弃物(H2)来代表环境子系统变动情况。

本文以1978～2007年中国改革开放30年来各子系统主质参量的数据为基础，对中国FEEEP系统内部协调路径的特征进行实证分析。上述各指标数据主要来源于《中国统计年鉴 (1985～2008)》、《中国能源统计年鉴 (1986、1989、1991～2008)》、《中国工业交通能源 50年统计资料汇编 (1949～1999)》、《中国环境统计资料汇编（1981～1990）》。

表2 区域FEEEP系统各子系统协调演化路径参数估计及检验

3.2 实证结果分析

由前面的分析可以看出，系统是在其内部增长机制及生态平衡机制的共同作用下演化发展，其路径按式（2）演化。若令 C=(N-X0)/X0，则依据式（2）可得：Xt=N/(1+Ce-rtt)。根据该式本文借助Eviews5.0软件采用非参数牛顿高斯迭代方法对区域FEEEP系统各子系统的演化路径进行曲线拟合和参数估计，具体演化路径参数估计及相关检验如表2所示，各子系统的演化路径如图5～9所示。

由表2可以看出，由于环境子系统是采用工业“三废”的排放量来反映环境子系统的演化情况，因此可以从工业废水、工业废气和工业固体废物三个角度来衡量环境子系统的发展变化情况，但从具体检验值来看，由于工业废水是一个相对比较平衡的数值，不符合S型LOGISTIC曲线的变化，因此本文主要是以工业废气和工业固体废物两个主质参量来反映环境系统的演化情况。从具体各子系统演化路径系数的相关检验来看，R2值和调整后的R2均在0.8以上，其中经济子系统和人口子系统相对较高，均达到0.99以上，说明从整体上来看，各子系统演化路径模型的拟合程度较高，所得的各子系统演化路径模型能很大程度上反映各子系统主质参量的变动趋势。表中估计参数下面括号里的数值为各子系统路径模型参数T检验值，P值为各子系统路径演化模型估计参数P值的均值，由具体各检验值可以看出，各子系统路径演化模型的估计参数在5%显著性水平下均通过显著性检验，可见所得的各子系统路径模型较强的可靠性。

依据上述各子系统的路径模型可以得出图6～9各子系统演化路径图，图中虚线即为各子系统主质参量的演化曲线，通过对各图的分析可得：在整体上各子系统演化路径均具有向上递增的演化态势，但各具体子系统所处的演化阶段不同，递增的程度也不一样。其中食物子系统和人口子系统演化趋势较为接近，在考察期早期两个子系统均具有快速递增的态势，但随着时间的推移，两子系统的增长态势有所减缓，至2000年之后两个子系统都趋于平稳的增长态势，且增长速度均相对较慢。根据表1系统演化曲线特征的分类可得，食物子系统和人口子系统均处于演化的成熟及衰退阶段，也即各子系统的主质变量趋于平稳上升且趋向于稳定。从具体原因来看，改革初期中国农业在国家政策的大力支持下取得较快的发展，粮食产量取得了快速的增长，这从图6中实际值也可以看出。但由于粮食生产技术水平及亩产量等一些影响粮食产量的因素随着国家政策的扶持而快速上升并达到较高的水平，且中国耕地面积又不断减少，因此在这些众多影响因素的影响下，粮食产量虽然从整体也会具有一定的增长态势，但增长的速度相对较慢，最终会趋向于食物子系统潜在最大值的方向增长；对于人口子系统来说，由于人口众多一直是制约中国社会发展关键因素，因此政府很早就实行了诸如计划生育等一系列政策来控制人口的增长，但由于人口基数大，从总体上来看，中国人口自改革开放以来也一直处于增长的态势，但增长的趋势较为缓慢，因此也就形成了如图9的人口演化态势。

从能源子系统、经济子系统和环境子系统的演化路径来看，这三个子系统的演化路径在整体上均具有上凹的特征，即具有向上增长的态势。在考察期早期，这三个子系统均以缓慢的速度增长，但此时各子系统的加速度均快速递增，随着时间的发展，三个子系统演化路径呈快速递增的态势，特别是2000年以来各子系统增长迅速。其中从环境子系统的两个具体影响因素来看，工业废气的增长速度要大于工业固体废弃物的增长速度，可见工业废气将是影响环境的关键因素。依据表1系统具体的演化路径阶段的划分，这三个子系统均处于系统化的起步期，因此可以看出，若各子系统均按现有的态势发展，中国经济在快速增长的同时，能源消费和环境恶化均将呈指数增长的态势。就其原因来看，由于能源是经济增长重要基础性要素，随着中国经济快速增长能源需求也呈快速递增的态势，自2006年以来中国已成为世界上第二大能源消费国，2007年中国能源消费总量高达26.56亿吨标准煤，增幅为7.84%，其中一次能源消费量占世界一次能源的16%左右，而经济总量仅占世界经济总量的6%左右，可见以能源的大量消费为主要特征的经济增长模式，是引起能源子系统处于演化的起步期主要原因，同时又由于中国是以煤炭为主的能源消费结构模式，而能源的消费又是环境恶化的主要原因，因此在环境子系统中工业废气和工业废弃物也将会与能源消费和经济增长具有较为相同的演化态势。

4 结论与启示

通过上述分析可以得出以下三个结论：

（1）区域FEEEP系统在经济增长机制和生态平衡机制共同作用下，沿着具有典型S型LOGISTIC曲线的方向演化发展。其中经济增长机制促进了区域FEEEP系统的增长，而生态平衡机制则由于生态条件的限制制约着系统无限地增长。

（2）中国FEEEP系统各子系统在总体上均具有上升的演化态势，但各子系统的演化路径具有较大的差异性，其中食物子系统和人口子系统具有较为相近的演化特征，这两个子系统均处于演化的成熟及衰退阶段，即趋于平稳上升且趋向于稳定的阶段，能源子系统、经济子系统和环境子系统的演化趋势在整体上具有较强的一致性，均具有上凹的特征，即具有向上增长的态势，属于快速成长阶段。

（3）从各子系统具体趋势变化特征来看，食物子系统和人口子系统在早期均具有快速递增的态势，但随着系统的发展两子系统的增长态势有所减缓并趋向于稳定；能源子系统、经济子系统和环境子系统三个子系统早期增长速度均相对较慢，但其加速度均快速递增，随着系统的发展，三个子系统演化路径呈快速递增的态势，特别是2000年以后各子系统增长尤为迅速。

可见，由经济增长机制和生态机制共同影响下的S型LOGISTIC曲线能很好地刻画区域FEEEP系统的共生演化机制，通过实证分析可以得出各子系统的演化路径及其特征，为把握FEEEP各子系统及整体系统的演化规律提供了有效的研究方法，有助于进一步把握区域FEEEP系统协调发展过程中存在的问题，促进区域FEEEP系统可持续协调发展。

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