海岛基础设施物质存量构成及动态变化研究

郭振+张炫钊

[摘 要]以山东庙岛为研究区，根据自下而上的存量分析体系构建基础设施物质存量计算模型，利用遥感影像提取技术等方法获取相关数据，定量研究海岛基础设施物质存量构成及其于2011—2016年的变化情况，并通过IPAT模型分析存量变化的主要人文驱动力因素。结果表明，庙岛基础设施物质现存量约为292.5kt，集中于以水产养殖场和加工厂为主的生产性建筑中，主要材料为碎石、石材、砖块、沙子和水泥；5年内基础设施物质存量共增加62kt，89.7%用于兴建水产养殖和加工业相关的建筑及港口基础设施；人均生产总值的增加是导致基础设施物质存量增加的主要人文驱动力因素。由此建议在山东庙岛发展过程中，可以通过优化海岛产业结构、积极开发利用岛内现有资源、合理回收利用建材等途径，以更好地推动海岛资源的可持续利用管理与环境保护。

[关键词]产业生态学；海岛系统；基础设施；物质存量分析；IPAT模型

[中图分类号]X37 [文献标识码]A [文章编号]1671-8372（2017）04-0040-07

Abstract：Taking the Miao Island in Shandong province as the research area to construct the calculation model of the material stock of the infrastructure， obtaining the relevant data by using remote sensing image extraction technology and other methods， this study makes a quantitative research on the material stock of island infrastructures and its change pattern from 2011 to 2016， and analyzes the main humanistic driving forces of stock change through IPA model according to the bottom-up inventory analysis system. The result shows that the material stock of the infrastructures on the Miao Island is 292.5kt， concentrated in the productive buildings， mainly in aquaculture and processing plants， and the major building materials are gravel， stone， brick， sand and cement； the material stock of the infrastructures has increased to 62kt during the 5 years， among which 89.7% are used to build aquaculture and the construction related to processing industry and the port infrastructure. The study also finds that the increase in per capita GDP is the main cultural driving factors to lead to an increase in the amount of material in the infrastructure. Based on the analysis above， it is suggested that during the development of the Miao Island， it could be better to promote the sustainable utilization management and environmental protection of island resources by optimizing the industry structure， actively developing and utilizing existing resources on the island， and rationally recycling and utilizing materials.

Key words：industrial ecology； island system； infrastructure； the analysis of material stock； IPAT model

海島是一类四面环海、环境相对封闭的特殊地理系统[1]。作为国家远离陆地的海洋领土，海岛的发展在维护国家海洋权益、开发海洋资源、促进海洋区域和沿海地区经济增长方面均具有重要作用[2-3]。海岛的各类基础设施不仅为岛民提供了居住环境和交通运输等基本生活服务，也为海岛社会经济的长期增长提供了重要的固定资本，因此是海岛发展过程中不可或缺的要素。随着 “一带一路”倡议的提出及逐步实施，我国近岸海岛地区经济社会发展速度加快，许多海岛的基础设施建设工程日趋频繁。

由于面积相对较小、交通便利性较差，多数海岛存在自然资源匮乏的问题[4]，一方面岛上的基础设施在生产、加工和建造过程中所消耗的水泥、沙石料以及金属等各类建材大多需由陆地提供[5-6]；另一方面，基础设施在报废拆除后所形成的建筑垃圾通常长期滞留于岛内，加上海岛静脉产业链尚不完善，潜在增加了海岛生态环境风险压力。而当前国外系统考察海岛生态系统中人工设施物质存量的研究尚不多见，我国海岛基础设施物质存量的研究也处于空白。因此，本研究选取我国北方小型有居民海岛之一—山东庙岛为研究区，在海岛存量分类体系的基础上，定量研究海岛基础设施物质存量的构成及动态变化，并对其物质存量驱动力因素进行分析。研究可为海岛开发利用过程中的人类活动强度评价、探究基础设施建设的资源依存度与潜在固体废弃物风险，以及制定资源可持续利用管理与环境保护政策提供基础支撑。endprint

一、海岛基础设施分类及模型构建

（一）物质存量研究体系

“物质存量（Material Stocks， MS）” 是产业生态学中的一个概念，泛指在社会中具有社会经济产出功能、可为人类日常工作和生活提供服务功能的产品或物料的含量，一般以质量为计量单位[7-8]。针对社会系统的物质存量研究始于70多年前，但近20年来随着全球城市化进程的加速以及城市代谢研究的兴起，相关研究才开始逐渐受到人们的关注，并迅速发展成为产业生态学及区域可持续研究领域的新热点[9-10]。

基础设施材料涉及物质种类繁多，体量不一，开展系统性研究的数据可获性差。因此，国内外基础设施物质存量的研究多集中于发达国家和地区，以及一些大城市等统计数据较完备的区域[11]。Wiedenhofer等[12]分析了欧盟25个国家的建筑和交通网络的物质存量；Mastrucci等[13]评估了阿尔泽特河畔埃施市的全部建筑物的物质存量及其在废弃阶段不同处理方式的环境影响；Fishman等[14]计算了日本和美国1930—2005年建筑材料的物质存量；Guo等[15]以及Huang等[16]分别以北京道路系统和北京、天津、上海的基础设施存量为研究对象，分析了存量的构成及空间分布。

海岛作为一类地理属性相对封闭、边界明确的特殊陆地生态系统，是开展独立系统物质代谢研究的天然实验区。为克服数据缺乏以及统计数据精度较低的问题，准确把握海岛基础设施物质存量的现状和变化特征，本研究采用“自下而上（Bottom-up）”的存量分析思想，将研究对象分解成多个存量单元，通过对每个存量单元的再分级和子单元的存量计算，加和得到系统总存量[17-19]。例如，Schebek等[20]将莱茵—美茵地区非居民建筑物分成12类存量单元，通过计算各存量单元的参考建筑所含建筑材料物质存量，得到每一种存量单元的物质存量以及整个研究区各种建筑材料的物质存量。该研究体系不仅可揭示存量对象的内部组成和结构，克服基于“自上而下（Top-down）”方法难以解决的“存量黑箱”问题[7]，并且通过运用跨学科知识和前沿的信息获取技术，较传统基于社会统计数据的研究可获得更高精度和时效性更强的存量信息，拓展了物质存量研究的范围及深度。

（二）海岛基础设施物质存量分类

基础设施一般是指为生产、生活提供基础条件的、成套的工程构筑和设施[21]。一些城市代谢及区域尺度的研究并没有将基础设施深入分类，僅研究其总体或所含的少数建筑材料的物质存量。本研究结合基础设施存量的相关研究以及充分考虑有居民海岛的现实开发利用情况[16，22]，将海岛基础设施物质存量分为3个主要存量单元共11个存量子单元，涉及12种主要的建筑材料（见图1）。

根据基础设施的功能及结构，海岛的基础设施物质存量分为建筑、交通基础设施以及管线基础设施3个存量单元，各类基础设施根据功能及结构差异性再划分成若干子类单元（见图1），每一类存量子单元依据该设施物质清单公式计算水泥、沙子、碎石、钢材等各类建筑材料的投入量。

（三）海岛基础设施物质存量计算模型

1.建筑单元存量计算

本文采用“物质强度”法计算海岛建筑的建材含量[13，20，23]。对于住宅、商业建筑与公共服务性建筑，属于同一种结构的不同建筑的单位使用面积耗材特征相似，故可根据各类住宅单位使用面积各种人工材料总量MSBij1与海岛范围内该类建筑的总使用面积SBj1的乘积近似表示其物质存量总量。工厂、养殖场与农舍等工农业生产建筑的结构与材料取决于研究区的实际社会背景，且通常缺乏详细的统计信息，因此，本研究将功能相近、结构相似的工农业生产建筑归成一类，根据各类建筑的样本施工图进行结构分解，分别计算各结构的建筑材料的使用量，反向叠加得整个存量子单元的物质存量值。其公式为：

式（3）中，MSBij1为第j1类结构建筑单位使用面积的i类建筑材料的消耗量，SBPj1、SBCj1与SBRj1分别为第j1类结构住宅、商业建筑与公共服务性建筑的总使用面积，MSBij2k为第j2类工农生产性建筑的k结构中单位体积材料i的含量，VBPj2k为第j2类工农生产性建筑的k结构的总体积。

2.交通基础设施单元存量计算

（四）基础设施物质存量变化人文驱动力因素分析模型

为分析基础设施整体和各种建筑材料的物质存量在海岛变化的人文驱动力因素，研究引入IPAT模型。IPAT模型是一种描述人文驱动力对环境压力影响的简便量化分解模型[24]，目前广泛应用于研究环境影响与人口经济发展的关系[25]。

物质存量是人类活动对自然资源的占有量和潜在的建筑废弃物量，可视为一种环境影响，一些学者利用该模型定量研究影响物质存量变化的人文因素。本文基于Steinberger等[26]和Schandl等[27]的研究成果，以海岛人均生产总值GDP/P代表A；以物质存量强度MS/GDP，即生产单位GDP所需要的MS代表T。P、A和T三个变量对I的影响强度的自然对数变化量可表示为：

通过比较每个指标值5年前后自然对数变化量占△ln（MS）的百分数来判断其对MS变化的贡献程度。

二、研究区概况及参数获取

（一）山东庙岛概况

庙岛隶属山东烟台长岛县，位于庙岛群岛西南部，岛陆面积1.73 km2，南距蓬莱12.1 km，东离南长山岛3 km，至2015年底拥有人口447人。庙岛是一座以水产养殖与捕捞业为主导、加工业和旅游业为辅的典型北方小型海岛。随着长岛县打造我国北方生态旅游度假岛的各项配套工程的实施，2011—2016年，庙岛的主要产业发展迅速，居民收入和生活水平显著提高，各类基础设施迎来一个兴建和更新期。

（二）数据来源

1.遥感影像提取endprint

本研究基于2016年6月份的PLEIADES立体像对遥感影像（见图2），利用三阶有理函数模型和地面控制点，构建研究区数字表面模型DSM（1m）。通过矢量化和空间数据处理，提取各类基础设施的占地面积、高度及其他相关信息。同时，结合2011年SPOT高分影像对比获得各类基础设施5年间的土地利用变化情况。

2.现场调研

课题组于2016年对庙岛进行了四次实地调研。经实地调查测量，修正补充卫星影像，获取各建筑物层数及部分基础设施结构与材料信息；现场测量码头周边海域水深等数据；通过开展庙岛居民问卷调查（有效回收35份问卷），收集民居在研究时间段内的修缮情况；码头及部分基础设施清单数据根据走访岛上住户及相关建筑施工单位获得。

3.其他参数获取

海岛管道信息、岛屿历年居民人口与GDP值等由庙岛开发管理处和长岛县发展改革和统计局提供，庙岛发展历史和地理信息等来源于《长岛县志》，其余基础设施单位面积耗材量数据基于相关文献[28-32]、建筑规范、工程案例清单和商业数据库。

三、结果与分析

（一）庙岛基础设施物质存量现状构成分析

根据前文各存量单元的物质存量计算公式及庙岛基础设施相关数据计参数，分别计算得出2011年与2016年研究区基础设施物质存量（见表1）。

1.存量单元物质存量现状构成分析

目前，庙岛基础设施物质存量达292.5kt；各存量单元的物質存量值关系为：MSB>MST> MSP，且MSB为202.1kt，几乎等于MST与MSP的总和。可见，庙岛建筑的规模远大于其他基础设施的规模，即研究区内为发展基础设施所调用的自然资源，主要用于建造提供住宿、生产和公共服务功能的建筑。

2.存量子单元物质存量现状构成分析

MSB中，民居建筑单元和工农业生产性建筑单元的物质存量占绝大部分，分别为54.0kt、147.9kt。结合庙岛现状，生产性建筑主要包括养殖池、加工厂及附属的宿舍与仓库，表明当地水产养殖和加工业明显依赖基础设施和自然资源。道路基础设施存量单元与港口基础设施存量单元分别为23.7kt和62.0kt，大约为1：3，反映出港口规模大于道路基础设施规模。庙岛的供水管道是当前唯一的管道基础设施，即MSP为4.3kt。

3.建筑材料物质存量现状构成分析

目前该岛投入最多的物质材料为碎石，占总存量的24.37%；石材次之，占总存量的24.08%；砖块和沙子依次占存量的24.06%和18%。上述四种人工物质是组成该岛基础设施的主要建筑材料，其余建筑材料在岛上的积累量明显较少，总量不足MSTotal的10%。碎石主要存在于MST，PVC主要积累于MSP，MSB包含其他建筑材料的绝大部分存量。

（二）庙岛基础设施物质存量动态变化分析

1.存量单元物质存量动态变化分析

2011—2016年，庙岛基础设施物质存量整体呈增加趋势，增量为62.0kt，增幅27%。MSN和MST的增量最大，占总增量的51.29%和48.59%，MST的增幅最为显著，MSN的增幅次之（见图3）。MSP的增量较小，为总增量的0.12%，且增幅较弱。

2.存量子单元物质存量动态变化分析

MSB的增加量最大，为31.8kt。其中，民居建筑与公共服务性建筑的增加量较少，其和仅为2.5kt；生产性建筑物质存量的增加量约为29.3kt，占MSB变化量的绝大部分，表明5年内海岛水产养殖和加工业以大量消耗岛外自然资源为代价，实现了产业规模的扩大。道路基础设施与港口基础设施的物质存量分别增加3.9kt和26.3kt，即庙岛的岛陆和海上交通基础设施均得到改善。新自来水管道于2013年的铺设导致了研究区内MSP的增加，增量约65t。由此可见，“工农业生产性建筑”和“港口基础设施”是物质存量增量最大的两个子单元，增量占总增量的89.7%。

3.建筑材料物质存量动态变化分析

瓦的物质存量略有下降，而其余建筑材料的物质存量均增加。由图4可知，5年内庙岛基础设施中增量最大的5种建筑材料依次是砖块、碎石、沙子、石材和水泥。然而，增幅最大的5种建筑材料依次为PVC、瓷砖、砖块、钢材、水泥和碎石，其中，PVC的增幅最为显著。可以预测，庙岛基础设施的发展在未来对PVC和钢材等高耗能建材产品的需求量将会增大。

从物质流的角度来看（见图5），运入岛内的水泥、沙子、碎石和石材等大宗建筑材料主要用于交通基础设施的建设项目，其次是兴建各种非民居建筑，少量成为当地居民扩建房屋的材料。木材、砖块、钢材、铝合金和玻璃物质存量的增加主要是水产养殖和加工厂、宿舍以及公共建筑建设的结果；另外，道路、码头的新建工程以及民居的扩、改建也促使这些材料在海岛范围内的积累。进入研究区的绝大部分PVC是供水管道，其余则以交通设施和建筑部件的形式滞留于其他存量单元中。

（三）物质存量变化的人文驱动力因素

基于公式7，计算得到△In（MSTotal）、△ln（P）、△ln（GDP/P）和△ln（MSTotal/GDP）分别为0.24、0.04、0.15和0.05。各人文驱动力因素对MSTotal增长的贡献度如图6所示。

计算结果表明，庙岛5年内人口（P）、人均生产总值（A）和物质存量强度（T）三个因素的增加均带动了人工物质积累于岛上的基础设施中；其中，人均生产总值的增加是导致各种人工物质在研究区内基础设施中积累的关键人文驱动力因素。此外，由△（MS/GDP）>0可知，庙岛的基础设施创造单位GDP所需的物质存量增加，即其资源的使用效率及满足社会经济活动发展的能力在5年内有所降低。

四、讨论与政策启示

（一）优化海岛产业结构endprint

由前文可知，水产养殖和加工业相关建筑的物质存量，既在当前MSTotal中占据大量份额，也是5年内物质存量增加最大的存量子单元；从建筑材料的角度来看，这些基础设施对砖块、钢材等庙岛无法自给的高耗能人工材料需求量较大，其建设工程也是上述建材于5年内在岛内积累的重要原因。从人文驱动力因素分析结果来看，作为当前研究区内的支柱产业，水产养殖和加工业虽然直接促进了该岛人均生产总值的增长，但这种增长方式也使基础设施物质存量显著增加。即该产业规模的扩大在提高当地人均收入的同时，却以消耗更多的自然资源为代价。

政府应积极引进先进的水产养殖和加工技术，在现有的基础设施条件下，增加水产品产量，从而提高当地人均生产总值，降低基础设施物质存量强度以及相关建筑材料输入流量。同时，政府可充分利用当地自然环境和传统妈祖文化背景优势，基于交通基础设施现状，大力扶持生态旅游业等第三产业，降低居民对水产养殖业的依赖程度，从而进一步提高基础设施物质存量使用效率。

（二）积极开发利用岛内现有资源

研究区主要的建筑材料中，碎石、石材和沙子可部分由海岛自给，这些材料不仅占据当前基础设施物质存量的大部分，也是5年内基础设施发展积累较多的成分，是交通基础设施和各类建筑物修建工程中必不可少的物质材料。由《长岛县南五岛概念性总体规划》等文件可知，长岛县政府计划于庙岛修建环岛观光道、度假别墅和娱乐设施等项目。可以预测，上述三种物质资料未来的需求量极可能居高不下。从海岛基础设施生命周期的角度看，倘若这些建材在适当条件下于岛內开采获取，则可减少相关基础设施建设过程中货车与货船因长距离运输这些大宗建材而消耗的化石燃料，进而有效降低海岛发展过程中对外界自然资源的依赖程度。

（三）合理回收利用建材

已在岛内大量积累、未来需求量显著的水泥和砖块等建材，只能于岛外获取，且其生产的过程能耗较大。在基础设施报废阶段合理回收利用这些建筑材料不仅能够避免建筑垃圾长期滞留于岛内所造成的环境负担，而且可减轻岛外一次资源消耗量，实现区域可持续发展。其中，基于相关文献[33-35]提供的回收率，庙岛基础设施的部分建筑材料理论回收量如表2所示。

因此，相关部门在旧建筑拆除改建过程中，应尽可能筛选出完整的砖块，直接作为某些低质量要求设施的材料（如院墙砌体）；可将不完整的砖块，以及水泥碎块、黏土瓦和瓷砖经分类和简单处理后，充当某些基础设施的碎石材料源；对于钢材和玻璃等生产和回收工序复杂的建筑材料，应收集并统一运至岛外集中回收处理。

五、结论与展望

当前，庙岛基础设施整体处于发展与优化状态，2011—2016年其物质存量共增加62.0kt，现为292.5kt。研究区内基础设施的物质存量集中于工农业生产性建筑中，主要用于维持水产养殖业和加工业发展。此外，以水产养殖场和加工厂为主的建筑以及港口交通设施的兴、改建工程是导致5年内基础设施物质存量增加的主要原因。碎石、石材、砖块、沙子和水泥等传统建材是庙岛基础设施中当前积累最多的建筑材料，也是5年内增加最多的建筑材料，PVC、钢材和瓷砖等新型成品建材的需求量明显增加。2011—2016年，人均生产总值的增加是促进庙岛基础设施物质存量增加的主要人文驱动力因素。在研究时间段内，基础设施的自然资源使用效率及满足社会经济活动发展的能力有所降低。基于上述结论，政府可通过优化海岛产业结构、积极开发利用岛内现有资源、合理回收利用建材等措施，降低庙岛因兴建基础设施带来的资源浪费与环境压力。

从国家海洋战略及蓝色经济相关规划，以及有居民海岛结合自身的区位优势和涉海产业自我发展创新的角度来看，我国海岛各方面事业的发展前景广阔，海岛的物质流、能量流的输入将日益增大。海岛的生态环境及资源可持续等的问题也将逐步成为新的研究热点，而对海岛生态系统的研究又可为城市的发展及其他生态系统的研究提供新的思路与方法。下一步的研究中，我们也将选择不同区位、面积、人口以及开发利用方式的海岛作为研究区，开展更多的海岛物质流及能量流案例分析，为海岛物质代谢研究以及面向资源、环境可持续的海岛基础设施规划管理提供理论支撑。

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[责任编辑 张桂霞]endprint