生态经济论文基于三元相图法的天津生态经济系统能值分.doc

文章源于科技论文发表网： QQ:1003 59168 生态经济论文：基于三元相图法的天津生态经济系统能值分析摘要:为了更加清晰地说明天津市经济系统的资源利用及配置结构,为天津市今后的决策和发展方向提供依据,论文将三元相图法应用到能值分析中,对天津市经济系统的能值指标进行分析,并与北京、辽宁等几个省市的能值现状做了对比分析。对天津市近几年的能值相图分析表明,天津市的资源利用比例总体变化不大,外界能值的投入增多是天津市资源利用比例发生变化的主要原因;从天津市自身看,其资源利用结构分配向不合理状态发展,能值可持续性指数呈降低趋势。与其他省市相比,天津市的总体发展潜力比较大,在物质生产和服务业发展的水平较高,资源利用较为充分。天津市在发展经济引入外部资源的同时应注意开发和使用本地资源,提高天津市的经济可持续性。关键词生态经济；三元相图法；能值分析；资源利用结构能值分析可以用来核算环境、经济指标,评价人类系统的组成及生产产品和服务所需的资源,从资源利用的角度研究能量经济系统的资源代谢过程。它将自然资源的利用效率,环境承载力和产生污染物、废弃物等考虑进去,综合考虑了系统的生态和经济贡献以及系统的兼容性。然而,对能值指标缺少清晰统一的认识也会使数据分析时混乱复杂。因此,国外专家提出过一些图表化模型,试图直观形象地解释指标分析的结果。如Rodrigo Lozano用多维图表达环境可持续性变量1,即将生产、服务、交通、能源、水资源、生物多样性等与环境相关的所有指标组成多维图,表现环境的可持续性; Jalal和Rogers用4个象限来表示环境和经济系统的动态变化2;世界银行曾用空气、水、土壤、生态系统这4个因素叠加形成的菱形图来表示环境对这4个因素的依赖程度3;Hofstertter等用三元相图法来表示生物圈评价,将生物圈各个因子分为3部分,即破坏生态系统质量的因子、破坏人类健康的权重因子和破坏能源的权重因子,用三角形来表达三者关系4。其中多维图法的表达最为精确,但是需要数据量极多,而且计算过程和表现形式复杂,适用于变动性大的系统;象限法、菱形图法和三元相图法把环境中错综复杂的因子浓缩为4个或3个部分,通过这几个部分来表现环境影响,这些方法采用的数据简单有代表性,表现形式清晰易懂。其中以三元相图法的原理最为完善,自1902年Gibbs提出吉布斯相律并为相图法的发展奠定基础5以来,相图法现广泛应用于物理化学、地质学和冶金学上,有二元、三元甚至多元相图,其中三元相图法由于表达清晰、测定分析简单而应用最广。2000年Hofstertter等首次将三元相图法引入生态和环境领域,利用其直观形象的表现形式将人类系统的各个相关因子表达出来,Giannetti、Almeida等人将三元相图法和能值分析法结合起来,分析系统可持续性进而为决策制定提供依据6-8。本研究利用三元相图法分析天津市生态经济系统的投入产出质量,并将生态系统服务内外的过程和系统进行对比,进而评价系统随时间的发展趋势;将全国几个典型省市北京、四川、辽宁、内蒙古、甘肃与天津市的能值进行对比分析,评价天津目前的生态经济发展动态,为决策提供依据。1研究区概况及方法11研究区概况天津市包括15区3县,辖区总面积119104km2。天津市北依燕山,东临渤海,海岸线北起涧河,南至歧口,长153 km。气候属暖温带半湿润大陆季风气候,年均气温在114129,年均降水量为520660 mm。天津市海岸带石油、天然气、原盐、地热等自然资源比较丰富。仅大港和渤海两个油田所包括的范围内已探明石油储量77108,t天然气储量380108m3,且开采价值较高。盐田面积400 km2,年产原盐200108,t约占全国的15%。天津市地处太平洋西岸环渤海经济圈的中心,是中国北方十几个省市区对外交往的重要通道,其港口和交通网络建设发达,是我国北方重要的工业和港口城市。近年来天津市飞速发展,GDP连续位居国内前列水平。12三元相图法在生态经济系统的应用能值理论认为自然界所有的能量都来自于太阳能,其他各种形式的能量都是由太阳能转化而来。而生态系统中存在等级理论,因此把能值定义为“一种流动或存储的能量中所包含的另一种形式的能量数量9-10”。生态经济系统的能流,从量多而能质低的等级向量少而能质高的等级流动和转化,能值转换率也随着能量等级的提高而增加。天津市地热能、风能、石油资源丰富,第二产业较为发达。参照Yang Z F11,根据天津市生态经济系统的特点可更新能源(R),生态经济系统的不可更新投入(N)为电力、原油等,反馈投入(F)为商品和服务进口、投资、旅游等。自2000年Hofstertter等将三元相图法引入生态领域后,Giannetti等分别于2006和2007年对三元相图法在能值分析上的应用做了介绍6-7。三元相图是由一个带有坐标的等边三角形组成,每个角代表一个元素;元素间的相对比例是从给定点到与所有元素的对边的垂线长度。在能值分析上,R(可更新资源能值)、N(不可更新资源能值)、F(系统反馈投入能值)之和被认为是系统的总能值,在系统中保持相对稳定,看作是单位1,R、N、F通过公式简25%R,25%F。通过对系统和过程在能值相图中不同位点的研究和比较,可以得到关于系统资源配置和发展现状的直观认识。2基于三元相图法的生态经济系统能值分析21基于相图法的能值表达本研究以天津市国民经济统计数据为基础,分析天津市近几年来社会经济发展的主要能值流量和能值指标,并选取能够反映系统自然、社会、经济发展状态的指标,对天津市生态经济系统进行能值定量分析研究。3种资源类型的不同构成比例,其中任一资源成分的相对百分比由相点到该资源项对边的距离来表示,可以看出在系统总能值逐年增加的情况下,可更新资源的能值比例从019下降到006,下降相对较多,不可更新资源能值比例一直处在050054之间,变化不是很大,反馈投入能值的比例从027上升到042,增加较快,说明来自于系统外的反馈能值的量迅速增加,产生系统资源配置关系的明显变化。与该资源项相对应的底边平行的线称为资源线,用于比较产品或过程对资源的利用结构;EYR和EIR值与“F资源线”相对应,ELR值与“R资源线”对应6-7。1998年环境负载率ELR为420,此后环境负荷逐年上升至2007年为1445。环境负荷增加势必对自然环境造成很大的压力,对于系统的可持续发展产生不良影响。能值投资率EIR从036上升到073,说明生产过程在利用等量本地资源时,需要投入更多地反馈能值,产品中所聚集的能值更多地来自于外来能值资源的贡献。能值产出率EYR从377下降到237,说明随着产品中所凝聚的来自经济系统反馈能值的比重越来越高,产品反馈给经济系统的净能值增加额在减少。若两个以上的点连接成直线,则该直线称之为协同线,协同线上的点具有与该线上其他点相似的资源配置比例。这个定义说明了资源之间的变动是相互联系而非独立存在的。天津市近几年的能值配置可以形成一条协同线,F /R的关系大致是以每3年168倍的速率增长,1998年F /R为138,则2007年F /R为1381683=654,而事实上2007年的F /R为653。F和R的投入数量差随时间差距越来越大,天津市利用可更新资源的量逐年降低,而投入增长速率逐渐增大,表明天津市正在向外向型经济转型,对国际市场的依赖性和影响力不断上升,总体经济实力大大增加。可持续指标相等的点的连线称为可持续线6。可持续性曲线从N点出发,向RF方向移动,可持续性曲线在相图中划分了系统发展可持续性不同的区域。可持续性指标ESI=1的持续性曲线将相图划分成上下两个部分,上半部分表示系统生产过程的可持续发展指数大于1,下半部分表示系统生产过程的可持续发展指数小于1。以往的研究表明,大于1的ESI意味着生产过程对社会具有净贡献而没有严重地影响环境的平衡,系统的ESI小于1则意味着消费性的生产与过程12。可以看出,天津市自1998年来可持续发展指数ESI一直处于1以下,介于090和016之间,资源的开发速度加大,而对本地自然环境的压力日益增大。可持续发展潜力越来越低,长期下去系统的可持续性难以维持。22天津市能值与国内其他地区的相图比较221参照省市的能值相图描述现用北京、四川、辽宁、内蒙古、甘肃等5个省市的生态经济系统能值与天津市对比分析13-17。根据所参考的数据资料,并查阅相应省市的统计年鉴,采用1998、2000、2002、2004年数据。各省市的能值分配及利用方式都有所不同。根据数据统计,北京市的不可更新资源投入比例最大,近几年都在085以上,其对本地不可更新能源的利用很少,而且以消耗大量的水泥、钢材、原油和生铁为主,表明北京市发展程度高,对外界环境的依赖性最高。辽宁的不可更新资源投入比例也相对较大,辽宁是著名的老工业基地,不可更新能源如煤炭、钢铁、石油的利用一直很大。四川和甘肃的可更新投入比例较大,外界投入资源比例很小;说明这两个地区主要依赖本地资源供给,需要购买的能值较少;进一步说明这两个地区的发展处于欠发达阶段,应该进一步扩大内需,增大反馈投入的比例,加大发展力度。内蒙古是近几年中能值利用结构变化最大的省份,可更新资源的配置比例从1998年的048下降到023,不可更新资源的配置比例从050上升到076,反馈投入则增加不多。虽然内蒙古自然资源丰富,但是在发展本地经济时需要处理好资源在利用过程中的配置关系,多多开发可更新资源。同时,当地政府应该积极引进外资,并增大能值投入比例,加速本地的发展。与这几个地区相比,天津市近几年的资源构成比例处于比较合理的状态,在今后的发展过程中继续开发本地可更新资源,加大反馈投入,可以在保证发展经济的同时,提高天津市本地的可持续发展潜力。222资源线分析一般来讲,当环境负载率ELR3时,表明环境压力很小;当3ELR10时,表明环境压力已经相当大6, 18。显示北京、天津、辽宁的环境负载率大于3,对自然环境的压力较大,尤其是北京和天津两地,环境负荷已非常高。四川和甘肃的环境负载率低,处于经济和环境的良好状态。能值产出率EYR5时表明利用的一次能源比较多;2EYR5表明利用诸如水泥和钢材的原材料及二次能源较多;EYR2则表明不是能源问题而是与产品消费和制造过程有关了6。中国一次能源消费的部门结构集中于能源工业部门,而工农业生产和公共服务与生活两大部门大多依赖于二次能源。几个省市中只有天津市的能值产出率在5以下,说明天津市的能源利用以二次能源为主,进一步指出天津市近几年在物质生产和服务业发展的水平较高。223可持续性比较可持续性指数ESI1,说明系统不能维持长期的可持续性;而1ESI5时认为系统长期内是可持续的6,18。四川、甘肃、内蒙古的能值可持续性指数ESI都在5以上,则表明长期内系统可以自我持续,辽宁的ESI介于1和5之间,在一段时间内是可以自我维持的,而北京和天津市都处于1以下,可持续性指数偏低,系统自我持续性差。3结论基于三元相图法的能值分析具有普通能值分析方法所不具有的优势,使我们对各个指标所代表的意义有更清晰直观的认识,能更深入地解释各个指标所具有的含义,使能值理论的应用更具科学性;在不同区域对比分析中突显各个地区的发展特点和现存问题,为今后的决策提供有力的支持和依据;三元相图法还可以对系统随时间变化的趋势进行评价及预测,为生产模式的规划及方案选择提供有益的分析工具;同时,将化学上的相图法引入生态环境领域,为解决该领域的问题提供了一个较新的思路。对天津市近几年的能值分析表明,天津市的资源利用比例总体变化不大,外界能值的投入增多是天津市资源利用比例发生变化的主要原因,表明天津市正在向外向型经济转型,对国际市场的依赖性和影响力不断上升,总体经济实力大大增加;从天津市自身看,其资源利用结构分配向不合理状态发展,环境负载率逐年增加,能值产出率减少,导致能值可持续性指数逐年减少。资源开发速度的加大对本地自然环境的压力日益增大。可持续发展潜力越来越低,长期下去系统的可持续性难以维持。因此天津市在发展经济引入外部资源的同时应注意开发和使用本地资源,利用外部投入带动本地资源消费,加大本地可更新资源的利用,提高天津市的经济可持续性。与其他省市相比,天津市的总体发展潜力比较大,在物质生产和服务业发展的水平较高,资源利用较为充分。天津市比较重视利用外来资本发展本地经济,近几年外资引入比例很大,对天津市经济的快速发展有很大帮助。但是在能源的利用上以二次能源为主,建议开发本地新能源,增加一次可更新能源的使用率,例如天津市濒临渤海,地热能、风能充足,适当开发此类能源,可以降低本地环境负载率,提高天津市经济系统的能值产出率,对维持系统的长期可持续性有很大意义。参考文献(References):1RodrigoL.Atool foraGraphicalAssessmentofSustainability inUniversities (GASU) J.JournalofCleanerProduction,2006, 14: 963-972.2JalalK F, RogersP P. Measuring environmental performance in Asia J.Ecological Indicators, 2002, 2: 39-59.3World Bank. Social Indicators ofDevelopment R. Washington D C, 1994.4HofstertterP, BraunschweigA, MettierT,etal. Themixing triangle:Correlation and graphical decision support forLCA-based comparisons J.Indian Journal ofEcology, 2000, 3(4): 97-115.5Gibbs JW. ElementaryPrinciples in StatisticalMechanics. Developedwith SpecialReference to theRationalFoundation ofThermodynamics M. YaleUniversity Press, 1902.6GiannettiB F, BarrellaFA, AlmeidaCM. A combined tool forenvironmental scientists and decisionmakers: Ternary dia-grams and emergy accounting J.Journal ofCleanerProduction, 2006, 14(2): 201-210.7Almeida CM V B, Barrella FA, GiannettiB F. Emergetic ternary diagrams: Five examples forapplication in environmen-tal accounting for decision-making J.Journal ofCleanerProduction, 2007, 15: 63-74.8GiannettiB F, Almeida CM V B, Bonilla SH. Comparing emergy accountingwithwell-known sustainabilitymetrics: Thecase ofSouthern Cone CommonMarket, Mercosur J.EnergyPolicy, 2010, 38(7): 3518-3526.9Odum H T. Self-organization, transformity, and information J.Science, 1988, 242: 1132-1139.10Odum HT. Environmental accounting: Emergy and decisionmaking J. New York: JohnW iley& Sons., 1996: 122-290.11YangZ F, JiangMM, Chen B,etal. Solar emergy evaluation forChinese economy J.EnergyPolicy, 2010, 38: 875-886.12UlgiatiS, BrownM T. Quantifying the environmental support fordilution and abatementofprocess emissions: The case ofelectricity production J.Journal ofCleanerProduction, 2002, 10: 335-348.13张妍,杨志峰.北京城市物质代谢的能值分析与生态效率评估J.环境科学学报, 2007, 27(11): 1892-1899.ZHANG Yan, YANG Zhi-feng. Emergy analysisofurbanmaterialmetabolism and evaluation ofeco-efficiency in Beijing.Chinese Journal ofEnvironmentalScience, 2007, 27(11): 1892-1899. 14杨德伟,陈治谏,倪华勇,等.基于能值分析的四川省生态经济系统可持续性评估J.长江流域资源与环境,2006, 15(3): 303-309. YANG De-we,i CHEN Zhi-jian, NIHua-yong,etal. Assessmentof sustainability in eco-eco-nomic system in Sichuan province based on emergy analysis.Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2006,15(3): 303-309. 15刘浩,王青,李秀娟,等