计算石漠化地区的生态经济系统能值指标

　　喀斯特石漠化是在热带亚热带暖温带湿润半湿润气候条件的喀斯特环境背景下，由于人类活动和自然因素的综合作用，致使地表植被遭受破坏，土壤严重侵蚀、基岩大面积裸露或砾石堆积，土地生产力严重下降，地表出现类似荒漠景观的土地退化现象和过程.改革开放以来，在“以经济建设为中心”的战略背景下，石漠化地区资源、环境、人口和发展问题日益尖锐，陷入资源高消耗、环境破坏和经济增长滞后的困境。因此，石漠化环境问题的日趋严重引起国家的高度关注，国家“ 十一五规划纲要” 明确将贵州、广西、云南三个典型的石漠化省区划定为限制开发区，确立环境保护优先的发展战略。

　　可持续发展是石漠化地区需要迫切解决的问题，在所有的理论中，Odum 于 20 世纪 80 年代创立的太阳能值理论，通过实验确立了不同能量形式和太阳辐射能之间的数量转换标准，即太阳能值转换率，使得能值分析理论在不同能量的定量分析方面具有重要的作用，在生态经济系统健康评价、区域可持续发展、生态环境承载力、价值评估和经济核算、生态效应、系统健康评价等方面，都得到很好的应用.文中以社会经济年鉴资料为主，结合 GIS 和遥感方法，获取 2000 和 2009 年的生态和经济数据，计算石漠化地区的生态经济系统能值指标，并在此基础上进行石漠化地区的可持续发展分析，为石漠化地区科学发展战略的制定，提供有价值的理论支持和科学依据。

　　1 材料与研究方法
　　
　　1. 1 研究区概况和数据源
　　云南、贵州、广西地貌以崎岖的喀斯特岩溶山地为主，气候温和多雨，多年平均降水量超过 1000mm,多年平均太阳辐射能分别为 5700、4110、4550mj/m2.2009 年云南、贵州、广西人口分别为 4571. 0、3798.0、4856. 0 万人，比 2000 年增长 8. 2% 、7. 7% 、6. 6% .人均 GDP 分别为 13536、10258、16045 元，是全国经济最落后的省区。国土资源部调查显示，云南、贵州、广西石漠化发生面积约 8. 8 万 km2,是石漠化的主要发生省区，其中，贵州 3. 3 万 km2,云南 2. 8 万 km2主要分布于东部，广西 2. 7 万 km2.石漠化年均增长1650km2,年增长率 2%.主要数据来源于 2001 和 2010 年统计资料： 云南统计年鉴、贵州统计年鉴、广西统计年鉴、中国农村统计年鉴、中国环境统计年鉴、中国环境年鉴、中国水资源公报及省水资源公报、中国工业经济统计年鉴、中国能源统计年鉴、改革开放三十年农业统计资料汇编（ 1978 -2007 年） ,第四、六次森林资源清查数据等。

　　平均坡度由 DEM（ 30m） 经过镶嵌后，与省级行政区划矢量图做相对几何校正，再经 ArcGIS 计算得出。风能和太阳辐射能利用全国气象台站资料，通过 ArcGIS 的 Kriging 插值而得。部分降水数据来自统计年鉴，所缺数据利用气象台降水数据经 Kriging 插值得到。对比分析部分的其他省区数据经相同的数据源计算得到，限于篇幅和研究目的，不列出具体计算过程。

　　1. 2 能值分析法
　　不同能量间的不可比性给生态经济系统研究带来困难。由于不同的能量都直接或间接来自太阳能，美国生态学家 Odum 于 20 世纪 80 年代提出能值理论.能值即体现能，是不同产品形成所直接和间接投入应用的一种有效总能，是其他能量所储存的太阳能的数量。

　　太阳能值计算公式： Em = T × B （ 1）式中： Em 太阳能值（ 单位 sej） ,T 太阳能值转换率（ sej/J 或 sej/g） ,B 有效能（ J） ,公式：B = W × C （ 2）式中： W 是物体质量（ g 或 kg） ; C 是物质能量折算系数（ J/kg 或 J/g） .能值和可持续分析指标（ 表 1） : 环境负荷率（ ELR） 等于非可更新资源能值与可更新资源的比率。能值产出率（ EYR） 等于系统产出和社会经济反馈投入之比，EYR 越高，生产和转化效益越高，或经济子系统中无偿使用的能值比率越高。能值产出比（ ENR） 等于系统产出与社会有效能值投入的比，ENR 越高，系统自我更新能力越好。可持续指数（ ESI） 等于 EYR 与 ELR 的比，区域可持续发展度量。改进的可持续指数（ MESI） 等于 ENR/（ ELR + WLR） ,考虑了环境外部效应和废弃物对可持续发展的影响。可持续年限（ ST） 等于系统的资源环境总能值与当年投入能值的比，度量当前生产生活水平下区域资源能维持的经济发展年限。除了 ST 外，其他指标都是无纲量。【表1】

　　
　　1. 3 能值分析表编制
　　云南、贵州、广西的能值分析表，主要包括： 第一，有效能计算方法参考文献和公式（ 2） ,热值换算标准参考《农业技术经济手册》。第二，太阳能值计算参照公式（ 1） ,能值转换率以文献为主，文献为辅，其中： 高岭土、废弃物、活立木、茶叶、啤酒分别参考文献.第三，耕地能值参考文献.土壤侵蚀量基于 USLE 方程计算： A = R × K × LS × C × P.式中： R 为降水侵蚀力因子（ MJ·mm/hm2·h·a） ,K 为土壤可侵蚀性因子（ t·hm2·h /MJ·mm·hm2） ,L 和 S 分别为坡长和坡度因子（ 无量纲） ,C 为覆盖管理因子（ 无量纲） ,P 为水土保持措施因子（ 无量纲） .R 参考 Wischmeier 经验公式计算.K 从诺谟图查取，其中土壤砂粒含量、土壤结构、渗透性、有机质含量等从 1:100 万土壤图获取。LS 由 DEM（ 30m） 提取，C、P 由 MODIS（ 250m） 影像提取。

　　2 结果与分析
　　
　　2. 1 能值计算结果
　　利用能值分析表、公式（ 1） 和（ 2） ,绘制石漠化区生态经济系统能量流简图（ 图 1） ,计算 2000 和 2009年的能值（ 表 2） .利用表 1 中的公式和表 2 的统计结果，计算可持续分析指标（ 表 3） .2000 年广西、贵州、云南省（ 区） 的资源环境能值分别为 1E + 26、1. 2E + 26、1. 6E + 26sej,到 2009 年其储量分别降低 4.0% 、8. 3% 和 6. 3% .2000、2009 年三省（ 区） 的可更新资源能值分别为 9. 1E + 22、7. 8E + 22、2. 2E + 23,9.9E + 22、7. 3E + 22、2. 0E + 23sej,可更新资源能值有一定的变动。相比之下，不可更新资源的投入数量则快速增长。与 2000 年相比，2009 年三省的不可更新资源能值投入分别达 2. 3E + 23、1. 2E + 23、2. 3E +23sej,分别增长 250% 、150% 和 240% ,表 2 所示。2009 年，废弃物对生态环境的压力比 2000 年增长了97% 、126% 、133% ,达到 2. 1E + 22、1. 1E + 22、1. 4E + 22sej.废弃物与当地可更新资源的比平均不超过0. 2,而最高的上海达到 6. 2.三个石漠化省区能值货币比率比最低的北京高 3 倍，其中云南能值货币比率在全国排名第 4,仅次于新疆、青海、西藏，贵州排名第 7,而广西排名第 12.【表2.表3】


　　
　　2. 2 石漠化地区可持续发展状况
　　环境承载力严重超限，石漠化地区可持续发展情势日益严峻。2000年，石漠化地区环境承载力7800万人，实际人口1.23亿。2009年，三省区的环境承载力4900万人，实际人口1.33亿，其中）‘一西超载250 %,贵州超载171 %,云南超载119%.当ESI < 1时一，经济子系统长期内不可持续；；1 <ESI<5时一经济子系统中期内可持续；10 > ESI > 5时一，经济子系统长期内可持续；ESI > 10时一，经济子系统的发展程度很低[[IA],发展模式粗放，发展仍然不可持续。2000年，云南的E SI值53. 65,在除西藏外的省区中，仅次十青海，而）’一西E SI值30.45,仅次十青海、云南、新疆、四川，贵州的ESI在石漠化地区较好，处十10的临界点，ESI值在全国排名第l00 2009年，云南、贵州、）‘一西的E SI值分别为10. 17,7.73和7. 03,在全国排名分别为第4,9,8.以2000年无纲量ESI为纵坐标，2009年ESI为横坐标，得到石漠化地区ESI变化时一空趋势（图2）。从图2中曲线Yap[可知，石漠化地区ESI平均时一空变化趋势0. 07,而全国平均时一空演变趋势值0. 4.由十经济落后和资源丰富，石漠化地区可持续发展形势比全国稍好。

　　由十EYR忽略外部性问题}ELR忽略废物的影响，E SI会比实际值偏大，导致结果好十实际情况。因此，考虑废弃物和外部性问题，构建改进的可持续指标MESI （modified emery sustainable indices），分析区图 2 石漠化地区 ESI 趋势Fig. 2 ESI trend in desertification area域可持续发展： MESI = ENR/（ ELR + WLR） （ 表 1,表 3） .

　　2000 年，云南、广西和贵州的 MESI 分别为 1. 67、1. 40 和 0.75,MESI 值比新疆（ 4） 、四川（ 2. 4） 、黑龙江（ 2. 143） 和青海（ 2） 稍低，而 MESI 最低的上海仅 0. 004.2009 年三个石漠化省区的 MESI 非常接近： 云南 0. 823,广西 0. 759,贵州 0. 725,同期最低值上海 0. 03,最大值青海 2. 7,新疆 2. 683.为了探讨区域的可持续发展形势，将资源环境总能值除以每年消耗的资源能值，得到可持续时限 ST,结果显示，广西的可持续发展形势最差，2000 年为 12 年，而贵州、云南分别为 189 和 198年，2009 年 ST 快速下降到 3. 8、78. 7 和 61. 5（ 年） .

　　2. 3 发展阶段分析
　　结果表明，石漠化地区处于经济落后阶段。由于喀斯特地区低下的生态系统承载力，云南、贵州、广西三个石漠化省区都陷入“贫困→人口增长→环境破坏→贫困”的困境。为摆脱石漠化地区经济落后的“马太效应”,国家和石漠化地区每年都投入巨额的科研和环境治理经费，但成效有限。从 GDP 的增长率看，石漠化地区经济取得了飞速的进步，但据 2010 年中国统计年鉴，目前石漠化地区属高消耗省区。鉴于目前 GDP 核算的弊端，导致 GDP 具有较高的表观增长率。在非可持续发展模式之下，石漠化地区的经济发展阶段和一般地区有显著的差异： 第一，传统发展阶段。区域经济十分落后，环境质量相对较好，人口增长较快。第二，起步阶段。为追求 GDP 的高增长率，加快经济增长步伐，经济开始好转，但资源消耗过快，环境破坏更加严重，废弃物积累增多。第三，准起飞阶段。石漠化地区片面的粗放增长模式，主导产业仍然不明晰，资源消耗加剧，环境破坏日趋严重。以目前的资源赋存条件，石漠化地区将在经济成功起飞前，失去区域发展的资源环境条件，走向衰落。第四，衰落阶段。喀斯特地区土壤流失容易、形成难，加上地貌二元结构等因素，贵州、云南、广西的环境承载力明显偏低，石漠化地区将会回归经济落后的局面，但同时伴生环境破坏严重，区域承载力剧烈下降，人口超载更严重，给区域环境问题埋下新的种子。目前石漠化地区普遍处于第一阶段或向第二阶段过渡的早期阶段。

　　3 讨论
　　
　　石漠化问题越来越受到国家和地方的重视，石漠化地区植被和土被覆盖状况正在好转，使得石漠化地区表土损耗能值显著降低。但是，脆弱的生态环境，显著地降低了喀斯特石漠化地区的环境承载力，使当地陷入“环境脆弱→人口增长→环境破坏加剧” 的恶性循环，人口成了石漠化地区可持续发展的重要瓶颈。石漠化地区开发程度较低，历史以来就是中国落后的区域，经济增长方式比较粗放，经济形式单一，产业结构单调，当地资源的转化效率较低，单位 GDP 的能耗和资源消耗偏高，加上在当地工业发展迅速的背景下，尽管石漠化地区的可发展年限指标明显优于全国的平均水平，资源环境的投入增长幅度很大，石漠化地区的发展仍为不可持续的。由于当前区域考核体系存在明显的局限，不能准确表现区域的实际发展程度。GDP 考核体系，过度夸大经济增长的作用，对社会和生态效益重视不够，对外部性等问题缺乏科学有效的解决手段，使得人们不能正确认识当前日益严重的区域问题，是造成当前区域发展现状的制度性问题。

　　由于文中研究的数据范围比较广，数据来源是制约研究正常进行的瓶颈，在数据获取过程中采用遥感方法和 GIS 技术，有效的克服了研究中的数据不足问题。同时，由于 2000 年以前的数据获取困难，为了保证数据源的可得性，文中仅对 2000 和 2009 年进行对比研究，十年的时间尺度，并不能很好地反映区域可持续发展的态势，因此，通过与上海、黑龙江、四川、青海、新疆等不同发展程度省区的对比，客观上有助于得出更科学的结论。

　　4 结论
　　
　　（ 1） 资源、环境、人口和发展的压力，使石漠化地区的环境承载力迅速降低，环境压力越来越大。2000年广西、贵州、云南的环境承载力为 2. 33e +7 人、2. 03e +7 人、3. 26e +7 人，到 2009 年，降低为 1. 37e +7人、1. 36e +7 人、2. 07e +7 人，下降幅度分别为 41. 2%、33. 0%、36. 5%,与实际人口相比，三个省区的人口分别超载 2. 46、1. 79 和 1. 21 倍。相应的资源、环境和废物指标则增长更快，废物能值分别增长 111%、114% 、1. 13% ,能源消费增长 165% 、77% 和 131% .十年间工业产品、能源和发电能值增加了 1. 79、2. 60和 2. 63 倍。

　　（ 2） 石漠化地区的发展滞后，可持续发展现状优于全国平均水平区域，区域发展存在“原始→长期可持续→中期可持续→短期可持续→不可持续”的演变趋势。目前广西、贵州、云南的发展处于“原始”向“长期可持续发展”过渡的阶段，2000 年广西、云南处于原始发展阶段，而贵州已过渡到长期可持续的阶段。

　　可持续年限方面，云南和贵州是可持续年限相当，按当年的能值消耗计，2000 年接近 200 年，而广西仅 12年，到 2009 年，云南、贵州、广西分别降低到 61. 5、78. 7 和 4 年。

　　（ 3） 2000 年广西、贵州、云南的表土损耗为 1. 21e +23 sej、1. 94e +23 sej、2. 65e +23sej,到 2009 年下降到 7. 14e +22 sej、1. 19e +23 sej、1. 70e +23sej,与 2000 相比分别下降了 41. 0%、38. 7%、35. 8%.下降的原因主要是石漠化地区水土流失，尤其是石漠化防治方面的科学研究的深入开展，以及政府对这些地区环境保护的重视，也得益于“十一五”期间，国家在石漠化地区确定的“环境保护优先，适度开发”的发展战略定位。

　　（ 4） 文中研究表明，石漠化地区存在严重的问题。要克服这些问题，实现区域的可持续发展，需要转变观念、变革发展模式，大力发展科学技术，还需要实施科学合理的人口政策。

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