黄河流域山西矿区自然资本占用动态评估及驱动机制

蒋毓琪，杨怡康，朱少英

山西大同大学商学院

生态文明是以生态环境为载体对人类文明形态的诠释，支撑着人类社会经济发展，关系着人类福祉。黄河流域作为我国重要的经济地带，流经9个省区，人口占全国的30.3%，地区生产总值占全国的26.5%，生态保护和高质量发展是承载流域社会经济可持续发展的前提。山西省作为黄河流域重要的煤炭资源型城市，工业化与城市化进程加快推进、资源高度损耗的粗放型经济增长方式，使得环境污染与生态系统退化等形势较为严峻。

基于要素禀赋理论，丰裕的自然资产成为资源型城市经济增长的逻辑起点和路径依赖[1]。煤炭资源开采在推动经济增长的同时，也使得矿区环境污染加重、生态服务功能衰退，进而引致生态空间占用容量超载。生态占用容量主要通过测算生态足迹来体现。生态足迹概念由Ree提出并建立一维模型，随后Wackemagel等[2]于1999年将其扩展到二维模型，其更侧重于自然资本的消费量与流量，而非维持区域生态系统平衡的自然资本存量。张志强等[3]基于生态足迹的概念，指出了生态足迹模型的优缺点。Niccolucci等[4]对模型进行了改进，分别引入生态足迹深度和广度，量化存量资本消耗与流量资本占用，构建了三维立体模型。生态足迹方法具有架构清晰、易于操作的特点，可为评估区域自然资本利用状况与生态环境可持续发展提供理论依据。国内外学者围绕自然资本，聚焦于三维生态足迹模型，从理论与实证方面进行了相关研究。在理论层面，由于地类的差异性导致其生态占用盈余与赤字不可替代，自然资本尚未耗竭使得足迹深度难以表征流量占用程度。针对生态足迹模型存在的缺陷，方恺等[5]对其进行改进，建立了改进的三维生态足迹模型。实证方面的成果集中于研究区域、研究方法、研究对象等。在研究区域方面，Niccolucci等[6]基于40年的数据从全球视角分析了生态足迹深度和广度2个维度的时空演化特征。方恺[7]基于G20的环境监测数据，探究其自然资本的空间演化时序与格局分异。秦超等[8]基于陕西省30多年数据对其自然资本动态变化进行研究。在研究方法方面，自然资本测算主要包括能值法、空间分析法与生态足迹分析法，其中三维生态足迹模型被普遍应用到诸多领域[9]，其作为生态足迹的改进模型可用于评估生态公平性、生态系统压力与状态等，但仍存在一些缺陷[10]。在研究对象方面，程钰等[11]对黄河三角洲地区自然资本进行动态评估并分析其动态演变特征。杜悦悦等[12]以京津冀城市群为例，探究了不同城市之间自然资本利用的差异性。靳相木等[13]运用改进三维生态足迹模型，测算了温州市不同地类的承载力指数。吴健生等[14]基于改进三维足迹模型，引入足迹广度基尼系数等指标，分别从产品、地类、区域3个维度评估关中地区土地自然资本利用状况。

流域是陆地生态系统的重要组成部分，矿区作为其重要地理单元，是资源型城市经济增长的核心要素，更是煤炭产业发展的空间载体。矿区具有生态环境空间的公共品性质和外部性特征，煤炭资源开采这一驱动因素使得在有限生态环境容量和资源承载力的约束条件下不同类型生态服务伴随着生态过程发生变化。基于生态足迹理论，生态占用强调对生态空间的需求，生态承载力侧重生态空间的供给侧，且为经济发展提供资源并净化污染。生态占用超出生态承载力范围将导致生态系统失衡。有学者针对矿区生态占用失衡，提出以下解决思路：在定性方面，理清采矿权产权，明确责任主体，制定强制性制度与税收、财政补贴相结合，倒逼其发展循环经济使外部成本最小化；在定量方面，运用直接市场法、使用者成本法与影子工程法等测度负外部成本[15]。薛建春[16]基于20年时间序列数据，运用经验模态分解（empirical mode decomposition，EMD）法和动力学预测法，探究矿区人均生态足迹的演化规律，并利用系统动力学模型对矿区人均生态足迹进行预测。此外，基于市场价值与环境经济学理论，煤炭开采导致矿区生态足迹赤字主要表现为大气污染、水体污染、地表塌陷等，理应从这些方面测算其负外部效应带来的环境经济损失[17]。

综上所述，自然资本已有研究成果集中于理论与实证2个方面，以研究区域、研究方法、研究对象等为视角对其进行动态评估。矿区生态环境的相关研究仅限于生态足迹的测算方法、生态占用与生态承载力之间的关系以及从市场价值、生态服务价值等视角定量测度负外部成本。基于矿区自然资本角度，在有限生态环境容量和资源承载力的约束条件下对矿区自然资本的足迹深度与广度进行定量分析，系统解释煤炭开采对矿区自然资本产生直接作用的研究较少，尚需进一步研究与探讨。笔者以黄河流域山西矿区为例，以自然资本为视角，基于生态足迹与生态承载力核算结果，运用三维生态足迹模型，测算足迹深度与广度，旨在分析自然资本流量与存量的动态演变特征并阐释其作用机理，以期为黄流域矿区生态修复、环境保护及生态补偿提供理论依据。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区域概况

山西省作为黄河流域典型的资源型城市，煤炭资源具有储量大、煤质优、煤层厚、易开采的特点，保有储量为2 946.17亿t，主要分布于大同、宁武、河东、西山、霍西、沁水六大煤田（图1），其中，尚未利用资源量为1 701.98亿t。在煤炭资源开发方面，山西省共有生产煤矿616座，合计产能96 320万t/a[18]，意味着山西生产煤矿以大型煤矿为主。煤炭工业大规模开采、利用对大气环境的影响，主要表现为煤矿抽放瓦斯利用率较低，煤矸石自燃易产生CO、SO2等有害气体；对水资源的影响，主要表现为矿井水排出引起地下水位严重下降、洗煤过程排放废水中含重金属离子以及降水冲刷煤矸石将其有害物质带进地表水循环[19]，通过大气与地表、地下水体等介质流转，对黄河流域生态环境带来外部成本。

图1 山西矿区煤田分布Fig.1 Coal resource distribution in Shanxi mining areas

1.2 数据来源

确定具体的消费项目是测算生态足迹的前提，自然资本消费由生物资源消费和能源消费构成。山西矿区资源消费主要来自煤炭开采，涉及到耕地、草地、林地、水域、建筑用地与化石能源用地等不同地类（表1），其面积等数据来自2010—2019年《中国城市统计年鉴》《中国环境年鉴》《中国能源统计年鉴》《山西统计年鉴》以及山西省各城市国民经济和社会发展统计公报等。由于山西六大煤田不是完整的行政区域，获取准确消费数据难度较大，因此，本研究依据不同煤田所在地市的消费情况整体分析，通过产量因子与均衡因子进行估算[20-21]，得到山西矿区自然资本具体消费量。

表1 2019年黄河流域山西矿区不同土地利用类型面积Table 1 Area of different land types in Shanxi mining areas of the Yellow River Basin in 2019万hm2

2 研究方法

2.1 三维生态足迹模型

基于人类对自然资本存量消耗与自然资本流量占用的时间和空间2个维度的思想，Niccolucci等[6]引入足迹深度和广度，用以表征人类对自然资本存量和流量的利用水平，构建三维生态足迹模型。足迹广度（EFsize）阈值为[0,EC]，意味着生态系统的资本供给侧数量的上限是生态承载力（EC）；足迹深度（EFdepth）阈值为 [1,∞]，其值越大，表示对自然资本的需求量越大（图2）。

图2 自然资本广度与深度的物理意义[22]Fig.2 Physical meanings of depth and size of natural capital

基础三维生态足迹模型测算生态占用赤字是基于生态承载力与生态足迹的差值，忽视了赤字与盈余性质的差异，使二者作用相互抵消，导致生态足迹广度偏大而足迹深度被低估。因此，本研究借鉴方恺等[5]提出的改进三维生态足迹模型进行测算。

人均生态足迹深度与广度，表示为：

式中：EFdepth,region为人均生态足迹深度，无量纲；EFsize,region为人均生态足迹广度，hm2/人；EF3D,region为黄河流域矿区人均生态足迹面积，hm2/人；i为不同地类；ECi为生态承载力，hm2；EFi为生态足迹，hm2。

2.2 模型补充指标

（1）自然资本流量占用率

人类活动对自然资本流量产生影响，为了表征人均生态足迹处于自然深度时煤炭开采对矿区实际生态占用，引入自然资本流量占用率（ORflow），其可表示为：

（2）自然资本存量流量利用比

自然资本存量消耗导致其存量发生变化，煤炭资源开采引致其存量动态变化。为了探究煤炭开采对煤炭存量的动态关系，引入自然资本存量流量利用比，其表示为：

2.3 自然资本变化率

为了阐释煤炭开采对矿区生态占用的足迹深度与广度空间时序演变的趋势与速度，借助多项式回归模型，表示为：

2.4 剪刀差

为了进一步探究煤炭开采对矿区生态占用的足迹深度、足迹广度空间时序演变趋势与速度的差异，引入剪刀差模型，表示为：

2.5 驱动模型建立

2.5.1 驱动因素选取

自然资本动态演变不仅受自然条件影响，还受社会经济因素深层次驱动。参考已有成果[23-26]，选择人均生态足迹为被解释变量。在城镇化与工业化进程中，山西省作为典型的资源型城市，煤炭资本禀赋成为其社会经济发展的逻辑起点和路径依赖。煤炭资源开采在推动社会发展、经济快速增长、人均收入增加的同时，还伴随着工业二氧化硫、工业废水等高排放与高污染，使得有限的矿区生态环境承载力供给侧超额，引致矿区生态占用赤字。为了使经济增长与生态环境协同发展，降低单位GDP能耗，山西省实施煤炭供给侧结构性改革，通过制定环境保护政策与环境规制制度，倒逼煤炭企业调整产业结构，对第一、二、三产业增加值以及原煤产值在GDP中的占比产生了直接影响。因此，从生态环境供给、资源禀赋、社会发展、经济增长、能源损耗与煤炭污染等6个方面选择14个变量作为山西矿区自然资本动态变化的驱动因素。其中，选用生态承载力表征生态环境供给，选用煤炭开采规模表征资源禀赋，社会发展选择城镇化率、人口总数、城镇居民人均可支配收入、农民人均可支配收入、环境规制综合指数来衡量，经济增长选择第一产业增加值、第二产业增加值、第三产业增加值以及原煤产值在GDP中的占比来衡量，选用单位GDP能耗表征能源损耗，煤炭污染选择工业废水排放量、工业二氧化硫排放量来衡量（表2）。

表2 黄河流域山西矿区自然资本占用动态演变的驱动因素Table 2 Driving factors of the dynamic evolution for ecological capital occupation in Shanxi mining areas of the Yellow River Basin

2.5.2 偏最小二乘回归模型

利用主成分分析、因子分析法与多元回归模型对自然资本变化与已有成果进行对比研究发现，偏最小二乘（PLS）回归不仅具有以上分析方法的特点，还可以规避样本量小、多重共线性等问题，提取主成分时充分考虑了自变量与因变量的线性关系，对信息进行重组，有效提升自变量对被因变量的解释效应[29]。因此，本研究运用偏最小二乘回归模型分析驱动黄河流域山西矿区自然资本时空动态演变的影响因素。

3 结果与分析

3.1 生态足迹与生态承载力分析

依据生态足迹模型[30]，测算黄河流域山西矿区生态足迹与生态承载力（图3）。结果显示，人均生态足迹由2010年的5.03 hm2/人增至2016年的6.75 hm2/人，增幅为34.19%，年均增长5.70%，自2017年后，人均生态足迹逐步减少，降至2019年的5.49 hm2/人。人均生态承载力2010—2016年逐年下降，2017年以后的3年略有小幅增加。人均生态赤字具有先增后减的特点，虽然2016年后，生态足迹与生态承载力的差距总体趋于缩小，但生态赤字现象仍然存在。

图3 2010—2019年黄河流域山西矿区人均生态足迹与人均生态承载力变化趋势Fig.3 Change trend between per capita ecological footprint and per capita ecological carrying capacity of Shanxi mining areas in the Yellow River Basin from 2010 to 2019

3.2 生态足迹深度与广度动态变化分析

基于人均生态足迹与承载力的计算结果，利用式（1）～式（3），得到黄河流域山西矿区人均生态足迹深度与广度（表3）。由表3可见，2010—2019年人均生态足迹广度大致呈递减趋势，由0.63 hm2/人降到0.47 hm2/人，其中2016—2019年由降低变为增长，但幅度较小且平稳；人均生态足迹深度呈现出倒U型特征，由7.98 hm2/人增加到15.34 hm2/人，随之减少到11.68 hm2/人。人均生态足迹广度与深度的变化趋势在2017年后发生转变，这主要归因于山西省加强生态文明建设，注重矿区生态环境修复与治理，减少煤炭资源开采，提升煤炭化工产品附加值，使得能源消耗账户中的工矿用地对矿区生态足迹赤字贡献率降低。

表3 2010—2019年黄河流域山西矿区人均生态足迹深度与广度Table 3 Per capita ecological footprint depth and size of Shanxi mining areas in the Yellow River Basin from 2010 to 2019hm2/人

3.3 资本存量消耗与流量占用的动态变化趋势分析

基于改进的三维生态足迹模型，计算研究区域资本流量占用率是建立在生态承载力大于生态足迹基础上的。在现实情况中，黄河流域山西矿区由于煤炭开采，使得矿井瓦斯、矸石自燃产生CO、SO2、CO2等有害气体，尤其是大量的NOx，形成化学污染与酸雨，对土壤、农林业与水体等造成破坏，给耕地、林地、草地、水域等不同地类带来严重的外部成本，与式（4）矛盾，因此，资本流量占用率未能测算。

依据式（5），可得黄河流域山西矿区资本存量流量利用比（图4）。2010—2019年，存量流量利用比呈先增后减的倒U型变化趋势。2016年前，存量流量利用比逐年上升，煤炭资源过度开采是矿区化石能源用地存量消耗速度加快的主要原因。2017年，存量流量利用比开始下降，表明山西省社会经济发展对矿区煤炭资源流量的占用越来越小，意味着经济增长对煤炭资源开采的依赖程度有所缓解。其原因归结为2016年山西省实施煤炭供给侧结构性改革，关闭了多家煤矿，化解过剩产能，使得山西矿区生态占用逐年减少。

图4 2010—2019年黄河流域山西矿区存量流量利用比Fig.4 Utilization ratio of stock flows of Shanxi mining areas in the Yellow River Basin from 2010 to 2019

3.4 生态足迹广度与深度剪刀差

依据式（6）～式（8）计算得到黄河流域山西矿区生态足迹深度与广度的剪刀差（表4）。2010—2019年矿区生态足迹深度与广度差异由大变小，其中 2010—2016年剪刀差由1.13升到1.56，处于[0,π/2]，表明矿区生态足迹深度呈递增趋势，其与足迹广度同向变动；2017—2019年，剪刀差由-1.53变到-1.48，处于[-π/2, 0]，表明矿区生态足迹深度呈递减趋势，其与足迹广度同向变动。因此，矿区生态足迹深度与广度的剪刀差主要取决于足迹深度的变化。

表4 2010—2019年黄河流域山西矿区足迹深度与足迹广度剪刀差Table 4 Scissors difference between footprint depth and footprint size of Shanxi mining areas in the Yellow River Basin from 2010 to 2019

3.5 驱动机制

3.5.1 驱动因素分析

依据PLS模型回归结果，提取一个主成分，交叉有效性Qt2=0.983＞1-0.952，提取第二个主成分时，交叉有效性小于0.097 5，故只提取一个有效成分。，意味着拟合程度较高，模型选取合理。根据特异点识别原理，样本点均分布于特异点识别图内，可以保证样本质量。基于数据拟合，得到PLS回归方程系数[31]（表5）。

表5 PLS模型回归结果Table 5 Regression results of PLS model

回归结果表明，工业二氧化硫排放量（X14）、工业废水排放量（X13）、生态承载力（X1）、煤炭开采规模（X2）、原煤产值占 GDP的比例（X11）、单位GDP能耗（X12）、环境规制综合指数（X7）与第二产业增加值（X9）对黄河流域山西矿区矿区自然资本动态变化的影响较大。城镇化率（X3）、人口总数（X4）、城镇居民人均可支配收入（X5）、第三产业增加值（X10）、农民人均可支配收入（X6）与第一产业增加值（X8）对矿区自然资本影响程度不明显。其中，工业二氧化硫排放量（X14）、工业废水排放量（X13）、煤炭开采规模（X2）、原煤产值占 GDP的比例（X11）、单位GDP能耗（X12）、第二产业增加值（X9）与矿区自然资本动态变化呈正相关，表明煤炭资源开采在推动山西省社会经济增长的同时，资源优势转化为经济优势呈现出高污染、高能耗的特点，环境污染和生态破坏引致自然资本流失，是自然资本生态占用赤字严重的主要原因。生态承载力（X1）、环境规制综合指数（X7）与矿区自然资本动态变化呈负相关，意味着山西省制定并实施环境规制政策，倒逼排污煤炭企业转型升级，煤炭企业减产控产，使用清洁技术，降低有害气体与污水排放，使得矿区生态环境污染态势改善，生态承载力供给侧增强，自然资本流失情况有所好转。

3.5.2 驱动机制建立

山西省作为黄河流域典型的煤炭资源型城市，其矿区生态资本变化是一个系统工程，由经济增长、社会发展、工业排污、生态环境破坏与政策制度等多重因素综合影响。基于“要素禀赋理论”，丰裕的煤炭资源成为其社会发展与经济增长的逻辑起点和路径依赖，煤炭资源开发步伐的推进使山西省进入成熟期甚至即将进入衰退期，开采规模增加伴随着高排污、高能耗的工业污染，导致矿区环境遭受严重污染[32-33]，生态服务功能衰退，意味着其生态需求严重超过生态空间的供给侧。基于生态足迹理论，有限生态环境容量、资源承载力与煤炭开采引致生态系统失衡的矛盾突出，导致矿区生态环境恶化，自然资本数量与容量剧减，负外部性加剧。为了应对山西矿区自然资本生态占用赤字，2016年政府制定环境规制政策，淘汰落后、过剩产能，实行控煤政策使煤炭产量有所下降，矿区生态资本存量与流量的消耗变动有所减缓，甚至出现下降趋势，但矿区生态占用赤字仍然显著存在。总之，资源禀赋，煤炭开采规模，矿区生态供给与需求，生态足迹与生态承载力以及资本流量、存量的深度、广度等诸多驱动因素共同作用，构成了黄河流域山西矿区生态占用时空动态演变的驱动机制（图5）。

图5 黄河流域山西矿区生态占用演化的作用机理Fig.5 Action mechanism of ecological occupation evolution of Shanxi mining areas in the Yellow River Basin

4 结论

（1）2010—2019年，黄河流域山西矿区人均生态足迹由2010年的5.03 hm2/人增至2016年的6.75 hm2/人，增幅为34.19%，2017年之后，人均生态足迹逐步减少，2019年降到5.49 hm2/人。人均生态承载力2010—2016年逐年下降，2017年之后略有小幅增加。人均生态赤字具有先增后减的特点，表明生态足迹与生态承载力的差距总体趋于缩小。

（2）2010—2019年，黄河流域山西矿区人均生态足迹广度大致呈递减趋势，由0.63 hm2/人降到0.47 hm2/人，其中2016—2019年由降低变为增长，但幅度较小且平稳。人均生态足迹深度具有倒U型特征，作为其重要影响指标的存量流量利用比与之对应，也呈先增后减的倒U型变化趋势。此外，生态足迹深度与广度的剪刀差主要取决于足迹深度的变化。这充分表明山西矿区人均生态足迹广度与深度的变化趋势趋于好转，其原因归结为山西省推进煤炭经济绿色转型，经济增长对煤炭资源开采的依赖程度降低，使得能源消耗账户中的工矿用地对矿区生态环境的胁迫作用减小。

（3）依据PLS模型回归结果，煤炭污染、资源禀赋、能源损耗、经济增长的第二产业增加值、生态环境供给以及社会发展的环境规制指数是影响黄河流域山西矿区自然资本演变的重要驱动因素。其中，煤炭污染、资源禀赋、能源损耗、第二产业增加值与矿区自然资本动态演变呈正相关，表明煤炭资源开采在推动山西省社会经济增长的同时，带来的环境污染和生态破坏引致自然资本流失。生态环境供给、社会发展的环境规制指数与其呈负相关，表明山西省制定并实施环境规制政策，倒逼排污煤炭企业转型升级，降低有害气体与污水排放，使得矿区生态环境污染态势改善，自然资本流失情况有所好转。

（4）黄河流域山西矿区自然资本变化是一个复杂的自然-社会-经济时空动态演变过程，其驱动机制是由资源禀赋，煤炭开采规模，矿区生态供给与需求，生态足迹与承载力以及资本流量、存量的深度、广度等诸多因素共同作用的结果。