劉 曄,石 磊

清華大學環(huán)境學院國家環(huán)境模擬與污染控制聯合重點實驗室,北京 100084

工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)多樣性評述

劉 曄,石 磊*

清華大學環(huán)境學院國家環(huán)境模擬與污染控制聯合重點實驗室,北京 100084

工業(yè)多樣性是工業(yè)生態(tài)學關注和研究的重點,也是工業(yè)生態(tài)化的重要決策支撐之一。但其含義復雜,指標多種多樣。為了深入理解工業(yè)多樣性的含義及其對工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響,本研究分析了工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)在結構和功能兩方面的異同,梳理了工業(yè)多樣性概念定義的發(fā)展過程,整理了現今應用較多的10個工業(yè)多樣性指標,從工業(yè)種類數量和分布均勻程度、工業(yè)的可逐級細分性,以及工業(yè)間的經濟聯系和區(qū)域產業(yè)組合三方面將指標劃分為三組,分別介紹其計算方法和含義,并比較了各指標的優(yōu)缺點。在實際應用中,綜合多個工業(yè)多樣性指標的計算結果,可以較為全面的反映區(qū)域工業(yè)組成和結構,有助于理解工業(yè)多樣性對工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)過程的影響。

工業(yè)生態(tài)系統(tǒng); 工業(yè)多樣性; 概念; 指標計算

Fisher和Williams[1]提出了生物多樣性的概念,生物多樣性是指在一定時間和一定地區(qū)所有生物物種及其遺傳變異和生態(tài)系統(tǒng)的復雜性總稱。在生態(tài)學理論中,多樣性是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎,反映了不同尺度生態(tài)系統(tǒng)的演化過程,影響著生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能[2-4],因此是生態(tài)學的核心概念之一。作為自然生態(tài)系統(tǒng)的人工類比物,工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的多樣性同樣也受到了工業(yè)生態(tài)學和產業(yè)經濟學等領域的廣泛關注。

對于工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)而言,每一產業(yè)都對工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)過程有貢獻,但不同產業(yè)的貢獻在數量和特征上都存在差異。20世紀30年代的經濟大蕭條促使了人們對于經濟發(fā)展穩(wěn)定性的思考,McLaughlin提出了工業(yè)多樣性(Industrial diversity)的概念[5],旨在探討在對區(qū)域經濟影響最小的前提下獲得最優(yōu)的工業(yè)組成結構[6]。其后,工業(yè)多樣性成為產業(yè)經濟學和區(qū)域經濟學持續(xù)關注的一個研究主題,重點比較不同地區(qū)產業(yè)結構的相似性,尋求最優(yōu)的產業(yè)組成和結構[6-9]。

工業(yè)生態(tài)學學科的建立重新激發(fā)了對工業(yè)多樣性的研究,工業(yè)生態(tài)學重在從產業(yè)組成和分布的角度來探討對工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)過程的影響,強調多樣性的產業(yè)格局對地區(qū)經濟穩(wěn)定和經濟增長的作用[10-11]。

本文旨在歸納評述工業(yè)多樣性相關的理論背景、相關指標及其政策含義。在比較工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)異同的基礎上梳理了工業(yè)多樣性定義的發(fā)展,對現有工業(yè)多樣性指標進行歸納整理,比較各指標的優(yōu)缺點,為工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中工業(yè)多樣性的評估提供理論支持,為地區(qū)工業(yè)結構的科學調整和政策制定提供合理建議。

1 工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)的類比

工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)在結構和功能上有諸多相似的特征[12-13]。同時,工業(yè)生態(tài)學還強調工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)的耦合,強調使整個循環(huán)向原有的自然生態(tài)系統(tǒng)靠攏,即實現物質流動的封閉循環(huán),在物質利用方面實現循環(huán)而不產生多余的廢物[14-16]。

1.1 組成類比

自然系統(tǒng)以生物為主體,由于外來物種入侵或生態(tài)環(huán)境惡化,超出了生態(tài)系統(tǒng)的自我調節(jié)能力,使得生態(tài)系統(tǒng)逐漸走向衰退。自然生態(tài)系統(tǒng)中,物種分布是不均勻的,在緯度較低、氣候季節(jié)變化較小,以及地形異質性高的地區(qū),物種多樣性較高[17-19]。作為生物多樣性最主要的結構和功能單位[20-21],物種多樣性(species diversity)研究的首要前提是多樣性的測度與評判,包括α多樣性(群落內多樣性)、β多樣性(群落間多樣性)、γ多樣性(區(qū)域多樣性)三個尺度[22],研究的主體是物種,而不同物種的數量、分布及差異構成了物種多樣性。

與自然生態(tài)系統(tǒng)類似,在工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中,工業(yè)的數量和結構在不同的區(qū)間也存在著差異。其空間尺度可劃分為區(qū)域內、區(qū)域間和地區(qū)多樣性三個尺度。研究的主體是工業(yè)產業(yè)部門,產業(yè)的企業(yè)數量、均勻度等結構特征組成工業(yè)多樣性[23]。

與自然生態(tài)系統(tǒng)不同,工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是以人類活動為主體的社會經濟系統(tǒng)[24],生態(tài)系統(tǒng)中各要素均受人類高強度的調控,當生態(tài)環(huán)境惡化之后,企業(yè)往往能夠較為迅速地作出反應,調節(jié)自身的結構,以適應環(huán)境的變化。

1.2 功能類比

工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)都存在包含生產者、消費者、分解者的食物鏈,以進行物質、能量和信息的存儲和交換。

自然生態(tài)系統(tǒng)中,以綠色植物為代表的初級生產者通過光合作用從環(huán)境中獲取、轉化物質和能量,而各種異養(yǎng)生物作為高級生產者直接或間接地消費綠色植物產品、形成新的有機物質,其產品會再被其他動物和微生物消費,沿著食物鏈向前移動。能量和物質沿著食物鏈逐級遞減,呈現出金字塔形。系統(tǒng)較為封閉,各級生產者的生產力或以生物量為形式存留于系統(tǒng)中,或被系統(tǒng)內的高級生產者加以利用,只有少量以動物遷徙等形式離開原系統(tǒng)、進入其他生態(tài)系統(tǒng)[25]。生產者生產的有機物質全部留在系統(tǒng)內,許多化學元素在系統(tǒng)內循環(huán)平衡,是一個自給自足的系統(tǒng)。

工業(yè)系統(tǒng)中,采礦業(yè)、能源產業(yè)等初級生產者將自然環(huán)境中的資源和能源移入系統(tǒng),這些物質和能量又被制造業(yè)這一高級生產者加以利用；工業(yè)過程所產生的一系列固體廢棄物、廢水和廢氣,被分解者廢舊資源再利用,重新進入產業(yè)鏈循環(huán),否則將直接排入環(huán)境并帶來污染等環(huán)境問題[26]。物質流從生產者流向消費者,價值流的方向與之相反,從消費者流向生產者。受運輸和貿易等人類行為的影響,系統(tǒng)較為開放,由于工業(yè)產品的輸出,使原先在系統(tǒng)循環(huán)的營養(yǎng)物質離開了系統(tǒng),為了維持工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定,需要外部生態(tài)系統(tǒng)輸入物質和能量。

2 工業(yè)多樣性概念的發(fā)展

早期大部分文獻對工業(yè)多樣性概念的定義主要借鑒生物多樣性指標,考慮工業(yè)種類數量和工業(yè)分布均勻程度基礎上,認為工業(yè)種類越多、分布越均勻,工業(yè)多樣性越高。工業(yè)多樣性即為“一個地區(qū)存在的大量不同類型的工業(yè)”[27],“區(qū)域經濟活動在一定種類的經濟活動間的分布程度”[28],或“不同工業(yè)間就業(yè)的均衡”[29]?；谶@一多樣性概念,兩個地區(qū)的工業(yè)種類數量一樣,就業(yè)在各工業(yè)間的概率分布一樣,但是兩個地區(qū)工業(yè)多樣性的含義卻可能截然不同[30]。并且這種傳統(tǒng)的關于工業(yè)多樣性的認識忽略了工業(yè)多樣性的多層次特性[31-32],以及不同工業(yè)間的相互聯系[33-35]。

20世紀70年代以來,為了研究區(qū)域的工業(yè)組成、發(fā)展與經濟穩(wěn)定性的關系[7-8, 36-37],基于不同工業(yè)間的經濟聯系和區(qū)域產業(yè)組合,認為工業(yè)多樣性不是基于行業(yè)數量和區(qū)域經濟活動的分布, 而是基于工業(yè)之間的相互作用和聯系。Collroy最先提出把投資組合理論(Markowitz portfolio approach)[7]應用到工業(yè)多樣性的研究中,把多樣的工業(yè)看作地區(qū)的投資組合,投資組合的方差矩陣反映工業(yè)間的相互作用以及工業(yè)多樣性。Wundt和Martin[38]提出運用投入-產出模型(input-output modeling)[35]來分析工業(yè)多樣性,將一個地區(qū)的經濟結構依據生產、消費和貿易之間的關系來模型化,把工業(yè)多樣性分解為各行業(yè)對區(qū)域經濟直接和間接的影響。

Frenken[39]基于工業(yè)可逐級細分的特性,提出了相關多樣性(related variety)和不相關多樣性(unrelated variety)的概念。明顯具有技術替代性或互補性特征的細分產業(yè)間多樣性稱為相關多樣性,相關多樣性水平高的區(qū)域具有較高的就業(yè)增長率；不具有顯著技術替代性或互補性特征的產業(yè)間多樣性則為非相關多樣性,非相關多樣性僅對降低地區(qū)失業(yè)率具有正外部性[39-41]。

3 工業(yè)多樣性指標的梳理

對工業(yè)多樣性的定義從簡單到復雜,工業(yè)多樣性指標也隨著對概念理解的深入不斷發(fā)展。本文對研究中應用較多的赫芬達爾-赫希曼指數(Herfindhl-Hirschman Index)、圓拱指數(Ogive Index)、國家平均指數(National Averages Index)、克魯格曼相似性指數(Krugman Similarity Index)、區(qū)位基尼系數(Locational Gini Coefficient Index)、工業(yè)結構相似性系數(Similarity Coefficient Index)、郡相似性指數(County Similarity Index)、熵指數(Entropy Index)、投資組合方差指數(Portfolio Variance Index)、結構變化指數(Structural Change Index)等工業(yè)多樣性指標進行分類整理(表1)；依據理論依據的不同,從工業(yè)種類數量和分布均勻程度、工業(yè)的可逐級細分性,以及工業(yè)間的經濟聯系和區(qū)域產業(yè)組合三個角度將這10個指標分為三組。

3.1 基于工業(yè)種類數量和分布均勻程度

基于工業(yè)種類數量和分布均勻程度的多樣性指數,主要包括赫芬達爾-赫希曼指數(Herfindhl-Hirschman Index)[42]、圓拱指數(Ogive Index)[27, 43]、國家平均指數(National Averages Index)[44-45]。這三個多樣性指標是工業(yè)多樣性的經典指標,應用最多最普遍[9]。

其中國家平均指數(National Averages Index)依據區(qū)域商業(yè)周期理論,認為某一個區(qū)域的部門組成與全國的部門組成越相似,那么該區(qū)域相比其它區(qū)域就越穩(wěn)定。

應用較多的還有郡相似性指數(County Similarity Index,CS-Index)[9]、工業(yè)結構相似性系數(Similarity Coefficient Index)[46],克魯格曼相似性指數(Krugman Similarity Index)[47-49]和區(qū)位基尼系數(Locational Gini Coefficient Index)[49-51]四個指標。

3.2 基于工業(yè)的可逐級細分性

考慮工業(yè)可逐級細分性的多樣性指數,主要為熵指數(Entropy Index)[34],通過將工業(yè)多樣性分解為部門內多樣性(within-set aspects)和部門間多樣性(between-set aspects)兩個層次[31],區(qū)分相關多樣性和不相關多樣性(related variety, unrelated variety)[32,40]。

表1 工業(yè)多樣性指標的計算公式及含義

3.3 基于工業(yè)間的經濟聯系和區(qū)域產業(yè)組合

考慮工業(yè)間的經濟聯系和區(qū)域產業(yè)組合的多樣性指數,主要包括基于投資組合理論的投資組合方差指數(Portfolio Variance Index)[35, 52-54]和基于投入-產出模型的結構變化指數(Structural Change Index)[55-58]。

4 工業(yè)多樣性指標的比較

對這10個工業(yè)多樣性指標,依據自然生態(tài)系統(tǒng)中多樣性的劃分原則從空間尺度、時間尺度和政策含義,以及基于工業(yè)特性的因素、可分解性、工業(yè)間的聯系,還有操作可行性共7方面進行歸類整理,并總結各指標的優(yōu)缺點(表2)。

表2 工業(yè)多樣性指標的比較

赫芬達爾-赫希曼指數(Herfindhl-Hirschman Index)、圓拱指數(Ogive Index)、國家平均指數(National Averages Index)、克魯格曼相似性指數(Krugman Similarity Index),都是針對單一經濟活動的分布情況,運用單一因素(例如就業(yè)或生產增加值)來量化多樣性[9],計算方法相對容易,但直觀性比較差。

國家平均指數(National Averages Index)以全國的工業(yè)組成為最佳組合,但是這一假設忽略了區(qū)域間自然資源和要素(勞動和資本),以及不同尺度市場發(fā)展的差異[9]；此外經濟活動在全國的分布是隨時間不斷變化的,這也會影響區(qū)域和國家工業(yè)組成的變化[29],因此經濟活動在全國范圍內的分布很難作為判斷地區(qū)工業(yè)多樣性隨時間變化的標準。

圓拱指數(Ogive Index)以部門經濟活動絕對均勻分布為完全多樣,以經濟活動的實際分布偏離基準的程度作為判斷產業(yè)多樣性的標準[59],這個基準比國家平均指數(National Averages Index)更加客觀,能夠判斷一個地區(qū)隨時間是否變得多樣化。但是也沒有理由認為區(qū)域經濟應該均勻的分布[9],因為不同地區(qū)需求模式、生產技術、偏好都存在差異。而且這一指數容易受到數據選取的影響,使用不同種類的數據度量得到結果可能差異很大。

郡相似性指數(County Similarity Index,CS-Index)是一種改進的算法[9],它可以同時運用多種因素來對多樣性進行多元評價,通過加總不同因素來獲取一個總的標量值(scalar value),再運用這個標量值進行地區(qū)間的對比。這一指數雖然也利用了全國的產業(yè)組合,但不是每個地區(qū)都應該仿照全國的產業(yè)組合,而是利用該地區(qū)可以獲得的最高資源水平,認為更多樣的地區(qū)擁有該國更多份額的資源或經濟活動。

區(qū)位基尼系數(Locational Gini Coefficient Index)運用多因素量化集中度[51],可以清晰的反映每個工業(yè)部門是否有集聚現象以及集聚的程度,以及區(qū)域內各產業(yè)部門與全國總體平均水平的差異,還可以進行地區(qū)間的對比[27],因此是一個較為全面的分析手段,但其計算較為復雜,應用偏少。

工業(yè)結構相似性系數(Similarity Coefficient Index)是對區(qū)域間工業(yè)組成的比較,直接反映了工業(yè)結構的同構性,而其隨時間的變化趨勢則反映了區(qū)域產業(yè)結構趨同或趨異的整體趨勢。

熵指數(Entropy Index)基于熱力學第二定律——熵定律,擁有科學的基礎,具有可分解的屬性,可以進行不同層次的分析,且計算方法簡單[29, 60]。熵指數判斷多樣性的基準為經濟活動平均分布,與圓拱指數(Ogive Index)一致[34, 59]。但其不能反映區(qū)域經濟發(fā)展水平的差異性,某產業(yè)區(qū)位熵最大的地區(qū)不一定是該產業(yè)集聚水平最高的地區(qū)；而且由于熵指數假定投資平均分布為最優(yōu),忽略了不同工業(yè)之間內在的相互依賴關系[9, 33]。

投資組合方差指數(Portfolio Variance Index)廣泛應用于區(qū)域研究中[7,35, 54]。它同時考慮了單個行業(yè)收入的穩(wěn)定性,以及不同行業(yè)之間的相互聯系,通過改變不同產業(yè)的相對份額來降低經濟不穩(wěn)定性[34, 61],以達到投資組合方差最小化,計算復雜,且沒有適用于所有區(qū)域的統(tǒng)一模型。而且,降低投資組合方差雖然可以穩(wěn)定經濟,卻可能不利于經濟增長,因此將投資組合方差最小作為區(qū)域最優(yōu)產業(yè)組合是很片面的。

許多研究認為,結構變化指數(Structural Change Index)比其他多樣性指標能更好的度量工業(yè)多樣性[34-35, 38,62],但這一方法所需樣本量很大,數據難以獲取[8, 29, 36],其效果也需要進一步實證檢驗的證實[63]。

5 結論和討論

綜上所述,工業(yè)多樣性是工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究的重要組成部分。由于工業(yè)多樣性計算方法很多,且受多種因素的影響,在指標選取時存在一定的難度,目前還沒有一個合理的測度指標可以準確的反映工業(yè)多樣性,每一種指數所反映的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)過程其視角或側重點各不相同,并且有各自的優(yōu)缺點,各種工業(yè)多樣性指數間存在一定的互補作用。因此在實際應用中,結合數據情況、研究尺度和研究目的,選擇多個指標,對結果綜合比較,是一種比較合理的方法。此外,工業(yè)多樣性對工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)影響的研究大多集中于工業(yè)多樣性與經濟穩(wěn)定性[10]、區(qū)域規(guī)模[64]、產業(yè)結構[65]和市場結構[66-67]的關系,尚未見對于不同觀察尺度工業(yè)多樣性的變化特點和機理的研究,這一研究對深入理解工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的過程有非常重要的作用,也是一項極具創(chuàng)新性的研究內容。

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Critical review on industrial diversity indicators

LIU Ye, SHI Lei*

StateJointKeyLaboratoryonEnvironmentSimulationandPollutionControl,SchoolofEnvironment,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China

Industrial diversity was an important frontiers of industrial ecology research, and also an important decision support for industrial ecologization. But it carried out lots of concepts and various measurement methods. In order to understand the concepts of industrial diversity and its influence on industrial ecological system, this study first compared the similarities and dissimilarities between industrial ecological system and natural ecological system from structure and function aspects. In addition we reviewed the evolution of industrial diversity concepts, summarized the measurement methods of ten industrial diversity indices, which can be separated them into three groups as industrial number and evenness of distribution, industrial hierarchy, economic correlation and regional industrial combination. Then we gave detailed instructions on meaning and calculation formula of each index. We also made detailed analysis of the characteristics of these indices about the advantage and disadvantage. In practical application, combining the results of several industrial indices may help us to understand the full story of industrial composition and structure, and the influence of industrial diversity on the process of industrial ecosystem.

industrial ecosystem; industrial diversity; concepts; indices calculation

清華大學自主科研計劃資助項目(20121088096);國家社會科學基金 (13BJY030)

2016- 08- 18;

2016- 11- 18

10.5846/stxb201608181694

*通訊作者Corresponding author.E-mail: slone@tsinghua.edu.cn

劉曄,石磊.工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)多樣性評述.生態(tài)學報,2016,36(22):7302- 7309.

Liu Y, Shi L.Critical review on industrial diversity indicators.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7302- 7309.