基于能值分析的城市生态经济系统可持续性评价
——以天津市为例

胡 彪，苑 凯，李新龙，牛亭云，关玉琼

（1.天津理工大学，天津 300384；2.厦门大学，福建厦门 361005；3.北京大学，北京 100084）

城市生态经济系统在社会、经济和环境可持续性问题上发挥着关键作用。尽管城市总面积只占世界总土地面积的2%左右，但却贡献了全球生产总值（GDP）的70%；世界人口的一半以上生活在城市中，然而，城市也承担了超过60%的全球能源消耗、70%的全球温室气体排放和70%的全球废物［1］。作为世界上最大的发展中国家，中国的城市聚集与快速增长的城市人口更面临巨大的挑战。近年来，中国许多城市通过发展可再生能源、建立生态目标评价体系、加强生态保护和恢复等措施，制定了一系列促进生态文明进步的政策，如马程等［2］以北京市生态涵养区为例,利用能值评估方法评估该区域生态系统服务,分析各生态系统及其与城市系统之间的服务流动和依赖关系，提出在未来的发展规划中对森林和水域生态系统的保育应给予足够关注的政策启示；徐丽婷等［3］以长江三角洲城市群为案例区，运用熵值-TOPSIS 模型评价城市生态化水平的变化及差异，指出未来生态城市建设应立足城市自身发展状况，因地制宜地提升城市生态化水平，建设高质量生态城市的政策建议。在“双碳”目标背景下对中国的城市生态经济系统可持续性评估，有关评估结果可以为城市管理者提供城市生态经济系统可持续性的影响因素，并为其制定有关行动和政策提供依据。

1 文献回顾

国内外学者通过采用不同的研究方法评估社会经济环境系统可持续性。其中，Tang 等［4］基于SBM-DEA 效率研究方法研究新陈代谢可持续性核算在城市中的应用；Brown 等［5］基于全生命周期理论展开对热电与光伏发电的边界和投资对城市可持续性发展的研究；Pan［6］等利用水足迹研究铅酸电池回收对城市可持续性评价的影响；Geng 等［7］利用物质流分析中国的循环经济；Su 等［8］基于环境污染集成的能值分析方法研究中国农业系统的可持续性；Liu 等［9］利用能值分析对北京市城市生活用水代谢系统的可持续性进行评价；Reza 等［10］基于能值的生命周期评价（Em-LCA）对城市基础设施系统可持续性进行评价；喻锋等［11］基于能值分析和生态用地分类展开对中国生态系统生产总值核算的研究；陈亮等［12］以北京市为案例,采用能值分析方法对其自然资本存量及自然资本持续度进行评价；胡彪等［13］利用耦合协调度模型展开对区域科技创新与生态经济系统耦合协调发展及可持续性研究。

然而，上述研究所采用的方法最初并不是针对社会经济系统这类具有反馈特性的整个闭环系统而设计的，因此大多忽略了不同物质、能量和服务之间质的差异以及社会经济系统和自然环境之间相互作用的复杂性。而Shen 等［14］、Ulgiati 等［15］、Zhang 等［16］、Nimmanterdwong 等［17］和Cao 等［18］的研究均表明，基于能量和生态热力学原理的能值分析法（emergy analysis）可以把所有不同类型的能量、资源、产品甚至劳动和服务转化为统一维度的太阳能，更客观地评估非市场投入活动，弥补缺少市场经济分析的不足，反映自然资源和生态服务的实际成本。同时有研究指出，能值分析法对物质的流动以及能量传递的深刻分析，使其成为系统分析与可持续评估的必要工具［19］。此外，从研究对象上看，目前运用能值分析法的研究主要从产业生态系统、国家、区域、省份、生态城市系统等不同层面来展开。如，李春发等［20］以天津滨海新区产业生态系统为研究对象，基于能值分析法对产业生态系统可持续性进行研究；李志龙等［21］以武陵山片区为研究对象，基于能值理论对旅游生态化进行测度及空间异质性分析；Pan 等［22］以全球国家为研究对象展开环境核算方法的研究分析；Cohen 等［23］基于能值合成法展开对肯尼亚多尺度土壤侵蚀的环境成本的研究；Pan等［24］以四川省为研究对象，基于能值评价方法对工业园区进行评价与改进分析；Wang 等［25］基于能值理论展开对农业生态系统的优化与评价；Li 等［26］以山东日照市为例，基于能值分析方法对生态城市系统的可持续发展进行评价和分析。

因此，本研究基于能值分析理论，以天津市为例，分析其生态经济系统在环境、经济、社会3 个维度下的综合绩效水平，以期为政府决策者和城市管理者在改善区域可持续发展方面提供参考。

2 研究方法与数据

能值分析法以生态热力学理论为基础，由美国生态学家Odum［27］5提出，Brown 等［28］随后对其进行了详细描述。陈亮等［12］认为能值分析法可以将消耗的自然资源纳入生产成本进行衡量，以评估自然资源对经济活动的贡献。能值分析法以能值转换率（unit emergy value）作为转换系数，将各种物质转换为能值进行计算，并将能值定义为生产任何一单位产品或服务的直接或间接需求能量的总量，单位为sej。地球生物圈能值基准（global emergy baseline）是指每年向地球上的生物圈输入的总能值。能值基准被修订过许多次，本研究参考Shen 等［14］的做法，采用最新的能值基准GEB2016，其值为12E+24 sej/a。

能值分析法的基本步骤如下：首先，收集评估对象基本信息和数据并确定系统边界；其次，绘制系统能流图，描绘系统各层面的输入和输出关系，同时构建能值评价指标，并通过每项输入能流的原始数据乘以该项能值转换率（UEV）得到相应的能值数据；最后分析能值指标，综合评价系统的可持续性发展指数。

2.1 范围与边界

天津市作为中国4 个直辖市之一，地处山东半岛与辽宁半岛交汇点，处于环渤海经济圈的核心位置，城市配套设施完善，交通发达，全市总面积达11 966.45 km2［29］，管辖16 个市辖区，为大陆性季风气候。

根据Odum［27］5提出的能值理论，能值流入城市生态经济系统主要包括4 个组成部分：（1）可再生资源能值（R），是每天从环境中自然流入的一个系统，包括阳光、风、雨（位势）、雨（化学）和地热能，其中地热是指以位势和化学势的形式储存和转化的可用能量［7］。（2）不可再生资源（LN），包括煤炭、汽油、柴油和表土流失［10］。（3）购买和外部来源（IN），指不可再生能源的能值从研究区域外获得的资源，通常包括燃料（煤、原油、天然气、汽油、柴油、石油、焦炭）、水泥、钢铁、化肥、旅游、服务和进口，以及从外部购买的其他有关物品［10］。（4）流入市场能值（EXP），指在研究区域系统内产出的产品和服务通过市场交易形式流出。本研究中的城市生态经济系统，输入的资源为燃料、电、商品、机器、劳动力、服务以及可再生资源［14］，输出的是废物排放量能值及产品与服务能值，系统的物质能量流动过程如图1 所示。

图1 生态经济系统物质能量流动过程

2.2 构建能值指标

构建涵盖社会、经济和自然环境3 个子系统的系列绩效指标来评估天津市的经济和资源利用发展状况，对天津市生态经济系统进行能值分析与评价。具体指标如表1 所示。

表1 天津市生态经济系统能值评价指标体系

表1（续）

2.3 量化生态系统服务

Diaz 等［30］提出的IPBES 概念框架将生态系统服务分为调节服务、管理服务和文化服务3 类。为了评估环境对存在于现有市场外部的人类活动所作的贡献，本研究将生态系统服务量化为能量或能量质量值，并仅重点考虑调节服务和文化服务的量化。

（1）调节服务。考虑到天津市的经济系统结构、功能和森林覆盖率，参考Su 等［8］的方法，将固碳和O2的释放、污染治理、水源保护和土壤保持被视为调节服务。其中：

碳固存和O2释放的一般方程如下：

参考Zhang 等［16］研究，主要以大自然吸收SO2和减缓粉尘方面的作用来衡量污染治理。公式如下：

式（4）（5）中：Ew为水资源保护的能值；Qw为保护水资源的量；ρ 为水的密度（103kg/m3）；G为水能量的吉布斯指数（4.94×109J/kg）；Tw为相应的能值转化率（sej/J）；P 为年平均降雨量（m）；E 为年均蒸发量（m）。

式（6）～（9）中：Esw为土壤保持力的能值；Qsw为土壤的数量保留率；为表土能量转换率，参考Cohen 等［23］的做法，平均值按中国亚热带表土热值（19.42×103J/g）；Tsw是相应的能值转换率；RKLS 为潜在土壤流失量；USLE 为实际土壤流失量；Q 为降雨侵蚀力；K 为土壤可蚀性；LS 为坡长梯度系数；C 为作物管理因子；S 为支持实践因素。

（2）生态系统文化服务。如赵士洞等［31］根据《千年生态系统评估》（2005 年）总结提出文化服务指非物质利益，即人们从生态系统中获得精神财富、认知能力和智慧发展、反思、娱乐和审美体验，包括知识体系、社会关系和审美价值观。但是Daniel等［32］认为，与其他物质服务相比，文化服务是无形的非物质，很难区分和识别文化服务的真正价值。结合实际情况和数据可得性，借鉴Fang 等［33］采用差旅成本法、选择显示偏好来评估娱乐活动带来的生态旅游效益的做法，本研究把生态旅游收入作为文化服务价值的原始数据，以其与能值转换率的乘积来表示文化服务的能值。

2.4 敏感性分析

鉴于敏感性分析有助于量化模型参数对模型输出结果的影响，因此借鉴Cho 等［34］的研究，采用OAT方法（每次改变一个因素），用于分析不同能值流入对系统可持续性指数的影响；试验结束后，再根据Shen 等［14］的做法分别计算R、LN 和IN 等3 个能值流入，即分别增加和减少30%时对应的ESI、EYR 和ELR 的变化情况，这些变化的绝对差异反映了可持续性发展指数对系统能值流入量的敏感性。

2.5 数据来源与流程图

本研究的研究范围为整个天津市行政管理区域，其中材料、能源和经济方面的统计数据来自2009—2021 年《天津统计年鉴》《中国能源统计年鉴》《中国环境统计年鉴》等。研究的步骤和流程如图2 所示。

图2 研究分析步骤和流程

3 结果分析

3.1 生态系统能流能值分析

对2008—2020 年研究期间，采取以4 年为间隔分别选取2008、2012、2016 和2020 年作为代表。如表2 所示，天津市可再生资源的能值整体呈下降趋势，2020 年较2008 年下降8.94%，其中2008、2012、2016 和2020 年的能值占整个系统总能值的比例分别为44%、33%、25%和19%，占比逐年下降；不可再生资源整体呈上升趋势，2020 年较2008年上升58.6%，年均增幅达4.88%，其中2008、2012、2016 和2020 年的能值占整个系统总能值的比例分别为2.82%、2.67%、2.61%和2.12%，占比逐年下降；购买和外部来源整体呈上升趋势，2020年较2008 年上升214%，年均增幅达17.83%，其中2008、2012、2016 和2020 年的能值占整个系统总能值的比例分别为53%、64%、72%和79%，逐年上升态势；流入市场能值整体呈上升趋势，2020 年较2008 年上升204.69%，年均增幅达17.06%。

表2 天津市生态系统的能流能值统计

3.2 生态系统服务能值分析

如 表3 所 示，2008 年、2012 年、2016 年和2020 年天津市生态系统服务的总能值分别为5.63E+22 sej、1.07E+23 sej、1.30E+23 sej 和1.67E+23 sej，其中调节服务功能占整个生态系统服务的比例较高，分别为96.1%、95.3%、95.4%、94.0%。调节服务功能中，水源保护指标能值最高，2008 年、2012 年、2016 年和2020 年水源保护能值占整个生态系统服务总能值的比例分别为81.5%、82.4%、81.5%和80.8%，其他种类的能值占比小于10%。

表3 天津市生态系统服务能值统计结果

3.3 能值指标分析

天津市生态经济系统整体评价分析结果如表4所示。具体分析如下：

表4 2008—2020 年天津市社会经济环境子系统能值指标统计结果

（1）社会子系统能值分析。2008—2020 年，天津市从外界输入能值量呈现逐年增加的态势，增速明显，年均增速达17.87%，反映出天津市近10年来经济发展对外界的依赖性和需求性不断增强；人均可再生资源量整体上不断下降，且降速明显，年均减少达6.93%，反映出天津市可再生资源方面压力不断增高，需加强对可再生资源的开发与利用，使可再生资源能值不断创造新高度；人均能值量整体呈现不断上升趋势，年均增长幅度达6.57%，反映出天津市居民生活水平与质量不断提高，经济取得了较快发展；人均不可再生资源需求量不断提高，年均增长幅度达13.40%，反映出天津市经济结构、产业发展需优化更新升级，迫切需要减少对不可再生能源的需求与依赖，以更好地发展和利用清洁能源与可再生能源，助推经济结构转型发展；能值密度增幅明显，年均增长幅度达9.27%，反映出天津市工业基础比较发达，经济活动较活跃。

（2）经济子系统能值分析。2008—2020 年，天津市电力能值比年均增幅达2.87%，反映出天津市的信息化和工业化水平发展速度较慢，因此需加大科技研发力度，借助大数据、人工智能等技术发展新兴产业、淘汰落后产业，推进重工业升级转型，以数字技术助推产业高级化、智能化发展；能值货币比年均下降1.86%，说明天津市现代化发展水平不断上升，全市生产总值增速相对缓慢，单位货币所获得的自然生态价值在逐渐减少，经济的发展越来越依赖于外部购买；能值交换率从2008 年的0.81上升到2020 年的0.84，增长较慢，增幅为3.7%，说明天津市劳动密集型产业规模较大，迫切需向知识密集型的集约发展转型，提高输入输出效率；能值产出率从2008 年的1.89 下降到2020 年的1.27，下降幅度达32.8%，说明近10 年来天津市受产业系统区位与资源匮乏的影响较大，为满足经济的发展需不断输入能值，而能值输入增长了314%，进一步表明天津市未来迫切需要发展先进绿色制造业与新能源等新兴产业；能值投资率整体处于上升趋势，从2008 年0.53 上涨到2020 年的0.79，增长幅度达49.06%，说明天津市大力发展经济建设，政府和社会资本不断涌入，为经济注入活力；能值输出比从2008 年的0.65 上涨到2020 年的0.94，增幅明显，达44.62%，表明天津市能值输出能力随着科技的进步在逐步增强。

（3）环境子系统能值分析。2008—2020 年，天津市能值自给率整体上不断下降，从2008 年的0.47 下降到2020 年的0.21，下降幅度达55.3%，说明天津市本地资源已不能满足其经济快速发展的需求，对区域外资源的依赖逐渐加强；可再生资源比从2008 年的0.44 降到2020 年的0.19，下降幅度达56.8%，说明天津市经济发展对能源结构的需求更多依赖于不可再生资源的消耗，迫切需要建立和完善循环经济发展体系，攻克绿色技术创新难关，改善和优化产业结构；环境负载率从2008 年的1.25上升到2020 年的4.23，环境负载压力增长幅度达238%，可见近10 年来天津市经济发展对环境造成的压力巨大，经济增长的驱动力仍主要来源于高强度的资源开发与环境胁迫；可持续发展指数（ESI）1）在2008 年为1.51，说明2008 年前后天津市处于经济高速增长发展阶段；2012 年到2020 年可持续发展指数一直小于1，表明天津市2012 年之后经济增长速度变缓，开始逐步向高消费、低产出发展，发展潜力变弱，区域经济的发展对环境压力较大，可持续发展能力有待提高；能值可持续发展指数整体上处于下降趋势，从2008 年的1.22 下降到2020 年的0.25，降速明显，年均降速幅度达6.63%，表明随着经济的发展，天津市的生态经济系统可持续性在不断下降，因此加强对生态和环境的有效控制已迫在眉睫。

3.4 敏感性分析

根据表5 可知，对于天津市的生态经济系统：（1）当R 减少30% 时，2008 年、2012 年、2016年和2020 年ESI 指数分别减少39.07%、36.84%、34.78%、33.33%；当R 增加30%时，ESI 指数分别是原来的27.66 倍、34.57 倍、38.67 倍、51.23 倍，且EYR 和ELR 同样表现出较高的敏感性，增幅比较明显，但是当R 增加30%时，ESI 全部大于10 代表经济不发达状态，因此要在系统原本能流投入的基础上适度增加R 的投入量，以更有效地提高区域生态经济系统可持续发展水平。（2）当LN 减少或增加30%时，对ESI、EYR 和ELR 影响都不大。（3）当IN 减 少30% 时，2008 年、2012 年、2016 年和2020 年的ESI 指数分别增加68.21%、63.16%、56.52%、53.33%，且ESI 指数的值都在1～10 之间，表明该系统可持续性发展比较具有潜力；当IN增加30%时，2008 年、2012 年、2016 年和2020 年的ESI 指数分别减少30.46%、28.95%、28.26%、26.67%，同时EYR 和ELR 也同样表现出较高的敏感性。综上表明，R、IN 的投入量变化对整个区域生态经济系统的可持续发展水平影响较大，即系统对这两种能流的敏感性比较高，其中R 的投入量需适度，投入过高与过低都不适当，但IN 投入量的减少将会大幅提升系统的可持续性发展水平与潜力。

表5 天津市生态经济系统敏感性分析结果

4 结论与启示

天津市生态经济系统的总能值用量主要由可再生资源能值、当地不可再生资源、购买和外部来源三部分构成。其中，购买和外部来源2008—2020 年整体上呈现上升趋势，2020 年较2008 年上升幅度达214%，年均增幅17.83%；当地不可再生资源2020年较2008 年上升幅度达58.6%；可再生资源能值处于下降趋势。说明天津市经济快速发展主要以外部能值输入及当地不可再生资源的消耗来拉动。

天津市生态经济系统的能值自给率呈现下降趋势，表明本地资源已不能满足自身经济快速发展需求，区域发展对外界的依赖程度在增强，系统安全性、可持续性较低；环境负载率持续增长，环境负载压力增长幅度达238%，且系统可持续发展指数下降，系统可持续发展潜力变弱，表明天津市经济发展对生态环境造成极大压力，自然生态系统功能不断减弱，系统处于超负荷运转状态。因此，优化天津市能源利用结构，开发新能源和提高可再生资源利用水平是迫切需要解决的问题。

天津市生态经济系统的能值交换率整体处于上升状态，虽然系统的能值产出率逐年下降，但考虑到天津市所处发展阶段，其能值产出率将会随着产业结构转型升级和新旧动能转换的逐步完成而大幅提高；此外，系统的能值密度和人均能值量呈现逐年增长态势，且高于国内很多其他发达地区，表明天津市生态经济系统的能值集约水平高、居民生活幸福度高。

天津市的生态系统服务中，调节服务功能占整个生态系统服务能值的比例最高；生态经济系统的能值流中，可再生资源能值、当地不可再生资源投入量的变化对整个生态经济系统的可持续性发展指数影响较大，表明系统对这两种能值流的敏感性比较高。

针对天津市生态经济系统的发展特点，未来一个时期内，天津市需逐步建立和完善循环经济发展体系，不断发展绿色创新技术，改善产业和能源消耗结构，培育一批新兴绿色产业，降低对不可再生资源和外部资源与环境的依赖性，适度开发当地可再生资源，逐步提高可持续发展能力，建设资源节约型与环境友好型城市。

注释：

1）可持续性发展指数（ESI）用于评价城市与城市经济系统的可持续发展潜力。根据布朗和乌尔贾蒂的定义，当1 ≤ESI ≤10，表明区域发展处于经济高速增长阶段，有较大的发展潜力；当ESI＞10，表明区域发展处于经济不发达的发展阶段；ESI＜1，表明区域发展处于高消费、低产出的发达阶段。