基于能值分析的西安市三个发展核心区可持续性研究

王智宇，马俊杰，李鹏飞，赵 丹，滕 腾，杨煜岑

随着人口规模不断扩大和社会经济飞速发展，人类与自然环境之间的矛盾愈发突出，如何降低人类活动对生态环境造成的影响，已成为国内外生态环境领域的研究热点，为了评价区域生态经济系统可持续发展能力，能值分析被广泛应用于各领域的定量研究之中。

能值分析理论和方法由美国著名生态学家Odum于20世纪80年代创立，许多国内外学者也对能值分析实际利用进行了大量研究。Ulgiati et al（1994）为评价意大利可持续发展和资源利用情况，对其社会经济系统和自然生态系统进行了能值分析；Nelson et al（2001）基于能值分析得出了湿地系统处理污水比传统污水处理工艺具有更好的效果；Vassallo et al（2007）通过能值分析，对意大利拉斯佩齐亚海湾近海鱼类养殖系统的生态环境可持续性进行了评价。

国内能值研究起始于Lan et al（1998）的研究，他们利用能值理论与方法评估我国农业总体生产，为稳定发展农业生产提供合理的科学依据；隋春花和蓝盛芳（2006）基于能值分析，从复合生态系统的角度，对广州和上海的生态能值流动进行比较，评价了广州城市生态系统自然环境现状和社会经济发展；杨卓翔等（2012）基于对深圳市三个小型农场——碧岭、西丽、山海的能值流计算，分析讨论了三个生态农业经济系统的差异与发展；孙玥等（2014）通过能值分析理论，评估了2000 — 2010年辽宁省生态经济系统的可持续程度；黄洵和黄民生（2015）以福建省泉州市为例，运用能值分析的方法对研究区可持续发展水平与经济增长直接的动态关系进行了讨论；邓健等（2016）基于能值分析，客观评价及比较了退耕还林后黄土高原典型小流域不同种植业发展模式的可持续性。

能值分析能够把生态环境系统与社会经济系统进行统一的定量分析，为生态经济系统的定量分析提供共同的度量标准，有利于生态流流量综合分析（隋春花等，2006）。以往的研究多为大尺度区域发展趋势的研究，本文从能值分析出发，旨在分析小尺度区域生态经济系统能值流及可持续性的差异，对研究区的可持续发展提出合理的建议和科学依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域

灞桥区位于西安城区东部，地理坐标为东经108°59′ — 109°16′，北纬 34°10′ — 34°27′（图 1）。全区总面积332平方公里，常住人口60.82万人。近年来，政府大力推动了该区内的国际港务区和以灞桥区及未央区为主体的浐灞生态区建设，以提升区域整体外贸实力与生态水平。2014年，全区生产总值为309.73亿元，其中第二产业占比约47%，第三产业占比约48%。

雁塔区地处西安城区南部，是西安市城市核心区，地理坐标为东经 108°10′ — 109°02′，北纬34°10′ — 34°15′（图 1），全区总面积 151 平方公里，常住人口120万，该区内有国家级文化产业示范区——曲江新区，科教实力和旅游资源为其核心竞争力。2014年，全区生产总值为1114.46亿元，其中第三产业产值比重近70%。

未央区坐落于西安城区北部，现西安市人民政府驻地，地理坐标为东经 108°47′ — 109°02′，北纬34°14′ — 34°26′（图 1），全区总面积 262 km2。该区内有国家级经济技术开发区，已成为区域新的经济增长点和投资热点。2014年，全区生产总值703亿元，其中第二产业占比约53%，第三产业占比约46%。

三个区同处西安市原核心区外，近年其名称也从原来的“郊三区”变为“城六区”中的区域，现阶段已成为西安市建设与发展的主要空间，政府相继在三个区内建立建成多个开发区，如浐灞生态区、国际港务区、经济技术开发区及曲江新区等，这三个区是西安市目前的发展核心区。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of study area

1.2 研究方法

本文所采用的数据来自《西安市统计年鉴》、《陕西省统计年鉴》、各相关部门的资料及实地调查。借鉴Odum于2000年对太阳能、潮汐能及地热能的能值流动情况研究，即Odum根据相对精确的能值流数据，通过三者的联立方程计算得出全球能值基准为 1.58×1025sej· a−1（Brown and Ulgiati，2010），应用蓝盛芳和钦佩（2001）、Odum（1996）的相关理论和方法，对西安市三个发展核心区可持续性进行研究。

首先，利用ArcGIS绘制出了研究区土地利用类型图（图2），将其分为草地、林地、水体、未利用地、城市用地及耕地六类，其中草地、林地、水体及未利用地为生态环境系统，城市用地及耕地为社会经济系统，以此绘制出生态环境子系统及社会经济子系统的空间分布图（图3）。其次，综合分析三个区生态环境系统和社会经济系统中能值流情况，结合城市复合生态系统的思想建立能值评价指标，利用能值转换率将不同单位的能值评价指标转换为太阳能值，对三个区的主要指标进行能值分析。最后，提出能值利用效率，并据此构建新的系统可持续发展程度评价指标，更准确地分析子系统的可持续发展程度。

能值分析建立在Odum创立的能量符号语言系统之上，图4是生态环境与社会经济能值分析概况图。由图可知，部分自然可更新资源及不可更新资源产品会对生态环境系统有一定的影响，并作用于社会经济系统，同时社会经济系统会有一定的输入能值和输出能值（出口量与废弃物排放）。本研究基于复合生态系统视角，将生态经济系统分为生态环境子系统和社会经济子系统进行分析，讨论生态经济系统的可持续程度。

图2 研究区土地利用类型图Fig.2 Land utilization of study area

图3 研究区子系统分布图Fig.3 Subsystem distribution in study area

图4 生态经济系统能值分析Fig.4 Emergy analysis of the eco-economic system

2 结果与分析

2.1 子系统分析

2.1.1 生态环境子系统

研究区主要景观类型为自然河流、水体景观、城市绿地、道路防护绿地以及少量城市森林，水体指标主要为可更新资源能值的计算（李占玲等，2005），绿地指标涉及到可更新资源能值、不可更新投入能值、自然资本贮存量、生态产出及经济产出的计算。故可更新资源指标部分数据为三个区水体及绿地的能值流总和，其余生态环境子系统的能值指标主要将绿地作为研究基础，通过《西安市统计年鉴》整理2014年西安市灞桥区、雁塔区及未央区的原始数据，并查阅相应的能值转换率，计算出各项指标的太阳能值（蓝盛芳和钦佩，2002），编制生态环境系统能值分析表（表1）。

由表1可以看出，雁塔区的可更新资源能值较低，为9.87×1018sej，其太阳能、风能、雨化学能和雨势能都相对较少。灞桥区和未央区可更新生态投入能值为 2.12×1019sej和 1.73×1019sej，基本持平。灞桥区不可更新投入能值为6.63×1021sej，分别为未央区及雁塔区的1.98倍和1.03倍，这是由于灞桥区通过浐灞生态区建设，累计新增绿化面积1600公顷，形成林地1964公顷，森林覆盖率达15%（白嘉和张会新，2011），提高了不可更新生态投入。

灞桥区的生态产出和经济产出为1.88×1021sej和8.15×1020sej，雁塔区生态产出和经济产出分别为灞桥区的17.2%和46.5%，未央区生态产出和经济产出分别为灞桥区的84.6%和81.0%。这是因为西安市政府近年大力营造生态浐灞的理念，对主体位于灞桥区的浐灞生态区，进行集中治理污染物排放和垃圾回收再利用，并建设浐灞湿地公园、举办世界园艺博览会等，在开发该区旅游资源的同时，也提高了该区的生态修复力与可持续发展能力。而雁塔区和未央区的可持续性与生态环境密不可分，多功能城市核心区及新型工业园区的发展不可避免会限制生态环境系统产生的生态效益和经济效益。

2.1.2 社会经济子系统

通过资料收集，整理出能够反映2014年西安市灞桥区、雁塔区和未央区社会经济状况的能值指标，通过上文中的能值计算方法计算各项指标的太阳能值（蓝盛芳和钦佩，2002），编制社会经济系统主要资源能值分析表（表2），以此对三个区域的社会经济系统能值流情况进行定量分析。

由表2可以看出，灞桥区的可更新资源产品能值和输入能值相对较高，分别为1.12×1021sej和7.68×1021sej，主要原因是该区农业用地1.9万公顷，以都市农业为主导（陈大鹏和刘小红，2011），通过推进农业多元化发展，区畜牧产品能值达到7.24×1020sej，水产品能值 1.38×1020sej，农作物产品能值2.58×1020sej；同时，位于灞桥区的“西安国际港务区”是沿海国际港口多种港务功能在西安的集中服务区（金青梅和张慧丽，2011），该区2014年利用外资额达到1.19亿美元，国际旅游收入1.43亿美元。

表1 2014年生态环境系统能值分析Tab.1 Emergy analysis of the ecological environmental subsystem in 2014

表2 2014年社会经济系统能值分析Tab.2 Emergy analysis of main resources of social economic subsystem in 2014

雁塔区各项指标都低于其他两个区。可更新资源能值3.35×1020sej，仅为灞桥区的30%；不可更新资源能值4.96×1020sej，为灞桥区和未央区的53%及43%；输入能值3.56×1021sej，为灞桥区和未央区的46%及57%；输出能值2.60×1024sej，为灞桥区和未央区的60%及51%。雁塔区随着近些年建设成为城市核心区，主要发展科研教育、高科技产业及社会文化建设等第三产业，本地可更新资源较少，对外界输入能值依赖较低，输出能值也相对较低。

未央区不可更新资源能值及出口能值较大，分别为 1.17×1021sej和 5.13×1021sej，由于该区内的国家级经济技术开发区为新型工业园区（王晓峰等，2012），虽然合理规划了城市绿化带，但不可更新资源能值依然以工业生产能值为主，工业“三废”排放量较其他两个区域也相对较高，固废排放量能值为1.69×1021sej。

2.2 综合指标分析

2.2.1 基于能值利用效率的系统可持续发展程度   指标构建

生态学家Brown and Ulgiati（1997）提出了城市生态系统可持续发展指标ESI，并定义ESI的值为能值产出率（NEYR）与生态负载率（ELR）之比。陆宏芳等（2002）认为ESI指标中单纯的运用能值产出率不尽合理，因为能值产出涵盖了废物流能值的产出，废物流能值现阶段不可被人类利用，反而会对生态环境系统造成影响，即能值产出率（NEYR）大，并不能完全说明有利于人类社会的发展，他们提出了评价系统可持续发展能力的能值指标（EISD），即能值交换率（EER）与能值产出率（NEYR）的乘积再除以生态负载率（ELR）。

本文借鉴以上两种思想，构建基于能值利用效率的系统可持续发展程度指标（EUSDI，emergy utilization sustainable development index）。考虑到输出能值中包括出口额能值及废物流能值，出口额会带给系统一定的有益回馈，也可以说为系统发展所利用，而废弃物目前阶段不利于系统的可持续发展，因此提出能值利用效率（EUE，emergy utilization eきciency）的概念，即城市生态复合系统对于系统内能值的利用程度，能值利用效率（EUE）与系统的发展成正比，计算公式如下：

式中：W为废弃物能值，U为系统总能值用量。

根据陆宏芳等构建评价系统可持续发展能力的能值指标（EISD）的思想，能值利用效率（EUE）、能值产出率（NEYR）与生态负载率（ELR）之间无相关关系，综合考虑社会经济目前的发展与生态环境面临的压力，构建基于能值利用效率（EUE）的系统可持续发展程度指标（EUSDI），计算公式如下：

基于能值利用效率的系统可持续发展程度指标（EUSDI）数值越高，说明系统内部在面临一定程度环境负荷时，其社会经济的发展程度越好，可持续发展能力越强。

2.2.2 生态经济系统综合指标分析

根据上文生态环境子系统和社会环境子系统能值分析整理计算出的基础数据，选出合适的城市生态经济系统综合指标，通过公式对各项指标进行归纳与计算（蓝盛芳和钦佩，2002），绘制2014年灞桥区、雁塔区和未央区的城市生态经济系统主要能值指标比较表（表3）。

由表3可以看出，2014年西安市灞桥区的人均能值（EPP）为2.70×1016，分别为雁塔区的4.2倍和未央区的1.6倍。三个区人均能值偏低，说明人均可支配能值较少，生活水平仍有待提高（表4）。雁塔区人均能值较低是由于该区作为城市核心区（吴文恒等，2012），人口过于集中，数量达到119.74万人，该区人口承载量为6.02×105人，实际人口为承载量的1.99倍，反映出有限的自然资源承载了过量的人口，对该区的生态环境造成很大压力。因此，该区在建设城市核心功能区的同时，需考虑城市生态经济系统的可持续发展，协调好人口基数增长与自然资源利用的关系。

2014年西安市灞桥区、雁塔区和未央区的能值自给率（ESR）分别为53.25%、54.12%及56.32%，远低于西安市及我国的平均水平，高于北京市约1.4 — 1.6倍，略高于天津及厦门（表4）。说明三个区的社会经济发展主要依靠本地资源的开发与消耗，社会经济发展的可持续性程度较低，过度地使用本地资源会出现自然资源短缺及生态环境恶化的现象，应当有效地利用现有自然资源，平衡社会经济发展与生态环境的关系。

2014年灞桥区、雁塔区和未央区的能值货币 比 分 别 为 3.26×1012sej · $−1、4.30×1011sej · $−1及1.25×1012sej · $−1，三个区均低于全国其他主要城市（表4），说明单位能值投入的产出价值较低，自然资源对社会经济增长的贡献较少，开发程度较大（刘薇，2010）。

表3 城市生态经济系统主要能值指标比较表Tab.3 Comparison of main emergy index of urban eco-economic system in 2014

未央区2014年的生态负载率（ELR）为33.58，是灞桥区的2.56倍、雁塔区的1.61倍，说明未央区城市生态经济系统发展是建立在不可更新资源消耗的基础之上（孙玥等，2014）。未央区输入能值占总能值用量比重43.70%，不可更新资源利用能值占53.43%，可更新资源占比仅为2.89%，未央区主要依靠外界输入能值和不可更新资源的利用，对生态环境有一定的压力，使得该区生态系统恢复力和社会经济发展可持续性较低。因此，应当合理开发利用不可更新资源，减小不可更新资源的大量消耗对生态环境造成的影响。

能值密度（EPA）是反映区域能值集约利用强度和社会经济发展程度的重要指标（杨卓翔等，2012）。三个区域能值密度基本持平，在5.13×1013— 5.40×1013sej · m−2，高于全国其他主要城市，说明三个区能值利用效率和集约利用强度较高。

能值受益率（EER）是通过一个地区的进出口贸易得失来反映该地区的经济发展情况（王楠楠等，2013）。由表3可以看出，2014年灞桥区、雁塔区和未央区的能值受益率分别为0.2643、0.3346、0.4370，高于北京、天津、福州等城市（表4），但受益率仍然较低，说明三个区社会经济系统欠发达，输出能值占总能值用量的比重较小，外贸过程中处于不利的环境，会对自身社会经济发展造成影响。因此，三个区应当在建设城市发展核心区的同时，增加出口额带来的经济效益及生态环境产出带来的生态效益，以增强区域的社会经济系统发展。

能值投资率（EIR）是反映经济发展程度与环境负载程度的指标，数值越小说明系统发展程度低，对环境依赖强，数值越大说明系统社会经济发展程度高，对环境依赖程度较弱（王楠楠等，2013），灞桥、雁塔及未央分别为0.8784、0.8466及0.7758，与天津水平基本相同（表4），低于厦门，高于其它各个城市。从数值可以看出，输入能值与本地自然资源能值比值接近于1，反映了三个区的社会经济发展程度相对较好，对环境的依赖性仍然较强。

表4 西安市三个区域主要能值指标与其它地区的比较Tab.4 Comparison of main emergy indicators between three regions in Xi’an and other regions

可持续发展指数由生态学家Brown and Ulgiati（1997）提出，发达国家ESI＜1，发展中国家1＜ESI＜10，2014年灞桥区、雁塔区和未央区的ESI分别为0.1630、0.1064、0.0682。本文基于能值利用效率，排除系统产出能值中废物流能值的危害影响，构建出新指标EUSDI，在考虑资源利用结构与废物流影响的情况下，综合能值利用情况反映系统的发展程度，使结果更加准确切合实际。结果表明灞桥区、雁塔区和未央区的EUSDI分别为0.1545，0.0906、0.0579，说明三个区达到发达地区社会发展的水平，但可持续发展程度较低，单位环境压力下产生的经济效益依然较少，从长远阶段考虑可持续发展竞争力较弱，远低于西安市（9.68）可持续发展程度。

3 结论与讨论

3.1 结论

本文将蓝盛芳和Odum的能值分析方法与理论、Brown and Ulgiati（1997）提出的ESI评价标准以及陆宏芳等（2005）的城市复合生态系统能值分析研究相结合，基于对西安市灞桥区、雁塔区和未央区的能值计算分析，构建了适用于现阶段生态经济系统实际情况的可持续发展指标（EUSDI），分析了三个区的发展现状与可持续程度。结果表明，2014年灞桥区的可持续发展指数最高（0.1545），雁塔区次之（0.0906），未央区最低（0.0579）。

3.1.1 EUSDI与ESI比较分析

本文基于生态经济系统能值利用效率（EUE），构建出新的系统可持续发展指标（EUSDI）。同ESI相比，三个区EUSDI的计算值较小，这与EUSDI指标构建中的思路相吻合。区别为ESI的计算过程中能值产出涵盖了废物流能值，而EUSDI的计算中，能值产出排除了对系统无利用价值的废物流。这二者都与系统的可持续发展程度成正比，而EUSDI能够兼顾系统实际利用能值流的情况，即能值利用效率为系统实际对能值的利用程度，而能值产出中废物流通过现阶段的技术并不能提供环境效益与经济效益。

综上所述，EUSDI指标能够从系统的实际情况出发，并考虑废物流对系统的影响，所得出的可持续发展指数较为切合实际。但随着科学技术的发展，废物流能值会变为具有利用价值的资源，故此方法需要根据系统实际情况不断改善更新，以求具有可行性与实践性。

3.1.2 三个区发展共性分析

三个区同其他区域相比较，能值自给率和能值货币比相对较低，说明三个发展核心区现有的自然资源并不能满足社会经济发展的需求，单位能值的产出价值较低，导致自然资源对于社会发展的贡献较少，未能合理地利用资源，从而产生了环境与发展的矛盾；同时，三个区生态负载率，能值收益率基本高于其他区域，反映出三个发展核心区的社会经济发展较为依赖内部不可更新资源与外部输入产品，一方面会对系统内部环境造成较大的压力，另一方面也限制了社会经济的发展；最后，三个区能值投资率虽然较其它区域较高，但系统外部输入能值与本地资源利用能值较为接近，可以看出社会经济系统的发展相对较好，然而对环境的依赖性仍然较强，其发展与内部自给、外部输入二者密不可分。

3.1.3 三个区可持续发展指数（EUSDI）差异性   分析

灞桥区可持续发展指数为三个区最高（0.1545），主要原因是该区废弃物能值比较低（0.0519），使得系统的能值利用效率较高（94.81%），能值对生态经济系统的贡献相对较大。同时，生态负载率与输入能值、不可更新资源能值及可更新资源能值有直接联系，灞桥区较为依赖不可更新资源与外部输入产品，体现为不可更新资源消耗占总能值的46.2%，能值产出率较低，但由于该区可更新资源较多，使得生态负载率在三个区中相对较小。综上，能值利用效率较高、生态负载率较低是灞桥区可持续发展程度较高的主要因素，但较为依赖不可更新资源及外部输入产品。因此，该区应当合理利用本地现有不可更新资源，加强外贸力度。

雁塔区可持续发展指数为0.0906，该区的主要问题有三点：第一是该区土地利用多为城市建设用地，本地可更新资源较少，可更新资源能值为三个区中最低（3.55×1020sej），这导致生态负载率较高，同时该区废物流占总能值比重较大，致使能值利用效率较低（86.57%）；第二是在发展社会经济的同时忽略了生态建设，生态产出能值为三个区中最低（3.35×1021sej），使得能值产出率较低，反映出该区较为依赖外界输入产品；第三是人口数量远大于人口承载量（实际人口数量为人口承载量的1.99倍），人们对于资源及环境的需求大于生态环境自身所能承受的能力。因此，雁塔区最好能兼顾社会经济与生态建设的协同发展，在发展社会经济的同时注重改善生态环境，协调过量人口与资源环境的关系，以提升雁塔区的可持续发展程度。

未央区的可持续发展指数为三个区中最低（0.0579），该区内的国家级经济技术开发区定位为新型工业园区，“新型”体现在从事工业生产的同时兼顾周边的绿化，减少对环境的污染。然而，从事工业生产不可避免会对生态环境系统造成影响，该区内主要存在两个问题：第一是不可更新资源利用过多（占总能值比重53.4%），其中多为工业生产活动中产生的能值，可更新资源较少（4.13×1020sej），导致该区生态负载率较高（33.58）；第二是输出能值中废物流能值为三个区最高（2.34×1021sej），主要为工业“三废”的排放，这也导致该区的能值利用效率较低（84.93%）。以上两点是导致未央区可持续发展指数较低的主要因素。因此，该区可适当由第二产业向第三产业转型，从而降低不可更新资源的开发利用，同时重视现有工业生产中废弃物排放造成的环境问题，提高能值利用效率，降低工业污染在社会经济发展过程中对生态环境造成的影响。

3.2 讨论

本文通过能值分析的方法与理论，对2014年西安市灞桥区、雁塔区和未央区的环境现状做了分析，能够较为全面地反映生态经济系统的可持续发展现状。具体从以下两方面体现：

（1）能值分析方法将生态环境和社会经济两个子系统层面有效地结合起来，定量分析三个区域的生态经济系统指标，能够较为全面地反映系统的可持续发展程度。

（2）基于能值利用效率的系统可持续发展指数（EUSDI）是在前人研究的基础上合理构建，能够兼顾生态环境压力、资源利用效率与社会经济发展，可以较为准确地反映生态经济系统的实际发展情况。

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