人為驅(qū)動力和環(huán)境壓力影響模型應(yīng)用研究進展

劉光輝

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧 沈陽 110006)

人類正在以前所未有的規(guī)模改變?nèi)颦h(huán)境，這是一個不爭的事實。全球環(huán)境變化的人為驅(qū)動力還沒有被充分認(rèn)識和理解，主要因素是缺乏適當(dāng)?shù)哪軌驅(qū)θ藶轵?qū)動力和環(huán)境影響關(guān)系的分析技術(shù)和模型。本文主要對人為驅(qū)動力和環(huán)境影響關(guān)系相關(guān)模型研究進行分析。

1 環(huán)境庫茲涅茨曲線

Grossman 和Krueger 研究了三種環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)(SO2、微塵和懸浮顆粒)與收入之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)三種環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)都與收入呈倒U 形關(guān)系［1］。Arrow 和Bolin 等提出了環(huán)境壓力與經(jīng)濟增長之間呈倒U 形關(guān)系的假說［2］。這與呈倒U 形的庫茲涅茨曲線相似，因此把它稱為環(huán)境庫茲涅茨曲線假說(或EKC 假說)。

環(huán)境庫茲涅茨曲線的基本涵義為:環(huán)境污染和環(huán)境退化是經(jīng)濟增長過程中必然出現(xiàn)的衍生產(chǎn)物，經(jīng)濟增長達(dá)到一定水平又是改善環(huán)境的必要條件［3］。

另外，大量實證研究中環(huán)境壓力指標(biāo)和經(jīng)濟增長指標(biāo)之間存在四種關(guān)系:倒U 形關(guān)系、同步關(guān)系、U 形關(guān)系和N 形關(guān)系。

張正棟［4］采用1970～2004 年的統(tǒng)計資料，用統(tǒng)計方法，研究了近35 年來海南島耕地變化過程與人口增長、經(jīng)濟發(fā)展之間動態(tài)變化關(guān)系，結(jié)果表明海南人口增長、經(jīng)濟發(fā)展與耕地面積變化之間存在著比較明顯的呈類似庫茲涅茨曲線倒“U”型關(guān)系，耕地減少量呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢。

張云［5］等對1990～2001 年北京工業(yè)廢氣排放與工業(yè)總產(chǎn)值之間的變化關(guān)系進行分析，結(jié)果表明工業(yè)廢氣排放與工業(yè)總產(chǎn)值之間呈“U 型+倒U型”的環(huán)境庫茲涅茨曲線特征，說明環(huán)境庫茲涅茨曲線并不一定是倒“U”形模式，而是區(qū)域環(huán)境經(jīng)濟態(tài)勢的一個綜合反映。這為環(huán)境還處在非良好態(tài)勢地區(qū)的環(huán)境整治和調(diào)控提供了一個有力的理論支撐，并且說明在經(jīng)濟快速增長的同時保持相對較低的污染，甚至改善污染，是可能和可行的。

孟紅明［6］研究上海市經(jīng)濟增長和環(huán)境污染水平間的關(guān)系呈“倒U 型+U 型”環(huán)境庫茲涅茨曲線。這條由“倒U 型+U 型”兩組曲線構(gòu)成類似“N型”的環(huán)境庫茲涅茨曲線，其曲線特征所揭示的理論意義在于隨著人均收入水平的提高，污染量或人均污染量并非必然經(jīng)歷一段時期的上升后逐漸下降，還會出現(xiàn)反復(fù)，即實踐中經(jīng)濟與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的結(jié)果不會自然地實現(xiàn)，而要靠積極的人為干預(yù)。

Alberto［7］對全球經(jīng)濟增長和溫室氣體間關(guān)系分析后表明，二者間呈同步關(guān)系。全球經(jīng)濟發(fā)展使得溫室氣體排放增加，全球變暖，經(jīng)濟發(fā)展與溫室氣體排放尚未到分離階段，溫室氣體排放和經(jīng)濟增長還在同步增長。

研究者對國內(nèi)外經(jīng)濟增長與環(huán)境壓力間的關(guān)系的分析還有很多，在此不多敘述?？傊?，環(huán)境壓力和經(jīng)濟增長關(guān)系呈現(xiàn)多種類型，這與選取的不同環(huán)境指標(biāo)、不同地域、不同發(fā)展模式等都有關(guān)系，而且影響也不盡相同，應(yīng)當(dāng)具體問題具體分析。

2 IPAT 等式

IPAT 模型指出人類對環(huán)境影響有三個主要驅(qū)動力:人口、富裕度和技術(shù)。其表達(dá)式［8］為:

式中:I―環(huán)境影響(Impact)，以環(huán)境指標(biāo)表示，如資源能源消耗、廢物排放等;

P―人口(Population)，以人數(shù)表示;

A―富裕度(Affluence)，以人均年GDP 表示，A=GDP/P;

T―技術(shù)(Technology)，以單位GDP 形成的環(huán)境指標(biāo)表示，T=I/GDP。

IPAT 是一個數(shù)學(xué)等式。IPAT 等式表明I 是P、A、T3 種驅(qū)動力的共同作用，且I 與P、A、T 間均成等比例變化關(guān)系，即任何一個驅(qū)動力發(fā)生1%的變化都會引起環(huán)境壓力相應(yīng)發(fā)生1%的變化。但每個驅(qū)動力不可能獨立于其它驅(qū)動力而單一作用于環(huán)境沖擊，即環(huán)境變化是這些驅(qū)動力共同作用的結(jié)果。

朱顯成等［9］將IPAT 方程進行轉(zhuǎn)換，建立大連水資源效率模型。根據(jù)水資源效率模型，利用大連地區(qū)GDP 增長數(shù)據(jù)、水資源供給和消耗的數(shù)據(jù)，分四種情況討論并計算出大連地區(qū)在“十一五”、“十二五”期間水資源合理用量和單位GDP 水資源消耗需要降低的倍數(shù)。

王正環(huán)等［10］對福建環(huán)境效率定量進行測評，結(jié)果表明福建保持環(huán)境效率(單位GDP 的資源消耗量或單位GDP 的三廢排放量)年平均降低率在10%(或者資源利用效率年平均提高10%)，實現(xiàn)GDP 的“十一五”每年9%的增長量，環(huán)境負(fù)荷會以每年約1.56%(均值)的速度逐年降低;要想實現(xiàn)2011 年到2015 年GDP 繼續(xù)保持9%的增長速度同時維持環(huán)境負(fù)荷不變，環(huán)境效率(單位GDP的資源消耗量或單位GDP 的三廢排放量)年平均降低率至少應(yīng)達(dá)到約9%(均值)，或者資源利用效率年平均提高約9%。

何強等［11］以北京市為例，采用IPAT 模型框架以及嶺回歸技術(shù)，分析了人口、經(jīng)濟增長、技術(shù)水平和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)等因素對生態(tài)環(huán)境的具體作用方式和程度，結(jié)果表明在1987～2006 年，北京市經(jīng)濟增長和環(huán)境質(zhì)量之間的關(guān)系近似為線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，經(jīng)濟增長對環(huán)境帶來的負(fù)向效應(yīng)明顯超過了技術(shù)進步帶來的正向效應(yīng)，在人口因素中，城鎮(zhèn)人口的相對增加是生態(tài)環(huán)境壓力減輕的重要原因。

3 ImPACT 等式

Waggoner 等［12］對IPAT 等式進行重新定義，提出ImPACT 等式，其表達(dá)式為:

式中:Im―環(huán)境影響(Impact)，以環(huán)境指標(biāo)表示，如資源能源消耗、廢物排放等;

P―人口(Population)，以人數(shù)表示;

A―富裕度(Affluence)，以人均年GDP 表示，A=GDP/P;

C―使用強度(Consumption)，以單位GDP 的消費表示;

T―技術(shù)(Technology)，以單位消費形成的環(huán)境指標(biāo)表示。

Waggoner 等將環(huán)境影響(Im)分解為人口(P)、富裕(A)、使用強度(C)和技術(shù)(T)的乘積，并探討了驅(qū)動因子之間的組合對環(huán)境影響的杠桿調(diào)節(jié)作用。相比IPAT 等式，ImPACT 更清晰地呈現(xiàn)了經(jīng)濟系統(tǒng)中消費和生產(chǎn)過程對環(huán)境的影響。Waggoner［13］利用ImPACT 等式研究了美國農(nóng)田面積的擴張和灌溉水的變化。

焦文獻［14］應(yīng)用ImPACT 等式，分析了甘肅省1990～2003 年虛擬水消費中人類活動對環(huán)境的影響。結(jié)果表明，相比1990～1995 年，1996～2000年和2001～2003 年甘肅省收入顯著提高，而使用強度(單位GDP 的農(nóng)產(chǎn)品消費量)和效率(單位農(nóng)產(chǎn)品消耗的虛擬水量)大幅度改善，對環(huán)境影響(虛擬水消費量)起到了調(diào)節(jié)作用。

徐中民等［15］在剖析經(jīng)典的IPAT 等式及其變種等式ImPACT 分析框架的基礎(chǔ)上，提出了一個新的可持續(xù)性評價研究框架―ImPACTS 等式，并討論了新等式的政策含義。在ImPACTS 等式中，新增項S代表社會資源的狀態(tài)(社會發(fā)展?fàn)顟B(tài))，m 代表管理，用來強調(diào)人類采用協(xié)調(diào)的方式來解決超過可持續(xù)性尺度這一問題的重要性，I 因此變成了集成的影響評價―對環(huán)境的影響和社會發(fā)展的損益評價。

4 STIRPAT 模型

IPAT 等式和ImPACT 等式中不能準(zhǔn)確表示驅(qū)動力對環(huán)境影響的非比例效應(yīng)和非單調(diào)效應(yīng)。為了克服這一缺點，Rose 等［16］將IPAT 等式表示成隨機形式，即通過人口、富裕度和技術(shù)的隨機回歸分析各驅(qū)動力對環(huán)境壓力的影響，簡稱為STIRPAT模型，與IPAT 等式和ImPACT 等式不同，STIRPAT 模型不是一個計算等式，而是一個隨機模型。STIRPAT 模型方程:

式中:a―比例系數(shù);

b，c，d―P，A，T 的相應(yīng)指數(shù);

e―誤差。

當(dāng)a=b=c=d=e=1 時，STIRPAT 模型方程就成為IPAT 等式。

將STIRPAT 模型方程兩邊取對數(shù)，并將T 表示在誤差e 中，以求與IPAT 等式一致，則STIRPAT 模型方程變?yōu)?

在上面的對數(shù)方程中，a1，e1分別是STIRPAT模型方程a，e 的對數(shù)。

用驅(qū)動力變化對環(huán)境影響產(chǎn)生的變化來定義生態(tài)彈性，因此我們可以計算出STIRPAT 模型中每個驅(qū)動力的彈性變化。人口驅(qū)動力對生態(tài)彈性的影響表示人口變化對環(huán)境影響的反應(yīng)。富裕驅(qū)動力對生態(tài)彈性的影響表示富裕變化對環(huán)境影響的反應(yīng)。由于在STIRPAT 模型中T 包括許多因素，下面討論將T 分解并在人口或富裕與影響之間的關(guān)系來得出T 對環(huán)境的影響。

對于STIRPAT 模型中的系數(shù)，如果影響系數(shù)=1.0 稱為單位彈性，表明驅(qū)動力和影響之間的等比例關(guān)系。驅(qū)動力變化一定的百分比，則影響也變化相同的百分比。系數(shù)＞1.0 表明環(huán)境影響變化的速度超過驅(qū)動力增加的速度。系數(shù)＜1.0(但＞0)表明非彈性關(guān)系，對驅(qū)動力變化而引起的影響反應(yīng)較小。系數(shù)也可能是負(fù)值，當(dāng)系數(shù)=-1.0 時，表明單位負(fù)彈性，即驅(qū)動力增加而影響以相同比例遞減。當(dāng)系數(shù)值＜-1.0 時，表明負(fù)彈性，即驅(qū)動力增加而影響以較大比例遞減。當(dāng)系數(shù)值為0.0～-1.0 時，表示負(fù)的無彈性，即驅(qū)動力增加而影響以較小比例遞減。

在實際應(yīng)用中，可根據(jù)需要在式(3)或式(4)增加社會或其他控制因素來分析他們對環(huán)境的影響，但增加的變量需要與方程(3)指定的乘法形式具有概念上的一致性［17，18］。某些經(jīng)濟和社會學(xué)理論預(yù)測影響和經(jīng)濟發(fā)展的非單調(diào)關(guān)系，利用富裕度作為模型方程的二次項。即:

式(5)lnA 對求一階偏導(dǎo)數(shù)，可得到富裕度對環(huán)境影響的彈性系數(shù)為:

STIRPAT 模型和彈性系數(shù)的應(yīng)用，解決了實證分析中如何檢驗各驅(qū)動力變化對環(huán)境變化的影響問題。

York［17］等人研究表明，人口數(shù)量對以CO2排放量和能源足跡表征的環(huán)境壓力的彈性系數(shù)都接近于1;而人均單位GDP 增長對以能源足跡表征的環(huán)境壓力的彈性系數(shù)＜1 且＞0，即單位人均GDP每增長1%，環(huán)境壓力上升但不會超過1%。

王琳［19］利用STIRPAT 模型，分析了蘇州市1978～2005 年人口、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和城市化水平對耕地面積變化的影響及富裕度與耕地占用之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，人口數(shù)量的變化是引起耕地面積減少的主要因素;而第三產(chǎn)業(yè)增加值占地區(qū)生產(chǎn)總值比重和城市化率的變化對耕地面積的減少也發(fā)揮著重要作用;富裕度和耕地面積之間存在類似環(huán)境Kuznets 曲線，并且蘇州市正處于該曲線的前期階段，屬于矛盾的凸顯期。

王立猛等［20］利用STIRPAT 模型，研究人口、富裕度和能源消費間的環(huán)境壓力模型。結(jié)果表明，不同省份間人口數(shù)量和富裕度對環(huán)境壓力影響存在顯著差異;各省份人口數(shù)量對環(huán)境壓力都產(chǎn)生線性正效應(yīng)影響，但影響強度有明顯差異，最大者是最小者的8.079 倍。富裕度對環(huán)境壓力影響，有正效應(yīng)或者負(fù)效應(yīng);有線性作用或者彈性作用。

王立猛等［21］利用STIRPAT 模型，以1952～2003年中國能源消費總量時間序列數(shù)據(jù)為例，分析人口數(shù)量、富裕度、能源強度和能源消費的選擇行為等人類驅(qū)動力對環(huán)境壓力的影響。結(jié)果表明，人口數(shù)量或能源強度發(fā)生1%的變化，將分別引起環(huán)境壓力相應(yīng)發(fā)生1.992%或0.777%的變化;隨著富裕度的增加，富裕度對環(huán)境壓力的彈性系數(shù)逐漸增加。

孫克等［22］采用中國2000 年各省(區(qū)、市)的水足跡作為環(huán)境影響測算指標(biāo)，運用空間自相關(guān)模型，分析了中國2000 年水足跡的空間分布特征;進而利用STIRPAT 模型定量分析中國的人口數(shù)量和富裕程度等對環(huán)境的影響，結(jié)果表明，人口數(shù)量對環(huán)境影響顯著，而富裕程度對其影響較小;城市化率對環(huán)境沒有顯著影響;在控制人口變量的基礎(chǔ)上，現(xiàn)有樣本數(shù)據(jù)支持倒U 形的環(huán)境Kuznets 曲線假說。

5 結(jié)論

環(huán)境庫茲涅茨曲線研究環(huán)境壓力和經(jīng)濟發(fā)展之間的相關(guān)關(guān)系，但尚不能建立全面反映環(huán)境壓力和經(jīng)濟增長的量化關(guān)系。IPAT 等式、ImPACT 等式和STIRPAT 模型建立了人為驅(qū)動力與環(huán)境壓力之間的數(shù)量關(guān)系。IPAT 等式、ImPACT 等式是數(shù)學(xué)等式，并假設(shè)人文驅(qū)動力與環(huán)境壓力間存在線性關(guān)系，但不能分析如城市化、人口年齡結(jié)構(gòu)、地理位置、氣候條件等人文驅(qū)動力對環(huán)境壓力的影響。STIRPAT模型通過對技術(shù)項的分解，實現(xiàn)了對各種類型人文驅(qū)動因子對環(huán)境壓力的影響分析。以上模型的建立和發(fā)展為研究人為驅(qū)動力與環(huán)境壓力的影響提供了方法支持。

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