山西省城市化与生态环境近远程耦合能值代谢评价

张兴毅

（山西省发展和改革委员会宏观研究院，太原030000）

随着城市化步伐的高速发展，生态环境涌现出了种种问题，为了更好地促进城市健康文明发展，解决二者之间的矛盾成为必然。另外，随着人们追求生活品质的提高，对于生态文明的建设也越来越重视，既要享受科技带来的幸福感，又要追求生态宜居。关于城市化与生态环境耦合发展的概念，我国地理学者黄金川和方创琳将其定义为二者交互促进、交互胁迫的现象[1]，揭示城市化与生态环境之间的交互胁迫规律和机制，以促进双方良性发展为目标[2-4]。阿尔贝蒂等认为人地关系的相互影响机制必须通过二者耦合的集成研究入手，单方面的科学无法揭示其规律[5]。

城市化与生态环境的耦合性，既表现为系统内部二者间的交互胁迫，也表现为系统外部二者间的交互胁迫，方创琳将系统内部与外部的耦合关系分别定义为近程耦合和远程耦合[6]。城市是一个内外部能量输入与输出的复杂系统，与生态环境的耦合也需从近远程综合方面进行分析。目前，关于城市化与生态环境近程耦合单方面研究较多，远程耦合较少，一些学者基于远程耦合视角，建立远程耦合模型，进行了相关研究。

城市代谢分析法分为能值分析和物质流分析，能值法于20世纪80年代由科学家奥德姆提出，主要思想是将系统间的各种流量换算成统一的太阳能值进行比较研究[7]，被广大学者应用于城市化系统的研究当中。1992 年，我国学者蓝盛芳将能值分析方法引入国内，详细介绍了能值分析的概念和方法[8]。国内学者基于能值分理论分析生态系统的可持续水平[9-11]，并取得了众多研究成果。在应用能值理论分析城市系统代谢方面的研究中，刘耕源等基于生物物理视角，认为城市生态环境与城市代谢效率是对立统一的[12]；张妍等将能值理论与生态效率相结合，通过建立城市代谢效率评价指标体系，分析生态环境与经济发展的代谢过程[13]；宋涛等运用能值法和DEA 模型研究我国31个城市的代谢效率及情况[14]；方创琳基于能值法研究京津翼城市群与生态环境近远程耦合代谢效率以及环境承载力[15]；也有一部分学者应用能值分析方法研究资源型城市代谢效率与可持续发展状况[15-17]。

本文基于城市能值代谢分析法，应用2007-2016 年山西省自然、经济社会各项数据，对其城市化与生态环境近远程耦合能值代谢效率与环境承载力进行空间分析。

1 研究方法

在能值理论中用太阳能值评价某种物质的能量，即流动或储存的能量含有的太阳能，单位是太阳能焦耳（sej）。单位能量或物质所含的太阳能量称为太阳能值转换率，其单位是太阳能焦耳/焦耳（克），即sej/J或sej/g。某物质的能值计算方法为：能值(sej)=能值转换率(sej/j)×能量(j)。

参考前人研究成果，选取年代谢总量（U）、远程要素依赖（EER）、代谢强度（EG、EP）、近程环境承载压力（LELR）、远程环境承载压力（TELE）五个指标作为山西省城市化与生态环境近远程耦合能值代谢效率评价指标。计算公式为：

式（1）中，U表示年代谢总量，为城市系统能值总量，包括可更新资源（R）、可更新资源产品(IR)、不可更新资源产品（N）和远程要素进口资源（IM）四项；

式（2）中，EER表示远程要素依赖度，也称能值外向度，主要衡量城市化代谢系统对远程要素的依赖程度；EX表示出口资源能值，W表示城市系统近程要素的废弃物，指城市发展产生的固体废物、废水和废气等。

式（3）中，EG表示能值货币比率，刻画城市代谢强度，主要反映了货币购买能值的能力，值越大，表明代谢强度越高，经济效率越低；EP为人均能值量，单位为Sej/人，反映系统代谢通量，刻画人口能值拥有量，用来表示城市地区人民物质生活水平与福利；GDP是地区生产总值，P为人口数量。

式（4）中，LELR为近程环境承载力，用不可再生能值与可再生能值之比来表示，反映城市化近程能值利用强度，该值愈大，说明其对近程环境产生的压力愈大。

式（5）中，TELR为远程环境承载力，是城市外部进口能值与可再生能值之比，反映了城市系统中远程要素能值利用程度，数值愈高，说明该类要素对远程环境产生的压力愈大。

2 指标选取与数据来源

2.1 指标选取

参考前人研究经验，结合研究区状况，构建山西省城市化与生态环境近远程要素能值代谢评价指标。近程要素包括可更新资源（R）、可更新资源产品（IR）、不可更新资源产品（N）、废弃物（W）。远程要素分为远程输入要素与远程输出要素，分别用远程进口资源（IM）和远程出口资源（EX）来表示。具体指标划分如表1 所示。

表1 山西省城市系统近程要素指标体系

表2 山西省城市系统远程要素指标体系

2.2 数据来源

文章所用数据来自《山西省统计年鉴》，山西省资源调查报告以及山西省环境质量公报等资料。研究中所涉及到的太阳能值转换率主要来源于前人研究成果，能值折算系数来源于文献[18]，采用9.44×1024sej/a全球能值基准值。

3 结果分析

为了消除个别年份的特殊性，本文运用熵值法对2007—2016 年各项指标进行加权求和，作为各城市最终评价指标。计算结果见表3。

表3 山西省城市化与生态环境近远程耦合能值代谢效率指标评价表

3.1 能值代谢总量与代谢结构分析

3.1.1 能值代谢总量分析

基于山西省城市化能值代谢总量数据，全省11个城市的能值代谢总量具有明显的空间差异性，按照系统聚类分析方法[19]，将其分为三个等级。大同、朔州、长治属于高能值代谢总量区，阳泉、运城属于低能值代谢总量区，其余城市属于中能值代谢总量区。在11个城市中，大同、长治和朔州市煤炭资源最为丰富，且开发早，产量大，所以能值代谢总量最高。阳泉面积小，各项能源资源储量少，运城市原煤产量低于其余地区，所以这两个城市能值代谢总量最低，其余地区差别较小。总体来看，能值代谢总量与各地区能源资源储量高度相关，能源资源丰富的地区，能值代谢总量大。

3.1.2 能值代谢结构分析

山西省各城市能值代谢总量中不可更新资源产品所占比重过大，除运城（所占比重为60%）外，其余城市不可更新资源产品比重都达到了80%以上。山西省城市系统近远程能值代谢结构以近程要素为主，远程要素所占比重较低。大同、朔州、运城近程要素比重达到了80%，说明这三个城市能源自给率较高，本地能源基本可支撑城市化的发展，同时也反映出这三个城市以传统资源为主，工业结构中重化工业所占比重大。临汾、吕梁、晋中、阳泉四市近程和远程要素所占比重差较小，说明这四个城市与外部系统之间的能量交换率大，反映出其对外开放度较高，第三产业，外资投入、输入贸易能值高于其他城市。其余城市能值代谢结构在全省处于中等水平。

表4 山西省城市化近远程要素代谢结构表（%）

3.2 能值外向度分析

能值外向度表示城市化发展对于远程要素的依赖程度，其值越大，依赖度越高。使用系统聚类分析法，将11个城市能值外向度分为四个等级。临汾市属于高能值外向度区，吕梁、晋中、阳泉、晋城属于较高能值外向度区，忻州、太原、长治属于较低能值外向度区，大同、朔州和运城市属于低能值外向度区。说明临汾市对远程要素依赖度大，能源自给率不足，城市化发展需外部系统的支撑，也体现出其外向型城市发展模式。大同和朔州煤炭资源储量大，能源自给率高，可以满足城市发展需要，运城市虽传统资源量低，但其第三产业发展较快，可更新资源产品产量高，补充了其传统资源的不足。其余地区由于资源储量与产业结构调整等因素，能值外向度处于全省中等水平。

3.3 近远程要素能值代谢强度分析

3.3.1 能值代谢强度分析

依据系统聚类分析方法将山西省城市化近远程要素能值代谢强度分为四个等级。其中太原市为低能值货币比区，临汾和运城属于较低能值货币比区，吕梁、阳泉、晋中、长治和晋城属于较高能值货币比区，大同、朔州和忻州市属于高能值货币比区。能值货币比空间上表现出以太原市为中心，北高南低的分布特征。说明太原市能值代谢强度最低，经济效率最好，大同、朔州和忻州代谢强度最高，经济效率差。这与各地区经济发展水平与产业结构相一致，太原市作为省会城市，医疗、教育、金融等服务业发展速度快，经济发展水平高。而以第一、二产业比重高、传统资源型产业为主的大同、朔州和忻州代谢强度高，经济效率低。

3.3.2 能值人口比分析

同样根据系统聚类法将能值人口比分为三个等级，朔州市属于高能值人口比区，大同、忻州、阳泉、晋中、长治和晋城市属于中能值人口比区，太原、吕梁、临汾和运城属于低能值人口比区。山西省能值人口比从空间上表现为东高西低的特点。说明朔州市人均能值拥有量高，人口福利水平和人民生活水平好于其他城市。阳泉市虽然资源储量少，总能值量低，但由于其人口数量少，所以人均能值量相对较高。大同、忻州由于不可更新资源产品比重大，人均能值量高。太原由于人口密度大，平均到每个人的能值量低，吕梁、临汾和运城由于不可更新资源能值量低，所以人口福利水平也低于其他城市。

3.4 近远程要素能值代谢环境承载力分析

3.4.1 近程要素能值代谢环境承载力分析

根据系统聚类分析法将山西省近程要素能值代谢环境承载力分为四类，太原市属于高近程环境承载压力区，大同、朔州和阳泉市属于较高近程环境承载压力区，忻州、吕梁、长治、晋城属于较低近程环境承载压力区，晋中、临汾、运城属于低近程环境承载压力区。反映出山西省城市化近程要素能值代谢环境承载力空间差异显著，太原市由于经济发展程度高，所需资源能源量大，且人口、产业、资金等各种要素集聚程度明显，近程要素对环境压力大。大同、朔州和阳泉市由于本地不可更新资源能值比重大，所以近程要素的环境承载力大。忻州、吕梁、晋城市经济发展水平相对低，对资源需求量低，资源开发程度和水平低，近程要素环境承载压力较小。晋中、临汾和运城市不可更新资源产品在总能值代谢总量中所占比重低于其他城市，可更新资源产品比重较高，所以对近程要素环境产生的压力小。

3.4.2 远程要素能值代谢环境承载力分析

依据系统聚类分析法将山西省远程要素能值代谢环境承载力分为两类，太原与阳泉属于高远程环境承载压力区，其余城市都属于低远程环境承载压力区。由于远程要素能值代谢环境承载力反映的是城市系统中远程要素能值利用程度，所以该数值越大，表明其远程要素环境压力越大。从山西省远程要素能值代谢环境承载力空间分布来看，总体差异不大，各城市的远程要素能值代谢承载力都比较小，说明山西省城市化发展受远程要素影响小，本地系统内可更新资源能值对进入城市的产业、人口、资金等要素的承载力相对来说较高。从分布的空间差异来看，太原市由于经济和城市化发展所需，远程输入能值量大，城镇人口增加速度快，各种要素集中，导致城市面临比较严峻的远程要素能值代谢环境承载力。阳泉市由于本地资源短缺，经济发展速度受制于生态环境，所以对外部输入能值的需求量大，因此阳泉市远程要素环境压力也大于其他城市。其他城市远程要素环境承载压力差异较小，且整体偏低，说明本地可更新资源产品可达到城市化发展所需的承载能力，受远程要素影响较小。另一方面也说明这些城市与远程要素交流的开放性较低，城市化发展进程较为缓慢。

4 结论与讨论

本文以2016 年山西省11 个市区为研究区域，基于城市能值代谢分析法分析其城市化与生态环境近远程耦合的空间差异，得出以下结论：

①山西省城市化能值代谢总量存在明显空间差异，由于山西省多数城市原煤、电力等传统资源储量大，能值代谢总量与各地区能源资源储量高度相关，能源资源丰富的地区，能值代谢总量大。从能值代谢结构来看，山西省城市系统能值代谢总量中不可更新资源产品所占比重过大，对可更新资源产品的开发力度不够。山西省城市系统近远程能值代谢结构以近程要素为主，远程要素所占比重较低。说明山西省城市化需要提高对外开放程度，增强城市体系的外向性。

②山西省城市化能值外向度各城市差异显著，对远程要素依赖度具有明显区别。总体来看，传统资源型产业密集且不可更新资源丰富的地区，能值外向度低；反之第三产业比重高，可更新资源产品比重高的地区，能值外向度高。虽然传统资源暂时可满足城市发展所需，但其发展必须要以第三产业为主要推动力，因此需加大与外部系统交流力度，加强可更新资源产品的生产能力，同时推进城市化的外向型发展模式。

③山西省城市化能值代谢强度与各地区经济效率、产业调整水平相吻合，经济发展效益高，第三产业比重高的地区能值代谢强度低，反之，能值代谢强度高，经济效益差，总体上呈现太原市能值代谢强度最低，全省北高南低的空间分布特征。从人均能值拥有量来看，山西省能值人口比从空间上表现出东高西低的分布特征，人口福利和生活水平朔州市最高。

④山西省城市化近远程要素能值代谢环境承载力各地区差异明显，太原市由于经济发展产生的各种要素集聚，远程和近程要素的环境压力都大于其他城市。整体上山西省近程要素环境承载力大，远程要素环境承载力小，一方面说明本地能值可支撑城市化的发展，另一方也表明山西省城市化与外部系统的交流水平较低，需提高城市化对外发展程度，依靠高新技术产业和服务业提高城市发展质量。

城市化与生态环境近远程耦合能值代谢效率与环境压力受到具体区域的自然资源禀赋、城市化速度与阶段、产业结构等因素的影响。城市系统兼具复杂性与开放性，城市化受到近远程能量的双重作用。随着城市化步伐快速推进，所需的发展要素会经历由近程向远程转变的过程，因为当本地资源禀赋无法满足城市系统所需的资源能值时，城市需借助外部系统输入来满足自己的发展需要，同时对近远环境造成的压力也会发生相应的变化。