基于能源足迹的环渤海可持续发展评价

檀菲菲+陆兆华+张萌

摘要:采用能源消费数据及社会经济相关资料,依据能源足迹的碳吸收计量模型、能源足迹强度及生态压力等概念分析环渤海区域可持续性,通过STIRPAT 模型揭示驱动因子的边际效应,并尝试结合人类发展指数评价区域可持续发展状况。结果表明,区域人均能源足迹从2001年0.625 8 hm2上升至2010年1.405 4 hm2,年均增幅为13.84%,且2010年能源足迹赤字为2001年的2.44倍,发展严重不可持续;区域内煤类足迹占总能源足迹的比例平均为78.86%,而能源足迹强度从2001年的0.550 5 hm2/万元降至2010年的0.338 6 hm2/万元,年均下降4.28%;能源生态压力指数从2001年的5.939 7增至2010年的13.619 4,生态系统严重不安全;能源足迹与人均GDP和能源足迹强度呈正相关,与人口数量呈负相关,边际弹性系数分别为4.201 467、0.821 476和-0.000 414;区域HDI及健康指数、教育指数和GDP指数均高于全国平均值,社会经济发展较好。该研究可为环渤海经济圈可持续发展研究奠定基础,也对类似研究有借鉴意义。

关键词:环渤海;能源足迹;人类发展指数;可持续发展

中图分类号:X22;X171文献标识码:A文章编号:0439-8114(2014)11-2508-06

Evaluation on Sustainable Development of the Bohai Rim Based on Energy

Ecological Footprint Method

TAN Fei-fei1, LU Zhao-hua1,2,ZHANG Meng1

(1. Institute of Restoration Ecology, China University of Mining & Technology, Beijing 100083, China;2. Shandong Provincial Key Laboratory of Eco-Environmental Science for Yellow River Delta, Binzhou University, Binzhou 256603, Shandong,China)

Abstract: With the gradual expansion of economic scale in the Bohai Rim, energy and the consequent environmental problems have become the major factors restricting its further development. The sustainability of the Bohai Rim in the time series was analyzed based on the model of carbon absorption, energy footprint intensify and ecological pressure. The marginal contribution of driving factors in energy footprint was studied by STIRPAT model, with the state of sustainable development evaluated by attempting to integrate with human development index, according to the statistical data of energy consumption and social economy materials. The results showed that energy footprint per capita in the Bohai Rim was increased from 0.625 8 hm2 to 1.405 4 hm2 within the past ten years, growing at 12.46% annually and appearing rising trend. In terms of the value, Tianjin and Hebei were located in front of others. The value of energy deficit in 2010 was 2.44 times more than that in 2001, demonstrating unsustainable development. The annual average percentage of coal accounting for energy consumption in the whole region was 78.86%. In the period studied, energy footprint intensify in the Bohai Rim was decreased from 0.550 5 hm2/104 yuan to 0.338 6 hm2/104 yuan at 4.23% annually and the ecological pressure index was increased to 13.619 4 from 5.939 7, manifesting seriously unsafe ecosystem. The energy footprint was positively correlated with GDP per capita,energy footprint intensity, and negatively correlated with population. The corresponding coefficients of effects on energy footprint were 4.201 467,0.821 476 and -0.000 41, respectively. The value of HDI and health, education and GDP index were higher than that of the corresponding average national value, indicating a certain degree development of society and economy. The results would lay the foundation for studying sustainable development of the Bohai Rim, and be valuable for similar studies as well.

Key words:the Bohai Rim; energy footprint; human development index; sustainable development

基金项目:国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAC02B01-05);国家自然科学基金项目(71273260/G0312)

对人类而言,可持续发展意味着只有努力地转变生产和生活方式才能使环境和社会状况稳定地支撑他们的人身安全、财富和健康[1]。目前可持续发展的评价方法主要有综合评价法[2,3]、主成分分析法[4]、层次分析法[5]、系统动力学法[6]、生态足迹法[7-9]以及绿色GDP核算法[10]和真实储蓄率测算法[11]等。生态足迹法自引入国内以来,不同尺度方面的应用研究广泛[12-15],其中通过人类能源消费所换算的生物生产性面积称为能源足迹[16],国内外众多研究结果[17-20]均表明其占生态足迹比例很大,也以此评估一定人口规模下人类对自然资源的消耗和可持续发展状况。宏观尺度上陈成忠等[21]、李琦等[22]和赵冠伟等[23]分别利用经验模态分解法分析全国能源足迹驱动因子、测算分析全国能源足迹以及利用重心模型研究全国能源足迹的时空差异;其他尺度上郭运功等[24]、方恺等[25]、杨继松等[26]和张乐勤等[27]分别对上海市、吉林省、辽宁省和安徽省能源足迹进行测度分析,以及李智等[20]对能源足迹强度、产值及生态压力的研究等等;同时Wang等[28]也利用人类发展指数评价农村区域可持续发展状况。本研究旨在就能源消费产生的生态足迹的现状和变化分析环渤海经济圈的可持续性,并尝试结合人类发展指数来评价可持续发展状况。

环渤海作为我国三大经济圈之一,是中国北方经济发达和发展前景广阔的区域,具有集资源型、滨海型、消费型于一身的特点,主要包括京津冀、辽东半岛、山东半岛在内的三省二市。该区域能源资源丰富,在人均能源资源占有量方面,相比长三角和珠三角较有优势,因此基于能源足迹对其可持续发展状况进行评价具有较大的实际意义。

1材料与方法

1.1数据来源

研究数据主要来源于《中国能源统计年鉴》(2001-2011年),人口、经济和教育等数据来源于相应年份的《中国统计年鉴》、《中国人口统计年鉴》,并由相应年份的地区统计年鉴和发展统计公报补充。文中能源消费是指一定时期内全省或全市生产和生活消费的各种能源的总和,包括煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然气和电力等九类,为便于计算分析,合并为煤类、石油类、天然气和水电四大项。

1.2能源足迹测度方法

1.2.1能源足迹计算由Wackernagel等[29]提出的生态足迹模型建立的基础为:人类能够确定消费的绝大多数资源及其产生的废弃物数量;这些资源和废弃物能折算成相应的生物生产性土地面积;各类生物生产性土地具有空间互斥性。能源足迹实质是能源消费占生态足迹的大小,可采用生态足迹模型计算[19],将能源消费转化为土地面积,结合文献[20,21]确定计算公式如下:

EEF=×(1)

式中,EEF指人均能源足迹(hm2);乘以2/3是因为假设消费所排放的CO2中有1/3被海洋所吸收,其余部分由林地消纳;i为能源项目;Wi为某年某种能源的消费量(kg标准煤);Ai为某能源的全球平均足迹106 kJ/(hm2·a);N为人口数量[21,26]。

计算中相关折算系数和转化标准采用普遍值[21]:

1 t煤= 0.714 3 t标准煤,1 t油=1.428 6 t标准煤,1 m3天然气=1.33 kg 标准煤,1 kWh=0.122 9 kg标准煤,1 kg标准煤热能=29 307.6 kJ。

1.2.2能源足迹人均承载力计算生态承载力是指自然环境可为人类提供的生态生产性土地面积,是与生态足迹一一对应的概念。能源足迹人均承载力同样可依照一般生态承载力模型,通常只计算林地面积。

EBC=aj×rj×yj (2)

式中,EBC为能源足迹人均承载力(hm2);aj为某类型土地实际人均面积(hm2);rj为均衡因子,yj 为产量因子。均衡因子采取刘某承等[30]计算结果1.41,有研究[31]认为采用稳定的世界平均单产对人均生态承载力的计算结果影响不大,故文中产量因子采用Wackernagel计算中国人均生态承载力的产量因子0.91[32]。

1.2.3能源足迹盈余或赤字计算能源足迹盈余或赤字由能源足迹与其承载力差值判断,若为正,即赤字;若为负,即盈余。盈余或赤字表征区域的发展是否可持续。

1.2.4能源足迹强度和能源生态压力计算能源足迹强度通常可认为是万元GDP消耗的能源足迹,计算式为:EFI=EEF/GDP,式中均以人均值计算。能源足迹生态压力(Ecological pressure of energy footprint,EPEF)通过能源足迹赤字与能源足迹承载力的比值来表征,可用于评价区域的能源生态安全性,计算公式为:

EPEF=(EEF-EBC)/EBC(3)

若区域能源足迹呈赤字状态,则EPEF>0;若EPEF>1,则区域发展严重不可持续。

1.2.5能源足迹驱动因子分析方法随机回归的STIRPAT模型(I=aPbAcTde)是在经典IPAT等式[33]基础上提出的,式中,I、P、A、T分别为环境压力、人口数量、富裕度和技术,a为模型系数,b、c、d分别为各变量的指数,e为模型误差。该模型也可认为是可拓展的随机环境影响评估模型,借鉴于此构建能源足迹与驱动因子关系的计量模型为E=kPaDbTc,利用最小二乘法揭示因子的重要程度。为便于回归运行,将多元形式转化为一元形式,对上式两边取对数,得:

ln E=lnk+aln P+bln D+cln T(4)

式中k为常数,P、D、T分别为人口数、经济发展水平(以人均GDP计)、能源技术利用率(以能源足迹强度计),由弹性系数含义可知,若P、D、T发生1%的变化,将分别引起E发生a%、b%和c%的变化。

1.3人类发展指数计算

人类发展指数(HDI)是由联合国开发计划署1990年提出的可衡量国家或地区经济社会可持续发展水平的指标。HDI由健康、教育和收入三方面共同表征,即HDI=I寿命+I教育+I收入,健康指标由平均预期寿命表示,教育指标由成人识字率和综合毛入学率表示,收入指标由人均GDP表示。鉴于数据的可得性,修正指标如下:国内每10年对各地区的平均预期寿命统计一次,考虑该指标的稳定性分别采取2000年数据和2010年数据为2001-2005年和2006-2010年的平均预期寿命值;教育指标中的成人识字率通过各地区15岁及以上的文盲人数和15岁及以上人数计算,综合毛入学率由6岁及以上受教育人数比例代替;通过以上各省(市)的数据分别加总求得环渤海区域值,其中各指数计算参考文献[28,34],且计算中预期寿命采取最大值和最小值分别为85和25,成人识字率和综合毛入学率最大值均为100%、最小值均为0,人均GDP最大和最小值分别为40 000元和100元。以上3 个指数值均介于0与1之间,值越大表明人类发展水平越高。

2结果与分析

主要从区域发展的可持续性和社会经济发展水平两个方面进行分析研究,由能源足迹相关指标和人类发展指数表征。以2001-2010年相关数据资料为基础,通过公式(1)和公式(2)分别求得五省(市)及环渤海的人均能源足迹和相应的人均承载力(表1,其中环渤海数据是由各省(市)数据分别乘以其人口数量后相加再除以环渤海人口总数所得),从而计算人均能源足迹盈余或赤字,得出能源供需和能源结构状况。由公式(3)可得能源足迹生态压力,然后求出能源足迹强度(由于原始数据及相关人口、经济数据太多,故未在文中列出)。

2.1能源足迹相关指标分析

本研究分析的能源足迹指标包括人均能源足迹及相应的人均承载力、能源足迹结构状况、能源足迹强度和能源足迹生态压力。

2.1.1能源足迹及其承载力变动分析由图1可知,2001-2004年环渤海五省(市)的人均能源足迹大小顺序是天津、辽宁、北京、河北和山东,2005年开始北京开始下降到五省(市)中最小值,2007-2010年天津人均能源足迹缓慢下降之后再回升。研究时段内,环渤海区域的人均能源足迹从2001年0.625 8 hm2增至2010年1.405 4 hm2,年均增幅为13.84%,呈持续上升趋势。与赵冠伟等[23]研究结果相比,环渤海同期比全国人均值(0.619 hm2)高。曲线变化较符合实际,“十五”期间中国工业化和城市化加速,国民经济进入重化工业为主的时期,继而能源消耗量不断增加,环渤海作为北方最重要的经济增长区域必然是此变化过程的典型。“十一五”开始国家提出节能减排政策并逐渐将其纳入政绩考核,北京和天津作为经济政治中心,领先响应国家号召,强化重点领域节能、推广新技术和加强节能执法监察,在2009年底已提前完成目标。相对欠发达的河北、山东和辽宁为保证经济增长,2006年之后能源足迹仍呈上升趋势,但各地都落实了节能减排措施,所以增速减慢。

结合表1和图2可知,2001-2010年间五省(市)EBC大小变化微乎其微,因此环渤海区域的EBC变化趋势为近似平行于时间轴的直线,从而在人均能源足迹不断增加的基础上,2001-2010年间环渤海人均能源足迹始终处于赤字不断提高的状态,2001年赤字为0.535 6 hm2,2010年上升至1.309 3 hm2,为2001年的2.44倍,说明该区域能源需求远大于自然生态系统的承载能力,对重污染高能耗的传统模式依赖大,2001-2010年间环渤海这种粗放的经济发展模式,已经对生态环境造成极大压力,呈现不可持续的发展状态。

2001-2010年间环渤海能源结构以煤类为主,煤类足迹占能源足迹的平均比例为78.86%。从图3可看出,区域内素有“燕赵煤仓”之称的河北省煤类占能源足迹的比例最大,随之依次是山东、天津、辽宁和北京。造成此种形势的原因可能是环渤海区域整体经济快速发展,以能源消耗和第二产业为主仍是该区域各省(市)的特点,而且近十年来电脑、手机、家用电器及汽车制造等高能耗产业均占据市场一席之地。

以煤类为主的能源结构虽然为区域发展减少能源支出成本、积累资金收入,但会导致区域生态环境严重破坏,比如大气污染物中约70%的TSP、90%的SO2、60%的NOx和85%的CO2都来自燃煤,粗放式开采和煤矸石和煤灰粉等固体废物会导致地面塌陷、地下水污染甚至生物资源破坏,能源开发过程中也会牵涉移民问题、事故受害赔偿等可能危及社会稳定的后果,因此极大地损害可持续发展能力。

2.1.2能源足迹强度及能源足迹生态压力分析由图4可知,2001-2004年环渤海及五省(市)的能源足迹强度(EFI)大小依次是辽宁、河北、天津、山东和北京,2004之后天津EFI降到山东之下,2007之后北京和天津EFI较低,说明两市单位能源足迹产生的经济价值最高(尤其是北京),得益于第三产业兴盛和清洁能源技术的发展。10年间环渤海EFI均呈下降趋势,显示能源状况有所优化。环渤海区域EFI从2001年0.550 5 hm2/万元降至2010年0.338 6 hm2/万元,年均下降4.28%。2001-2005年环渤海区域EFI从0.550 5 hm2/万元降至0.513 7 hm2/万元,下降较平缓;2006-2010年从0.478 2 hm2/万元降至0.338 6 hm2/万元,下降较快。说明2006年以后,纳入单位GDP能耗为政绩考核指标的政策大力推进了环渤海节能减排措施的实施和循环经济的积极发展。但与李智等[20]的研究相比,环渤海EFI仍有下降空间。

从能源足迹生态压力与GDP增长关系(图5)来看,环渤海能源足迹生态压力(EPEF)与人均GDP的增长大致是同步的,较符合实际状况,经济增长必然导致能源消耗增多以及随之而来的大量废弃物的产生。2001-2010年环渤海能源足迹生态压力始终大于1,从5.939 7到13.619 4,充分揭示了该区域生态系统严重不安全。综上所述,环渤海能源利用率的提高和能源结构的稍许优化仍不能抵消经济发展带来的生态影响,导致能源足迹逐年加大,已属严重不可持续状态。

2.1.3能源足迹驱动因子分析根据公式(4)及其线性转化,以环渤海2001-2010年人均能源足迹(E)作因变量,以相应人口数量(P)、人均GDP(D)和能源足迹强度(T)作自变量,通过EViews6.0采用最小二乘法对模型进行回归拟合,R2为0.979 393,表明模型拟合效果好;F检验的相伴概率为0.000 019,反映方程变量间呈高度线性关系,回归极显著;根据回归系数得到环渤海能源足迹与人口数量、人均GDP和能源足迹强度拟合回归方程为ln E=6.713 397-0.000 414 lnP+0.821 476 ln D+4.201 467T,人均GDP和能源足迹强度均与能源足迹呈正相关,而人口数量与能源足迹呈负相关。人口数量的边际弹性系数为-0.000 414,说明人口每增加1%将会导致人均能源足迹下降0.000 414%;人均GDP每增加1%将导致其上升0.821 476%;能源足迹强度每增加1%将会使其上升4.201 467%。能源足迹受能源足迹强度的影响比较明显,因此以科技进步提高能源利用效率是环渤海加快可持续发展的首要途径。

2.2人类发展指数分析

由表2可知,环渤海2001-2010年的HDI及健康指数、教育指数和GDP指数高于全国平均值,表明环渤海区域整体社会经济发展水平一直高于全国的平均值,这与实际相符。在政策方面,国家加大对该区域发展的政策支持力度,国家“十五”和“十一五”规划中要求环渤海区域要发挥对内地经济发展的带动和辐射作用;地理位置方面,国家的政治经济中心为区域发展奠定了基础,交通运输、海岸线资源及能源储备等也赋予其得天独厚的优势。

3结论

研究结果表明,2001-2010年环渤海区域社会经济较高发展水平是建立在不可持续的能源利用及由此引发的一系列生态环境问题的基础上,这种发展是不可持续的。研究时段内该区域能源足迹赤字严重,能源结构失调,能源足迹生态压力过大,即使能源利用水平不断改善也远远不能抵消此种发展模式带来的生态环境危机,因此亟须从根本上解决问题。

首先,建立并完善的相关政策和法律机制,协调环渤海各省(市)发展,加强沟通合作,发展循环经济,避免资源浪费并降低对外省的消极影响。其次,优化调整能源结构,提高科技水平和创新能力,发展新能源的生产和使用技术如清洁能源技术、节能技术、碳处理技术和增加产业附加值等。再次,调整产业结构,利用地理优势发展现代化旅游业(区域内的北京、天津、青岛和大连等均为全国著名旅游城市)和物流运输业(秦皇岛、青岛、大连等城市拥有丰富的海岸线资源)。最后,加强能源运行的管理和落实具体政策,这是环渤海实现可持续发展的基本保障。

此外,虽然资源消耗会有经济产出,但由于环渤海各省(市)的科技水平、人文环境和政策导向不尽相同,所以占用等量能源足迹所获得的社会、经济价值也参差不齐,能源足迹甚至生态足迹与社会经济发展指标等在理论上是否存在正比关系还有待进一步研究。以上实证研究表明基于能源足迹并结合人类发展指数评价区域可持续发展是可行的,但将二者有机结合可能更有实际意义。

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此外,虽然资源消耗会有经济产出,但由于环渤海各省(市)的科技水平、人文环境和政策导向不尽相同,所以占用等量能源足迹所获得的社会、经济价值也参差不齐,能源足迹甚至生态足迹与社会经济发展指标等在理论上是否存在正比关系还有待进一步研究。以上实证研究表明基于能源足迹并结合人类发展指数评价区域可持续发展是可行的,但将二者有机结合可能更有实际意义。

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此外,虽然资源消耗会有经济产出,但由于环渤海各省(市)的科技水平、人文环境和政策导向不尽相同,所以占用等量能源足迹所获得的社会、经济价值也参差不齐,能源足迹甚至生态足迹与社会经济发展指标等在理论上是否存在正比关系还有待进一步研究。以上实证研究表明基于能源足迹并结合人类发展指数评价区域可持续发展是可行的,但将二者有机结合可能更有实际意义。

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