基于STIRPAT模型的农业资源环境压力影响驱动分析

刘玉玉，李文义，张令光，姜 欣

(1.济南大学 水利与环境学院， 山东 济南 250022； 2.山东黄河河务局， 山东 济南 250011；3.山东省水利科学研究院， 山东 济南 250014； 4.山东省农村供排水安全工程技术研究中心， 山东 济南 250014)

农业给人类生活供应最主要的物质，同时向社会经济发展注入生产资料。目前农业面临着两大资源环境问题：一方面，农业生产耗水量较大，据2006年第四届世界水资源论坛公布结果显示，至2030年全球的粮食需求增加一倍，将需要更多的灌溉用水，而这部分用水已经占到全球人类淡水消费的七成；另一方面，伴随农村生产力和经济的发展，农用化学品自20世纪中期开始在农业生产中得到广泛应用，引发了农业环境受到污染、农村生态遭到破坏等诸多问题。因此，明晰人类生活生产活动对农业水资源和环境影响驱动的规律和特征，并探索和提出相应的措施和建议可为当前资源环境可持续发展提供重要支撑。

目前，关于影响驱动分析的研究方法包括非线性动力学、灰色关联法、STIRPAT模型以及自回归模型等。其中，STIRPAT模型是基于IPAT的拓展，可定量研究人文指标对资源环境压力影响的程度。同时，该模型与弹性系数的联合分析，能够进一步检验各因素变化对资源环境压力的影响[1]。故而，STIRPAT模型已被广泛运用于资源环境影响的研究和分析[2-5]。基于此，本文利用STIRPAT模型，以清原县(抚顺市农业县)为研究对象，分析该地区主要人文要素对资源环境的影响驱动，以便于理解复杂的资源环境问题，为该地区的农业资源可持续利用和农村环境保护提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

清原满族自治县地处辽宁省抚顺市东部，与吉林省交会，位于东经124°20′6″～125°28′58″，北纬41°47′52″～42°28′25″之间，总面积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”之称。清原县位于辽东山地丘陵之地，东南高、西北低，境内有浑河、清河、柴河和柳河，是辽宁省天然绿色屏障，又是沈阳、抚顺等中部城市的水源涵养地[6]。2001年8月被辽宁省政府纳入国家生态建设示范县行列。这一特殊的地埋位置，对辽宁经济、社会可持续发展起着至关重要的作用。

1.2 研究方法

STIRPAT是自York等[7]提出的随机回归模型，基于IPAT模型的改进拓展。利用STIRPAT模型可定量研究P(人口)、A(富裕度)、T(技术)与I(环境影响)间存在的关系，在很多领域已得到广泛的应用。其形式如下：

I=aPbAcTde

(1)

式中：a为常数；e是误差；b、c和d分别为人口、富裕度和技术的指数。如果假设a=b=c=d=e=1，STIRPAT模型则是IPAT等式。为进一步检验和分析人文要素对环境I的影响，常将式(1)进行对数化：

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

(2)

以lnI作为因变量， lnP、lnA和lnT作为自变量，对模型(2)进行多元回归拟合。为了辨明经济和环境压力间有无存在倒U型环境库兹涅茨曲线，将上述模型中自变量lnA分解为lnA与(lnA)2两项，那么，模型变为：

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

d(lnT)+lne

(3)

式中：c1和c2为富裕度对数系数和其二次项的系数。式(3)中对lnA求一阶偏导数，则得到富裕度对环境影响的弹性系数EIA为：

EIA=c1+2c2(lnA)

(4)

已知lnA的值，据式(4)可求EIA值，若c2值小于零，则可确定存在环境库兹涅茨曲线以及存在环境开始改善的富裕状态值。

1.3 指标与数据来源

(1) 自变量。人口和富裕指标：通常认为人口数量增大与经济增长是导致环境问题的主要驱动力，很多研究结果也证实了这一假设[8-9]。因此，选择总人口数与人均GDP作为人口与富裕程度的表征指标。

技术指标：模型中的技术指标可以分解为T1(现代化指标)和T2(结构化指标)。由于城市化进程和产业结构的调整可以改变经济发展对农业的发展的影响，本文将城市化率作为反映研究区现代化的指标；将第三产业与第一产业之比作为反映产业结构的指标。

(2) 因变量。水资源压力指标：水足迹基于消费角度评估人类对水资源系统的真实占用，建立了水资源利用和人类消费模式之间的联系[10]，目前已作为水资源定量测度的主要指标被广泛应用与研究[11-13]。因此，将水足迹作为测量人类对水资源消费压力的指标。

环境压力指标：提高化肥的施用量是实现农业增产和增值的重要途径之一。自1985年开始，中国的化肥施用量以年均157万t增长，至2005年已居世界第一位。由此带来的环境问题也愈来愈明显。因农用化肥的实际利用率只占总量的三分之一，多余的氮磷等给大气、水体及土壤等造成了严重污染[14]。因此，本文选择化肥施用量作为表征环境压力的指标。

(3) 本文的数据主要来源于辽宁省统计年鉴和清原县国民经济统计资料，数据覆盖27年(1990年—2016年)。

2 结果与讨论

为了解决自变量之间的多重共线性问题，本文对清原县农业水资源压力和环境压力分别进行岭回归拟合测算。岭回归估计是最小二乘估计[15]的一种改进算法，它是以放弃部分精确度为代价来寻求效果稍差但更符合实际的回归方程[16]。

2.1 结果与分析

2.1.1 水足迹

水足迹可以通过将本地区所消费的商品与服务数量与各自产品和服务的单位产品虚拟水含量相乘求和计算得到[10]。目前已有众多学者对虚拟水和水足迹进行了研究，方法和计算比较成熟[17]，在此不再赘述。参照文献[18-19]，计算1990年—2016年清原县水足迹。

清原县农畜业水足迹在研究27年间呈波折上升的规律，于2012年达到最大为8.22亿m3，又波折下降至6.11亿m3(2016年)。1990年—2016年清原县水足迹多年平均为4.59亿m3，农产品和畜产品虚拟水多年平均分别为2.27亿m3和2.31亿m3，见图1。虽然多年农产品和畜产品用水比例相当，但值得注意的是，农产品和畜产品比例发生很大变化：1990年—1994年，农产品虚拟水占农畜水足迹的81.21%；1995年后该比例波折下降、上升后趋于49.5%。表明清原县在农业发展过程中，农业结构由主要从事单一粮食生产到逐步发展粮食、畜牧多元结构。

图1 1990年—2016年清原县水足迹动态特征

2.1.2 模型计算结果与分析

将水足迹、总人口、人均GDP、城市化率以及三产与一产之比作为模型1(测度资源压力影响)；将化肥施用量、总人口、人均GDP、城市化率以及三产与一产之比作为模型2(测度环境压力影响)，分别代入式(3)，对其进行岭回归分析，当自变量的回归系数变化趋于平稳，测得岭回归结果确定随机模型，从而分别得到资源和环境压力影响回归拟合方程为：

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)

对岭回归的拟合结果进行检验，结果显示拟合的方程能够通过显著性检验(见表1)。

表1 清原县STIRPAT模型岭回归拟合结果检验

2.2 讨 论

从模型1和2中各指标的系数可以看出：

(1) 人口影响。总人口的增加对水资源和环境压力的加剧起到了一定的作用，在其他条件相同的情况下，总人口每增加1%导致对水资源和环境的占有量分别增加1.749%和15.181%；人口的增加对环境的压力要大于水资源。

(2) 富裕程度影响。由表1系数中可以发现，在其他条件相同的背景下，经济每增加1%将导致人类对水资源的消费占有量增加0.238%，对环境压力增加0.081%。说明随着经济的进一步发展，人类对水资源消费占有量和环境压力将会持续增加，但是增加速度要小于经济增长的速度。

(3) 技术影响。城市化率和资源环境压力呈负相关关系，即，城市化率的提高可以减缓水资源和环境的压力，该结果支持发展或现代化进程可以缓解或减少对资源环境影响的假说；而产业结构的调整对于水资源和环境压力的影响具有一定的推动作用。因此，对研究区清原县，需要适度的发展现代化进程和合理调整产业结构，以减缓人类社会对水资源和环境压力的影响[20]。

(4) Kuznets曲线分析。由于人均地区生产总值二次项的系数小于零，由此可见清原县资源环境压力变化在理论上可能存在着类似环境Kuznets曲线，也就是说，经济的发展有可能带来水资源消费减少和环境压力降低的拐点。将式(3)对lnA求一阶偏导数，得到人均地区生产总值即富裕度对资源和环境影响的弹性系数EIA分别为：0.238-0.024lnA和0.081-0.148lnA。当对人均地区生产总值取不同的值时，计算富裕度对资源环境影响的弹性系数并计算观察数据范围内各相邻年弹性系数的变化，结果见图2。

图2 1990年—2016年人均地区生产总值对资源与环境影响的弹性系数

由图2可见：(1) 1990年—2016年人均地区生产总值对水资源影响的弹性系数大于0，表示在研究期间经济的增加与水资源压力增加之间存在着正相关作用，也就是说，经济的增长加剧了研究区水资源的压力；而人均地区生产总值对环境影响规律不同，在2009年出现负值；(2) 随着时间的发展，1990年—2013年弹性系数变化曲线呈逐渐下降变小，这说明，人均地区生产总值对水资源环境压力变化影响在变小；在2013年出现拐点，表示后几年经济的增加对水资源和环境压力的缓解或减少有着一定的推动作用。由此可见，研究区清原县经济发展对水资源与环境压力变化的程度类似Kuznets曲线正在逐渐形成。

3 结 语

本文借助STIRPAT模型，择取若干社会经济指标，以农业县清原县为实例，对人类社会活动驱动影响的农业水资源与环境压力变化进行了分析和探讨，研究表明STIRPAT模型能较好的拟合资源环境和社会经济指标之间的关系，反映了人口、富裕度、城市化率和产业结构等对资源环境压力变化的影响。

基于构建的STIRPAT模型与结果分析可知，人类活动对水资源和环境影响是多角度综合的、复杂的，表现在：(1) 总人口和经济的增加以及产业结构对水资源和环境压力的加剧起到了一定的推动作用，其中，人口增加对环境压力影响最大；(2) 城市化率的提高对于水资源和环境压力的影响具有一定的缓解作用；(3) 人均地区生产总值的增长与水资源环境压力之间存在类似Kuznets曲线正在逐渐形成，该曲线已出现拐点，表明在未来经济的增加可缓解或减少水资源和环境压力。

基于本文拟合的模型与分析，结合研究区清原县的实际情况，减轻水资源和环境压力可以从以下几个方面统筹决策：合理控制人口、科学调整产业结构、促进地区现代化发展以及探索转变经济增长方式。