基于能值分析山西省生态经济系统可持续研究

苏 慧，张仲伍*，张兴毅，王 娟

(1.山西师范大学 地理科学学院，山西 临汾 041000；2.山西省发展和改革委员会宏观研究院，山西 太原 030000)

【研究意义】随着经济深入发展，资源与环境的矛盾进一步突显，生态环境恶化严重，对区域经济的可持续产生了严重影响，生态经济的建设迫在眉睫。可持续发展注重于经济增长模式的长远发展，生态经济系统将自然生态系统和社会经济系统有机结合，系统内部存在着各种物质和能量的交换。【前人研究进展】能值理论创立于20世纪80年代，创立者是美国著名生态学家H.T.Odum等[1]。我国学者蓝盛芳等[3]对能值理论进行了一系列研究，能值方法被广泛应用于海洋生态系统[4-5]、农业生态系统[6-11]、城市生态系统[12-16]、生态经济系统[17-23]等系统的可持续发展研究。在能值理论分析生态经济系统的可持续发展研究中，严茂超等[17]运用能值理论，对主要能值指标进行了系统研究，并与其它国家进行了比较分析，为西藏可持续发展提供建议；杜鹏等[18]选取了七项能值指标研究甘肃生态经济系统的可持续发展；李松等[19]通过绘制生态经济系统能值表和能值计算，利用几何平均数分析了贵州省可持续发展现状和趋势；孙玥等[20]基于能值理论构建了辽宁省生态经济系统评价体系，对辽宁省生态经济系统的发展趋势以及可持续能力进行了全面评价；王鹏等[21]通过计算2010-2015年宁夏各能值指标，绘制宁夏生态经济系统评价表，分析其可持续发展状况；王鹏成[22]等基于能值理论对威海市生态经济系统可持续发展能力进行定量研究；卓玛措等[23]通过绘制能值分析表和建立能值评价体系对青海省生态经济系统可持续发展能力进行评估，对其提出相应的可持续建议。从研究内容来看，国内学者主要集中于研究区域能值以及可持续发展的时间变化特征[24]，关于生态经济系统的能值评估和可持续状况空间变化的研究较少。【本研究切入点】本文在计算山西省各市域能值指标的基础上，运用ArcGis自然断点法分析各地区可持续发展能力的空间特征和区域差异。【拟解决的关键问题】为山西省生态经济系统目前存在的问题提供方法建议和理论依据，提高区域经济可持续发展能力。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

山西省位于黄河中游东岸，总面积15.67万km2，地处黄土高原，地貌复杂，山峦叠嶂，总体东北高西南低。山西省属于典型的温带季风气候，降水时空分布不均匀，集中于夏季，且受地形因素影响较大。山西省矿产资源丰富，多种矿产资源出口量居全国前列，尤其是煤炭资源的储量以及开采量长期以来高居全国首位，在我国经济发展和能源安全方面发挥着关键作用。全省经济发展主要依赖于资源和环境，长期的粗放型经济造成了比较严重的结构型污染，环境恶化迅速蔓延，生态破坏日趋严重。随着城市化快速发展，资源环境压力不断增大，与经济的矛盾进一步凸显。增强可持续发展能力，建设生态经济是解决山西经济问题的首要途径。

1.2 数据来源与处理

本文数据主要来源于2016山西省年鉴，山西省资源调查报告以及山西省环境质量公报等资料。研究中所涉及到的太阳能值转换率主要来源于前人研究成果[3]，能值折算系数来源于文献[25-26]，采用9.44×1024sej/a全球能值基准值。

图1 山西省行政区划Fig.1 Shanxi province administrative division

1.3 研究方法

1.3.1 能值理论 在能值理论中用太阳能值来衡量某种物质的能量，即流动或储存的能量含有的太阳能，单位是太阳能焦耳(sej)[1]。单位能量或物质所含的太阳能量称为太阳能值转换率[3]，其单位是太阳能焦耳/焦耳(克)，即sej/j或sej/g[3]。某物质的能值计算方法为：能值(sej)= 能值转换率(sej/j)×能量(j)[4]。能值理论使不同种类的能量可以进行比较，将经济、自然、社会子系统有机结合起来。

1.3.2 ArcGis自然断点法 自然断点法作为一种统计方法，它根据数值统计分布规律分级，可以使类与类之间的不同最大化[6]。运用自然断点法可以将一组数据分为若干级别，便于对数据进行比较和归类。将自然断点法与ArcGis软件相结合，有助于进一步分析数据的空间差异。

2 结果与分析

2.1 山西省生态经济系统能值结果分析

山西省生态经济系统能值评价表中可更新资源有太阳能、风能、雨水化学能、雨水势能、地球旋转能；可更新资源产品包括粮食、油料、蔬菜、水果、肉类、牛奶、水产品、禽蛋等；不可更新资源包括原煤、电力、水泥、钢材、生铁、化肥、焦炭；货币流包括进出口贸易；废弃物包括固体废物和废水(表1)。

山西省生态经济系统能值总量为2.39×1024sej，其中可更新资源能值2.96×1023sej；不可更新资源能值2.10×1024sej，其比重达到87.62 %，说明不可更新资源在生态经济系统中占主导地位，未来山西经济发展应当注重可更新资源的开采利用。

表1 山西省生态经济系统能值统计

从能值指标项目来看，山西省生态经济系统中的24个能值指标中，能值最高的前两位分别是电力和原煤，说明山西省的煤炭资源以及火力发电是生态经济系统中的关键因素。从能值总量空间分布来看，山西11个市域能值总量从大到小依次是大同、朔州、长治、忻州、晋中、吕梁、晋城、太原、临汾、运城、阳泉。大同市煤炭资源丰富，能值总量最大，应该加快可更新资源的开发和经济转型。阳泉市土地面积小，资源相对较少，生态经济系统能值总量最小。

2.2 山西省生态经济系统可持续发展分析

依据能值理论，结合山西省生态经济系统可持续性特征，以2016年山西省生态经济系统能值数据为基础，分别从社会、经济和自然3个子系统以及生态经济系统可持续发展综合评价四个方面，分析山西生态经济系统可持续水平以及区域差异(表2)。

表2 山西省生态经济系统可持续指标评价

表3 山西省生态经济系统可持续指标分级

利用ArcGis空间分析工具，分析山西省生态经济体系可持续发展评价指标的空间特征与差异(图1)。利用自然断点法对各可持续发展指标进行分级，将所有指标分为3个等级(表3)。

2.2.1 社会子系统分析 本文选取能值密度和人均能值2个指标分析社会子系统。

2.2.2 经济子系统分析 本文选取能值货币比和能值交换率(EER)作为经济子系统评价指标。

能值货币比率是指某地区单位货币相当的能值量[3]，该指标越大，表示单位货币购买的能值量愈大，地区经济开发程度愈低。大同、朔州和忻州属于Ⅰ级区，大同和朔州经济增长主要依靠自然资源开发，忻州经济开发晚，经济开发程度低，所以能值货币比率高；阳泉、吕梁、长治、晋中，晋城，临汾属于Ⅱ级区，这几个市域经济开发程度中等；太原和运城属于Ⅲ级区，说明其经济发展水平高，能值货币比率小。

2.2.3 自然子系统分析 本文选取环境负载率(ELR)、可更新资源比作为自然子系统评价指标。

图2 山西省生态经济系统能值空间分布Fig.2 Spatial distribution of energy value of ecological economic system in Shanxi province

2.2.4 山西省生态经济系统可持续发展综合分析 生态经济系统可持续发展指标主要有能值产出率(EYR)、能值可持续指标(ESI)、能值可持续发展指标(EISD)等。

3 结论与讨论

本文基于能值理论，构建社会、经济、自然3个子系统以及可持续发展综合评价体系，对山西省生态经济系统的运行状态、可持续发展水平及其区域差异进行研究。

(1)2016年，山西省生态经济系统能值总量2.39×1024sej，其中不可更新资源能值2.10×1024sej，其比重达到87.62 %，以不可更新资源占主导地位的生态经济系统能值结构使山西省缺乏良好的资源基础，可持续能力低，表明今后应该加大对可更新资源开发力度，提高生态经济系统可持续能力。

(2)山西省各市域社会子系统能值指标存在较大差异。能值密度与各市经济发展水平比较吻合，经济发展水平较高或资源开发较早的太原、大同、阳泉、朔州等地能值密度高。人均能值与人口和能值总量有关，最高的是人口较少的朔州，说明朔州居民生活水平高。

(3)经济子系统方面，能值货币比率反映地区经济开发程度，大同、朔州、忻州3个市域的能值货币比高，说明这些地区过度依赖传统资源，经济开发程度低；能值交换率反映系统经济发达程度，与经济发展水平基本一致。

(4)自然子系统方面，环境负载率和可更新资源比率都反映经济对生态环境的压力，可更新资源比率高的地区，环境负载率低；反之，环境负载率高的地区，都是对传统资源依赖大的地区。大同、阳泉、太原、朔州等传统资源型城市生态环境压力大，环境负载率高。

(5)从山西省生态经济系统可持续性来看，能值产出率反映系统对外经济贡献的程度，忻州市对外经济贡献最大；能值可持续指标反映经济发展类型，晋中生态经济系统发展最具潜力和活力；能值可持续发展指标反映系统可持续状况和能力，运城可持续发展能力最好。

基于能值分析方法，可以将经济、自然、社会子系统作为一个整机进行研究，解决了不同单位能量进行比较评价的问题。通过建立可持续发展评价体系，将生态经济系统作为一个整体，多角度，更全面地对区域可持续能力和水平做出科学客观的评估。能值理论及分析方法在生态经济系统可持续发展研究、生态经济效率的评估方面将发挥越来越重重要的作用。