基于系统动力学产业生态系统的限制因子的实证研究

张 晶

(徐州工程学院经济学院，江苏 徐州 221008)

1 产业生态系统的概念

国内外学者对产业生态系统进行的界定不完全相同，但其中心思想都是借鉴自然生态系统的运作模式将产业生态纳入全球自然生态系统中，提高产业生态效率，减少资源的浪费和废弃物的排放，最终达到经济与环境效益的最大化。另外学者对产业生态系统的特征从不同的角度进行了描述，大都认为产业生态系统具有动态性这一特征，即产业生态系统有一个从低级向高级或者是从一级向三级演化的过程。一级产业生态系统是传统的产业系统，资源的开采和利用都是粗放的，利用效率低;二级产业生态系统实现了高效率的资源利用，但仍然有废弃物的存在，不能够长期维持;三级产业生态系统实现了完全的循环，是最高形态的产业生态系统。

不同学科的国内外学者对产业生系统进行了探讨与研究，并根据生态学的观点提出了产业生态系统的本地化、动态性、开放性、产业共生、产业生态位和产业生态群等落等理论。这些定性研究丰富了产业生态学的学术思想，指出了产业生态系统的未来发展方向，具有较强的理论意义。但定性研究也存在着不足之处:定性研究能够对产业生态系统进行大体描述，难以发现产业生态系统中存在的具体的、可操作性的问题，这势必会影响产业生态系统向高级形态演化的进程。因此在国内外学者定性研究的基础上，对产业生态系统进行定量研究就显得尤为重要。

2 系统动力学的研究综述

系统动力学是美国麻省理工学院Jay W Forrester 教授于1956年创立的一门分析和模拟动态复杂系统的学科，是沟通自然科学和社会科学等领域的横向学科。系统动力学的应用范围日益扩大，多用于处理诸如人口、自然资源、生态环境、经济和社会连带的复杂系统问题［1-2］。

美国麻省理工学院Jay W.Forrester，Dennis L.Meadows 提出了影响经济增长建立的世界动力学模型和“世界末日”模型的改进［3-4］。我国建立的比较著名的系统动力学模型有:新疆社会经济发展规划［5］、上海交通大学国家自然科学基金课题组构建的南京市可持续发展系统模型［6］、李农的中国宏观SD 模型［7］、刘宏业建立的基于安全的可持续发展系统动力学模型［8］。

系统动力学已成功地应用于宏观经济学、生态与环境、生物学及工程技术等领域对复杂性系统的预测分析中。目前将系统动力学应用于产业生态系统的分析并不多见，所以本论文拟采用系统动力学来对城市产业生态系统进行仿真分析，具有一定的创新性。本文采用的软件是Vensim PLE5.9。

3 系统动力学的建模过程

3.1 系统边界确定

本文将产业生态系统分为四个子系统，即社会发展、产业经济、环境压力和可持续发展支持。产业经济发展和社会发展相互促进，社会发展会促使消费水平增加，人们需要更多的物质财富，从而产业经济会增长，而产业经济增长会增加GDP，增加人们的收入，从而促使社会进一步发展。但产业经济发展会使生态环境的压力增加，可持续发展压力增加。可持续发展子系统如果得到发展，则意味着对经济的支持能力增加，环境的压力减少，则利于产业经济进一步发展。社会发展和可持续发展之间也有相互矛盾之处，社会发展表明人们需要消费更多的能源和物质，可持续发展的压力增加。同样产业经济与可持续性有矛盾之处，产业经济的发展产生更多的废弃物，对可持续发展造成阻碍。产业生态研究的主要目的是经济与环境的统一，以目前的发展来看，尚处于相互矛盾阶段。

因为模型是现实世界的简化，很难把所有的变量体现，所以选择主要的变量作为研究对象，选择人均GDP、人口量、生活质量来代表社会发展子系统;指标GDP、工业产值、全社会劳动生产率代表产业经济子系统;选择指标生态压力、污染总量来代表环境压力子系统;可持续发展系统污染的情况以科技投入来代表。

3.2 建立仿真模型

(1)因果关系分析。确定产业生态系统边界后，要分析各要素间的因果关系。产业生态系统中的各子系统之间相互作用，形成了复杂的正负反馈回路。产业生态系统在正反馈回路的作用下，不断发展。

如图1 所示，正反馈回路指的是变量于回路任何一处初始偏离循环回路一周将得到增大或者加强，即有自增强或非稳定特征。例如:国民生产总值— (+)科技投入— (+)GDP 增长速度—(+)国民生产总值;负反馈回路即变量于回路任何一处初始偏离循环回路一周将得到减小或者变弱，具有使系统趋于稳定的特征。例如:国民生产总值— (+)人均 GDP— (+)总人口—(+)生活资源消费量— (+)生活废弃物排放量— (+)生态环境压力— (-)GDP 增长速度— (+)国民生产总值。

(2)确定系统流图。系统流图用来表述变量之间的定量方程，根据产业生态系统因果关系图中各因素的性质以及因素之间的因果关系，确定GDP、总人口、污染总量作为系统为积累变量，以人口增长量、人口死亡量、GDP 增长量、污染增长量和污染去除量作为速率变量。其他变量为辅助变量及常数，得到各子系统和产业生态系统的流图，如图2 所示。

图1 产业生态系统因果关系图

(3)模型参数确定与重要方程建立。根据图2所示流图，运用各种统计方法，确定系统参数:①利用历史数据求算术平均值和中位值，如人口增长率等;②发展趋势推算，统计资料和选定的公式外推:投资影响系数、工业影响污染系数等;③采用回归分析模型确定参数。在Eviews 软件支持下，采用一元线性回归模型确定生产结构影响系数等。

产业生态系统的多样性指的是产业生产的产品和提供服务是多样的，系统中结构组成和各组成之间结构关系的多样性。产业主导性是产业生态系统中产值最高的产业，其他产业与其相链接，以它的产品或者副产品为产品的原材料或辅助材料，与其共生共存。产业生态系统多样性有一定的矛盾之处，如果总产值一定则不可能两者同时大，产业生态系统能够稳定持续发展则必须二者协调。产业主导性和多样性协调是属于可调控的参数［9］，政府可以通过财税政策采取手段使企业的主导性增加、多样性变大，同时促进企业之间协同发展，促使其协调度增加。

产业生态系统仿真模拟以徐州市2010年为初始年，模型中流位变量的初始值以2011年徐州市统计年鉴中相关数据为初始值。

3.3 模型的检验及灵敏度分析

本产业生态系统模型运行Vensim 系统动力学软件提供的编译检查和跟踪功能，对模型所表达的正确性进行了检验，运用仿真值与历史统计数据的拟合程度，结果表明模型通过了检验。因此，模型可以用来对徐州市产业生态系统进行预测。

通过改变参数值进行模型的灵敏度分析，改变参数的数值系统输出值变动较明显，则该参数为模型的敏感参数。通过对模型的调控，发现影响系统的最敏感的参数为科技投入比例、投资系数、产业的多样性与主导性协调度。

4 计算机的仿真试验

4.1 模型的仿真分析

利用建立的系统动力学仿真模型，对徐州市产业生态系统未来的发展进行仿真，仿真时间以2010年为基年，仿真时期到2060年，时间跨度为50年。

社会发展系统采用了人均GDP 和生活质量来代表，如图3 所示，人均GDP 保持着较好的上升态势，但生活质量却不尽如人意，由于污染和生态压力的影响，生活质量处于波动状态，然后快速下降。

产业经济子系统以GDP 的增长率、全社会劳动生产率来代表，如图4 所示。污染的影响和资源的缺口都是影响GDP 增长率的因素。全社会劳动生产率和工业产值处于增长的状态，未来产业经济系统一直处于发展的态势，相对以前的增长速度有所下降。

图2 产业生态系统流图

对生态环境子系统的预测选取的值是生态压力和污染总量，如图5 所示。随着产业经济子系统的发展，生态环境子系统中生态压力的值和污染的总量处于持续增加的状态。随着徐州市产业生态系统进一步的发展，生态环境的压力逐渐加大。

经过模型的预测按社会发展子系统有一定程度的提升，但提升的空间不大。产业经济子系统在接下来的时间内仍然处于发展阶段，只是发展的速度出现了下降。由于产业经济子系统的发展导致生态压力逐渐增大，由此影响经济的进一步发展。下一步调控的目标是增强可持续发展系统的支撑系统，增加生态承载力，提高生态效率，从而使产业生态系统能够健康可持续地发展。

图3 仿真模型预测社会子系统指标值

图4 仿真模型对产业经济子系统指标的预测结果

图5 仿真模型对生态环境子系统指标的预测结果

4.2 模型的调控

(1)调整科技投入。从模型中的灵敏度可以知道，对系统增长影响较大的参数有科技投入、多样性与主导性协调度、投资结构，下面通过调整这些参数来看对各系统的影响。

图6、图7 是将科技投入的比例扩大到初始值的1.5 倍和2 倍得到的结果。可以明显看出，增加科技投入后GDP 的增长速度有明显的提高，并且随着科技投入比例越高增加的幅度越大。说明科技投入对GDP 的影响效果是较大的。图7 是不同科技投入下对污染的影响，可以发现一个明显的区别:就是随着科技投入的增加，其总量趋势是下降的，标注3 是科技投入量最大的线，在最下方;标注2 为科技投入量居中的线，它的总量居第二位。从上面三张图可以看出，改变科技的投入量能够在增长GDP 的同时减少对环境生态的压力，促进产业生态系统向更健康的方向发展。

图6 不同科技投资水平的GDP 对比图

图7 科技投资水平下的污染对比图

(2)调整多样性与主导性协调度值。产业生态系统的特征之一是产业的多样性与主导性协调。如果产业生态系统和自然系统一样组成一个闭合的循环高效系统，那么其产业主导性和多样性一样存在着高度的协调关系。为了观察产业多样性与主导性协调对产业生态系统的影响，将模型中产业主导性与模拟协调性增高了原来的50%。如图8 所示，图中包含了调整协调性增加前后的四条线，可以看出协调性后GDP (标注1、2)的总量有所上升，但幅度并不大。另外两条线为污染总量(标注3、4)的两条线，两条线具有明显的差别，协调度增加后总的污染量有明显的降幅。通过图形可以看出，通过对产业生态系统的多样性和主导性协调度进行调度，可以大幅度减少污染的量，而同时GDP 量有所增加，但增加的幅度不大。

图8 不同产业协调度下GDP 与污染对比图

(3)调整投资系数。控制模型中的投资比例为原来的130%，得到如图9 所示的工业产值(标注1、2)、污染量(标注3、4)提高投资比例前后的线，前几年提高投资比例后对工业产值、污染值的影响不大，只是到后面才有比较明显的提升。究其原因，应该是因为靠投资拉动经济已经出现了边际收益递减的现象。目前固定资产占投资的比例最高已经达到了68%，所以再靠投资拉动经济增长已经不太现实。另外投资拉动经济增长短期内会增加污染量，从而加重生态环境的压力。图9 中2045年前线4 在线3 上面，说明增加投资拉动经济增长短期内会增加环境的压力。最后工业产值出现较快提升，随着工业产值的提高，采用了较先进的技术和工艺，污染下降。

图9 不同投资比例下工业产值和污染的对比图

(4)同时调整系统协调性与科技投入。将科技投入量和产业协调性同时增加的结果如图10 所示。从图中可以看出，相对于单独调整投入量与产业系统的协调性，两者同时调整的效果明显得多。GDP 出现快速上升(标注1、2 分别为调整前后的值)，而污染有较明显的下降(标注3、4 分别为调整前后的值)。

图10 不同产业主导性和科技投入量的GDP 与污染的对比图

5 启示与政策建议

利用构建的产业生态系统的仿真模型对徐州市研究的结果表明，产业生态系统的限制因子是科技投入比例、投资系数、产业的多样性与主导性协调度。通过调控模型发现，调整投资系数对经济增长有一定促进，但效果不明显。增加科技投入可以促进GDP 增长，但对污染减少的效果不显著。增加科技投入比例的同时增加产业的协调度，结果GDP 增加的同时较明显降低污染量。

基于以上研究，提出如下政策建议:

5.1 加大科技投入，发展生态科技

政府应该加大对科技的投入力度，对研发投入大的效果好的企业在财税政策上采取适当的激励措施，调动企业创新的积极性。

发展生态科技企业缺乏相应的动力，政府应给予相应的资金和政策支持。支持高校及科研机构对生态科技进行研究，并结合各企业的实践制定出相关的技术标准，通过分析各企业产品的生命周期和物质流与能流，研究发展所必需的生态技术，降低生产过程中的能源浪费和污染物产生。

5.2 鼓励产业融合，提高产业生态系统的协调性

企业之间相互协同发展是环境与经济发展双赢，但企业之间往往缺乏合适的渠道进行相互沟通，或者沟通有一定的障碍，这时候政府应该出面进行协调，对与主导产业相关企业落户给予税收和政策方面的支持。另外不定期举办企业与企业之间、企业与高校之间的业务洽谈，并且为企业之间搭建协同发展的桥梁，对企业如果能够节约资源的行为进行税收和财政方面的补贴。鼓励各产业之间协同发展，构成产业间能源流动、物资循环和信息共享产业系统。

5.3 发展静脉产业，建立虚拟工业生态园

静脉产业又称为资源再生利用产业，是产业生态系统中的分解者，它以环境保护和节约资源为目的，利用先进的技术，将生产和生活过程中产生的废弃物转化为重新利用资源和产品，因其功能类似于静脉血管，因此称为静脉循环企业。静脉循环企业是产业生态系统中较为关键的环节，因为只有它的存在才能够实现系统的闭路循环，演化成为三级产业生态系统。

产业生态系统实现健康发展，系统排放的废弃物应该逐步减少甚至零排放，因此对各环节的废弃物进行重复利用是重要内容。建立虚拟工业生态园即网上废弃物交易平台，促使废弃物实现网上交易，既可节约资源，又能减少废弃物的排放。建立虚拟生态园应该将各企业的数据进行搜集并输入数据库，查找具有潜在配对关系的企业，查找企业应该注意就近节约运输成本，确保废弃物交易有收益。

［1］王其藩.系统动力学［M］.北京:清华大学出版社，1998.

［2］Dennis Meadows，et al.增长的极限——罗马俱乐部关于人类困境的报告［M］.长春:吉林人民出版社，1997.

［3］史学义.煤炭城市转型与可持续发展的研究［D］.辽宁工程技术大学，2004，69-74.

［4］苏懋康.系统动力学原理及应用［M］.上海:上海交通大学出版社，1988.

［5］凌亢，王浣尘，陈传美.南京市可持续发展系统模型的运行与检验［J］.武汉大学学报社科板，2002，(1):64-69.

［6］李农，王其藩.我国宏观经济SD 模型与模拟［J］.系统工程理论与实践，2001，(9)1-9.

［7］刘宏业.工业系统安全管理及其影响经济可持续发展的研究［D］.2004.

［8］张晶，王丽萍.基于多样性与主导性相协调的产业生态化实证研究［J］.科技进步与对策，2012，(9):70-73.