我国钢铁行业资源-环境-经济系统耦合协调分析

范凤岩，任晓娟，柳群义

(1.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037；2.中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心，北京 100037；3.中国地质科学院矿产资源研究所自然资源部盐湖资源与环境重点实验室，北京 100037；4.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083)

0 引 言

钢铁行业涉及众多部门，具有极高的产业关联度[1]，是体现国家经济发展水平和综合国力的重要缩影。我国持续推进工业化、城镇化进程对钢铁产生了巨大的消费需求。据世界钢铁协会统计，2019年中国粗钢产量占全球粗钢总产量的53.3%，高达9.963亿t，居世界首位。钢铁产业作为我国经济发展的龙头，有力地带动了铁路运输、交通、能源等行业的发展，为国民经济持续、稳定、健康发展提供了强有力的支撑。然而，由于钢铁企业的生产系统包括烧结、焦化、炼铁、炼钢、轧钢等多道生产工序，它们一直是能源消耗和污染物排放的大户[1-2]。《中国钢铁工业节能低碳发展报告(2019)》指出，就全国能源消耗而言，钢铁工业占比约为11%。烟雾、粉尘、二氧化碳、二氧化硫、废水、废渣等污染物的排放在各工业行业中都位居前列[3]。我国钢铁行业的基本状况是产量增长与高耗能、高污染并存，其发展长期面临资源和环境的制约[4]。因此，寻求钢铁行业资源、环境和经济的协调发展已成为可持续发展的客观要求。全面考察钢铁行业资源、环境和经济系统协调发展的演变状况不仅是对践行可持续发展理念的有益尝试，也对产业结构升级具有一定的指导意义。

随着可持续发展理念的深入人心，探寻资源、环境和经济(REE)系统之间的动态相互作用及协调发展状况逐渐成为研究的热点。REE是一个复杂而庞大的系统，其特点是单个子系统和多个子系统中的要素之间存在不同的交互作用。部分学者专注于该领域的研究并取得了一定的进展。WANG等[5]以山东省为研究对象，在构建指标体系的基础上，采用协调指数和综合评价模型对其2004～2012年经济-能源-环境(3E)系统协调度开展评价；XING等[6]利用武汉市2000～2015年数据，采用系统动力学方法构建了经济-资源-环境(ERE)系统耦合协调度模型对四种典型情景进行分析；ZUO等[7]、WU等[8]采用同样的方法分别对京津冀地区和北京市经济-能源-环境(3E)系统的发展进行模拟；GUAN等[9]则将系统动力学和地理信息系统相结合对重庆经济-资源-环境系统的进行动态时空建模；徐永辉[10]借助耦合模型，对2012～2016年四川省和重庆市资源、经济与环境系统间的耦合协调水平进行评估；陈燕[11]采用包含非合意产出的数据包络(DEA)模型评价了准东地区资源、环境和经济系统之间、两系统之间、各子系统内部的耦合协调发展程度。

随着研究的不断深入，资源的外延不断扩大，资源的种类也更加丰富。SONG等[12]利用修正后的耦合度计算公式对中国11个沿海省份的海洋经济-资源-环境系统耦合变化过程进行了描述；WU等[13]将系统动力学与土地利用转化的小范围效应模型相结合，探讨土地资源与经济发展和环境的相互关系；常玉苗等[14]通过构建评价指标体系，采用耦合协调度模型对我国各省市工业经济和水资源环境的耦合度开展实证研究。在矿产资源方面，曹光等[15]、吴琪等[16]、高清等[17]尝试对不同地区矿产资源开发与经济发展的关系进行探讨；汪中华等[18]以内蒙古草原为例，运用耦合协调度模型对其1998～2014年矿产资源开发和生态环境协调发展状况进行评价。将矿产资源、环境和经济纳入统一的框架，杨永均等[19]将评价指标体系和耦合协调度模型相结合，对贵州省所辖9个市(州)的矿产资源开发、社会经济发展和生态环境保护之间的协调度展开讨论；方传棣等[20]则对长江经济带开展情境模拟，通过协调度模型，比较了不同情景下长江经济带11个省市矿产-经济-环境的协调度时空变化情况；王雪芹等[21]利用同样的方法对山西省经济-资源-环境系统耦合协调发展水平进行多维测度与分析。

可以看出，现有的研究大多从区域的角度对资源-环境-经济系统及子系统之间的关系进行探讨，针对矿业尤其是某一特定资源型行业的研究较少。在构建评价指标开展评价时，环境和经济指标往往采用全社会总量指标，无法体现具体行业的特殊性。鉴于此，本文在前人研究的基础上，构建钢铁行业资源-环境-经济(REE)综合评价指标体系，并引入加权TOPSIS法和耦合协调度模型，对资源-环境-经济复合系统及其内部的耦合协调特征进行实证研究，以期为实现我国钢铁行业的可持续发展提供决策支持。

1 钢铁行业资源-环境-经济耦合协调机理与指标体系

1.1 钢铁行业资源-环境-经济耦合协调机理

作为原材料的生产和加工部门，钢铁行业的可持续发展离不开资源开发、环境保护和经济发展之间的相互协调、相互作用(图1)。首先，大量的原材料需要投入到钢铁的生产过程中，如铁矿石以及石油、电力、煤炭等能源。资源在开发过程中会对生态环境产生影响，包括直接或间接的影响，如土地资源的损毁、地质灾害等。这种负外部性一方面将影响资源的存量，另一方面会增加环境的治理成本从而对资源的开发利用产生不利影响。相反，良好的生态环境则会减少企业压力，改善矿区居民生存环境，从而对资源保护产生积极作用。其次，在资源系统和经济系统之间，钢铁行业发展所依赖的资源开发可以增加就业机会、居民收入和工业增加值，并为经济发展提供原料。相应地，经济发展也会进一步增加对资源的需求，从而增加对资源开发和勘探的技术投入和资本支持，为资源开发提供经济支撑。最后，在经济系统和环境系统之间，经济发展加大了对资源的开发力度，造成环境压力，但同时，人民生活水平的提高会促进对良好环境的追求，从而加大对环境保护资金和技术的支持，生态环境良好与否决定了是会为经济发展提供保障还是会损害和限制经济的发展[19]。

图1 钢铁行业资源-环境-经济系统耦合协调机理Fig.1 Coupling and coordination mechanism ofresource-environment-economy system iniron and steel industry

1.2 指标体系的构建

资源-环境-经济是一个复杂、动态、多层次的开放系统[22]。无论指标如何选取，都不可能全面体现钢铁行业三个系统协调发展的全部内容。本文根据数据的可获取性以及指标选取的科学性、可操作性、广泛性和完备性原则，参考现有成果[21,23]，并结合钢铁行业的特点，从资源、环境和经济三个子系统出发，选取20个指标，构建钢铁行业资源-环境-经济耦合协调发展指标体系见表1。

表1 钢铁行业资源-环境-经济系统耦合协调评价指标体系Table 1 Evaluation index system of resource-environment-economic system coupling coordination iniron and steel industry

1.3 数据来源

本文的研究时间为2000～2018年。资源子系统中铁矿石产量、生铁产量、粗钢产量及消费量数据来源于世界钢铁协会及《中国钢铁工业年鉴》。废钢回收量来源于《中国再生资源回收行业发展报告》，钢铁行业平均用工人数来源于《中国工业经济统计年鉴》及《中国统计年鉴》中对黑色金属冶炼和压延加工业的统计。经济子系统中结构性指标如钢铁工业利润占工业利润比例、钢铁工业资产占工业资产比例、钢铁工业主营业务收入占工业主营业务收入比例、钢铁工业主营业务成本占工业主营业务收入比例等来源于中国统计局(1)该部分数据中钢铁行业亦采用黑色金属冶炼和压延加工业代替。网站。其余数据来源于历年《中国钢铁工业年鉴》(2)由于环境子系统中个别年份数据缺失，采用年鉴中提到的增减率进行推算。。为了消除价格波动的影响，钢铁行业固定资产投资以2000年为基期，按照固定资产投资价格指数进行平减，钢铁行业总产值按照黑色金属冶炼及延压业工业生产者出厂价格指数进行平减。

2 研究方法

耦合协调度描述了子系统在发展过程中相互影响和协同作用的程度[19]，被证实是衡量系统间协调发展水平的有效方法。鉴于初始数据的量级和量纲存在很大差异，为了客观有效地分析复合系统的耦合协调特征，本文借鉴现有的研究成果，首先通过加权TOPSIS法计算钢铁行业资源、环境和经济子系统的评价值，并在此基础上引入耦合协调度模型评估各系统之间交互耦合、协调发展的状况。

2.1 加权TOPSIS法

TOPSIS法，即逼进理想解排序法，常用于有限方案多目标决策中，在多系统评价和直接体现数据源间的差异性方面具有普适性、客观性强的优点[24]。其基本思路是通过测算评价对象与理想化目标的接近程度进行优劣排序。在实际运用中，由于不同的指标代表性不同，携带的信息量也不同，TOPSIS法通常需要对指标进行赋权[20]。相较于层次分析法等主观的赋权方法，熵权法可与TOPSIS法相结合用于多指标综合评价中以提高评价的客观性[17,25]。评价步骤如下所述[26]。

1) 构建评价矩阵。设在一个评价系统中，有评价对象m个，评价指标n个，可以得到一个数据矩阵见式(1)

X=(Xij)m×n

(1)

式中，Xij(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)为第i个评价对象在第j个评价指标中的数值。

2) 初始数据矩阵标准化。为消除因各指标的量纲不同对评价结果造成的影响，常采用极差变换法对各指标进行处理，计算见式(2)和式(3)

(2)

(3)

Y=(Y1，Y2，…Yn)

(4)

4) 计算第j项指标信息熵的值ej，见式(5)。

(5)

式中，K=1/lnm为非负常数，且0≤ej≤1。

5) 计算第j项指标的权重wj，见式(6)。

(j=1,2,…,n)

(6)

6) 计算加权矩阵，见式(7)。

(7)

7) 确定正理想解和负理想解，正理想解Z+由Z-中每列中的最大值构成见式(8)，负理想解Y-由Y中每列中的最小值构成见式(9)。

Z+=(maxZi1maxZi2…maxZin)

(8)

Z-=(minZi1minZi2…minZin)

(9)

8) 计算被评价对象与正理想解、负理想解的距离，见式(10)。

(i=1,2,…,m)

(10)

9) 计算各评价对象与正理想解的接近程度，见式(11)。

(11)

根据以上步骤便可得到资源、环境和经济子系统的综合评价值。

2.2 耦合协调度模型

现有的研究大多参照物理学中耦合系数模型，推广得到多个要素相互作用的耦合度模型[19,23,27]，见式(12)。

(12)

式中：Cn为耦合度；Un为子系统的综合评价值。

进而容易得到二元系统和三元系统的耦合度模型见式(13)和式(14)。

(13)

(14)

式中，C为系统耦合度。C值大小反映了各子系统之间关联性的强弱，C值越大，关联性越强。耦合度只能表示出各系统间相关作用的强弱，无法反映系统或各要素之间的综合发展水平[23]。

为了弥补这种不足，以真实地描绘系统协调发展水平的高低，定义耦合协调度公式见式(15)和式(16)。

(15)

T=αu(x)+βv(y)+γh(z)

(16)

式中：D为耦合协调度；T为资源-环境-经济综合系统评价得分；u(x)、v(y)、h(z)分别为资源、经济和环境各子系统的综合评价值；α、β、γ为待定系数，在研究系统整体时，认为三者之间具有相等重要性，取α=β=γ=1/3。当研究两两之间关系时，取α=β=γ=1/2。借鉴文献[21]的做法，耦合协调度等级划分标准见表2。

3 结果与分析

3.1 综合发展水平分析

根据上文研究方法可以得到2000～2018年中国钢铁行业资源-环境-经济(REE)系统及各子系统的综合评价值见表3和图2。

表2 耦合协调度等级划分Table 2 Classification of coupling coordination degree

表3 钢铁工业资源-环境-经济系统各年度综合评价值Table 3 Comprehensive evaluation value of resource-environment-economy system of iron and steel industry

由图2可知，资源-环境-经济(REE)综合系统评价值整体呈逐渐上升的趋势，具体可分为三个阶段。第一阶段(2000～2003年)，综合系统评价值较为稳定，虽然环境系统不断改善，评价值不断上升，但无法弥补因废钢回收利用率不高导致的资源系统评价值下降带来的负面影响。 第二阶段(2003～2014年)，综合系统评价值稳步上升，在该期间内，钢铁行业作为我国节能降耗和污染减排的重点关注对象，环境系统不断改善，资源系统评价值也随着钢铁行业的快速发展不断上升，但就经济系统而言，由于受到金融危机的影响，2008年之后，钢铁行业在工业中利润、收入、资本等占比都有所下降，说明钢铁行业受金融危机的冲击较大，在工业行业中的地位和贡献都开始下降。最终，在三个子系统的共同作用下，综合系统的评价值缓慢上升。第三阶段(2014～2018年)，受钢铁行业“去产能”政策的影响，资源系统中钢铁行业各产品的产量增速开始下降，尤其是铁矿石产量逐年减少，经济系统中钢铁行业固定资产投资也开始减少，受这两个子系统评价值下降的影响，虽然环境系统评价值上升，综合评价值仍缓慢下降并趋于稳定。

3.2 耦合协调度分析

根据耦合协调度模型，耦合协调度的计算结果见表4和图3。

图2 钢铁工业资源-环境-经济系统综合评价值时序图Fig.2 Time sequence diagram of comprehensive evaluationvalue of resource-environment-economy systemin iron and steel industry

图3 资源-环境-经济系统耦合协调水平发展趋势Fig.3 Development trend of coupling coordination levelof resource-environment-economy system

表4 钢铁行业资源-环境-经济系统耦合协调度分析表Table 4 Table of coupling coordination degree of resource-environment-economy system in iron and steel industry

钢铁行业资源-环境-经济系统之间的耦合协调度整体处于上升阶段，除2000年极度失调外，系统实现了由勉强协调到良好协调的过渡，表明系统演进的整体趋势呈良性发展状态。2000年综合系统的耦合协调度为0，这主要受环境子系统的影响，在整个研究期内，环境系统的各指标均呈下降趋势，受研究方法所限，环境系统的评价值在2000年为0，2018年为1(表3)，因而耦合协调度在2000年出现极值。总体来说，随着钢铁行业结构调整与优化，资源的开发和管理方式逐步改善，钢铁企业的生产规模和竞争力有所提高，从而推动系统呈现出良好的协调发展状况。

就资源-环境系统而言，两者的协调度大体呈现增长状态，这主要由于钢铁行业是高污染、高排放行业，一直以来国家对于钢铁行业节能减排十分重视，大范围高强度节能减排政策使环境发展水平不断改善，相应地，资源-环境的耦合协调度不断优化。

资源-经济系统耦合协调度与资源系统的发展水平基本呈现相同的趋势。起初，受低水平资源发展水平的影响，资源-经济系统耦合协调度由2000年的0.598 6下降到2003年的0.508 6；之后，经济发展遇到资源行业十年黄金发展期，资源-经济系统耦合协调度开始上升，虽然金融危机对经济系统产生负面影响，但对资源系统的影响不大，最终资源-经济系统耦合协调度的方向未受影响，但其强度减弱，因而2003～2014年资源-经济系统耦合协调度缓慢上升。2014年后，钢铁行业受国际金融危机的深层次影响，供需矛盾突出，化解过剩产能的措施使得资源-经济系统耦合协调度下降，钢铁行业进入深度调整阶段。

经济-环境系统与资源-环境-经济(REE)系统的耦合协调度发展趋势基本相同，整体协调水平不断优化。在建设资源节约型、环境友好型社会的大背景下，保证钢铁工业绿色发展和产业结构升级是可持续发展的重要举措，研究期内，环境综合评价指数受节能减排政策的影响总体呈现不断上升趋势，耦合协调水平也不断改善。

4 结论与建议

4.1 结论

1) 从综合评价值来看，资源-环境-经济(REE)综合系统评价值经历了由平稳-上升-平稳的发展趋势。在研究期内，资源系统总体呈倒N型波动上升，环境系统表现良好，评价值始终呈上升态势，经济系统评价值前期缓慢上升，2008年受到全球金融风暴影响出现下滑。

2) 从耦合协调发展水平来看，资源-环境-经济(REE)系统经历了从勉强协调到良好协调的过渡，系统的耦合协调度不断上升。这得益于环境系统表现良好，资源-环境系统和环境-经济系统的耦合协调水平总体上不断优化。资源系统的发展与钢铁行业的发展密切相关，因而资源-经济系统的耦合协调度具有一定的波动性。

3) 总体来看，中国钢铁行业资源-环境-经济系统的耦合协调状态不断改善，说明钢铁行业的节能减排和经济结构转型工作取得了一定的成效，资源、环境、经济发展的矛盾有所改善。

4.2 建议

钢铁行业在国民经济中的重要地位毋庸置疑，但产能过剩、产品结构扭曲、环境不友好、优质资源短缺等问题的存在也对我国钢铁行业资源-环境-经济的协调发展构成威胁。为了钢铁行业的可持续发展，本文通过分析并结合我国钢铁行业的实际情况提出如下建议。

1) 通过分析发现，虽然我国钢铁行业的资源系统不断优化，吨钢综合能耗和污染物排放在我国各级政府高度重视以及各项制度的实施下呈逐年下降趋势，但国民经济发展对钢材需求的快速增长使钢铁行业能源消费总量并未发生实际下降。节能激励政策的缺失，是钢铁行业推行循环经济的障碍之一。这方面可以参考国内外成功经验，制定完善适合我国国情的政策法规，如提高钢铁产业在环境保护、资源利用等方面的准入门槛，通过能源服务公司、自愿协议、能效标识等方法提高钢铁资源的循环利用效率[28]。在能源结构的调整中，进一步提高清洁能源的使用比例，实现清洁生产。

2) 产能过剩堪称我国钢铁行业的“顽疾”，纵然近几年我国致力于供给侧改革，但钢铁行业产能利用率不高、高品质钢材供给无法满足需求的矛盾依然存在。除了对原有产能进行压缩精简、淘汰落后以外，钢铁企业还可以从国内国外两个市场出发化解产能过剩。对内通过提高钢铁企业各项指标，鼓励应用高新技术增加钢铁产品附加值，完成从“数量”到“质量”的转变。对外借助“一带一路”倡议的重要契机，开展国际产能合作，消化国内产能。

3) 我国铁矿资源对外依赖程度高，铁矿石对外依存度从2015年起维持在80%以上，国内环保的压力和对优质铁矿资源的需求更加剧了这种依赖性。提高铁矿资源保障程度，钢铁企业可以参与海外合作勘探开发和投资的力度，增加海外权益资源的供应。其次，运用好铁矿石期货等金融工具，减少价格波动带来的不确定性[29]。