張興毅

（山西省發(fā)展和改革委員會宏觀研究院，太原030000）

隨著城市化步伐的高速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境涌現(xiàn)出了種種問題，為了更好地促進(jìn)城市健康文明發(fā)展，解決二者之間的矛盾成為必然。另外，隨著人們追求生活品質(zhì)的提高，對于生態(tài)文明的建設(shè)也越來越重視，既要享受科技帶來的幸福感，又要追求生態(tài)宜居。關(guān)于城市化與生態(tài)環(huán)境耦合發(fā)展的概念，我國地理學(xué)者黃金川和方創(chuàng)琳將其定義為二者交互促進(jìn)、交互脅迫的現(xiàn)象[1]，揭示城市化與生態(tài)環(huán)境之間的交互脅迫規(guī)律和機(jī)制，以促進(jìn)雙方良性發(fā)展為目標(biāo)[2-4]。阿爾貝蒂等認(rèn)為人地關(guān)系的相互影響機(jī)制必須通過二者耦合的集成研究入手，單方面的科學(xué)無法揭示其規(guī)律[5]。

城市化與生態(tài)環(huán)境的耦合性，既表現(xiàn)為系統(tǒng)內(nèi)部二者間的交互脅迫，也表現(xiàn)為系統(tǒng)外部二者間的交互脅迫，方創(chuàng)琳將系統(tǒng)內(nèi)部與外部的耦合關(guān)系分別定義為近程耦合和遠(yuǎn)程耦合[6]。城市是一個內(nèi)外部能量輸入與輸出的復(fù)雜系統(tǒng)，與生態(tài)環(huán)境的耦合也需從近遠(yuǎn)程綜合方面進(jìn)行分析。目前，關(guān)于城市化與生態(tài)環(huán)境近程耦合單方面研究較多，遠(yuǎn)程耦合較少，一些學(xué)者基于遠(yuǎn)程耦合視角，建立遠(yuǎn)程耦合模型，進(jìn)行了相關(guān)研究。

城市代謝分析法分為能值分析和物質(zhì)流分析，能值法于20世紀(jì)80年代由科學(xué)家奧德姆提出，主要思想是將系統(tǒng)間的各種流量換算成統(tǒng)一的太陽能值進(jìn)行比較研究[7]，被廣大學(xué)者應(yīng)用于城市化系統(tǒng)的研究當(dāng)中。1992 年，我國學(xué)者藍(lán)盛芳將能值分析方法引入國內(nèi)，詳細(xì)介紹了能值分析的概念和方法[8]。國內(nèi)學(xué)者基于能值分理論分析生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)水平[9-11]，并取得了眾多研究成果。在應(yīng)用能值理論分析城市系統(tǒng)代謝方面的研究中，劉耕源等基于生物物理視角，認(rèn)為城市生態(tài)環(huán)境與城市代謝效率是對立統(tǒng)一的[12]；張妍等將能值理論與生態(tài)效率相結(jié)合，通過建立城市代謝效率評價指標(biāo)體系，分析生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的代謝過程[13]；宋濤等運(yùn)用能值法和DEA 模型研究我國31個城市的代謝效率及情況[14]；方創(chuàng)琳基于能值法研究京津翼城市群與生態(tài)環(huán)境近遠(yuǎn)程耦合代謝效率以及環(huán)境承載力[15]；也有一部分學(xué)者應(yīng)用能值分析方法研究資源型城市代謝效率與可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r[15-17]。

本文基于城市能值代謝分析法，應(yīng)用2007-2016 年山西省自然、經(jīng)濟(jì)社會各項(xiàng)數(shù)據(jù)，對其城市化與生態(tài)環(huán)境近遠(yuǎn)程耦合能值代謝效率與環(huán)境承載力進(jìn)行空間分析。

1 研究方法

在能值理論中用太陽能值評價某種物質(zhì)的能量，即流動或儲存的能量含有的太陽能，單位是太陽能焦耳（sej）。單位能量或物質(zhì)所含的太陽能量稱為太陽能值轉(zhuǎn)換率，其單位是太陽能焦耳/焦耳（克），即sej/J或sej/g。某物質(zhì)的能值計算方法為：能值(sej)=能值轉(zhuǎn)換率(sej/j)×能量(j)。

參考前人研究成果，選取年代謝總量（U）、遠(yuǎn)程要素依賴（EER）、代謝強(qiáng)度（EG、EP）、近程環(huán)境承載壓力（LELR）、遠(yuǎn)程環(huán)境承載壓力（TELE）五個指標(biāo)作為山西省城市化與生態(tài)環(huán)境近遠(yuǎn)程耦合能值代謝效率評價指標(biāo)。計算公式為：

式（1）中，U表示年代謝總量，為城市系統(tǒng)能值總量，包括可更新資源（R）、可更新資源產(chǎn)品(IR)、不可更新資源產(chǎn)品（N）和遠(yuǎn)程要素進(jìn)口資源（IM）四項(xiàng)；

式（2）中，EER表示遠(yuǎn)程要素依賴度，也稱能值外向度，主要衡量城市化代謝系統(tǒng)對遠(yuǎn)程要素的依賴程度；EX表示出口資源能值，W表示城市系統(tǒng)近程要素的廢棄物，指城市發(fā)展產(chǎn)生的固體廢物、廢水和廢氣等。

式（3）中，EG表示能值貨幣比率，刻畫城市代謝強(qiáng)度，主要反映了貨幣購買能值的能力，值越大，表明代謝強(qiáng)度越高，經(jīng)濟(jì)效率越低；EP為人均能值量，單位為Sej/人，反映系統(tǒng)代謝通量，刻畫人口能值擁有量，用來表示城市地區(qū)人民物質(zhì)生活水平與福利；GDP是地區(qū)生產(chǎn)總值，P為人口數(shù)量。

式（4）中，LELR為近程環(huán)境承載力，用不可再生能值與可再生能值之比來表示，反映城市化近程能值利用強(qiáng)度，該值愈大，說明其對近程環(huán)境產(chǎn)生的壓力愈大。

式（5）中，TELR為遠(yuǎn)程環(huán)境承載力，是城市外部進(jìn)口能值與可再生能值之比，反映了城市系統(tǒng)中遠(yuǎn)程要素能值利用程度，數(shù)值愈高，說明該類要素對遠(yuǎn)程環(huán)境產(chǎn)生的壓力愈大。

2 指標(biāo)選取與數(shù)據(jù)來源

2.1 指標(biāo)選取

參考前人研究經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合研究區(qū)狀況，構(gòu)建山西省城市化與生態(tài)環(huán)境近遠(yuǎn)程要素能值代謝評價指標(biāo)。近程要素包括可更新資源（R）、可更新資源產(chǎn)品（IR）、不可更新資源產(chǎn)品（N）、廢棄物（W）。遠(yuǎn)程要素分為遠(yuǎn)程輸入要素與遠(yuǎn)程輸出要素，分別用遠(yuǎn)程進(jìn)口資源（IM）和遠(yuǎn)程出口資源（EX）來表示。具體指標(biāo)劃分如表1 所示。

表1 山西省城市系統(tǒng)近程要素指標(biāo)體系

表2 山西省城市系統(tǒng)遠(yuǎn)程要素指標(biāo)體系

2.2 數(shù)據(jù)來源

文章所用數(shù)據(jù)來自《山西省統(tǒng)計年鑒》，山西省資源調(diào)查報告以及山西省環(huán)境質(zhì)量公報等資料。研究中所涉及到的太陽能值轉(zhuǎn)換率主要來源于前人研究成果，能值折算系數(shù)來源于文獻(xiàn)[18]，采用9.44×1024sej/a全球能值基準(zhǔn)值。

3 結(jié)果分析

為了消除個別年份的特殊性，本文運(yùn)用熵值法對2007—2016 年各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)求和，作為各城市最終評價指標(biāo)。計算結(jié)果見表3。

表3 山西省城市化與生態(tài)環(huán)境近遠(yuǎn)程耦合能值代謝效率指標(biāo)評價表

3.1 能值代謝總量與代謝結(jié)構(gòu)分析

3.1.1 能值代謝總量分析

基于山西省城市化能值代謝總量數(shù)據(jù)，全省11個城市的能值代謝總量具有明顯的空間差異性，按照系統(tǒng)聚類分析方法[19]，將其分為三個等級。大同、朔州、長治屬于高能值代謝總量區(qū)，陽泉、運(yùn)城屬于低能值代謝總量區(qū)，其余城市屬于中能值代謝總量區(qū)。在11個城市中，大同、長治和朔州市煤炭資源最為豐富，且開發(fā)早，產(chǎn)量大，所以能值代謝總量最高。陽泉面積小，各項(xiàng)能源資源儲量少，運(yùn)城市原煤產(chǎn)量低于其余地區(qū)，所以這兩個城市能值代謝總量最低，其余地區(qū)差別較小。總體來看，能值代謝總量與各地區(qū)能源資源儲量高度相關(guān)，能源資源豐富的地區(qū)，能值代謝總量大。

3.1.2 能值代謝結(jié)構(gòu)分析

山西省各城市能值代謝總量中不可更新資源產(chǎn)品所占比重過大，除運(yùn)城（所占比重為60%）外，其余城市不可更新資源產(chǎn)品比重都達(dá)到了80%以上。山西省城市系統(tǒng)近遠(yuǎn)程能值代謝結(jié)構(gòu)以近程要素為主，遠(yuǎn)程要素所占比重較低。大同、朔州、運(yùn)城近程要素比重達(dá)到了80%，說明這三個城市能源自給率較高，本地能源基本可支撐城市化的發(fā)展，同時也反映出這三個城市以傳統(tǒng)資源為主，工業(yè)結(jié)構(gòu)中重化工業(yè)所占比重大。臨汾、呂梁、晉中、陽泉四市近程和遠(yuǎn)程要素所占比重差較小，說明這四個城市與外部系統(tǒng)之間的能量交換率大，反映出其對外開放度較高，第三產(chǎn)業(yè)，外資投入、輸入貿(mào)易能值高于其他城市。其余城市能值代謝結(jié)構(gòu)在全省處于中等水平。

表4 山西省城市化近遠(yuǎn)程要素代謝結(jié)構(gòu)表（%）

3.2 能值外向度分析

能值外向度表示城市化發(fā)展對于遠(yuǎn)程要素的依賴程度，其值越大，依賴度越高。使用系統(tǒng)聚類分析法，將11個城市能值外向度分為四個等級。臨汾市屬于高能值外向度區(qū)，呂梁、晉中、陽泉、晉城屬于較高能值外向度區(qū)，忻州、太原、長治屬于較低能值外向度區(qū)，大同、朔州和運(yùn)城市屬于低能值外向度區(qū)。說明臨汾市對遠(yuǎn)程要素依賴度大，能源自給率不足，城市化發(fā)展需外部系統(tǒng)的支撐，也體現(xiàn)出其外向型城市發(fā)展模式。大同和朔州煤炭資源儲量大，能源自給率高，可以滿足城市發(fā)展需要，運(yùn)城市雖傳統(tǒng)資源量低，但其第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，可更新資源產(chǎn)品產(chǎn)量高，補(bǔ)充了其傳統(tǒng)資源的不足。其余地區(qū)由于資源儲量與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等因素，能值外向度處于全省中等水平。

3.3 近遠(yuǎn)程要素能值代謝強(qiáng)度分析

3.3.1 能值代謝強(qiáng)度分析

依據(jù)系統(tǒng)聚類分析方法將山西省城市化近遠(yuǎn)程要素能值代謝強(qiáng)度分為四個等級。其中太原市為低能值貨幣比區(qū)，臨汾和運(yùn)城屬于較低能值貨幣比區(qū)，呂梁、陽泉、晉中、長治和晉城屬于較高能值貨幣比區(qū)，大同、朔州和忻州市屬于高能值貨幣比區(qū)。能值貨幣比空間上表現(xiàn)出以太原市為中心，北高南低的分布特征。說明太原市能值代謝強(qiáng)度最低，經(jīng)濟(jì)效率最好，大同、朔州和忻州代謝強(qiáng)度最高，經(jīng)濟(jì)效率差。這與各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相一致，太原市作為省會城市，醫(yī)療、教育、金融等服務(wù)業(yè)發(fā)展速度快，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高。而以第一、二產(chǎn)業(yè)比重高、傳統(tǒng)資源型產(chǎn)業(yè)為主的大同、朔州和忻州代謝強(qiáng)度高，經(jīng)濟(jì)效率低。

3.3.2 能值人口比分析

同樣根據(jù)系統(tǒng)聚類法將能值人口比分為三個等級，朔州市屬于高能值人口比區(qū)，大同、忻州、陽泉、晉中、長治和晉城市屬于中能值人口比區(qū)，太原、呂梁、臨汾和運(yùn)城屬于低能值人口比區(qū)。山西省能值人口比從空間上表現(xiàn)為東高西低的特點(diǎn)。說明朔州市人均能值擁有量高，人口福利水平和人民生活水平好于其他城市。陽泉市雖然資源儲量少，總能值量低，但由于其人口數(shù)量少，所以人均能值量相對較高。大同、忻州由于不可更新資源產(chǎn)品比重大，人均能值量高。太原由于人口密度大，平均到每個人的能值量低，呂梁、臨汾和運(yùn)城由于不可更新資源能值量低，所以人口福利水平也低于其他城市。

3.4 近遠(yuǎn)程要素能值代謝環(huán)境承載力分析

3.4.1 近程要素能值代謝環(huán)境承載力分析

根據(jù)系統(tǒng)聚類分析法將山西省近程要素能值代謝環(huán)境承載力分為四類，太原市屬于高近程環(huán)境承載壓力區(qū)，大同、朔州和陽泉市屬于較高近程環(huán)境承載壓力區(qū)，忻州、呂梁、長治、晉城屬于較低近程環(huán)境承載壓力區(qū)，晉中、臨汾、運(yùn)城屬于低近程環(huán)境承載壓力區(qū)。反映出山西省城市化近程要素能值代謝環(huán)境承載力空間差異顯著，太原市由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度高，所需資源能源量大，且人口、產(chǎn)業(yè)、資金等各種要素集聚程度明顯，近程要素對環(huán)境壓力大。大同、朔州和陽泉市由于本地不可更新資源能值比重大，所以近程要素的環(huán)境承載力大。忻州、呂梁、晉城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對低，對資源需求量低，資源開發(fā)程度和水平低，近程要素環(huán)境承載壓力較小。晉中、臨汾和運(yùn)城市不可更新資源產(chǎn)品在總能值代謝總量中所占比重低于其他城市，可更新資源產(chǎn)品比重較高，所以對近程要素環(huán)境產(chǎn)生的壓力小。

3.4.2 遠(yuǎn)程要素能值代謝環(huán)境承載力分析

依據(jù)系統(tǒng)聚類分析法將山西省遠(yuǎn)程要素能值代謝環(huán)境承載力分為兩類，太原與陽泉屬于高遠(yuǎn)程環(huán)境承載壓力區(qū)，其余城市都屬于低遠(yuǎn)程環(huán)境承載壓力區(qū)。由于遠(yuǎn)程要素能值代謝環(huán)境承載力反映的是城市系統(tǒng)中遠(yuǎn)程要素能值利用程度，所以該數(shù)值越大，表明其遠(yuǎn)程要素環(huán)境壓力越大。從山西省遠(yuǎn)程要素能值代謝環(huán)境承載力空間分布來看，總體差異不大，各城市的遠(yuǎn)程要素能值代謝承載力都比較小，說明山西省城市化發(fā)展受遠(yuǎn)程要素影響小，本地系統(tǒng)內(nèi)可更新資源能值對進(jìn)入城市的產(chǎn)業(yè)、人口、資金等要素的承載力相對來說較高。從分布的空間差異來看，太原市由于經(jīng)濟(jì)和城市化發(fā)展所需，遠(yuǎn)程輸入能值量大，城鎮(zhèn)人口增加速度快，各種要素集中，導(dǎo)致城市面臨比較嚴(yán)峻的遠(yuǎn)程要素能值代謝環(huán)境承載力。陽泉市由于本地資源短缺，經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度受制于生態(tài)環(huán)境，所以對外部輸入能值的需求量大，因此陽泉市遠(yuǎn)程要素環(huán)境壓力也大于其他城市。其他城市遠(yuǎn)程要素環(huán)境承載壓力差異較小，且整體偏低，說明本地可更新資源產(chǎn)品可達(dá)到城市化發(fā)展所需的承載能力，受遠(yuǎn)程要素影響較小。另一方面也說明這些城市與遠(yuǎn)程要素交流的開放性較低，城市化發(fā)展進(jìn)程較為緩慢。

4 結(jié)論與討論

本文以2016 年山西省11 個市區(qū)為研究區(qū)域，基于城市能值代謝分析法分析其城市化與生態(tài)環(huán)境近遠(yuǎn)程耦合的空間差異，得出以下結(jié)論：

①山西省城市化能值代謝總量存在明顯空間差異，由于山西省多數(shù)城市原煤、電力等傳統(tǒng)資源儲量大，能值代謝總量與各地區(qū)能源資源儲量高度相關(guān)，能源資源豐富的地區(qū)，能值代謝總量大。從能值代謝結(jié)構(gòu)來看，山西省城市系統(tǒng)能值代謝總量中不可更新資源產(chǎn)品所占比重過大，對可更新資源產(chǎn)品的開發(fā)力度不夠。山西省城市系統(tǒng)近遠(yuǎn)程能值代謝結(jié)構(gòu)以近程要素為主，遠(yuǎn)程要素所占比重較低。說明山西省城市化需要提高對外開放程度，增強(qiáng)城市體系的外向性。

②山西省城市化能值外向度各城市差異顯著，對遠(yuǎn)程要素依賴度具有明顯區(qū)別?？傮w來看，傳統(tǒng)資源型產(chǎn)業(yè)密集且不可更新資源豐富的地區(qū)，能值外向度低；反之第三產(chǎn)業(yè)比重高，可更新資源產(chǎn)品比重高的地區(qū)，能值外向度高。雖然傳統(tǒng)資源暫時可滿足城市發(fā)展所需，但其發(fā)展必須要以第三產(chǎn)業(yè)為主要推動力，因此需加大與外部系統(tǒng)交流力度，加強(qiáng)可更新資源產(chǎn)品的生產(chǎn)能力，同時推進(jìn)城市化的外向型發(fā)展模式。

③山西省城市化能值代謝強(qiáng)度與各地區(qū)經(jīng)濟(jì)效率、產(chǎn)業(yè)調(diào)整水平相吻合，經(jīng)濟(jì)發(fā)展效益高，第三產(chǎn)業(yè)比重高的地區(qū)能值代謝強(qiáng)度低，反之，能值代謝強(qiáng)度高，經(jīng)濟(jì)效益差，總體上呈現(xiàn)太原市能值代謝強(qiáng)度最低，全省北高南低的空間分布特征。從人均能值擁有量來看，山西省能值人口比從空間上表現(xiàn)出東高西低的分布特征，人口福利和生活水平朔州市最高。

④山西省城市化近遠(yuǎn)程要素能值代謝環(huán)境承載力各地區(qū)差異明顯，太原市由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生的各種要素集聚，遠(yuǎn)程和近程要素的環(huán)境壓力都大于其他城市。整體上山西省近程要素環(huán)境承載力大，遠(yuǎn)程要素環(huán)境承載力小，一方面說明本地能值可支撐城市化的發(fā)展，另一方也表明山西省城市化與外部系統(tǒng)的交流水平較低，需提高城市化對外發(fā)展程度，依靠高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和服務(wù)業(yè)提高城市發(fā)展質(zhì)量。

城市化與生態(tài)環(huán)境近遠(yuǎn)程耦合能值代謝效率與環(huán)境壓力受到具體區(qū)域的自然資源稟賦、城市化速度與階段、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等因素的影響。城市系統(tǒng)兼具復(fù)雜性與開放性，城市化受到近遠(yuǎn)程能量的雙重作用。隨著城市化步伐快速推進(jìn)，所需的發(fā)展要素會經(jīng)歷由近程向遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)變的過程，因?yàn)楫?dāng)本地資源稟賦無法滿足城市系統(tǒng)所需的資源能值時，城市需借助外部系統(tǒng)輸入來滿足自己的發(fā)展需要，同時對近遠(yuǎn)環(huán)境造成的壓力也會發(fā)生相應(yīng)的變化。